Новости города БезФормата.Ru
Долгопрудный
Главные новости
 
Задать вопрос?

Физика помогла объяснить электрическую проводимость бактерии


Фото: Исследование проводилось с помощью терагерцевого спектрометра. Пресс-служба МФТИ, Евгений Пелевин.

Группа российских учёных совместно с чешскими и германскими коллегами под руководством Константина Мотовилова и Бориса Горшунова из МФТИ по-новому взглянула на свойства материалов биологического происхождения. Исследование выполнено на примере трёх биообъектов. Помимо классических материалов, сывороточного альбумина и цитохрома С, был исследован внеклеточный матрикс электрогенной бактерии Shewanella oneidensis MR-1, колонии которой используются в биологических топливных элементах. Для этого исследователи измерили динамическую проводимость и диэлектрическую проницаемость материалов в широком диапазоне частот и температур, а для интерпретации полученных данных применили теоретические концепции, разработанные для описания явлений в физике твёрдого тела. Статья по материалам исследования опубликована в журнале Scientific Reports.

Константин Мотовилов , старший научный сотрудник лаборатории терагерцевой спектроскопии МФТИ: «В классической биохимии и биофизике формализм физики конденсированного состояния вплоть до настоящего времени применяется весьма узко и редко. По этой причине в биологических объектах мы не замечаем некоторые интересные эффекты. Когда же мы привлекаем этот язык, у нас появляются новые возможности для моделирования наблюдаемых явлений, и за счёт этого можно по-новому описать биологические структуры. В данной работе мы охарактеризовали поведение белков как классических аморфных полупроводников, используя формализм физики конденсированного состояния».

Прежде чем говорить о работе учёных, вспомним, как физика твёрдого тела объясняет электрические свойства различных материалов.

Вообще говоря, механизмы проводимости в различных материалах различаются, и для описания их свойств учёные разработали несколько физических теорий. С одной стороны, электрическую проводимость металлов хорошо объясняет теория Друде , в которой электроны не взаимодействуют друг с другом и время от времени сталкиваются с кристаллической решёткой, примесями, дефектами. Напомним, что проводимость — это величина, обратная электрическому сопротивлению, и чем она больше, тем лучше вещество проводит электрический ток. В теории Друде проводимость довольно слабо зависит от частоты вплоть до частоты столкновения носителей тока с кристаллической решёткой, примесями. Однако существует ещё одна большая группа проводящих материалов, которые не попадают в эту категорию и, тем не менее, очень интересно ведут себя во внешнем электромагнитном поле. К таким материалам относятся стёкла, ионные проводники и аморфные полупроводники.

Качественную теорию электрических свойств подобных материалов предложил почти сорок лет назад английский физик Анджей Джоншер (Andrzej Karol Jonscher). Согласно этой теории, при комнатной температуре и низкой частоте переменного тока (до нескольких мегагерц) носители заряда (например, электроны) ведут себя практически свободно и для их описания можно применить теорию Друде. В результате мы получаем практически постоянную, не зависящую от частоты внешнего поля проводимость. Однако при повышении частоты (обычно до нескольких мегагерц) этот подход перестаёт работать и проводимость начинает быстро расти (пропорционально некоторой степени частоты, несколько меньшей единицы). То же самое происходит, если оставлять частоту постоянной, но постепенно охлаждать материал.

При этом оказывается, что свойства различных материалов очень похожи. Более того, если переписать зависимости в приведённых величинах (например, говорить не о проводимости, а об отношении проводимостей при переменном и постоянном токе), для всех веществ они будут выглядеть одинаковыми. Это довольно интересное явление, его в своё время хорошо исследовали на примере стёкол и других аморфных материалов, и оно помогло лучше понять их строение и свойства.

В данной работе учёные показали, что теория Джоншера также хорошо описывает электрические свойства ещё трёх материалов, на этот раз органических. Два из них — белки бычий сывороточный альбумин  (BSA) и цитохром C из сердца быка (CytC) — являются известными стандартными белками. Структурные, физические и химические свойства этих веществ хорошо исследованы, и учёные использовали их в качестве образца.

Кроме того, они изучили внеклеточный матрикс (extracellular matrix and filaments, EMF) бактерии Shewanella oneidensis MR-1 , которая может производить значимый для технологии биологических топливных элементов электрический ток. Эта бактерия используется во многих исследованиях, посвящённых альтернативным источникам энергии, и поэтому её свойства представляют особенный интерес. Например, в 2010 году группа учёных из США и Канады показала , что некоторые внеклеточные нитеобразные структуры этой бактерии ведут себя очень похоже на полупроводники p-типа . Однако электрические свойства Shewanella oneidensis MR-1 до сих пор были изучены не очень хорошо. В данной статье учёные постарались устранить этот пробел.

Фото: Терагерцевый спектрометр на лампах обратной волны, использованный для получения части экспериментальных данных. Пресс-служба МФТИ, Евгений Пелевин.

Сначала исследователи измерили проводимость указанных материалов, а также потери энергии (если говорить более строго, эти потери описываются мнимой частью комплексной диэлектрической проницаемости) в диапазоне частот от 1 герца до 100 трлн герц для температур от −260 до 40 градусов Цельсия. Кроме того, они измерили проводимость EMF на постоянном токе при температурах от нуля до сорока градусов Цельсия, температурное поведение теплоёмкости, а также оценили содержание воды и металлических ионов во всех трёх материалах.

Для этого учёные сначала спрессовали вещества в таблетки с помощью пресс-форм диаметром около 1 сантиметра. Затем они подсоединили к плоским сторонам таблеток электроды и пропустили через них переменный ток, чтобы измерить электрическую проводимость и диэлектрическую проницаемость на частотах от 1 герца до 300 млн герц. Для более высоких частот такой подход не работает, поэтому в диапазоне 30–1500 гигагерц учёные просто светили на таблетки электромагнитными волнами и измеряли спектр комплексного коэффициента пропускания. В промежуточном диапазоне измерения не проводились.

В результате оказалось, что при комнатной температуре проводимость EMF практически постоянна, а при увеличении частоты выше нескольких мегагерц становится пропорциональна некоторой её степени, близкой к единице. У цитохрома C такая зависимость наблюдается только при относительно низких частотах и высоких температурах, у альбумина не наблюдается вовсе. Это значит, что механизмы проводимости в этих веществах существенно различаются. Скорее всего, в EMF при комнатной температуре есть почти свободные заряды (как в теории Друде, о которой мы говорили в самом начале), в альбумине их нет, а цитохром C занимает промежуточное положение.


Рисунок: Зависимость от частоты проводимости (сверху) и диэлектрической проницаемости (точнее, её мнимой части, то есть энергетических потерь; снизу) для различных значений температуры. Альбумин отмечен синим цветом, цитохром — красным, EMF — чёрным. Из графика видно, что проводимость EMF при комнатной температуре и низких частотах практически не меняется, а при повышении частоты или понижении температуры растёт линейно с частотой. Проводимость альбумина и цитохрома растёт линейно во всём диапазоне частот и температур, а потери энергии остаются постоянными. Credits: K. A. Motovilov et. al. / Scientific Reports 7, 15731 (2017)

Эту зависимость можно объяснить на уровне структур каждого из веществ. И цитохром C, и альбумин являются обычными белками. Свободных зарядов в них не очень много (хотя они есть), и теорию Друде к ним применить нельзя. С другой стороны, в молекулах EMF образование свободных зарядов происходит легче, поэтому его проводимость больше похожа на проводимость металлов. Впрочем, ещё больше она похожа на проводимость раствора поваренной соли, в котором концентрация свободных ионов тоже велика.

Конечно, в действительности всё гораздо сложнее и необходимо учитывать присутствие свободной воды в веществах, а также другие факторы. Например, из-за того, что EMF содержит довольно много свободной воды, при низких температурах (−250 градусов Цельсия) и частотах порядка нескольких сотен гигагерц проводимость EMF начинала расти квадратично. При таких температурах вода замерзает, а при высоких частотах её диэлектрическими свойствами, обусловленными, например, динамикой дипольных моментов молекул воды, нельзя пренебречь. Есть отклонения от теории Джоншера и у других материалов, однако они не такие сильные.

Таким образом, учёными была наглядно продемонстрирована высокая эффективность применения мощного спектроскопического и методологического арсенала физики конденсированного состояния для исследования фундаментальных явлений, связанных с динамикой носителей заряда в биологических объектах. Следующим этапом может стать привлечение для изучения таких объектов не только описанного подхода, но также и широкого спектра теорий и моделей, разработанных и эффективно используемых на протяжении многих десятилетий физическим сообществом.


Последние новости Подмосковья по теме:
Физика помогла объяснить электрическую проводимость бактерии

Физика помогла объяснить электрическую проводимость бактерии - МФТИ
Физика помогла объяснить электрическую проводимость бактерии - Долгопрудный
Фото: Исследование проводилось с помощью терагерцевого спектрометра. Пресс-служба МФТИ, Евгений Пелевин.
19:27 15.12.2017 МФТИ
ДТП по европротоколу - OpenDubna.Ru
ДТП по европротоколу - Дубна
ОГИБДД ОМВД России по городскому округу Дубна информирует граждан о возможности оформления ДТП без участия сотрудников автоинспекции.
22:19 14.12.2017 OpenDubna.Ru
С целью оказания комплексной поддержки социальным предпринимателям России Фонд региональных социальных программ «Наше будущее»реализует следующие мероприятия.
19.01.2018 Администрация г. Химки
Победителей конкурса учителей русского языка России наградили в институте ЛИНК в Жуковском - Авиаград ЖуковскийДва учителя русского языка из Жуковского стали победителями конкурса «Преподаватель русского языка-2017», сообщил директор Центра спецпроектов МИМ ЛИНК Михаил Корытный.
19.01.2018 Авиаград Жуковский
Стартовал тур для участников конкурса "Педагогический дебют-2017» - Серебряно-Прудский вестникVnmc.edumsko.ru Образовательный тур для участников областного конкурса "Педагогический дебют-2017» стартовал в Московской области 18 января.
19.01.2018 Серебряно-Прудский вестник
«Горячая линия» для выпускников по вопросам ЕГЭ/ОГЭ открыта в Жуковском - Авиаград ЖуковскийВыпускники прошлых лет по вопросам государственной итоговой аттестации на территории городского округа Жуковский могут обратиться по телефонам «Горячей линии», сообщила главный эксперт управления образования Марина Седых.
19.01.2018 Авиаград Жуковский
Павловопосадские школьники должны до 1 февраля подать заявление на участие в ЕГЭ - Павлово-Посадский районПодмосковные школьники могут до 1 февраля подать заявление на участие в Едином государственном экзамене (ЕГЭ) в 2018 году.
19.01.2018 Павлово-Посадский район
Подмосковные школьники могут подать заявление на участие в ЕГЭ-2018 до 1 февраля - Серебряно-Прудский вестникmayaksbor.ru Заявление на участие в Едином государственном экзамене (ЕГЭ) в 2018 году школьники Подмосковья могут подать до 1 февраля, сообщает пресс-служба Министерства образования Московской области.
19.01.2018 Серебряно-Прудский вестник
В Московском планетарии расскажут о необычных явлениях - Серебряно-Прудский вестникic.pics.livejournal.com Московском планетарии 20 января пройдет научно-познавательная лекция, темой станут необыкновенные небесные явления – звездный дождь, красная Луна и черное Солнце.
19.01.2018 Серебряно-Прудский вестник
Делегация Воскресенского района принимает участие в межмуниципальном (зональном) этапе V областной олимпиады старшеклассников общеобразовательных организаций по избирательному законодательству в 2017-2018 учебном году
19.01.2018 Администрация Воскресенского района
Школьники могут подать заявление на участие в ЕГЭ-2018 - Vosinfo.RuЗаявление на участие в Едином государственном экзамене в 2018 году школьники Московской области могут подать до 1 февраля, сообщает пресс-служба Министерства образования Московской области.
19.01.2018 Vosinfo.Ru
Программу исследований ОИЯИ на ближайшее будущее международные эксперты начали формировать сразу после новогодних праздников.
19.01.2018 OpenDubna.Ru
О правилах дорожного движения - Vosinfo.Ru18 января в Центральной детской библиотеке для учащихся начальных классов лицея № 22 проведено мероприятие о правилах дорожного движения.
19.01.2018 Vosinfo.Ru
Победителей всероссийского конкурса учителей русского языка наградили в институте ЛИНК в Жуковском - Авиаград ЖуковскийДва учителя русского языка из Жуковского стали победителями Всероссийского конкурса «Преподаватель русского языка-2017», сообщил директор Центра спецпроектов МИМ ЛИНК Михаил Корытный.
18.01.2018 Авиаград Жуковский
Алмазная профессия - Городской ритмВ Москве на улице Смольной находится Колледж предпринимательства №11. Это уникальное учебное заведение, единственное в стране, где учат огранщиков алмазов.
19.01.2018 Городской ритм
Региональный научно-практический семинар состоялся в Семеновской СОШ - Ступинская панорамаПресс-служба Администрации городского округа Ступино 17 января 2018 года в МБОУ "Семёновская средняя общеобразовательная школа" состоялся региональный научно-практический семинар "Здоровьесберегающие технологии в школ
19.01.2018 Ступинская панорама
Победителей конкурса учителей русского языка России наградили в институте ЛИНК в Жуковском - Авиаград Жуковский
Победителей конкурса учителей русского языка России наградили в институте ЛИНК в Жуковском
Два учителя русского языка из Жуковского стали победителями конкурса «Преподаватель русского языка-2017», сообщил директор Центра спецпроектов МИМ ЛИНК Михаил Корытный.
Авиаград Жуковский
Техническое творчество: в Реутове растят юных Кулибиных - Газета Реут
Техническое творчество: в Реутове растят юных Кулибиных
«От идеи к эксперименту» - один из главных принципов работы детской лаборатории в Реутове Детская фантазия не имеет границ.
Газета Реут
Подать заявление на участие в ЕГЭ можно в Шатуре до 1 февраля включительно - Ленинская Шатура
Подать заявление на участие в ЕГЭ можно в Шатуре до 1 февраля включительно
Заявления на сдачу ЕГЭ уже подали 208 одиннадцатиклассников и 12 выпускников прошлых лет.
Ленинская Шатура
Подросток напал на школу в Бурятии с ножом и топором - РТВ-ПодмосковьеПострадали шесть детей и учительница Cемь человек пострадали в школе в Бурятии, где подросток напал на учеников и учительницу с ножом и топором.
19.01.2018 РТВ-Подмосковье
Разыскиваются очевидцы смертельного ДТП в Рузском округе - Красное знамяСотрудники ГИБДД ищут очевидцев ДТП, произошедшего 5 января в 20 часов 45 минут на дороге Руза – Можайск вблизи деревни Тишино, чтобы установить все обстоятельства трагедии.
19.01.2018 Красное знамя
На ножах: Школьник напал на учеников и учителя. Опять?! - E-vanteevka.RuВ Улан-Удэ подросток устроил поножовщину и попытался поджечь школу Фото: @khalikov1957  Жуткая серия школьных трагедий произошла на этой неделе.
19.01.2018 E-vanteevka.Ru
Мошенника, ограбившего жительницу Орехово-Зуева, задержали по горячим следам - Орехово-Зуевская правда
Мошенника, ограбившего жительницу Орехово-Зуева, задержали по горячим следам
Полицейские задержали по горячим следам ранее судимого жителя Егорьевского района, ограбившего в Орехово-Зуеве одну из местных жительниц, подозреваемый взят под стражу,
Орехово-Зуевская правда
Житель Рузского округа убил мужчину по неосторожности - Красное знамя
Житель Рузского округа убил мужчину по неосторожности
10 января в Тучковский отдел полиции поступило сообщение о том, что в деревне Поречье вблизи очистных сооружений найден труп мужчины.
Красное знамя
В селе Середа горокруга Шаховская угнали автомобиль - Шаховские вести
В селе Середа горокруга Шаховская угнали автомобиль
Автомобиль Mazda 6 стоимостью 1,3 миллиона рублей похитили в городском округе Шаховская.
Шаховские вести
В Подмосковье снизился уровень младенческой и материнской смертности - Коломенская правдаВладимир Путин посетил Центр материнства и детства в Коломне.
19.01.2018 Коломенская правда
Выставка в библиотеке - Газета ФактЖить можно, веря и не веря: По вере – всё иль ничего. Но в небеса откроет двери Воды крещенской волшебство.
19.01.2018 Газета Факт
Гости из зарубежья и областной министр ЖКХ приняли участие в крещенских купаниях в Орехово-Зуеве - Орехово-Зуевская правдаВ ночь с 18 на 19 января в храмах Орехово-Зуева прошли праздничные литургии и великий чин освящения воды в честь Крещения Господня, все желающие смогли окунуться в специально оборудованных иорданях:
19.01.2018 Орехово-Зуевская правда
Мороз и метель – веселью не помеха! - Павлово-Посадские известия
Мороз и метель – веселью не помеха!
Афиша учреждений культуры г.о. Павловский Посад на ближайшую неделю – с 19 по 25 января.
Павлово-Посадские известия
Песни от Жар-птицы в Красногорске - Красногорские вести
Песни от Жар-птицы в Красногорске
Юбилейный концерт заслуженной артистки России певицы Елены Калашниковой в Красногорске в ДК «Подмосковье» стал ярким и красивым подарком, завершившим череду новогодних праздников в городском округе Красногорск.
Красногорские вести
Фотовыставка Сергея Воронина «Православные мы» открылась в пущинском музее - Пущинская среда
Фотовыставка Сергея Воронина «Православные мы» открылась в пущинском музее
В Пущинском музее экологии и краеведения 16 января представил персональную фотовыставку «Православные мы» Сергей Воронин.
Пущинская среда
Новый автозаправочный комплекс появится в Пушкино до конца 2019 года - Газета МаякПять новых современных автозаправочных комплексов появятся в Пушкино, Долгопрудном, Подольске и Одинцовском районе Подмосковья,
19.01.2018 Газета Маяк
Егорьевские КВНщики вернулись из Сочи - Егорьевский Курьер№ 3 от 17 января 2018 г. Честь родного города они с успехом защитили на международном фестивале В длинные январские каникулы кто-то смотрел телевизор и доедал салаты,
19.01.2018 Егорьевский Курьер
Подписание документов - Правительство Московской областиИсточник: Пресс-служба Губернатора Московской области Президент России Владимир Путин и губернатор Подмосковья Андрей Воробьев посетили с рабочей поездкой Коломну,
19.01.2018 Правительство Московской области
Мострансавто расширяет маршрутную сеть - Долгие Пруды
Мострансавто расширяет маршрутную сеть
По итогам конкурсных процедур с начала года региональный перевозчик «Мострансавто» начал обслуживание еще 13 подмосковных маршрутов в Химках, Серпухове, Истре, Волоколамске, Домодедове и Щелкове.
Долгие Пруды
В Химках стартовал биатлонный сезон - Химские новости
В Химках стартовал биатлонный сезон
64 воспитанника химкинской «Спортивной школы по зимним видам спорта» попробовали свои силы в рамках I тура Кубка по пневматическому биатлону.
Химские новости
Егорьевские школьники начали сдавать ГТО - Егорьевский Курьер
Егорьевские школьники начали сдавать ГТО
№ 3 от 17 января 2018 г. Сдача нормативов Всероссийского физкультурно-­спортивного комплекса «Готов к труду и обороне» уже становится полезной привычкой – учащиеся школ проходят тестирование третий год подряд.
Егорьевский Курьер
Более двух тысяч жителей Орехово-Зуевского района окунулись в купели в ночь на Крещение Господне - Орехово-Зуевская правдаВечером 18 января, накануне большого православного праздника — Крещения Господня — в храмах на территории Орехово-Зуевского района прошли службы и освящение воды,
19.01.2018 Орехово-Зуевская правда
Выставка в библиотеке - Газета ФактЖить можно, веря и не веря: По вере – всё иль ничего. Но в небеса откроет двери Воды крещенской волшебство.
19.01.2018 Газета Факт
ПОСТАНОВЛЕНИЕ 15.01.2018 № 23 Об утверждении порядка предоставления государственной услуги «Установление сервитута в отношении земельных участков,
19.01.2018 Озёрский район
Ирина Шульженко: Спортивная игра «Дружная семейка. Олимпийский резерв» создана  в рамках парпроекта «Детский спорт» для дошколят - Единая РоссияИгра «Дружная семейка. Олимпийский резерв» прошла в детском саду № 57 микрорайона Левобережный В ней приняли участие двадцать пять воспитанников, которые состязались в «веселых стартах» и творческих конкурсах,
19.01.2018 Единая Россия
Акция «Преодоление» в Воскресенске - Администрация Воскресенского района19 января Центральная детская библиотека приняла участие в областной культурно- просветительской акции «Преодоление» в рамках мероприятий,
19.01.2018 Администрация Воскресенского района