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
- 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
 
По теме
Детский летний отдых - Правительство Московской области Источник: Фотобанк Московской области Более 20 подмосковных школьников отправились на восьмую смену в лагерь «Артек», участников смены ждет Международная детская ассамблея,
17.07.2018
Все новости Летнего кампуса – 2018 - Красногорский филиал АНХ C 15 по 26 июля в г. Иннополисе (Татарстан) проходит ежегодный образовательный форум «Летний кампус Президентской академии» – масштабный проект для перспективных студентов.
17.07.2018
 
Игумен Герасим (Дьячков), Н. А. Макаров, А. В. Энговатова, А. К. Светозарский на некрополе Московской духовной академии - Духовная академия Институтом археологии Российской академии наук ведется огромная работа по выявлению и сохранению историко-культурного наследия Московской духовной академии.
17.07.2018
Еще есть возможность защитить проект - Администрация Воскресенского района Во всех муниципалитетах Московской области завершились личные презентации проектов, поданных авторами на соискание премий Губернатора Московской области «Наше Подмосковье».
17.07.2018
 
В Химках место для нового ФОКа выбрано с учетом пожеланий жителей - Единая Россия В рамках реализации партийного проекта «Здоровое будущее» в этом году для жителей микрорайона Подрезково Химок откроет свои двери современный физкультурно - оздоровительный комплекс Площадь нового ФОКа в Подрезково с
17.07.2018
В этом году школы Котельников покидают 93 учащихся - Котельники сегодня Ирина Кузьмина, и.о. замес­тителя главы администрации по социальным вопросам, отметила, что по итогам прохождения ЕГЭ все наши ученики успешно подтвердили освоение школьной программы.
17.07.2018
 
Путешествие в страну прав и обязанностей 13 июля 2018 года представитель Уполномоченного по правам человека в Московской области в Орехово-Зуевском муниципальном районе и городском округе Орехово-Зуево Славик Бабаянц,
16.07.2018 Администрация Орехово-Зуевского района
Начальник управления образования городского округа Ирина Лазарева озвучила на оперативном совещании главы муниципалитета Геннадия Панина 17 июля результаты выпускных экзаменов в 2018 году, по ее словам,
17.07.2018 Орехово-Зуевская правда
Учитель обществознания и истории высшей квалификационной категории, обладатель золотой медали «Почетный педагог России», член Общественных палат Московской области и Звенигорода,
16.07.2018 Звенигородские ведомости
Апелляция в вышестоящую инстанцию не спасла от наказания преступников. Шесть жителей Таджикистана организовали похищение своего земляка, не расплатившегося с работниками за выполненную работу по строительству забора.
17.07.2018 Красное знамя
16 июля спасатели получили звонок от мужчины, который сообщал, что находится в грязевой яме Реальная ситуация оказалась гораздо банальнее, яму прибывшие на место спасатели так и не нашли.
16.07.2018 Газета Новые Известия
Из одной глины - Истринские ВСети Работы из керамики Дарьи Лозинской прекрасно поселились бы на страницах произведений Толкиена Ее мир полон первозданного волшебства и не имеет границ, он такой же бездонный и глубокий, как вселенная.
17.07.2018 Истринские ВСети
Смотрите также: фоторепортаж с фестиваля «Сердце России»   В четырнадцатый раз деревня Березняки стала центром притяжения для творческих людей, которым небезразлична тема православия и патриотизма.
17.07.2018 Газета Вперёд
На прошлой неделе в Сергиевом Посаде открылись сразу две экспозиции, неуловимо объединённые одной темой — общения.
17.07.2018 Газета Вперёд
В субботу и воскресенье живописные поля в окрестностях села Троицкое «бороздили» наездники из Московского региона и соседних областей – Брянской, Ленинградской, Липецкой.
17.07.2018 Новые рубежи
Спортсмен из Королёва стал трехкратным чемпионом России в метании диска - Администрация г. Королёв Воспитанник спортивной адаптивной школы «Наш мир» в Королеве Юрий Лящук принял участие в чемпионате России по легкой атлетике (спорт слепых) и стал чемпионом России в метании диска.
18.07.2018 Администрация г. Королёв
Алексей Кузнецов – 12-кратный чемпион России в метании копья. Причем побед на главном старте страны, учитывая участие в соревновательной программе толкания ядра и метании диска превысит два десятка.
17.07.2018 Куйбышевец
Один из перекупщиков рассказал, что его прибыль в дни Чемпионата мира по футболу (ЧМ-2018) достигла 20 миллионов рублей, из которых полмиллиона он "заработал" на перепродаже всего одного билета в ложу.
17.07.2018 Газета Новые Известия
С 7 по 13 июля в городском округе Шатура через портал «Добродел» поступило 90 обращений жителей округа - Шатурский район Наиболее популярные темы обращений прошедшей недели: несанкционированные свалки и навалы мусора во дворах и на территории общего пользования, нарушение правил уборки территорий, свалки мусора в лесу,
17.07.2018 Шатурский район
Минэкологии: аисты на севере Подмосковья стали многодетными - Министерство экологии МО В ходе мониторинга редких видов, который проводится по заказу минэкологии, биологи сделали ряд ценных наблюдений, свидетельствующих о том, что нынешний год является благоприятным для подмосковной фауны.
17.07.2018 Министерство экологии МО
Источник: ©, пресс-служба заместителя председателя правительства Московской области Дмитрия Пестова Подготовка жилых домов Королева к отопительному сезону идет в полном соответствии с графиком,
17.07.2018 Правительство Московской области