| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Zelení mužíčci jsou žlutí
Rudolf Mentzl
Proč znázorňujeme mimozemšťany jako malé zelené mužíčky? Dnes těžko rozhodnout, zda myšlenka vznikla v myslích autorů vědeckofantastické literatury nebo je to produkt seriózních úvah vědců zamýšlejících se nad existencí života mimo naši planetu. Důvod je však zřejmý. Na přelomu devatenáctého a dvacátého století jsme doufali v život na MarsuMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila.. Zdálo se, že je Mars pokrytý sítí kanálů, které Marťané v krátkých časových intervalech přestavují. Civilizace schopná takových rozsáhlých projektů musí být nutně vyspělá. Tak vyspělá, že zajisté dávno upustila od barbarského způsobu stravování. Nejen, že nevraždí jiná zvířata pro potravu, určitě již překonala i býložravý způsob výživy. Kde tedy bere energii? Kde jinde, než přímo ze světla. Marťané musí být zelení, protože měnit světelnou energii v biologickou lze pouze fotosyntézouFotosyntéza – biochemický pochod, při kterém dochází k přeměně světelného záření na energii chemických vazeb. Při fotosyntéze se takto zpracovává oxid uhličitý a voda na kyslík a cukr. a světlo dokážou využívat pouze rostliny. Všechna tvrzení v předchozí větě jsou nepravdivá.
Není pravda, že fotosyntéza je jediný způsob, kterým živý organizmus dokáže využívat světlo. Také není pravda, že pouze rostliny využívají světlo jako zdroj energie. Dokáže to například sršeň východní.
Sršeň východní je charakteristická kávově hnědým zbarvením s výraznými žlutými
skvrnami na zadečku, na čele a čelním štítu. Zdroj: Wikipedie, KPFC.
|
Kutikula – nebuněčný obal některých živých organizmů, například hmyzu. Skládá se z povrchové jednovrstvé epikutikuly a vícevrstvé exokutikuly a endokutikuly. Xanthopterin – žlutá krystalická látka vyskytující se v moči savců, na křídlech některých motýlů a v kutikule hmyzu. Ve žlutých skvrnách na zadečku sršně východní funguje jako náplň solárního panelu. Melanin – skupina biologických pigmentů, zodpovídajících například za barvu kůže, vlasů a očí. Díky svým fotochemickým vlastnostem zajišťuje ochranu organizmů před poškozením zejména ultrafialovým zářením. Rozlišujeme hnědý až černý eumelanin, podmiňující například zbarvení hnědých či černých vlasů, žlutý až červenohnědý feomelanin, zodpovědný za zbarvení rtů či prsních bradavek u bělochů a zrzavých vlasů, a neuromelanin, vyskytující se ve specializovaných strukturách mozku. Relativní nadbytek feomelaninu u žen vysvětluje odlišný odstín kůže oproti mužům z téže populace. Tvorba melaninu v organizmu je stimulována ozářením UVB zářením. |
Kdo je sršeň východní
Sršeň východní (nezaměňovat se sršní asijskou, která právě dobývá Evropu) je poměrně rozšířená, obývá například středomoří, jižní Asii, zavlečena byla i do Ameriky. Líbí se jí tam, kde je teplo a hlavně hodně světla. Se svými dvěma centimetry délky se řadí spíš k menším druhům, ale na agresivitě ji to neubírá. Charakteristická je kávově hnědým zbarvením se dvěma žlutými články na zadečku. Právě tyto výrazné články dělají sršeň východní zajímavou i pro fyziky. Málokterý živý tvor se může pochlubit zabudovanou sluneční baterií.
Sršeň východní byla vždy nápadná svým chováním. Zatímco jiné sršně vykazují největší aktivitu za soumraku nebo dokonce v noci, sršeň východní má největší elán v poledne za nejvyšších teplot, které ve středomoří dokážou být opravdu vysoké. Svá hnízda hloubí v zemi a materiál odnáší cca 10 m od hnízda. Právě k této práci si vybírají část dne, kdy nejvíce praží slunce. Je zřejmé, že takový rozmar musí být přímo podporován hardwarově, protože přímé polední slunce může být pro hmyz smrtící.
Kávové zabarvení většiny povrchu těla má na svědomí melaninMelanin – skupina biologických pigmentů, zodpovídajících například za barvu kůže, vlasů a očí. Díky svým fotochemickým vlastnostem zajišťuje ochranu organizmů před poškozením zejména ultrafialovým zářením. Rozlišujeme hnědý až černý eumelanin, podmiňující například zbarvení hnědých či černých vlasů, žlutý až červenohnědý feomelanin, zodpovědný za zbarvení rtů či prsních bradavek u bělochů a zrzavých vlasů, a neuromelanin, vyskytující se ve specializovaných strukturách mozku. Relativní nadbytek feomelaninu u žen vysvětluje odlišný odstín kůže oproti mužům z téže populace. Tvorba melaninu v organizmu je stimulována ozářením UVB zářením.. Tentýž melanin, který chrání před ultrafialovým světlem i lidi. V tuto chvíli opouštíme biologii a přecházíme ke kvantové fyzice. Nejprve jen nenápadně, k záření absolutně černého tělesa, které již klasická fyzika vysvětlit nedokáže. Díky tmavé barvě melaninu se sršeň formou vyzařování snadněji zbavuje přebytečného tepla. Ovšem jen při práci ve stínu. Naopak, při výletech na přímé světlo je tmavá barva nevýhodná, a proto zde musí fungovat ještě jiný mechanizmus. Ten se skrývá ve žlutých skvrnách.
Živé sluneční baterie
Žluté skvrny na hřbetní části třetího článku zadečku obsahují látku xanthopterinXanthopterin – žlutá krystalická látka vyskytující se v moči savců, na křídlech některých motýlů a v kutikule hmyzu. Ve žlutých skvrnách na zadečku sršně východní funguje jako náplň solárního panelu. , která je zodpovědná za přeměnu světelné energie v energii biochemickou. Při ozáření ultrafialovým světlem vzniká na kutikuleKutikula – nebuněčný obal některých živých organizmů, například hmyzu. Skládá se z povrchové jednovrstvé epikutikuly a vícevrstvé exokutikuly a endokutikuly. elektrický potenciál. Vnější povrch se nabíjí kladně, vnitřní záporně. To má bezprostřední vliv na sršní metabolizmus. Jednak se mění enzymatickáEnzymy – jednoduché či složené bílkoviny, které katalyzují chemické přeměny v živých organizmech. aktivita, jednak se elektrická energie mění na chemickou. Jak sršeň získanou energii využívá, je předmětem dalšího výzkumu. Má se za prokázané, že část energie využívá pro mechanickou práci. Tím se vysvětluje zvýšená aktivita v poledních hodinách. Naopak za chladných rán je schopna nastřádanou energii využít k rychlejšímu prohřátí organizmu.
Granule xanthopterinu s typickou soudečkovitou strukturou.
Zdroj: Naturwissenschaften.
Sršeň východní patří mezi rekordmany v přežití za vysokých teplot. Dokáže nejen přežít, ale dokonce být aktivní i při teplotě 60 °C. Sám proces přeměny světelné energie na elektrickou před žárem poněkud chrání (tato energie se nepřemění v teplo), nicméně nemůže tepelnou bilanci vysvětlit. Je tu odůvodněný předpoklad, že sršeň dokáže xanthopterinXanthopterin – žlutá krystalická látka vyskytující se v moči savců, na křídlech některých motýlů a v kutikule hmyzu. Ve žlutých skvrnách na zadečku sršně východní funguje jako náplň solárního panelu. (nebo jinou složku kutikulyKutikula – nebuněčný obal některých živých organizmů, například hmyzu. Skládá se z povrchové jednovrstvé epikutikuly a vícevrstvé exokutikuly a endokutikuly.) přepnout do inverzního módu a využívat ho jako tepelné čerpadlo, které by ji dokázalo ochladit. Konkrétní práce na toto téma však zatím chybí a nezbývá, než v tomto ohledu zůstat u domněnek.
Postavme si model sršně
V případě samotné výroby elektrické energie však lze mít domněnky za prokázané. Solární článek sršně východní byl nejprve opatrně demontován a podle něj vyroben funkční vzorek. Nejprve bylo třeba prozkoumat kutikuluKutikula – nebuněčný obal některých živých organizmů, například hmyzu. Skládá se z povrchové jednovrstvé epikutikuly a vícevrstvé exokutikuly a endokutikuly.. Kutikula se skládá ze tří vrstev. Vnitřní dvě vykazují jemnou strukturu. Před mikroskopií byla kutikula zmražena v kapalném dusíkuDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium., aby po rozlomení vynikla vnitřní struktura. Ukázalo se, že hnědá kutikula obsahující melaninMelanin – skupina biologických pigmentů, zodpovídajících například za barvu kůže, vlasů a očí. Díky svým fotochemickým vlastnostem zajišťuje ochranu organizmů před poškozením zejména ultrafialovým zářením. Rozlišujeme hnědý až černý eumelanin, podmiňující například zbarvení hnědých či černých vlasů, žlutý až červenohnědý feomelanin, zodpovědný za zbarvení rtů či prsních bradavek u bělochů a zrzavých vlasů, a neuromelanin, vyskytující se ve specializovaných strukturách mozku. Relativní nadbytek feomelaninu u žen vysvětluje odlišný odstín kůže oproti mužům z téže populace. Tvorba melaninu v organizmu je stimulována ozářením UVB zářením. je složena ze třiceti jemných vrstev a žlutá kutikula, obsahující soudečkovité granule xanthopterinuXanthopterin – žlutá krystalická látka vyskytující se v moči savců, na křídlech některých motýlů a v kutikule hmyzu. Ve žlutých skvrnách na zadečku sršně východní funguje jako náplň solárního panelu. , z patnácti. Tloušťka vrstev kolísá mezi 30÷50 nm u vnitřních vrstev a 1÷2 μm u vrstev vnějších.
Absorpční schopnosti hnědé i žluté kutikuly jsou srovnatelné, ale ukázalo se, že po odstranění granulí xanthopterinu je kutikula pro záření s vlnovou délkou větší než 300 nanometrů téměř průhledná. Světlo se tak ke xanthopterinu dostane prakticky bez útlumu.
Zvláštní úlohu hraje nesvrchnější vrstva kutikuly, tzv. epikutikula. Skládá se jen z jedné vrstvy, ale přesto vykazuje složitou strukturu, nejlépe snad popsatelnou jako mřížkování. Ve finále funguje jako antireflexní vrstva, která zaručí, aby se k fotocitlivému xanthopterinu dostalo co nejvíce záření. To může výrazně zvýšit účinnost solárního článku, protože na cylindrický povrch sršně dopadá světlo pod mnoha různými úhly. Nicméně studie se přesným měřením antireflexních schopností při ozáření pod různými úhly nezabývala.
Prototyp solárního článku na bázi xanthopterinu. Zdroj: Naturwissenschaften.
Po fázi reverzního inženýrství již bylo jednoduché vyrobit tzv. DSSC-Dye-Sensitized Solar Cell. Metodou elektroforetické depozice (EPD – ElectroPhoretic Deposition) byly naneseny čtyři 12μm filmy TiO2 na skleněnou destičku pokrytou cínem dopovaným fluorem. Elektrody byly následně po dobu 24 hodin marinovány v lihovém roztoku xanthopterinu. Jako protielektroda byla použita skleněná deska potažená platinou. K osvětlení článku o ploše 0,64 cm2 byla použita xenonováXenon – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny. Je bezbarvý, bez chuti a zápachu, nereaktivní. Chemické sloučeniny tvoří pouze vzácně s fluorem, chlorem a kyslíkem. Xenon objevil William Ramsay v roce 1898. Využívá se v xenonových výbojkách. lampa 250 W kalibrovaná na 100 mWcm−2. Voltampérová charakteristika (viz graf) vykazuje pro proudové hustoty mezi 0,8÷0,9 mAcm−2 plochou závislost až 0,35 V. Pak začne strmě klesat.
V-A charakteristika zkoumaného solárního článku. Zdroj: Naturwissenschaften.
Studie prokázala, že solární článek postavený na bázi xanthopterinu je funkční a sršeň zkoumaný efekt patrně využívá. Nicméně dosažená účinnost pouhých 0,335 % nastoluje mnoho palčivých otázek, které volají po dalších experimentech.
High tech v hmyzí říši
Vzhledem k tomu, že xanthopterin není v živočišném světě látka nikterak vzácná (je například součástí barevných vzorů na křídlech některých motýlů), nabízí se otázka, nakolik je zkoumaný mechanizmus běžný. Je možné, že je pro svou nenápadnost pouze přehlížený.
První řádky dnešního bulletinu byly věnovány nezávazným úvahám o mimozemském životě. Sama sršeň východní se svým high-tech vybavením připadá autorovi článku jako reprezentant mimozemského života. Jeho pocity ani v nejmenším nemírní jiná vlastnost sršně volající po bližším prozkoumání. Tento tvor vybavuje každou buňku plástve mikroskopickým (0,1 mm) zrnkem magnetického nerostu ilmenitu (FeTiO3). Soudí se, že se pak při stavbě hnízda řídí sítí magnetických siločar v hnízdě.
Odkazy
- M.Plotkin, I.Hod, A.Zaban, S.Boden: Solar energy harvesting in the epicuticle of the oriental hornet (Vespa orientalis); The Science of Nature, Oct 2010
- J.Ishay, Z.Barkay, N.Eliaz, M.Plotkin: Gravity orientation in social wasp comb cells (Vespinae) and the possible role of embedded minerals; The Science of Nature, May 2008
- Matt Walker: Oriental hornets powered by 'solar energy'; Earth News, 6 Dec 2010
- Michael Marshall: Zoologger: The solar-powered electric hornet; New Scientist, 10 Nov 2010
