PIEZOELEKTRYCZNOSĆ ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH I ..., Ćwiczenia z Informatyka

Pobierz PIEZOELEKTRYCZNOSĆ ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH I ... i więcej Ćwiczenia w PDF z Informatyka tylko na Docsity!

ROCZNIKI FILOZOFICZNE Tom XXV, zeszyt 3 — 1917

WŁODZIMIERZ SEDLAK

PIEZOELEKTRYCZNOSĆ ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

I KWANTOWOAKUSTYCZNE PODSTAWY INFORMACJI

BIOLOGICZNEJ

Przedmiotem opracowania jest wylbrany element informacyjny wyni kający z eksperymentalnych faktów, mianowicie, półprzewodnictwa i pie- zoelektryczności związków biologicznie istotnych. Problem sprowadza się do informacji w obrębie molekularnego układu półprzewodników i piezoelektryków, abstrahując od struktur biologicznych i wytworzonych ewolucyjnie usprawnień, a więc na poziomie kwantowym dalekim od obrazu zarysowanego fizjologią układu. Informatyka musi się ostatecznie sprowadzić do biofizyki kwantowej. Na tyiti poziomie sprawy nie tylko się ujednolicają, ale również wyjaś niają. Wielopoziomowość bowiem organizacyjna bywa często sprawą my lącą w interpretacjach biologicznych.

1. O R G A N IZ M JA K O PIE Z O E L E K T R Y C Z N Y Z E SPÓ Ł

Piezoelektryczność związków organicznych od niedawna interesuje eksperymentatorów. Przez piezoelektryczność rozumie się zdolność do po laryzacji pod działaniem sił mechanicznych nacisku, rozciągania lufo skrę cania, przy tym znak polaryzacji jest zsynchronizowany ze zmiennymi kie runkami. Odwrotnie znowu zmienne pole elektryczne przyłożone do pie- zoelektryka powoduje odchylenie od jego parametrów liniowych i obję tościowych. Ulega on wówczas strykcji emitując falę akustyczną, staje się kwantowym generatorem fononów. Odkrycie piezowłasności w związkach organicznych biologicznie podstawowych inaczej układa i pełniej rysuje energetykę żywego ustroju, zwłaszcza w odniesieniu do energii mecha nicznej. Piezowłasności stwierdzono u aminokwasów (41), białdk (9, 10) zasad purynowych i pirymidynowych, DNA I RNA (2), galaktozy i celulozy, chityny (3). Układy tkankowe zarówno roślinne, jak i zwierzęce są pie zoelektryczne (2). Wykonano dużo badań nad tkanką zaangażowaną w

150 W Ł O D Z IM IE R Z^ S E D L A K

ruohu, głównie kostną (13, 23, 25, 22), mięśniową (9). Wyniki są tak powtarzalne, że przyjmuje się piezoelefctryczność jako ogólną ceohę wszy stkich tkanek (36). Elektryczne własności masy organicznej preferowała ewolucja, nie bez znaczenia dla funkcjonalnych następstw. Układają się one po linii rozwijania procesów warunkowanych półprzewodnictwem i piezoelektrycznośćią — ogólnie kompleksem elefetryczno-mechanicznym i fotonowo-fononowym. Innymi słowy: żywy ustrój jest wyjątkowo za interesowany procesami elektromagnetycznymi i zmiennymi siłami me chanicznymi łącząc je z przestrojeniem elektrycznym (polaryzacja) i zja wiskami kwantowoalkuistycznymi. Procesy elektronowego uruchomienia dokonują się w biologicznym pół przewodniku w dwojaki sposób: a) w odniesieniu do zdelokalizowanych elektronów związków aromatycznych i heterocyklicznych lub molekular nego transferu międzymolekularnego i efektów tunelowych, czyli bezstrat nych przejść przez barierę potencjału. To jedna strona uruchomienia elek tronów, wynikająca z molekularnych własności półprzewodnika; b) pół przewodnik białkowy metabolizuje, a więc w odwracalnych reakcjach che micznych uruchamia strumień elektronów. W tych samych dwóch okolicz nościach następuje emisja fotonów. Na złączach p-n subkomórkowych struktur o różnej gęstości elektronowej, być może w efekcie laserowym (29) lub elektroluminescencyjnym, albo w następstwie reakcji chemicz nych zwłaszcza utleniania (chemiluminescencja). Procesy życiowe oparte na elektronice organicznych półprzewodników są więc zróżnicowane i sprowadzają się do uruchomienia ładunków i kwan towej emisji fotonów i fononów. Piezoelektryczne własności dostarczają więc nowych możliwości funk cjonalnych. O ile półprzewodnik można ogólnie traktować jako przetwor nik energii elektrycznej na elektromagnetyczną, przy czym wszelka ener gia dostarczana układowi z zewnątrz zmienia jego elektryczną charakte rystykę, o tyle piezoelektryk jest szczególnie predysponowany do tran sformacji energii mechanicznej na elektryczną i odwrotnie (7, 8). Piezoelektryk nie musi być półprzewodnikiem, w sytuacji biologicznej często łączą się obie cechy, jak u białek i kwasów nukleinowych. Zmienne pola elektryczne, o które tak łatwo w półprzewodnikach zasilanych w do datku strumieniem elektronów metabolicznego pochodzenia, powodują strykcję, czyli zmianę przestrzennych wymiarów piezoelekrtryka z jedno czesną generacją kwantowej fali akustycznej w częstotliwości narzucanej rytmiką pola. Odwrotnie znów mechaniczne działanie nacisku, dekompre sji czy skrętu powoduje zmienną polaryzację. Układ półprzewodnikowego piezoelektryka białkowego streszcza swą funkcję do strumienia strukturalnych i metabolicznych elektronów oraz do fali elektromagnetycznej i akustycznej. Uproszczone wewnętrzne śro

152 W Ł O D Z IM IE R Z^ S E D L A K

ka molekularna, przez którą przebiega paroksyzm strykcyjnych drgań i ge nerowana fala akustyczna. W tej rozedrganej sieci molekularnej piezo- elektryka i wśród ruchliwych strukturalnych elektronów białkowego pół przewodnika, dokonują się odwracalne reakcje chemiczne ze swą nieustan ną rytmiką anaboliczno-kataboliczną wymierzaną prawdopodobnie przez falę elektromagnetyczną i kwantowoakustyczną. Schemat biochemiczny wydaje się uproszczony i niekompletny, był do bry jako pierwsze przybliżenie procesów życiowych, nie jest natomiast do przyjęcia dziś w zespole nowych faktów. Organizm traktujemy jako masę złożoną z półprzewodników i piezoelektryków wytwarzanych metabolicz nie. Akcja dokonuje się na poziomie molekularnym i submolekulamym. Ważny jest tutaj przekaz elektronowy w reakcjach chemicznych oraz pro cesy elektroniczne, a więc uruchomienia ładunków na zasadach zdelokali- zowamia w powłokach elektronowych drolbin, międzymolekulamego tran sferu elektronowego, elektronów w związkach sprzężonych, piezoelekrtro- nów polaryzacji, generowanych kwantowo fotonów i fali akustycznej drga jącego piezoelektryka. To swoisty świat energetyczny, gdzie masa i ener gia zatracają swe różnice i gdzie nomenklatura związków chemicznych nie zdaje się odgrywać żadnej roli. Istotne są elektrony, fotony i fonony. Zarysowany świat energetyczny miikrorozmiarów i kwantowych reali zacji nie ogranicza się do chemicznego powinowactwa i procesów syntezy oraz katabolizmu; choć przyznać trzeba, że masa biologiczna tworzy się w ten sposób. Chemiczne zasilanie układu trzeba zespolić z procesami elek tronicznymi półprzewodników organicznych oraz funkcją piezoelektryków sprowadzająęą się do przemian elektromechanicznych. To wszystko wyraża jakiś ogólny stan wzbudzenia materii organicznej ze skutkami chemicznego powinowactwa, kwantowej emisji fotonów, kwantowo-akustycznych pro-, cesów. Wszystko Wzajemnie sprzężone, pozbawione nieładu i zazębiające się, przy jakiejś autokatalizie procesów wzajemnego stymulowania. Nie może tu bowiem nic ustać, ani reakcje chemiczne, ani elektroniczne, trwać muszą procesy elektromechaniczne. NazyWa się to życiem białkowego sub- stratu. Procesy chemiczne nie dokonują się autonomicznie ani w izolowanej sytuacji, jakby to wynikać mogło z naszych dotychczasowych mniemań. Zadaniem ich jest z jednej strony uruchomienie strumienia elektronów metabolicznego pochodzenia, z drugiej żywy ustrój tworzy w ten sposób białkowe półprzewodniki oraz organiczne piezoelektryki.

Półprzewodniki gwarantują ruchliwość elektronów struktur moleku larnych, piezoelektryki zapewniają elektrony polaryzacyjne. Ponadto p ó ł przewodniki dostarczają energii w postaci kwantów elektromagnetycznych, a piezoelektryki energii akustycznej (fonony). Procesy metaboliczne uło żyły się więc w toku ewolucji niejako w łożysku zapewniającym oprawę

P IE Z O E L E K T R Y C Z N O Ś C Z W IĄ Z K Ó W O R G A N IC Z N Y C H 153

R d x

p o /e c h e m ic z n e

E M p o le e le k tro m a g n e ty c z n e M (^) p o /e m o le k u la r n e P h p o lo^ fo n o n o H o A < yn a rb o //zm K * k o /fa /b o l/z m R d x • P@c /o k s

Rys. 2. Reakcje chemiczne dokonują się w oprawie piezoelektrycznych półprzewod ników. Energetyka układu sprowadza się do oddziaływania między elektronami, fo tonami i fononami.

ruchliwych elektronów oraz energię elektromagnetyczną i akustyczną. Me tabolizm podlega więc ustawicznemu „wymieszaniu” elektromagnetyczne mu i mechanicznemu. Zdaje się, że jesteśmy u podstaw samej ewolucji uruchomienia procesów życiowych. Biochemik brał dery“wat sytuacji rze czywiście istniejący w żywym układzie i słusznie interpretowany, ale nie pełny. Ze stanowiska ewolucyjnego mówienia o procesach biochemicznych, jako wyłącznej podstawie życia, jest równoznaczne z wykluczeniem moż liwości rozwoju. Układ enzymatyczny pracujący na założeniach elektro nicznych, jak to się dla katalizy przyjmuje (4) oraz piezoelektrycznych według Greena oraz ,Ji (14) w proponowanym tu zestawie energetycz nym wydaje się ewolucyjnie uzasadniony i dostatecznie odczytany. Odtworzoną sytuację można rozpatrywać w ogóle od strony urucho mionych cząstek z ładunkiem albo sprzężeń między elektronami, fotona mi i fononami. W oibu wypadkach bardziej zrozumiałe stać się mogą zło żone procesy energetyczne żywego układu. <W pierwszym wypadku przy datne może się okazać pojęcie bioplazmy.

P IE Z O E L E K T R Y C Z N O Ś C Z W IĄ Z K Ó W O R G A N IC Z N Y C H 155

Strona korpuskularna bioplazmy jest 'wcale urozmaicona, a nade wszystko zapewniona w samej naturze związków organicznych i bioche micznych reakcji. Plazma odznacza się jednak również procesami radia- cyjnymi. W skali widma widzialnego byłyby to fotony rekombinacyjne (przy przechodzeniu ze stanu zjonizowania do obojętnego), promieniowa nie cyklotronowe (przy ruchu elektronu w podoi magnetycznym) oraz promieniowanie hamowania podczas przyspieszania, bądź zwalniania ru chu elektronu. Prócz tego plazma jako całość podlega drganiom na skutek nieciągłości wywołanych czynnikami wewnętrznymi lub zewnętrznymi. Występuje wtedy promieniowanie zwane elektrycznym, a w szczególnych okolicznościach magnetycznych powstają fale magnetohydrodynamiczne. Plazma bowiem w całości może być traktowana jaiko ciecz elektryczna podlegająca prawom hydrodynamiki i elektrodynamiki. Procesy radiacyjne rozprzestrzeniają się w piezoelektrycznym półprze wodniku organicznym. Molekularna siatka strukturalna podlega ustawicz nemu drganiu w następstwie procesów strykcyjnych, a jednocześnie sta nowi ona generator kwantowej fali akustycznej. Drgania akustyczne, elektryczne i magnetyczne stanowić powinny podstawowy czynnik inte grujący układ w funkcjonalną ściśle sprzężoną całość. Ten ogólny stan wzbudzenia masy organicznej w akcji chemicznej, elektrycznej i mechanicznej, ten stan wysokiego uenepgetyzowania nazy wamy bioplazmą. Nazwa oddaje sytuację nagromadzenia energii z usta wiczną jej transformacją, pulsującą pomiędzy jakimś maksimum i mini mum energetycznym, określanym jako przeciwstawne zjawiska genero wania i degradacji plazmy. W biochemicznym języku odpowiadałoby to stanom anabolizmu i katabolizmu. Bioplazma wykazuje duże podobieństwo, choć jedynie analogiczne do plazmy ciała stałego, różni się od niej specyficznością zasilania metabo licznego. Po prostu bioplazma żyje, albo przynajmniej wyraża stan życia w białkowej masie półprzewodnika. Życie to zdolność — najprawdopodob niej — utrzymywania stanu bioplazmowego, czyli ustawicznego niepokoju ogólnego wzbudzenia. Na tym podstawowym tle rozgrywają się dopiero pojedyncze akty biologiczne, jak synteza i katabolizm, enzymatyczne sta ny pośredniej katalizy, zjawiska wymuszonego promieniowania (biolase- rowe), kwantowoakustyczme, tworzenie wolnych rodników, formowanie białek z odpowiednią sekwencją aminokwasów, wymiana elementów stru kturalnych poprzez podstawianie „świeżymi” atomami, ogólne sterowanie procesami w całość koordynacyjną układu. W przybliżeniu można mówić o „przelewającej” się plazmie w mole kularnych strukturach półprzewodzących białek. Plazma jest posłuszna prawom elektrodynamiki i hydrodynamiki, posiada swoje mikro- i ma- kroprocesy, jest stanem' kwantowym cząstek obdarzonych ładunkiem

156 W Ł O D Z IM IE R Z^ S E D L A K

i obojętnych, jednocześnie reaguje jako całość w sposób charakterystyczny dla cieczy elektrycznej. Plazma „żyjąc” manifestuje swój stan elektrycz nie, magnetycznie, termicznie, chemicznie i grawitacyjnie. W tych wszy stkich punktach jest reaktywna. Jest stanem materii wyczulonym na wymienione rodzaje informacji modyfikując odpowiednio swój elektrycz ny profil. Daje znać o swej reakcji zawisze w ten sam sposób — elektro magnetycznie. Tym się jeszcze dodatkowo charakteryzuje, że procesy aku styczne bioplazmy dokonują się między molekularnymi strukturami wcho dząc w interakcję z nimi typu drgań sieci. Oba rodzaje energii: elektroma gnetyczna i akustyczna winny powodować falę stanów wzbudzonych po przedzającą reakcje chemiczne.

3. SY TU A C JA W U K ŁA D Z IE PIE Z O E L E K T R Y K — PÓ Ł P R ZE W O D N IK Składowe żywego ustroju należą jednocześnie do półprzewodników i piezoelektryków. Rozpatrywanie pierwfeizej charakterystyki dało bioele- ktronikę z jej daleko idącymi wnioskami w odniesieniu do natury życia. Piezoelektryczne własności prowadzą do zjawilsk kwantowoakustycznych w żywym układzie. Jak ten problem będzie się łącznie rozwiązywał w ze spole określanym jako żywy? Wstępnie można przypuszczać, że nie został on pominięty przez naturę i stanowi jeden z elementów konstruk- cyjnych bioenergetyki. Korelacji funkcjonalnych między półprzewodnictwem i piezoelektrycz- nością nie podejmowano dotąd w biologii. Natomiast w fizyce te zagad nienia mają swoje opracowania. Na razie pnożam podjąć próbę przenoszenia na układy biologiczne rezultatów otrzymywanych w akustoełektronice, której poświęcono międzynarodowe sympozjum w Sendai (Japonia) 1968 r. u,27>. ' Akustoelektronika bada złożone zależności w ośrodku półprzewodzą- cym i piezoelektrycznym, wprawdzie nieorganicznym, ale w pewnym sensie wzorcowym dla najszych potrzeb. Początkowo sądzono, że półprze- wodnictwo jest związane z krystaliczną naturą ciała i podporządkowane pasmowej teorii półprzewodnictwa, dopokąd nie wykazano, że półprze wodniki bywają t e ż amorficzne, a pasmowa teoria nie daje się tu zasto sować bez r e s z t y. Zjawiska k w a m to w o a k u s ty c Z n e łączono w pierwszej fazie badań również z krystalicznością i drganiami siatki przestrzennej, by w dalszych eksperymentach wykazać, że układy amorficzne — nawet organiczne — są również generatorami fal akustycznych (38). Można więc p o p r z e z analogię wyniki odnieść do żywych Układów, które są piezoelek trycznymi półprzewodnikami amorficznymi. W akustoełektronice rozważa się k i l k a sytuacji określanych jako sprzężenie. Własności elastyczne pół przewodnika, zwłaszcza piezoelektrycznego, są sprzężone z elektromagne tycznymi. Innymi słowy drgania siatki wywołują procetey elektromagne

1 5 8 W Ł O D Z IM IE R Z^ S E D L A K

natomiast w obszarach kompresji układają się one prostopadle do roz chodzenia się fali (18). Mielibyśmy już na tym poziomie pierwsze zróż nicowanie typu interferencyjnego z reperkusjami metabolicznymi. Podstawowy kierunek ewolucji — zróżnicowanie — znalazłby swe energetyczne i wyjściowe uzasadnienie. Zróżnicowanie obejmuje konsek wentnie potem ewolucję molekularną, biochemiczną, sulbkomórkową, ko mórkową, tkankową do gatunkowej włącznie. Nieciągłość energetyczna siatki dyfrakcyjnej wydaje się impulsem nadającym kierunek ewolucyjne mu zróżnicowaniu wszelkich stopni organizacyjnych żywego ustroju. Prawdopodobnie jest to równoznaczne z wytwarzaniem złożonego systemu o innej periodyzacji węzłów i strzałek, dając w następstwie złożoną sieć dyfrakcyjną o skomplikowanym układizie interferencyjnym. Mielibyśmy więc wstępny proces strukturyzacji z wyznacznikiem zagęszczeń i roz- rzedzeń energetycznych. W ślad pójść winno wypełnianie masą o włas nościach piezoelektrycznego półprzewodnika. Odbudowa struktur biologicznych z wymianą elementów atomowych jest zapewne rozwiązywana po uprzednim przygotowaniu zmianami fazo wymi akustycznej siatki dyfrakcyjnej. Struktury ulegają mechanicznemu rozluźnieniu w wężłach siatki i dopiero wówczas wkraczają ehzymy. Zresztą teoria piezoelektrycznego uzależnienia enzymatycznej katalizy sformułowana przez Greena i Ji (14), uzupełniona przez Casserta i Cer- vigni (6) mogłaby tutaj być w zgodzie. Prawdopodobnie więcej procesów przypisywanych dotychczas enzymom w biochemicznym schemacie od nieść trzeba będzie do kwantowoakustycznej i związanej z tym elektroma gnetycznej czynności w piezoelektrycznym ośrodku półprzewodników organicznych (33, 35).

4. ŻYWY USTRÓJ KWANTOWYM WZMACNIACZEM ENERGII Rysuje się nowy problem, sygnalizowany w 1967 r. jako przewidywa nie wymuszonej emisji, opracowany wreszcie w 1972 r. w laserowych zjawiskach biologicznych (29). Należy jeszcze raz do zagadnienia powró cić w pełniejszej opra'wie faktów. W piezoelektrykach trzeba podkreślić silne sprzężenie własności elastycznych z elektromagnetycznymi, stąd rozprzestrzenianiu się fali fononowej towarzyszą zaburzenia elektroma gnetyczne. W wypadku piezoelektryka o własnościach półprzewodnika, jak to ma miejsce u białek i kwasów nukleinowych, procesy elektromagne tyczne i kwantowoakustyczne winny występować jeszcze w wyższym stopniu (40). Stanowi to problematykę nie podejmowaną dotychczas w biologii. Ten kompleks bardzo istotny dla energetyki żywego ustroju zo stał uwzględniony natomiast w Polsce (33, 35). Organizm zabiega wobec tego o energię elektromagnetyczną i akus tyczną jako sposób zasilania oraz ogólnego sterowania procesami meta

P IE Z O E L E K T R Y C Z N O Ś C Z W IĄ Z K Ó W O R G A N IC Z N Y C H 159

bolicznymi. Ten ostatni wzgląd pozwala przewidywać w szerokim zakresie wzmacnianie występujące w bioenergetyce. Żywy ustrój jest kwantowym wzmacniaczem sygnałów autogennych, jak i otrzymywanych ze środowiska zarówno w biolaserowych efektach, a więc kwantowego wizmacniacza optycznego, jak i akustycznego w piezo- elektrykach organicznych. W tym drugim wypadku chodziłoby o maser akustyczny, względnie o Wzmacnianie fotonowo-fononowe rozpatrywane w fizyce, a nie wykluczone zapewne w żywym ustroju. Schemat trójstop niowego wzmacniania fotonowo-fonowego został podany (40).

Rys. 4. Maserowe wzmacnianie fononów w krysztale tlenku magnezu zawierającego Fe+2 <wg. 40)

Wypadałoby przeanalizować również możliwość wzmacniania elektro- nowo-akustycznego (17). Natomiast wykorzystanie wysokich częstotliwo ści elektrycznych z redukcją nawet stukrotną na falę akustyczną znane z technicznych urządzeń wydaje się być korzystne dla żywego układu, przy wydłużaniu fali, dla koordynacji wyższych rzędów organizacyjnych ( 2 0 ). Układ biologiczny byłby po prostu niezwykle złożonym i precyzyjnym zespołem wzmacniającym wszelkiego rodzaju sygnały energetyczne środo wiska i własne z maksymalną wydajnością. Dotychczasowe pojęcia o spo sobie odżywiania się żywego ustroju na drodze wyłącznie Chemicznej by łyby niepełnym zrozumieniem bilansu energetycznego. Ustrój „odżywia się”, czyli zasila każdą energię otrzymaną w procesie katabolicznym rów nież elektromagnetyczną i akustyczną. Informacja w najelementarniej- szym dla układu odbiorze jest jakąkolwiek zmianą sytuacji energetycznej, gdyż ta warunkuje transformację elektromagnetyczną i elektromechanicz ną. Koreluje to z bioplazmą jako ogólnym podłożem uniwersalnego prze twornika i nośnika informacji. Wzmacnianie sygnałów jest konieczne dla zapewnienia maksymalnej rezerwy zmian energetycznych przy minimalnych stratach własnych.

P IE Z O E L E K T R Y C Z N O S C Z W IĄ Z K Ó W O R G A N IC Z N Y C H 161

Rys. 5. Aktywne centra w drobinie piezoelektryka mogą się zmieniać zależnie od promienia krzywizny i kierunku działających sił.

i________^ reo A g/e^ chem iczne^ m eta b o!izm u _________^ |

— masa organicznego pófprzaMOc/niia

— p /e z o e /e k try k

— ho/ogram

h r — foton p h — fo n o n

Rys 6 Reakcje chemiczne tworzą piezoelektryczną masę organicznego półprzewod nika M o l e k u l a r n y hologram produkowany metabolicznie zapisuje informację fotona- mi i fononami.

XI — Racanikri Mofóotftaanie t. XXV iz. 8

162 W Ł O D Z IM IE R Z^ SED L.A K

W każdym razie najnowsze tendencje w biologii układają się na linii łączenia procesów kwantowo-alkustycznyoh z enzymatycznymi, zwłaszcza w przenoszeniu elektronów przy oddychaniu i fosforylacji. Błony mito- chondrionalne pełniłyby rolę generatorów fononowych. Chodzi tu o fonony optyczne, a więc długości 3,24 mikrona, czyli podczerwieni. Fonony win ny mieć energię 0,39 eV jako wystarczającą do fosforylowania ADP (37). Ostatecznie można naturę życia sprowadzić do falowych oddziaływań w organicznym ośrodku. Zjawiska fotonowe i fononowe występują zaw sze z cząsteczkową masą biologiczną poprzez sprzężenie foton-elektron- -fonon. Rysuje się coraz wyraźniej biologia falowa. Półprzewodnik i piezo- elektryk organiczny stanowią ośrodek, gdzie wymienione procesy falowe mogą przebiegać w sposób niegasnący. Nasze pojęcia o przemiamie materii były dotychczas niepełne. Roz drobniony na bezmiar procesów enzymatycznie katabolizowanych przele wał się strumień reakcji chemicznych syntezy i katabolizmu w nieustan nym rytmie w sposób dziwnie uszeregowany według „potrzeb” żyjącego organizmu. Organizm nie ma nadrzędnych potrzeb, gdyż sam jest wymia rem, twórcą, metabolantem, sternikiem otwartym na środowisko energe tyczne. Dzięki temu jakakolwiek ingerencja — mechaniczna, optyczna, che miczna czy temperaturowa — w jednej okolicy organizmu winna przeno sić się falowo poprzez cały układ. Na tym ogólnym dopiero tle wytwarzają się ewolucyjnie zróżnicowane jednostki funkcjonalne i morfologiczne. Kwantowy język jest uniwersalny, biochemiczny jest już zróżnicowany, a fizjologiczny rozbity na „dialekty” typu nerwowego, humoralnego, po szczególnych receptorów zmysłowych.

5. RYTM Y B IO LO G IC ZN E, PRO CESY FA LO W E I E W O L U C JA IN F O R M A C JI

Wprowadzając plazmowe uogólnienie przyjmują rytmy biologiczne bardziej określone podstawy. Nie są to echa Wyłącznie zmiennego środo wiska zakodowane w pulsacji procesów życiowych, lecz przede wszystkim własny rytm na poziomie kwantowym wynikający z interakcji składowych bioplazmy oraz jej funkcji jako całości. Przyjęcie terminu: kwantowe zja wisko makroskopowe, byłoby tutaj pożyteczne. Prawdopodobnie trzeba uwzględnić jeszcze relację bioplazmy do sieci molekularnej związków organicznych oraz jej własnych drgań. Plazma biologiczlna istnieje w ciele stałym sulfastratu białkowego. Poprzez układ przenosi się fala elektrycznej polaryzacji, fala akustyczna oraz strykcyjna, a więc mechaniczna, fala magnetohydrodynamiczna i chemiczna (32). Ta ostatnia stanowi zapewne biochemiczną manifestację wszystkich innych procesów falowych nie branych dotychczas pod uwagę,

164 W Ł O D Z IM IE R Z^ S E D L A K

nych cech życia w aspekcie jego ewolucji. Biologia falowa wydaje się lepiej ujmować te cechy. Poza przestrzennymi rozmiarami organizmu istniałby stan życia w y łącznie połowy, jak poza ładunkiem elektrycznym istnieje pole elektrycz ne, a poza drgającym układem elektrycznym ipole elektromagnetyczne (28). Można wtedy mówić o elektromagnetycznej kontynuacji organizmu rozchodzącej się w nieskończoność. Organizmy w układach biocenotycz- nych stanowiłyby punkty osobliWe elektromagnetycznego pola biologicz nego. Informatyka biologiczna dojrzała — zdaje się — do właściwego potrak towania. Obejmuje ona z jednej strony wewnętrzne stosunki przestrzenno- -energetyczne, z drugiej relacje między organizmami w cenozaoh. Ewolu cja informacji to nie tylko1wzrost jej pojemności, ale w ogóle powstanie na tle sytuacji spotykanych w układach niebiotycznych. Ewolucja informacji jest sprawą nie podejmowaną dotychczas w biolo gii. W jaki sposób z „racemicznej” mieszaniny zmiennych parametrów energetycznych środowiska tworzy się w filogenetycznym czasie zespół informacji wyrażający przestrzenne sytuacje struktur i funkcjonalne zróż nicowanie układu. Przypadkowy rozrzut izotropowych zmiennych środo wiska staje się „anizotropowy”, czyli „coś” Charakteryzuje. Nie jest wykluczone, że pierwsza organizacja kry stal ochemiczna i pier wsze funkcje jak optyczna czynność, połprzeWodnictwo, piezoelektrycz- ność zostały zaczerpnięte z nieorganicznego podłoża mineralnego jak gli- nokrzemiany (montmorylonit), kwarc czy matryca organiczna (melanina). Pewne korelacje krystalochemiczne pomiędzy krzemionką, wodą i białka mi mogłyby na to wskazywać. Potwierdzenia można by szukać w epitak sjalnym przekazie półprzewodnictwa i optycznej czynności i usieciowania krystalograficznego. Odniesienie całej kwestii do kwantowych podstaw wydaje się nieunik nione, a może prowadzić do właściwych rozwiązań. Poznane dotychczas fakty pozwalają z pewnym prawdopodobieństwem odtworzyć ewolucję in formacji. Wśród faktów można wymienić: póJprzewodnictwo, piezoelek- tryczność, reakcje fotochemiczne, przekaz życia w czasie miliardów lat, kodowanie genetyczne, synteza białek i mutacje punktowe, zróżnicowanie oraz integracja. Wnioski, bezpośrednio wyprowadzone na podstawie tych faktów: procesy elektroniczne z kwantpwą emisją fotonów, zjawiska kwantowoakustyczne. Na tych podstawach można zrekonstruować ewolucję informacji w ży wym układzie. Należy rozróżnić kilka faz, mianowicie zapis informacji, czynnik nośny oraz odczyt. W fizyce podobny układ nazywa się hologra ficznym. Ogólna idea holografii polega na fotochemicznym zapisie czoła fali i jej fazy. Zapis taki nazywa się hologramem. Zapis może się dokonać

P IE Z O E L E K T R Y C Z N O Ś Ć Z W IĄ Z K Ó W O R G A N IC Z N Y C H 165

falą świetlną, elektromagnetyczną długości mikrofalowej lub falą akus tyczną (5, 11). Warunki te zdają się istnieć w bioukładzie. Możliwa jest bowiem transformacja pola elektrycznego w zespole półprzewodników i piezoelektryków na falę elektromagnetyczną lub akustyczną (24). Mole kularny zapis dokonywałby się na metabolicznie tworzonych drobinach organicznych. Hologram stanowiłyby tu drtobiny. białka, lub kwasów nu kleinowych, barwników organicznych. Procesy zresztą fotochemiczne są rozpowszechnione w żywym ustroju, jak z ostatnich prac wynika, nde tyl ko w przypadku fotosyntezy. Odczyt natomiast dokonuje się spójną falą świetlną. Wizualizacja hologramu wymaga koherentnej fali elektromagne tycznej. Warunek ten zdaje się spełniać efekt biolaserowy.

Rys. 7. Schemat bioenergetyki organizmu. Układ pracuje na energii chemicznej pro cesów metabolicznych stymulowanych impulsami fotonowo-fononowymi' (hv — fotony, ph — fonony).

Następna drobina półprzewodzącego piezoelefctryka „widzi” sytuację zapisaną molekularnie w hologramie. Odczyt jest dla niej dopiero infor macją, wyraża bowiem sytuację energetyczną, która zaistniała w poprzed niej drobinie. Prawdopodobnie wizualizacja wyższych rzędów organiza cyjnych dokbnuje się w ten sam sposólb. Może być zapisana mikrofalami lub akustycznie, odczyt jednak pozostaje zawsze optyczny (30). Hologram molekularny podlega odbudowie wobec tego zapis i odczyt trwać musi ustawicznie, jednocześnie sama odbudowa wymaga już uprzed niego zapisu holograficznego poprawnie odczytywanego. Ustać nie może nawet na moment informacyjny bieg taśmy. Życie „wpatruje się” usta wicznie we własny obraz, dlatego jest takie samo oraz istnieje. Zbędne dodawać, że holograficzny proces wchodzi w zakres metabolizmu nie tylko z racji chemicznej produkcji hologramu i reakcji fotochemicznych, ale metabolizm jest po prostu w ten sposób normowany w proces ciągły.

F IE Z O E L E K T R Y C Z N O S C Z W IĄ Z K Ó W O R G A N IC Z N Y C H 167

nów, osiowe pole magnetyczne wzmagane atomami ferromagnetycznego żelaza, które występuje w DNA. Na helikalnej powierzchni utworzonej z zasad azotowych dokonywała by się synteza białek przez wiązanie aminokwasótw w odpowiednią sek wencję. Z doświadczenia wiadomo, że epitaksjalnie przekazują się krysta- lochemiczne relacje (uporządkowanie), półprzewodnictwo, optyczna czyn ność, prawdopodobnie też piezoelektryczne własności. Być może formo wanie białka dokonuje się epitaksjalnie na DNA, a więc tą drogą przeka zywałyby się przestrzenna orientacja wyrażana periodycznością występu jących aminokwasótw, półprzewodnictwem, optyczną czynnością i piezo- efektami. Informacja mogłaby być zakodowana w DNA, w „tranzystorowym” okładzie zasad purynowych i pirymidynowych, zwłaszcza ich sekwencji elektronicznych profilów, w generowanej fali elektromagnetycznej i akus tycznej. Funkcjonalność molekularnej helisy DNA wyrażałaby się stanem elektrodynamicznym i byłaby czytelna w ostateczności poprzez elektro niczne własności syntetyzowanych białek i tworzących je aminokwasów. Nie wiadomo, czy maksimum absorpcyjne fluorescencji charakterystyczne dla każdego aminokwasu odgrywa tu jaką rolę, ale w elektromagnetycz nym przekazie informacji wydaje się to możliwe. Do wytworzenia jednego wiązania między aminokwasami potrzebna jest energia koło 4 kkal/mol. Ponieważ 1 eV =23,02 kkal/mol, wobec tego jeden kwant fluorescencyj nego wzbudzenia dostarczałby energii dla ponad 20 wiązań. Na wybranym przykładzie drobiny DNA — w schematycznym choćby. nawet traktowaniu — można się dopatrywać mało zbadanego etapu ew o lucji. Selekcja musiała pójść po linii elektronicznych własności, co znaj dowałoby swe uzasadnienie w niebywale wysokiej przenikalności elek trycznej DNA. Półprzewodnidtwo i piezoełektryczność DNA musi posia dać konsekwencje funkcjonalne pełnionej roli przekaźnika informacyjne go. A może drobina DNA jest tylko najdoskonalszym hologramem, jaki wymyśliła przyroda? (15) Odtworzenie elektromagnetycznego spektrum DNA może stanowić podstawę wyjaśnienia ewolucji informacji w żywym układzie. Obok tego nagranie molekularnej „mowy” kwasu dezoksyrybonukleinowego, a więc kwantowej fali akustycznej, powinno doprowadzić do rozpoznania kon strukcji życia w najniższych wymiarach. Molekularny hologram DNA ma ograniczoną skalę możliwości, spro wadzają się one do różnych profilów elektronicznych czterech zasad azo towych, dają jednak wielorakie możliwości funkcjonalne tranzystorowe go ich układu w helisie, własnym zakresem fotonowych i fononowych możliwości. Wprawdzie o kwantowoakustycznych efektach w DNA nic nie wiadomo, można jednak wnioskować, że tak swoista właściwość jak

168 W Ł O D Z IM IE R Z^ S E D L A K

piezoelektryczność nie mogła nie zostać wykorzystana przez przyrodę. He lisa DNA winna więc podlegać sprężynującym drganiom, byłby to więc elastyczny tranzystor o śnibowocylindrycznej budowie z licznymi „skró tami elektronowymi” w postaci wiązań wodorowych, dla pary GC jest ioh trzy, dla AT — dwa wiązania. Dysponując niewieloma środkami układ staije się złożony w budowie z pewną periodyzacją. Gwarantuje to duże możliwości funkcjonalne oraz pojemność informacyjną. Wieloraka opera cja dokonywałaby się tylko trzema czynnikami — elektronem, fotonem i fononem (31).

LITERATURA

1. A d l e r E. L .: Acoustoelectric effects in thin film semiconductor transducers. W: Symposium on Acoustoelectronics. Sendai. Japan 1968. Sendai 1968 s. 28.
2. A t h e n s t a e d t H.: Die ferroelktrischen und piezoelektrischen Eigenschaften der Organismen. „Naturwissensćhaften” 47:1960 s. 455.
3. A t h e n s t a e d t H .: Ferroelektrische und piezoelektrłsche Eigenschaften bio- logisch bedeutsamer Stoffe. „Naturwissensćhaften” 48:1961 s. 405.
4. B i e l a ń s k i A., D e r e ń J .: Relation between Electronic and Catalytie Pro perties of the Semiconducting Oxide Catalyst. W : Symposium on Electronic Phenomena in Chemisorption and Catalysis on Semiconductors (Moscow 1968). Ed. K. Haufe, Th. Wólkenstein. Berlin 1969 s. 149.
5. B r e n d e n B. B.: Acoustical holography. W : Gptical and Acoustical Holography. Ed. E. Camatini. New York—London 1972 s. 347.
6. C a s e r t a G., C e r v i g n i T .: Piezoelectric Theory of Enzymie Catalysis as Inferred from the Electromechanochemical Principles of Bioenergetics. „Proce- edings National Academy Science USA” 71:1974 s. 4421.
7. E c k s t e i n S. G .: Acoustoelectric Effect. „Journal Applied Physicś” 35: s. 2702.
8. F r i e d m a n L .: Electron — Phonon Interaction on Organie Molecular Crystals. „Physical Review” 1965 vol. 140 s. 1649.
9. F u k a d a E.: Piezoelectric Properties of Organie Polymers. „Annales New York Academy of Science” 1974 vol. 238 s. 7-25.
10. F u k a d a E .: Piezoelectric Properties of Biological Macromolecules. „Advances in Biophysics” 8:1974 s. 121-155.
11. G a b o r D.: Information theory in holography. W: Optical and Acoustical Ho lography. Ed. E. Camatini. New York — London 1972 s. 23.
12. G e r i s c h G .: Periodische Signale steuem die Musterbildung in Zellverbąnden. „Naturwissensćhaften” 58:1971 s. 430.
13. G j e 1 s v i k A .: Bone remodeling and piezoelectricity II. „Journal Biomechaniocs” 6:1973 s. 187.
14. G r e e n D. E., J i' S.: Transduction and Structural Principles of the Mitochon- drial Transducing Unit. ”Proceedings National Academy Science USA” 70: s. 904. v
15. G r e g u s s P .: Bioholography — a New Model of Information Processing. „Na turę” 1968 vol. 219 s. 482.
16. H a n n e m a n R. E., J o r g e n s e n P. J .: On the Existence of Electrome-