Электричество в жизни растений

Проектная работа «Растения и их электрический потенциал»

ФИЗИКА

БИОЛОГИЯ

Растения и их электрический потенциал.

Выполнил: Маркевич В.В.

ГБОУ ООШ № 740 г. Москва

9 класс

Руководитель: Козлова Виолетта Владимировна

учитель физики и математики

г. Москва 2013

1. Введение

   1. Актуальность

   2. Цели и задачи работы

   3. Методы исследования

   4. Значимость работы

2. Анализ изученной литературы по теме «Электричество в жизни

растений»

1. 1. История исследования электрических свойств растений

   2. Биоэлектрические потенциалы в клетках растений

   3. Влияние атмосферного электричества на растения

   4. Ионизация воздуха в помещении

2. Методика и техника исследования

   1. Исследование токов повреждения у различных растений

      1. Эксперимент №1 (с лимонами)

      2. Эксперимент №2 (с яблоком)

      3. Эксперимент №3 (с листом растения)

   2. Исследование влияния электрического поля на прорастание семян

      1. Эксперименты по наблюдению влияния ионизованного воздуха на прорастание семян гороха

      2. Эксперименты по наблюдению влияния ионизованного воздуха на прорастание семян бобов

   3. Выводы

3. Заключение

4. Литература

Глава 1Введение

«Как ни удивительны электрические явления,

присущие неорганической материи, они не идут

ни в какое сравнение с теми, которые связаны с

жизненными процессами».

Майкл Фарадей

В данной работе мы обращаемся к одному из самых интересных и перспективных направлений исследований – влиянию физических условий на растения.

Изучая литературу по данному вопросу, я узнал, профессору П. П. Гуляеву с помощью высокочувствительной аппаратуры удалось установить, что слабое биоэлектрическое поле окружает любое живое и еще точно известно: каждая живая клетка имеет свою собственную электростанцию. И клеточные потенциалы не так уж малы. Например, у некоторых водорослей они достигают 0,15 В.

«Если 500 пар половинок горошин собрать в определенном порядке в серии, то конечное электрическое напряжение составит 500 вольт… Хорошо, что повар не знает об опасности, которая ему угрожает, когда он готовит это особенное блюдо, и к счастью для него, горошины не соединяются в упорядоченные серии». Это высказывание индийского исследователя Дж. Босса базируется на строгом научном эксперименте. Он соединял внутренние и внешние части горошины с гальванометром и нагревал до 60°С. Прибор при этом показывал разность потенциалов 0,5 В.

Каким образом это происходит? На каком принципе работают живые генераторы и батареи? Заместитель заведующего кафедрой живых систем Московского физико-технического института кандидат физико-математических наук Эдуард Трухан считает, что один из самых главных процессов, протекающих в клетке растения, — процесс усвоения солнечной энергии, процесс фотосинтеза.

Так что, если в тот момент ученым удастся «растащить» положительно и отрицательно заряженные частицы в разные стороны, то, по идее, мы получим в свое распоряжение замечательный живой генератор, топливом для которого служили бы вода и солнечный свет, а кроме энергии, он бы еще производил и чистый кислород.

Возможно, в будущем такой генератор и будет создан. Но для осуществления этой мечты ученым придется немало потрудиться: нужно отобрать наиболее подходящие растения, а может быть, даже научиться изготавливать хлорофилловые зерна искусственно, создать какие-то мембраны, которые бы позволили разделять заряды. Оказывается, живая клетка, запасая электрическую энергию в природных конденсаторах – внутриклеточных мембранах особых клеточных образований, митохондрий, потом использует ее для произведения очень многих работ: строительства новых молекул, затягивания внутрь клетки питательных веществ, регулирования собственной температуры… И это еще не все. С помощью электричества производит многие операции и само растение: дышит, движется, растет.

Актуальность

Уже сегодня можно утверждать: изучение электрической жизни растений несет пользу сельскому хозяйству. Еще И. В. Мичурин проводил опыты по влиянию электрического тока на прорастание гибридных сеянцев.

Предпосевная обработка семян – важнейший элемент агротехники, позволяющий повышать их всхожесть, а в конечном итоге – урожайность растений.А это особенно важно в условиях нашего не очень длинного и теплого лета.

Цели и задачи работы

Целью работы является исследование наличия биоэлектрических потенциалов у растений и исследование влияния электрического поля на прорастание семян.

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Изучение основных положений, касающихся учения о биоэлектрических потенциалах и влияния электрического поля на жизнедеятельность растений.

2. Проведение экспериментов по обнаружению и наблюдению токов повреждения у различных растений.

3. Проведение экспериментов по наблюдению влияния электрического поля на прорастание семян.

Методы исследования

Для выполнения задач исследования используется теоретический и практический методы. Теоретический метод: поиск, изучение и анализ научной и научно-популярной литературы по данному вопросу. Из практических методов исследования используется: наблюдение, измерение, проведение экспериментов.

Значимость работы

Материал данной работы может быть использован на уроках физики и биологии, так как в учебниках этот важный вопрос не освещается. А методика проведения экспериментов – как материал для практических занятий элективного курса.

История исследования электрических свойств растений

Один из характерных признаков живых организмов – способность к раздражению.

Чарльз Дарвин придавал важное значение раздражимости растений. Он детально изучил биологические особенности насекомоядных представителей растительного мира, отличающихся высокой чувствительностью, и результаты исследований изложил в замечательной книге «О насекомоядных растениях», вышедшей в свет в 1875 году. Кроме того, внимание великого натуралиста привлекли различные движения растений. В совокупности все исследования наводили на мысль, что растительный организм удивительно схож с животным.

Широкое использование электрофизиологических методов позволило физиологам животных достичь значительного прогресса в этой области знаний. Было установлено, что в организмах животных постоянно возникают электрические токи (биотоки), распространение которых и приводит к двигательным реакциям. Ч. Дарвин предположил, что сходные электрические явления имеют место и в листьях насекомоядных растений, обладающих довольно сильно выраженной способностью к движению. Однако сам он не проверял эту гипотезу. По его просьбе эксперименты с растением Венерина мухоловка были проведены в 1874 году физиологом Оксфордского университета Бурданом Сандерсоном. Подсоединив лист этого растения к гальванометру, ученый отметил, что стрелка тотчас же отклонилась. Значит, в живом листе этого насекомоядного растения возникают электрические импульсы. Когда исследователь вызвал раздражение листьев, прикоснувшись к расположенным на их поверхности щетинкам, стрелка гальванометра отклонилась в противоположную сторону, как в опыте с мышцей животного.

Немецкий физиолог Герман Мунк, продолживший опыты, в 1876 году пришел к заключению, что листья венериной мухоловки в электромоторном отношении подобны нервам, мускулам и электрическим органам некоторых животных.

В России электрофизиологические методы были использованы Н. К. Леваковским для изучения явлений раздражимости у стыдливой мимозы. В 1867 году он опубликовал книгу под названием «О движении раздражимых органов растений». В экспериментах Н. К. Леваковского самые сильные электрические сигналы наблюдались в тех экземплярах мимозы, которые наиболее энергично отвечали на внешние раздражители. Если мимозу быстро убить нагреванием, то мертвые части растения не вырабатывают электрических сигналов. Возникновение электрических импульсов автор наблюдал также в тычинках бодяка и чертополоха, в черешках листьев росянки. Впоследствии было установлено, что в любом растении можно обнаружить возникновение электрических потенциалов.

Биоэлектрические потенциалы в клетках растений

Жизнь растений связана с влагой. Поэтому электрические процессы в них наиболее полно проявляются при нормальном режиме увлажнения и затухают при увядании. Это связано с обменом зарядами между жидкостью и стенками капиллярных сосудов при протекании питательных растворов по капиллярам растений, а также с процессами обмена ионами между клетками и окружающей средой. Важнейшие для жизнедеятельности электрические поля возбуждаются в клетках.

Итак‚ нам известно‚ что…

1. Несомая ветром цветочная пыльца имеет отрицательный заряд‚ приближающийся по величине к заряду пылинок при пылевых бурях. Вблизи теряющих пыльцу растений резко изменяется соотношение между положительными и отрицательными легкими ионами‚ что благоприятно сказывается на дальнейшем развитии растений.

2. В практике распыления ядохимикатов в сельском хозяйстве выяснено‚ что на свеклу и яблоню в большей мере осаждаются химикаты с положительным зарядом‚ на сирень — с отрицательным.

3. Одностороннее освещение листа возбуждает электрическую разность потенциалов между освещенными и неосвещенными его участками и черешком‚ стеблем и корнем. Эта разность потенциалов выражает реакцию растения на изменения в его организме‚ связанные с началом или прекращением процесса фотосинтеза.

4. Прорастание семян в сильном электрическом поле (например‚ вблизи коронирующего электрода) приводит к изменениям высоты и толщины стебля и густоты кроны развивающихся растений. происходит это в основном благодаря перераспределению в организме растения под влиянием внешнего электрического поля объемного заряда.

5. Поврежденное место в тканях растений всегда заряжается отрицательно относительно неповрежденных участков‚ а отмирающие участки растений приобретают отрицательный заряд по отношению к участкам‚ растущим в нормальных условиях.

6. Заряженные семена культурных растений имеют сравнительно высокую электропроводность и поэтому быстро теряют заряд. Семена сорняков ближе по своим свойствам к диэлектрикам и могут сохранять заряд длительное время. Это используется для отделения на конвейере семян культурных растений от сорняков.

7. Значительные разности потенциалов в организме растений возбуждаться не могут‚ поскольку растения не имеют специализированного электрического органа. Поэтому среди растений не существует «древа смерти»‚ которое могло бы убивать живые существа своей электрической мощностью.

Влияние атмосферного электричества на растения

Одна из характерных особенностей нашей планеты – наличие постоянного электрического поля в атмосфере. Человек не замечает его. Но электрическое состояние атмосферы не безразлично для него и других живых существ, населяющих нашу планету, включая растения. Над Землей на высоте 100-200 км, существует прослойка из положительно заряженных частиц – ионосфера.
Значит, когда идешь по полю, улице, скверу, то движешься в электрическом поле, вдыхаешь электрические заряды.

Влияние атмосферного электричества на растения исследовалось с 1748 года многими авторами. В этом году аббат Нолет сообщал об экспериментах, в которых он электризовал растения, поместив их под заряженные электроды. Он наблюдал ускорение прорастания и роста. Грандиеу (1879) наблюдал, что растения, которые не подвергались влиянию атмосферного электричества, так как были помещены в проволочный сеточный заземленный ящик, показали уменьшение веса на 30 – 50% по сравнению с контрольными растениями.

Лемстрем (1902) подвергал растения действию ионов воздуха, располагая их под проволокой, снабженной остриями и подключенной к источнику высокого напряжения (1 м над уровнем земли, ток ионов 10-11 – 10-12 А/см2), и он нашел увеличение в весе и длине больше, чем на 45% (например, морковь, горох, капуста).

Тот факт, что рост растений ускорялся в атмосфере с искусственно увеличенной концентрацией положительных и отрицательных малых ионов недавно подтвердился Круегером и его сотрудниками. Они нашли, что семена овса реагировали на положительные, а также отрицательные ионы (концентрация около 104 ионов/см3) увеличением на 60% общей длины и увеличением свежего и сухого веса на 25-73%. Химический анализ надземных частей растений обнаружил увеличение содержание протеина, азота и сахара. В случае ячменя имело еще большее увеличение (приблизительно на 100%) в общем удлинении; увеличение в свежем весе не было большим, но существовало заметное увеличение в сухом весе, которое сопровождалось соответствующим увеличением содержания протеина, азота и сахара.

Эксперименты с семенами растений также проводил Ворден. Он нашел, что прорастание зеленых бобов и зеленого горошка становилось более ранним при увеличении уровня ионов любой полярности. Конечное процентное отношение проросших семян было более низким при отрицательной ионизации по сравнению с контрольной группой; прорастание в положительно ионизированной группе и контрольной было одинаковым. По мере роста сеянцев контрольные и положительно ионизированные растения продолжали свой рост, в то время как растения, подвергавшиеся отрицательной ионизации, в большинстве чахли и погибали.

Влияние в последние годы произошло сильное изменение электрического состояния атмосферы; различные районы Земли стали отличаться друг от друга по ионизированному состоянию воздуха, которое обусловлено его запыленностью, загазованностью и т.д. Электрическая проводимость воздуха – чуткий индикатор его чистоты: чем больше в воздухе посторонних частиц, тем больше число ионов оседает на них и, следовательно, меньше становится электропроводимость воздуха.
Так, в Москве в 1 см3 воздуха содержится 4 отрицательных заряда, в Санкт-Петербурге – 9 таких зарядов, в Кисловодске, где эталон чистоты воздуха – 1,5 тыс. частиц, а на юге Кузбасса в смешанных лесах предгорья количество этих частиц доходит до 6 тысяч. Значит, где больше отрицательных частиц, там легче дышится, а где пыль – человеку достается их меньше, так как пылинки оседают на них.
Хорошо известно, что возле быстро текущей воды воздух освежает и бодрит. В нем много отрицательных ионов. Еще в XIX веке было определено, что более крупные капли в брызгах воды заряжены положительно, а капли поменьше – отрицательно. Поскольку большие капли оседают быстрее, в воздухе остаются отрицательно заряженные маленькие капельки.
Наоборот, воздух в тесных помещениях с обилием разного рода электромагнитных приборов насыщен положительными ионами. Даже сравнительно непродолжительное нахождение в таком помещении приводит к заторможенности, сонливости, головокружениям и головным болям.

Исследование токов повреждения у различных растений.

Инструменты и материалы

• 3 лимона, яблоко, помидор, лист растения;

• 3 блестящих медных монеты;

• 3 оцинкованных винта;

• провода, желательно с зажимами на концах;

• небольшой нож;

• несколько клеящихся листочков;

• низковольтный светодиод 300мВ;

• гвоздь или шило;

• мультиметр.

Эксперименты по обнаружению и наблюдению токов повреждения у растений

Техника выполнения эксперимента № 1. Ток в лимонах.

Прежде всего, помяли все лимоны. Это делается для того, чтобы внутри лимона появился сок.

Вкрутили в лимоны оцинкованный винт приблизительно на треть его длины. При помощи ножа осторожно вырезали в лимоне небольшую полосу — на 1/3 его длины. Вставили в щель в лимоне медную монету таким образом, чтобы половина ее осталась снаружи.

Вставили таким же образом винты и монеты в другие два лимона. Затем подключили провода и зажимы, соединили лимоны таким образом, чтобы винт первого лимона подключался к монете второго и т.д. Подключили провода к монете из первого лимона и винту из последнего. Лимон работает как батарейка: монета — положительный (+) полюс, а винт — отрицательный (-). К сожалению, это очень слабый источник энергии. Но его можно усилить, соединив несколько лимонов.

Подключили положительный полюс диода к положительному полюсу батареи, подключили отрицательный полюс. Диод горит!!!

1. Со временем напряжение на полюсах лимонной батареи уменьшится. Заметили, насколько хватит лимонной батареи. Через некоторое время лимон потемнел возле винта. Если удалить винт и вставить его же (или новый) в другое место лимона, то можно частично продлить срок работы батареи. Можно еще попробовать помять батарею, время от времени передвигая монеты.

1. Провели эксперимент с большим количеством лимонов. Диод стал светиться ярче. Батарея теперь работает дольше.

2. Использовали кусочки цинка и меди большего размера.

3. Взяли мультиметр, измерили напряжение батареи. Результаты измерений поместили в таблицу.

Техника выполнения эксперимента № 2. Ток в яблоках.

1. Яблоко разрезали пополам, удалили сердцевину.

2. Если оба электрода, отведенных к мультиметру, приложить к наружной стороне яблока (кожуре), мультиметр не зафиксирует разности потенциалов.

3. Один электрод перенесли во внутреннюю часть мякоти, и мультиметр отметит появление тока повреждения.

4. Проведем эксперимент с овощами — томатами.

5. Результаты измерений поместили в таблицу.

Один электрод на кожуре,

другой – в мякоти яблока

0,21 В

Электроды в мякоти разрезанного яблока

0‚05 В

Электроды в мякоти помидора

0‚02 В

Техника выполнения эксперимента № 3. Ток в срезанном стебле.

1. Отрезали лист растения со стеблем.

2. Измерили токи повреждения у срезанного стебля на различном расстоянии между электродами.

3. Результаты измерений поместили в таблицу.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

• В любом растении можно обнаружить возникновение электрических потенциалов.

• Электрический потенциал зависит от вида и размеров растений, от расстояния между электродами.

Исследование влияния электрического поля на прорастание семян.

Инструменты и материалы

• семена гороха, бобов;

• чашки Петри;

• аэроионизатор;

• часы;

• вода.

Эксперименты по наблюдению влияния ионизованного воздуха на прорастание семян

Техника выполнения эксперимента №1

1. Для опыта взяли семена гороха и бобов, замочили в чашках Петри и поместили в разных помещениях с одинаковой освещенностью и комнатной температурой. В одном из помещений установили аэроионизатор – прибор для искусственной ионизации воздуха.

2. Ежедневно включали ионизатор на 10 минут.

3. Каждый день увлажняли семена гороха, бобов и наблюдали, когда семена проклюнутся.

1. Хронометраж опытов поместили в таблицах.

Прорастание 8 семян

(5 не проросли)

Увеличение ростков

у 10 семян (3 не проросли)

Увеличение ростков

Увеличение ростков

у 10 семян (3 не проросли)

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Прорастание 3 семян

(4 не проросли)

Увеличение ростков семян

Прорастание 2 семян

(2 не проросли)

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

Результаты исследования

Результаты эксперимента свидетельствуют, что прорастание семян более быстрое и успешное под действием электрического поля ионизатора.

Порядок выполнения эксперимента №2

1. Для опыта взяли семена гороха и бобов, замочили в чашках Петри и поместили в разных помещениях с одинаковой освещенностью и комнатной температурой. В одном из помещений установили аэроионизатор – прибор для искусственной ионизации воздуха.

2. Ежедневно включали ионизатор на 20 минут.

3. Каждый день увлажняли семена гороха, бобов и наблюдали, когда семена проклюнутся.

1. Хронометраж опыта поместили в таблице.

Прорастание 6 семян

Прорастание 9 семян

(3 не проросли)

Прорастание 2 семян

(4 не проросли)

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

Опытная чашка

(с обработанными семенами)

Контрольная чашка

Замачивание семян

Замачивание семян

Набухание семян

Набухание семян

Без изменений

Без изменений

Прорастание 3 семян

(5 не проросли)

Прорастание 4 семян

(4 не проросли)

Прорастание 3 семян

(2 не проросли)

Прорастание 2 семян

(2 не проросли)

Увеличение ростков

Прорастание 1 семени

(1 не проросло)

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Результаты исследования

Результаты эксперимента свидетельствуют, что более длительное воздействие электрического поля отрицательно подействовало на прорастание семян. Они проросли позже и не столь успешно.

Порядок выполнения эксперимента №3

1. Для опыта взяли семена гороха и бобов, замочили в чашках Петри и поместили в разных помещениях с одинаковой освещенностью и комнатной температурой. В одном из помещений установили аэроионизатор – прибор для искусственной ионизации воздуха.

2. Ежедневно включали ионизатор на 40 минут.

3. Каждый день увлажняли семена гороха, бобов и наблюдали, когда семена проклюнутся.

1. Хронометраж опытов поместили в таблицах

Прорастание 8 семян

(4 не проросли)

Без изменений

Увеличение ростков

Прорастание 2 семян

(10 не проросли)

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Без изменений

Прорастание 3 семян

(4 не проросли)

Прорастание 2 семян

(5 не проросли)

Прорастание 2 семян

(2 не проросли)

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Результаты исследования

Результаты эксперимента свидетельствуют, что более длительное воздействие электрического поля отрицательно подействовало на прорастание семян. Прорастание их заметно понизилось.

ВЫВОДЫ

• В любом растении можно обнаружить возникновение электрических потенциалов.

• Электрический потенциал зависит от вида и размеров растений, от расстояния между электродами.

• Обработка семян электрическим полем в разумных пределах приводит к ускорению процесса прорастания семян и более успешному их прорастанию.

• После обработки и анализа экспериментальных и контрольных образцов можно сделать предварительный вывод – увеличение времени облучения электростатическим полем действуют угнетающе, так как качество прорастания семян ниже при увеличении времени ионизации.

Глава 4Заключение

В настоящее время вопросам влияния электрических токов на растения посвящены многочисленные исследования ученых. Влияние электрических полей на растения до сих пор еще тщательно изучается.

Исследования, выполненные в Институте физиологии растений, позволили установить зависимость между интенсивностью фотосинтеза и значением разности электрических потенциалов между землей и атмосферой. Однако еще не исследован механизм, лежащий в основе этих явлений.

Приступая к исследованию, мы ставили перед собой цель: определить влияние электрического поля на семена растений.

После обработки и анализа экспериментальных и контрольных образцов можно сделать предварительный вывод – увеличение времени облучения электростатическим полем действуют угнетающе. Мы считаем, что данная работа не закончена, так как получены только первые результаты.

Дальнейшие исследования по данному вопросу можно продолжить по следующим направлениям:

1. Повлияла ли обработка семян электрическим полем на дальнейший рост растений?

Глава 5ЛИТЕРАТУРА

1. Богданов К. Ю. Физик в гостях у биолога. — М.: Наука, 1986. 144 с.

2. Воротников А.А. Физика – юным. – М: Харвест, 1995-121с.

3. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М: Просвещение, 1971-158с.

4. Перельман Я.И. Занимательная физика. – М: Наука, 1976-432с.

5. Артамонов В.И. Занимательная физиология растений. – М.: Агропромиздат, 1991.

6. Арабаджи В. И. Загадки простой воды.- М.: «Знание», 1973.

7. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/163.html

8. http://www.npl-rez.ru/litra/bios.htm

9. http://www.ionization.ru

Электричество из живых растений: зеленые электростанции

Компания под названием Plant-e из Нидерландов трансформирует энергию живых зеленых растений в электрическую, которая будет использоваться в практике. Например, уже сейчас этой энергии может хватить, чтобы обеспечить работу светодиодных осветительных приборов, точек Wi-Fi и зарядки батарей мобильных электронных устройств.

Ученые не перестают заниматься самыми смелыми экспериментами в области биоэнергетики. Получение электрической энергии из живых растений – перспективное направление в этой сфере, которое позволит хотя бы отчасти решить проблему энергообеспечения отдельных регионов планеты с низким уровнем экономического развития. Компания Plant-e из Нидерландов трансформирует энергию растений в электрическую энергию, которую можно использовать в различных целях.

Зеленые электостанции

Электричество можно получать из растений

На сегодняшний день очень актуальна тема новых, дополнительных источников электрической энергии.

Подписывайтесь на наш аккаунт в INSTAGRAM!

Один из альтернативных методов в этой области открыли сотрудники компании Plant-e, которые досконально изучили определенные процессы, имеющие место в биосфере. Для получения электроэнергии голландцы использовали один из побочных продуктов реакции фотосинтеза (это учат на уроках биологии в школе).

Электричество, получаемое из живых растений

Исследователи высаживают растения особого вида в специально подготовленные для этого контейнеры, изготовленные из пластика, площадью до 1/4 метра кв. Растения активно растут и в результате фотосинтеза вырабатывают определенные сахаристые соединения. Объем сахара, который вырабатывают растения, значительно превосходит необходимость в нем этих растений и излишки сахара «сбрасываются» посредством корневой системы обратно в грунт. Сахар, полученный в растениях и попавший в грунт, начинает вступать в реакцию с кислородом в атмосфере и в ходе этой реакции выделяются свободные электроны. Электроды при погружении в грунт собирают свободные электроны, трансформируя их в электрический ток, а объем электричества, которое вырабатывается в данном процессе, вполне достаточен для обеспечения энергией светодиодных осветительных приборов, точек Wi-Fi и даже зарядки батарей мобильных электронных устройств.

Основатели компании Plant-e уверены, что разработанная ими биотехнология выработки электроэнергии найдет применение в слабо развитых и удаленных регионах планеты, там, где естественные условия подходят для роста растений и где, по ряду причин, нет возможности подключать к эксплуатации другие технологии получения энергии.

Прямая трансформация световой энергии в электрическую заложена в принципе работы генераторов, содержащих хлорофилл. Хлорофилл под действием солнечного света может отдавать и присоединять электроны. М. Кальвин еще в далеком 1972 году предложил концепцию создания фотоэлемента, в котором источником электротока был бы хлорофилл, способный при условии освещения отнимать электроны от заданных веществ и передавать их каким-то другим. Кальвин взял в качестве проводника, вступающего в контакт с хлорофиллом, соединение оксид цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на один квадратный см. Данный фотоэлемент работал непродолжительное время, так как хлорофилл быстро утрачивал свойство отдавать электроны. Чтоб продлить время действия фотоэлемента использовался еще один источник электронов — гидрохинон. В такой системе зеленый пигмент отдавал уже не только свои, но и электроны гидрохинона. Простые математические расчеты гласят, что подобный фотоэлемент площадью 10 квадратных м имеет потенциальную мощность до одного киловатта.

История развития

Профессор Фудзио Такахаси из Японии для выработки электроэнергии брал хлорофилл, полученный из зеленых листьев шпината. Транзисторный приемник, к которому присоединили солнечную батарейку, благополучно работал. Помимо этого, на Японских островах осуществляются исследования по трансформации солнечной энергии в электрическую при помощи цианобактерий, выращенных в специальной питательной среде. Цианобактерии наносятся тонким слоем на прозрачный электрод из оксида цинка и с противоэлектродом погружают в так называемый буферный раствор. И когда на бактерии попадет свет, в цепи рождается электрический ток. В 1973 году американские ученые У. Стокениус и Д. Остерхельт сделали описание своеобразного белка мембран фиолетовых бактерий из соленых озер Калифорнийской пустыни. Белок этот назвали бактериородопсином. Интересно, что бактериородопсин возникает в мембранах галобактерий при нехватке кислорода. А дефицит кислорода в водоемах наблюдается при активном развитии галобактерий. Посредством бактериородопсина бактерии усваивают солнечную энергию, возмещая имеющийся в результате прекращения дыхания недостаток энергии.

Подписывайтесь на Эконет в Pinterest

Что такое бактериородопсин

Бактериородопсин выделяют из солелюбивых галобактерий, отправив их в воду (эти бактерии замечательно себя чувствуют в растворе кухонной соли). Галобактерии переполняются водой и лопаются, естественно, их содержимое перемешивается с водной средой. Но мембраны, содержащие бактериородопсин, не поддаются разрушению, так как имеют стойкую “упаковку” своих пигментарных молекул. Эти молекулы образуют белковые кристаллы — фиолетовые бляшки. В них молекулы бактериородопсина сгруппированы в триады, а триады — в правильные шестиугольники. Бляшки по размеру крупнее остальных компонентов галобактерий, и поэтому их можно выделить методом центрифугирования. В результате промывки центрифугата остается фиолетовая масса пастообразной консистенции. На 75% она состоит из бактериородопсина и на 25% — из фосфолипидов, которые заполняют пространства между белковыми молекулами.

Фосфолипидами называются молекулы жиров в соединении с остатками фосфорной кислоты. Еще каких-то веществ в центрифугате нет, поэтому создаются удобные условия для экспериментов с бактериородопсином. Данное сложное соединение необычайно устойчиво к воздействию среды. Оно не теряет своей активности при нагреве до 100 °С и спокойно хранится в холодильнике на протяжении лет. Бактериородопсин имеет устойчивость к кислотам и окислителям. Причина этой устойчивости кроется в том, что галобактерии обитают в необыкновенно суровой среде — в насыщенных солевых растворах, например, в водах озер в природной зоне пустынь. В подобной сильно соленой и перегретой среде организмы, с тонкими мембранами не выживают. Этот факт необычайно интересен как возможности бактериородопсина как трансформатора световой энергии в электрическую. Когда мы выпавший в осадок под влиянием ионов кальция бактериородопсин освещаем, то прибор вольтметр продемонстрирует присутствие электрического потенциала на поверхности мембран. Если убрать свет, потенциал пропадает. В итоге было доказано, что бактериородопсин способен выступать в качестве генератора электрического тока.

Белковые генераторы

В лаборатории специалиста в сфере биоэнергетики В. П. Скулачева досконально изучался процесс встраивания бактериородопсина в мембрану и условия работы его как светозависимого генератора электрического тока. Со временем в данной лаборатории были изготовлены электрические элементы с использованием белковых генераторов электрического тока. В таких элементах имелись мембранные фильтры, пропитанные фосфолипидами с бактериородопсином и хлорофиллом. Специалисты утверждают, что подобные фильтры с белками-генераторами, если их соединить последовательно, могут выступать в качестве электробатареи.

В университете Калифорнии создали идентичную батарею, которая входе одноразового использования в продолжение 1,5 часов давала светиться электрической лампе. Выводы биоэнергентиков позволяют надеяться, что фотоэлементы на базе бактериородопсина и хлорофилла смогут применяться как генераторы электроэнергии.

Описанные выше опыты — начальный этап в разработке новых типов фотоэлектрических и топливных элементов, трансформирующих световую энергию с высокой результативностью. Видимо, недалек тот день, когда жители Земли станут извлекать «электричество из растений».

Исчерпаемые источники энергии рано или поздно подойдут к концу. На планете иссякнут запасы нефти, газа, угля. И выработка электрической энергии на гидроэлектростанциях, тепловых (работающих на угле), атомных электростанциях станет вчерашним днем. Все эти технологии, активно работающие в ХХ веке, нанесли и продолжают наносить колоссальный вред окружающей среде. А человечество нуждается в электрической энергии как никогда. Представьте, что на ваших гаджетах сели батареи, а монитор домашнего или рабочего компьютера не светится привычным светом. Без электрической энергии жизнь цивилизации будет парализована. Возможно, такие «зеленые» электростанции и подобные им разработки станут панацеей в будущем и спасут людей от энергетического кризиса? Ведь уже сегодня значительную долю электроэнергии получают на альтернативных — ветровых, приливных, волновых станциях. Подобные экологичные пути выработки электроэнергии не наносят вред окружающей среде и со временем помогут отказаться от опасных для человека и природы производств.опубликовано econet.ru.

Получение электроэнергии от деревьев

Дата: 25 ноября, 2009 | Рубрика: Новости, Художественное освещение, Электроизмерения
Метки: Экономия электроэнергии, Электричество, Электроэнергия

Этот материал подготовлен специалистами компании «ЭлектроАС».
Нужен электромонтаж или электроизмерения? Звоните нам!

Компания MagCap Engineering, которая находится в Массачусетсе сотрудничает с ученым — Гордоном Уодлом (Gordon W. Wadle). Плодом их работы стала теория о выработке электроэнергии благодаря живым деревьям. Они надеются на то, что через несколько лет, нам, чтобы подогреть себе еду, придется просто протянуть свой провод к ближайшему дереву. Инженеры из Америки считают, что в ближайшем будущем деревья будут все время вырабатывать для нас малое количество электричества. Все это будет накапливаться в специальных аккумуляторах, а позже использоваться по мере надобности.

Основой изобретения Уодла (он был основателем проекта) является обычный металлический прут, который он воткнул в дерево и погрузил на определенную глубину в грунт. Схема, которая фильтрует ток и повышает напряжение, которое в процессе выходит, вполне достаточно, чтобы зарядить батарею. Сейчас демонстрационный вариант такого изобретения может питать маленький светодиод. Лагадинос думает, что любой человек может провести такой опыт у себя дома: «Воткните алюминиевый стержень через кору в ствол живого дерева; сделайте медную трубку и погрузите её на 17 сантиметров в грунт. Возьмите вольтметр и убедитесь, что между стержнем в стволе и зарытой трубкой есть потенциал — 0,8 — 1,2 вольта постоянного тока».

«Думайте об окружающей среде как о батарее», заявляет Лагадинос. Представьте, что дерево — это положительно заряженные частицы, а пруток в грунте — это отрицательно заряженные частицы. Были проведены опыты, но они не подтвердили версию о детекторе волн. Ведь не было заметно, чтобы расходовался материал электродов, да и зависимости напряжения от высоты дерева тоже не наблюдалось. И, что самое интересное, на это влияет не фотосинтез. Ведь зимой, когда у деревьев нет листвы, электроэнергии вырабатывает даже больше. По крайней мере, так утверждают создатели проекта.

Но также они говорят о том. Что деревьям не приносится ущерб. Конечно, в это слабо верится. Представляете, что вскоре все деревья города будут обмотаны проводами. Они будут приносить электроэнергию к нам в квартиры или освещать улицы, вывески на дорогах и магазинах. Все это, скорее всего, нанесет вред деревьям.

Но это не все, что придумал Лагадинос. Он изобрел способ, благодаря которому, этот естественный источник энергии можно переделать в полезный и выгодный постоянный ток. MagCap сделала опыт и электроизмерения, в котором испытала эти схемы. Она в одной цепи соединила 3 конденсатора параллельно. Позже, когда эта схема заражается от дерева примерно до 0,7 вольт, то цепь переходит на последовательное соединение. Так она увеличивает напряжение до 2,1 вольта. От такого напряжения очень хорошо работает светодиод. Еще один способ работы включает в себя фильтр-стабилизатор напряжения. Он помогает заряжать даже маленькую никель-кадмиевую батарейку.

Уодл утверждает: «В то время как проект находится в младенчестве, он имеет потенциал, чтобы обеспечить неограниченную поставку экологически чистой энергии, не полагаясь на ископаемое топливо». Уодл открыто, без капли стеснения, заявляет, что это изобретение по значимости не уступает такому важному событию, как открытие электричества. Он говорит, что постоянные источники электричества находятся вокруг нас. И что этим нужно воспользоваться.

Сейчас в планах ученых, которые приняли участие в этом проекте, запатентовать изобретение и найти спонсоров. Ведь это новшество должно широко использоваться в городах. Оно разработано для массового потребления, а не для отдельных лиц. Поэтому сейчас нужны люди, которые согласятся вложить в этот проект свои деньги.

Ученые говорят, что скоро, в течение года, они усовершенствуют свое изобретение. И позже, деревья будут вырабатывать напряжение до 12 вольт при силе тока 1 ампер. Иными словами, мы будем получать с одного дерева по 12 ватт. Это не так уж и мало, ведь это электричество еще и накапливается в специальных батарейках.

Топливо когда-нибудь закончится: и нефть, и уголь, и даже уран. А получится ли создать вечный — термоядерный — реактор, неизвестно. На что человечеству надеяться? Можно на возобновляемые ресурсы — солнце, ветер, воду. Но оказывается, и, помимо их, в окружающей среде полно источников почти дармового тока. Вот лишь несколько недавних находок.

Из погоды

Эта идея пришла в голову американскому инженеру Энтони Мамо, когда он рассматривал карты погоды и увидел на них буквы «Н» и «В». Точно такие же нам регулярно показывает по телевизору профессор Беляев. Буквами обозначены зоны низкого (Н) и высокого (В) давления. Инженер поднял архивы наблюдений и выяснил: в одних районах США давление, как правило, повышенное, а в других — пониженное. Так почему бы не соединить их трубой? Ведь тогда воздух из В-области будет дуть в Н-область. И крутить турбину.

Увы, изобретатель умер. Но успел получить патент и создать фирму под названием «Холодная энергия», которая ныне реализует его идею — тянет трубу в штате Аризона. И планирует поставлять народу электричество по цене (на наши деньги) меньше копейки за киловатт-час.

Расчеты и эксперименты показывают: в трубе с некоторыми хитростями в виде переменных сечений и протяженностью в 200 — 300 километров создастся аж сверхзвуковой «сквозняк». И это при разнице давлений на концах всего в 0,03 атмосферы.

По словам директора фирмы Джона Крокера, мощность трубоэлектростанции составит сотни мегаватт. Но, чтобы не сильно зависеть от капризов погоды и пользоваться максимальной разницей атмосферного давления, она должна состоять из нескольких труб с переключаемыми заслонками для выбора мест забора и выпуска воздуха.

Из живых деревьев

Каким образом дерево вырабатывает электроэнергию, никто толком объяснить не может. Но эффект есть.

— Убедиться просто, — говорит изобретатель Гордон Уодл. — Воткните алюминиевый стержень через кору в ствол живого дерева. А в почву рядом — медную трубку. Так, чтобы она вошла примерно на 20 сантиметров. Подсоедините вольтметр. Стрелка покажет, что между стержнем в стволе и зарытой трубкой есть потенциал — 0,8 — 1,2 вольта постоянного тока.

Вот эти вольты и намерена выкачивать специально созданная фирма MagCap Engineering из Массачусетса). Инженеры уверены, что через несколько лет мы будем тянуть провода к ближайшим деревьям в парках и лесах, чтобы напитать дома электричеством. Конечно, не все так просто. Уодл создал хитрое устройство, которое фильтрует «деревянный» ток и повышает выходное напряжение. Его прототип уже дает 2 вольта. А в ближайшее время энтузиасты обещают 12 при силе тока в 1 ампер с каждого дерева. Но и это не предел. Оказывается, несколько воткнутых гвоздей повышают выход энергии. А размер электрического «зеленого друга» значения не имеет. Напряжение почему-то повышается и зимой, когда листья сброшены.

Из телерадиоэфира

Возможно, деревья черпают энергию из радиоволн. Ведь они несут не только информацию, но и энергию, которая пока пропадает даром.

С бесхозностью эфира взялась бороться гавайская компания Ambient Micro. Но без деревьев, а путем создания магнитных антенн и сопутствующих узлов, которые преобразовывают в постоянный ток пробегающие мимо радиосигналы. Конечно, речь идет о мизерной мощности в доли ватта. Но и такая пригодится для питания разнообразных электронных устройств, приборов, датчиков. Вместо нынешних батареек и аккумуляторов.

Сейчас компания работает над аппаратом, который будет утилизировать всеэфирное «вторсырье» одновременно: любой свет, радиоволны, шум, вибрацию и перепады температур. Прототип уже готов.

Из унитаза

Сортирную мини-электростанцию разработали исследователи из университета Пенсильвании. Ток вырабатывает 15-сантиметровая пластмассовая трубка, соединенная с унитазом. В трубке — бактерии, которым нравится поедать фекалии. И электроды. Благодаря химическим реакциям, в которые вступают отходы жизнедеятельности бактерий, между атомами начинают перемещаться электроны. Их-то и улавливают электроды. Возникает ток, которым можно питать лампочки в туалете. А если установить подобные электростанции в канализационных трубах по всему городу, то суммарной мощности хватит, к примеру, на движение трамваев и троллейбусов. Эффект — двойной: и энергия, и очистка сточных вод.

Из грязи

Еще один удивительный микроорганизм нашли Чарльз Милликен и Гарольд Мэй из медицинского университета Южной Каролины — так называемую десульфитобактерию. Она вырабатывает электричество, питаясь любой грязью — вплоть до ядовитой и нефтяной. Охотно ест и мусор. Даже если просто воткнуть в грязь с бактериями один электрод, а другой разместить в воде, появится электричество, которого хватит для работы компьютера.

— Пока у этих микроорганизмов есть пища, они способны поставлять энергию 24 часа в сутки 7 дней в неделю, — говорит доктор Милликен.

А такой «пищи» — в смысле всякой дряни — у человечества неисчерпаемые и возобновляемые запасы.

Из чистой воды

Чистая вода, оказывается, тоже источник электричества. Это доказал профессор Ларри Костюк из Университета Альберты (Канада), который нашел принципиально новый способ получения из нее энергии. И уже создал экспериментальную электрокинетическую установку.

В изобретении реализован удивительный феномен — так называемый двойной электрический слой. Обнаружилось: если вода течет по каналу диаметром в 10 микрон с непроводящими стенками, то на одном его конце возникает положительный заряд, на другом — отрицательный. Иными словами, для производства электричества не нужно ничего, кроме микроскопических трубочек и воды. Например, дождевой.

Первый электрогенератор Костюка размером в 2 сантиметра, состоящий из 400 тысяч каналов, выдал 10 вольт.

Электричество из растений

Голландская компания Plant-e превращает энергию живых растений в электричество, которое может использоваться людьми в своих нуждах.

Электричество из растений

В настоящее время множество исследовательских групп занимаются поисками методов получения энергии буквально «из чистого воздуха». Один из таких методов уже удалось обнаружить специалистам голландской компании Plant-e, которые очень пристально и тщательно изучили некоторые процессы, протекающие в живой природе. Для получения электрической энергии они используют один из побочных продуктов фотосинтеза, процесса, протекающего в растущих растениях, и этот метод может принести электричество тем людям, которые живут на значительном удалении от всех благ цивилизации.

Технология, разработанная специалистами компании Plant-e, работает на тех же самых принципах, что и старый школьный опыт, в котором в качестве источника энергии выступает клубень обыкновенного картофеля. Однако, разработанный голландцами метод не требует нанесения повреждений самому растению.

Электричество из живых растений

Голландцы высаживают растения особого вида в специальные пластиковые контейнеры, площадь которых равна приблизительно четверти квадратного метра. Эти растения интенсивно растут и за счет процессов фотосинтеза вырабатывают некоторые виды сахаристых соединений. Количество сахара, вырабатываемого растениями, существенно превышает потребности самого растения и его излишки «сбрасываются» через корневую систему обратно в почву. Сахар, выработанный растениями и попавший в почву, начинает достаточно активно реагировать с атмосферным кислородом и в ходе протекающей химической реакции получается множество свободных электронов. Электроды, погруженные в почву, собирают эти свободные электроны, превращая их в электрический ток, а количество получаемого при этом электричества достаточно для того, чтобы обеспечить потребности светодиодных осветительных приборов, точек доступа Wi-Fi или зарядки аккумуляторных батарей мобильных электронных устройств.

Используя свою технологию, компания Plant-e в ноябре 2014 года начала реализацию программы «Starry Sky». В рамках этой программы при помощи энергии, получаемой от растений, было запитано около 300 уличных осветительных приборов, несколько точек доступа Wi-Fi и точек зарядки мобильных телефонов, располагающихся возле офиса компании в Вагенингене и на территории военного музея, бывшего военного завода, склада и базы HAMbrug возле Амстердама.

Основатели компании Plant-e надеются, что разработанная ими биологическая технология получения электрической энергии сможет найти свое применение в некоторых бедных регионах земного шара удаленных от центров цивилизации, там, где природные условия максимально благоприятны для роста растений и где, в силу различных причин не получается использовать другие технологии получения экологически чистой энергии.

Зеленые электростанции, получаем электричество

Непосредственная трансформация световой энергии в электрическую лежит в основе работы генераторов, содержащих хлорофилл. Хлорофилл под действием света может отдавать и присоединять электроны. М. Кальвин в 1972 году выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источника электрического тока служил бы хлорофилл, способный при освещении отнимать электроны от каких-то определенных веществ и передавать их другим. Кальвин использовал в качестве проводника, контактирующего с хлорофиллом, оксид цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на квадратный сантиметр.

Этот фотоэлемент функционировал сравнительно недолго, поскольку хлорофилл быстро терял способность отдавать электроны. Для продления времени действия фотоэлемента был использован дополнительный источник электронов — гидрохинон. В новой системе зеленый пигмент отдавал не только свои, но и электроны гидрохинона. Расчеты показывают, что такой фотоэлемент площадью 10 квадратных метров может обладать мощностью около киловатта.

История развития

Японский профессор Фудзио Такахаси для получения электроэнергии использовал хлорофилл, извлеченный из листьев шпината. Транзисторный приемник, к которому была присоединена солнечная батарейка, успешно работал. Кроме того, в Японии проводятся исследования по преобразованию солнечной энергии в электрическую с помощью цианобактерий, выращенных в питательной среде. Тонким слоем их наносят на прозрачный электрод из оксида цинка и вместе с противоэлектродом погружают в буферный раствор. Если теперь бактерии осветить, то в цепи возникнет электрический ток.

В 1973 году американцы У. Стокениус и Д. Остерхельт описали необычный белок из мембран фиолетовых бактерий, обитающих в соленых озерах Калифорнийских пустынь. Его назвали бактериородопсином. Любопытно отметить, что бактериородопсин появляется в мембранах галобактерий при недостатке кислорода. Дефицит же кислорода в водоемах возникает в случае интенсивного развития галобактерий. С помощью бактериородопсина бактерии усваивают энергию Солнца, компенсируя тем самым возникший в результате прекращения дыхания дефицит энергии.

Бактериородопсин, что это?

Бактериородопсин можно выделить из галобактерий, поместив эти солелюбивые создания, прекрасно чувствующие себя в насыщенном растворе поваренной соли, в воду. Тотчас же они переполняются водой и лопаются, при этом их содержимое смешивается с окружающей средой. И только мембраны, содержащие бактериородопсин, не разрушаются из-за прочной “упаковки” молекул пигмента, которые образуют белковые кристаллы (еще не зная структуры, ученые назвали их фиолетовыми бляшками). В них молекулы бактериородопсина объединены в триады, а триады — в правильные шестиугольники. Поскольку бляшки значительно крупнее всех других компонентов галобактерий, их нетрудно выделить путем центрифугирования. После промывки центрифугата получается пастообразная масса фиолетового цвета. На 75 процентов она состоит из бактериородопсина и на 25 — из фосфолипидов, заполняющих промежутки между белковыми молекулами.

Фосфолипиды — это молекулы жиров в соединении с остатками фосфорной кислоты. Другие вещества в центрифугате отсутствуют, что создает благоприятные условия для экспериментирования с бактериородопсином. К тому же это сложное соединение очень устойчиво к факторам внешней среды. Оно не утрачивает активности при нагревании до 100 °С и может храниться в холодильнике годами. Бактериородопсин устойчив к кислотам и различным окислителям. Причина его высокой устойчивости обусловлена тем, что эти галобактерии обитают в чрезвычайно суровых условиях — в насыщенных солевых растворах, какими, по существу, являются воды некоторых озер в зоне выжженных тропическим зноем пустынь.

В такой чрезвычайно соленой, да к тому же еще и перегретой, среде организмы, обладающие обычными мембранами, существовать не могут. Это обстоятельство представляет большой интерес в связи с возможностью использования бактериородопсина в качестве трансформатора световой энергии в электрическую.

Если выпавший в осадок под воздействием ионов кальция бактериородопсин осветить, то с помощью вольтметра можно обнаружить наличие электрического потенциала на мембранах. Если выключить свет, он исчезает. Таким образом, ученые доказали, что бактериородопсин может функционировать как генератор электрического тока.

Белковые-генераторы

В лаборатории известного ученого, специалиста в области биоэнергетики В. П. Скулачева тщательно исследовались процесс встраивания бактериородопсина в плоскую мембрану и условия функционирования его в качестве светозависимого генератора электрического тока. Позднее в этой же лаборатории были созданы электрические элементы, в которых использовались белковые генераторы электрического тока. В этих элементах имелись мембранные фильтры, пропитанные фосфолипидами с бактериородопсином и хлорофиллом. Ученые полагают, что подобные фильтры с белками-генераторами, соединенные последовательно, могут служить в качестве электрической батареи. Исследования по прикладному использованию белков-генераторов, выполненные в лаборатории В. П. Скулачева, привлекли к себе пристальное внимание ученых. В Калифорнийском университете создали такую же батарею, которая при однократном использовании в течение полутора часов заставляла светиться электрическую лампочку.

Результаты экспериментов вселяют надежду, что фотоэлементы на основе бактериородопсина и хлорофилла найдут применение в качестве генераторов электрической энергии. Проведенные опыты — первый этап в создании новых видов фотоэлектрических и топливных элементов, способных трансформировать световую энергию с большой эффективностью. Уже совсем скоро наступит день, когда человечество научится получать «электричество из растений».

В погоне за альтернативными источниками энергии ученые не обошли стороной и царство растений. Разумеется, речь идет о гораздо более продвинутых технологиях, чем «классическое» извлечение электроэнергии из картофелины или апельсина с помощью воткнутых в них электродов. Целая область науки ищет, чем бы заполнить новую страницу в истории взаимоотношений человека и зеленых легких планеты. Подробнее об этом, а также о развиваемом в России проекте «Green Spark», который уже дает энергию из биофотогальванических ячеек, можно будет узнать 19 мая на фестивале «Политех».

Как зарядиться от картошки

По интернету давно бродят фото- и видеоизображения горящих лампочек, присоединенных к картофелине (апельсину, лимону, яблоку). Также в сети полно инструкций, как в домашних условиях изготовить картошкобатарейку. Достаточно взять картофелину, медный и оцинкованный электроды (гвозди, например), соединительные провода и светодиодную лампочку для демонстрации электрического эффекта. В один бок корнеплода (или фрукта) втыкаем цинковый электрод, затем соединяем его с лампочкой, другой полюс лампочки соединяем с медным электродом, который втыкаем в ту же картофелину, но с другого бока.

Все эти действия рациональны и химически объяснимы: кислая среда внутри растительного источника создает необходимое количество свободных протонов (H+). В такой среде при взаимодействии с активным (хорошо отдающим электроны) металлом выделяются свободные носители отрицательного элементарного заряда, готовые бежать по цепи и заставлять лампочку светиться. В свою очередь, поток протонов от анода к катоду, как положено в батарейках, создает электродвижущую силу и замыкает цепь. Катод делается из менее активного металла (цинк против меди). А в качестве активной среды подойдет даже лист или стебель — любая, даже слабокислотная, часть растения.

Важный вопрос: насколько такие аккумуляторы эффективны? (И не полезнее ли будет их употреблять в классическом виде — в пищу?) Для ответа на него есть много экспериментальных демонстраций, которые позволяют рассчитать: чтобы зарядить смартфон, понадобится около 50 килограммов картофеля. Безусловно, конкретные характеристики растительного аккумулятора зависят от многих факторов — кислотности источника энергии (так, лимон явно кислее картофеля), свежести образца и даже кислотности почвы, в которой он вырос. Прибавим сюда качество гвоздей, сплавов, которыми эти гвозди покрыты и так далее. Но, как ни подбирай ингредиенты, явным недостатком вегетарианской подзарядки будет ее невысокая эффективность при большой отходности. Что картофелина, что лимон работать будут недолго, их придется часто менять, и пока зарядится смартфон, не один мешок опустеет.

Так что этот способ — скорее забавная шутка или фантазия для постапокалиптического сценария, чем надежда для удаленных и лишенных промышленных электростанций уголков Земли.

Зеленый лист — солнечная батарея мечты

Солнечная батарея — один из самых популярных экологичных энергетических девайсов. В ее основе лежит красивая идея — взять солнечную энергию, которая и так греет планету, и извлечь из нее электроэнергию без всяких побочных эффектов. Однако у этих устройств, несмотря на то, что они изобретены уже давно и с тех пор постоянно совершенствуются, есть ряд существенных недостатков. Главные из них — низкая эффективность (лишь некоторые коммерческие образцы обладают КПД на уровне 20 процентов) и ограниченная функциональность (работают, только пока светит солнце).

Растения — те же солнечные батареи, просто естественные. В процессе фотосинтеза молекулы пигментов, находящиеся в мембранах тилакоидов, поглощают энергию солнечного света и преобразуют ее в энергию химических соединений.

Физически при поглощении кванта света определенной частоты электрон в молекуле пигмента переходит из основного состояния в возбужденное, то есть на более высокий энергетический уровень. «Разрядка» возбужденного состояния молекулы хлорофилла может происходить в виде выделения тепла или в флуоресценции, кроме того энергия возбужденного состояния может передаваться соседней молекуле пигмента или расходоваться на фотохимические процессы.

Более 90 процентов хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающих комплексов — своеобразных антенн, переносящих энергию возбуждения к реакционным центрам первой и второй фотосистемы для последующего первичного разделения зарядов. В этих же фотосистемах сперва происходят окислительно-восстановительные превращения хлорофилла, а затем — фиксация энергии света в химическую энергию. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, далее в ходе нескольких химических реакций образуются кислород и свободные электроны и протоны (H). Кислород удаляется во внешнюю среду, а протоны приводя к тому, что мембрана тилакоида с одной стороны заряжается положительно за счет H+, с другой стороны — отрицательно за счет электронов. Далее процесс продолжается и завершается уже в без участия солнечного света синтезом органики из фиксированного из атмосферы углекислого газа.

Инженеры с завистью смотрят на зеленые листья и думают, как бы им подключиться к этому мембранному конденсатору. Ведь фотосистемы растительных пигментов используют солнечную энергию с очень большой эффективностью (если считать в поглощенных фотонах на вырабатываемый электрон). Некоторые даже утверждают, что нашли путь к хакингу фотосинтеза и уводу электронов прямо из-под носа у реакционных центров.

Биотехнический симбиоз

К счастью, растения помогают добыть электричество и другими способами, которые гораздо проще поддаются перепрофилированию в сторону удовлетворения потребностей цивилизации. В последние годы популярным направлением развития «зеленых» гальванических элементов стали так называемые топливные ячейки «бактерия + растение» (plant-microbial fuel cells, PMFCs). В отличие от батареек на картошке, такой тип растительных источников энергии, теоретически, является самообновляемым: все, что ему нужно для функционирования и генерации, — это солнечный свет, углекислый газ, вода и подходящие растения.

Прообразом подобной концепции был некоторый гальванический контейнер, в котором под воздействием бактерий в осадочном грунте (например, в иле на дне водоемов) расщеплялась содержащаяся в нем органика (Microbial fuel cells, MFCs). Такой осадочный реактор в комплекте с электродами играет роль анода, катод при этом погружен в воду. Как и в стандартной «батарейке», положительные ионы движутся от анода к катоду, замыкая цепь.

Биофотогальваника

Вышеописанную систему удалось усовершенствовать, пересадив в илистый реактор водные растения, — именно этот апгрейд позволяет инженерам надеяться на самовоспроизводимость источника питания. Растения, поглощая солнечную энергию и углекислый газ, в процессе фотосинтеза генерируют органические вещества, часть из которых попадает в почву. Симбиотические бактерии, живущие вблизи корней, расщепляют эту органику, выделяя электроны в качестве побочного продукта. Эти электроны могут быть захвачены анодом.

Эффективность биофотогальванических систем зависит от многих факторов. Это и количество выделяемой в почву органики, и доступность этой органики для микроорганизмов, и эффективность «сбора» электронов фотогальванической системой. Первые два фактора практически недоступны для улучшения — в лучшем случае человек может подобрать растения, выделяющие органику с более длинными углеродными цепями или с более «удобной» для микроорганизмов корневой системой. Поэтому наиболее перспективный пункт — повышение эффективности захвата электронов.

Microbial fuel cells, MFCs

Поделиться

Plant–microbial fuel cells, PMFCs

Поделиться Но и тут инженеров и дизайнеров ожидает много сложностей. Например, более «легкая», с точки зрения расщепления бактериями, органика (глюкоза, аминокислоты), с одной стороны, могла бы привести к повышению эффективности выделения электронов. Однако это улучшение реализуется только в модельных системах, в реальной жизни в контейнере быстро заводятся бактерии, перерабатывающие простую органику без всякого выделения электронов. А ведь ученые хотели бы использовать в качестве фотогальванических ячеек не только лабораторные сосуды, но и реальные системы с подходящими свойствами — например, неиспользуемые рисовые поля (paddies).

Или, например, переход от MFCs к PMFCs дал надежду на самовоспроизводимость системы, но привел к нежелательному эффекту: растения, помимо постоянной подачи органики, еще и обогащают осадочный грунт кислородом, который успешно конкурирует с анодом в сборе электронов. Таких неожиданных препятствий, снижающих показатели эффективности ячеек, придется преодолеть еще много, и пока разработки находятся на начальном уровне, невозможно предположить, станет ли подобная технология экономически рентабельной.

«Зеленая искра»

В России биологические фотогальванические ячейки разрабатываются в рамках проекта «Green Spark». Координаторами проекта в «Шухов Лаб» (Лаборатории прототипирования городов будущего) являются Елена и Иван Митрофановы, совместно с Паоло Бомбелли из Кембриджского университета.

Сейчас они работают над конструкцией со стенами высотой два с половиной метра, состоящей из десятков подвешенных в керамических модулях ячеек-батарей, наполненных симбиотической системой растений и бактерий. В зависимости от конфигурации, ячейки могут давать напряжение от 0,2 до 0,6 вольта. Средняя эффективность растительно-микробного симбиоза составляет примерно 3–5 микровольт с квадратного метра. Итоговая сила тока, естественно, зависит от конфигурации соединения блоков.

Конструкция блоков специально разработана так, чтобы воссоздать естественный микроклимат для используемых растений. Роль анода в ячейках играет углеволокно, которое не окисляется, не вредит биосистеме и служит долго. Однако и эта конструкция требует оптимизации, так как ее текущая эффективность сбора электронов составляет примерно один процент.

«Проект и область исследования достаточно новые, то есть совсем немного людей ведут научные разработки в этом направлении. Наверняка через пять-десять лет мы сможем собирать если не все электричество , то явно гораздо больший процент», — говорит Елена Митрофанова, архитектор-дизайнер и координатор проекта «Green Spark».

Инсталляцию, представляющую собой последовательные и параллельные электрические цепи блоков для подзарядки экрана, который транслирует сообщения и визуализирует поступающее напряжение, можно будет подробно изучить 19 мая на фестивале «Политех».

«Вода в ячейках необходима для электронной проводимости и служит солевым мостиком, поэтому мы выбираем влаголюбивые растения — это единственный критерий их отбора. В нашем проекте электроны — остаточный продукт расщепления органики, собирая их, мы никак не вредим экосистеме», — говорит Елена.

Помимо наших соотечественников и их коллег из Кембриджа, подобный проект развивает голландская компания Plant-e, но уже на промышленном, а не научном уровне.

Екатерина Жданова

«Роль постоянного тока в жизни растений»

МОУ»Гимназия № 8 «Энгельсского муниципального района

Саратовской области

Учебно-исследовательский проект

«Роль электричества в жизни растений»

Работу выполнил

Панин Артём Михайлович

обучающаяся 9 «А» класса

Руководитель:

Екимова Людмила Павловна — учитель химии, биологии

высшей квалификационной категории

Энгельс-2019

	Введение
	Литературный обзор. Анализ изученной литературы по теме «Электричество в жизни растений»..
	Историческая справка.
	Благоприятное действие электрического тока.
	Рост растения.
	Экспериментальная часть.
	Создание конструкции стимулятора роста .
	Ход эксперимента со стимулятором роста.
	Заключение
	Литература

Введение

Электрические явления играют важную роль в жизни растений. В ответ на внешние раздражения в них возникают очень слабые токи (биотоки). В связи с этим можно предположить, что внешнее электрическое поле может оказать заметное воздействие на темпы роста растительных организмов. Еще в XIX веке ученые установили, что земной шар заряжен отрицательно по отношению к атмосфере. В начале XX столетия на расстоянии 100 Километров от поверхности земли была обнаружена положительно заряженная прослойка — ионосфера. В 1971 году космонавты увидели ее: она имеет вид светящейся прозрачной сферы. Таким образом, земная поверхность и ионосфера представляют собой два гигантских электрода, создающих электрическое поле, в котором постоянно находятся живые организмы. Заряды между Землей и ионосферой переносятся аэроионами. Носители отрицательных зарядов устремляются к ионосфере, а положительные аэроионы движутся к земной поверхности, где вступают в контакт с растениями. Чем выше отрицательный заряд растения, тем больше оно поглощает положительных ионов Можно предположить, что растения определенным образом реагируют на изменение электрического потенциала окружающей среды.

Цель проекта — проверить на эксперименте влияние электрического тока на рост растения.

Гипотеза: предполагаем, что электричество способствует росту растений.

Задачи:

1. Экспериментальным путем выяснить, как электричество влияет на рост растений

2. Рассмотреть электрические процессы в растениях.

Объект исследования: огурец сорт «Конкурент»

Предмет исследования: влияние постоянного тока на развитие корневой системы огурца

1. Литературный обзор. Анализ изученной литературы по теме «Электричество в жизни растений»

1.1 Историческая справка

Более двухсот лет назад французский аббат П. Берталон заметил, что возле громоотвода растительность пышнее и сочнее, чем на некотором расстоянии от него. Позднее его соотечественник ученый Грандо выращивал два совершенно одинаковых растения, но одно находилось в естественных условиях, а другое было накрыто проволочной сеткой, ограждавшей его от внешнего электрического поля. Второе растение развивалось медленно и выглядело хуже находящегося в естественном электрическом поле. Грандо сделал заключение, что для нормального роста и развития растениям необходим постоянный контакт с внешним электрическим полем. Однако до сих пор в действии электрического поля на растения много неясного. Давно замечено, что частые грозы благоприятствуют росту растений. Правда, это утверждение нуждается в тщательной детализации. Ведь грозовое лето отличается не только частотой молний, но и температурой, количеством осадков. А это факторы, оказывающие на растения весьма сильное воздействие . Противоречивы данные, касающиеся темпов роста растений вблизи высоковольтных линий. Одни наблюдатели отмечают усиление роста под ними, другие — угнетение. Некоторые японские исследователи считают, что высоковольтные линии негативно влияют на экологическое равновесие. Более достоверным представляется тот факт, что у растений, произрастающих под высоковольтными линиями обнаруживаются различные аномалии роста. Так, под линией электропередач напряжением 500 киловольт у цветков гравилата увеличивается количество лепестков до 7—25 вместо привычных пяти . У девясила — растения из семейства сложноцветных — происходит срастание корзинок в крупное уродливое образование. Не счесть опытов по влиянию электрического тока на растения. Еще И В. Мичурин проводил эксперименты, в которых гибридные сеянцы выращивались в больших ящиках с почвой, через которую пропускался постоянный электрический ток. Было установлено, что рост сеянцев при этом усиливается. В опытах, проведенных другими исследователями, были получены пестрые результаты. В некоторых случаях растения гибли, в других — давали небывалый урожай. Так, в одном из экспериментов вокруг делянки, где росла морковь, в почву вставили металлические электроды, через которые время от времени пропускали электрический ток. Урожай превзошел все ожидания — масса отдельных корней достигла пяти килограммов! Однако последующие опыты, к сожалению, дали иные результаты. По-видимому, исследователи упустили из виду какое-то условие, которое позволило в первом эксперименте с помощью электрического тока получить небывалый урожай.

1.2 Благоприятное действие электрического тока

Как видим, стимуляция роста под воздействием электрического тока наблюдается в том случае, если к растению присоединяется отрицательный электрод. Это можно объяснить тем, что само растение обычно заряжено отрицательно . Подключение отрицательного электрода увеличивает разность потенциала между ним и атмосферой, а это, как уже отмечалось, положительно сказывается на фотосинтезе. Благоприятное действие электрического тока на физиологическое состояние растений можно использовать для лечения поврежденной коры деревьев, некоторых болезней растений. Электрическое поле влияет не только на взрослые растения, но и на семена. Дальнейшее изучение влияния электрического тока на растения позволит еще более активно управлять их продуктивностью. Приведенные факты свидетельствуют о том, что в мире растений еще много непознанного .

1.3 Рост растения

Фотосинтез представляет собой процесс, благодаря которому солнечный свет позволяет осуществить питание растений. Лист каждого зеленого растения состоит из тысяч отдельных клеток. Они содержат вещество, называемое хлорофиллом, которое между прочим и придает зеленую окраску листьям. Каждая такая клеточка является химическим заводом в миниатюре . Когда частица света, называемая фотоном, попадает в клетку, она поглощается хлорофиллом. Высвобождаемая при этом энергия фотона активизирует хлорофилл и дает начало ряду превращений, приводящих в конечном итоге к образованию сахара и крахмала, которые усваиваются растениями и стимулируют рост. Эти вещества хранятся в клетке, пока не понадобятся растению. С уверенностью можно предположить, что количество питательных веществ, которыми лист может обеспечить растение, прямо пропорционально количеству солнечного света, падающего на его поверхность. Это явление похоже на преобразование энергии солнечным элементом.

2 Экспериментальная часть

2.1 Создание конструкции стимулятора роста

Для проверки теории потребуется гальванический элемент. Еще потребуется пара электродов, которые можно легко воткнуть в землю вблизи корней. Размер солнечного элемента в принципе не имеет значения, поскольку сила тока, требуемая для стимуляции корневой системы, ничтожно мала. Однако для достижения наилучших результатов поверхность солнечного элемента должна быть достаточно большой, чтобы улавливать больше света. С учетом этих условий для стимулятора корневой системы был выбран гальванический элемент «SmartBuy» с напряжением 4,5 В. К клеммам элемента были подсоединены два стержня из нержавеющей стали. Убедившись в надежности электрического контакта пластинки с тыльной стороны элемента, можно подсоединить один стержень к пластине, другой — к токосъемной решетке.

Рисунок 1 – Конструкция стимулятора роста

2.2 Ход эксперимента со стимулятором роста

Теперь, когда стимулятор готов, необходимо воткнуть два металлических стержня в землю вблизи корней. Все остальное сделает гальванический элемент.

Для эксперимента мы выбрали растение — огурец. Опытные образцы были посажены в горшок, после появления всходов в горшок были помещены электроды. Оставшиеся растения оставлены для контроля. Теперь необходимо одинаково ухаживать за растениями, одновременно поливая их и уделяя им равное внимание.

Через шесть дней нами были получены следующие результаты: растения со стимулятором корневой системы будут явно выше контрольных растений. Этот эксперимент лучше всего проводить в помещении, используя лишь искусственное освещение.

Рисунок 2 – Сравнение контрольных и опытных образцов

Таблица 1 — Размеры контрольных и опытных образцов

№ образца	Размеры контрольных образцов, см						Размеры опытных образцов, см
	Количество дней
	0,3	1,2	2,2	3,4	4,2	6,0	0,4	1,9	4,0	5,8	6,8	7,5
	0,2	1,3	3,2	4,5	4,9	6,1	0,3	1,8	3,8	6,0	6,9	7,1
	0,4	1,3	3,1	4,1	5,0	6,5	0,6	2,0	4,2	5,8	7,2	7,6
	0,3	1,5	3,4	4,1	5,3	6,2	0,5	2,0	4,3	5,6	7,5	8,0
	0,4	1,2	2,8	4,2	5,1	5,9	0,5	2,0	4,3	6,0	7,1	7,6
	0,4	1,3	3,2	4,3	5,2	5,2	0,6	2,2	4,1	6,1	6,9	7,3
	0,2	1,0	2,6	3,8	4,6	5,0	0,6	2,3	4,5	5,7	6,9	7,4
	0,4	1,3	3,0	4,0	4,8	5,3	0,4	1,8	3,9	5,9	7,2	7,6
	0,5	1,4	3,1	4,2	5,0	5,6	0,5	2,0	4,1	6,0	6,8	7,8
Среднее	0,4	1,4	3,3	4,1			0,5	2,0	4,1	5,9	7,0	7,5

Из таблицы 1 делаем вывод, что среднее значение размеров контрольных образцов составляет 3,3 см, размеры опытных образцов – 4,5 см. Конечный прирост огурца составил в контрольных образцах 6,1 см, в опытном – 7,5 см.

Заключение

Стимулятор можно использовать для комнатных растений, поддерживая их в здоровом состоянии. Садовод или человек, занимающийся разведением цветов, может использовать его для ускоренного прорастания семян или улучшения корневой системы растений. Независимо от вида использования данного стимулятора можно хорошо поэкспериментировать в этой области. Возбуждение у растения собственного мембранного процесса является важным моментом в растениеводстве, садоводстве или даже в обычной квартире, где хозяйка содержит комнатные цветы. Кстати, к комнатным цветам относятся не только фиалки или столетник, но и драцена, пальма, лимон, и многие другие (которые в домашних условиях выращивают, без преувеличения, до потолка). Дома в обычной городской квартире с помощью предлагаемого метода из желудя можно вырастить дуб, а потом пересадить на садовый участок. Рост разных растений в домашних условиях не одинаков и своеобразен. Некоторые из них активно растут только летом, а зимой едва подают признаки жизни. Другие растут вне зависимости от времени года, но могут погибнуть внезапно. Причиной тому может служить не столько проблема окружающей среды, питание растения или температура воздуха, сколько отсутствие времени хозяев на должный уход за теми «кого мы приручили». В связи с этим важно «выходить» погибающее, затухающее растение, дать ему импульс к новой жизни.

Литература

1 Ева-Катерина Хоффман «Энергия комнатных растений». М., 2001.

2 Томпкинс П., Бёрд К. «Тайная жизнь растений»; «Свет», № 3, 4, 5, 1993.

3 Боданов Е. «Громоотвод на подоконнике», «Свет», № 3, 2002.

4 Белимов Г «Мыслящие растения», «Свет», №3, 2002.

5 Плонси Р., Барр Р. «Биоэлектричесиво», М., Мир, 1992.

6 Маслоброд С. «Книга судьбы для растений», «Свет» № 9, 10, 1993.

7 Маслов А. «Электрический язык растений», «Юный натуралист», № 10, 1990.

8 Рыбина И. А. «Светозависимая биоэлектрическая активность» Свердловск, 1980.

9 Коловский Р.А. «Биоэлектрические потенциалы древесных растений», «Наука», Новосибирск, 1980