Что такое биоэнергетика и почему она нам полезна? 

Это раздел биологии, который изучает, как мы, живые организмы, преобразуем энергию из внешних источников в биологически полезную работу.

Все началось с Леонардо да Винчи, который сравнил дыхание и питание у животных с горением свечи. Он подумал, что в организмах происходят процессы, которые схожи с горением, где ключевую роль играет кислород. Тогда он не знал о составе воздуха и химической основе пламени, но был близок в своем сравнении с реальностью. Поставим ему пятерку.

Потом в 1930-е биохимики Густав Эм­бден и Отто Мей­ер­гоф обнаружили, что к органической молекуле при брожении присоединяется фосфатная группа, и это приводит к синтезу энергии. Такой же эффект увидели советские ученые Владимир Эн­гель­гардт и Владимир Бе­ли­цер, исследуя дыхание. Название новому направлению дал Альберт Сент-Дьердьи, который в 1956 году назвал «биоэнергетикой» небольшую брошюру со своей работой. А через 5 лет будущий нобелевский лауреат Питер Митчелл написал статью, в которой пояснил, как работает дыхательное и фотосинтетическое фосфорилирование. Через него появляются молекулы АТФ и запасается энергия.

Но само слово начали использовать экстрасенсы, практики всего на свете и целители, объясняя энергию как возникшую из вакуума материю, которая собирается через разные биоинформационные процессы… С научной тз — чушь. Превращения энергии объясняют законы термодинамики, раздела физики, который занимается отношениями между теплом и другими энергетическими формами.

Как работает энергия?

Живые организмы, эволюционируя, стали пользоваться энергией хи­мсвя­зей, све­та и ион­ных гра­ди­ентов, а не атом­ны­ми, те­п­ло­вы­ми или ме­ха­ническими ис­точ­ни­ка­ми  (например, ветер в турбинах). Такой обмен энергией хоть и менее эффективен, зато надежнее. В процессе развития появились молекулярные механизмы, которые стали безопасно управлять свободной энергией. Ее еще называют энергией Гиббса. Чаще всего она запасается через переход 1-2 электронов от ве­ще­ст­ва-до­но­ра к ак­цеп­то­ру, которое способно лучше принимать электроны. При этом до­нор окис­ля­ет­ся, а ак­цеп­тор вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся.

Некоторые организмы запасают энергию через гликолиз (окисление глюкозы, в котором образуется пировиноградная кислота), дыхание и фотосинтез (солнышко светит, химические связи и энергия мутятся). Существуют и такие, которые не умеют ничего из этого и просто накапливают энергию в реакциях декарбоксилирования.

Мы, люди, — ор­га­но­тро­фы, то есть питаемся энергией из пищи + той, что создается метаболическими процессами. И мы даже не осознаем, насколько энергоемок наш организм. В день человек потребляет 140 литров кислорода и синтезирует 40 кг АТФ, а для этого нужно перекачивать через митохондрии клеток полкило протонов. Неплохая такая работа, которая должна быть оплачена.

А как она оплачивается, объяснят законы биоэнергетики:

1. Клетки не используют энергию напрямую, а превращают ее в универсальную «валюту» АТФ или в другие запасенные источники.

Представьте, что вы работаете. Когда-нибудь точно будете! Вместо обмена труда сразу на тинты из Золотого Яблока и булочки из кофейни вы получаете деньги и можете тратить их на что угодно. Так и клетка использует АТФ как прослойку. По-научному это звучит так: «Живая клетка избегает прямой утилизации энергии внешних ресурсов при совершении полезной работы».

2. В любой клетке есть минимум две формы запасенной энергии.

3. Все формы запасенной энергии могут преобразовываться друг в друга.

То есть клетке не важно, какой энергией ей расплачиваться перед организмом.

Биоэнергетика улучшает нашу жизнь

Эти знания о свойствах организмов и растений легли в основу для разработок в энергетике. Самое простое применение — производство этилового спирта из сахарного тростника и свеклы. Самогонщики сейчас вошли в чат. Химики используют дрожжи, которые при ферментации делают из сахарозы этанол и углекислый газ. Этот метод производства биотоплива активно используется в Бразилии, где тростник и свекла обильно растут.

Биоэнергетики также придумали синтезировать молекулярный водород из водорослей. Chlamydomonas reinhardtii и некоторые другие виды при фотосинтезе и брожении в условиях нехватки серы производят не кислород, а водород. А дальше его уже можно использовать как топливо.

Итальянская компания Enel Green Power, открыв электростанцию Cornia 2, внедрила инновационные геотермальные установки. Они совмещают энергию источников пара и биомасс, органического сырья растительного или животного происхождения. В итоге температура пара растет, а следовательно, и объем выработки энергии повышается.

Недавно был разработан алгоритм MHG Bioenergy ERP, который предсказывает влажность биомассы, хранящейся  на складах. И так он помогает оптимизировать процесс логистики, чтобы источник биоэнергии не портился.

Биоэнергетика — еще один шаг науки в будущее. Поделитесь в комментариях своими мыслями о том, какие биоэнергетические разработки могут улучшить нашу жизнь в скором будущем!