Первичная переработка нефти, ее фракционный состав и устройство ректификационных колонн для перегонки нефти

Нефть состоит из множества компонентов — фракций, — свойства, область применения и технологии переработки которых различны. Первичные процессы нефтеперерабатывающего производства позволяют выделить отдельные фракции, подготовив тем самым сырье для дальнейшего получения всем нам хорошо знакомых товарных продуктов — бензина, дизеля, керосина и многих других

Стабильность прежде всего

Прежде чем попасть на производство, нефть еще на промысле проходит первоначальную подготовку. При помощи газонефтяных сепараторов из нее удаляют наиболее легкие, газообразные составляющие. Это попутный нефтяной газ (ПНГ), состоящий преимущественно из метана, этана, пропана, бутана и изобутана, то есть из углеводородов, в молекулах которых содержится от одного до четырех атомов углерода (от Ch5 до C4h20). Этот процесс называется стабилизацией нефти — подразумевается, что после него нефть будет сохранять свой углеводородный состав и основные физико-химические свойства при транспортировке и хранении.

Объективно говоря, разгазирование пластовой нефти начинается еще в скважине по мере продвижения ее наверх: из-за падения давления в жидкости газ из нее постепенно выделяется. Таким образом, наверху приходится иметь дело уже с двухфазным потоком — нефть / попутный газ. Их совместное хранение и транспортировка оказываются экономически невыгодными и затруднительными с технологической точки зрения. Чтобы переместить двухфазный поток по трубопроводу, необходимо создать в нем условия постоянного перемешивания, чтобы газ не отделялся от нефти и не создавал в трубе газовые пробки. Все это требует дополнительных затрат. Намного проще оказывается пропустить газонефтяной поток через сепаратор и максимально отделить от нефти ПНГ. Получить абсолютно стабильную нефть, составляющие которой совсем не будут испаряться в атмосферу, практически невозможно. Некоторое количество газа все равно останется и будет извлечено в процессе нефтепереработки.

Кстати, сам попутный нефтяной газ — это ценное сырье, которое может использоваться для получения электроэнергии и тепла, а также в качестве сырья для нефтехимических производств. На газоперерабатывающих заводах из ПНГ получают технически чистые отдельные углеводороды и их смеси, сжиженные газы, серу.

Из истории дистилляции

Дистилляция, или перегонка, — процесс разделения жидкостей путем их испарения и последующей конденсации. Считается, что впервые этот процесс освоили в Древнем Египте, где он применялся при получении из кедровой смолы масла для бальзамирования тел умерших. Позднее смолокурением для получения кедрового масла занимались и римляне. Для этого горшок со смолой ставили на огонь и накрывали шерстяной материей, на которой собиралось масло.

Аристотель описал процесс дистилляции в своей работе «Метеорология», а также упоминал вино, пары которого могу вспыхнуть — косвенно подтверждение того, что его предварительно могли подвергнуть перегонке, чтобы повысить крепость. Из других источников известно, что вино перегоняли в III веке до н. э. в Древнем Риме, правда, не для получения бренди, а для изготовления краски.

Следующие упоминания дистилляции относятся к I веку н. э. и связаны с работами александрийских алхимиков. Позднее этот метод у греков переняли арабы, которые активно использовали его в своих опытах. Также достоверно известно, что дистилляцией алкоголя в XII веке занимались в Салернской врачебной школе. В те времена, впрочем, дистилляты спирта употреблялись не как напиток, а в качестве лекарства. В XIII веке флорентийский медик Тадео Альдеротти впервые осуществил фракционирование (разделение) смеси жидкостей. Первая книга, целиком и полностью посвященная вопросам дистилляции, была опубликована в 1500 году немецким врачом Иеронимом Бруншвигом.

Долгое время для перегонки применялись достаточно простые устройства — аламбик (медный сосуд с трубкой для отвода пара) и реторта (стеклянная кол-ба с узким и длинным наклонным носиком). Техника стала совершенствоваться в XV веке. Однако предшественники современных ректификационных колонн для перегонки нефти, в которых происходит теплообмен между противонаправленными потоками жидкости и пара, появились лишь в середине XIX века. Они позволили получать спирт крепостью 96% с высокой степенью очистки.

Также на месторождении от нефти отделяют воду и механические примеси. После этого она поступает в магистральный нефтепровод и отправляется на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ). Прежде чем приступить к переработке, нефть необходимо очистить от содержащихся в ней солей (хлоридов и сульфатов натрия, кальция и магния), которые вызывают коррозию оборудования, оседают на стенках труб, загрязняют насосы и клапаны. Для этого используются электрообессоливающие установки (ЭЛОУ). Нефть смешивают с водой, в результате чего возникает эмульсия — микроскопические капельки воды в нефти, в которых растворяется соль. Получившуюся смесь подвергают воздействию электрического поля, из-за чего капли соленой воды сливаются друг с другом и затем отделяются от нефти.

Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и неуглеводородных соединений. С помощью первичной перегонки ее можно разделить только на части — дистилляты, содержащие менее сложную смесь. из-за сложного состава нефтяные фракции выкипают в определенных температурных интервалах.

Фракционный состав

Многие процессы на НПЗ требуют подогрева нефти или нефтепродуктов. Для этого используются трубчатые печи. Нагрев сырья до требуемой температуры происходит в змеевиках из труб диаметром 100–200 мм.

Нефть состоит из большого количества разных углеводородов. Их молекулы различаются массой, которая, в свою очередь, определяется количеством составляющих их атомов углерода и водорода. Чтобы получить тот или иной нефтепродукт, нужны вещества с совершенно определенными характеристиками, поэтому переработка нефти на НПЗ начинается с ее разделения на фракции.

Согласно исследованию нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, проведенному Американским нефтяным институтом, номенклатура нефтепродуктов, выпускаемых на современных НПЗ и имеющих индивидуальные спецификации, насчитывает более 2000 пунктов.

В одной фракции нефти могут содержаться молекулы разных углеводородов, но свойства большей части из них близки, а молекулярная масса варьируется в определенных пределах. Разделение фракций происходит путем перегонки нефти (дистилляции), основанной на том, что у разных углеводородов температура кипения различается: у более легких она ниже, у более тяжелых — выше.

Основные фракции нефти определяют по интервалам температур, при которой кипят входящие в них углеводороды: бензиновая фракция — 28—150°C, керосиновая фракция — 150—250°C, дизельная фракция, или газойль, — 250—360°C, мазут — выше 360°C. Например, при температуре 120°C большая часть бензина уже испарилась, но керосин и дизельное топливо находятся в жидком состоянии. Когда температура поднимается до 150°C, начинает кипеть и испаряться керосин, после 250°C — дизель.

Существует ряд специфических названий фракций, используемых в нефтепереработке. Так, например, головной пар — это наиболее легкие фракции нефти, полученные при первичной переработке. Их разделяют на газообразную составляющую и широкую бензиновую фракцию. Боковые погоны — это керосиновая фракция, легкий и тяжелый газойль.

От колонны к колонне

Ректификационная колонна

Ректификационная колонна — вертикальный цилиндр, внутри которого расположены специальные перегородки (тарелки или насадки). Пары нагретой нефти подаются в колонну и поднимаются вверх. Чем более легкие фракции испаряются, тем выше они поднимутся в колонне. Каждую тарелку, расположенную на определенной высоте, можно рассматривать как своего рода фильтр — в прошедших ее парах остается все меньшее количество тяжелых углеводородов. Часть паров, конденсировавшихся на определенной тарелке или не достигнув ее, стекает вниз. Эта жидкость, носящая название флегмы, встречается с поднимающимся паром, происходит теплообмен, в результате которого низкокипящие составляющие флегмы снова превращаются в пар и поднимаются вверх, а высококипящие составляющие пара конденсируются и стекают вниз с оставшейся флегмой. Таким образом удается достичь более точного разделения фракций. Чем выше ректификационная колонна и чем больше в ней тарелок, тем более узкие фракции можно получить. На современных НПЗ высота колонн превышает 50 м.

Простейшую атмосферную перегонку нефти можно провести путем обычного нагревания жидкости и дальнейшей конденсации паров. Весь отбор здесь заключается в том, что собирается конденсат паров, образовавшихся в разных интервалах температуры кипения: сначала выкипают и затем конденсируются легкие низкокипящие фракции, а затем средние и тяжелые высококипящие фракции углеводородов. Конечно, при таком способе говорить о разделении на узкие фракции не приходится, так как часть высококипящих фракций переходит в дистиллят, а часть низкокипящих не успевает испариться в своем температурном диапазоне. Чтобы получить более узкие фракции, применяют перегонку с ректификацией, для чего строят ректификационные колонны

50
метров и больше может достигать высота ректификационных колонн на современных нпз

Отдельные фракции могут подвергаться и повторной атмосферной перегонке для разделения на более однородные компоненты. Так, из бензинов широкого фракционного состава получают бензольную, толуольную и ксилольную фракции — сырье для получения индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилола). Повторной перегонке и дополнительному разделению могут подвергать и дизельную фракцию.

Перегонка нефти на современных атмосферных установках может осуществляться как однократное испарение в одной ректификационной колонне, двукратное испарение в двух последовательно расположенных колоннах или перегонка с предварительным испарением легких фракций в колонне предварительного испарения.

Перегонка нефти на современных атмосферных установках и на атмосферных секциях комбинированных установок может осуществляться разными способами: как однократное испарение в одной ректификационной колонне, двукратное испарение в двух последовательно расположенных колоннах или перегонка с предварительным испарением легких фракций в колонне предварительного испарения. Так-же ректификационные колонны могут быть вакуумными, где конденсация паров происходит при минимальном давлении.

Фракции, кипящие при температуре свыше 360°C, при атмосферной перегонке (перегонке при атмосферном давлении) не отделяются, так как при более высокой температуре начинается их термическое разложение (крекинг): крупные молекулы распадаются на более мелкие и состав сырья меняется. Чтобы этого избежать, остаток атмосферной дистилляции (мазут) подвергают перегонке в вакуумной колонне. Так как в вакууме любая жидкость кипит при более низкой температуре, это позволяет разделить и более тяжелые составляющие. На этом этапе выделяются фракции смазочных масел, сырье для термического или каталитического крекинга, гудрон.

Перегонка нефти на современных атмосферных установках и на атмосферных секциях комбинированных установок может осуществляться разными способами: как однократное испарение в одной ректификационной колонне, двукратное испарение в двух последовательно расположенных колоннах или перегонка с предварительным испарением легких фракций в колонне предварительного испарения. Также ректификационные колонны могут быть вакуумными, где конденсация паров происходит при минимальном давлении.

Фракции, кипящие при температуре свыше 360°C, при атмосферной перегонке (перегонке при атмосферном давлении) не отделяются, так как при более высокой температуре начинается их термическое разложение (крекинг): крупные молекулы распадаются на более мелкие и состав сырья меняется. Чтобы этого избежать, остаток атмосферной дистилляции (мазут) подвергают перегонке в вакуумной колонне. Так как в вакууме любая жидкость кипит при более низкой температуре, это позволяет разделить и более тяжелые составляющие. На этом этапе выделяются фракции смазочных масел, сырье для термического или каталитического крекинга, гудрон.

В ходе первичной переработки получают разные виды сырья, которые затем будут подвергаться химическим преобразованиям в рамках вторичных процессов. У них уже привычные названия — бензин, керосин, дизель, — но они еще не соответствуют требованиям к товарным нефтепродуктам. Их дальнейшая трансформация необходима, чтобы улучшить потребительские качества, очистить, создать продукты с заданными характеристиками и повысить глубину переработки нефти.

Металлы — это… Что такое Металлы?

О соответствующем направлении рок-музыки см. Метал.

Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Из 118^[1]химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

6 элементов в группе щелочных металлов,

6 в группе щёлочноземельных металлов,

38 в группе переходных металлов,

11 в группе лёгких металлов,

7 в группе полуметаллов,

14 в группе лантаноиды + лантан,

14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,

вне определённых групп бериллий и магний.

Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.

В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия (см. Металличность).

Происхождение слова «металл»

Слово «металл» заимствовано из немецкого языка в старорусский период. Отмечается в «Травнике» Николая Любчанина, написанном в 1534 году: «…злато и сребро всех металей одолеваетъ». Окончательно усвоено в Петровскую эпоху. Первоначально имело общее значение «минерал, руда, металл»; разграничение этих понятий произошло в эпоху М.В. Ломоносова.

Немецкое слово «metall» заимствовано из латинского языка, где «metallum» – «рудник, металл». Латинское в свою очередь заимствовано из греческого языка (μεταλλον – «рудник, копь»).^[2]

Нахождение в природе

Бо́льшая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах (играя при этом важную роль).

Известно, что организм человека на 3 % состоит из металлов^[3]. Больше всего в наших клетках кальция и натрия, сконцентрированного в лимфатических системах. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь — в печени, железо — в крови.

Добыча

Металлы часто извлекают из земли средствами горной промышленности, результат — добытые руды — служат относительно богатым источником необходимых элементов. Для выяснения нахождения руд используются специальные поисковые методы, включающие разведку руд и исследование месторождений. Месторождения, как правило, делятся на карьеры (разработки руд на поверхности), в которых добыча ведётся путем извлечения грунта с использованием тяжелой техники, а также — на подземные шахты.

Из добытой руды металлы извлекаются, как правило, с помощью химического или электролитического восстановления. В пирометаллургии для преобразования руды в металлическое сырьё используются высокие температуры, в гидрометаллургии применяют для тех же целей водную химию. Используемые методы зависят от вида металла и типа загрязнения.

Когда металлическая руда является ионным соединением металла и неметалла, для извлечения чистого металла она обычно подвергается выплавлению — нагреву с восстановителем. Многие распространенные металлы, такие как железо, плавят с использованием в качестве восстановителя углерода (получаемого из сжигания угля). Некоторые металлы, такие как алюминий и натрий, не имеют ни одного экономически оправданного восстановителя и извлекаются с применением электролиза.^[4][5]

Сульфидные руды не улучшаются непосредственно до получения чистого металла, но обжигаются на воздухе, с целью преобразования их в окислы.

Свойства металлов

Характерные свойства металлов

Физические свойства металлов

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.

Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:^[6]

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света — это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий — из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Химические свойства металлов

На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

Реакции с простыми веществами

• С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

оксид лития
пероксид натрия
надпероксид калия
Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:

Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

• С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

При нагревании:

• С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:

Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:

• С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

• С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.

Взаимодействие кислот с металлами

С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода

Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

Взаимодействие серной кислоты H

₂SO₄ с металлами

Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

Реакции для азотной кислоты (HNO

₃) Продукты взаимодействия железа с HNO₃ разной концентрации

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:

Легирование

Легирование — это введение в расплав дополнительных элементов, модифицирующих механические, физические и химические свойства основного материала.

Микроскопическое строение

Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решётке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.).

Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по стандартному ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твёрдых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешённые зоны, причём зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.

Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, т. е. течёт электрический ток.

Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск).

Некоторые металлы

1. Щелочные:
2. Щёлочноземельные:
3. Переходные:
4. Лёгкие:
5. Другие:

Применение металлов

Конструкционные материалы

Металлы и их сплавы — одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Электротехнические материалы

Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.).

Инструментальные материалы

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика.

История развития представлений о металлах

Знакомство человека с металлами началось с золота, серебра и меди, то есть с металлов, встречающихся в свободном состоянии на земной поверхности; впоследствии к ним присоединились металлы, значительно распространенные в природе и легко выделяемые из их соединений: олово, свинец, железо и ртуть. Эти семь металлов были знакомы человечеству в глубокой древности. Среди древнеегипетских артефактов встречаются золотые и медные изделия, которые, по некоторым данным, относятся к эпохе, удаленной на 3000—4000 лет от н. э.

К семи известным металлам уже только в средние века прибавились цинк, висмут, сурьма и в начале XVIII столетия мышьяк. С середины XVIII века число открытых металлов быстро возрастает и к началу XX столетия доходит до 65, а к началу XXI века — до 96.

Ни одно из химических производств не способствовало столько развитию химических знаний, как процессы, связанные с получением и обработкой металлов; с историей их связаны важнейшие моменты истории химии. Свойства металлов так характерны, что уже в самую раннюю эпоху золото, серебро, медь, свинец, олово, железо и ртуть составляли одну естественную группу однородных веществ, и понятие о «металле» относится к древнейшим химическим понятиям. Однако воззрения на их натуру в более или менее определенной форме появляются только в средние века у алхимиков. Правда, идеи Аристотеля о природе: образовании всего существующего из четырёх элементов (огня, земли, воды и воздуха) уже тем самым указывали на сложность металлов; но эти идеи были слишком туманны и абстрактны. У алхимиков понятие о сложности металлов и, как результат этого, вера в возможность превращать одни металлы в другие, создавать их искусственно, является основным понятием их миросозерцания. Это понятие есть естественный вывод из той массы фактов, относящихся до химических превращений металлов, которые накопились к тому времени. В самом деле, превращение металла в совершенно непохожую на них окись простым прокаливанием на воздухе и обратное получение металла из окиси, выделение одних металлов из других, образование сплавов, обладающих другими свойствами, чем первоначально взятые металлы, и прочее — всё это как будто должно было указывать на сложность их натуры.

Что касается собственно до превращения металлов в золото, то вера в возможность этого была основана на многих видимых фактах. В первое время образование сплавов, цветом похожих на золото, например из меди и цинка, в глазах алхимиков уже было превращением их в золото. Им казалось, что нужно изменить только цвет, и свойства металла также станут другими. В особенности много способствовали этой вере плохо поставленные опыты, когда для превращения неблагородного металла в золото брались вещества, содержавшие примесь этого золота. Например, уже в конце XVIII столетия один копенгагенский аптекарь уверял, что химически чистое серебро при сплавлении с мышьяком отчасти превращается в золото. Этот факт был подтвержден известным химиком Гитоном де Морво и наделал много шума. Вскорости потом было показано, что мышьяк, служивший для опыта, содержал следы серебра с золотом.

Так как из семи известных тогда металлов одни легче подвергались химическим превращениям, другие труднее, то алхимики делили их на благородные — совершенные, и неблагородные — несовершенные. К первым принадлежали золото и серебро, ко вторым медь, олово, свинец, железо и ртуть. Последняя, обладая свойствами благородных металлов, но в то же время резко отличаясь от всех металлов своим жидким состоянием и летучестью, чрезвычайно занимала тогдашних ученых, и некоторые выделяли её в особую группу; внимание, привлекавшееся ей, было так велико, что ртуть стали считать в числе элементов, из которых образованы собственно металлы, и в ней именно видели носителя металлических свойств. Принимая существование в природе перехода одних металлов в другие, несовершенных в совершенные, алхимики предполагали, что в обычных условиях это превращение идет чрезвычайно медленно, целыми веками, и, может быть, не без таинственного участия небесных светил, которым в тогдашнее время приписывали такую большую роль и в судьбе человека. По совпадению, известных тогда металлов было семь, как и известных тогда планет, а это ещё более указывало на таинственную связь между ними. У алхимиков металлы часто носят название планет; золото называется Солнцем, серебро — Луной, медь — Венерой, олово — Юпитером, свинец — Сатурном, железо — Марсом и ртуть — Меркурием. Когда были открыты цинк, висмут, сурьма и мышьяк, тела, во всех отношениях схожие с металлами, но у которых одно из характернейших свойств металла, ковкость, развито в слабой степени, то они были выделены в особую группу — полуметаллов. Деление металлов на собственно металлы и полуметаллы существовало ещё в середине XVIII столетия.

Определение состава металла первоначально было чисто умозрительным. В первое время алхимики принимали, что они образованы из двух элементов — ртути и серы. Происхождение этого воззрения неизвестно, оно имеется уже в VIII столетии. По Геберу доказательством присутствия ртути в металлах служит то, что она их растворяет, и в этих растворах индивидуальность их исчезает, поглощается ртутью, чего не случилось бы, если бы в них не было одного общего с ртутью начала. Кроме того, ртуть со свинцом давала нечто похожее на олово. Что касается серы, то, может быть, она взята потому, что были известны сернистые соединения, по внешнему виду схожие с металлами. В дальнейшем эти простые представления, вероятно, вследствие безуспешных попыток получения металлов искусственно, крайне усложняются, запутываются. В понятиях алхимиков, например Х—XIII столетий, ртуть и сера, из которых образованы металлы, не были теми ртутью и серой, которые имели в руках алхимики. Это было только нечто схожее с ними, обладающее особыми свойствами; нечто такое, которое в обыкновенной сере и ртути существовало реально, было выражено в них в большей степени, чем в других телах. Под ртутью, входящей в состав металлов, представляли нечто, обуславливающее неизменяемость их, металлический блеск, тягучесть, одним словом, носителя металлического вида; под серой подразумевали носителя изменяемости, разлагаемости, горючести металлов. Эти два элемента находились в металлах в различном соотношении и, как тогда говорили, различным образом фиксированные; кроме того, они могли быть различной степени чистоты. По Геберу, например, золото состояло из большого количества ртути и небольшого количества серы в высшей степени чистоты и наиболее фиксированных; в олове, напротив, предполагали много серы и мало ртути, которые были не чисты, плохо фиксированы и прочее. Всем этим, конечно, хотели выразить различное отношение металлов к единственному в тогдашнее время могущественному химическому агенту — огню. При дальнейшем развитии этих воззрений двух элементов — ртути и серы — для объяснения состава металлов алхимикам показалось недостаточно; к ним присоединили соль, а некоторые мышьяк. Этим хотели указать, что при всех превращениях металлов остается нечто не летучее, постоянное. Если в природе «превращение неблагородных металлов в благородные совершается веками», то алхимики стремились создать такие условия, в которых этот процесс совершенствования, созревания шёл бы скоро и легко. Вследствие тесной связи химии с тогдашней медициной и тогдашней биологией, идея о превращении металлов естественным образом отождествлялась с идеей о росте и развитии организованных тел: переход, например, свинца в золото, образование растения из зерна, брошенного в землю и как бы разложившегося, брожение, исцеление больного органа у человека — все это были частные явления одного общего таинственного жизненного процесса, совершенствования, и вызывались одними стимулами. Отсюда само собой понятно, что таинственное начало, дающее возможность получить золото, должно было исцелять болезни, превращать старое человеческое тело в молодое и прочее. Так сложилось понятие о чудесном философском камне.

Что касается роли философского камня в превращении неблагородных металлов в благородные, то больше всего существует указаний относительно перехода их в золото, о получении серебра говорится мало. По одним авторам, один и тот же философский камень превращает металлы в серебро и золото; по другим — существуют два рода этого вещества: одно совершенное, другое менее совершенное, и это то последнее и служит для получения серебра. Относительно количества философского камня, требующегося для превращения, указания тоже разные. По одним, 1 часть его способна превратить в золото 10000000 частей металла, по другим — 100 частей и даже только 2 части. Для получения золота плавили какой-нибудь неблагородный металл или брали ртуть и бросали туда философский камень; одни уверяли, что превращение происходит мгновенно, другие же — мало-помалу. Эти взгляды на природу металлов и на способность их к превращениям держатся в общем в течение многих веков до XVII столетия, когда начинают резко отрицать все это, тем более что эти взгляды вызвали появление многих шарлатанов, эксплуатировавших надежду легковерных получить золото. С идеями алхимиков в особенности боролся Бойль: «Я бы хотел знать, — говорит он в одном месте, — как можно разложить золото на ртуть, серу и соль; я готов уплатить издержки по этому опыту; что касается меня, то я никогда не мог этого достигнуть».

После вековых бесплодных попыток искусственного получения металлов и при том количестве фактов, которые накопились к XVII столетию, например о роли воздуха при горении, увеличении веса металла при окислении, что, впрочем, знал ещё Гебер в VIII столетии, вопрос об элементарности состава металла, казалось, был совсем близок к окончанию; но в химии появилось новое течение, результатом которого явилась флогистонная теория, и решение этого вопроса было ещё отсрочено на продолжительное время.

Тогдашних ученых сильно занимали явления горения. Исходя из основной идеи тогдашней философии, что сходство в свойствах тел должно происходить от одинаковости начал, элементов, входящих в их состав, принимали, что тела горючие заключают общий элемент. Акт горения считался актом разложения, распадения на элементы; при этом элемент горючести выделялся в виде пламени, а другие оставались. Признавая взгляд алхимиков на образование металлов из трёх элементов, ртути, серы и соли, и принимая их реальное существование в металле, горючим началом в них нужно было признать серу. Тогда другой составной частью металла нужно было, очевидно, признать остаток от прокаливания металла — «землю», как тогда говорили; следовательно, ртуть тут ни при чём. С другой стороны, сера сгорает в серную кислоту, которую многие, в силу сказанного, считали более простым телом, чем сера, и включили в число элементарных тел. Выходила путаница и противоречие. Бехер, чтобы согласовать старые понятия с новыми, принимал существование в металле земли трех сортов: собственно «землю», «землю горючую» и «землю ртутную». В этих-то условиях Шталь предложил свою теорию. По его мнению, началом горючести служит не сера и не какое-либо другое известное вещество, а нечто неизвестное, названное им флогистоном. Металлы, будто бы, образованы из флогистона и земли; прокаливание металла на воздухе сопровождается выделением флогистона; обратное получение металлов из его земли с помощью угля — вещества, богатого флогистоном — есть акт соединения флогистона с землей. Хотя металлов было несколько и каждый из них при прокаливании давал свою землю, последняя, как элемент, была одна, так что и эта составная часть металла была такого же гипотетического характера, как и флогистон; впрочем, последователи Шталя иногда принимали столько «элементарных земель», сколько было металлов. Когда Кавендиш при растворении металлов в кислотах получил водород и исследовал его свойства (неспособность поддерживать горение, его взрывчатость в смеси с воздухом и проч.), он признал в нём флогистон Шталя; металлы, по его понятиям, состоят из водорода и «земли». Этот взгляд принимался многими последователями флогистонной теории.

Несмотря на видимую стройность теории флогистона, существовали крупные факты, которые никак нельзя было связать с ней. Ещё Геберу было известно, что металлы при обжигании увеличиваются в весе; между тем, по Шталю, они должны терять флогистон: при обратном присоединении флогистона к «земле» вес полученного металла меньше веса «земли». Таким образом выходило, что флогистон должен обладать каким-то особенным свойством — отрицательным тяготением. Несмотря на все остроумные гипотезы, высказанные для объяснения этого явления, оно было непонятно и вызывало недоумение.

Когда Лавуазье выяснил роль воздуха при горении и показал, что прибыль в весе металлов при обжигании происходит от присоединения к металлам кислорода из воздуха, и таким образом установил, что акт горения металлов есть не распадение на элементы, а, напротив, акт соединения, вопрос о сложности металлов был решен отрицательно. Металлы были отнесены к простым химическим элементам, в силу основной идеи Лавуазье, что простые тела суть те, из которых не удалось выделить других тел. С созданием периодической системы химических элементов Менделеевым элементы металлов заняли в ней своё законное место.

См. также

Примечания

Ссылки

Электрохимический ряд активности металлов
Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

ICMM • What are minerals and metals?

Считается, что существует более 4000 различных полезных ископаемых, многие из которых содержат металлы.

Руды представляют собой твердые, природные неорганические вещества, которые залегают в земной коре. Они образовались без вмешательства человека и имеют определенный химический состав и кристаллическую структуру.

Металлы представляют собой простые вещества (например, золото, серебро и медь), которые имеют кристаллическую структуру в твердом состоянии и содержатся в рудах. Для них часто характерны такие свойства, как хорошая электропроводность и теплопроводность, внешний блеск и ковкость. Металлы, которые мы видим в нашей повседневной жизни, производятся путем переработки металлических руд. Для этого, в большинстве случаев, требуются химические вещества и особые технологии.

Распространенные группы металлов

Металлы обычно делят на группы по свойствам или назначению. Названия этих групп не являются точными или научными, однако отражают общее назначение или свойства металлов:

Благородные металлы включают в себя золото, серебро и платину. Около 90 процентов всего золота добывается на золотых приисках. Остальные 10 процентов добываются как побочный продукт при добыче других металлов, таких как медь и никель. Благородные металлы обращаются на мировых рынках и имеют различное назначение — от ювелирных изделий и электронных компонентов до каталитических конвертеров в автомобилях.

Неблагородные металлы включают в себя менее дорогостоящие металлы, главным образом медь, свинец и цинк. В очищенном виде эти металлы обычно обращаются на мировых рынках в различных стандартных формах и размерах. Они представляют собой основные строительные материалы и используются повсюду в мире.

Черные металлы включают в себя металлы с высоким содержанием железа, которое входит во все виды стали. Железо на латыни имеет название ferrum, под которым этот металл известен нам из периодической таблицы Менделеева. К этой группе обычно относят такие металлы, как хром, кобальт, марганец и молибден, поскольку они преимущественно используются для улучшения свойств стали.

Цветные металлы включают в себя алюминий, медь, свинец, магний, никель, олово и цинк, и их основное назначение не связано с выплавкой стали. Обратите внимание, что некоторые из неблагородных металлов также относятся к этой группе, и поэтому выбор группы для классификации металлов зависит от контекста.

Редкоземельные металлы не настолько редко встречаются в земной коре, однако их добыча связана с определенными сложностями. К ним относятся скандий, иттрий, лантан и 14 элементов, следующих за лантаном в периодической таблице (лантанидов). Они повсеместно используются, хотя и в небольших объемах, в производстве стекла, керамики, глазури, магнитов, лазеров и телевизионных трубок, а также в переработке нефти.

Сплавы производятся путем смешивания двух или более металлов для получения нового уникального вещества, химические и физические свойства которого отличаются от свойств составляющих его компонентов. Свыше 90 процентов металлов на сегодняшний используются в сплавах.

Легирующие элементы обычно добавляются к чистым металлам для повышения их прочности или улучшения определенных свойств, таких как коррозионная стойкость, износостойкость и легкость в обработке. Растущие промышленные требования, такие как высокая тугоплавкость, повышенная прочность для использования в системах под давлением, усталостная прочность, легкий вес и упругость, а нередко их комбинации, лежат в основе разработки самых разнообразных сплавов.

Наиболее распространенные сплавы в широком смысле относятся к сталям, В эти изначально прочные сплавы железа и углерода добавляются другие вещества, которые дополнительно усиливают их долговечность и другие характеристики.  Например, в автомобиле встречается более 10 различных стальных сплавов: в кузове, зубчатых передачах, тягах, коленчатых валах и клапанах и так далее.

Эксперты прогнозируют, что спрос на более энергоэффективные системы, информационные технологии и космические исследования станет основным движущим фактором разработки новых сплавов в этом столетии.

1. Материалы и общество | Материалы и потребности человека: материаловедение и инженерия — Том I, История, масштабы и природа материаловедения и инженерии

, социальное использование которого еще невозможно вообразить. В этих случаях, как и в сотнях других случаев, сами материалы вскоре принимаются как должное, как и буквы слова. Безусловно, высшая ценность материала заключается в том, что общество решает делать со всем, что из него сделано, но изменения в «меньших частях», ответственно реагирующие на более крупные движения и структуры, делают возможным развитие новых моделей социальной организации .

Переход, скажем, от камня к бронзе и от бронзы к железу был революционным по своему влиянию, но был относительно медленным с точки зрения временного масштаба. Изменения в области инноваций и применения материалов за последние полвека происходят в период времени, который является скорее революционным, чем эволюционным.

Материальная революция нашего времени является не только количественной, но и качественной. Это порождает установку на целенаправленное творчество, а не на модификацию природных материалов, а также на новый подход — новаторскую организацию науки и технологий.Комбинация этих элементов, составляющая материаловедение и инженерию (MSE), характеризуется новым языком науки и техники, новыми инструментами исследования, новым подходом к структуре и свойствам материалов всех видов, новой взаимозависимостью. научных исследований и технических разработок, а также путем нового сочетания научных усилий с общественными потребностями.

MSE молодая отрасль. До сих пор нет профессиональной организации, воплощающей все ее аспекты, и есть даже некоторые разногласия относительно того, что составляет эту область.Один из новейших элементов — понятие целенаправленного творчества. Тем не менее, MSE отзывчива, а также креативна. Он не только создает новые материалы, иногда до того, как их возможное использование будет признано, но и отвечает новым и различным потребностям нашего сложного и сложного индустриального общества. В каком-то смысле MSE — это сегодняшняя алхимия. Почти волшебным образом он превращает базовые материалы не в золото — хотя он может производить вещества, похожие на золото, — а в вещества, которые более полезны и полезны для человечества, чем этот драгоценный металл.MSE направлена ​​на решение проблем научного и технологического характера, касающихся создания и разработки материалов для конкретных целей; это означает, что он сочетает научные исследования с инженерным применением конечного продукта: о материаловедении и инженерии следует говорить как о «нем», а не «о них».

MSE не только постулирует связь науки и технологий, но и объединяет различные области науки и техники. Из технологий MSE объединяет металлургов, керамистов, инженеров-электриков, инженеров-химиков; со стороны науки он охватывает физиков, химиков-неоргаников, химиков-органиков, кристаллографов и различных специалистов в этих основных областях.

В своем развитии MSE задействовала не только сотрудничество между различными отраслями науки и техники, но и сотрудничество между различными видами организаций. Промышленные корпорации, правительственные агентства и университеты работали вместе, чтобы сформировать контуры и операции этого нового «поля».

В последние годы наблюдается заметное усиление связи между промышленным производством и промышленными исследованиями, а также между промышленными исследованиями и исследованиями в университетах.Исследователь не может игнорировать проблемы производства, а производитель знает, что он может получить от ученого

.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

% PDF-1.4 % 692 0 объект> эндобдж xref 692 74 0000000016 00000 н. 0000005716 00000 н. 0000001776 00000 н. 0000005883 00000 н. 0000006011 00000 н. 0000006610 00000 н. 0000006719 00000 н. 0000007069 00000 н. 0000007095 00000 н. 0000007445 00000 н. 0000007471 00000 н. 0000007614 00000 н. 0000007757 00000 н. 0000008943 00000 н. 0000010146 00000 п. 0000011320 00000 п. 0000011463 00000 п. 0000011840 00000 п. 0000011866 00000 п. 0000012319 00000 п. 0000012345 00000 п. 0000012487 00000 п. 0000013570 00000 п. 0000013924 00000 п. 0000013950 00000 п. 0000014261 00000 п. 0000014287 00000 п. 0000014640 00000 п. 0000014666 00000 п. 0000015017 00000 п. 0000015043 00000 п. 0000015186 00000 п. 0000015319 00000 п. 0000015461 00000 п. 0000015604 00000 п. 0000016483 00000 п. 0000017192 00000 п. 0000017323 00000 п. 0000017349 00000 п. 0000017643 00000 п. 0000018320 00000 п. 0000025168 00000 п. 0000025532 00000 п. 0000026393 00000 п. 0000028744 00000 п. 0000032756 00000 п. 0000033552 00000 п. 0000033691 00000 п. 0000033886 00000 п. 0000034276 00000 п. 0000034345 00000 п. 0000034570 00000 п. 0000034759 00000 п. 0000036722 00000 п. 0000036791 00000 п. 0000036860 00000 п. 0000039386 00000 п. 0000039590 00000 н. 0000039877 00000 п. 0000040131 00000 п. 0000040336 00000 п. 0000040405 00000 п. 0000042477 00000 п. 0000042682 00000 п. 0000042963 00000 п. 0000044146 00000 п. 0000044215 00000 п. 0000044410 00000 п. 0000044615 00000 п. 0000045755 00000 п. 0000045824 00000 п. 0000046855 00000 п. 0000047060 00000 п. 0000047225 00000 п. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 694 0 obj> поток xYiXSg &! d «$% h5` ط [PfDe $» j’i) d! KD @.hE˦Q ܊3 H% LLg

Квантовая биология может помочь разгадать некоторые из величайших загадок жизни

В одной из физических лабораторий Университета Шеффилда несколько сотен фотосинтезирующих бактерий поселились между двумя зеркалами, расположенными на расстоянии менее одного микрометра друг от друга. Физик Дэвид Коулз и его коллеги освещали заполненную микробами полость белым светом, который отражался от клеток таким образом, чтобы команда могла настраиваться, регулируя расстояние между зеркалами. Согласно результатам, опубликованным в 2017 году, эта сложная установка заставляла фотоны света физически взаимодействовать с фотосинтетическим механизмом в нескольких из этих клеток, что команда могла изменить, настроив экспериментальную установку. ¹

То, что исследователи могли контролировать взаимодействие клетки со светом, было само по себе достижением. Но в следующем году пришла более удивительная интерпретация результатов. Когда Коулз и несколько сотрудников повторно проанализировали данные, они обнаружили доказательства того, что природа взаимодействия между бактериями и фотонами света была намного более странной, чем предполагал первоначальный анализ. «Нам показалось неизбежным вывод, что косвенно то, что [мы] действительно наблюдали, было квантовой запутанностью», — говорит физик Оксфордского университета Влатко Ведрал, соавтор обеих статей.

Квантовая запутанность относится к состояниям двух или более частиц, которые взаимозависимы, независимо от расстояния, разделяющего их. Это одна из многих парадоксальных черт субатомного ландшафта, в котором частицы, такие как электроны и фотоны, ведут себя как частицы и волны одновременно, занимают сразу несколько положений и состояний и преодолевают очевидно непроницаемые барьеры. Процессы такого масштаба описываются сложным математическим языком квантовой механики и часто производят эффекты, которые, кажется, противоречат здравому смыслу.(См. Инфографику «Глоссарий: квантовая терминология».) Именно с помощью этого языка Ведрал и его коллеги обнаружили признаки запутывания фотонов и бактерий в данных эксперимента в Шеффилде.

Это почти нелепо и нелепо, что квантовые эффекты должны сохраняться внутри клеток.

— Джим Аль-Халили, Университет Суррея

Исследователи неоднократно демонстрировали запутанность неодушевленных объектов — в 2017 году ученые сообщили, что им удалось сохранить эту взаимозависимость между парами фотонов, разделенными на 1200 километров.Но если предположение Ведрала и его коллег о том, что это явление имеет место у бактерий, верно, исследование могло бы отметить первый раз, когда запутывание было обнаружено внутри живого организма, и добавить к растущему количеству доказательств того, что квантовые эффекты не так необычны в биология, как когда-то считалось. ²

То, что квантовые явления можно наблюдать в беспорядочном мире живых систем, исторически является второстепенной идеей. В то время как квантовые теории точно описывают поведение отдельных частиц, составляющих всю материю, ученые долгое время предполагали, что массовое действие миллиардов частиц, толкающихся вокруг при температуре окружающей среды, заглушает любые странные квантовые эффекты и лучше объясняется более знакомыми правилами классической теории. механика, сформулированная Исааком Ньютоном и другими.Действительно, исследователи, изучающие квантовые явления, часто изолируют частицы при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, при которых почти все движение частиц останавливается, просто чтобы подавить фоновый шум.

«Чем теплее окружающая среда, чем больше она занята и шумнее, тем быстрее исчезают эти квантовые эффекты», — говорит физик-теоретик из Университета Суррея Джим Аль-Халили, соавтор книги 2014 года под названием Life on the Edge , которая принесла так называемая квантовая биология для непрофессиональной аудитории.«Так что это почти нелепо и нелепо, что они должны сохраняться внутри клеток. И все же, если они это сделают — а есть много свидетельств того, что в определенных явлениях они имеют место — тогда жизнь должна делать что-то особенное ».

Аль-Халили и Ведрал являются частью растущей группы ученых, которые сейчас утверждают, что эффекты квантового мира могут быть центральными для объяснения некоторых из величайших загадок биологии — от эффективности ферментного катализа до птичьей навигации к человеческому сознанию — и даже могут даже подлежат естественному отбору.

«Вся область пытается доказать свою точку зрения», — говорит Кьяра Марлетто, физик из Оксфордского университета, сотрудничавшая с Коулзом и Ведралом в работе над статьей о запутывании бактерий. «То есть не только квантовая теория применима к этим [биологическим системам], но и позволяет проверить, используют ли эти [системы] квантовую физику для выполнения своих функций».

Ферментный катализ: туннель через барьер Традиционные теории ферментного катализа утверждают, что белки ускоряют реакции за счет снижения энергии активации.Но некоторые исследователи утверждают, что квантовый трюк, известный как туннелирование, также играет роль, и что структура активных центров ферментов могла развиться, чтобы воспользоваться этим явлением. См. Полную инфографику: WEB | PDF © LUCY READING-IKKANDA A Многие химические реакции не могут происходить самопроизвольно с помощью энергетического барьера, известного как энергия активации. B Ферменты снижают этот барьер, стабилизируя промежуточное или «переходное» состояние, которое позволяет реакции (такой как движение атома водорода внутри молекулы) происходить. C Промежуточное состояние можно обойти, если частицы внутри молекулы переносятся посредством квантового туннелирования, когда частица практически мгновенно пересекает барьер с определенной вероятностью.

Квантовые эффекты в фундаментальных реакциях биологии

К середине 1980-х биохимик Джудит Клинман из Калифорнийского университета в Беркли была убеждена, что традиционное объяснение ферментного катализа неполно.Современные теории утверждали, что ферменты взаимодействуют с субстратами на основе формы и классической механики, физически объединяя субстраты в их активных центрах и стабилизируя переходные состояния молекулярной структуры для ускорения скорости реакции в триллион раз и более. Но Клинман получал странные результаты в экспериментах in vitro с ферментом, извлеченным из дрожжей.

Катализируя окисление бензилового спирта до бензальдегида, фермент алкогольдегидрогеназа сдвигает атом водорода из одного положения в другое.Неожиданно, когда Клинман и ее коллеги заменили определенные атомы водорода в подложке более тяжелыми изотопами дейтерия и трития, реакция резко замедлилась. Хотя классические объяснения ферментного катализа допускали умеренные изотопные эффекты, они не могли объяснить большое падение скорости, которое наблюдал Клинман. «То, что мы видели, было отклонением от существующих теорий», — говорит она.

Ее команда продолжала исследования и в 1989 году опубликовала объяснение, основанное на идеях, уже циркулирующих среди исследователей ферментов: катализ включает квантовый трюк, называемый туннелированием. ³ Квантовое туннелирование похоже на прорыв футбольного мяча через холм, объясняет Аль-Халили, где футбольный мяч — это электрон или другая частица, а холм — это энергетический барьер, препятствующий возникновению реакции. «В классическом мире вы должны пнуть его достаточно сильно, чтобы подняться на холм и спуститься с другой стороны», — говорит он. «В квантовом мире это не обязательно. Он может подняться на полпути, исчезнуть и снова появиться на другой стороне ».

В этой и последующих статьях команда Клинмана утверждала, что во время катализа окисления бензилового спирта и многих других реакций перенос водорода происходит с помощью туннелирования.Это помогает объяснить, почему дейтерий и тритий часто задерживают реакции — более тяжелые частицы хуже туннелируют и могут затруднить туннелирование для других частиц в той же молекуле. По словам Аль-Халили, эффекты, наблюдаемые группой Клинмана, с тех пор были воспроизведены другими лабораториями для множества ферментов и являются одними из самых убедительных доказательств квантовых эффектов в биологических системах. (См. Инфографику.)

Но, хотя сейчас общепризнано, что туннелирование происходит при биологическом катализе, исследователи разделились во мнениях о том, насколько это важно и может ли оно подвергаться естественному отбору.Химик Ричард Финке из Университета штата Колорадо, например, показал, что некоторые реакции демонстрируют изотопные эффекты в одинаковой степени независимо от того, присутствует фермент или нет, предполагая, что маловероятно, что ферменты особенно приспособлены для усиления эффектов туннелирования в реакциях, которые они катализируют. ⁴ Также неясно, насколько туннелирование ускоряет реакции; некоторые исследователи утверждают, что этот эффект обычно способствует лишь небольшому ускорению процессов, управляемых в основном классической механикой.

Фотосинтез: пройдены все пути Во время светособирающей реакции фотосинтеза у растений и некоторых микробов фотон возбуждает электрон в молекуле хлорофилла, чтобы создать структуру, называемую экситоном — сущность, содержащую как возбужденные, так и возбужденные. электрон и положительно заряженная дыра, которую он оставляет. Затем этот экситон переносится через другие молекулы хлорофилла, пока не достигнет белкового комплекса, называемого реакционным центром. Традиционная модель Согласно традиционной или «некогерентной» модели этого процесса, путь экситона к реакционному центру более или менее случайен.Поскольку в процессе передачи может быть потеряна энергия, такой путь может оказаться расточительным. Квантовая модель Напротив, если процесс передачи энергии является «квантово-когерентным», так что экситон движется как волна, он может исследовать все возможные пути одновременно и выбирать только наиболее эффективный маршрут. См. Полную инфографику: WEB | PDF © LUCY READING-IKKANDA

Клинман считает, что туннелирование ферментов гораздо более фундаментально.«Мы считаем, что ферменты создают очень точные и компактные структуры активных сайтов», которые способствуют туннелированию, — говорит она. Она отмечает, что во время катализа, например, ферменты изменяют конформацию таким образом, что они могут сблизить донорные и акцепторные участки водорода — в пределах примерно 0,27 нанометра друг от друга — чтобы облегчить туннелирование.

Ее группа преследовала эту идею, изменяя активные центры ферментов и наблюдая, как скорость реакции и изотопные эффекты меняются in vitro. Ранее в этом году, например, команда создала версию липоксигеназы сои, которая слегка искажает свои субстраты, что должно сделать неблагоприятным туннелирование водорода.По сравнению с диким типом каталитическая сила мутантного фермента на четыре порядка ниже, и он гораздо более чувствителен к замене водорода дейтерием. ⁵

Исследователи все еще проводят количественную оценку роли туннелирования в катализе, и Клинман подчеркивает важность использования нескольких методов, включая мутагенез и компьютерное моделирование, чтобы точно понять, как белки ускоряют реакции. Экспериментальная эволюция ферментов, в ходе которой исследователи неоднократно отбирают белки для увеличения их каталитической силы, также может дать представление о вкладе туннелирования, хотя по крайней мере одна недавняя попытка сделать это была безрезультатной.В прошлом году команда, разработавшая фермент, катализирующий реакцию, включающую перенос водорода, сообщила, что квантовое туннелирование «не наблюдалось значительных изменений» в процессе эволюции. ⁶

Дебаты отражают продолжающийся разговор о функциональном значении квантовых явлений в другом важнейшем биологическом процессе Земли — фотосинтезе. Пока Ведрал и его коллеги изучают, запутывается ли фотосинтетический механизм бактерий с фотонами, другие группы изучали, как другой квантовый эффект может помочь максимизировать эффективность передачи фотосинтетической энергии.

Во время реакции сбора света у растений и некоторых микробов фотоны возбуждают электроны, содержащиеся в молекулах хлорофилла, с образованием объектов, называемых экситонами. Эти экситоны затем передаются от молекулы хлорофилла к молекуле хлорофилла, пока не достигнут реакционного центра — кластера белков, где их энергия может быть захвачена и сохранена.

Экситоны могут терять энергию при передаче, а это означает, что чем больше круговых путей их движения среди молекул хлорофилла, тем меньше энергии достигает реакционного центра.Десятки лет назад физики предположили, что эту расточительность можно предотвратить, если бы процесс переноса был квантово-когерентным. То есть, если бы экситоны могли путешествовать как волны, а не частицы, они могли бы одновременно опробовать все пути к центру реакции и выбрать только наиболее эффективный путь. (См. Иллюстрацию.)

В 2007 году группа химиков Грэма Флеминга из Калифорнийского университета в Беркли и Роберта Бланкеншипа из Вашингтонского университета в Сент-Луисе заявила, что наблюдала квантовую когерентность в комплексах молекул хлорофилла, извлеченных из зеленой серы. бактерии, фотосинтетические микробы, часто встречающиеся в глубоких океанах, где доступность света ограничена.Исследователи использовали методику, которая анализирует энергию, поглощаемую и излучаемую образцом, и регистрировали сигнал, называемый квантовым биением — колебания, которые они интерпретировали как свидетельство когерентности — в комплексах, охлажденных до 77 Кельвина. В течение следующих нескольких лет они и другие группы воспроизвели результаты при температуре окружающей среды ⁸ и распространили результаты на комплексы хлорофилла из морских водорослей ⁹ и шпината. ¹⁰

Вопрос о том, отражают ли эти результаты значимый квантовый вклад в передачу энергии при фотосинтезе, остается предметом обсуждения.Например, в 2017 году исследователи из Германии еще раз взглянули на зеленые серные бактерии и сообщили, что эффект когерентности длился менее 60 фемтосекунд (0,00006 наносекунд) — слишком быстро, чтобы способствовать передаче энергии в реакционный центр. ¹¹ Но в прошлом году другая группа утверждала, что в комплексах хлорофилла существует несколько типов когерентности, и некоторые из них, по-видимому, сохраняются достаточно долго, чтобы быть полезными в фотосинтезе. ¹² Другие ученые указывают на намеки на то, что некоторые бактерии могут включать или выключать эффекты когерентности, производя различные формы ключевого светособирающего белка. ¹³ Такие открытия вновь разожгли предположения о том, что, как и ферменты, фотосинтетические механизмы могли развиться для использования квантовых явлений.

Эффекты когерентности в фотосинтезе в настоящее время являются общепринятым явлением, говорит Бланкеншип. Как и в случае с туннелированием ферментов, «наиболее актуальным вопросом на данном этапе является вопрос о том, действительно ли они влияют на [эффективность] системы или какой-либо другой ее аспект, дающий реальную биологическую пользу. Я думаю, что присяжных еще нет.”

МАГНИТОРЕЦЕПЦИЯ: ДАТЧИКИ ВРАЩЕНИЯ Согласно парно-радикальной модели магниторецепции птиц, криптохром, белок, обнаруженный в сетчатках сетчатки глаза птиц и других животных, может быть магнитодатчиком, определяющим направление магнитных полей. через изменения спиновых состояний некоторых его электронов. См. Полную инфографику: WEB | PDF © LUCY READING-IKKANDA Реакции внутри криптохромного белка генерируют пару молекул, каждая из которых имеет одиночный электрон.Эти электроны, которые могут быть запутаны друг с другом, занимают одно из двух состояний: «синглетное» состояние, означающее, что направление вращения одного связано с направлением вращения другого, так что спины антипараллельны; или «триплетное» состояние, в котором два электрона имеют тенденцию иметь спины, близкие к параллельным. Радикальная пара колеблется между этими двумя состояниями, и вероятность нахождения ее в том или ином состоянии зависит от направления магнитных полей.Если синглетные и триплетные состояния радикальной пары связаны с разными биохимическими реакциями, то выход продуктов этих реакций может дать информацию о направлении магнитного поля. Если эти продукты и дальше будут влиять на нейронную передачу сигналов от сетчатки глаза птицы, то этот механизм может обеспечить основу для магниторецепции.

Квантовые объяснения головоломок в биологии животных

Каждую зиму европейские малиновки в северной части континента мигрируют на сотни километров к югу, в Средиземное море.Это навигационный подвиг, который стал возможен благодаря магнитовосприимчивости — в частности, способности птиц определять направление магнитного поля Земли. Но ранние попытки объяснить это шестое чувство, включая предположение, что птицы полагаются на внутренние кристаллы магнетита, не получили экспериментальной поддержки.

К концу 1990-х проблема привлекла внимание Торстена Ритца, тогда еще аспиранта, работавшего над квантовыми эффектами в фотосинтезе под руководством покойного биофизика Клауса Шультена из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.Он особенно заинтересовался криптохромом, светочувствительным белком, обнаруженным в сетчатке глаз птиц, и теперь есть «веские доказательства» его роли в магниторецепции, говорит Ритц, который с тех пор переехал в Калифорнийский университет в Ирвине. Поэтому в 2000 году, сосредоточив внимание на этом белке и опираясь на более раннюю теоретическую работу Шультена, Ритц, Шультен и другой коллега из Иллинойса опубликовали то, что впоследствии стало известно как модель радикальных пар, чтобы объяснить, как может работать магниторецепция. ¹⁴

Исследователи предположили, что реакции в криптохромном белке генерируют пару радикалов — молекул, каждая из которых имеет один единственный электрон.Поведение этих электронов, которые могут быть квантово запутаны друг с другом, чувствительно к выравниванию слабых магнитных полей, таких как у Земли. Изменения в выравнивании этой пары относительно магнитного поля теоретически могут запускать последующие химические реакции, позволяя каким-то образом передавать информацию в мозг. (См. Иллюстрацию.)

Гипотеза породила несколько предсказаний, которые Ритц продолжил проверять в сотрудничестве с биологами, которые впервые описали магниторецепцию у малиновок, Розвиты и Вольфганга Вильчко.Например, в исследовании, опубликованном в 2004 году, ученые подвергли малиновок воздействию магнитных полей, колеблющихся с частотами и под углами, которые, как предсказывала модель, нарушили чувствительность радикальной пары к магнитному полю Земли, и фактически лишили птиц способности ориентироваться. ¹⁵

С тех пор эта идея стала популярной, и ее теоретическая поддержка постоянно возрастала. А два исследования в 2018 году молекулярных свойств и паттернов экспрессии одной версии криптохрома, Cry4, указывают на этот белок как на вероятный кандидат в магниторецептор у зебровых зябликов ¹⁶ и европейских малиновок. ¹⁷

Требуется дополнительная работа, чтобы определить, действительно ли птичье магниторецепция работает таким образом, и выяснить, важно ли запутывание электронов радикальной пары. Ученые также не до конца понимают, как криптохром может передавать информацию о магнитном поле в мозг, говорит Ритц. Тем временем его группа сосредоточена на экспериментах по мутагенезу, которые могут помочь разгадать магниточувствительность криптохрома. Осенью прошлого года химик из Оксфордского университета Питер Хор и биолог Хенрик Моуритсен из Ольденбургского университета в Германии получили европейское финансирование для проекта QuantumBirds с аналогичными целями.

Итак, вас не считают полностью сумасшедшим, если вы говорите, что изучаете квантовую механику в биологии. Это просто считается немного дурацким.

— Джон Джо Макфадден, Университет Суррея

Магниторецепция — не единственная загадка в сенсорной биологии животных, которая вызвала интерес у квантовых физиков; Еще одно загадочное с научной точки зрения чувство, которое исследователи надеются помочь крэку, — обоняние. Традиционная теория, согласно которой молекулы одоранта вписываются в белковые рецепторы обонятельных нейронов, вызывая запахи, сталкивается с проблемой, заключающейся в том, что некоторые молекулы с почти идентичной формой имеют совершенно разные запахи, в то время как другие с другой стереохимией пахнут одинаково.

В середине 1990-х биофизик из Университетского колледжа Лондона (UCL) Лука Турин, ныне уважаемый критик парфюмерии, предположил, что обонятельные рецепторы могут быть чувствительны не только к форме, но и к частотам колеблющихся связей в молекулах одоранта. ¹⁸ Он утверждал, что когда одорант связывается с рецептором, если его связи колеблются с определенной частотой, они могут способствовать квантовому туннелированию электронов внутри этого рецептора. Этот перенос электронов, согласно его модели, запускает сигнальный каскад в обонятельном нейроне, который в конечном итоге посылает импульс в мозг.

Экспериментальные доказательства этой идеи все еще неуловимы, говорит Дженни Брукс, физик из Калифорнийского университета, которая сформулировала задачу математически, чтобы показать, что она теоретически возможна. «Но отчасти поэтому это так интересно». В последние годы исследователи искали изотопные эффекты, аналогичные тем, которые обнаруживаются при работе ферментов. Если туннелирование играет существенную роль, молекулы одоранта, содержащие более тяжелые изотопы водорода, должны пахнуть иначе, чем обычные версии из-за более низких частот колебаний их связей.

Выводы неоднозначны. В 2013 году группа Турина сообщила, что люди могут различать запахи, содержащие разные изотопы. ¹⁹ Два года спустя другим исследователям не удалось воспроизвести результаты и они назвали теорию «неправдоподобной». ²⁰ Но идея не вышла из моды. В 2016 году другая команда сообщила, что медоносные пчелы могут различать запахи по разным изотопам, ²¹ , в то время как недавнее теоретическое исследование представляет набор новых прогнозов, помогающих проверить достоверность модели. ²²

Теоретические работы также вызывают интерес к квантово-биологическим объяснениям при гораздо меньшей экспериментальной поддержке. Например, некоторые исследователи предположили, что эффекты когерентности, которые, как предполагается, играют роль в фотосинтезе, могут также вносить вклад в такие широко распространенные биологические явления, как зрение и клеточное дыхание. Другие предположили, что протонное туннелирование может способствовать спонтанным мутациям в ДНК, хотя теоретическая работа Аль-Халили и его коллег предполагает, что это маловероятно, по крайней мере, для смоделированных пар оснований аденин-тимин. ²³

Возможно, наиболее радикальным распространением квантовой физики на животный мир является идея о том, что странные квантовые эффекты могут играть роль в человеческом мозге. Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, физик Мэтью Фишер утверждал, что нейроны обладают молекулярным механизмом, способным вести себя как квантовый компьютер, который вместо использования битов нулей или единиц оперирует кубитами, единицами информации, которые могут иметь состояния как 0, так и 1. одновременно. ²⁴

Кубиты мозга, как предположил Фишер, закодированы в состояниях ионов фосфата внутри молекул Познера, кластерах фосфата и кальция, обнаруженных в костях и, возможно, в митохондриях некоторых клеток.Недавняя теоретическая работа его команды утверждает, что состояния фосфат-ионов в разных молекулах Познера могут быть запутаны друг с другом в течение часов или даже дней и, следовательно, могут выполнять быстрые и сложные вычисления. ²⁵ Fisher недавно получил финансирование для создания международного сотрудничества под названием QuBrain для экспериментального поиска этих эффектов. Многие нейробиологи скептически относятся к положительным результатам проекта.

ГЛОССАРИЙ: КВАНТОВАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ Мир в масштабе вращающихся атомов и субатомных частиц управляется вероятностными правилами квантовой механики, которые часто производят эффекты, которые кажутся нелогичными для организмов, живущих в мире, который обычно описывается идеально. по более стандартной физике.Эти эффекты использовались для множества технологических приложений, и в настоящее время исследуется возможная роль квантовых явлений в нескольких биологических системах. Запутанность : Две частицы считаются квантово запутанными, если их состояния взаимозависимы, независимо от разделяющего их расстояния. В классическом примере запутанности два запутанных электрона при измерении будут иметь противоположные спины. Важно для : Квантовые вычисления, квантовая криптография Изучено в : Фотосинтез, магниторецепция, человеческое сознание Квантовые единицы информации: стандартные двоичные цифры или биты. В то время как бит может иметь состояние 0 или 1, кубиты могут иметь несколько состояний одновременно и могут быть запутаны с другими кубитами для выполнения параллельных вычислений.Кубиты могут быть закодированы в спиновых состояниях электронов и других субатомных частиц. Важно для: Квантовых вычислений Изучен: Человеческое сознание Туннелирование: Частицы в квантовом масштабе обладают волнообразными свойствами, и их точное местоположение в любой момент описывается вероятностная волновая функция. В результате частицы, такие как электроны, могут с определенной вероятностью проходить — или туннелировать через — очевидно непроницаемые энергетические барьеры. Важно для: Термоядерный синтез, сканирующая туннельная микроскопия Изучено: Ферментный катализ, фотосинтез, обоняние, мутации ДНК Квантовое поведение Объекты когерентности подобно волнам, они могут проявлять свойство волн, называемое когерентностью, когда они находятся в определенном ритме друг с другом. Квантовая когерентность лежит в основе нескольких эффектов, наблюдаемых квантовыми физиками, включая запутанность, а также интерференционные картины, проявляющиеся как так называемые квантовые биения.Традиционно считалось, что потеря когерентности происходит очень быстро в молекулярной суете окружающей среды. Важно для: Лазеры, сверхпроводники, квантовые вычисления Изучал: Фотосинтез, магниторецепция, зрение, дыхание См. Полную инфографику: WEB | PDF

Использование квантовой биологии

Большинство идей в квантовой биологии по-прежнему в большей степени основаны на теории, чем на экспериментальной поддержке, но ряд исследователей сейчас пытаются восполнить пробел.Команда Ведрала планирует собрать больше данных о бактериальном запутывании в конце этого года, а физик Саймон Грёблахер из Делфтского технологического университета в Нидерландах предложил провести эксперименты с запутыванием тихоходок. В 2017 году Аль-Халили и его соавтор Life on the Edge , биолог из Университета Суррея Джонджо Макфадден, помогли создать докторский учебный центр по квантовой биологии, чтобы поощрять междисциплинарные перекрестные помехи и продвигать исследовательские усилия. Среди более широкого сообщества ученых и спонсоров исследований «теперь вас не считают полностью сумасшедшим, если вы говорите, что изучаете квантовую механику в биологии», — говорит Макфадден.»Это просто считается немного дурацким».

Исследователи, беседовавшие с The Scientist , также подчеркивают, что независимо от того, получат ли теоретические механизмы экспериментальную поддержку, предположения в квантовой биологии сами по себе ценны. «По мере того, как мы миниатюризируем нашу технологию, у нас появляется огромное количество информации в биологическом мире, из которой можно черпать вдохновение», — говорит физик-теоретик и исследователь квантовых вычислений Адриана Марэ, руководитель отдела инноваций технологической компании SAP Africa.«Это фантастическая возможность исследовать, что такое жизнь, а также извлечь уроки о том, как оптимальным образом спроектировать процессы на этом микромасштабе».

Реальные приложения охватывают технологии от более эффективных солнечных элементов до биосенсоров нового класса. В прошлом году одна группа предложила дизайн «биомиметического носа», частично основанный на квантовой теории обоняния, для обнаружения крошечных концентраций одорантов. ²⁶ И Хор и другие выделили механизм радикальной пары, который может лежать в основе магниторецепции для использования в устройствах для определения слабых магнитных полей.

«Мы можем использовать полученную информацию для разработки систем на этих принципах, — говорит Ритц, — даже если окажется, что птицы это не делают».

Ссылки

1. D. Coles et al., «Нанофотонная структура, содержащая живые фотосинтетические бактерии», Small , DOI: 10.1002 / smll.201701777, 2017.
2. C. Marletto et al., «Связь между живыми бактерии и квантованный свет, засвидетельствованный расщеплением Раби », J Phys Commun , 2: 101001, 2018.
3. Y. Cha et al., «Водородное туннелирование в ферментативных реакциях», Science , 243: 1325–30, 1989.
4. K.M. Долл и др., «Первая экспериментальная проверка гипотезы о том, что ферменты эволюционировали для усиления водородного туннелирования», J Am Chem Soc , 125: 10877–84, 2003.
5. S. Hu et al., «Биофизическая характеристика. отключенного двойного мутанта липоксигеназы сои: «Отмена» точного позиционирования субстрата относительно металлического кофактора и идентифицированной динамической сети », J Am Chem Soc , 141: 1555–67, 2019.
6. Н.-С. Hong et al., «Эволюция множественных конфигураций активных центров в сконструированном ферменте», Nat Commun , 9: 3900, 2018.
7. GS Engel et al., «Доказательства волновой передачи энергии посредством квантовой когерентности в фотосинтетических системах. , Nature , 446: 782–86, 2007.
8. G. Panitchayangkoon et al., «Долгоживущая квантовая когерентность в фотосинтетических комплексах при физиологической температуре», PNAS , 107: 12766–70, 2010.
9. E.Коллини и др., «Связанный проводной сбор света у фотосинтезирующих морских водорослей при температуре окружающей среды», Nature , 463: 644–47, 2010.
10. T.R. Калхун и др., «Квантовая когерентность позволила определить энергетический ландшафт в светособирающем комплексе II», J Phys Chem B , 113: 16291–95, 2009.
11. H.-G. Дуан и др., «Природа не полагается на долгоживущую электронную квантовую когерентность для передачи фотосинтетической энергии», PNAS , 114: 8493–98, 2017.
12. E. Thyrhaug et al., «Идентификация и характеристика различных когерентностей в комплексе Фенна – Мэтьюз – Олсон», Nat Chem , 10: 780–86, 2018.
13. S.J. Harrop et al., «Вставка одного остатка переключает четвертичную структуру и экситонные состояния криптофитных светособирающих белков», PNAS , 111: E2666–75, 2014.
14. T. Ritz et al., «Модель для Магниторецепция на основе фоторецепторов у птиц », Biophys J , 78: 707–18, 2000.
15. Т. Ритц и др., «Резонансные эффекты указывают на механизм пар радикалов для птичьего магнитного компаса», Nature , 429: 177–80, 2004.
16. А. Пинзон-Родригес и др., «Паттерны экспрессии» генов криптохрома в сетчатке птиц предполагают участие Cry4 в светозависимой магниторецепции », J Roy Soc Int , doi: 10.1098 / rsif.2018.0058, 2018.
17. A. Günther et al.,« Двойная локализация конуса и сезонный паттерн экспрессии указывает на роль в магниторецепции криптохрома 4 европейского робина », Curr Biol , 28: 211–23.E4, 2018.
18. Л. Турин, «Спектроскопический механизм первичного обонятельного восприятия», Chem Senses , 21: 773–91, 1996.
19. С. Гейн и др. «Компонент молекулярного восприятия вибрации у человека olfaction, PLOS ONE , 8: e55780, 2013.
20. E. Block et al., «Недостаточность вибрационной теории обоняния», PNAS , 112: E2766–74, 2015.
21. M. Paoli и др., «Дифференциальное кодирование запаха изотопомеров в мозге медоносной пчелы», Sci Rep , 6: 21893, 2016.
22. A. Tirandaz et al., «Проверка достоверности диссипативной квантовой модели обоняния», Sci Rep , 7: 4432, 2017.
23. AD Godbeer et al., «Моделирование протонного туннелирования в основе аденин-тимин. пара », Phys Chem Chem Phys , 17: 13034–44, 2015.
24. MPA Фишер, «Квантовое познание: возможность обработки с помощью ядерных спинов в мозге», Ann Phys , 362: 593–602, 2015.
25. MW Swift et al., «Молекулы Познера: от атомной структуры до ядерных спинов. ” Phys Chem Chem Phys , 20: 12373–80, 2018.
26. А. Патил и др., «Квантовый биомиметический датчик электронного носа», Sci Rep , 8: 128, 2018.

Пояснение (25 июня): эта история была обновлена, чтобы уточнить, что в квантовой туннелирования, есть очень короткое время задержки, прежде чем частица, пересекающая барьер, появится на другой стороне. The Scientist сожалеет о возникшей путанице.

Новости материаловедения — Elsevier

Иллюстрация процесса аэродинамической левитации для изучения тугоплавких оксидов при их температурах плавления.Небольшой шарик материала подпитывается газом и нагревается потолочным лазером, прежде чем рентгеновские лучи исследуют его структуру. Изображение: Ганеш Сивараман / Аргоннская национальная лаборатория.

Чугун плавится при температуре около 1200 ° C, а нержавеющая сталь — при температуре около 1520 ° C. Если вы хотите превратить эти материалы в предметы повседневного обихода, такие как сковорода на кухне или хирургические инструменты, используемые врачами, само собой разумеется, что вам нужно будет создать печи и формы из чего-то, что может выдерживать даже такие экстремальные температуры.

Вот где пригодятся тугоплавкие оксиды. Эти керамические материалы могут выдерживать резкое нагревание и сохранять свою форму, что делает их полезными для всех видов вещей, от печей и ядерных реакторов до теплозащитных плиток на космических кораблях. Но, учитывая часто опасную среду, в которой используются эти материалы, ученые хотят понять как можно больше о том, что с ними происходит при высоких температурах, прежде чем компоненты, построенные из тугоплавких оксидов, столкнутся с этими температурами в реальном мире.

Разнообразная группа исследователей из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) теперь придумала способ сделать это. Используя инновационные экспериментальные методы и новый подход к компьютерному моделированию, группа разработала метод не только для получения точных данных о структурных изменениях, которым эти материалы претерпевают вблизи их точек плавления, но и для более точного прогнозирования других изменений, которые в настоящее время невозможно измерить. . Исследователи сообщают о своей работе в статье Physical Review Letters .

Семя этого сотрудничества было посеяно Мариусом Стэном, руководителем программы интеллектуального проектирования материалов в подразделении прикладных материалов Аргонна. Группа Стэна разработала множество моделей и симуляторов температуры плавления тугоплавких оксидов, но он хотел проверить их.

«Это связано с желанием увидеть, отражают ли наши математические модели и симуляции реальность», — сказал Стэн. «Но это превратилось в исследование машинного обучения. Что меня больше всего интересует, так это то, что теперь у нас есть способ автоматически предсказывать взаимодействия между атомами.«

По словам Ганеша Сиварамана, ведущего автора статьи и помощника ученого-вычислителя из отдела науки о данных и обучения в Аргонне, это продвижение началось с перелистывания знакомого сценария. Сивараман выполнял эту работу, когда работал постдокторантом в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.

Хотя большинство экспериментов начинаются с теоретической модели — в основном, информированного и обоснованного предположения о том, что произойдет в реальных условиях, — команда хотела начать этот эксперимент с экспериментальных данных и строить свои модели на их основе.

Сивараман рассказывает историю об известном немецком математике, который хотел научиться плавать, поэтому он взял книгу и прочитал об этом. По словам Сиварамана, создавать теории без учета экспериментальных данных — все равно, что читать книгу о плавании, даже не входя в бассейн. И команда Аргонна хотела прыгнуть в самый конец.

«Более точно построить модель на основе экспериментальных данных», — сказал Сивараман. «Это приближает модель к реальности».

Чтобы получить эти данные, ученые-вычислители объединились с физиком Крисом Бенмором и помощником физика Лейганн Галлингтон из отдела рентгеновских исследований Аргонны.Бенмор и Галлингтон работают в Advanced Photon Source (APS), исследовательском центре Министерства энергетики США в Аргонне, который, помимо прочего, генерирует очень яркие рентгеновские лучи для освещения структур материалов. Канал пучка, который они использовали для этого эксперимента, позволяет им исследовать локальную и дальнюю структуру материалов в экстремальных условиях, таких как высокие температуры.

Конечно, нагрев тугоплавких оксидов — в данном случае диоксида гафния, который плавится при температуре около 2870 ° C — имеет свои собственные сложности.Обычно образец находится в контейнере, но нет такого доступного контейнера, который мог бы выдержать эти температуры и все же позволить рентгеновским лучам проходить через него. И вы не можете даже положить образец на стол, потому что стол расплавится раньше, чем образец.

Решение называется аэродинамической левитацией. Ученые используют газ для подвешивания небольшого сферического образца материала (диаметром 2–3 мм) примерно на миллиметр в воздухе. «У нас есть сопло, подключенное к потоку инертного газа, и когда он подвешивает образец, 400-ваттный лазер нагревает материал сверху», — пояснил Галлингтон.«Вам нужно повозиться с потоком газа, чтобы заставить его стабильно левитировать. Вы не хотите, чтобы он был слишком низким, потому что образец будет касаться сопла и может плавиться с ним».

Как только данные были собраны и ученые, работающие с пучком, получили хорошее представление о том, что происходит при плавлении оксида гафния, ученые-компьютерщики взяли мяч и побежали с ним. Сивараман загрузил данные в два набора алгоритмов машинного обучения: один, который понимает теорию и может делать прогнозы, а другой — алгоритм активного обучения — действует как помощник преподавателя, предоставляя только первому наиболее интересные данные для работы. с участием.

«Активное обучение помогает другим видам машинного обучения обучаться с меньшим количеством данных», — пояснил Сивараман. «Допустим, вы хотите пройти от своего дома до рынка. Добраться до него можно разными способами, но вам нужно знать только кратчайший путь. Активное обучение укажет кратчайший путь и отфильтрует другие».

Вычисления выполнялись на суперкомпьютерах в ALCF и Лабораторном вычислительном центре ресурсов в Аргонне. В итоге команда получила компьютерную модель, основанную на реальных данных, которая позволяет им предсказывать то, что экспериментаторы не смогли или не смогли уловить.

«У нас есть то, что называется многофазным потенциалом, и он может многое предсказывать», — сказал Бенмор. «Теперь мы можем пойти дальше и дать вам другие параметры, например, насколько хорошо он сохраняет свою форму при высоких температурах, которые мы не измеряли. Мы можем экстраполировать, что произойдет, если мы выйдем за пределы температуры, которую мы можем достичь».

«Модель хороша ровно настолько, насколько хороши данные, которые вы ей предоставляете, и чем больше вы даете ей, тем лучше она становится», — добавил Бенмор. «Мы даем столько информации, сколько можем, и модель становится лучше.«

Сивараман описывает эту работу как доказательство концепции, которое может быть использовано в дальнейших экспериментах. По его словам, это хороший пример сотрудничества между различными частями Аргонны и исследований, которые невозможно было бы провести без ресурсов национальной лаборатории.

«Мы повторим этот эксперимент на других материалах», — сказал Сивараман. «У наших коллег из APS есть инфраструктура для изучения того, как эти материалы плавятся в экстремальных условиях, и мы работаем с компьютерными специалистами над созданием программного обеспечения и инфраструктуры потоковой передачи для быстрой обработки этих наборов данных в любом масштабе.Мы можем включить активное обучение в структуру и научить модели более эффективно обрабатывать поток данных с помощью суперкомпьютеров ALCF ».

Для Стэна это доказательство концепции может заменить необходимую скуку людей, выполняющих эти точные вычисления. Он наблюдал за развитием этой технологии в течение своей карьеры, и теперь то, что раньше занимало месяцы, занимает всего несколько дней.

«Я не говорю, что люди плохи, — усмехнулся он, — но если нам помогут компьютеры и программное обеспечение, мы сможем стать лучше.Это открывает двери для большего количества подобных экспериментов, которые продвигают науку ».

Этот рассказ адаптирован из материалов Аргоннской национальной лаборатории с редакционными изменениями, внесенными Materials Today. Взгляды, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Elsevier. Ссылка на первоисточник.

IJMS | Бесплатный полнотекстовый | Репрограммы стресса кадмия Гомеостаз ROS / RNS у Phytophthora infestans (Mont.) De Bary

1. Введение

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами — огромная проблема во многих частях мира.Скорость глобального осаждения тяжелых металлов в почве резко возросла за последние два столетия [1]. Следовательно, в настоящее время это серьезная угроза не только для растений и микроорганизмов, но и для всех биотических взаимодействий, при которых хотя бы один из компонентов подвергается воздействию металлов [2,3]. Тяжелые металлы можно разделить на элементы, которые в небольших количествах необходимы для живых организмов (например, хром, железо, цинк), и элементы неизвестной физиологической роли (например, кадмий, свинец, ртуть), которые считаются токсичными для многие организмы, включая животных, растения и микроорганизмы [4].Первая группа тяжелых металлов называется незаменимыми, а вторая — второстепенными. Тем не менее, обе эти группы могут быть токсичными для живых организмов в концентрациях выше критических [5]. Одним из несущественных металлов, который относительно широко распространен в природе (воздух, отложения, почва, вода) и выбрасывается в окружающую среду в количестве около 30 000 тонн в год, является кадмий (Cd) [6]. Как высокомобильный, окислительно-восстановительный металл, Cd легко усваивается живыми организмами, что может оказывать негативное влияние на морфологические, структурные и молекулярные изменения.Важно отметить, что экспрессия Cd-зависимых генов может регулироваться изменениями активности факторов транскрипции, модуляцией уровней микро РНК и модификациями хроматина [7]. В целом, металлы, рассматриваемые как второстепенные элементы, нарушают нормальное функционирование организма, что приводит к стрессовому состоянию. Одной из самых ранних реакций на эти тяжелые металлы, отмеченной у различных модельных организмов, является образование активных форм кислорода и азота (ROS / RNS) [8]. Неконтролируемое накопление как ROS, так и RNS может спровоцировать изменение окислительно-восстановительного баланса клетки, что приводит к окислительным / нитративным модификациям биомолекул, которые вносят вклад в токсичность тяжелых металлов [8].С другой стороны, ROS / RNS — это повсеместно распространенные сигнальные молекулы, участвующие не только в росте и развитии, но также в распознавании стресса, передаче сигнала и ответе на стрессовые факторы, способствуя снижению токсичности тяжелых металлов [9,10,11]. Конечный эффект ROS / RNS на клеточную среду зависит от их оборота, который включает пути продукции и детоксикации [12,13]. В то время как механизмы, связанные с ответом микроорганизмов на основные металлы, такие как медь, железо и цинк, были изучены. После тщательного изучения и обзора [14,15,16,17] реакция на несущественные металлы определенно менее известна, особенно в отношении грибковых и грибковых патогенов.В целом тяжелые металлы в первую очередь влияют на рост и морфологию грибов [18]. Эти эффекты как следствие воздействия тяжелых металлов наблюдались, например, у Phanerochaete chrysosporium Burds. [18], Fusarium oxysporum Schlecht. [19], Botrytis cinerea Pers., Alternaria alternata (фр.) Keissl. [20], Aspergillus niger van Tieghem и Penicillium citrinum Thom [21]. Более того, у гриба белой гнили P. chrysosporium [13] и у нитчатых дрожжей Trichosporon cutaneum Kreger-van Rij [22] тяжелые металлы индуцировали окислительный стресс и активность антиоксидантных ферментов.Подобные эффекты, зависящие от тяжелых металлов, наблюдались у грибоподобных оомицетов. Вкратце, металл уменьшил площадь гиф и радиальное расширение у Pythium debaryanum Hesse, Achlya bisexualis Coker and Couch, Saprolegnia delica Coker, Dictyuchus carpophorus Zopf. И Phytophthora capsici Leo. [23,24,25]. Более того, у P. capsici ограниченный тяжелыми металлами рост гифы сопровождался снижением споруляции и даже вирулентностью, что проявлялось снижением экспрессии генов лакказы PcLAC2 и индуцирующего некроз NLP белка PcNLP14 [25].Таким образом, признание воздействия тяжелых металлов на биологию и патобиологию экономически важных фитопатогенов, по-видимому, является приоритетом в постоянно прогрессирующем загрязнении окружающей среды. Один из самых опасных патогенов растений-оомицетов в глобальном масштабе, вызывающий огромные потери урожая картофеля, является Phytophthora infestans (Mont) de Bary [26]. Как возбудитель фитофтороза, он был ответственен за большой ирландский голод в 19 веке, и даже сегодня это заболевание вызывает огромные потери урожая, оцениваемые во всем мире в 3 миллиарда долларов США в год [26,27].Важно отметить, что P. infestans способен очень быстро эволюционировать и адаптироваться к неблагоприятным условиям окружающей среды, что приводит к неэффективности борьбы с патогенами [28]. В естественных условиях патоген переживает зиму в почве в виде половых ооспор или гифов в инфицированных растительных остатках, поэтому тяжелые металлы, депонированные в почве, могут влиять на метаболизм P. infestans и его патогенность. Стоит отметить, что естественная концентрация Cd в почве относительно низкая, а загрязнение почвы Cd в основном является результатом деятельности человека, такой как плавка, горнодобывающая промышленность, гальваника [29], сжигание ископаемого топлива, металлургические работы, отстой сточных вод, коммунальные и промышленные предприятия. отходы [30].К сожалению, нет экспериментальных данных о реакции оомицетов на абиотический стресс. Последние сообщения о метаболизме P. infestans показали, что образование РНС в структурах патогенов является неотъемлемой частью биологии патогена и стратегии адаптации к среде хозяина [31]. Следует отметить, что у нитчатых грибов как микроорганизмов, сходных по морфологии и среде обитания с оомицетами, оксид азота (NO) также участвует в реакции на абиотический стресс. Например, митохондриальная продукция NO наблюдалась в дрожжевых клетках, подвергшихся аноксии [32].В свою очередь, обогащение дрожжевых клеток NO обеспечивало защиту от окислительного стресса, вызванного тяжелыми металлами, стресса теплового шока и высокого гидростатического давления [33,34]. В связи с вышеизложенным, основной целью данного исследования было определение влияния Cd, как модели стресса тяжелых металлов, на нитроокислительный статус в структурах P. infestans, а также на патогенность оомицетов.

3. Обсуждение

Нет доступных всеобъемлющих исследований о влиянии несущественных токсичных металлов на биологию и патобиологию патогенов растений.Тем не менее, появляется все больше доказательств, указывающих на связь между стрессом, связанным с тяжелыми металлами, и модификацией патогенности микроорганизмов [36,37]. Представленное исследование ясно показывает, что стресс Cd влияет на рост in vitro патогена растений-оомицетов P. infestans. Чем выше применяемая концентрация металла, тем большее снижение наблюдалось в радиальном росте гифы vr MP 977 P. infestans. Наиболее неблагоприятный эффект был вызван Cd в концентрации 12,5 мг / л, отражающей сублетальную дозу Cd.Ранее было обнаружено, что некоторые патогены растений, принадлежащие к оомицетам, например Pythium debaryanum, могут проявлять высокую степень толерантности к тяжелым металлам, поскольку они могут расти в присутствии высоких доз металлов, включая 100 мг / л Cd, Pb, Cu. , а Zn. Более того, низкая концентрация Pb (3 мг / л) даже стимулировала скорость роста P. debaryanum [19]. Лоренцо-Гутьеррес и др. [38] подчеркнули, что некоторые почвенные микроорганизмы могут проявлять высокую устойчивость к тяжелым металлам, вероятно, приобретенную в результате их эволюционной адаптации к загрязненной окружающей среде.Следовательно, выживание грибковых или грибоподобных культур не должно вызывать удивления даже при дозах металлов, которые смертельны для организмов, принадлежащих к отдаленным систематическим группам. В целом тяжелые металлы могут влиять на морфогенез вегетативных гиф или мицелия, а также на половые и половые органы. бесполое размножение. Cd-сниженный рост культуры vr MP 977 P. infestans сопровождался низкой численностью спорангиев с задержкой прорастания. Подобный эффект ранее наблюдался у оомицета Dictyuchus carpophorus, обработанного даже низкими концентрациями Cd [24].Тяжелые металлы в концентрациях 0,5–1,0 мМ Cu, Cr и Hg также способны подавлять рост гиф и споруляцию у оомицетов Phytophthora capsici [25]. Согласно Гиллу [39], снижение скорости роста гиф патогенов в присутствии Cd может быть результатом того, что Cd препятствует поглощению, транспорту и использованию нескольких элементов (Ca, Mg, P и K), а также воды. Хорошо известно, что даже низкие концентрации Cd как загрязнителя окружающей среды вызывают нарушение окислительно-восстановительного баланса клеток, проявляющееся в избыточной продукции ROS / RNS, что может способствовать токсичности металлов [25].Как описано ранее, рост vr MP 977 P. infestans in vitro сопровождается образованием RNS и ускоряется во время развития спорангиев in planta [31]. В настоящем исследовании мы обнаружили, что стресс Cd усиливает образование NO как в спорангиях, так и в гифах в условиях in vitro. Поскольку RNS может опосредовать ядерное деление или дегенерацию части ядер в спорангии, обеспечивая спорангии способностью быстро высвобождать зооспоры [31], локализованная в спорангиях избыточная продукция NO в ответ на стресс тяжелыми металлами, по-видимому, важна для патогена. выживание.Более того, NO может ускорять образование и созревание бесполых репродуктивных структур, контролируя экспрессию конидиционных конгенов [40]. Важно отметить, что гиперпродукция NO, отмеченная в структурах P. infestans, растущих под стрессом Cd, была организована с повышением уровня супероксида. благоприятствует микросреде для образования ONOO¯. Однако как умеренные, так и сублетальные напряжения увеличивали образование ONOO¯ в одинаковой степени. Дальнейшее изучение клеточного окислительно-восстановительного статуса P. infestans, подвергшегося стрессу с тяжелыми металлами, показало, что избыточная продукция RNS сопровождается нитроокислительными модификациями ключевых биомолекул, включая белки и нуклеиновые кислоты.Хотя нитрование белка по-прежнему воспринимается как маркер нитрооксидантного стресса, наши результаты показывают, что эта модификация действует как физиологический регулятор для динамически перенаправленного клеточного метаболизма при нарушениях окружающей среды. Умеренный стресс Cd уменьшал пул нитрированных белков, тогда как сублетальный стресс лишь незначительно увеличивал уровень нитрованных белков по сравнению с контролем. Небольшие колебания в пуле нитрованных белков наблюдались ранее и у vr MP 977 P.infestans во время роста in planta, несмотря на нитроокислительную среду хозяина, благоприятствующую модификации биомолекул [31]. Таким образом, изменения в пуле белков, подвергающихся феномену нитрования Tyr у P. infestans, могут отражать дисбаланс гомеостаза, связанный со стратегией адаптации микроорганизма к различным микросредам, в том числе к хозяину или загрязнению тяжелыми металлами. Структуры yinfestans также включают нуклеотиды в ДНК и РНК.Образование 8-нитрогуанина происходило в гораздо большей степени при сублетальной дозе Cd, что указывает на то, что эти повреждения ДНК / РНК могут вносить вклад в токсичность металла. Хотя это утверждение согласуется с моделями человека / животных, где наличие нитрированных нуклеиновых кислот рассматривается как маркер патогенеза и повреждения, недавние результаты на растительных моделях предполагают, что нитрационная модификация РНК может функционировать как умный окислительно-восстановительный переключатель гена. выражение [41]. Функциональное последствие посттранскрипционных модификаций мРНК состоит в затрудненной трансляции, что приводит к снижению уровня кодируемых белков или даже к увеличению разнообразия белков за счет перекодирования [42].Важно отметить, что количественная оценка нитрированной РНК, измеренной как содержание 8-NO ₂ -G в vr MP 977 P. infestans, не показала статистически значимого увеличения этой модификации при умеренном стрессе от Cd, что предполагает сценарий, согласно которому нитратная модификация РНК может действовать как быстрая регулирование метаболизма P. infestans под действием абиотических стимулов, а не просто нитратное повреждение РНК. Несомненно, будущая идентификация мишеней нитрования мРНК обеспечит подтверждение этих предположений. Чтобы справиться с токсичностью металлов, микроорганизмы активируют антиоксидантные системы [43].У фитопатогенов индукция антиоксидантных ферментов в ответ на окислительный стресс, опосредованный тяжелыми металлами, была продемонстрирована на грибе P. chrysosporium [44] и оомицете Phytophthora capsici [25]. Антиоксидантный ответ P. infestans задействует транскрипционный, посттрансляционный и ферментативный механизмы, что облегчает адаптацию к нитроокислительной среде, спровоцированной Cd. Хотя ряд генов, продукты которых потенциально участвуют в поддержании окислительно-восстановительного баланса клеток (SOD1, PiCAT5, CATG, GPX2, PiPRX2 и PiTPX2), были изучены в vr MP 977 P.infestans, только SOD1, GPX2 и PiTPX2 были дозозависимо активированы Cd в структурах патогена (фигура 6C, фигура S2). Полученные результаты ясно показали, что оомицет, подвергшийся умеренному стрессу Cd, активирует в первую очередь SOD на уровнях активности как транскрипта, так и фермента, чтобы справиться с индуцированным Cd окислительным стрессом; однако нативный электрофорез показал, что стресс Cd влияет на некоторые изоформы SOD. Эти результаты согласуются с исследованием Ighodaro и Akinloye [45], показывающим, что SOD является первым ферментом детоксикации и самым мощным антиоксидантом в клетке, подвергшейся воздействию ROS.Более того, высокая экспрессия SOD на уровне транскрипта и активности в vr MP 977 P. infestans может уравновешивать образование ONOO ¯, непосредственно ответственного за нитратную модификацию биомолекул. Каталаза также может играть важную роль в адаптации и конечном выживании P. infestans в периоды стресса. и чрезмерное накопление АФК, вызванное стрессом. В подтверждение этого, Cd-чувствительная изоформа CAT, коррелировавшая с повышенной активностью фермента, была обнаружена только у P. infestans, подвергнутого воздействию умеренной дозы Cd. Подобный эффект наблюдался у гриба Phanerochaete chrysosporium, у которого более низкая концентрация Cd или кратковременный стресс Cd были эффективны для индукции активности CAT; в свою очередь, большие дозы кадмия или более длительное стрессовое воздействие не вызывали активности фермента [46].Активность как CAT, так и SOD была также повышена у дрожжей Trichosporon cutaneum, обработанных Cd и Cu, и была указана в качестве ключевых ферментов, участвующих в улавливании ROS в грибах [22]. Дисбаланс ROS / RNS и усиленный антиоксидантный ответ отмечены в растущих структурах P. infestans. при умеренном стрессе Cd также была связана с повышенной агрессивностью возбудителя; однако это может быть явление, зависящее от дозы металла. Инокуляция листьев картофеля суспензией спор, приготовленной из культуры vr P. infestans MP 977, растущей в среде с добавлением Cd (5 мг / л), вызвала усиление симптомов заболевания у двух сортов картофеля, т.е.е., Bi и Bz. Скорость развития болезни, измеренная как индекс болезни, не изменилась в случае SM; однако молекулярная оценка развития заболевания выявила значительно более высокую экспрессию гена Pitef в условиях in planta, начиная с первого дня после инокуляции SM. Эти результаты ясно показывают, что во всех проанализированных взаимодействиях скорость развития инфекции увеличивалась, когда споры были получены из культуры vr P. infestans, подвергшейся стрессу Cd. Хорошо известной защитной стратегией организмов-хозяев является производство АФК для борьбы с патогеном.Вспышка АФК была обнаружена во многих взаимодействиях растений с патогенами как раннее событие стратегии защиты растений, включая картофель-P. infestans взаимодействие [47]. Таким образом, повышенная агрессивность P. infestans, растущего в присутствии Cd, может быть связана с эффективным устранением производных от хозяина (картофеля) ROS, несмотря на то, что доза Cd задерживала прорастание спор. Точнее, повышенная агрессивность P. infestans может быть результатом активированной Cd антиоксидантной системы, т.е.е., SOD и CAT. Примечательно, что цитозольный Cu / Zn Sod1 был задокументирован как фактор вирулентности для Cryptococcus neoformans и Candida albicans. В свою очередь, у человеческого патогена Aspergillus fumigatus все СОД были необходимы для полной вирулентности патогена [48]. Интересно, что индуцированная тяжелыми металлами экспрессия PcaA, катионной АТФазы, как было доказано, обеспечивает толерантность к Cd у A. fumigatus и поддерживает его вирулентность в модели Galleria mellonella [34]. Как заявили авторы, повышенный уровень белка PcaA способствует детоксикации АФК у A.fumigatus защищает микроорганизм от окислительного стресса, опосредованного Cd и хозяина. Важно отметить, что защитная способность Cd-индуцированных метаболических событий от последующего стресса была продемонстрирована ранее на растениях. Как указано в документах Stroiński et al. [49,50] Cd был способен индуцировать феномен перекрестной резистентности картофеля к P. infestans, поскольку клубни и листья восприимчивого картофеля cv. Bi, подвергшийся воздействию тяжелого металла, продемонстрировал индукцию базовой защиты и уменьшение симптомов фитофтороза. Таким образом, стресс Cd не только подавлял рост клеток, но и вызывал биохимические изменения в vr P.infestans, но это также способствовало патогенности оомицета. Представленные результаты проливают новый свет на механизм, показывая, что дисбаланс нитрооксидантного гомеостаза лежит в основе связи между стрессом тяжелых металлов и модификацией патогенности микроорганизмов. Однако вопрос о том, лежит ли природа наблюдаемого феномена повышенной агрессивности P. infestans в основе перекрестной защиты от стресса, наблюдаемой ранее в дрожжевых клетках [51] и / или вовлекает ли эпигенетические механизмы и транскрипционное репрограммирование генов, связанных с патогенностью, потребует будущей экспериментальной проверки.

4. Материалы и методы

4.1. Культура патогенов

Phytophthora infestans, вирулентная раса 1.2.3.4.6.7.10 (MP 977) была предоставлена ​​Исследовательским отделом Института селекции и акклиматизации растений (IHAR) в Млохуве, Польша. Возбудитель культивировали в течение 14 дней при 16 ° C в темноте на зерново-картофельной среде, приготовленной из отдельных компонентов с добавлением декстрозы (Sigma; Saint-Louis, MO, USA). В экспериментах in planta листья картофеля инокулировали путем опрыскивания суспензией зооспор в концентрации 2.5 × 10 ⁵ на 1 мл воды, как описано Arasimowicz-Jelonek et al. [52], а затем листья хранили при температуре 16 ° C и влажности 95%.

4.2. Растительный материал

Растения трех сортов картофеля Бинтье, Бзура и Сарпо Мира были получены из Генного банка картофеля (Институт селекции и акклиматизации растений — IHAR в Бонине, Бонин, Польша). Проростки картофеля, размноженные в культуре in vitro, переносили в почву и хранили в фитокамере при 16-часовом освещении (180 мкмоль · м ^-2 · с ^-1 ) при 18 ± 2 ° C и влажности 40% до этап 10 листов.

4.3. Оценка зоны прогрессирования заболевания

Для оценки развития симптомов болезни через 7 дней после опрыскивания листьев суспензией спор P. infestans (2,5 × 10 ⁵ на 1 мл), приготовленный из гиф, растущих в отсутствие Cd (контрольная среда), и среды с добавлением Cd 5 мг / л.

4.4. Кадмиевый стресс, рост гиф и спороношение P.infestans

Исходный раствор тяжелого металла (Cd ²⁺ ) получали из его хлорной соли (P.O.Ch; Гливице, Польша; чистота мин. 99,5%), растворенной в стерилизованной воде. Для экспериментов по выращиванию in vitro маточный раствор добавляли в среду для выращивания для достижения следующих концентраций Cd: 0, 1, 2,5, 5, 12,5 и 25 мг / л. Для дальнейшего анализа были выбраны две концентрации Cd, то есть 5 и 12,5 мг / л, отражающие умеренный и сублетальный стресс тяжелых металлов, соответственно.Материал для молекулярного и биохимического анализов собирали на 14-е сутки культивирования.

Радиальный рост P. infestans измеряли каждый день в течение 14 дней — времени культивирования патогена. Суспензию спор для подсчета количества спорангиев и прорастающих спор готовили свежеприготовленной из контрольных гиф или гиф, подвергшихся воздействию Cd, и количество спорангиев определяли с использованием камеры Bürker. Для оценки количества прорастающих спор проводили микроскопический подсчет с использованием 1% агара.

4.5. Производство супероксидных радикалов

Детектирование супероксид-радикального аниона (O ₂ ¯) проводили с использованием метода с нитросиним тетразолием (NBT), описанного Doke [53]. Вкратце, гифы (0,05 г) P. infestans инкубировали в 3 мл инкубационной смеси (0,05% NBT (SERVA; Heidelberg, Германия), 0,1 мМ EDTA (BioShop; Mainway, Burlington, ON, Канада), 0,065% азида натрия). (POCh; Гливице, Польша) и 50 мМ калий-фосфатный буфер, pH 7,8 (Chempur; Piekary ląskie, Польша).Смесь для инкубации без исследуемого материала использовали в качестве холостого образца. Образцы инкубировали в темноте при комнатной температуре (КТ) в течение 1 ч. После инкубации 1,8 мл реакционной смеси нагревали при 85 ° C в течение 15 мин для завершения реакции. После охлаждения на льду определяли поглощение на длине волны 580 нм путем измерения количества восстановленного NBT до диформазана. Образование супероксида выражали как изменение оптической плотности A580 на 1 г сырой массы (FW) за 1 час.

4.6. Накопление пероксида водорода

Концентрация пероксида водорода (H ₂ O ₂ ) определялась спектрофотометрически с использованием титанового (Ti ⁴⁺ ) метода, описанного Becana et al.[54]. Гифы (0,1 г) P. infestans гомогенизировали в 1,6 мл 0,1 М калий-фосфатного буфера (pH 7,8) (Chempur; Piekary ląskie, Польша). После центрифугирования (13000 g в течение 25 минут при 4 ° C) супернатант собирали и использовали для анализов. Реакционная смесь (1,5 мл) содержала 0,1 М калий-фосфатный буфер (pH 7,8) (600 мкл), ферментативный экстракт (400 мкл) и титановый реагент (500 мкл). Титановый реагент готовили в день проведения анализа путем смешивания 0,6 мМ раствора 4- (2-пиридилазо) резорцина (Sigma; Saint-Louis, MO, USA) и 0.6 мМ тартрат калия-титана (Sigma; Saint-Louis, MO, USA) в соотношении 1: 1. Концентрацию H ₂ O ₂ определяли путем измерения оптической плотности на длине волны 508 нм по калибровочной кривой и выражали как мкмоль H ₂ O ₂ на 1 г FW.

4,7. Биовизуализация оксида азота

Образование оксида азота in vivo детектировали с помощью флуорохрома DAF-2DA (4,5-диаминофлуоресцеиндиацетат) (Calbiochem; Сан-Диего, Калифорния, США; возбуждение 495 нм; эмиссия 515 нм).Вкратце, гифы P. infestans инкубировали в темноте в течение 1 ч в 10 мМ трис-HCl буфере (pH 7,4) (Bio-Rad; Hercules, Калифорния, США), содержащем 10 мкМ DAF-2DA. После инкубации мицелий дважды промывали 10 мМ трис-HCl буфером (pH 7,4) (Bio-Rad). Образцы исследовали под конфокальным микроскопом Zeiss LSM 510 (Carl Zeiss, Йена, Германия), оборудованным стандартными фильтрами и средствами сбора зеленой флуоресценции DAF-2DA. Изображения обрабатывались и анализировались с помощью программы ImageJ.

4.8. Обнаружение пероксинитрита

Уровень пероксинитрита определяли с использованием фолиевой кислоты в качестве поглотителя пероксинитрита, давая продукты с высокой флуоресцентной эмиссией [55]. Гифы (0,5 г) погружали в инкубационную смесь, содержащую буферный раствор барбитала (pH 9,4) (Warchem; Marki, Польша) и фолиевую кислоту (1,0 × 10 ^-5 моль л ^-1 ) (Merck; Kenilworth, Нью-Джерси, США). Интенсивность флуоресценции раствора регистрировали при 460 нм с длиной волны возбуждения 380 нм. Стандартная кривая была построена для 3-морфолиносиднонимина (SIN-1) от Calbiochem в качестве донора пероксинитрита в диапазоне концентраций от 1 до 14 нМ.

4.9. Анализ протеина 3-нитротирозина

Гифы P. infestans (0,2 г) измельчали ​​в жидком азоте до тонкого порошка, затем суспендировали в буфере, содержащем 50 мМ трис-HCl (pH 7,6) (Bio-Rad; Hercules, CA, США) с 2 мМ EDTA (BioShop), 2 мМ DTT (Sigma; Сен-Луи, Миссури, США) и 1 мМ PMSF (Sigma; Сен-Луи, Миссури, США). После центрифугирования (10000 g в течение 15 мин при 4 ° C) супернатант собирали и концентрацию белка определяли с помощью анализа Брэдфорда [56]. 3-нитротирозин в образце белка определяли с помощью набора OxiSelect ^TM Nitrotyrosine ELISA (Cell Biolabs; Сан-Диего, Калифорния, США; STA-305) в соответствии с протоколом производителя.Оптическую плотность измеряли при 450 нм с использованием считывающего устройства для микропланшетов IMARK ^TM (Bio-Rad; Hercules, CA, USA). Содержание 3-нитротирозина в образцах белка определяли путем сравнения с предварительно определенной стандартной кривой 3-нитротирозина. Каждый образец анализировали в трех экземплярах на микропланшетах для ELISA.

4.10. Анализ карбонилирования белков

Уровень карбонилированных белков (PCO) оценивали согласно Colombo et al. [57]. Вкратце, образцы белка P. infestans в концентрации 1 мг / мл инкубировали в темноте в течение 1 ч с раствором 2,4-динитрофенилгидразина (DNPH) (Sigma; Saint-Louis, MO, USA).Затем к образцам белка добавляли 1,2 мл 20% TCA (Sigma; Saint-Louis, MO, USA) и инкубировали на льду в течение 15 мин. После центрифугирования (10000 g в течение 5 мин при 4 ° C) осадок белка дважды промывали 1 мл 20% TCA. Затем осадок промывали 1 мл раствора этанол: этилацетат (1: 1 об. / Об.) (POCh; Гливице, Польша) для удаления любого свободного ДНФГ, а затем образцы центрифугировали (10000 g для 10 мин при 4 ° C). Осадок сушили и затем ресуспендировали в 1 мл 6 М гидрохлорида гуанидина (Sigma; Сен-Луи, Миссури, США) при 37 ° C в течение 15 мин.Поглощение измеряли при 366 нм. Расчет содержания PCO был основан на том факте, что коэффициент молярной экстинкции (ε) для DNPH при 375 нм составляет 22000 M ^-1 см ^-1 .

4.11. Экстракция РНК

Гифы P. infestans замораживали в жидком азоте и хранили при 80 ° C до использования. Для экстракции РНК гифы (0,150 г) измельчали ​​до тонкого порошка и общую РНК экстрагировали с помощью TriReagent (Sigma; Saint-Louis, MO, USA) в соответствии с инструкциями производителя.

4.12. Экстракция ДНК

Гифы P. infestans замораживали в жидком азоте и хранили при 80 ° C до использования. Для экстракции ДНК гифы (0,150 г) измельчали ​​до тонкого порошка и затем гомогенизировали в буфере, содержащем 200 мМ Трис-HCl (pH 7,5) (Bio-Rad; Hercules, Калифорния, США), 250 мМ NaCl (Stanlab; Люблин, Польша. ), 25 мМ EDTA (BioShop; Mainway, Burlington, ON, Canada), 10% SDS (Sigma; Saint-Louis, MO, USA) и РНКаза A (ThermoFisher; Waltham, MA, USA) добавляли к каждому образцу. После инкубации (30 мин при комнатной температуре при перемешивании) добавляли смесь фенол-хлороформ-изопропанол (1: 2: 1) (BioShop; Mainway, Burlington, ON, Canada) и образцы смешивали.После центрифугирования (10000 g в течение 12 минут при 4 ° C) верхний слой собирали, смешивали с хлороформом и центрифугировали (10000 g в течение 12 минут при 4 ° C). Затем верхний слой смешивали с изопропанолом, инкубировали 10 мин при комнатной температуре и центрифугировали (10000 g в течение 12 мин при 4 ° C). Супернатант удаляли, осадок сушили на воздухе и растворяли в H ₂ O _DEPC .

4.13. 8-NO

₂ -G Количественное определение

Уровень 8-нитрогуанина количественно определяли с помощью набора OxiSelect ^TM Nitrosative DNA / RNA Damage ELISA Kit (Cell Biolabs; Сан-Диего, Калифорния, США; STA-825).Для анализа использовали 10 мкг тотальной РНК или ДНК. Дальнейшие процедуры проводились в соответствии с инструкциями производителя. Оптическую плотность образцов измеряли при длине волны 450 нм с использованием считывающего устройства для микропланшетов IMARK ^TM (Bio-Rad; Hercules, Калифорния, США). Содержание 8-NO ₂ -G определяли путем сравнения с заданной стандартной кривой 8-NO ₂ -G. Каждый образец анализировали в трех экземплярах на микропланшетах для ELISA.

4.14. Общая антиоксидантная способность

Общая антиоксидантная способность (TAC) была определена на основании способности антиоксидантов, присутствующих в экстракте, восстанавливать катион-радикал 2,2 ‘азинобис- (3-этилбензотиазолин-6-сульфоновой кислоты) (ABTS) по Бартошу. [58].Исходный раствор ABTS ⁺ разбавляли 0,1 М калий-фосфатным буфером (pH 7,4) (Chempur; Piekary ląskie, Польша), чтобы установить оптическую плотность при длине волны 414 нм на 1,0. Гифы (0,1 г) гомогенизировали в 0,8 мл 5% TCA (Sigma; Saint-Louis, MO, USA). После центрифугирования (15000 g в течение 30 минут при 4 ° C) супернатант собирали и использовали для анализов. Объем 980 мкл разбавленного ABTS ⁺ добавляли в кювету и измеряли оптическую плотность (A0) на длине волны 414 нм.Затем добавляли 20 мкл экстракта и снова измеряли оптическую плотность через 10 с (A2) и 30 минут (A1) соответственно. Быстрые антиоксиданты рассчитывались как ΔA _быстро = A1 — A0, тогда как медленные антиоксиданты рассчитывались как ΔA _{медленные} = (A2 — A1) — (A2 ’- A1’). Калибровочную кривую получали путем последовательного добавления порций по 5 мкл 0,01 мМ Trolox ^® (Sigma; Сен-Луи, Миссури, США) к ABTS ⁺ и измерения уменьшения оптической плотности. Конечный результат общей антиоксидантной способности выражали в мМ Trolox × g ^-1 FW.

4.15. Активность супероксиддисмутазы

Супероксиддисмутазу анализировали путем измерения способности SOD ингибировать фотохимическое восстановление NBT с использованием метода Beauchamp и Fridovich [59]. Свежие гифы (0,05 г) гомогенизировали в 0,05 М натрий-фосфатном буфере (pH 7,0) (Chempur; Piekary ląskie, Польша), содержащем 1 мМ EDTA (BioShop; Mainway, Burlington, ON, Канада), 1% PVPP (Sigma; Сен-Луи, Миссури, США) и 0,01 М NaCl (Stanlab; Люблин, Польша). После центрифугирования (15000 g в течение 30 минут при 4 ° C) супернатант собирали и использовали для анализов.Смесь для анализа содержала 0,05 М натрий-фосфатный буфер (pH 7,8) (Chempur; Piekary ląskie, Польша), 13 мМ метионин (Sigma; Сен-Луи, Миссури, США), 75 мкМ NBT (SERVA; Heidelberg, Германия), ферментативный экстракт. и 2 мкМ рибофлавина (SERVA; Heidelberg, Германия). Реакцию инициировали УФ-излучением (15 Вт) и проводили в течение 15 мин. Поглощение измеряли на длине волны 560 нм. Количество фермента, вызывающего ингибирование реакции восстановления NTB на 50%, принимали за единицу активности SOD (U × мг ^-1 белка).Для определения изоферментов СОД образцы, содержащие 50 мкг белка, разделяли в 10% неденатурирующем акриламидном геле и визуализировали по методу Бошампа и Фридовича [59].

4,16. Активность каталазы

Каталазу анализировали с использованием метода Chance and Maehly [60]. Свежие гифы (0,250 г) гомогенизировали в 0,1 М натрий-фосфатном буфере (pH 7,0) (Chempur; Piekary ląskie, Польша). После центрифугирования (15000 g в течение 30 минут при 4 ° C) супернатант собирали и использовали для анализов.Смесь для анализа содержала 0,01 М натрий-фосфатный буфер (pH 7,0), ферментативный экстракт и 3% H ₂ O ₂ . Поглощение измеряли на длине волны 240 нм. Активность каталазы выражали как ΔA × min ^-1 × мг ^-1 белка. Изоферменты каталазы определяли с помощью нативного PAGE на 7,5% акриламидных гелях и локализовали методом, описанным ранее Woodbury et al. [61]. Для определения изоферментов CAT образцы, содержащие 50 мкг белка, разделяли на 7.5% неденатурирующий акриламидный гель и визуализированный методом Woodbury et al. [61].

4,17. Измерение экспрессии гена

Гифы P. infestans (или листья картофеля) замораживали в жидком азоте и хранили при -80 ° C до использования. РНК выделяли из 0,150 г замороженного образца с помощью TriReagent (Sigma; Сен-Луи, Миссури, США). Полученную РНК очищали с использованием набора Deoxyribonuclease Kit (Sigma). Для обратной транскрипции 1 мкг РНК обрабатывали с помощью набора для обратной транскрипции (Thermo Scientific Fermentas; Уолтем, Массачусетс, США) в соответствии с инструкциями производителя.ПЦР в реальном времени проводили на термоциклере Rotor-Gene 6000 (Corbett Life Science; Qiagen; Hilden, Германия). Реакционная смесь содержала 0,1 мкМ каждого праймера (перечислены в таблице S1 в дополнительных материалах), 1 мкл 5-кратно разведенной кДНК, 5 мкл мастер-микса Power SYBR Green PCR (Applied Biosystems; Фостер-Сити, Калифорния, США) и DEPC. очищенная вода до общего объема 10 мкл. Реакция ПЦР инициировала денатурацию при 95 ° C в течение 5 мин. Последующие этапы включали 50 циклов, состоящих из 10 с при 95 ° C, 20 с при 53 ° C и 30 с при 72 ° C.Реакцию завершали денатурацией при повышении температуры от 72 до 95 ° C на один градус каждые 5 с. Специфичность реакции и значения CT для отдельных образцов определяли с помощью программы PCR Miner в реальном времени [62]. Ген S3a P. infestans был выбран в качестве эталона при измерении экспрессии гена P.