Tiere als Stromlieferanten – das klingt erstmal ziemlich absurd und man schaut lieber nochmal auf den Kalender, nicht das man noch auf einen Aprilscherz reinfällt. Tatsächlich aber ist es Forscherinnen gelungen, eine Schnecke quasi als Batterie zu benutzen, sie mit Elektroden auszustatten und so kleine Mengen an Strom zu gewinnen.


ResearchBlogging.org

Aha, hier werden also Schnecken zu Batterien umgebaut. Da stellen sich sicher gleich drei Fragen:

Wie funktioniert das?

Ist das effizient?

Was soll das?

Wie funktioniert das?

Das Prinzip dahinter ist eine sogenannte Bio-Brennstoffzelle. Die funktioniert ähnlich wie eine normale Brennstoffzelle. Dieses Bild hier zeigt das Prinzip:

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So eine Brennstoffzellen hat zwei Elektroden, eine Kathode und eine Anode. An der Kathode reagiert Sauerstoff mit H+-Ionen1 zu Wasser. Die Elektronen, die er dafür braucht (damit am Ende ein elektrisch neutrales Wassermolekül herauskommt), bekommt er über einen Draht, der mit der Anode verbunden ist.

1 Das ist jetzt etwas vereinfacht, eigentlich müsste man wohl H3O+-Ionen schreiben.

An der Anode wird Glucose (also Zucker) zersetzt, hier in diesem Bild zu Gluconolacton – das ist ein Molekül, das Glucose sehr ähnlich ist, dem aber zwei Wasserstoffatome fehlen. Wir haben also folgende Reaktionen

Anode: 2C6H12O6 → 2C6H10O6+4 H+ + 4e

Kathode: O2 + 4 H+ + 4e → 2 H2O

Also insgesamt

2C6H12O6+O2 → 2C6H10O6+2 H2O

Die Elektronen fließen dabei durch den Draht und wenn dort ein Stromverbraucher angeschlossen ist, dann kann dieser durch die durchfließenden Elektronen angetrieben werden.

Die Bio-Brennstoffzelle funktioniert also mit Zucker (Glucose), einem Molekül, das Tiere mit der Nahrung zu sich nehmen oder aus der Nahrung herstellen (Schnecken beispielsweise futtern ja gern Blätter, die sind reich an Zellulose und Zellulose ist ein Verbund aus Zuckermolekülen).

Man braucht also zunächst Glucose, und zwar in einer wässrigen Lösung, damit die H+-Ionen von der Anode zur Kathode fließen können.

Von ihrer Anatomie her sind Schnecken (und auch andere wirbellose Tiere) gut für den Anschluss einer solchen Bio-Brennstoffzelle geeignet, denn sie haben einen sogenannten offenen Kreislauf, bei dem das Blut direkt vom Herzen in die Körperhöhle (hemocoel) fließt, die mit allen Organen verbunden ist. In dieser Körperhöhle kann man deswegen die Elektroden gut unterbringen. (Nachteilig ist allerdings, wie wir noch sehen werden, dass die Körperflüssigkeit – Hämolymph genannt, weil sie die Rolle von Blut (“häm”) und Lymphflüssigkeit zu gleich übernimmt – nur relativ langsam fließt.)

Vom Prinzip her ist also alles ganz einfach: Man nehme eine Schnecke, bohre zwei Löcher in die Schale, stecke zwei Elektroden in die Schnecke, schließe einen Stromverbraucher an und fertig:

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Naja, für theoretische Physiker mag sich das so darstellen, aber die Feinheiten sind doch etwas trickreicher.

In einer normalen Batterie bestehen die Elektroden einfach aus Metall. Für eine Bio-Brennstoffzelle braucht man aber Elektroden, die Enzyme enthalten, die die Reaktion des Zuckers und des Sauerstoffs katalysieren. Für die Kathoden-Reaktion war das anscheinend nicht so schwer, da hat sich die sogenannte Laccase schon in anderen Bio-Brennstoffzellen als Katalysator bewährt.

Für die Reaktion auf der Anodenseite, bei der der Zucker verarbeitet wird, war das ganze allerdings deutlich trickreicher, weil übliche Enzyme zwar in Bakterientanks, nicht aber im Inneren einer Schnecke gut funktionieren. In der Arbeit diskutieren die Forscherinnen unterschiedliche Varianten, aber bei Begriffen wie “Koimmobilisation der NAD+-Kofaktoren” muss ich dann leider zugeben, dass meine Kenntnis der Biochemie für’s Detailverständnis nicht ausreicht. Am Ende entschieden sie sich dann für ein Enzym mit dem schönen Namen “pyrroloquinoline quinone (PQQ)-dependent glucose dehydrogenase (PQQ-GDH; E.C. 1.1.5.2)”.

So, die Enzyme sind nun also ausgewählt, aber nun muss man sie auch noch auf die Elektroden draufbekommen. Dazu bedient man sich der berühmten Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die kann man kommerziell in Form von “Buckypaper” kaufen, da liegen die Nanoröhrchen in einem wilden Gewusel verwoben vor. Dazu gibt es ein paar Informationen an der Florida State University. Ein schönes frei verfügbares Bild habe ich leider nicht finden können, wenn ihr eine Elektronenmiksorkop-Aufnahme sehen wollt, müsst ihr euch deshalb die Mühe machen, hier zu klicken.

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Kommentare (35)

  1. #1 transorbital
    23. April 2012

    Und wie geht´s der Schnecke dabei?

  2. #2 MartinB
    23. April 2012

    Soweit anscheinend gut, sie frisst jedenfalls ohne Probleme und die Versuche wurden über mehrere Wochen durchgeführt.
    Wahrscheinlich wundert sie sich aber, warum sie immer so ausgelaugt ist.

  3. #3 MechanizedEckbert
    23. April 2012

    Finde ich extrem interessant!
    Ich frage mich, wie lang es dauert, bis solche Technik kleine Chips/PCs mit Strom versorgen kann, die in den Menschen implantiert wurden. So würden dann endlich die Träum / Alpträume des Cyberpunks Realität 😉

  4. #4 SCHWAR_A
    23. April 2012

    Passiert der Schnecke dasselbe, wenn sie über die Cu-Folie muß, und schleicht deswegen lieber außenrum?

  5. #5 Plastefisch
    23. April 2012

    Die Schnecke verbrennt ja sicher nicht die ganze
    Kohlenhydratmenge die sie reinfuttert. Da wird
    wohl noch einiges z.B. zum rumschleimen oder wachsen
    verbraucht.

  6. #6 Paul S
    23. April 2012

    “Koimmobilisation der NAD+-Kofaktoren”

    Wenn mich nicht alles täuscht ist damit gemeint, dass viele oxidierende/reduzierende Enzyme NAD+ als Kofaktor benötigen (nichts anderes als eine bioaktive Form des Niacins; steht auch immer als Vitamin auf diversen Nahrungsmittelverpackungen…). Das stellt aber bei dieser Anwendung ein Problem dar, da man das NAD+ dann für die Enzyme in ausreichender Menge bereitstellen müsste, ohne damit den gesamten Schneckenhaushalt (im wahrsten Sinne…) zu beeinflussen. Das ginge dann nur, indem man das NAD+ ebenfalls auf den Nanoröhrchen befestigte, was aber chemisch, kinetisch, usw. zu aufwändig wäre, bzw man nicht wüsste, ob das überhaupt funktionierte. Deswegen hat man sich für dieses doch recht exotische Enzym entschieden (PQQ-GDH). Vorteil: Leichter zu “montieren”; Nachteil: Viel weniger gut charakterisiert als viele NAD+-abhängige Enzyme.

    @Martin: Bezüglich deiner Verwendung von aussschließlich weiblichen Endungen bei Berufsbezeichnungen: Super!
    Dazu kennst du ja sicherlich auch die hervorragenden Artikel von deinem Bloggerkollegen Stefanowitsch von den Scilogs: http://www.scilogs.de/wblogs/blog/sprachlog/sprachstruktur/2011-12-14/frauen-natuerlich-ausgenommen

  7. #7 Barkai
    23. April 2012

    wenn in einem englischsprachigen text “log” steht, ist damit in der Regel der dekadische Logarithmus gemeint (jedenfalls ist es mir noch nicht begegnet, dass die Abkuerzung “log” fuer den natuerlichen Logarithmus verwendet worden waere). Ich meine mich auch daran zu erinnen, dass auf meinem alten texas instrument Taschenrechner (also immerhin US-amerikanisches Design) der dekadische Logarithmus mit “log” auf der Taste angegeben war, dass es denn noch die Taste “log x” gab und “ln” fuer den natuerlichen logarithmus.

  8. #8 MartinB
    23. April 2012

    @MechanizedEckbert
    So wie ich es verstehe, funktionieren ähnliche Brennstoffzellen zum Beispiel in Ratten bereits.

    @Schwar_a
    ?? Was für ne Cu-Folie?

    @Plastefisch
    Typischerweise verbrennen, wenn ich die Zahl richtig im Kopf habe, Wechselwarme etwa 90% der Nahrung und verwenden 10% zum Wachsen. Schneckenschleim besteht soweit ich weiß vor allem aus Proteinen, die muss die Schnecke natürlich auch futtern, aber die Energie, die sie dafür verbrät, geht ja in den Gesamtenergieverbrauch mit ein.

  9. #9 MartinB
    23. April 2012

    @PaulS
    Ach so, NAD+ als Kofaktor. Ich dachte, das NAd+ bräuchte dann seinerseits noch einen Kofaktor, und das war mir zu kompliziert.
    Was die weibliche Form angeht, danke für den Link, das Experiment kannte ich noch nicht. Wir hatten dazu hier im Herbst 2010 eine ziemliche Schlacht, da hätte mir das gute Dienste geleistet.

    @Barkai
    Ja, so kenne ich das eigentlich auch – in einigen Programmiersprachen ist aber log der natürliche Logarithmus, und den dekadischen zu nehmen ist eh abartig, wer macht denn sowas? 😉

  10. #10 Barkai
    23. April 2012

    @MartinB

    ok, das mit der Programmiersprache war/ist mir jetzt neu. Aber ich erinnere mich noch sehr gut an meinen Mathelehrer, der immer ueber die englischen Tastenbezeichnungen geschimpft hat; laut ihm ist die im deutschen uebliche Abkuerzung fuer dekadische Logarithmen “lg” und nicht etwas “log” (wie es im englischen ueblich ist). – ich habe erst gedacht, dass deine Unsciherheit vllt daher herruehrt, weil du eher mit der Abkuerzung “lg” vertraut bist.

  11. #11 WolfgangK
    23. April 2012

    Interessanter Artikel. Eine Frage hätte ich: wie verhindert man, dass die Elektronen von Anode zur Kathode durch die körpereigenen Zellen gehen (und stattdessen über den Draht)?

    “Und dann können wir uns eines Tages nicht sicher sein, ob die Fliege, die da gerade an unserer Wand sitzt, nicht vielleicht eine kleine Kamera dabei hat oder ein Mikrofon. Und so hinterlässt dieses ziemlich coole Forschungsprojekt leider auch ein leichtes Gruseln.”

    Das erinnert mich an “des Pudels Kern” von Ulrich Roski, der in den 70er Jahren sang:

    Dann seh‘ ich am Wegesrand
    ein paar Pilze und hab sie schon fast in der Hand,
    als mich eine Stimme laut „Vorsicht!“ warnt,
    „Das sind welche von uns, als Morcheln getarnt!“

  12. #12 BreitSide
    23. April 2012

    @Schwar_A: Ich würde denken, dass das eher an der Giftigkeit von Kupfer liegt.

    Vor Schnecken hätte ich jetzt nicht sooo viel Angst, ich bin ja kein Berner…

    Aber Insekten könnten wirklich unheimlich werden.

  13. #13 Roland Tluk
    23. April 2012

    @transorbital
    Elektrizierend! =)

    Wir könnten das Gehäuse auch mit Sprengstoff füllen und dann als “Schleimbombe” deklarieren.

    Nein im Ernst:
    Wie kommt man darauf Schnecken unter Strom zu setzen? Ich dachte mit 7Jahren hört man mit Armeisenkokeln auf?

  14. #14 MartinB
    24. April 2012

    @Wolfgang
    Naja, die Körperflüssigkeit ist ja Wasser mit Elektrolyten, das leitet Elektronen um Größenordnungen schlechter als nen Draht – ist elektrotechnisch gesehen eine Parallelschaltng eines großen und eines kleinen Widerstands, da gehen fast Elektronen den einfachen weg. Ist in deiner Autobatterie letztlich genauso.

    @Roland
    Wie man drauf kommt, steht ja oben: Generell eignen sich Wirbellose gut wegen der Körperhöhle (vermutlich machen sie es auch einfacher, ein positives Votum einer Ethikkommission zu bekommen), und die Anwendungen habe ich ja beschrieben…

  15. #15 Librarian
    24. April 2012

    In der Anoden-Gleichung

    C6H12O6 → C6H10O6+4 H+ + 4e

    fehlt vor Glucose und Gluconolacton jeweils eine 2 – wenn jedes Molekül 2 Wasserstoff-Ionen abgibt, braucht man schließlich 2 davon, um auf die angegebenen 4 zu kommen.

    Und aus irgendeinem Grund werden bei Kommentaren die HTML-Tags zum Hoch- und Tiefstellen entfernt/nicht erkannt …

  16. #16 MartinB
    24. April 2012

    @Librarian
    Stimmt, danke.

    Ja, das mit den html-tags habe ich auch noch nie verstanden, manche gehen, manche nicht.

  17. #17 WolfgangK
    24. April 2012

    @Martin

    “Naja, die Körperflüssigkeit ist ja Wasser mit Elektrolyten, das leitet Elektronen um Größenordnungen schlechter als nen Draht…”

    Ja schon klar. Vielleicht war die Frage falsch gestellt und versuche es mal so: ich meinte eher, dass Restströme ja immer durch die Zellen fliessen werden, und die müssten dieselben auf Dauer schädigen, vor allem dann, wenn mit höheren Spannungen operiert werden sollte. Nach Deiner Grafik geht es ja schon fast bis 400mV hinauf, und das ist bei nah beieinanderliegenden Polen für die dazwischenliegenden Zellen trotz parallelgeschaltetem Verbraucher wahrscheinlich nicht unbedingt vernachlässigbar. Immerhin spürt man 50V zwischen Daumen und kleinem Finger (bei trockener Haut, einer geschätzten Pol-Entfernung von 25cm und einem ungefähren Innenwiderstand von 1,5MOhm) durchaus trotz eines parallelen niederohmigen Verbrauchers.
    Auch wenn die Autobatterie ein gutes Beispiel ist; die lebt aber nicht…

  18. #18 MartinB
    24. April 2012

    @WolfgangK
    Ich glaube nicht, dass diese eher kleinen Spannungen problematisch sind – Muskeln machen ganz ähnliche Potentiale, und das spielt sich hier ja alles in der Körperhöhlung ab. Wenn ein Nerv zwischen den Elektroden säße, wäre das evtl etwas anderes , aber ehrlich gesagt bin ich nicht Biologe genug, um das fundiert sagen zu können.

  19. #19 volker
    24. April 2012

    Dass im Zusammenhang mit “elektrischen Schnecken” wieder über die weiblichen Formen “Mathematikerrinnen” und “Physikerinnen” geblogt wird, was soll ich nur davon denken?
    Frauen und Frauinnen, wehrt Euch!

  20. #20 MartinB
    24. April 2012

    “was soll ich nur davon denken? ”
    Dass das Problem der geschlechtergerechten Sprache nicht verschwindet, nur weil man es gern möchte?

    Siehe auch den Link oben von PaulS, die Studie dort ist ziemlich eindeutig.

  21. #21 BreitSide
    24. April 2012

    @WolfgangK: Ulrich Roski, ein Held meiner Jugendzeit!

    Bei dem hatte ich eher daran gedacht:

    “Ich suchte Sonntags in der Stadt nach einem schönen Glas Wein,
    denn das Fernseh´n lädt mich nie zum Frühschoppen ein.
    Da stand ein winzig kleiner Mann am Straßenrand,
    nicht größer als ein Daumen und winkte mit der Hand.
    Ich hab´ihn sofort als Anhalter eingeschätzt
    und ihn behutsam in mein linkes Ohr gesetzt.
    Die nächste Ampel war rot, doch mein Passagier rief:
    “Ich hab´s eilig du Spießer, lauf los,” und ich lief.
    Ein Polizist sah das und meinte:” He wie komm´n sie mir vor,
    hier bei Rot zu geh´n, sie ham´wohl`n kleinen Mann im Ohr.”
    Ich denk´der ist pfiffig, daß muß ich gesteh´n.
    “Also Detlef komm raus, er hat dich geseh`n.””

    Ich hab ihn noch live mit “Unsere Lieblinge” erleben dürfen.

    Absolut geil und mit tiefschwarzem Humor sein “Ich lerne sprechen” über seine Logopädiebehandlung nach seinem Zungenkrebs.

    Die schwärzeste Stelle finde ich die:

    “Im Vorzimmer tobt eine Horde minderjähriger Kinder. Sie sehen sehr zugewandert aus und spielen Indianer. Ich möchte das Erlernte gleich sinnvoll einsetzen und krächze mühsam: »Macht mal nicht so’n Krach, ihr Bla-Bla-Blagen!«

    Und der kleine Häuptling entgegnet frech: »Bleichgesicht redet mit gespaltener Zunge!«”

    Wah, das tat weh, so gut war das. Roski rules R.I.P.!

  22. #22 ZielWasserVermeider
    24. April 2012

    Pffft… das ist ja noch gar nichts…

    Mein Zitteraal betreibt mein ganzens Gombuterequipment….
    Leider ist das Mistviech ziemlich launisch…. so muss man schnell posten bevor er die Stomabgabe abbbri…..

  23. #23 BreitSide
    24. April 2012

    @PaulS, MartinB: Ja, das waren Zeiten! War das nicht die Falle mit den Namen für Radler in einer Soap? Wo jede Menge Leute reingefallen waren und sich nachher – darob peinlichst berührt – gewunden haben wie ein Wurm und die Versuchsanordnung beschimpften. Herrlich! Ich glaube, ich wäre auch voll reingefallen.

    Da sind wir wieder am selben Punkt wie bei der Diskussion um höfliches Verhalten von Männern, die sich nachts aus dem Fluchtradius von Frauen raushalten, die allein unterwegs sind: Die Herren, die am längeren Hebel sitzen, machen sich lächerlich über die benachteiligten Frauen.

  24. #24 BreitSide
    24. April 2012

    @ZWV: Hast Du ihn auch gut verwahrt, den Zitteraal im Futteraal ?

  25. #25 ZielWasserVermeider
    24. April 2012

    @BreitSide

    Aber sicher das…
    Und die Giesskanne… nicht zu vergessen die Giesskanne!
    Damit meine Tarnkappe auf dem Koppe immmer schön feucht bleibt!
    Ist ein sehr prickelndes Erlebnis!

    Gruß
    Oli
    Grübel: Warum erfen sich die Leute vor mir in den Dreck un rufen Chtullu f’tgn?

  26. #26 BreitSide
    24. April 2012

    @ZielWasserVermeider: Giesssskannnne? Tarnkappe? Bahnhof?

  27. #27 ZielWasserVermeider
    24. April 2012

    @BreitSide

    ->me->Oktupus->Headwear->Tarnkappe

    Gruß
    Oli

    😉

  28. #28 MartinB
    25. April 2012

    @BreitSide
    Ja, wenn ich damals dieses Experiment gekannt hätte, dann hätte das die Diskussion ziemlich eindeutig entschieden (auch wenn das Experiment eine winzige Schwäche hat, vielleicht blogge ich die Tage mal drüber).

  29. #29 SCHWAR_A
    30. April 2012

    @Scienceblogs-Administrators:

    “Und aus irgendeinem Grund werden bei Kommentaren die HTML-Tags zum Hoch- und Tiefstellen entfernt/nicht erkannt …”

    Und das in einem “Scienceblog”… Ich kann das auch nicht verstehen – wann kann man endlich wenigtens die einfachsten Formatierungen machen, oder besser gleich MathJax oder ähnliches?

  30. #30 MartinB
    30. April 2012

    @SCHWAR_A
    Irgendwann bekommen wir ja MT, dann wird alles gut…

  31. #31 Benni
    Berlin
    21. Juli 2013

    Was passiert, wenn man die Schnecke kurzschließt? Also ohne Last?

  32. #32 MartinB
    23. Juli 2013

    Kann ich leider nicht sagen – ich vermute aber, dass nichts Schlimmes passiert – wenn man eine handelsübliche Batterie kurzschließt, ist das ja auch kein Drama, oder?

  33. #33 Wilhelm Leonhard Schuster
    24. Juli 2013

    @Martin,aber nur ganz kurz, kurz schließen ,sonst wird ein Drama draus.
    Ich war bei Unfall dabei, da ist die Batterie kurz geschlossen worden . Die halb Fingerdicken Kupferkabel haben minutenlang geglüht und das Fahrzeug in Brand gesetzt.

  34. #34 MartinB
    27. Juli 2013

    @WLS
    Ich dachte jetzt nicht an eine Autobatterie, sondern an ne kleine Tachenlampenbatterie oder so – die Leistugn der Schnecken ist ja sehr klein, ich glaube nicht, dass da viel passiert.

  35. #35 Wilhelm Leonhard Schuster
    28. Juli 2013

    Naja, vielleicht wird die arme Schnecke zur Schnecke
    gebracht und dem Schneckenwahnsinn anheimfallen.