Может ли биология улучшить аккумулятор?

Когда в 1999 г. Анджела Белчер подала документы на получение своего первого гранта, один из рецензентов назвал ее проект “безумным”. Белчер только что приступила к работе в качестве профессора химии в Техасском университете в Остине, и для того, чтобы начать исследования, ей нужен был грант. То, что предлагала Анджела, казалось настоящим сумасшествием: она хотела сконструировать вирусы, которые можно было бы использовать, чтобы “вырастить” электрические цепи, а в конце концов и аккумуляторные батареи. Белчер предполагала, что выращенные вирусами аккумуляторы станут заряжаться быстрее, чем те, которые мы используем сегодня, не будут оставлять после себя практически никакого токсичного мусора и отчасти окажутся биоразлагаемыми. Ее предложение, по сути, давало чистый, дешевый и естественный способ сделать возобновляемую энергию практической альтернативой горючим ископаемым. Белчер чувствовала, что эта идея может изменить весь мир.

То, что ее мысль была отвергнута как сумасшедшая, уязвило Белчер до глубины души. “Когда я читала рецензию, – рассказывала она мне не так давно, – я плакала и плакала”. Анджела была огорчена, но не сдалась, и список ее достижений по прошествии времени скорее показывает безумным того рецензента. В 2000 г. она доказала жизнеспособность своей неординарной идеи^[37] и опубликовала ее в Nature – одном из самых престижных научных журналов в мире. Это была первая опубликованная статья Белчер как независимого исследователя. В 2001 г., разглядев ее потенциал, Массачусетский технологический институт принял Анджелу на работу; в 2002 г. Technology Review включил Белчер в список 100 лучших изобретателей мира моложе 35 лет^[38]; в 2004 г. она получила “грант для гениев”^[39] Фонда Макартуров^[40], а в 2006 г. Scientific American назвал ее “Лучшим исследователем года”^[41]. Сегодня Белчер является профессором энергетики в МТИ, где помимо других обязанностей руководит группой исследователей биомолекулярных материалов и является активным членом Энергетической инициативы, возглавляя команду, разрабатывающую новые способы аккумулирования электроэнергии. Также она основала несколько стартапов, чтобы превратить полученные в лаборатории результаты в рыночные продукты.

Я познакомилась с Энджи Белчер в начале своего пребывания на посту президента МТИ. В тот период мне предстояло быстро вникнуть в новую работу. Мне нужно было понять, как МТИ поддерживает развитие нестандартных идей и как эти идеи с потрясающей быстротой выходят на рынок.

Чтобы узнать как можно больше в сжатые сроки, я приглашала маленькие группы недавно получивших постоянную должность преподавателей на завтраки. Чтобы быть зачисленными в штат МТИ, преподаватели должны были достичь чего-то, чего ранее никто не добивался, и я была уверена, что те, кого я приглашаю на завтрак, смогут описать магическое соединение ресурсов, людей и духа, которое позволило каждому из них одержать победу. Что сделало МТИ особенным для них и как мы можем сделать его еще лучше? К каким еще захватывающим новым рубежам они стремятся?

Среди изобилия закусок – кофе, яиц и выпечки – я просила рассказать, что им больше всего нравится в МТИ и что больше всего будоражит их в исследованиях и преподавании. Когда беседа всех захватывала, участники начинали рассказывать свою историю, и каждая оказывалась еще более потрясающей, чем предыдущая. Я видела себя в будущем, которого раньше и не могла представить. Они говорили о том, как квантовая вычислительная техника переходит от теории к практике, как наночастицы, доставляющие лекарства в ткани, создаются слой за слоем словно крошечные вечные леденцы с шоколадной фабрики Вилли Вонки, и о десятках других гениальных открытий и изобретений. Слушая их, я сделала удивительное наблюдение: если бы мне нужно было по их рассказам установить, к какому отделению или факультету относятся преподаватели, это могло стать трудной задачей. Их исследования, не спрашивая разрешения и не делая громких заявлений, размывали границы между дисциплинами, и я поняла, что именно эта гибкость является критически важной для того, чтобы новые идеи быстро попали из лаборатории на рынок.

Многие из молодых преподавателей балансировали на стыке совершенно несопоставимых дисциплин. Среди них была и Белчер, которую я сразу определила как живой пример соединения наук. Помимо своей работы с группой, занимающейся биомолекулярными материалами и Энергетической инициативой МТИ, она принимала участие в деятельности отделения материаловедения и инженерного дела, отделения биоинженерии и Института интегративных исследований рака имени Дэвида Кока. Однажды Анджела сказала мне, что пытается свести вместе биологию и инженерное дело, чтобы создать новое поколение электронных приборов, и у меня глаза расширились от удивления. Белчер объяснила, что в будущем получение, распределение и сохранение энергии могут выглядеть совсем по-другому по сравнению с тем, как мы это делаем сейчас.

Впервые идея о новом поколении биологически созданных электронных приспособлений пришла ей в голову в 1990-е гг., когда Анджела занималась исследованиями перед получением степени PhD по химии в Университете Калифорнии в Санта-Барбаре. Ее всегда завораживала способность природы находить решения в ответ на трудности и возможности, даваемые окружающей средой. Во время постдипломного обучения Анджела была просто одержима галиотисами^[42] – крупными морскими моллюсками, которые обитают вдоль берегов Тихого океана, – и тем, как они делают свои раковины. Этот процесс, как выяснилось, включает в себя принципы биоинженерии, подтолкнувшие Белчер к мысли о самых различных практических применениях, в том числе и об аккумуляторах.

С точки зрения эволюции галиотисы решили очень сложную проблему: как создать легкую, но очень прочную раковину, используя только простые, широко доступные компоненты. Они выработали остроумное и элегантное решение. Во-первых, соединить кальций (Ca) и карбонат (СО₃) – материалы, широко распространенные в океане, чтобы получился карбонат кальция (CaCO₃) – имеющийся в изобилии минерал, кусочками которого мы обычно пишем по классной доске. Сам по себе мел – мягкий материал, который легко крошится, но галиотисы справляются с этой проблемой с помощью двухэтапного “процесса производства”. Для начала молекулы CaCO₃ размещаются^[43] в определенном порядке, формируя маленькие кристаллы. Эти кристаллы гораздо прочнее мела, но имеют всего 1/3000 прочности раковины галиотиса^[44]. “Крепость стали” придается им с помощью процесса, который помогла открыть Белчер во время своих исследований в аспирантуре: создаются маленькие нити белка, размещенные между кристаллами. Таким образом, получается что-то вроде клейкой сетки, работающей в некотором роде как раствор, удерживающий вместе “кирпичи в стене”. Но, в отличие от раствора, материал, скрепляющий раковину галиотиса, является в какой-то мере эластичным, поэтому структура растягивается и не ломается. Прочное, но растяжимое кружево белковых нитей переплетается с кристаллами карбоната кальция, придавая раковине галиотиса необыкновенную динамическую прочность. Раковины защищают галиотисов, пока они живы, а после их смерти разрушаются, пополняя ресурсы для следующего поколения моллюсков, и все это не загрязняет окружающую среду никакими токсичными отходами.

В кабинете Белчер целая коллекция раковин галиотисов, и каждый раз, заглядывая к ней, я просто глаз не могла от них оторвать. Они очень красивые. Вместе они напоминают набор разобранных матрешек: от очаровательных малышек, имеющих размер не больше ногтя моего большого пальца, до раковин больше открытой ладони – им, возможно, более 10 лет. Однажды, когда мы говорили о биологических процессах, в результате которых великолепные материалы получаются из самых обыкновенных элементов, я не смогла устоять, взяла одну из самых больших раковин размером с детскую бейсбольную перчатку и провела пальцами по гладкой внутренней поверхности. Когда я поднесла ее к свету, она засверкала всеми цветами радуги.

Галиотис может прожить до 50 лет. Независимо от размера каждая раковина имеет одну и ту же форму, цвет и текстуру: шершавую снаружи и глянцевую, перламутровую изнутри. Каждая украшена изящной аркой из находящихся на равном расстоянии друг от друга отверстий, через которые животное “дышит”. Это шедевр биоинженерии, и, начав изучать формирование раковины, Белчер задалась вопросом: если ДНК галиотиса содержит код, позволяющий белкам так эффективно собирать морские элементы, чтобы создавать ракушки, то, возможно, мы сможем отдавать приказы ДНК других организмов, чтобы собирать другие элементы и выполнять другую работу. Если это так, то не получится ли, как она предлагала в своей первой заявке на грант, заставить вирусы собирать элементы, использующиеся в полупроводниках, такие как арсенид галлия и кремний, и создавать электронные компоненты? И если это можно сделать, какие более масштабные задачи реально было бы решить с помощью вирусов? Могла бы Белчер использовать их, чтобы организовать компоненты аккумулятора? Ее инженерный ум работал все активнее, обдумывая различные способы применения. “Если галиотисы могли миллионы лет создавать все эти раковины, не выделяя токсичных веществ, – так рассказывала мне Анджела о своем моменте озарения, – почему бы людям не делать все, что им нужно, не загрязняя окружающую среду?”

В детстве Белчер любила скалы, растения и животных родного Техаса, а потом, во время учебы в колледже в Санта-Барбаре, штат Калифорния, полюбила и берега Тихого океана. Как химик и специалист по материаловедению она находила бесконечно прекрасным и таинственным все то разнообразие форм и размеров, в которые природа облекает имеющиеся у нее в распоряжении вещества. На полках в ее кабинете лежали раковины, кристаллы и окаменелости, причем у каждого из них была история, которую она в волнении мне рассказывала. Однажды, сжимая в одной руке красивый кристалл, а в другой – ничем не выделяющийся кусок белого камня, Анджела воскликнула: “Эти блестящие бирюзовые кристаллы^[45] имеют тот же состав, что и кусок арагонита!” Она не переставала восхищаться тем, что природа может сделать, и одновременно думала, как улучшить наш общий дом для следующего поколения.

Мы с вами, возможно, не проводим много времени в размышлениях о том, насколько упорядочены молекулы в веществах, которые нас окружают, и как они организованы в тех предметах, которыми мы пользуемся каждый день. Но Энджи Белчер об этом думает. Ее дипломная работа дала ей понять значимость того, из чего материалы состоят, и того, как они организованы. Анджела доказала, что раковина галиотиса состоит из карбоната кальция, связанного вместе минимальным количеством раствора, который моллюск изготавливает из особого белка. Разработка новых аккумуляторов опирается на то, чтобы найти оптимальные материалы и организовать их в наилучшем порядке. Но совершенствование состава и организация материала требуют достаточно изысканного инженерного мастерства. Именно это и пришло Белчер в голову в момент озарения, подтолкнувшего к подаче заявки на грант. Вместо того чтобы целиком положиться на человеческий разум, который мог бы изменить компоненты батарей, исследовательница начала задаваться вопросом, не сможет ли она создать аккумулятор получше, доверив вирусам организацию материала для нас.

■ ■ ■

Чтобы понять, что Энджи Белчер придумала, пытаясь решить проблему энергии, а вернее, если говорить более точно, ее накопления, нам следует подумать о топливно-энергетическом комплексе. Как растут наши потребности в использовании энергии и почему важно, из каких источников она будет поступать в следующие десятилетия?

Наши предки фактически создали топливно-энергетический комплекс в тот момент, когда впервые научились контролировать огонь. Кости и пепел растений^[46], обнаруженные в пещерах Южной Африки, показывают, что Homo erectus, одни из первых непосредственных предков человека, разводили костры примерно 1 млн лет назад. Наши более близкие предки, неандертальцы, использовали огонь около 400 000 лет назад^[47], и археологические находки из пещеры Пеш-де-л’Азе^[48] на юго-западе Франции позволяют предположить, что их жители могли разжигать костры по своему желанию по крайней мере 50 000 лет назад. Первые люди сжигали траву, ветки кустов и деревьев для того, чтобы получать тепло, свет и готовить еду. С тех пор мы продолжаем полагаться на природу, чтобы получать и сохранять энергию, которую потребляем. И к счастью для нас, природа выполняет эту работу исключительно хорошо.

Растения – великолепные накопители энергии. Они сохраняют ее с помощью фотосинтеза – химического процесса, при котором используется энергия света, чтобы соединять углекислый газ с водой. Вода и углекислый газ (СО₂) – широко распространенные, первичные материалы, и их сочетание лежит в основе большинства естественных материалов на Земле. Все, что нужно, чтобы создавать более сложные структуры, начиная от листьев, цветов и веток деревьев и до костей, кожи и мускулов, – это достаточное количество энергии для того, чтобы образовались новые химические связи между молекулами воды и СО₂. Фотосинтез превращает энергию света в химические связи строительных блоков, основанных на углероде. Каждая химическая связь – это энергия в ожидании: создание связи требует энергии, а разрыв связи высвобождает энергию. В случае с фотосинтезом фотоны из солнечного света обеспечивают источник энергии^[49], чтобы создать химические связи, а разрушение этих связей (в огне, к примеру) высвобождает энергию. Сжигание дров – это, в сущности, процесс фотосинтеза наоборот, разрывающий химические связи, чтобы высвободить запасенную солнечную энергию в виде тепла и света. Как мы вскоре увидим в случае с батарейками, запасенная химическая энергия также может быть высвобождена в форме электронов.

Тысячелетия люди полагались на дерево, чтобы удовлетворить свою нужду в энергии. Но в последние века наши потребности все больше возрастали. В начале XIX в. основным источником энергии в США было дерево^[50], и американцы потребляли 0,4 квадрлн (10¹⁵) британских тепловых единиц (БТЕ)^[51] в год. (Одна БТЕ – это количество тепла, требующееся, чтобы повысить температуру одного фунта воды на один градус Фаренгейта.) В 2016 г. общее энергопотребление США^[52] составляло 97 квадрлн БТЕ, то есть оно выросло более чем в 250 раз по сравнению с началом XIX в. Это означает, что средний американец сегодня потребляет примерно в четыре раза больше энергии, чем в 1800 г. Чтобы отвечать потребностям растущего населения, которое использует все больше энергии, и найти более удобные способы транспортировки запасенной энергии, мы перешли на горючие ископаемые: наполненные энергией месторождения нефти, газа и угля, возникшие в результате долговременного сжатия мертвых деревьев, растений и других органических веществ древних лесов, окаменелые растительные остатки органического происхождения.

Ископаемое топливо – уголь, газ и нефть – имеют бóльшую плотность энергии, чем ветки и стволы, поэтому для производства того же количества энергии их нужно гораздо меньше. Большая плотность энергии позволяет легче и дешевле перемещать их. Но тут мы сталкиваемся с проблемой: сжигание основанных на углероде материалов – бревен, угля, газа – высвобождает запасенную энергию не только в форме тепла и света, но также и СО₂, захваченного растениями во время фотосинтеза. Возможно, трудно представить, что кажущаяся такой огромной атмосфера Земли не может поглотить весь СО₂, который мы производим, сжигая углеводородные энергоресурсы, но она действительно не может. Хотя за всю историю Земли уровень СО₂ поднимался и падал, эти изменения всегда протекали постепенно. Сегодня происходит нечто совсем иное: беспрецедентно быстрое возвращение огромного количества СО₂ в атмосферу.

После долгого периода относительной стабильности^[53] содержание в атмосфере углекислого газа (измеряемого в миллионных долях [млн-1]) значительно возрастает начиная с 1800 г.

Всего за пару веков население земного шара выбросило в атмосферу такое количество СО₂, на накопление которого ушли миллионы лет. Согласно некоторым оценкам, каждый галлон^[54] (3,8 л) бензина – это продукт, полученный из 100 т растительного материала^[55]. Повышение в атмосфере уровня СО₂, высвобождаемого из-за интенсивного сжигания горючих ископаемых, значительно изменило динамику климата и океаны планеты, что, с большой вероятностью, будет иметь ужасные последствия как для Земли, так и для человека.

Сжигание горючих ископаемых загрязняет атмосферу и другими способами. Обычный уголь, который используется для отопления или получения электроэнергии, при сжигании выделяет в воздух вещества, которые в нем находились, такие как ртуть, сера и взвешенные частицы (сажу), угрожающие здоровью людей. Это имеет серьезные и поддающиеся количественной оценке последствия. Тогда как я понимала вред сжигания угля чисто теоретически, Майкл Гринстоун, один из экономистов в области энергетики Энергетической инициативы МТИ в годы моего президентства, представил мне его воочию. Гринстоун рассказал о работе, связанной с Китаем, которую он вместе с коллегами проделал, скрупулезно изучая информацию о состоянии здоровья людей. Между 1950 и 1980 гг. Китайский совет по энергетической политике^[56] предоставлял бесплатный уголь для отопления гражданам, проживающим к северу от реки Хуанхэ. Как обнаружили ученые, у людей в отапливаемых углем поселениях продолжительность жизни была на 5,5 года меньше, чем у тех, кому правительство не предоставляло угля, – огромная разница, которую почти целиком можно объяснить смертью от сердечно-легочных заболеваний, возникающих из-за воздействия находящихся в воздухе взвешенных частиц, остающихся после сжигания угля.

Если сегодняшние проблемы из-за переработки горючих материалов недостаточно пугают, то нельзя забывать, что они могут и усугубиться. По всей видимости, к 2050 г. мировая потребность в горючих ископаемых^[57] удвоится по двум причинам. Во-первых, население планеты идет к тому, чтобы за следующие 30 лет увеличиться с сегодняшних 7,6 млрд человек^[58] до более чем 9,5 млрд. Во-вторых, если все будет хорошо, на что мы смеем надеяться, все бóльшая часть мирового населения будет богатеть; таким образом, все большее количество людей получит доступ к интенсивному с точки зрения энергоснабжения образу жизни, которым сейчас наслаждаются живущие в развитых странах. Сегодня каждый американский потребитель в среднем^[59] использует более 13 000 кВт/ч ежегодно, в то время как в Бангладеш^[60] это число составляет всего 300 кВт/ч за год. Что произойдет, если больше людей начнут потреблять электроэнергию в огромных количествах? Является ли загрязнение и все его опасные последствия необходимым злом? Или ученые и инженеры смогут изобрести и внедрить новые способы решения этой проблемы?

Мир в высшей степени богат альтернативными источниками энергии. Это и солнечное тепло, и освежающее дуновение летнего бриза, и сила рек и водопадов, и мощь океанского прилива. Я мечтаю увидеть тот день, когда эти альтернативные источники энергии смогут соответствовать всем нашим нуждам. Помню, как однажды мы с отцом отправились в идиллическое плавание под парусом, и я зубоскалила над подвесным мотором, который папа установил на корму нашей лодки, как это только может делать пурист подросткового возраста. Тем не менее мое мнение быстро изменилось, когда свежий утренний бриз стих, оставив нас вдали от берега. Столкнувшись с перспективой провести целый день (а то и ночь) в открытом море, я неожиданно обрадовалась тому, что можно поджечь топливо (какое бы оно ни было) и вернуться на берег. Тут уж я об окружающей среде и не подумала. В подобных случаях мы часто полагаемся на горючие ископаемые, когда они требуются нам в повседневной жизни, чтобы отапливать дома, перевозить нас и все товары, которые нам нужны, по всему миру, чтобы дать питание на электросеть. И большинство из нас даже представить себе не может, как от них отказаться.

В последние десятилетия мы разработали великолепные новые технологии, превращающие силу солнца и ветра в электрическую энергию. Эти технологии постоянно становятся лучше и дешевле. Но есть один подвох: хотя мы научились собирать и преобразовывать эту энергию, мы не слишком хорошо умеем сохранять ее для дальнейшего использования. Яркое солнце пустыни дает более чем достаточно энергии, чтобы согреть нас в холодные вечера, а ветра, яростно дующие во время урагана, могли бы обеспечить электричеством во время затишья, но мы пока не понимаем, как эффективно и дешево сохранять эту энергию. Прерывистая генерация энергии – одна из самых трудных задач, поджидающих нас при попытке заставить альтернативные источники энергии работать на практике. Если ученые и инженеры смогут разработать аккумуляторы, позволяющие нам справиться с этой проблемой, сопряженной с солнцем, ветром и другими альтернативными источниками, то мы сможем использовать эту чудесную, экологически чистую и широко распространенную энергию для всех наших нужд.

Еще в начале своей карьеры Энджи Белчер поняла, что, возможно, у нее есть средства, которые помогут решить проблему. Добившись успеха в том, что в своей первой заявке на грант она называла “эволюцией” вирусов в варианты, способные “организовать” небиологические материалы, такие как арсенид галлия и кремний, в полупроводники, она начала размышлять о том, как можно использовать эти новые инструменты для создания аккумуляторов. Ее работа была своевременной и прекрасно отвечала зарождающемуся тренду.

Результаты работы Белчер с вирусами и полупроводниками дали ей уверенность в том, что вирусы способны организовывать материал на наноуровне. Она начала экспериментировать, чтобы выяснить, как далеко можно зайти в использовании биологических организмов для того, чтобы небиологические элементы превратились в полезные системы. “Я хотела знать, – рассказывала она, – какие из элементов периодической таблицы мои вирусы смогут использовать для создания новых структур”. Не на все элементы вирусы накидывались с одинаковой жадностью. Но исследовательница выяснила, что металлы и оксиды металлов работают достаточно хорошо. Это ее порадовало, потому что она обратила внимание на то, что связывающиеся с вирусами элементы могут быть использованы для создания электродов, которые, в свою очередь, возможно, открыли бы путь к новому, эффективному, экологически чистому и дешевому способу создать аккумуляторы. Но чтобы понять, как это, по ее мнению, можно сделать, нам вначале надо разобраться, что же такое аккумуляторы.

■ ■ ■

Как и многие другие инструменты и технологии, жизненно необходимые в нашем повседневном быту, батарейки изобрели не для того, чтобы решить проблему сохранения энергии, и вообще не для того, чтобы решить какую-то практическую проблему. Аккумуляторы появились из-за неутолимого желания понять мир природы в сочетании с тонкой наблюдательностью и любопытством. Тот же самое вдохновило на изобретения и Энджи Белчер.

Первая батарейка датируется 1800 г.^[61], когда Алессандро Вольта доказал, что соединенные вместе чередующиеся пластины цинка и меди, проложенные пропитанной соляным раствором тканью, могут создавать электрический ток. Эта пачка пластин получила название “Вольтов столб”. Проще говоря, приспособление превращало химическую энергию в электрическую, переводя электроны одного металла в другой.

Электроны – это крошечные отрицательно заряженные частицы. В Вольтовом столбе медная пластина создает положительный полюс (катод), а цинковая – отрицательный (анод). Само по себе складывание чередующихся пластин батареи первого поколения не давало никакого заряда, но если между двумя полюсами протянуть что-то, способное проводить электричество, например металлическую проволоку, то она направит поток электронов от анода к катоду. Если подсоединить какой-либо электрический прибор, например маленькую лампу накаливания, то можно будет обнаружить возникающий в цепи ток: когда он появляется, лампочка зажигается. В конце концов, когда все свободные электроны будут переданы, а металлы исчерпают способность создавать или принимать новые электроны, процесс прекратится. В этот момент батарея перестанет производить электричество, лампа накаливания погаснет, и Вольтов столб придется заменить.

Чтобы получить на выходе максимальное количество электричества, Вольта экспериментировал с разными металлами в качестве катодов и анодов и с разными жидкостями-электролитами^[62], но ему так и не удалось произвести достаточно электроэнергии для каких-либо практических целей. Тем не менее другие ученые продолжили его работу и создали батареи, которые могут питать электроприборы. Если бы Вольта побывал у нас сегодня, он, безусловно, узнал бы в батарейках прямых потомков своего Вольтова столба.

Обыкновенные батарейки можно воспринимать как приспособления для транспортировки энергии. Самые обычные батарейки ААА, которые я беру с собой в самолет, чтобы слушать музыку в наушниках, – это просто способ преобразовывать химическую энергию, которую я в любой момент могу превратить в электрическую. Когда я дома, розетка на стене является более доступным источником электроэнергии, но, когда домашнего электричества нет в распоряжении, эту лакуну заполняют батарейки. Заряжаемые аккумуляторы, как те, которые находятся внутри вашего телефона или ноутбука, гораздо лучше выполняют функцию накопления и сохранения энергии. Теряя заряд, они могут обратить этот процесс вспять, используя электричество из внешнего источника, скажем из стенной розетки. При подзарядке электроны, которые переходят из анода в катод, восстанавливаются в своем исходном состоянии в аноде. Затем может начаться очередной цикл разрядки аккумулятора.

Возможно, кто-то сочтет этот направленный в обе стороны процесс простым. Но это не так. Он требует наличия материалов, которые могут одновременно отдавать электроны и принимать их. Первая успешно действующая перезаряжаемая батарея появилась чуть больше 100 лет назад^[63]. В качестве электродов в ней использовали свинец, а в качестве электролита – серную кислоту. Эти компоненты делали аккумуляторы тяжелыми и опасными, но тем не менее они были достаточно надежными, и в результате мы до сих пор используем свинцово-кислотные аккумуляторы во многих совершенно обычных для повседневной жизни задачах, когда требуется усиленная перезарядка. В большинстве автомобилей на наших дорогах все еще применяются свинцово-кислотные аккумуляторы. Даже в электромобилях, где для движения используются литий-ионные аккумуляторы, остаются свинцово-кислотные аккумуляторы для питания фар, вентиляторов и системы безопасности.

Примитивная гальваническая батарея состоит из чередующихся пар пластин меди и цинка со слоем электролита между каждой парой. Электроны двигаются от цинкового анода (–) к медному катоду (+) с помощью проволоки и зажигают небольшую лампу накаливания

В последние годы распространение мобильных электронных устройств подтолкнуло к развитию значительно более легких и безопасных аккумуляторов^[64]. Литий-ионные аккумуляторы теперь дают электричество нашим сотовым телефонам, карманным фонарикам и большинству портативных электронных приспособлений, но эти аккумуляторы недостаточно экономичны, эффективны и мощны, чтобы соответствовать более масштабным энергетическим запросам. Также они подвергают пользователей риску, поскольку были случаи воспламенения аккумуляторов гироскутеров и сотовых телефонов. Помимо технических ограничений самих батарей стандартный процесс их производства^[65] требует очень высокой температуры (подумайте о расходе энергии), а также дает высокотоксичные побочные продукты. Оценки очень отличаются, но в 2017 г. Шведский научно-исследовательский институт по проблемам окружающей среды (IVL)^[66] высчитал, что при создании одного аккумулятора для электромобиля может выделяться такое количество отходов, которое эквивалентно 20 т углекислого газа^[67], получающимся при сжигании 8500 л бензина^[68]. Так что, садясь за руль своего электромобиля, прежде чем почувствовать себя поддерживающим экологию благонравным водителем, нужно оценить, во что обошлось создание аккумуляторов (с точки зрения затрат электроэнергии и выделения углекислого газа), и то, из какого источника поступает электричество для перезарядки батареи (с гидроэлектростанции или с электростанции, где сжигаются горючие ископаемые). Вдобавок к энергозатратам изготовление аккумулятора, как и многие другие производственные процессы, создает множество отходов, некоторые из которых относятся к высокотоксичным.

Если принять во внимание вышесказанное, то все доступные на сегодня варианты не соответствуют быстро растущим потребностям человека в сохранении энергии. Поиск альтернативного подхода к энергосбережению – именно это подтолкнуло Энджи Белчер к тому, чтобы вступить в игру. Разумеется, она не единственная, кто трудится над тем, чтобы создать более экологически чистые, легкие и эффективные батареи. Эта проблема занимает умы ученых всего мира, и в ближайшие годы из исследовательских лабораторий выйдут десятки многообещающих новых технологий^[69]. И Цуй, и его коллеги из Стэнфордского университета^[70], к примеру, разработали наночастицы для батарей, которые упакованы более плотно, содержат больше заряда и обещают более длительный срок службы, чем у сегодняшних аккумуляторов. Цзе Сян Шэнь из Наньянского технологического университета^[71] в Сингапуре разрабатывает натрий-ионные батареи, сделанные в виде нанолиста и потенциально являющиеся дешевой и безопасной альтернативой литий-ионным аккумуляторам. Но Белчер использовала потрясающий, революционный подход, обратившись к биологии (если говорить более конкретно – к вирусам).

■ ■ ■

В отличие от большинства живых организмов, то есть растений, животных и даже одноклеточных дрожжей и бактерий, у вирусов отсутствует большинство стандартных компонентов, необходимых для жизни. У них нет клеточных мембран, ядер или каких-либо внутренних структурных элементов, которые имеются у других живых организмов. Вместо этого они состоят всего лишь из оболочки^[72] и цепочки ДНК или РНК. И это все! Тем не менее они миллиарды лет процветают в любой экосистеме нашей планеты; существуют доказательства существования более 300 млн лет назад^[73] вирусов, поражающих насекомых. Вирусы воспроизводятся весьма успешно, причем иногда это даже пугает. Они населяют самые разные виды сред, в том числе тело человека, и часто являются причиной смертельных заболеваний.

С точки зрения биологии вирусы являются минималистами. Но даже в своей простоте каждый вирус во многом напоминает своего прародителя точно так же, как волосы и глаза моей дочери похожи на мои. Сами по себе вирусы многого не могут. Тогда как они несут собственную генетическую информацию, зашифрованную в ДНК или РНК, им не хватает механизмов, чтобы размножить себя. Чтобы выжить и размножиться, вирусу нужен организм-хозяин. Они поражают клетки живых организмов, и, когда это происходит с нами, мы испытываем то, что называется вирусным заболеванием.

Чтобы передать генетические инструкции своим потомкам, зачастую вирусы используют те же молекулы, которые и мы используем для передачи генетической информации нашим детям^[74]. Информация в их генах и в наших генах сохраняется из поколения в поколение в молекулах нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК. Структура нуклеиновых кислот обеспечивает две основные функции: создание точных копий самих себя (это важно для передачи генетической информации следующим поколениям) и управление формированием белков – строительных материалов любого организма.

Точное дублирование нуклеиновых кислот – самое важное для передачи генетической информации от родителей к потомкам. ДНК, дезоксирибонуклеиновая кислота, имеет структуру, напоминающую винтовую лестницу, с двумя параллельными остовами, связанными рядом перекладин. Каждая перекладина состоит из пары молекул, которые называются основаниями. Выделяется четыре типа таких оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Два основания в каждой перекладине всегда соединяются одинаково: А с Т, а G с С. Информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, записана в том порядке, в котором основания расположены друг за другом. РНК, рибонуклеиновая кислота, состоит только из одного рибофосфатного остова (а не двух дезоксирибофосфатных, как ДНК). Кроме того, в ней тимин заменяется урацилом (U). Строгое соединение оснований парами – G-C и А-Т (или А-U) – обуславливает точное копирование ДНК (или РНК) в следующем поколении клеток или организмов. Во время синтеза ДНК перед делением клеток двойная винтовая конструкция ДНК разделяется по длине на две части, при этом каждая перекладина превращается в половину с одним основанием. Каждая из этих частей ДНК служит основой для создания новой половины, обусловленной строгим соединением пар А-Т и G-C.

В 1953 г., когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик впервые описали структуру ДНК^[75] на одной странице статьи в Nature, они пришли к одному из величайших выводов в истории. “От нашего внимания не укрылось, – писали они, – что особое соединение в пары, которое мы теоретически допускаем, немедленно заставляет предположить о возможном механизме копирования генетического материала”. Это небольшое замечание не только оказалось верным, но также положило начало совершенно новой эпохе в биологии – а именно молекулярной биологии.

ДНК или РНК клетки или вируса управляет формированием белков – строительных блоков для любого организма и его функций. Последовательность оснований вдоль ДНК (или РНК) вируса – это код, который управляет структурой менее чем десятка различных вирусных белков. Подобным же образом последовательность оснований в нашей ДНК управляет структурой всех наших белков. Чтобы использовать вирусы для создания аккумуляторов, Энджи Белчер начала манипулировать в лаборатории с непатогенными штаммами вирусов, чтобы дать им возможность организовать себя в виде компонентов аккумуляторов.

Вирусы воспроизводятся с помощью потрясающего, агрессивного и очень успешного с точки зрения эволюции процесса. Не имея никаких собственных структур для большинства биологических процессов, они вторгаются в клетки других организмов и паразитируют на их механизмах репликации. Белки внешней оболочки вируса ловко связываются с особыми белками на поверхности клетки-хозяина. Некоторые вирусы встраиваются и в наши клетки: вирус гриппа внедряется в клетки органов дыхания, а вирус гепатита С – в клетки печени. Другие вирусы поражают животных и растения. Однажды прикрепившись к клетке-хозяину, вирус захватывает контроль над ее механизмами, заставляя ее воспроизводить вирус в огромных количествах. Это становится для клетки-хозяина такой непосильной ношей, что она либо замедляет свои собственные процессы, часто практически до полной остановки, либо погибает. В любом случае пораженная вирусом клетка создает целую армию вирусов, которые вторгаются в другие клетки и воспроизводятся внутри их. В результате процесс репродукции разрастается, как взрыв, и может нанести огромный вред нашему здоровью, что хорошо известно каждому, страдающему простудой, гриппом, СПИДом или гепатитами различных типов.