Да, именно такой комментарий оставил мой подписчик, и действительно, прямо в клетках нашего организма сегодня трудятся митохондрии, которые вырабатывают универсальный для всего живого источник энергии в виде молекулы АТФ.
Но если серьёзно, то могут ли митохондрии обеспечить энергетическую безопасность нашей планеты?
Митохондриям, как наноэнергетическим фабрикам внутри наших клеток, часто приписывают альтернативные свойства производства энергии. Например, что в них протекают процессы холодного ядерного синтеза (ХЯС).
А то почему-то по-другому объяснить ту "гигантскую энергию", которую вырабатывают митохондрии, у некоторых не получается. Всё-таки в 100 000 раз мощнее самого Солнца...
Что в принципе на нашей планете, может быть мощнее энергии Солнца?
- Да по сути, даже пендель по пятой точке, будет мощнее энергии Солнца, с уточнением — на единицу массы.
Итак, митохондрии — это все-таки органеллы, находящиеся внутри клеток животных и растений, и они не могут полноценно функционировать вне клеточной среды.
То есть митохондрии преобразуют химические связи одних молекул в химические связи других молекул (АТФ).
И тут получается несостыковочка, дело в том, что в реакции термоядерного синтеза, которые идут на Солнце, например, слияния двух атомов водорода в гелий, выделяется около 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт) на одну реакцию, в пересчете на 1 килограмм водорода (тритий и дейтерий) получаем чистый выход в примерно 630 тераджоулей, и это в 20 миллионов раз больше по выработке энергии, чем типичные химические реакции, такие как сгорание (окисление).
Но вдруг в митохондриях идут реакции холодного ядерного синтеза? Это бы всё поменяло, однако сегодня достоверно известно как и какие реакции участвуют в производстве молекул аденозинтрифосфата (АТФ).
Синтез АТФ производится через процесс, называемый окислительным фосфорилированием, который происходит во внутренней мембране митохондрий.
Переходим к самому интересному — пересчету выработанной энергии.
Так сколько энергии вырабатывают митохондрии и смогут ли они обеспечить энергетическую безопасность России или мира?
Молекула АТФ хранит примерно 30,5 кДж/моль. Это довольно много, учитывая, что 1 моль молекул АТФ весит приблизительно 507 грамм, если я правильно посчитал:
- Углерод (С) - 120,1 г/моль;
- Водород (H) - 16,16 г/моль;
- Азот (N) - 70,05 г/моль;
- Кислород (O) - 208 г/моль;
- Фосфор (P) - 92,91 г/моль.
Учитывая, что митохондрия производит от 1 до 10 миллионов молекул АТФ в секунду (в зависимости от уровня активности в клетках), то энергетически выход одной митохондрии на пике своей производительности составит 0,506 пДж (пикоджоулей).
Тогда, скажем, для производства 1 кВт*ч энергии потребуется 7,11 × 10^22 (10 в 22 степени) молекул АТФ, в пересчете на массу (выраженную через моль) получаем общий вес в примерно 59,9 грамм.
Очень даже неплохо, учитывая, что почти 60 грамм молекул АТФ будут давать нам 3,6 МДж энергии.
Так, молекула АТФ в качестве аккумулятора энергии превосходит лучшие литий-ионные батареи (270 Вт·ч/кг) примерно в 61,7 раза!
Круто же, биоэнергетика решает!
Но, одно дело масса молекул АТФ, другое - количество митохондрий, для производства такого количества энергии. Учитывая, что одна митохондрия способна произвести до 0,506 пДж энергии, то для 1 кВт·ч энергии потребуется примерно 1,98 × 10^15 митохондрий.
Сколько весит одна митохондрия? Вот тут конкретной цифры я так и не нашел, видимо, никто её не пытался взвесить.
Однако массу можно вычислить по косвенным признакам, так, в среднем клетка содержит около 2000 митохондрий (в клетках сердца их более 5000, в яйцеклетках более 10000, а митохондрии в колбочках наших фоторецепторов и вовсе занимают 80% объёма клетки).
И, судя по прочитанным статьям ключевого запроса «mitochondrial mass» на ресурсе «PubMed»:
Средняя масса одной митохондрии составляет примерно 10 в минус 15 степени кг, учитывая это, то для выработки 1 кВт*ч энергии потребуется примерно 1,978 кг митохондрий.
Так получаем, что почти 2 килограмма чистых митохондрий будут производить 1000 Ватт мощности, или 3,6 МДж энергии в час.
Учитывая, что человечество в 2023 году потребляло в среднем около 20,6 тераватт (ТВт) мощности в год (примерно 650 эксаджоулей за год), то для удовлетворения энергетических потребностей человечества потребуется примерно 40,8 миллиарда килограммов митохондрий.
Учитывая, что в одном человеке весом в 70 кг содержится около 1,05 кг митохондрий, то для выработки 650 эксаджоулей энергии в год потребуется около 38,85 миллиарда человек.
С чем это сравнить?
Например, ветроэнергетическая станция мощностью 4,2 МВт весом примерно 310 тонн будет обладать удельной мощностью на пике своей производительности в 13,55 Вт/кг.
А реактор АЭС?
Удельная электрическая мощность российского ядерного реактора типа ВВЭР-1200 составляет 1061,95 Вт/кг, а общая удельная мощность (тепловая) — примерно 2832 Вт/кг.
Удельная мощность митохондрий составляет примерно 505,55 Вт/кг.
Так что не выйдет из митохондрий сделать спасительный энергоисточник, даже если предположить, что каким-то образом мы заставим их работать как самостоятельные организмы вне клеток, а Россию великой державой делает атомная энергетика.
Но все же подписчик прав, митохондрии вырабатывают на единицу массы больше энергии, чем самые мощные звезды во вселенной. Правда, и обычный ветрогенератор вырабатывает больше энергии на единицу массы, чем звезды.
Например удельная мощность нашего Солнца составляет всего 0,0001925 Вт/кг.
А звезда UY Щита, одна из самых больших и самых ярких известных звёзд в известной нам Вселенной, имеет удельную мощность примерно в 2,24 Вт/кг.
Подписчик даже сильно (на два порядка) приуменьшил энергетические возможности митохондрий, ибо по расчетам 1 грамм митохондрий вырабатывает примерно в 2,626 миллиона раз больше энергии, чем 1 грамм массы Солнца.
Но и футболист бьет по мячу с удельной энергией в сотни тысяч раз больше, чем у Солнца, так что вырабатывать энергию придется по старинке, ибо практически все источники энергии, которые человек может полезно использовать, по удельной мощности будут превосходить Солнце.
Даже старенький мотор от ВАЗ 2103 имеет удельную мощность — 435 ватт на 1 кг, что почти как у митохондрий.
