Развитие человечества и технический прогресс постоянно ускоряются, благодаря достижениям предыдущих поколений и системе передачи опыта — письменной и устной речи, сохранённой различными способами. Последние годы к этому набору прибавились и новые способы (фото, кино, видео и другие).
Тем не менее, как сказал в своё время Станислав Лем: «человечество ещё очень молодо, так как помнит авторов всех своих открытий...» — мы уже многое можем, многое понимаем, на многое имеем дерзость посягнуть…
Однако, каждый раз, когда на нас наваливается приступ гордости и хочется выпятить грудь, — стоит только обратиться к природе и её достижениям, как становится со всей очевидностью понятно, что мы даже не «копаемся в песочнице» — мы ещё даже не нашли свою песочницу!
Например, знали ли вы, что природа уже создала свой электрический двигатель, задолго до того, как люди открыли законы электричества и построили свой?!
И произошло это настолько давно, что людей даже не было на тот момент: учёные предполагают, что первый природный электрический двигатель появился примерно 3,5 млрд лет назад, в то время как до появления человека оставалось ещё примерно 3 млрд 499 млн 700 тыс лет!
Причём, это был уже самый настоящий роторный электрический двигатель!
Звучит удивительно, но факт остаётся фактом: самым распространённым в мире электрическим двигателем является не какой-нибудь асинхронный электродвигатель, а электрический жгутиковый двигатель бактерий!
Штука настолько потрясающая и совершенная, с реализацией множества изящных инженерных решений, что среди ряда учёных даже началась дискуссия и была выдвинута теория о «неснижаемой сложности», в рамках которой они подразумевают, что «существуют такие природные системы, которые никак не могли эволюционировать сами и должны были появиться только целиком и сразу (кем-то созданы?), чтобы их работа была вообще возможна».
Понятно, что в рамках научного подхода, таким заявлениям нет места, но сам факт их наличия, говорит о крайней примечательности объекта исследования…
Мы сейчас не будем разбирать все теории о происхождении этого двигателя, — вместо этого, мы погрузимся в его устройство, так как, пожалуй, это даже более увлекательное занятие: ведь теории — это только лишь предположения, а тут, что называется, упрямые факты, которые «прямо перед глазами» (и с этим придётся что то делать).
Посмотрим, как вам понравится эта машина...;-)
*Этот комментарий к заголовку статьи: научный подход подразумевает, что не существует абсолютной истины (равно, как и говоря о заголовке – ничего «совершенного») – любая истина всегда относительна, конкретна, привязана к месту, времени и личности её воспринимающей.
Однако, на данный момент, несмотря на прошедшие миллиарды лет с момента появления такого устройства — человечество не в состоянии искусственно воспроизводить такие машины (хотя некоторые отдельные компоненты пытаются делать, но этому всё равно пока что очень далеко до машины такого уровня, с её сложнейшей микромеханикой).
Поэтому, условно, для данного момента времени, рассматриваемый двигатель – вполне можно считать «совершенным».
Бактерии, представляют собой миниатюрные живые организмы, которые постоянно ищут более хорошие условия, содержащие больше питательных веществ, кислорода, света, меньше вредных примесей.
Познавательная страничка: длина бактерий, в среднем, составляет около 1-2 мкм – в 100-50 раз тоньше человеческого волоса. Однако, не все такие маленькие: есть настоящие гиганты, длиной аж в 1-2 см — Thiomargarita magnifica и видимые невооружённым глазом!
Для своего перемещения они используют весьма совершенную систему движения, представляющую собой, так называемый «жгутик» — непосредственный «манипулятор» бактерии, или, если хотите, «весло» — с помощью которого она и плавает, гребя в окружающем её «бульоне» (кроме Thiomargarita_magnifica — она не имеет своей системы перемещения).
Для приведения в движение этого «весла» служит специальное устройство — самый настоящий миниатюрный электрический двигатель, диаметром, примерно в 40-45 нм, который по своим характеристикам превосходит устройства, созданные человеком, а в целом, сборка из «весла» и «привода» называется «жгутиковым двигателем» (хотя здесь, наверное, корректнее, было бы назвать «движителем», так как мы говорим о всей сборке в целом), отличающийся удивительными характеристиками.
Начнём с того, что это единственный известный науке природный механизм, который может вращаться на 360°, неограниченное число оборотов!
Кроме него, никаких иных, природных, полностью роторных механизмов, — науке не известно!
Он отличается очень высокой эффективностью и точностью работы, позволяя бактерии тратить минимально возможное количество энергии для движения: двигатель потребляет всего лишь 0,1% энергии «бортовой электросети»!
Например, если провести аналогию, и предположить, что двигатель легкового автомобиля мог бы работать с такой же эффективностью, то ему хватило бы всего лишь 100 грамм бензина, чтобы проехать 100 км!
А запаса энергии на «борту» бактерии достаточно, чтобы проплыть 10000 длин своего тела на одной «заправке», при этом скорость перемещения составляет 10-15 длин тела в секунду (сразу прикидываем на автомобиль: со скоростью, примерно в 243 км/ч — на 100 граммах бензина на 100 км пути).
Обычно в научных статьях, которые описывают устройство и принцип действия этого двигателя, приводится множество довольно сложных схем, в которых бывает трудновато разобраться впервые знакомящемуся с этой темой, поэтому, перед тем как мы будем знакомиться с другими нюансами, предлагаю поступить проще: просто посмотреть одно хорошее видео, где, на мой взгляд, наилучшим образом, в самой доступной форме, объясняется принцип его работы и устройство (видео на английском, поэтому лучше воспользоваться известным браузером, где доступен синхронный голосовой русский перевод):
Как мы могли видеть в видео выше, у двигателя есть ротор и статор (как, собственно, и положено двигателю), где ротор может совершать вплоть до 1500 об/мин — например, ротор кишечной палочки вращается со скоростью в 600 об/мин, тогда как, например, у морской бактерии Vibrio Sphaeroides, может разгоняться и до 1500!
Здесь, к слову, есть один тонкий момент, который некоторые воспринимают как «обороты», знакомясь с литературой по теме, — что двигатель, якобы, может совершать «аж до 40-50 тыс. об/мин» — хотя это не так и сейчас мы поймём, что именно: с 1:52 в видео выше вы могли видеть, две, так называемые, «аспарагиновые» кислоты, выступающие в качестве двух «поршней», своеобразного «двухпоршневого двигателя» — именно их движение и приводит в действие шестерню на роторе — что и можно увидеть с 1:52.
Таким образом, действительно, некоторые детали этого двигателя, а конкретно, вот эти аспарагиновые кислоты (поршни) и совершают высокочастотные поступательные движения, частота которых действительно может доходить до 40-50 тыс. раз в минуту, в то время как сам вал вращается со скоростью «всего лишь» до 1500 об/мин (что всё равно поразительно, но тем не менее).
Ещё одна интересная деталь: таких пар «поршней» может быть много (у кишечной палочки: 8-11 «поршней», у Vibrio Alginolythics: 5-7; а у некоторых иных известных бактерий может доходить и до максимально известного числа в 16 штук), и, как вы могли догадаться, от их количества зависит и крутящий момент двигателя.
Каждый удар «поршня» поворачивает ротор на некоторый угол, например, у кишечной палочки он составляет около 14°, таким образом, полный поворот ротора требует примерно 26 «тактов» (если рассматривать в аналогичных двигателю внутреннего сгорания терминах).
Известно, что бактерия может задействовать их разное число, в зависимости от того, какой крутящий момент ей сейчас нужен — чем то это напоминает интеллектуальное подключение цилиндров, для увеличения тяги, которое реализовано в некоторых двигателях внутреннего сгорания современных автомобилей: с целью экономии топлива, постоянно зажигание работает только в некотором минимальном количестве цилиндров, тогда как остальные «молотят» впустую, без впрыска топлива и без зажигания; но, как только появляется потребность в большей тяге, — начинается включение и нужного числа цилиндров (и отключение ненужных, когда потребность в такой тяге пропала, соответственно)…
Например, известно, что для поддержания вращения, в условно «спокойном режиме», обычно задействуется 1-2 «поршня», при этом обороты двигателя поддерживаются в пределах до 100 об/мин.
На этом, чудеса не заканчиваются: ротор, раскрутившийся до максимальных для этого типа бактерии оборотов, может остановиться практически мгновенно: скажем, у кишечной палочки остановка ротора занимает 1-5 мс, тогда как у названной выше морской бактерии — 0,5 мс.
После чего, ротор может совершить реверс вращения в другую сторону, разогнавшись до максимальных оборотов за: у кишечной палочки — 1 мс, у Vibrio Sphaeroides — 0,5 мс.
Говоря о роторном движении, нельзя не упомянуть и то, как решён вопрос с трением, ведь понятно, что силы трения на таких оборотах будут немаленькими…
Как вы могли видеть в видео выше, на 3:48, — ротор жгутика вращается внутри специальных «подшипников» — L, P-колец, располагаясь на малом расстоянии от них, с зазором в 2-3 нм, что исключает биения, но, в то же время, даёт возможность ротору легко вращаться.
Трущиеся поверхности выполнены гладкими и постоянно смазываются, что увеличивает ресурс (в качестве смазки выступает слой воды между ротором и кольцами).
Кроме того, дополнительно, помимо слоя смазки, ротор подвешен в так называемом «электростатическом подшипнике» если его можно так назвать: кольца и ротор выполнены из материалов, которые заряжены отрицательно, а как известно из физики, — одинаковые заряды отталкиваются друг от друга; таким образом, ротор висит в невидимом электростатическом поле взаимного отталкивания зарядов, дополнительно смазываясь жидкой смазкой (вода).
И с этим связан очень любопытный момент, как работает передача крутящего момента со статора на ротор: в видео выше вы видели, что это реализовано с помощью «поршней» (белки MotA), которые крутят шестерню: вращение ротора реализовано с помощью «тянущего» принципа, а не «толкающего»: мы знаем, что двигатель работает за счёт потока протонов, который проходит через MotB.
Когда протон попадает в MotB — один из поршней (MotA) теряет свои обычные отталкивающие качества, приобретая противоположный заряд.
Это приводит к тому, что он активно притягивается к зубцу шестерни и подтягивает её к себе.
Далее, отработавший протон покидает MotB и поршень (MotA) восстанавливает свои отталкивающие свойства, «отлипая» от шестерни.
Далее цикл повторяется, но уже с другим поршнем, так как на одном MotB — висит 2 поршня (MotA). И так далее и тому подобное — миллионы раз и без отказа.
Вернее, отказ всё-таки возможен: мутации. Причин мутаций может быть много — от ультрафиолета до химических веществ.
При этом, если происходит поломка самого жгутика или произошла деформация подшипников (колец) или иные некритичные вещи, что вызвало, например, даже заклинивание вала, — двигатель останавливается, запускается процесс разрушения повреждённых участков, после чего начинается починка — сборка сломанных частей устройства заново (процесс «техобслуживания» занимает до часа времени).
Однако, это касается не всех поломок — например, поломка MotB является критической поломкой, которую восстановить невозможно и двигатель выходит из строя полностью (энергия есть, но её невозможно использовать; по аналогии с автомобилем — «бензина полно, но в машине сгорела вся проводка»).
Кстати, любопытное бы получилось авто (бестселлер, без сомнения!), если бы оно могло реализовать аналогичные механизмы и в макромире: заклинил поршень – авто заглушило двигатель, разобрало его, поменяло кольца, поменяло поршни, сделало само себе расточку блока цилиндров («на коленке», в полях:-D), собрало двигатель заново и поехали дальше :-D
Кстати говоря, рассмотрение этого механизма починки поднимает вопрос о восстановлении двигателя в результате естественного износа: скажем, шарниры в теле человека (колени, локти и т.д.) соединяющие 2 части тела – получают питательные вещества от окружающих тканей, соединяющих эти части (например, низ ноги – ниже колена и нога выше колена соединены не только шарниром, но и окружающими тканями, которые и питают всё).
Иначе обстоит дело у этого двигателя: получается, что вал подвешен в электростатическом поле и смазке и ничем больше не связан ни с чем. Как так?! Дело в том, что тут нет подачи питательных веществ в человеческом смысле: сам жгутик полый и небольшие поломки могут восстанавливаться за счёт подачи компонентов для починки по «трубе» внутри жгутика, поставляемые изнутри бактерии. Но сами части механизма, собранные из белков – достаточно долговечные и могут работать довольно долго. А если происходит износ и критическая поломка – мы уже знаем: просто останавливается двигатель и происходит пересборка поломанных/изношенных деталей механизма.
Но и это ещё не всё: как вам понравится тот факт, что этот двигатель имеет натуральное сцепление (белок FliL, в видео выше он не показан) которое отключает жгутик от вала двигателя, «чтобы не сорвать шестерню»? Но, при этом, сам двигатель продолжает вращаться, а жгутик остаётся неподвижным, так как отключен от двигателя – «выжато сцепление»…
Но есть и более продвинутые микроорганизмы, — «археи», у которых этот мотор ещё сложнее – и имеет, кроме «сцепления», ещё и натуральную «нейтралку»; но аналога «коробки передач» нет, есть нечто похожее на вариатор и они могут плавно регулировать свою скорость (гораздо более плавно, не так резко, как, регулируя тягу, это делают обычно бактерии).
Физически, у бактерий это устроено таким образом, что белок FliL отодвигает блоки MotA/MotB на такое расстояние от шестерни, что «поршни продолжают лупить» вхолостую, не дотягиваясь до шестерни, так как теперь располагаются слишком далеко от неё — соответственно, жгутик остановлен, а двигатель продолжает крутиться.
В обратном случае, FliL смещает блоки MotA/MotB таким образом, чтобы поршни могли дотянуться до шестерни, они зацепляются за нее — движение восстановлено!
Этот же механизм предназначен и для сбережения энергии: если упёрлись в непреодолимую преграду — выжимаем сцепление, отключаем жгутик от двигателя, и думаем, куда дальше плыть, а не жгём топливо понапрасну…
А вот тут, с 9:46 можно посмотреть, как реализован реверс вращения:
Теперь, когда мы узнали об этом уникальном двигателе, сравним всё это с любыми человеческими двигателями, прикинем миниатюрные размеры — в которых реализовано рассматриваемое устройство и дружно посмеёмся несовершенству любых человеческих устройств: наноботы, с электрическими двигателями, с самодиагностикой, саморемонтом и саморепликацией — когда мы сможем такое? :-)
Исследование жгутикового двигателя поднимает больше вопросов, чем отвечает на имеющиеся и поэтому мы завершим этот рассказ изречением известного древнегреческого философа Сократа, сказавшего когда-то фразу, которая и будет здесь как нельзя кстати: «я знаю только то, что ничего не знаю».
И поставим в конце не точку, а многоточие, так как это (видимо) ещё не конец этой истории исследований…
ТЫЦ сюда
P.S. Вы думали, что это конец рассказа? А вот и нет! :-) Так почему же всё таки протонный, а не электронный, как обычные электродвигатели?! А вот почему: в бескислородной среде, откуда бактерии родом — протонный градиент был гораздо более доступен, да и, к тому же, протоны намного легче проходят через каналы мелкого сечения, не требуют сложных цепей, как электроны, не образуют свободных радикалов (как электроны) и КПД протонного двигателя (даже если он такой маленький) составляет 80-90%, что было бы недостижимо для такого маленького электрического двигателя известных нам типов!
А вот теперь — точно всё:-)
А вот теперь — точно всё:-)