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生物妙用化学能的启示

作者:苏更林    来源:《农村青少年科学探究》11月    2012-1-12

鹰击长空,鱼游浅底,从而成就了自然界的万千气象。你知道在这生机盎然的背后隐藏着什么鲜为人知的秘密吗?从能量的角度讲,生物体就是一个具有神奇色彩的能量转换器。化学能终于在这里可以大显身手了,从而创造了足以令任何机器都相形见拙的生物奇迹。现摘其几个典型的例子,也许会对我们有所启发吧!

肌肉收缩的秘密

我们在从事各种体力劳动时,都是借助于肌肉的收缩来完成的。那么在肌肉收缩的背后到底隐藏着什么秘密呢?科学家研究发现,在肌肉中存在有两种纤维状的蛋白质,一种叫肌动蛋白,一种叫肌球蛋白。正是它们之间的互相滑动才产生了肌肉的收缩,从而才有了对外做功的机械能。

然而,我们食用的食物又是怎样转化为肌肉的机械能呢?这实际上是一个化学能转化为机械能的过程。原来,食物中的化学能是不能直接被肌肉利用的,而是通过一种叫“三磷酸腺苷”的化合物来为肌肉收缩提供能量的。动物们能够把化学能直接转化为机械能,并且利用效率高达80%以上。我们现在的机器系统把化学能转化为机械能都需要通过“热”这个间接形式,而能量利用效率最高也不过30%左右。在这一点上我们的机器系统应当向生物体学习。

科学家在肌肉收缩的启示下,用聚合物制成了“人造肌肉”,从而实现了化学能直接转化为机械能,并且能量利用效率达到了80%。这种聚合物可以由聚丙烯酸来胜任,因为聚丙烯酸分子是一个疏松和近似球形的线团,和肌肉纤维的结构非常相似。这样,我们可以把聚丙烯酸-聚乙烯醇薄膜作为“发动机”,利用分别与NaOHHCl的反应来实现薄膜的松弛和收缩,从而完成了化学能向机械能的直接转化。

鳗鱼发电与伏打电池

在海洋中有一种特殊的鱼类,它生性迟钝,但有一手绝活,那就是能发出500伏的高压电脉冲。它的名字叫“鳗鱼”,也有叫它“电鱼”的。现在我们已经知道的电鱼大约有500多种,不过它们产生的电压有高有低。这是一个典型的直接利用化学能发电的例子。然而,“鳗鱼”的发电的机理是什么呢?

科学家发现,鳗鱼的电器官是由许多盘形细胞组成的,这些细胞以柱状阵列式排列。这些盘形细胞就像一个个电板浸润在细胞外胶质之中,并被结缔组织包裹成透明的胶状体。原来,鳗鱼拥有500万块电板,这些电板尽管单块产电只有150毫伏,但由于很多电板的共同作用,就能够产生强烈的放电了。鳗鱼每克重量的平均输出功率为1瓦,而汽车铅蓄电池只有0.001瓦,相比之下生物体的产能效率要比人工系统高得多。

科学家伏打就是以鳗鱼的电器官为模型才发明“伏打电池”的,这是世界上第一个人造直流电源。伏打利用纸板把锌板和铜板隔开,放在盐溶液中就能发电了。如今各种电池五花八门、不胜枚举,在现代社会生产和生活中发挥了巨大作用。

萤火虫与生物光源

萤火虫是一种典型的发光生物,素有“活灯笼”的称号。据说,萤火虫把化学能转化为光能的效率高达95%以上,这是生物界创造的一个奇迹。原来,在萤火虫的腹部有一个神秘的发光器官,萤火虫的发光秘密就隐藏在这里。萤火虫的发光细胞多达几千个,其中有三种重要的“秘方”,它们分别是荧光素、荧光酶和三磷酸腺苷。

荧光素是一种耐高温的易于被氧化的物质,它就是萤光的产生者。荧光酶是一种不耐热的结晶蛋白质,在这里充当着催化剂的角色。在荧光酶的催化下,荧光素和三磷酸腺苷在细胞内有水参与的情况下发出光来。萤火虫几乎全部把化学能转变为光能,而没有热能的相伴产生。并且萤火虫发射的光全是绿光,对人的视觉最为敏感。人们受萤火虫的启发,发明了生物光源,并具有广阔的应用空间。

目前,科学家研制的冷光灯已经应用于实际生活,并显示出了巨大的优越性。比如,冷光灯可以用做海上或军舰上的信号灯,且具有不怕水和不怕火的优点。化学发光技术还可以应用于医疗诊断、侦察破案以及诱捕鱼类等,因此具有巨大的应用潜力。