>> << >>
Главная Выпуск 20 NewConcepts Chapters

GLUCONICS AS THE UNIVERSAL RENEWABLE ENERGETIC. ГЛЮКОНИКА – ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО

Юрий Магаршак

 

 Image result for фото юрий магаршак

русский перевод, а также оригиналы вышедших по-русски статей Юрия Магаршака, посвященных ГЛЮКОНИКЕ: возможности перехода энергетики на основанную на глюкозе, с которой в процессе фотосинтеза начинаются энергетические метаболические пути, приводятся ниже. Глюконике были посвящен проходивший под председательством проф. Магаршака симозиум «Глюконика – энергетика будущего» (Москва, 2010 год, Институт Философии РАН с участием проф.Сергея Капицы, академиков Степина. Шувалова, Сисакяна, члена-корреспондента РАН Л.А.Грибова и других выдающихся специалистов) а также одна из секций конференции НАТО (Санкт-Петербург 2008). Сборник трудов конференции Silicon versus carbon : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyre and Ashok K. VaseashtaNATO Advanced Research Workshop on Environmental and Biological Risks of Hybrid Organic-Silicon Nanodevices Saint Petersburg, Russia) (2008) И ЧЕТЫРЕ РЕДАКЦИИ ЭТОЙ КНИГИ (4 editions of this work) можно приобрести в Springer а также на интернете. 

.  

 

ГЛЮКОНИКА – ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО

Yuri Magarshak

MathTech, Inc. (New York)

 2010 год

 

русский перевод статьи GLUCONICS AS THE UNIVERSAL RENEWABLE ENERGETIC  Yu. Magarshak Journal "Scientific Israel- Technological Advantages" Vol.12,3- 4 (Letters) 2010    189

Русский перевод был сделан сразу после выхода статьи в журнале  "Scientific Israel- Technological Advantages" (главный редактор профессор Олег Фиговский) и размещен в интернете. Сокращенные версии статьи были опубликованы в ряде научно-популярных журналов и разделов Наука газет. Некоторые из которых приводятся ниже.

 

Abstract. Переходу цивилизации на технологии и энергетику, подобные тем, которые осуществляются в живой природе, в долговременной перспективе нет разумной альтернативы. Либо техногенная цивилизация научится вписываться в природу, либо она попросту перестанет существовать.                                                                            

Универсальным биологическим топливом является гликоген и его производные. При этом все биологические реакции происходят без горения, при температуре равной или близкой к температуре организма. Переход энергетики на гликоген предполагает, что и другие процессы будут состыкованы с происходящими in vivo. Например, движение в мышцах осуществляется при использовании продукта расщепления гликогена и ATФ при их взаимодействии с актомиозиновыми нитями. Среди процессов, которые должны будут адаптироваться к энергетике, подобной происходящему в мире живого, будет и задача использования ядерной энергетики для биохимического синтеза. То что создание альтервитальной энергетики (то есть подобной той, которая имеет место в живой природе) в принципе возможно, не вызывает сомнений, так как на этих принципах построена жизнь. Решение комплекса проблем, возникающих при переходе к гликогену как универсальному топливу потребует значительных затрат и усилий. Однако после перехода на гликогенную энергетику и состыковку с ней фундаментальных технологий, используемых цивилизацией, человечество сможет развиваться в гармонии с природой очень долгое время.

***

 

КОНЦЕПЦИЯ. Энергетический кризис, в котором находится человечество, имеет два корня. Первый – ограниченность существующих ископаемых энергоносителей. Вторая – загрязнение окружающей среды. И если первая из этих причин в масштабах лет носит скорее геополитический характер, чем реальная нехватка природных углеводородов (разведанных запасов нефти, даже с учетом бурного роста Азии хватит как минимум на 30-40 лет, природного газа на 80 лет, угля не менее чем на полтора века), вторая грозит возможными катаклизмами (ураганами, изменениями направления океанских течений, таянием льдов, изменением состава атмосферы, глобальным потеплением и изменении климата,) в самом ближайшем будущем. При этом возможность фазовых переходов (то есть таких, при которых малые изменения параметров влекут за собой глобальные последствия) отнюдь не исключена  - а каковы критические значения параметров и когда наступят скачкообразные изменения, никто не знает.

 

Причина глобальных катаклизмов, как грядущих, так и уже наступающих, лежит в самом характере человеческой цивилизации, которая не вписывается и не пытается вписываться в структуру живого и взаимодействия биоценоза с атмосферой, почвой, реками и мировым океаном на нашей планете. Вплоть до 19 века люди жили в несравненно большем балансе с природой, чем после промышленной революции. Сегодня множество производств и все возрастающее накопление самых разнообразных отходов делают глобальный дисбаланс цивилизации и природы неизбежным. Энергетика 21 века вносит в дестабилизирующие процессы громадный вклад. Так, в Калифорнии выброс автомобилями парниковых газов в атмосферу составляет приблизительно половину от  общего выброса.  Изобретение паровой машины, а затем двигателя внутреннего сгорания, возможность превращения энергии сгорания в электрическую в тысячи раз увеличили количество сжигаемых углеводородов – и, одновременно, выбрасывания в атмосферу продуктов сжигания. В этом смысле путь от пожара в лесу до локализации огня человеком (на котором можно было жарить еду, обжигать горшки, который отпугивал хищников, обогревал помещения) длиннее, чем от костра в пещере до двигателя автомобиля: идея то, в сущности та же.

 

Есть ли у цивилизации какой либо иной путь? В 2004 году была выдвинута концепция Альтервитальной Цивилизации (от латинского Altera Vitae, другая жизнь). Был поставлен общий вопрос: возможна ли цивилизация, которая не нарушала бы баланса биоценоза с неживой природой и была бы полностью, или почти полностью, безотходной? На этот важнейший стратегический вопрос в принципе был дан положительный ответ (O.Figovsky, Yu.B.Magarshak, "Altera Vitae Civilization: problems and perspectives" "Scientific Israel – Technological Advantages", vol. 6, No. 3, pp.1-9, 2004). 

 

  1. II. ЧТО ТАКОЕ АЛЬТЕРВИТАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА? Современная техногенная цивилизация получает, хранит, распределяет и утилизирует энергию абсолютно не так, как эти процессы осуществляются в живой природе. Оценки показывают, что энергопотребление в биоценозе на порядки (как минимум в 10 раз) превышает энергию, утилизируемую человечеством при сжигании природных энергоносителей (нефти, газа и угля). При этом не только отдельные организмы, но и биоценоз в целом находятся в глобальном балансе с природой.

 

Можно ли построить энергосистемы человечества по аналогии с тем, как это осуществляется в мире живого? А если да, то каким образом это удастся сделать? Этой кардинальной проблеме и связанным с ней технологическим, экономическим и политическим вопросам и будет посвящен workshop – первый из серии планируемых по этой тематике.

 

ОБЩИЙ ОБЗОР ЭНЕРГОСИСТЕМЫ БИОЦЕНОЗА.

Получение первичной энергии из солнечной: фотосинтез. Универсальным первичным источником энергии в мире живого является солнце. Поглощение квантов света осуществляется при фотосинтезе, в результате которого синтезируется глюкоза, являющаяся универсальным биологическим топливом.

 

                                                     хлорофилл

6CO2 + 6H2O    ––––––––––––––>®  C6H12O6 +6O2

                        солнечный свет

 

Существует два вида молекулы хлорофилла a и b, отличающиеся лишь одной группой   атомов. Несмотря на то, что различие минимально, эти две молекулы совокупно перекрывают очень широкий спектр, в частности почти весь видимый глазом свет. Непоглощенной и отраженной остается зона 500-600 нм, соответствующая зеленому свету (именно поэтому листья растений и планктон как правило имеют зеленый свет).  Для длительного хранения энергии глюкоза энзиматически преобразуется в свои производные: в растениях в дендример альфа-глюкозы  крахмал, у животных в дендример альфа-глюкозы - гликоген. Кроме того, стволы и ветки деревьев более чем наполовину по массе состоят из линейной формы бета-глюкозы – целлюлозы. При утилизации энергии от молекулы дендримерных форм глюкозы отщепляются по одной замыкающие звенья. Это позволяет делать процесс утилизации энергии in vivo универсальным и контролируемым на молекулярном уровне.

Таким образом, универсальные формы хранение энергии in vivo: крахмал и гликоген. Молекулы полимера - крахмала накапливаются в клетках растений и образуют запас питательных веществ, в то время, как молекулы мономеров глюкозы не откладываются про запас, а либо преобразуются в полимерные (линейную целлюлоза, или дендримерную – крахмал и гликоген) формы, либо быстро расходуются.

Крахмал содержится в больших количествах во всех зерновых злаках - пшенице, рисе, ячмене и т.д., а также в картофеле.  В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала. Общая масса крахмала, синтезируемого в течение года in vivo, оценивается в сотни миллиардов тон.

Гликоген - главная форма запасания углеводов у животных. Гликоген - полисахарид, откладывающийся в виде гранул в цитоплазме клеток и расщепляющийся до глюкозы при недостатке ее в организме. Гликоген запасается больше всего в печени (до 6% от массы печени) и в мышцах (порядка 1% массы мышц).

 

Целлюлоза – это клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы – волоски семян хлопчатника. В древесине содержится от 40 до 60% целлюлозы. Различие между молекулами целлюлозы и крахмала состоит также и в том, что число n у целлюлозы больше. В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы - свыше 10 000 звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жесткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра. Из целлюлозы в значительной мере состоят стволы и ветви деревьев.

Целлюлоза, крахмал и гликоген имеют одинаковую химическую формулу (C6H10O5)n.  Однако физические и биологические свойства их существенно отличаются. В организмах они утилизируются разными ферментами. Человек не может есть стволы деревьев потому что в человеческом организме нет ферментов, расщепляющих целлюлозу. Слоны же едят и листья и ветви потому, что в их организме ферменты, расщепляющие целлюлозу, есть.

 

Утилизация энергии in vivo: гликолиз, цикл Кребса и Хемиосмосис.

Согласно современным воззрениям, утилизация энергии, запасенной в углевородах,  осуществляется в три этапа, каждый последующий из которых осуществляется только как результат предыдущего.

  1. гликолиз: анаэробное превращение глюкозы в пируват, в результате которого производится ATP.
  2. Аэробный процесс окислительного фофорилирования (также называемый циклом Кребса), сопряженный с конечным продуктом гликолиза пируватом путем его описления в Acetyl CoA. На этом этапе производятся дополнительные молекулы ATP и кроме того NADH, являющийся универсальным переносчиком электронов в клетке (а также FADH2)

3)  хемиосмосис (chemiosmosis), происходящий в мембранах митохондрий,

контролируется несколькими ферментами при участии NADH и FADH2, приводящий к образованию дополнительных молекул ATP.

 

В результате этих трех процессов из одной молекулы глюкозы производится до 38 молекул ATP.

            Пара аденозинтрифосфат-аденозиндифосфан является «молекулярным шатлом». ATP богата энергией потому, что содержит две фосфоэнергетические связи. Когда эти связи рвутся, освобождается свободная энергия, которая может использоваться в метаболизме. Энергия гидролиза одного фосфата молекулы АТР, превращающейся в АDP, освобождает ~10 kJ/mole. Следует иметь в виду, что преобразования ATP в ADP и ADP в AТP отличаются тем, что первый процесс выделяет энергию, а второй ее потребляет.

            ATP постоянно потребляется организмом. За сутки в организме человека потребляется примерно 40 кг ATP, в то время как общая масса ATP в организме человека порядка 50 грамм. ATP никогда не хранится долго: за сутки она может совершить сотни и даже тысячи циклов. При усиленной работе расход ATP составляет до пятисот грамм в минуту. Суммарная масса произведенного в организме  ATP за сутки может в несколько раз превысить массу животного, хотя в каждый момент времени в организме этого универсального энергетического вещества имеется в сотни или даже тысячи раз меньше этой величины.

Основная функция цикла NAD+ • NADH (сокращение от Nicotinamide Adenine Dinucleotide) – перенос электрона. При прохождении реакции слева направо катализируется восстановление (приобретение электрона). При прохождении реакции справа – налево катализируется окисление (потеря электрона).  При этом, однако, NAD+ и NADH вступают в реакцию с разными молекулами, то есть это не обратимая реакция, которая может прийти к равновесию, а именно цикл, катализируемый и контролируемый энзиматически в разных процессах.

По типу функционирования пара (NAD+  – NADH), так же как и пара (ATP – ADP), является двухтактным молекулярным двигателем, который после каждого цикла возвращается в исходное состояние. Фундаментальное отличие двигателей in vivo от двигателей внутреннего сгорания или турбин состоит в том, что а) они работают при температуре среды б) функционирование каждой молекулы контролируется, в) работают безотходно, и г) намного более эффективно и экономно.

 

Превращение энергии запасенной в химических связях, в механическую in vivo. Итак, в процессе жизнедеятельности всех без исключения организмов, утилизация запасенной в химических связях энергии происходит под контролем за метаболизмом КАЖДОЙ МОЛЕКУЛЫ. И процессы эти происходят при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Высокотемпературная утилизация (горение) in vivo, в отличие от человеческой цивилизации не используется никогда. Кроме высокой температуры, горение характеризуется бесконтрольным превращением триллионов молекул в другие – главной утилизируемой в технологиях функциях при этом является суммарное выделяемое тепло. В противоположность этому, в живой природе контроль при утилизации энергии осуществляется за метаболизмом КАЖДОЙ МОЛЕКУЛЫ.

 

ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МЫШЦЫ. Мышцы являются универсальным механизмом, используемым многоклеточными организмами в живой природе для получения механической энергии. Мышцы состоят из актиновых (тонких) и миозиновых (толстых) нитей, состоящих из мономеров, сгруппированных в кластеры. Цикл функционирования мышцы в общих чертах выглядит так:

            После чего цикл повторяется. В результате множественных повторений цикла в каждом из кластеров, в которые сгруппированы мономеры актина и миозина, происходит сокращение мышцы.

 

СРАВНЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ IN VIVO И В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ.

  1. В то время, как поколения технологий в ключевых областях промышленности в начале 21 века сменяются каждые несколько лет, живая природа исключительно консервативна. Одни и те же биологические механизмы, раз созданные, функционируют практически без изменений во всех организмах (количество видов которых на земле исчисляется миллионами) в течение миллиардов лет. Фотосинтез, гликолиз, цикл Кребса, хемиосмосиз и работа мышцы являются неизменными универсальными механизмами.

 

  1. В техногенной цивилизации современности утилизация первичных

источников энергии (нефти, газа, угля) происходит

А) с выбросом вредных газов в атмосферу

Б) при высоких температурах и

В) с контролем только глобальных параметров (таких как давление в камере, температура горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания, масса смеси и им подобные.

     Напротив: в живой природе утилизация энергии происходит

А) экологически чисто

Б) при нормальной температуре и

В) с контролем за утилизации каждой молекулы.

 

  1. Технологии утилизации угля, нефти, газа отличаются друг от друга, а также зависят от применений. Например, технологии работы теплоэлектростанций и газовых кательных разительно отличается. Напротив: основные этапы утилизации энергии in vivo (превращение мономеров глюкозы в дендримеры крахмала (растения) и гликогена (животные), гликолиз, цикл кребса и хемиосмозис являются универсальными механизмами.

 

  1. В то время, как в цивилизации используются различные виды топлива (в частности органического происхождения, такие как дрова, нефть, торф), так и неорганические (природный газ), в живой природе имеется одно универсальное топливо: глюкоза.

 

  1. Хранение энергоносителей в современной цивилизации (нефте- и газохранилища) подвержены опасности воспламенения. Напротив: формы длительного хранения энергии– гликоген и крахмал – in vivo не являются не только самовоспламеняющимися, но и трудно поджигаемыми, будучи смешанными с другими химическими органеллами и веществами. Соответственно этому горят только мертвые растения (выжженная солнцем трава, погибшее дерево). Но, например, луг от костра загореться не может. Требуется значительная энергия, чтобы вызвать лесной пожар, в то время как для того, чтобы поджечь нефтехранилище или бензобак достаточно одной спички.

 

  1. КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ АЛЬТЕРВИТАЛЬНОЙ

ЭНЕРГЕТИКИ. Общая идея – создать систему получения, хранения и утилизации энергии аналогичную той, которая существует в живой природе, с использованием уже существующих и эффективно работающих in vivo механизмов.

 

Особый интерес представляет стыковка гликолитической энергетики с нанотехнологиями. В случае, если такая стыковка будет осуществлена, и снабжение энергией, и механизмы ее утилизации будут иметь одинаковые масштабы – нанометры, и сходные принципы функционирования. Что само по себе имеет колоссальные перспективы.

 

Каковы перспективы указанной программы? Прежде всего заметим, что стадии 1 и 2 не являются проблематичными. Массовое производство гликогена и крахмала, а также их транспортировка в жидком виде и твердом виде (порошок, спрессованные параллелепипеды) может быть при наличии спроса и финансирования налажена за несколько лет. Стадии 3 и 4 несравненно более трудные в воплощении – не в живой природе (где они замечательно функционируют), а в технике. Проблема поэтому стоит следующим образом: может ли человечество решить проблему превращения энергии глюкозы в механическую энергию (без горения, при температуре, близкой к температуре среды) в течение несколько десятков лет? Может ли оно сделать это при наличии финансирования, соизмеримого с затратами на создания атомного оружия или термояда? Ведь в отличие от термоядерных установок, мышца работает. «Установки», превращающие энергию химических связей, запасенную в гликогене, в механическую энергию при комнатной температуре, также известны: это, например, лошадь (которая в день съедает несколько килограммов глюкозы или ее производных), а также человеческая рука. Трудности при реализации программы Альтервитальной Энергетики, в основе которой, как и в биоценозе, находится преобразования гликогена, очевидны. Но непреодолимы ли они? В настоящее время выращиваются отдельные человеческие органы и генетически модифицированные растения. Насколько сложнее технология, связанная с альтервитальной  механикой, чем выращивание в пробирке эмбриона? Оценки давать трудно, но ясно одно: эта проблема в принципе решаема. Зато после того, как она будет решена, проблема энергоносителей, а также зависимость от нефтедобывающих стран исчезнет. Проблема глобального потепления также будет во многом снята или резко уменьшится, так как гликолитический цикл полностью вписывается в существующий баланс живой и неживой природы. Никаких выбросов вредных неутилизируемых газов при этом в атмосферу не будет – как нет их в результате жизнедеятельности лошади, человека или червя.

           

 

ГЛОБАЛЬНАЯ НАНОЭНЕРГЕТИКА. Глобальная энергетика понимается на удивление узко. Между тем преобразования глюкозы в биоценозе оперируют с энергиями, превышающими суммарную мощность всех электростанций, существующих в настоящее время, во много раз. Однако глюконика имеет и иной аспект. По мере перехода технологий к наномасштабам (то есть таким, в которых функционируют биомолекулы) проблема, какие именно носители энергии позволят устройствам функционировать, выходит на первый план. Сегодня кажется очевидным, что таковой должна быть электрическая энергия, так как именно на электронике построены все логические схемы. Между тем в биологии (то есть в наномасштабах) принципы функционирования биосистем, осуществляющих те же функции что и в технике, абсолютно другие: in vivo используются не триллионы атомов в кристаллах, а взаимодействия трехмерных молекул. И перенос электронов используется для решения локальных задач, но ни в коей мере не является главным в метаболизме и функционировании организмов. Переход на функционирование приборов на принципах, подобным тем, которые имеют место в живой природе, в нанотехнологиях в перспективе представляется неизбежным. Именно в направлении гармонии с миром живого должен быть направлен вектор внедрения человека в нано-масштабы, или как минимум одно из доминирующих направлений.

 

СРАВНЕНИЕ  ГЛЮКОНИКИ С ДРУГИМИ ВИДАМИ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ. Альтервитальная Энергетика имеет решающие преимущества перед всеми развиваемыми в настоящее время альтернативными видами энергии.

1) на термоядерные установки затрачены колоссальные деньги и более сорока лет работы – и тем не менее они не только не построены (в отличие от атомных электростанций, которые были созданы за считанные годы после начала работ), но нет уверенности что они будут построены когда либо.

2) термоядерные установки не решают проблемы топлива, в частности, для автомобилей. Они не являются заменой нефти. Напротив: альтервитальное топливо полностью решает проблему не только снимая проблему нефти, но и снимая парниковый эффект и прочие загрязнения среды.

 

С самого своего происхождения Homo sapiens использовал в качестве источника энергии огонь. То же можно сказать о большинство современных источников энергии и устройств, преобразующих энергию из одних видов в другие (паровозы, тепловозы, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели и другие). Напротив – в живой природе огонь в качестве источника энергии на протяжении более чем трех с половиной миллиардов лет существования жизни на Земле (насколько известно) не использовался никогда. Утилизация энергии химических связей в живой природе исключительно эффективно. Энергии, утилизируемые in vivo при потреблении 1 кг пищи, и энергия, утилизируемая при сжигании 1 кг нефти, одного порядка величины.

 

ВЫВОДЫ. Переход цивилизации к способам генерации и преобразования энергии, подобных тем, которые осуществляются in vivo, является естественным. Более того – в стратегической перспективе неизбежным. Такому переходу просто нет разумной альтернативы. Само собой разумеется, создание глюконики потребует значительных финансовых средств и когерентных усилий всего интеллектуального человечества. Перевод энергетики на глюконику может занять 10-20 лет. Перевод технологий на принципы подобные тем, которые используются в живой природе, может потребовать и большее время, но тоже в масштабах десятилетий, а не веков. Однако усилия окупятся сторицей. Потому что после этого техногенная цивилизация  сможет развиваться и существовать, находясь в гармонии с природой. Мир живого после глобального кризиса, имевшего место в первые четыреста миллионов лет своего существования (в результате которого биоценоз изменил состав атмосферы и вошел в равновесие с ней), существует без глобальных катаклизмов и ‘войн’ с ‘неживым миром’ четыре миллиарда лет. Почти все время, которое существует земля, между живой и неживой природой существует симбиоз  (хотя этот термин принято употреблять только в отношении взаимоотношений живого с живым – по сути это бесспорно так). Если альтервитальная энергетика (основанная на глюкозе и ее производных), а за ней и другие альтервитальные технологии (функционирующие подобно живой природе) будут доминировать в цивилизации, человечество (если не уничтожит себя иными способами) сможет процветать очень долго.

 

 

 

Шувалов В.A. академик Российской Академии Наук Директор Института фундаментальных проблем биологии РАН :

Идея осуществления проекта Альтервитальнвых энергетики и технологий представляется правильной, своевременной и весьма перспективной.

Энергия, поступающая на Землю в виде солнечного излучения, находится в полном балансе с температурным режимом планеты, а потому является единственно приемлемой для использования для нужд человека. Если эта энергия, частично используемая фотосинтезирующими организмами, будет полностью направлена на нужды человека, то это будет сопровождаться лишь временным небольшим похолоданием, но общий баланс энергии на планете не измениться: преобразование солнечной энергии в полезную энергию уменьшит тепло от солнечного нагрева, но, в конечном счете, эта полезная энергия превратиться в тепло по законам термодинамики.

Полное сжигание нефти, газа, угля при участии кислорода атмосферы неминуемо приведет к исчезновению этого кислорода, который возник в результате фотосинтеза при отделении его от погребенных органических продуктов фотосинтеза растений и фотосинтезирующих организмов, которые мы пытаемся сжечь с помощью кислорода атмосферы. В результате потребление ископаемых энергоносителей не только приведет к перегреву планеты, но и к уменьшению концентрации кислорода в атмосфере, необходимой для жизни человека.

Создание на Земле дополнительных источников энергии, атомных станций, термоядерных установок и т.д., энергия которых неминуемо будет превращена в тепло по второму закону термодинамике, кроме временных полезных результатов приведет к постепенному потеплению планеты и ее гибели. Поэтому далекая перспектива использования этих источников энергии связана с размещением их на других планетах или спутниках без передачи энергии на Землю.

Перспективным остается использование солнечной энергетики на планете, в частности за счет фотосинтетических технологий, столь ювелирно разработанных природой 3,5 миллиарда лет назад в цианобактериях, а затем во всех фотосинтезирующих организмах, включая растения.  

Если мы хотим воплотить идею нанотехнологий, то надо учиться у живой природы, механизмы работы которой осуществляются на уровне наноразмеров. Конечно, техническое воплощение альтервитальных энергетики и технологий не является простой задачей, однако правильное направлении ресурсов для решения этой проблемы может дать результат в обозримом будущем.

 

GLUCONICS AS THE UNIVERSAL RENEWABLE ENERGETIC

Yu. Magarshak Journal "Scientific Israel- Technological Advantages" Vol.12,3- 4 (Letters) 2010    189

 

 

MathTech Inc., (New York, USA, 

ym4@nyu.edu 

The creation of the universal energetic system, similar to that one in living species, has been proposed. Development of industry for producing, preserving and consuming energy, which has been based on glucose and its enzymatically transformed derivatives (including biological energy shuttle ATP-ADP) was called GLUCONICS. Gluconics includes a number of scientific and technological fields of molecular biology (from photosynthesis to muscle functioning), chemical engineering (such as preservation and transportation of the glucose-based fuel), nanotechnology (in particular, creation of batteries which consume glucose-originated molecules, similar to those ones which are used for the same purpose in vivo, as an energy source), as well as a number of industries (energy generation, cars production, medicine, nano-technology etc.) In long perspective, humanity does not have any comprehensive alternative to the development of gluconics as the universal fuel. 

*** 

In 2004, the concept of altera vitae civilization (from Latin altera vitae, another life) has been proposed [1]. A general question was raised: can the humanity create the civilization, which does not brake the balance of ecosystem with inanimate nature and would operate completely or almost completely without waste? At this crucial strategic question, in principle, was given a positive answer. In this letter, attention is drawn to one of the key elements of the Altera Vitae Civilization, namely on the altera vitae energetic, which is operating similarly to the process of production, preservation, transmission and consumption energy in living species. 

Over thousands years, the energy of fire is central to humanity. Oil, coal and gas-power stations are based on the use of fire. The same is true for car engines and many other energy consuming devices. 

The burning of fuel has several shortcomings. The main ones are poor efficiency and pollutions, which little by little change the balance in biosphere and atmosphere. Alternative forms of energy production have also been gradually created and elucidated. The energy of falling water, originally used in mills, has been implied in hydropower plants. Universality of energy forms and the striking fact that the energy (in contrast to the three-dimensional space and four-dimensional space-time) is one-dimensional, theoretically allows convert any kind of energy in any other. In 20th century electricity has become the universal mean of quick energy transmission over thousands kilometers. However, the use of electricity also has shortcomings. The main one –it is impossible to store huge amounts of electricity like coal or wood. 

Creation of batteries which allow, for instance, to drive a truck for 500 kilometers like petrol based engines is problematic. To stock electricity in order to heat apartment building for a year is even more problematic: such batteries not only don’t exist, but their creation in any prospect does not look realistic. Electricity in large volumes is necessary to consume at once and that is a significant shortcoming. The question if the electricity will forever remain to serve as the universal energy transmitter of human civilization, or it must be substituted, at least partially, sounds suggestive. Is there an alternative to electricity as a universal physical process that provides and transmits energy? The answer is positive. 

Gluconics, which has been proposed recently [2], is a universal energy generation, preservation, transmission and consumption system fundamentally different from the way how humanity is using any fuel today. Its principles are similar to those ones in vivo and are absolutely different from the way of production, preservation and consumption of energy in the modern human civilization. In contrast to oil, coal and gas based energy plants, energetic in living species is based on enzymatic reactions rather than Journal "Scientific Israel- Technological Advantages" Vol.12,3- 4 (Letters) 2010 190 

burning. In contrast to electricity, in the hydrocarbons energy can be stored for thousands and even millions years. 

I. ENERGY GENERATION IN VIVO starts with the absorption of a photon in a process called photosynthesis. The total amount of energy produced by photosynthesis on the Globe is many times more powerful than all the power stations together. As a result of biochemical processes of energy creation, preservation and utilization, living creatures move, see, hear, think and so forth. All these complicated processes in biosphere are provided by carbon-based molecules rather than silicon based chips. To provide all these and many other functions in vivo is used one and only universal fuel - glucose. The derivatives of glucose, created as a result of enzyme creations, provide energy for all plant and animal species that have ever existed on the Earth for the last 3 billion years. The universality and perfection of glucose-based energy mechanisms in vivo is striking. It is suggestive to think: is it possible, using the same principles on which the universal energetic exists in biosphere, to build the universal energetic system used by the mankind? 

Analysis of the biological mechanisms, which are needed to be developed for the implementation of the glucose-based universal energy system in techno, which operates like that in living species, has shown that it is certainly possible. It would be prudent to use in the civilization the same universal fuel which proved its efficiency in biosphere: glucose and its derivatives. The name gluconics [3] as the general name of glucose-based industries, which should be created (like the word cybernetics determines the milticisciplinary area of dealing with creation, transmission and transformation of information) sounds the most appropriate. Estimates show that the energy consumption in biocenosis is 1-2 orders of magnitude (that is at least ten times) higher than the energy utilized by mankind during combustion of natural energy resources (oil, gas, coal). However, the biosphere is in the global balance with nature morta. To the contrary, technogenic civilization created a global disbalance boht with nature morta and biosphere after just less than two hundred years of its development. 

Does a civilization have a chance to survive and prosper in long perspective without a strategic switch to gluconics? Apparently the answer is no. There is no alternative to fundamental switch of human civilization to glucose-based energetic, along with docked technologies operating similar to mechanisms existing in vivo. Gluconics approach sounds much more reasonable and realistic than developing hydrogen energetic, which has been suggested as the universal fuel about 10 years ago and, although over ten billion dollars have been spent already all over the world, apparently will never substitute oil and electricity as the universal energy source because of fundamental problems which have not been taken into account. 

Universal primary energy source for all living species is the Sun. The absorption of light quanta by photosynthesis leads to the synthesizing of the molecule of glucose, which is a universal biological fuel. In the process of long-term energy storage, glucose is converted into its polimer forms, modifications and products of braking down. In plants as the universal energy storage serves a branching (dendrimer) molecules of alpha-glucose called starch. In animals as the universal energy storage serves a different dendrimer alpha-glucose modification called glycogen. In trees and plants, more than half of the mass is accumulated in the trunks and the branches, which are mainly constituted by the linear form of beta-glucose called cellulose. 

IIENERGY PRESERVATION IN VIVO. Dendrimeric forms of glucose are very stable and can be preserved for a very long time. As soon as energy is needed by organism, the branched molecule of glucose-derivative is enzymatically splitted off. The ultimate (branch ending) glucose monomers are separated from the dendrimer one by one. As a result, the process of energy utilization in vivo is well controlled. Starch is accumulates in plant cells. These molecules form a reserve of nutrients, whereas the monomer molecules of glucose are not deposited in reserve. Starch is found in large quantities in all Journal "Scientific Israel- Technological Advantages" Vol.12,3- 4 (Letters) 2010 191 

cereal grains - wheat, rice, barley, potato etc. The total mass of starch, synthesized in vivo for a year in biocenosis, estimated at hundreds of billions tons. 

Glycogen is the main form of storing carbohydrates in animals. Glycogen is a polysaccharide deposited in the form of granules in the cytoplasm of cells. It is divided into monomers with a deficiency of glucose in the organism. Glycogen is stored mostly in liver (up to 6% by weight of the liver) and muscle (about 1% of muscle mass). Cellulose is a fiber. It is the main material which forms the tree trunks and branges. 

One starch macromolecule is constituted of as many as several hundred or even several thousand monomer units. One cellulose molecule is even larger. It can be formed of thousand monomer units or more. Cellulose forms a fiber that gives plants rigidity and durability. Cellulose fiber is stronger than steel wire of the same diameter. 

Cellulose, starch and glycogen have the same chemical formula (C6H10O5)n. However, the physical and biological properties of these glucose modifications are significantly different from each other. In cellular metabolism they are the substrates and products of different enzymes and occupy different places 

Both in space and in enzymatic pathways. 

III. ENERGY TRANSFORMATION IN VIVOChemical energy of chemical bonds in glucose is not used directly. It is taken from molecules which are created as a result of enzymatic modifications and braking down of glucose. This process consists of three subsequent stages, called glucolysis, tricarboxylic acid cycle and chemiosmosis. 

1. Glycolysis. Anaerobic metabolic pathway conversion of glucose C6H12Ointo pyruvic acid CH3COCO2H or its carboxylate anion CH3COCOO known as pyruvateAs a result of passing through glycolysis pathway, involving ten enzymes and nine intermediate compounds, ‘energy shuttles’ ATP (adenosine triphosphate) and NADH (reduced nicotinamide adenine dinucleotide) are synthesized. 

2. Krebs Cycle (also called the tricarboxylic acid cycle or citric acid cycle) - the aerobic multienzyme system coupled with the end product of glycolysis (pyruvate). In eukaryotic cells Krebs cycle is localized in mitochondrion. Citric acid cycle begins with acetyl-CoA, enzymatically transforming it into a six-carbon compound called citrate. From each glucose molecule two acetyl-CoA molecules are produced. That’s why two citrate cycles are required per each molecule of glucose. At the end of two tricarboxylic acid cycles two ATP, six NADH, two QH(where Q is the acceptor fo electron) and four COmolecules are produced. 

3. Chemiosmosis, postulated by Peter Mitchell in 1961 [4]. In this highly organized process (which we just schematically outline) the synthesis of ATP molecules is a result of the hydrogen ions gradient on two sides of the inner mitochondrial membrane and the energy of shuttle molecules NADH and FADH, formed in glucolisis process and Krebs cycle. NAD and FAD push electrons through the electron transport chain on the inner side of the membrane, as the enzyme ATP synthase is pushing protons back to another side of the membrane. These processes operating in coherence provide energy sufficient for the ATP synthesis from ADP. 

 

As a result of these three stages of glucose braking down (Glycolisis, Krebs cycle and Chemiosmosis), from one molecule of glucose are synthesized up to 38 ATP molecules. ATP is constantly produced and consumed. It is never stored for a long time. For 24 hours period ATP-ADP shuttle can make hundreds or even thousands cycles. During an intensive work, ATP flow can be as large as 500 grams per minute. The total mass of ATP produced in a body for 24 hours can be larger than the mass of the body, whereas at any moment it is hundreds or even thousands times smaller than this value. In human body, the average total ATP mass at any moment is as little as 50 grams. 

IV. ATP-ADP SHUTTLE. By function, the couple ATP-ADP is a molecular two-stroke energy shuttle, which after each cycle returns to its original state. One should note that ATP<=>ADP is a cycle Journal "Scientific Israel- Technological Advantages" Vol.12,3- 4 (Letters) 2010 192 

rather than a reversible reaction, because the transformation in each direction is catalyzed by different ferments. In different organs ATP-ADP shuttle is docked with different physiological systems. Each turn or the shuttle energy cycle ATP<=>ADP gives a portion of energy to a system it is docked with. 

V. ENERGY CONSUMPTION IN VIVO. In living nature glucose-originated energy production and consumption system is docked with many life-providing processes. As an example let’s consider in the most general terms how glucose-based system is functioning in muscles. 

The universal molecular engine is muscle. The fundamental difference between engines which use natural (glucose-originated) energy sources in vivo from internal combustion engines in tecno is that first ones (1) operate at ambient temperature, (2) control the consumption of each (or almost each) molecule (3) are operating without producing irreversible waste and (4) are much more efficient. Muscle is a tissue which provides the universal mechanism used by multi cellular organisms to transform chemical energy into mechanical energy. Muscles are composed of actin (thin) and myosin (thick) filaments. The actin-myosin monomers are grouped into clusters. As a result of multiple repetitions of the cycle, implemented with the participation of the energy shuttle ATP-ADP in each cluster, constituted by regularly packed monomers of actin and myosin, muscle contracts. 

The glucose-based universal energy system in living nature (which also can be called life-gluconics or gluconics-in-vivo) is outlined above only schematically. Guconics in vivo even in ‘simplest’ unicellular organisms is much more complicated. Life-gluconics is very conservative because it is operating perfectly. While the generations of technologies in high-tech are replaced every few years, the same biological mechanisms (photosynthesis, glycolysis, Krebs cycle, hemiosmosis, muscle functioning and others) once established, operate basically unchanged in all species on the Earth for billions of years. The question: Is it possible to create a civilization, which is using the energy production, preservation and consumption based on the same principles as the energetic in wildlife, using the universal fuel glucose? - is natural and suggestive. Detailed analysis of this issue with experts in various fields needed for the creation of gluconics as multidisciplinary area showed that it is certainly possible. There are no insurmountable technical difficulties to reach this goal. All key areas needed for the creation of cluconics in techno (artificial photosynthesis [5,6], artificial muscle [7,8], genetic engineering, robotics [9], artificial censors, technological enzymology, bionanotechnology and many others) at present are developed very intensively. In order to create GLUCONICS as a system all relevant areas of research and development, at present considered as distinct, should be considered also as parts of one strategic progect. Even if it would require, say, 

100 billion dollars and 20 years of international efforts, they will pay off. 

In order to implement gluconics as the universal fuel, the first generation of key technologies should be created. The absolutely minimal set of technologies needed to begin the implementation of gluconics 

as the universal fuel is: 

1) Glucose generation. The plants and phytoplankton on the earth produce tens of thousands tons of glucose per second. Potentially, it can provide much more energy than all power plants which burn the fuel. Creation of artificial photosynthesis separated from tree leafs and phytoplankton is not a simple task. However, gene engineering can promote creation of photosynthetic cells which extract glucose outside rather than transform it into other biological substances inide 

2) The transformation of glucose in solid and liquid forms which are convenient for transportation and transferring by gluco-pipe lines, operating like water-pipes and oil-pipesApparently, primary forms of glucose-based fuel, convenient to be pipe-transfmitted and stored, will be glycogen, starch, cellulose and other stable derivatives of glucose. 

3) Preparation for utilization of glucose or/and its derivatives energy at room temperatures (without buring). The development of technologies, similar to these ones which are performed in mitochondria and cellular membrane (Krebs cycle and hemiosmosise), looks 

Journal "Scientific Israel- Technological Advantages" Vol.12,3- 4 (Letters) 2010 193 

 

realistic. Genetically modified cells, producing ATP, NADH and other key molecules in the outer space apparently can be created within several years. 

4) The docking of glucose derivatives with energy consumption technologies. First of all, the docked technologies, which transform the chemical energy saved in glucose and its derivatives into mechanical and electrical energy (which operate like muscle, electric ray etc.), must be developed. In living nature, such processes are known. The muscle converts the energy stored in glycogen into mechanical energy. The conversion of glucose energy in the color pattern has been performed in the chameleon skin, the perception of electro-magnetic signals takes place in the eye, and so on. 

 

Of particular interest is the docking glycolytic energy in nano scale. If such a docking would be carried out, the molecules that provide energy supply, energy utilization and operation in vivo and in techno will have the same nano-scale, and the identical carrier glucose (or/and its enzymatically created derivatives). That itself opens up tremendous prospects for the frontiers technologies, because all these mechanisms operate in the wildlife very effectively. 

Gluconics may become a part of the global energy sector within 10-20 years. Usually, the global energetic is understood as the creation of power stations that produce enormous energy. However, such understanding of the global energy appears to be illogically narrow. Photosynthesis is no less global energy mechanism on Earth than the processes that ensure the functioning of nuclear-, hydro-, oil- and coil power plants. The power produced by the absorption of one quantum of light is really extremely small. However, trillions of tons of phytoplankton and tens of billions of tons of tree leafs do repeat the photosynthesis process a huge number of times per second. As a result, the glucose production in vivo is able to generate energy by orders of magnitude greater than all fuel, burned by human for the same time. 

Creating industry of gluconics, proposed in this article, is nothing else than attempt to use in technology principles, which do already exist in the nature and work perfectly well. Therefore, in the future gluconics can become no less global energy system than nuclear, thermal and hydroelectric power plants, and as global as electric system. 

Like cybernetics, gluconics is a multidisciplinary area of research and development. In order to create the energy system constructed similarly to the one operating in living beings, humanity must undertake significant and coherent efforts. However, as soon as the system of energy production, preservation and consumption, based on glucose as the main energy provider, is created, it gives practically infinite source of renewable energy, which can remain to be in balance both with nature morta and biosphere for thousands, millions and even (like life itself) billions years. 

Analysis in the key areas of science and technologies needed for Gluconics development prove that there are no fundamental obstacles for the creation of Gluconics as an industry. Political and financial difficulties also can be overcome. Step by step, the applications of Gluconics and its docking with car production, nanotechnology, television, computers and other branches of modern industry will be developed. Gluconics as the universal system of energy production, preservation and consumption, based on principles and mechanisms identical to operating in vivo, should be and will be created. In the long term, humanity simply does not have any comprehensive alternative. 

REFERENCES 

1. O.Figovsky, Yu.B.Magarshak, "Altera Vitae Civilization: problems and perspectives" "Scientific Israel – Technological Advantages", vol. 6, No. 3, pp.1-9 (2004) 

2. Yu. Magarshak Humanity can create glucose-based universal energy system. Time (Vremya) Moscow, 21.04. (2010) 

3. Yu. Magarshak Gluconics – energetic system of the future Sanct Peterburg Time (Nevskoye Vremya) 22.05 (2010)

Journal "Scientific Israel- Technological Advantages" Vol.12,3- 4 (Letters) 2010 194 

 

4. Peter Mitchell "Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism". Nature 191: 144–148 (1961). 

5. Cédric Tard, Xiaoming Liu, Saad K. Ibrahim, Maurizio Bruschi, Luca De Gioia, Siân C. Davies, Xin Yang, Lai-Sheng Wang, Gary Sawers and Christopher J. Pickett. Nature 433, 610 – 613 (2005). 

6. Hu, Xile; Cossairt, Brandi M.; Brunschwig, Bruce S.; Lewis, Nathan S.; Peters, Jonas C. Chem. Commun., 37, 4723-4725 (2005). 

7. V.Bocharova, M.A. Arugula, M. Pita, Jan Halamek, E, Katz Artificial Muscle Reversibly Controlled by Enzyme Reactions Guinevere Strack, J. Phys. Chem. Lett., , 1 (5), pp 839–843 (2010) 

8. :J.D. Madden Artificial Muscle Begins to Breathe (17 March 2006) Science 311 (5767), 1559 

9. B. Tondu S. Ippolito, J. Guiochet A. Daidie A Seven-degrees-of-freedom Robot-arm Driven by Pneumatic Artificial Muscles for Humanoid Robots The International Journal of Robotics Research, Vol. 24, No. 4, 257-274 (2005)

 

==============================================================

Приложение НАУКА Независимой Газеты

12.12.2012

Глюконика – энергетика изнутри

Независимая

 

Юрий Магаршак

Об авторе: Юрий Борисович Магаршак - профессор, MathTech, Inc. (New York).

 

Тэги: энергетикаэлектричество


энергетика, электричество

Использовать в промышленных масштабах механизмы энергообеспечения, которые работают в живой клетке, – задача глюконики.
Иллюстрация из буклета «ДНК. Приближая будущее. 50 лет успеха». 2003

Всем известна легенда о Прометее, похитившем небесный огонь и давшем его людям. С тех пор на протяжении тысяч лет энергия огня являлась главной для человечества. Начиная с приготовления пищи до освещения помещений и их обогрева. С годами появились тепловые электростанции, преобразующие энергию огня в электрическую. Но в любом случае это был огонь. Сжигание нефти и газа – сжигание, а не что-то иное – опять-таки основано на использовании огня. Вопрос, а может ли цивилизация получать и запасать энергию, огня не используя, как бы даже не ставится.

Альтернатива электричеству

Человек, который первым понял, насколько универсально можно использовать в цивилизации электроэнергию (энергию электромагнитного поля), был абсолютным гением. К сожалению, нам неизвестно имя этого человека. История энергетики, как ни странно, во многом покрыта мраком. Кто сделал решающий вклад в развитие современной энергетики, во многом остается неясным. По-видимому, решающий прорыв был совершен венгерским физиком Теслой, умершем, кстати сказать, в нищете.

Однако использование электроэнергии имеет недостатки, главный из которых – электроэнергию нельзя запасать, как, например, уголь. Напротив: в углеводородах энергия может храниться многие миллионы лет. Создание аккумуляторов, даже таких, которые позволяли бы всего-навсего двигаться автомобилю, является проблематичным. Тем более проблематично запасти электроэнергию достаточную, чтобы, скажем, автономно в течение года обогревать дом: такие проблемы даже не ставятся.

Является ли электроэнергия универсальным видом, который должен обеспечивать стратегическое существование человечества в будущем? В значительной мере наверняка это так. Но не во всем. Электроэнергию в больших объемах необходимо потреблять сразу – что является существенным недостатком. Есть ли альтернатива электроэнергии как универсальному ее виду, обеспечивающему энергией цивилизацию? Безусловно.

На земле существует универсальное преобразование энергии, кардинально отличающееся от всех ее видов использования человеком сегодня. В живой природе принципы получения, преобразования и использования энергии абсолютно иные. Они основаны на химических реакциях. Начиная с поглощения кванта света в процессе, именуемом фотосинтезом. При этом суммарное количество энергии, производимой фотосинтезом на земле, превышает мощность всех электростанций во много раз. С помощью биохимических процессов in vivo осуществляется все или почти все, что сегодня делает человек. В результате процессов, которые называют биохимическими, живые существа двигаются, видят, слышат, мыслят, наконец.

Для осуществления всего этого в живой природе имеется одно универсальное топливо – глюкоза. Производные глюкозы, и только они (или, чтобы на всякий случай быть более аккуратным: почти только они), обеспечивают энергетику всех видов растений и животных вот уже на протяжении 4 млрд. лет. Универсальность и постоянство, которые поражают! И заставляют задуматься: а нельзя ли на тех же принципах, на которых энергетика существует in vivo, построить и энергетику, используемую человечеством?

Электрохимия живого

Современная техногенная цивилизация получает, хранит, распределяет и утилизирует энергию абсолютно не так, как эти процессы осуществляются в живой природе. Оценки показывают, что энергопотребление в биоценозе на порядки (как минимум в 10 раз) превышает энергию, утилизируемую человечеством при сжигании природных энергоносителей (нефти, газа и угля). При этом не только отдельные организмы, но и биоценоз в целом находятся в глобальном балансе с природой.

Универсальным первичным источником энергии в мире живого является солнце. Поглощение квантов света осуществляется в фотосинтезе, в результате которого синтезируется глюкоза. Для длительного хранения энергии глюкоза преобразуется в свои производные: в растениях в ветвящуюся (дендримерную) молекулу альфа-глюкозы (крахмал), у животных в дендример альфа-глюкозы – гликоген. Кроме того, стволы и ветки деревьев более чем наполовину по массе состоят из линейной формы бета-глюкозы – целлюлозы.

Крахмал накапливается в клетках растений. Эти молекулы образуют запас питательных веществ, в то время как молекулы мономеров глюкозы не откладываются про запас, а либо преобразуются в полимерные (линейную целлюлозу, или дендримерную – крахмал и гликоген) формы, либо быстро расходуются. Крахмал содержится в больших количествах во всех зерновых злаках, а также в картофеле. В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала. Общая масса крахмала, синтезируемого в течение года in vivo, оценивается в сотни миллиардов тонн.

Гликоген – главная форма запасания углеводов у животных. Гликоген – полисахарид, откладывающийся в виде гранул в цитоплазме клеток и расщепляющийся до глюкозы при недостатке ее в организме. Гликоген запасается больше всего в печени (до 6% от массы печени) и в мышцах (порядка 1% массы мышц).

Целлюлоза – это клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы – свыше 10 000 звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жесткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра.

Целлюлоза, крахмал и гликоген имеют одинаковую химическую формулу (C6H10O5)n. Однако физические и биологические свойства их существенно отличаются. В организмах они утилизируются разными ферментами.

Гликолиз, цикл Кребса и Хемиосмосис

Согласно современным воззрениям, утилизация энергии, запасенной в углевородах, осуществляется в три этапа, каждый последующий из которых осуществляется только как результат предыдущего.

Гликолиз – анаэробное превращение глюкозы в пируват, в результате которого производится ATP.

Аэробный процесс окислительного фосфорилирования (также называемый циклом Кребса), сопряженный с конечным продуктом гликолиза, пируватом, путем его окисления. На этом этапе производятся дополнительные молекулы ATФ и, кроме того, NADH, являющийся универсальным переносчиком электронов в клетке (а также FADH2).

Хемиосмосис (chemiosmosis), происходящий в мембранах митохондрий, контролируется несколькими ферментами при участии NADH и FADH2, приводит к образованию дополнительных молекул ATФ.

В результате этих трех процессов из одной молекулы глюкозы производится до 38 молекул АТФ.

ATФ богата энергией потому, что содержит две фосфоводородные связи. Когда эти связи рвутся, освобождается энергия, которая может использоваться в метаболизме. Энергия гидролиза одного фосфата освобождает 30 кДж/моль, разрыв второго фосфата освобождает еще 30 кДж/моль.

АТФ постоянно потребляется организмом. За сутки в организме человека потребляется примерно 40 кг ATФ, в то время как общая масса ATФ в организме человека порядка 50 г. ATФ никогда не хранится долго: за сутки она может совершить сотни и даже тысячи циклов. При усиленной работе расход ATФ составляет до 500 г/мин. Суммарная масса произведенного в организме ATФ за сутки может в несколько раз превысить массу животного, хотя в каждый момент времени в организме этого универсального энергетического вещества имеется в сотни или даже тысячи раз меньше этой величины.

По типу функционирования пара ATФ–AДФ – это двухтактный молекулярный двигатель, который после каждого цикла возвращается в исходное состояние. Фундаментальное отличие двигателей in vivo от двигателей внутреннего сгорания или турбин состоит в том, что они: а) работают при температуре среды, б) с контролем за функционированием каждой молекулы, в) безотходно и г) намного более эффективно и экономно.

Глюконика как индустрия

В мире живого энергетика состыкована с множеством процессов, обеспечивающих жизнедеятельность.

В то время как поколения технологий в ключевых областях промышленности в начале XXI века сменяются каждые несколько лет, живая природа исключительно консервативна. Одни и те же биологические механизмы, раз созданные, функционируют практически без изменений во всех организмах миллиарды лет. Фотосинтез, гликолиз, цикл Кребса, хемиосмосис и работа мышцы являются неизменными универсальными механизмами.

Можно ли создать двигатели, работающие по тому же принципу, что и мышцы? Бесспорно. Непреодолимых технологических трудностей нет. Название новой области энергетики – глюконика – представляется наиболее правильным и естественным. Даже если для этого потребуется (условно говоря) 100 млрд. долл. и 20 лет международных усилий, они окупятся. Так как мышцы функционируют: а) при комнатной температуре, б) исключительно эффективно и в) находясь в балансе с природой, не выбрасывая в атмосферу – и организм – никаких отходов вообще!

То же относится ко множеству других механизмов в живой природе, в которых используется универсальное топливо: глюкоза и ее производные.

Само собой разумеется, глюконика – комплексная проблема. Подобно тому, как для развития электроэнергетики необходимо было создать целый ряд связанных друг с другом систем (генераторов, электромоторов, энергосетей, передающих энергию на большие расстояния, электростанций, трансформаторов и так далее), для создания глюконики как индустрии также необходимо будет создать целый ряд технологий, первое поколение которых должно быть завершено более или менее одновременно. Вот некоторые из них.

1. Получение глюкозы с помощью фотосинтеза не представляет проблем, так как на земном шаре в растениях и в фотопланктоне производятся десятки тысяч тонн глюкозы в секунду.

2. Перевод глюкозы в формы, способные сохраняться длительное время и удобные к перевозке или перемещению по глюкопроводам. Такими формами могут быть гликоген, крахмал и другие производные глюкозы. При этом целесообразно использовать ферментативные процессы, существующие в природе.

3. Утилизация глюкозы, ее разложение до ATP и NADH. Эти процессы, происходящие в митохондриях, а также в цикле Кребса и хемиосмосисе, необходимо выделить в отдельный процесс.

4. «Стыковка» полученной в результате разложения глюкозы энергии с технологиями. Прежде всего такими технологиями должны быть превращение химической энергии глюкозы и продуктов ее разложения в механическую и электрическую энергии.

В природе такие процессы известны. Мышца преобразует энергию, запасенную в гликогене, в механическую энергию. Электрический скат преобразует энергию глюкозы – универсального топлива in vivo – в электроэнергию. Возможны и другие формы стыковки, аналогичные тем, которые используются в живой природе. Например, превращение энергии глюкозы в цветовые картины и гаммы осуществляется в организме хамелеона. Восприятие зрительных сигналов происходит в глазу. И так далее.

Глобальная наноэнергетика

Особый интерес представляет стыковка гликолитической энергетики с нанотехнологиями. В случае, если такая стыковка будет осуществлена, молекулы, обеспечивающие снабжение энергией, и механизмы утилизации энергии будут иметь одинаковые масштабы – нанометры. Это само по себе открывает колоссальные перспективы для технологий. Особенно с учетом того, что эти механизмы функционируют в живой природе исключительно эффективно.

Обычно под глобальной энергетикой понимают создание электростанций, имеющих колоссальные мощности. Премия «Глобальная энергия» вручается за физические принципы, ведущие к производству очень больших мощностей в результате того или иного физического процесса. Однако такое понимание глобальной энергетики представляется неоправданно узким.

Фотосинтез является не менее глобальным энергетическим механизмом на земле, чем процессы, обеспечивающие функционирование электростанций. Мощность, производимая в результате поглощения одним квантом света, действительно очень мала. Однако триллионы тонн фитопланктона и десятки миллиардов тонн растений осуществляют процесс фотосинтеза колоссальное число раз одновременно, производя мощности, превышающие утилизируемые человеком сегодня во много раз.

Создание индустрии глюконики, предлагаемое в настоящей статье, есть не что иное, как использование уже существующих механизмов запасания энергии in vivo в технике. Поэтому в перспективе глюконика является ничуть не менее глобальной энергетикой, чем атомные, тепловые и гидроэлектростанции, по всем показателям.

Переход цивилизации к способам генерации и преобразования энергии, подобным тем, которые осуществляются in vivo, является естественным. Более того – в стратегической перспективе неизбежным. Такому переходу просто нет разумной альтернативы.

Симбиоз с мертвой природой

Само собой разумеется, создание глюконики потребует значительных финансовых средств и скоординированных усилий всего интеллектуального человечества. Перевод энергетики на глюконику – с использованием глюкозы и ее производных в качестве универсального топлива – может занять 20 и более лет. Перевод технологий на принципы, подобные тем, которые используются в живой природе, может потребовать и большее время, но тоже в масштабах не веков, а десятилетий.

Однако такие усилия человечества и финансовые затраты окупятся сторицей. Потому что после этого техногенная цивилизация сможет развиваться и существовать, находясь в гармонии с природой.

Между технологиями нашего времени и природой существует антагонизм, в то время как между живой и неживой природой – симбиоз. Слово «симбиоз» принято употреблять только для описания взаимодействия между живыми организмами. Между тем использование этого термина для описания взаимодействия биоценоза с natura morta (мертвой природой) совершенно оправданно.

Жизнь вписана в неживую природу. Она не только находится в балансе с неорганическим миром, но и в значительной мере влияет на его стационарное состояние, установившееся на протяжении ни много ни мало 4 млрд. лет! Если бы жизнь исчезла, состав атмосферы изменился бы очень быстро, а с ним и климат, и температурный баланс, и многие другие характеристики нашей планеты, настроенной как тончайший прибор. Тогда изменения климата, происходящие ныне, по сравнению с катаклизмами, которые произошли бы при полном исчезновении биосферы, показались бы незначительными флуктуациями.

Ключевым элементом перехода от антагонизма между техногенной цивилизацией и природой к гармонии между ними является создание глюконики. Это несравненно более перспективно и реально, чем, скажем, водородная энергетика. На нее было потрачено более 10 млрд. долл. – и почти совершенно впустую: не случайно финансирование, выделяемое на эту отрасль, которая якобы придет на смену нефти и газу, – идеология, широко разрекламированная в конце XX века, – повсеместно сворачивается.

В том, что касается глюконики, ситуация совершенно иная, потому что эффективность ее использования доказана жизнью в самом буквальном значении этого слова из всех возможных. Глюконика – это энергетика будущего человечества, так же как она является универсальной системой генерации, хранения и использования энергии в живой природе.

Использование в качестве универсального топлива глюкозы абсолютно необходимо для того, чтобы техногенная цивилизация существовала тысячи, а возможно, и миллионы лет, а не вымерла от нарастающего с каждым годом дисбаланса с природой. Глюконике как универсальной энергетике цивилизации нет долговременной альтернативы. Она будет создана. Таково мое абсолютное убеждение.

Нью-Йорк

============================================================ 
 
 
 
 
 
ГЛЮКОНИКА - ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО

  МАГАРШАК Ю.Б.1 
1 MathTech, Inc


ЖУРНАЛ:
 
 
ЭНЕРГИЯ: ЭКОНОМИКА, ТЕХНИКА, ЭКОЛОГИЯ 
Издательство: Федеральное государственное унитарное предприятие "Академический научно-издательский, производственно-полиграфический и книгораспространительский центр "Наука"(Москва) 
ISSN: 0233-3619

==========================================================

 
 ===============================================
 САЙТ НОВЫЕ ЖУРНАЛЫ: 

Новые журналы - ноябрь_1_2017 г.

ГЛЮКОНИКА - ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО/ Магаршак Ю.Б. – С. 62-66
 
===============================================================
 
научная универсальная публичная библиотека им.И.А.Бунина

    Магаршак, Ю. Б. 
    Глюконика - энергетика будущего [Текст] / Ю. Б. Магаршак // Энергия: экономика, техника. - 2017. - N 9. - С. 62-66ББК 31
Рубрики: Энергетика--Альтернативная энергетика
Кл.слова (ненормированные): 
ГЛЮКОЛИТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА -- НАНОТЕХНОЛОГИИ -- ГЛЮКОЗА
============================================
 

Silicon versus carbon : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyre and Ashok K. VaseashtaNATO Advanced Research Workshop on Environmental and Biological Risks of Hybrid Organic-Silicon Nanodevices Saint Petersburg, Russia) (2008 :

User activity

Share to:
    
  • alt="Silicon versus carbon : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyre and Ashok K. Vaseashta" onload="if (this.naturalWidth > 10 && this.naturalHeight > 10)$(this).removeClass('hide');"class="hide coverArtImage" />
  • Silicon versus carbon : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyre and Ashok K. Vaseashta
  • Silicon versus carbon : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyre and Ashok K. Vaseashta

4 editions of this work 

Find a specific edition
Thumbnail[View as table][View as grid] Title, Author, Edition Date Language Format Libraries[Sorted decending]
Silicon versus carbon : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyre and Ashok K. Vaseashta [Matching item]Silicon versus carbon : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyre and Ashok K. Vaseashta.
Dordrecht : Springer, - NATO science for peace and security series. Series B, Physics and biophysics. 
416 pages
2009 English Book; Illustrated 2 & Possibly online
  [Matching item]Silicon Versus Carbon [electronic resource].
Dordrecht : Springer, - NATO Science for Peace and Security Series 
1 online resource (426 p.)
2009 English Book Possibly online
  [Matching item]Silicon versus carbon [electronic resource] : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyre and Ashok K. Vaseashta.
Dordrecht : Springer, - NATO science for peace and security series. Series B, Physics and biophysics. 
1 online resource (xiv, 416 p.) : ill.
2009 English Conference Proceedings Possibly online
Silicon versus carbon : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyre and Ashok K. Vaseashta [Matching item]Silicon versus carbon : fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment / edited by Yuri Magarshak, Sergey Kozyrev and Ashok K. Vaseashta.
Dordrecht : Springer, - NATO science for peace and security series B: physics and biophysics 
416 pages
 
 
 
 
 
 
Время новостей    Время новостей
 
 
 
  • /  21.04.2010
  • Юрий Магаршак
Навстречу глюконике
Человечество может создать принципиально новую энергетику

Всем известна легенда о Прометее, похитившем небесный огонь и давшем его людям. С тех пор на протяжении тысяч лет энергия огня являлась главной для человечества. Начиная с приготовления пищи до освещения помещений и их обогрева. С годами появились тепловые электростанции, преобразующие энергию огня в электрическую. Но в любом случае это был огонь. Сжигание нефти и газа опять-таки основано на использовании огня.

Альтернативные сжиганию топлива виды энергетики также мало-помалу развивались. Энергия падающей воды использовалась на мельницах, затем -- на гидроэлектростанциях. Универсальность форм энергии и тот поразительный (если задуматься) факт, что энергия (в отличие от трехмерного пространства и четырехмерного пространства-времени) одномерна, позволяют превращать одни виды энергии в другие. Люди, которые первыми поняли, насколько универсально можно использовать в цивилизации электроэнергию (выражаясь точнее, энергию электромагнитного поля), были абсолютными гениями.

Однако использование электроэнергии имеет недостатки. Главный -- электроэнергию нельзя запасать, как, например, уголь. Напротив, в углеводородах энергия может храниться многие миллионы лет. Создание аккумуляторов, даже таких, которые позволяли всего-навсего двигаться автомобилю, является проблематичным. Тем более проблематично запасти электроэнергию, достаточную, чтобы, скажем, автономно в течение года обогревать дом: такие проблемы даже не ставятся.

Является ли электроэнергия универсальным видом, который должен обеспечивать стратегическое существование человечества в будущем? В значительной мере наверняка это так. Но не во всем. Электроэнергию в больших объемах необходимо потреблять сразу, а это существенный недостаток. Есть ли альтернатива электроэнергии как универсальному виду, обеспечивающему энергией цивилизацию? Безусловно.

На земле существует универсальное преобразование энергии, кардинально отличающееся от всех видов ее использования человеком сегодня. В живой природе принципы получения, преобразования и использования энергии абсолютно иные. Они основаны на химических реакциях. Начиная с поглощения кванта света в процессе, именуемом фотосинтезом. При этом суммарное количество энергии, производимой фотосинтезом на Земле, превышает мощность всех электростанций во много раз. С помощью биохимических процессов осуществляется все или почти все, что сегодня делает человек. В результате процессов, которые называют биохимическими, живые существа двигаются, видят, слышат, мыслят, наконец. Для осуществления всего этого в живой природе есть одно универсальное топливо -- глюкоза. Производные глюкозы и только они (или, говоря более аккуратно, почти только они) обеспечивают энергетику всех видов растений и животных вот уже на протяжении 4 млрд лет. Универсальность и постоянство, которые поражают. И заставляют задуматься: а нельзя ли на тех же принципах, на которых энергетика существует в природе, построить и энергетику, используемую человечеством?

Я уверен, что можно. Было бы разумно использовать в качестве универсального топлива то же самое химическое вещество, которое обеспечивает функционирование всех форм жизни: глюкозу и ее производные.

Есть ли у цивилизации какой-либо иной путь? В 2004 году была выдвинута концепция альтервитальной цивилизации (от латинского altera vitae, другая жизнь). Был поставлен общий вопрос: возможна ли цивилизация, которая не нарушала бы баланса биоценоза с неживой природой и была бы полностью или почти полностью безотходной? На этот важнейший стратегический вопрос в принципе был дан положительный ответ. В настоящей заметке внимание обращено на один из ключевых элементов альтервитальной цивилизации: альтервитальную энергетику, то есть такую, которая устроена подобно энергетике в живой природе.

Современная техногенная цивилизация получает, хранит, распределяет и утилизирует энергию абсолютно не так, как эти процессы осуществляются в живой природе. Оценки показывают, что энергопотребление в биоценозе на порядки (как минимум в десять раз) превышает энергию, утилизируемую человечеством при сжигании природных энергоносителей (нефти, газа и угля). При этом не только отдельные организмы, но и биоценоз в целом находятся в глобальном балансе с природой.

Можно ли построить энергосистемы человечества по аналогии с тем, как это осуществляется в мире живого? А если да, каким образом это удастся сделать?

Универсальным первичным источником энергии в мире живого является Солнце. Поглощение квантов света осуществляется в фотосинтезе, в результате которого синтезируется глюкоза, являющаяся универсальным биологическим топливом. Для длительного хранения энергии глюкоза преобразуется в свои производные: в растениях в ветвящуюся (дендримерную) молекулу альфа-глюкозы крахмал, у животных в дендример альфа-глюкозы -- гликоген. Кроме того, стволы и ветки деревьев более чем наполовину по массе состоят из линейной формы бета-глюкозы -- целлюлозы. В дендримерных формах глюкозы при утилизации энергии от молекулы по одной отщепляются замыкающие ветви звенья. Это позволяет делать процесс утилизации энергии в природе универсальным и контролируемым на молекулярном уровне.

Крахмал накапливается в клетках растений. Эти молекулы образуют запас питательных веществ, в то время как молекулы мономеров глюкозы не откладываются про запас, а либо преобразуются в полимерные формы (линейную -- целлюлоза или дендримерную -- крахмал и гликоген), либо быстро расходуются. Крахмал содержится в больших количествах во всех зерновых злаках -- пшенице, рисе, ячмене и т.д., а также в картофеле. В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала. Общая масса крахмала, синтезируемого в течение года природой, оценивается в сотни миллиардов тонн.

Гликоген -- главная форма запасания углеводов у животных. Гликоген -- полисахарид, откладывающийся в виде гранул в цитоплазме клеток и расщепляющийся до глюкозы при недостатке ее в организме. Гликоген запасается больше всего в печени (до 6% от массы печени) и в мышцах (порядка 1% массы мышц).

Целлюлоза -- это клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы -- свыше 10 тыс. звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жесткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра.

Целлюлоза, крахмал и гликоген имеют одинаковую химическую формулу (C6H10O5)n. Однако физические и биологические свойства их существенно отличаются. В организмах они утилизируются разными ферментами.

Согласно современным воззрениям, утилизация энергии, запасенной в углеводородах, происходит в три этапа, каждый последующий из которых осуществляется только как результат предыдущего.

1) Гликолиз: анаэробное превращение глюкозы в пируват (пировиноградную кислоту), в результате которого производится ATP.

2) Аэробный процесс окислительного фосфорилирования (также называемый циклом Кребса), сопряженный с конечным продуктом гликолиза пируватом путем его окисления.

3) Хемиосмосис (chemiosmosis), происходящий в мембранах митохондрий, контролируется несколькими ферментами и приводит к образованию дополнительных молекул ATP.

В результате этих трех процессов из одной молекулы глюкозы производится до 38 молекул ATP.

Пара аденозинтрифосфат-аденозиндифосфан является "молекулярным шаттлом". ATP богата энергией потому, что содержит две фосфоводородные связи. Когда эти связи рвутся, освобождается свободная энергия, которая может использоваться в метаболизме.

ATP постоянно потребляется организмом. За сутки в организме человека потребляется примерно 40 кг ATP, в то время как общая масса ATP в организме человека порядка 50 г. ATP никогда не хранится долго: за сутки она может совершить сотни и даже тысячи циклов. При усиленной работе расход ATP составляет до 500 г в минуту. Суммарная масса произведенного в организме ATP за сутки может в несколько раз превысить массу животного, хотя в каждый момент времени в организме этого универсального энергетического вещества имеется в сотни или даже тысячи раз меньше этой величины. По типу функционирования пара ATP--ADP, является двухтактным молекулярным двигателем, который после каждого цикла возвращается в исходное состояние. Фундаментальное отличие двигателей на природной энергии от двигателей внутреннего сгорания или турбин состоит в том, что они работают при температуре среды, с контролем за функционированием каждой молекулы, безотходны, намного более эффективны и экономны.

В мире живого энергетика состыкована с множеством процессов, обеспечивающих жизнедеятельность. Тесные рамки статьи дают возможность остановиться лишь на каком-либо одном из них, да и то лапидарно. В качестве такого примера в самых общих чертах рассмотрим, каким образом с глюконикой состыковано функционирование мышц -- универсального механизма, используемого многоклеточными организмами для превращения химической энергии в механическую. Мышцы состоят из актиновых (тонких) и миозиновых (толстых) нитей, состоящих в свою очередь из мономеров, сгруппированных в кластеры. В результате множественных повторений цикла, осуществляемого при участии пары ATФ--АДФ (продуктов энзиматического разложения глюкозы) в каждом из кластеров, в которые сгруппированы мономеры актина и миозина, происходит сокращение мышцы.

Если бы удалось построить двигатель, работающий подобно мышце (безотходно, при температуре близкой к температуре среды и исключительно эффективно), это было бы колоссальным стратегическим достижением цивилизации. То же касается каждого из множества других состыкованных с глюкозой в качестве универсального биологического топлива процессов, обеспечивающих зрение, слух, осязание, пищеварение, работу сердца, функционирование мозга и множество других функций.

В то время как поколения технологий в ключевых областях промышленности в начале ХХI века сменяются каждые несколько лет, живая природа исключительно консервативна. Одни и те же биологические механизмы, раз созданные, функционируют практически без изменений во всех организмах (количество видов которых на земле исчисляется миллионами) в течение миллиардов лет. Фотосинтез, гликолиз, цикл Кребса, хемиосмосиз и работа мышцы являются неизменными универсальными механизмами.

Можно ли создать двигатели, работающие по тому же принципу, что и мышцы? Бесспорно. Даже если для этого потребуется (условно говоря) 100 млрд долл. и 20 лет международных усилий, они окупятся. Так как мышцы функционируют при комнатной температуре, исключительно эффективно и находясь в балансе с природой, не выбрасывая в атмосферу -- и организм -- никаких отходов вообще!

То же относится к множеству других механизмов в живой природе, в которых используется универсальное топливо: глюкоза и ее производные.

Возможно ли в цивилизации создание энергетики, основанной на тех же принципах, что и энергетика в живой природе, с использованием универсального топлива -- глюкозы? Детальный анализ этой проблемы с участием экспертов в различных областях знаний (обсуждение результатов которого далеко выходит за рамки газетной статьи) показал, что это безусловно возможно. Непреодолимых технологических трудностей нет. Название новой области энергетики -- глюконика -- представляется наиболее правильным и естественным.

Само собой разумеется, глюконика -- комплексная проблема. Подобно тому, как для развития электроэнергетики необходимо было создать целый рад связанных друг с другом систем (генераторов, электромоторов, энергосетей, передающих энергию на большие расстояния, электростанций, трансформаторов и так далее), для создания глюконики как индустрии также необходимо будет создать целый ряд технологий, первое поколение которых должно быть завершено более или менее одновременно.

1) Получение глюкозы с помощью фотосинтеза не представляет проблем, так как на земном шаре в растениях и в фотопланктоне производятся десятки тысяч тонн глюкозы в секунду.

2) Перевод глюкозы в формы, способные сохраняться длительное время и удобные к перевозке или перемещению по глюкопроводам. Такими формами могут быть гликоген, крахмал и другие производные глюкозы. При этом целесообразно использовать ферментативные процессы, существующие в природе.

3) Утилизация глюкозы, ее разложение. Эти процессы, происходящие в митохондриях, а также в цикле Кребса и хемиосмосисе, необходимо выделить в отдельный процесс.

4) Состыковка полученной в результате разложения глюкозы энергии с технологиями. Прежде всего такими технологиями должны быть превращение химической энергии глюкозы и продуктов ее разложения в механическую и электрическую энергии. В природе такие процессы известны. Мышца преобразует энергию, запасенную в гликогене, в механическую энергию. Электрический скат преобразует энергию глюкозы в электроэнергию. Возможны и другие формы стыковки, аналогичные тем, которые используются в живой природе. Например, превращение энергии глюкозы в цветовые картины и гаммы осуществляется в организме хамелеона. Восприятие зрительных сигналов происходит в глазу. И так далее.

Особый интерес представляет стыковка гликолитической энергетики с нанотехнологиями. В случае если такая стыковка будет осуществлена, молекулы, обеспечивающие снабжение энергией, и механизмы утилизации энергии будут иметь одинаковые масштабы -- нанометры. Что само по себе открывает колоссальные перспективы для технологий. Особенно с учетом того, что эти механизмы функционируют в живой природе исключительно эффективно.

Глюконика может стать и частью глобальной энергетики. Обычно под глобальной энергетикой понимают создание электростанций, имеющих колоссальные мощности. Однако такое понимание глобальной энергетики представляется неоправданно узким. Фотосинтез является не менее глобальным энергетическим механизмом на Земле, чем процессы, обеспечивающие функционирование электростанций. Мощность, производимая в результате поглощения одним квантом света, действительно очень мала. Однако триллионы тонн фитопланктона и десятки миллиарды тонн растений осуществляют процесс фотосинтеза колоссальное число раз одновременно, производя мощности, превышающие утилизируемые человеком сегодня во много раз.

Создание индустрии глюконики, предлагаемое в настоящей статье, есть не что иное, как использование в технике уже существующих в природе механизмов запасания энергии. Поэтому в перспективе глюконика является ничуть не менее глобальной энергетикой, чем атомные, тепловые и гидроэлектростанции, по всем показателям.

Переход цивилизации к способам генерации и преобразования энергии, подобным тем, которые осуществляются в природе, является естественным. Более того, в стратегической перспективе неизбежным. Такому переходу просто нет разумной альтернативы. Само собой разумеется, создание глюконики потребует значительных финансовых средств и когерентных усилий всего интеллектуального человечества. Перевод энергетики на глюконику (с использованием глюкозы и ее производных в качестве универсального топлива) может занять 20 и более лет. Перевод технологий на принципы подобные тем, которые используются в живой природе, может потребовать и большее время, но тоже в масштабах не веков, а десятилетий. Однако такие солидарные усилия человечества и финансовые затраты окупятся сторицей. Потому что после этого техногенная цивилизация сможет развиваться и существовать, находясь в гармонии с природой.

Между технологиями нашего времени и природой есть явный антагонизм, в то время как между живой и неживой природой сохраняется симбиоз. Слово «симбиоз» принято употреблять только для описания взаимодействия между живыми организмами. Между тем использование термина «симбиоз» для описания взаимодействия биоценоза с неживой природой совершенно оправданно. Жизнь вписана в неживую природу. Она не только находится в балансе с неорганическим миром, но и в значительной мере влияет на его стационарное состояние, установившееся на протяжении 4 млрд лет.

Если бы жизнь исчезла, состав атмосферы изменился бы очень быстро, а с ним климат, температурный баланс и многие другие характеристики нашей планеты, настроенной (если можно так выразиться) как тончайший прибор. Если бы жизнь на Земле исчезла, изменения климата, происходящие ныне, по сравнению с катаклизмами, которые бы произошли при полном исчезновении биосферы, показались бы незначительными флуктуациями.

Человечество должно научиться вписываться в природу. Существенным и, более того, ключевым элементом перехода от антагонизма между техногенной цивилизацией и природой к гармонии между ними является создание глюконики. Это несравненно более перспективно и реально чем, скажем, водородная энергетика (на которую было потрачено более 10 млрд долл. -- и почти совершенно впустую). Не случайно ассигнования, выделяемые на эту отрасль, которая якобы придет на смену нефти и газу, о чем много говорили в конце ХХ века, повсеместно сворачиваются.

В том, что касается глюконики, ситуация совершенно иная. Эффективность ее использования доказана жизнью в самом буквальном значении этого слова. Глюконика -- это энергетика будущего человечества, она является универсальной системой генерации, хранения и использования энергии в живой природе. Использование в качестве универсального топлива глюкозы абсолютно необходимо для того, чтобы техногенная цивилизация существовала тысячи, а возможно, и миллионы лет, а не вымерла от нарастающего с каждым годом дисбаланса с природой. Глюконике как универсальной энергетике цивилизации нет долговременной альтернативы. Она будет создана. Таково мое абсолютное убеждение.
Юрий МАГАРШАК, профессор


 

КАРТ-БЛАНШ. Безотходная цивилизация: взгляд культуролога

Игорь Яковенко

Об авторе: Игорь Григорьевич Яковенко – доктор философских наук, профессор МГУ и РГГУ.


экология, мусор, отходыФото Reuters

Статья профессора Юрия Магаршака потрясает и даже несколько подавляет масштабом проблемы, которая разворачивается перед читателем, и панорамой задач, вытекающих из данного концепта.

Возникает объяснимый вопрос: возможен ли такой поворот? История свидетельствует о печальной закономерности: человек использует традиционно освоенные технологии и переходит на новые чаще всего под давлением императивных обстоятельств. Бронза отступала перед железом на фоне военно-политического краха ранних империй, базировавшихся на бронзе. Кочевники доказывали эффективность железа стальными клинками. Типичный сценарий включения в догоняющую модернизацию – проигранная война и окончательное исчерпание возможностей жить по-старому.

В данном случае речь идет о глобальном качественном скачке, предполагающем преодоление огромной исторической инерции. Эта революция перечеркнет устойчивую иерархию стран внутри мировой экономики и затронет интересы миллионов людей. В их числе найдутся индивидуальные и коллективные субъекты, располагающие огромными ресурсами – финансовыми, организационными, пропагандистскими. Наконец военными, которые могут быть обращены против «империалистов», разоряющих традиционные отрасли нашего производства и навязывающих нам новые технологии. Ведь сотни миллионов людей ненавидят этот меняющийся мир и предпочтут скорее его гибель апокалиптическим в их глазах переменам.

Есть и еще одно соображение. Дело в том, что разные общества переживают разные стадии исторического развития. Причем стадиальная гетерогенность человечества постоянна. Понимание кризиса и необходимости перемен требует стадиальной зрелости общества, которую скорее всего можно ожидать в лидирующих странах. Для остальных – актуальными окажутся непреодолимые культурные и стадиальные барьеры.

Впрочем, есть и соображения позитивного характера. В известном смысле Homo sapiens как вид всегда переживает кризис, и перед ним маячит опасность исчезновения. Но до сих пор кризисы как-то разрешались. Если исходить из того, что человечество  закономерный феномен – а наше понимание именно таково, – то однажды описываемый переход произойдет.

В то же время история человечества не располагает к оптимизму. Есть основания полагать, что переход к безотходной цивилизации случится, когда часы будут показывать без пяти двенадцать, если не пять минут первого.

Та проблема, на которую указывает Магаршак, возникла как бы незаметно. Человечество шло по инерционному сценарию. По оценкам археологов, освоение огня произошло 400 тыс. лет назад. С тех пор человек извлекает накопленную в органических соединениях энергию, трансформируя ее в тепловую. Добыча полезных ископаемых насчитывает 6–8 тыс. лет. Металлургия насчитывает те же 6–8 тыс. лет.

Со второй половины XVIII века качественно изменился масштаб. Эти изменения принесла паровая машина, обеспечившая трансформацию тепла в механическую энергию вращения. С этого момента скачкообразно растет потребление железа и раскручивается технологическая спираль. Двигатель внутреннего сгорания, электропривод и остальные радости техногенной цивилизации возникали в рамках сложившегося тренда. Масштаб деструктивного воздействия на среду скачкообразно возрос. Разбалансированный рост населения земного шара, последовавший за подавлением биологических регуляторов численности популяции, довершает картину дисбаланса.

Отметим, что человечество тысячелетиями обходилось мускульной силой человека, затем доместицированных животных, использовало энергию ветра и падающей воды. Когда же человек вышел на другие источники энергии, уровень энерговооруженности вырос на порядки, и эта ситуация стала существенным, если не решающим, фактором разрушения природного баланса.

Вообще говоря, сначала возникают некоторые реалии, и только потом происходит называние и осознание этих реалий, формируется отношение к ним. Это нормально. Часть данного процесса мы уже прошли. Проблема экологического кризиса звучит с 60-х годов прошлого века. Драматические проблемы демографии также давно обозначены. Глобальное моделирование, развенчание технократического мифа об экономическом росте как эффективном средстве решения всех проблем пришлось на 70–90-е годы. Наконец, понимание того, что в рамках устойчивой парадигмы развития человечество идет в тупик, постепенно захватывает общественное внимание.

Однако люди включены в «злобу дня», принадлежат обреченной культуре экстенсивного бытия и воспринимают предостережения как привычный апокалиптический фон своего существования. Мир рухнет через 30–40 лет, а машину поменять и слетать на Багамы надо в текущем году. Это тоже нормально.

Вначале проблема осознается экспертным сообществом, потом попадает в сферу общественного внимания. Постепенно формируется критическая масса осознанных аргументов в пользу перемен. И критическая масса субъектного слоя общества, готового обсуждать реальную стратегию выхода из тупика и способного принять те изменения в образе жизни, культуре, экономике, которые последуют за сменой исторической парадигмы нашего бытия.

Все эти вещи надо обсуждать и моделировать, подвигая общество от слов к делу: финансированию, разработкам, внедрению обкатки и доводки. А далее – исследовать складывающуюся реальность и примерять ее к современному человеку.

=====================================================
 

 

Невское Время

Глюконика – энергетика будущего

05 июня 2013
https://nvspb.ru/2010/06/05/glyukonika-energetika-budushchego-42624

Современная энергетика – это использование природных ресурсов в интересах цивилизации, но в ущерб самой природе. И чем дальше, тем масштаб этого ущерба все катастрофичнее. Поэтому будущее за глюконикой – энергетикой, которая работает по природным законам.

Нефть из скважины, находящейся в Мексиканском заливе на полуторакилометровой глубине, хлынула 22 апреля. Эта авария напоминает древнегреческий миф о сторуких великанах гекатонхейрах. Они вышли из-под земли, наводя ужас на все живое. И только благодаря общим усилиям титанов эту неуемную силу удалось загнать обратно под землю. Ассоциация вполне оправданная. Огромное нефтяное пятно у берегов США сразу было признано катастрофой регионального масштаба. Но может превратиться и в глобальную.

Даже если оценить запасы нефти в этом одном небольшом подводном месторождении по самому скромному варианту, в сто тысяч тонн, – при неконтролируемом разливе мономолекулярная нефтяная пленка способна покрыть весь Мировой океан. Большие нефтяные пятна нарушают обмен кислорода, необходимого для жизни рыб, и углекислого газа, необходимого для существования фитопланктона. А сверхбольшие пятна способны резко изменить климат и состав атмосферы нашей планеты. Разумеется, при профессиональном моделировании нельзя будет не учесть влияние разрывающих пленки волн и разложение нефти. Тем не менее последствия такого гипотетического – но отнюдь не невозможного – события могут оказаться ужасающими. Они соизмеримы с последствиями нынешнего изменения климата или применения ядерного оружия.

Спасибо матери-природе, которая создала столь прочное дно морей и океанов, что нефть не фонтанирует из земных глубин подобно гейзерам. Но человек и в этом нарушает законы природы: он прорубает скважины в дне на огромных глубинах, после чего под дном образуются огромные полости. И если нынче гекатонхейры вырвались наружу в Мексиканском заливе, то кто поручится, что завтра то же самое или в еще больших масштабах не произойдет и на других океанских и морских месторождениях?

Нынешняя энергетика, основанная на добыче полезных ископаемых, на наших глазах уже превратилась из экологической проблемы в проблему выживания всего живого на планете, в том числе и самого человечества. Поиск альтернативных источников энергии ведется сегодня энергично, но пока это скорее попытки нащупать возможности: термоядерная энергия, солнечная, ветряная, энергия приливов и отливов... Между тем несомненно одно – новая энергетика должна находиться в балансе с природой.

В этой связи, думаю, еще актуальнее пойти дальше – попытаться создать энергетику, подобную той, которая существует на нашей планете миллионы лет. Я имею в виду глюкозу, являющуюся универсальным биологическим топливом, и продукты ее ферментативного преобразования и разложения.

Для длительного хранения энергии глюкоза энзиматически преобразуется в ветвящиеся (дендримерные) формы – в растениях в крахмал, у животных в гликоген. И всюду эти формы имеют одинаковую химическую формулу (C6H10O5)n – такую же, как и линейный полимер целлюлоза, являющийся основой стволов и ветвей деревьев. Для утилизации энергии молекула глюкозы последовательно расщепляется в трех мультиферментативных процессах: глюколизе, цикле Кребса и хемиосмозисе, в результате чего из одной молекулы глюкозы, в частности, может быть произведено до 38 молекул универсального в живой природе энергетического продукта.

Основанная на глюкозе энергосистема в живых организмах состыкована с процессами, выполняющими множество функций, – движение мышц, переваривание пищи, восприятие звуков и изображений, работа мозга и т. д. Она функционирует при комнатных температурах, без горения, с обратимой утилизацией продуктов ферментативных процессов и с очень большой эффективностью. Биоэнергетика в мире живого в секунду вырабатывает, по разным оценкам, в 10–100 раз больше энергии, чем та, которую производит все человечество. Это связано с тем, что общая масса планктона измеряется в триллионах тонн, а нефти сжигается ежегодно лишь несколько миллиардов тонн. Если бы цивилизации удалось создать систему производства, хранения, транспортировки и утилизации энергии, подобную той, которая в течение четырех миллиардов лет существует в живой природе, это стало бы настоящей революцией в жизни человечества!

Исследования и разработки в этой сфере уже ведутся. Но они разрознены и финансируются совершенно неадекватно той грандиозной задаче, которую могла бы решить принципиально новая энергосистема – глюконика. Тут необходимы мощные государственные программы ведущих научных держав, объединенные в международные проекты.

На пути создания глюконики нет принципиальных научных или технологических препятствий – только политические и экономические. Потому что реализация такого замысла потребует очень больших денег. Тем не менее – в отличие от водородной энергетики или термояда, на которые в течение полувека уже потрачены десятки миллиардов долларов, и пока без какого-либо успеха, – глюконика абсолютно реальна. Она позволит человечеству решать энергетическую проблему от нано- до мегаватт, не создавая дисбаланса с природной средой.

 

Юрий Ма­гар­шак, пре­зи­дент Меж­ду­на­род­но­го ко­ми­те­та ин­тел­лек­ту­аль­но­го сотрудничества, про­фес­сор (США)
========================================================
 
 

Добавить комментарий

Добавить комментарий

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
Войдите в систему используя свою учетную запись на сайте:
Email: Пароль:

напомнить пароль

Регистрация