Czy z organizmów żywych  można uzyskać energię elektryczną? – pytam dr. hab. Piotra Bębasa, fizjologa zwierząt z Wydziału Biologii UW.

– Oczywiście – odpowiada dr Bębas. – Nawet z pojedynczych komórek. Wewnątrz organizmów występują znaczące różnice potencjałów związane z istnieniem półprzepuszczalnych błon biologicznych. Po jednej stronie wytwarza się potencjał dodatni, po drugiej ujemny. Dzieje się tak dzięki obecności tzw. pomp protonowych. Utrzymanie tych różnic potencjałów jest niezbędne do zachodzenia wielu procesów fizjologicznych: oczyszczania ustroju z produktów przemiany materii, wchłaniania strawionych pokarmów, a także dojrzewania komórek płciowych. Również przewodzenie sygnałów elektrycznych w komórkach nerwowych jest związane z gwałtownymi zmianami potencjałów między zewnętrzną i wewnętrzną stroną błony komórkowej. Różnice te, rzędu od 50 mV w świetle jelita  do nawet 150 mV w poprzek błony neuronu, mogą być podstawą generowania prądu elektrycznego. Oczywiście niewielkiego! 

Dziś jesteśmy w stanie generować prąd rzędu nanoamperów (prąd w  gniazdku elektrycznym liczymy w miliamperach, jednostkach milion razy większych). Te nanobioprądy w nas wystarczą, aby zaświeciła mała lampka: na przykład jeśli wbijemy elektrodę w jamę ciała owada, gdzie potencjał elektryczny jest równy 0 mV i do wnętrza cewki Malpighiego, czyli „owadziej nerki”, gdzie potencjał wynosi około 60 mV. Teoretycznie tak samo moglibyśmy postąpić z  neuronami w  naszym mózgu. 

Żywe ba(k)terie 

Naukowcy odnieśli już niemałe sukcesy w uzyskiwaniu energii z komórek organizmów żywych. Badacze z Waszyngtońskiego Uniwersytetu Stanowego wykorzystali różnice potencjałów powstające wzdłuż pnia drzew do stworzenia mikroogniwa napędzającego aparaturę monitorującą stan pogody. Inna grupa uczonych z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie zbudowała baterię ziemniaczaną. Podobny pomysł miała, również pochodząca z Izraela, firma Cygalle Shapiro. Tym razem energetycznym warzywem stał się pomidor. 

Jeszcze większą inwencją wykazali się naukowcy z Uniwersytetu Stanford. Wykorzystali oni mikroelektrody do „złapania” energii bezpośrednio z łańcucha przenośników białkowych, dzięki którym algi przeprowadzają fotosyntezę. Złote mikroelektrody zostały wbite do wnętrza tylakoidów (błoniastych, spłaszczonych woreczków biorących udział w fotosyntezie) w  komórkach sinic. Jedynym produktem ubocznym procesu są jony wodorowe oraz tlen, powstające normalnie w toku fotosyntezy. Uzyskany w ten sposób prąd można liczyć jedynie w  femtoamperach (jednostkach miliard razy mniejszych od płynących w  gniazdkach miliamperów). Tak potraktowane komórki po godzinie obumierają.

27 watów z osoby

Ale wróćmy do „Matriksa”. Zastanówmy się, czy człowiek byłby w ogóle efektywną elektrownią. Uniwersalną walutą metabolizmu jest wysokoenergetyczny związek chemiczny ATP (adenozynotrifosforan). Energia w organizmie jest przesyłana właśnie w ATP – produkujesz energię, zamieniasz ją na wiązanie w ATP, transportujesz dalej do miejsca, gdzie energia jest potrzebna i tam ATP się rozpada. Tak nasz organizm płaci za: przesłanie impulsu w nerwie, kurcz komórki mięśniowej, oczyszczenia organizmu z toksyn w komórce wątroby itp. Człowiek wytwarza w ciągu doby przeciętnie tyle ATP, ile sam waży. Rozkład mola ATP daje 15 kcal energii (przy stuprocentowej skuteczności reakcji, nigdy nieosiąganej). 

Zaczynam liczyć. Mężczyzna średniej budowy ciała wytwarza około 75 kg ATP na dobę (tyle, ile waży). 1 mol ATP waży 507 g, co daje około 150 moli ATP na dobę, czyli – nie uwzględniając strat cieplnych – około 2000 kcal energii. Tyle wytwarza „ludzka fabryka” każdego dnia. 

Teraz należy uwzględnić tzw. BMR (ang. basal metabolic rate), czyli ilość energii niezbędną człowiekowi do podtrzymania podstawowych funkcji życiowych w ciągu doby. Dla przeciętnej osoby o normalnej budowie ciała wynosi ona około 1280 kcal. Część z tej energii ulega rozproszeniu w trakcie zużywania (jedna trzecia energii z rozpadu ATP ucieka na zewnątrz w  postaci ciepła), czyli organizm w spoczynku zużywa około 1280x2/3 = 866,3 kcal. Stąd zysk energetyczny netto równa się 2000 – 866,6 kcal na dobę, czyli 1133,4 kcal.

Energia cieplna może być odzyskana na poziomie około 45 procent – jest to najwyższa sprawność przemiany energii cieplnej o wysokim stopniu nieuporządkowania na pracę, czyli energię użyteczną. Ostatecznie więc z naszego bilansu wychodzi: 510 kcal zysku energii netto na dobę. Po przeliczeniu: 27 watów. Czy to dużo?

Raczej niewiele! Dla porównania: elektrownia w Bełchatowie dysponuje mocą maksymalną 5354 MW. Trzeba by prawie 200 tysięcy ludzi-baterii, by wytworzyć podobną moc. 

Możemy więc oczekiwać, że człowiek będzie mógł swoją energią zasilać takie urządzenia jak operacyjnie wszczepione rozruszniki czy domowy sprzęt elektroniczny. Ale myślenie o zaspokajaniu w ten sposób potrzeb energetycznych świata jest mrzonką, utrzymuje dr hab. Maciej Geller z Zakładu Biofizyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego.

Istnieje jednak ważniejszy powód, dla którego wizja z „Matriksa” nie może się ziścić – mówi Geller. Otóż układ taki jak pokazany w filmie byłby tak zwanym perpetuum mobile I rodzaju, łamiącym I prawo termodynamiki. Co to oznacza?

Źródło, którego nie ma

Przede wszystkim, tłumaczy Geller, samo słowo „źródło” w odniesieniu do energii jest nieporozumieniem. „Źródło” sugeruje, że energia może skądś brać początek. Tymczasem we wszechświecie ilość energii jest skończona. 

 

Zmienia ona swój stan, przepływając od układu do układu, lecz dla każdego układu izolowanego jej suma jest stała. Człowiek jest  układem otwartym, bo bazuje na energii dostarczanej z zewnątrz. Życie, poza nielicznymi wyjątkami, bierze energię ze Słońca. Najpierw wiążą ją rośliny, dalej organizmy się nimi żywiące i tak dalej aż do bakterii, które rozkładają szczątki istot żywych. Elektrownią Ziemi jest więc nasza gwiazda, a my – żywe organizmy – jesteśmy jej klientami. Wyjątek stanowią pewne bakterie, które utleniają związki nieorganiczne i  w  ten sposób uzyskują energię potrzebną im do asymilacji dwutlenku węgla, głównego budulca żywej materii. Organizmy takie czerpią energię niejako z innego „kabla” niż reszta Stworzenia, z Ziemi, a nie ze Słońca – tłumaczy Piotr Bębas. Sytuacja opisana przez braci Wachowskich nie jest możliwa, bo w ich wizji energia krąży w zamkniętym układzie, żywi ludzie są skarmiani martwymi. Przy każdym przejściu z jednego poziomu troficznego na drugi, kiedy energia wchodzi do ustroju żywego organizmu, następuje utrata dwóch  trzecich energii na koszty metaboliczne oraz emisję ciepła. Ilość ludzi hodowanych przez maszyny musiałaby się zmniejszać z pokolenia na pokolenie. Chyba że ci ludzie byliby karmieni czymś spoza opisywanego układu. 

Człowiek ani żaden inny organizm nie będzie producentem energii, życie to raczej worek bez dna, do którego wrzuca energię dobroduszny Kosmos.