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
Новые победы юных интеллектуалов 1 «В» класса МОУ гимназии №7. - Администрация г. Лыткарино       Не перестают радовать своими победами юные интеллектуалы 1 «В» класса МОУ гимназии №7.
23.04.2018 Администрация г. Лыткарино
Учитель МОУ гимназии №7 абсолютный победитель Фестиваля педагогических идей Подмосковья. - Администрация г. Лыткарино   Ассоциация педагогических работников Московской области «Преподаватели информатики Подмосковья» подвела итоги конкурсных мероприятий «Фестиваль педагогических идей Подмосковья».
23.04.2018 Администрация г. Лыткарино
  Профориентационная конференция в МОУ гимназии №7 - Администрация г. Лыткарино     Выбор профессии – сложный и ответственный шаг в жизни каждого человека.
23.04.2018 Администрация г. Лыткарино
Лыткаринские гимназисты видят в субботниках воспитательный момент - Lytkarino.InfoУчащиеся, педагоги и другие работники гимназии № 7 наравне со всеми жителями города Лыткарино приняли участие в общеобластном субботнике под девизом «Чистое Подмосковье.
23.04.2018 Lytkarino.Info
С багажом знаний и планами на будущее – детскому саду «Семицветик» исполнилось пять лет - Администрация г. СерпуховДетскому саду № 9 «Семицветик» исполнилось 5 лет! 18 апреля в стенах образовательного учреждения состоялось торжественное мероприятие, в ходе которого были подведены итоги работы.
23.04.2018 Администрация г. Серпухов
Россия. Московская область. Одинцовский район. Учащиеся в школе, во время визита Губернатора Московской Области Андрея Юрьевича Воробьёва, для осмотра проведенных работ. Денис Трудников/Пресс-служба Губернатора и Правительства МО - Правительство Московской областиМероприятие состоится 24 апр. 2018 г., 9:00 Источник: Пресс-служба Губернатора Московской области,
23.04.2018 Правительство Московской области
Источник: Главное управление социальных коммуникаций Московской области Победителями второго зонального этапа молодежного форума «Я – гражданин Подмосковья» стали IT-проекты о мероприятиях в регионе и комплексе ГТО,
23.04.2018 Правительство Московской области
Куда пойти учиться? Какой карьерный путь предлагают выпускникам, выбравшим своим призванием авиацию?
23.04.2018 Zhukgsn.Ru
С 23 по 27 апреля 2018 года в Военно-патриотическом парке культуры и отдыха Вооружённых Сил Российской Федерации «Патриот» (Московская область,
23.04.2018 Министерство образования
С 13 по 15 апреля 2018 года под руководством зам. директора Высшей школы туризма, индустрии гостеприимства Е.В.
23.04.2018 РГУТиС
Юные журналисты получили задание по видеосъёмке - Ступинская панорамаСтупинское информагентство, Анастасия Плотникова Встреча воспитанников Школы юного журналиста состоялась сегодня в редакции газеты «Ступинская панорама»,
23.04.2018 Ступинская панорама
Россия. Московская область. Одинцовский район. Учащиеся в школе, во время визита Губернатора Московской Области Андрея Юрьевича Воробьёва, для осмотра проведенных работ. Денис Трудников/Пресс-служба Губернатора и Правительства МО - Правительство Московской областиМероприятие состоится 24 апр. 2018 г., 9:00 Источник: Пресс-служба Губернатора Московской области,
23.04.2018 Правительство Московской области
  Профориентационная конференция в МОУ гимназии №7 - Администрация г. Лыткарино     Выбор профессии – сложный и ответственный шаг в жизни каждого человека.
23.04.2018 Администрация г. Лыткарино
Учитель МОУ гимназии №7 абсолютный победитель Фестиваля педагогических идей Подмосковья. - Администрация г. Лыткарино   Ассоциация педагогических работников Московской области «Преподаватели информатики Подмосковья» подвела итоги конкурсных мероприятий «Фестиваль педагогических идей Подмосковья».
23.04.2018 Администрация г. Лыткарино
Школа безопасности прошла в Подольске - Подольский рабочий
Школа безопасности прошла в Подольске
15 школьных команд прошли по этапам первой «Школы безопасности» в Подольске.
Подольский рабочий
Учитель, наставник, коллега. О педагоге гимназии «Пущино» Анне Багацкой из уст воспитанников и единомышленников - Пущинская среда
Учитель, наставник, коллега. О педагоге гимназии «Пущино» Анне Багацкой из уст воспитанников и единомышленников
Работа. Здесь мы проводим большую часть своего времени. Когда она по душе, всё спорится: человек достигает высокого профессионализма, заслуживает уважение коллег, получает истинное удовольствие от результатов своего труда.
Пущинская среда
Юные журналисты получили задание по видеосъёмке
Ступинское информагентство, Анастасия Плотникова Встреча воспитанников Школы юного журналиста состоялась сегодня в редакции газеты «Ступинская панорама»,
Ступинская панорама
На Лакокраске водитель сбил мальчика и скрылся - КопейкаВ Сергиевом Посаде ищут водителя, сбившего ребенка. Все произошло на пешеходном переходе в микрорайоне Лакокраска.
24.04.2018 Копейка
В Серпухове преступник проник в квартиру к пенсионерке, предложив помочь донести сумки - Пущинская средаВ Дежурную часть МУ МВД России «Серпуховское» обратилась 76-летняя местная жительница, проживающая в одном из домов на ул.
23.04.2018 Пущинская среда
468 сообщений о происшествиях поступило в Дежурную часть полиции на минувшей неделе - Газета Новости неделиВ том числе 19 заявлений о преступных посягательствах, по 14 из них виновные лица установлены в течение дежурных суток.
23.04.2018 Газета Новости недели
В результате ДТП в Рузском округе погиб водитель - Красное знамя
В результате ДТП в Рузском округе погиб водитель
Трагедия случилась 22 апреля в начале одиннадцатого часа вечера на шоссе Руза – Дорохово недалеко от поворота на дом творчества «Малеевка».
Красное знамя
Два серьезных ДТП произошло в Чехове в выходные - Чехов сегодня
Два серьезных ДТП произошло в Чехове в выходные
Сразу два серьезных дтп произошло в минувшие выходные. Поздним вечером в субботу на автодороге Москва -Сим­ферополь произошло ДТП, в котором пострадал человек.
Чехов сегодня
Утопленника обнаружили в реке в Пушкинском районе - Газета Маяк
Утопленника обнаружили в реке в Пушкинском районе
© Страница МБУ "Пушкинский АСО" Вконтакте Утопленника обнаружили в реке Воре в Пушкинском районе, сообщается на странице МБУ «Пушкинский аварийно-спасательный отряд» в социальной сети Вконтакте.
Газета Маяк
Седьмой областной хореографический фестиваль-конкурс «Ритмы Солнечной горы» открылся в Солнечногорске 21 апреля - Газета СенежОбластной хореографический фестиваль-конкурс «Ритмы Солнечной горы» им. А.А.Малинина открылся в ДК «Выстрел» в Солнечногорске 21 апреля.
23.04.2018 Газета Сенеж
В Одинцово пройдет «Поющий форум» - Общественная палата МОПри поддержке Совета НКО при Общественной палате Одинцовского района Фонд «Соратники» проведет «Поющий форум» в Одинцово.
24.04.2018 Общественная палата МО
Дмитрий Жариков проинспектировал ход работ в Троицком соборе - Администрация г. СерпуховГлава городского округа Серпухов Дмитрий Жариков сегодня проинспектировал ход реставрационных работ в Троицком соборе.
23.04.2018 Администрация г. Серпухов
От Амура до Байкала - Газета Вперёд
От Амура до Байкала
Окончание (начало см. № 124 от 29.11. 2017, № 3 от 17.01.2018 и № 13 от 21.02.2018).
Газета Вперёд
Презентация книги «Православное Солнечногорье» состоялась в «Путевом дворце» 20 апреля
Презентация новой книги «Православное Солнечногорье» состоялась в «Путевом дворце» в Солнечногорске 20 апреля.
Газета Сенеж
Ночь в библиотеке - Серебряно-Прудский вестник
Ночь в библиотеке
21 апреля в рамках Всероссийской акции «Библионочь» в Серебряно-Прудской центральной библиотеке прошли мероприятия на тему «Жизнь замечательных людей»,
Серебряно-Прудский вестник
Космический полумарафон в Королеве - Правительство Московской областиИсточник: Министерство физической культуры и спорта Московской области В Звездном городке прошел традиционный «Гагаринский забег», в полумарафоне приняли участие порядка 600 человек,
24.04.2018 Правительство Московской области
Волейбольный турнир в Одинцово - Общественная палата МО22 апреля в волейбольном центре города Одинцово прошел турнир по волейболу среди любительских команд Одинцовского района.
24.04.2018 Общественная палата МО
Новости из стана красно-белых - ХК ХимикПресс-служба московского «Спартака» сообщает, что Максим Цыплаков принял контрактное предложение красно-белых и продолжит выступление в системе клуба.
23.04.2018 ХК Химик
В Пущине прошёл Кубок города по быстрым шахматам - Пущинская среда
В Пущине прошёл Кубок города по быстрым шахматам
В воскресенье, 22 апреля, в шахматном классе Дворца спорта «Ока», прошел Открытый Кубок города Пущино по быстрым шахматам.
Пущинская среда
Футбольный клуб «Витязь» начал сезон с поражения - Подольский рабочий
Футбольный клуб «Витязь» начал сезон с поражения
Подольский футбольный клуб «Витязь» проиграл свой первый матч в сезоне ФК «Пересвет» со счетом 2:3.
Подольский рабочий
Роман Терюшков: «Открытие мотосезона – не только красочное шоу, но и напоминание о ПДД» - Долгие Пруды
Роман Терюшков: «Открытие мотосезона – не только красочное шоу, но и напоминание о ПДД»
В субботу, 21 апреля на открытой площадке Международного выставочного центра «Крокус Экспо» прошел традиционный областной праздник «Мы вместе за безопасность дорожного движения».
Долгие Пруды
На субботник в Красногорске вышли более 14 тысяч человек - Красногорские вестиВ преддверии празднования Дня Весны и Труда вместе с жителями городского округа Красногорск независимо от организационно-правовой формы на уборку улиц, парков, скверов дворов вышли предприятия и организации округа.
21.04.2018 Красногорские вести
Общеобластной субботник в Одинцовском районе - Общественная палата МО 21 апреля в Одинцовском районе состоялся общеобластной субботник, участие в котором приняли жители всех 16 поселений.
24.04.2018 Общественная палата МО
8787675656 - Администрация г.Орехово-ЗуевоВ городском округе Орехово-Зуево основной площадкой мероприятия стала территория лесопарковой зоны района улицы Стрелки около детского сада, расположенного в микрорайоне Северный.
23.04.2018 Администрация г.Орехово-Зуево
Свыше 450 поваленных ураганом деревьев убрали с дорог Подмосковья - Дмитровский вестникНа дорогах Подмосковья продолжают ликвидировать последствия прошедшего урагана, рабочие убрали свыше 450 поваленных деревьев, сообщает пресс-служба Министерства транспорта и дорожной инфраструктуры Московской области.
23.04.2018 Дмитровский вестник
В Истре провели генеральную уборку - Истринские ВСетиОбластной субботник в Истре собрал неравнодушных жителей вместе, чтобы сделать генеральную уборку в своем городе Всем, кто трудился в городском парке Истры, на улице Ленина и на других площадках,
21.04.2018 Истринские ВСети