Pobierz plazma fizyczna jako podstawa bioenergetyki i więcej Ćwiczenia w PDF z Chemistry tylko na Docsity!
ROCZNIKI FILOZOFICZNE Tom X X , zeszyt 3 — 1972
WŁODZIMIERZ SEDLAK
PLAZMA FIZYCZNA JAKO PODSTAWA BIOENERGETYKI
Półprzewodnictwo białek otworzyło nowe perspektywy — plazmo wego ujmowania procesów życiowych. Analogie bowiem zjawisk pół przewodnikowych i plazmowych nasunęły przypuszczenia, że procesy biologiczne można wyrazić w kryteriach plazmowych (36). Trudność w y nika nie tyle z nowości tematu, ile z powodów zasadniczych; o plazmie mówimy zwykle językiem techniki lub astrofizyki. Plazmie przynależy także treść biologiczna, życie jest bowiem naturalną manifestacją plazmy w organicznym substracie. Astrofizyka wskazała na elektryczną naturę wszechświata (plazma), kierowaną siłami magnetycznymi. Życie rozpa trywane od strony plazmy jest układem elektrycznym, jego 'siły dyspo zycyjne byłyby wówczas natury magnetycznej.
- „ŻYCIE” PLAZMY
m
Przez plazmę rozumiemy mieszaninę ujemnych, dodatnich i obojęt nych elektrycznie cząstek w stanie quasi-równowagi. Przy całym braku ściślejszej organizacji pomiędzy elementami elektrycznymi plazma po siada bogatą charakterystykę jako całość, jako „masa elektryczna”. Brak nam też jednoznacznego sposobu orzekania o plazmie. Traktuje się ją bądź jako zbiór cząstek o wzajemnym oddziaływaniu (mikroskopowa teo ria statystyczna), bądź ujmuje się plazmę opisowo w rozumieniu hydro dynamicznym jako przewodzącą ciecz (opis makroskopowy) (15). Syme tria elektryczna ąuasi-zróżnicowanego stanu przesądza dynamikę plaz- my, jej dwa podstawowe oblicza funkcjonalne; plazma jest w ciągłym stanie dokonywania się przez jonizację i unicestwiania dzięki rekombi nacji. Uwalniana w procesie rekombinacji energia jest częściowo spo żytkowana na nową jonizację, w ostateczności jednak plazma ulega de stabilizacji, bez dodatkowego zasilenia energetycznego ze środowiska. Plazma po to, by „żyć”, musi „umierać”. ' Dzięki ustawicznemu proce sowi destabilizacji i generacji (rekombinacji i jonizacji) utrzymuje się plazma w stanie elektrodynamicznym, ijest ona zbiorem poruszających
1 2 6 W ŁO D ZIM IERZ^ SE D L A K
się’-cząstek i pól elektromagnetycznych. Cząstki zachowują indywidual-j'' ność w zbiorze, wymieniają jednak energię między sobą, „porozumie wają się” niejako polami. Informując sąsiednią cząstkę — tracą energię na rzecz tamtej, przyjmując informację — zyskują energetycznie.(jZbiór pozostaje statystycznie niezmienny, zawierając średnio tę samą ilość czą stek zjonizowanych co i zrekombinowanych. Quasi-zróżńicowany elektrodynamiczny stan plazmy ma zdolność łat wego reagowania na wszelkiego rodzaju energię w otoczeniu, a szczegól nie elektryczną i magnetyczną. -jPod wpływem pola elektrycznego pola ryzuje się jako całość, a cząstki ulegają przyspieszeniu. Plazma „nagrzewa się”. Przyspieszone cząstki emitują promieniowanie hamowania w za kresie widma widzialnego (między ultrafioletem i podczerwienią). Poza promieniowaniem rekombinacyjnym jest to drugi sposób świecenia plazmy (11).
- Plazma jest diamagnetyczna jako całość, to znaczy wypycha linie pola magnetycznego z siebie lub sama zostaje odepchnięta. Można ją więc prowadzić w polach magnetycznych. Przy równoległym zorientowa niu pola z kierunkiem ruchu ładunków linie pola magnetycznego zostają „wmrożone” w plazmę. Plazma wlecze z sobą „przylepione” linie pola. Inaczej mówiąc -pole magnetyczne przenosi się razem z plazmą. • Poje dyncze cząstki elektryczne wykonują wokół linii magnetycznych ruch cyklotronowy, emitując fotony częstotliwości larmorowskiej. Jest to trzeci rodzaj emisji światła przez plazmę. Plazma może też dawać pola magnetyczne, staje się wtedy niejako paramagnetykiem. Różnorodność form pola magnetycznego stanowi spe cyfikę plazmy. Od nitkowego, poprzez spiralne, kołowe, cylindryczne, wrzecionowate, helikonowe, gwiaździste. Prócz elektrycznej „symetrii” cząstek, typowej dla plazmy, można wymienić „symetrię magnetyczną”. Plazma może być diamagnetykiem lub paramagnetykiem. Oba ,typy sy metrii nadają plazmie niepokój energetyczny, a więc jej dynamikę. Każ de przejście z jednego stanu w inny łączy się z pobraniem i wydalaniem energii.
- Plazma posiada własności piezoelektryka — pod działaniem sił me chanicznych zmienia swój stan elektryczny. Odwrotnie znów, w pulsują cym polu elektrycznym wykazuje drgania akustyczne. Ponieważ pole magnetyczne wywiera ciśnienie na plazmę, winna się ona odznaczać magnetostrykcją. W zmiennym polu magnetycznym plazma zmienia swą objętość. Odwrotnie znów, zmiany ciśnienia winny wpływać na stan magnetyczny plazmy.
Również siły grawitacyjne, termiczne i chemiczne znajdują subtelny odbiór w plazmie poprzez zmianę stanu elektrycznego i magnetycznego.
128 W ŁO D ZIM IER Z^ S E D L A K
nych występowałyby ponadto protony. Byłby to więc „roztwór” plazmy w strukturze ciała stałego. Struktura jest niejako „rozpuszczalnikiem” dla plazmy. Energia kinetyczna cząstek nie nadaje im prędkości typowej dla plazmy gazowej. Zdelokalizowane cząstki dryfują w polu struktural nym ciała stałego. Plazma jest tutaj międzystrukturalnie prowadzona. Półprzewodnik jest dielektrykiem z „kursującą” w nim plazmą. Ta „czu je się” w dielektryku równie dobrze, jak pole elektromagnetyczne w próżni. Istotnym czynnikiem dla plazmy jest symetria elektryczna skła dowych elementów. Mogłyby ją reprezentować półprzewodniki, ferryty, piezoelektryki i wodne roztwory zdysocjowane, posiadające warunek symetrii jonów oraz takich cząstek, jak elektrony, dodatnio naładowane dziury, protony, ewentualnie hydratowane elektrony i hydratowane pro tony. Istnieją tu bowiem składniki różnego znaku i wzajemne oddziały wanie elektryczne sił kulombowskich. W ciele krystalicznym występują oddziaływania cząstek z jonami two rzącymi sieć strukturalną. W półprzewodnikach elektryczną symetrię złącza p-n już wcześniej określono jako mikroplazmę. Reakcje chemiczne, gdzie następuje jonizacja jednego ze składników, a drugi rekombinując daje wolny atom, można również uważać za proces plazmowy. Opisu półprzewodników dokonuje się, podobnie zresztą jak i plazmy, według ładunku nadmiarowego (opis mikroskopowy) bądź też według uśrednionego stanu elektronowego całości (makroskopowo). Podobnie jak W plazmie poszczególne ładunki zachowują swoją indywidualność elek tryczną oraz stanowią całość reagującą na informację otoczenia. Półprze wodnik łączy w sobie cechy kwantowe i coś, co można nazwać makro- skwantowaniem. Spośród półprzewodników najbardziej „plazmowy” charakter okazują piezoelektryki, odbierają bowiem również informację mechaniczną Zmia ną stanu elektrycznego, a w zmiennym polu elektrycznym generują falę akustyczną. Pozostaje jeszcze wysoka wrażliwość plazmy na pole magnetyczne. Ta znajduje swe potwierdzenie w ferrytach, zwanych inaczej ferrimagne- tykami. Ferryty są półprzewodnikami, które mogą w sobie zawierać nie tylko pole elektryczne, ale również elektromagnetyczne. Strukturalnie ferryty składają się z atomów paramagnetycznych w otoczeniu dia- magnetyków. W ten sposób łączą w sobie przenikalność dielektryczną i magnetyczną. Falę elektromagnetyczną przewodzą poprzez oddziaływa nie wektora magnetycznego ze spinem elektronowym drobin. Tworzą w ten sposób doraźne centra paramagnetyczne, nawet w polu szybko- zmiennym. Powstaje fala spinowa. Można ją również traktować jako cząstkę (28), a jednocześnie przypisuje się jej cechy podobne z fotonem
PL A Z M A F IZ Y C Z N A JA K O P O D S T A W A B IO E N E R G E T Y K I (^) 1 2 9
i fononem, wobec tego mówi się o dryfie fali spinowej. W półprzewod niku dokonuje się dryif elektronów, w ferrycie ponadto dryf spinów. Fala spinowa byłaby niejako „wmrożona” w strukturę ferrytową albo prowadzona w jego polu krystalicznym. Odpowiednikiem elektrostrykcji piezoelektryków jest w ferrytach magnetostrykcja {43), przy czym niemal wszystkie ferryty odznaczają się magnetostrykcją ujemną, to znaczy pod wpływem pola magnetycznego ich wymiary ulegają zmniejszeniu (19). Półprzewodnik piezoelektryczny i ferrimagnetyczny posiadałby zmienne wymiary pod wpływem przyło żonego pola elektrycznego, jak i magnetycznego. Pole magnetyczne zmie nia zarazem przewodność elektryczną. Ta szczególna sytuacja elektryczna i magnetyczna ferrytu winna da wać specjalne efekty optyczne. Jak wyżej powiedziano, ferryty zawie rają w sobie pole elektromagnetyczne, są one dla tego pola „przezroczy ste”. Zewnętrzne statyczne pole magnetyczne wpływa na rozprzestrze nianie się fali elektromagnetycznej. Ferryty mogą również absorbować energię pola elektromagnetycznego, odbijać ją (4). W zakresie mikrofal stwierdza się także skręcenie płaszczyzny polaryzacji. Wszystkie cechy ośrodków optycznych odnoszą się również do ferrytów, ponadto zjawiska fotoelektryczne typowe dla półprzewodników. Ferryty mogą tworzyć wewnętrzną warstwę zaporową dla fali elek tromagnetycznej, coś w rodzaju złącza p-n w półprzewodnikach. W tych ostatnich stwierdzono, mało zresztą opracowane, zjawisko wpływu kie runku przyłożonego pola magnetycznego na przewodzenie złącza p-n przy naświetleniu (12). Istnieje natomiast ferrytowe urządzenie techniczne zwane izolatorem rezonansowym. Odznacza się ono jednokierunkowym przepuszczaniem fali elektromagnetycznej przy poprzecznym polu magne tycznym stałym (28). Zjawisko fotomagnetyczne, zwane też fotomagnetoelektrycznym, w y stępujące w półprzewodnikach przy stałych polach magnetycznych jak i zmiennych łączy w sobie procesy optyczne, elektryczne i magnetycz ne (32, 39). Ferryty winny dawać jeszcze bardziej charakterystyczne efekty ze względu na swe cechy magnetyczne. Wcześniej już widziano analogie między reakcjami chemicznymi w ośrodku wodnym a półprzewodnićtwem. Ferrimagnetyzm usiłuje się również chemicznie wyjaśniać. Procesy redoksowe podczas produkcji ferrytów mają decydujący wpływ na ich własności elektryczne i che miczne (24). Przedstawia się również ferryty jako sole kwasów ferryto wych H2F e02 (43). Redukcja tlenu w ferrycie zmienia jego przewodność, a w związku z tym i cechy magnetyczne. Półprzewodniki krystaliczne opracowano lepiej, w tym również fer ryty. Ostatnio zwrócono większą uwagę na amorficzne półprzewodniki
P L A Z M A F IZ Y C Z N A JA K O P O D S T A W A B IO E N E R G E T Y K I 131
cechą półprzewodników organicznych zdaje się być rozbudowa symetrii elektrycznej. Własności półprzewodnikowe wzrastają w miarę kondensacji pier ścieni aromatycznych, zapewne dzięki ruchliwym elektronom pi i wią zaniom sprzężonym (22). Za organiczne półprzewodniki uważa się związ ki, dla których energia aktywacji jest mniejsza od 2 eV, choć fizyczny sens energii aktywacji napotyka tutaj trudności. Gdyby wszystkie elek trony pi w wielopierścieniowych związkach stanowiły nośniki ładun ków, wtedy ich liczba wynosiłaby koło 1023 cm-3. Ogólnie przyjmuje się również obniżenie energii aktywacji w miarę wzrostu liczby skonden sowanych pierścieni aromatycznych. Przedmiotem badania były też pier ścienie aromatyczne z heteroatomem w pierścieniu i łańcuchu sprzęże nia (1). Heteroatomy wpływają także na obniżenie energii aktywacji i wzrost przewodnictwa (30). Specjalnej uwadze poddaje się związki che- latowe, zawierające w sobie metaliczny atom. Związki kompleksowe przedstawiają układy ciekawe elektrycznie i magnetycznie. Technika rezonansu paramagnetycznego wykazała istnienie w pół przewodnikach organicznych wielkiej liczby niesparowanych spinów elek tronowych rzędu 1019— 1020, niekiedy 1021 na gram substancji. W przy padku polifenylenoaminochinów sięga rzędu 1023. Polimery półprzewod nikowe, zwłaszcza kompleksy z przeniesieniem ładunku, wykazują w swej większości paramagnetyczne własności (22). W półprzewodnikach organicznych powstają więc centra paramagne tyczne. Szuka się obecnie związku przewodności z liczbą niesparowanych spinów. Stanowiska nie są w tej sprawie jednolite. Z jednej strony zau waża się korelację między przewodnictwem a ilością niesparowanych spinów, z drugiej dosyć duże wartości podatności magnetycznej u polime rów półprzewodnikowych. Nie znamy jednak źródeł wolnych ładunków w półprzewodnikach organicznych, wątpliwe są sposoby ich przenosze nia z drobiny na drobinę. Nie jesteśmy w możności jednoznacznie określić przyczyny powstawania centrów paramagnetycznych, czy zależą one od stanów trypletowych, czy powstają na drodze kompleksów z przeniesie niem ładunków. Podatności magnetycznej nie można wprost wiązać z liczbą niesparowanych elektronów (14). Koncepcję A. Berlina „che micznego” powstawania centrów paramagnetycznych uzależnia się od istnienia cząsteczek diamagnetycznych w kompleksach, przy jednoczes nym .przeniesieniu ładunku (5). W następstwie reakcji ąuasi-rodnikowej powstają cząsteczki uwodornione i dwurodniki, te znów, podlegając dal szej reakcji z cząsteczkami diamagnetycznymi, dają jednostki para magnetyczne. Występowanie centrów paramagnetycznych zbliża półprzewodniki or ganiczne do ferrytów. Być może w tym ujęciu uda się rozwiązać korela
132 W ŁO D ZIM IER Z^ SE D L A K
cje między wzrostem ilości nośników, koncentracją jonów paramagne tycznych {ogólnie centrów) i spadkiem energii aktywacji (43). Teoria pas mowa dla wyjaśnienia półprzewodnictwa związków organicznych staje się nieadekwatna. Występowanie na pierwszy plan struktur mezomerycz- nych, a nie ściśle krystalicznych, wątpliwa rola atomów przymieszko- wych (zanieczyszczeń), typ półprzewodnika molekularnego, wysoka sto sunkowo podatność magnetyczna — pozwalają półprzewodniki organiczne traktować jako wysokomolekulame ferryty. Liczba członów analogii poszerza się. Ferryty jeszcze bardziej przy pominają plazmę ciała stałego. Nie weszły może w krąg zainteresowań od tej strony. Analogie tworzą fizycy i elektronicy. Ci ostatni dopatrują się jej w technicznych rozwiązaniach, plazmowe bowiem elementy falo wodowe mogą konkurować z ferrytowymi urządzeniami tego typu (9). Ferryty organiczne realizowałyby warunki dla plazmy w ciele stałym. Tej okoliczności nie brano zdaje się dotychczas pod uwagę. Szuka się bowiem teoretycznych rozwiązań na podstawie klasycznych modeli dla półprzewodników nieorganicznych z czasów, kiedy jeszcze o analogiach z plazmą nie mówiono w ogóle. Wszak interpretacja złącz p-n jako mikro- plazmy należy do bardzo niedawnych. Ferryty odznaczają sdę symetrią elektryczną w ąuasi-równowadze oraz symetrią magnetyczną, rozumianą jako zawiesina koloidalna cen trów paramagnetycznych w diamagnetyku. Plazma jest diamagnetyczna, w szczególnych wypadkach daje silne pole magnetyczne, jak i ferryt. Plazma podlega działaniu wszelkich pól z ostatecznym rezultatem elek trycznym. Ferryty wykazują zależność od pola elektrycznego jako pół przewodniki, magnetycznego jako diamagnetyki z możnością tworzenia ośrodków paramagnetycznych oraz zależność od pola mechanicznego i akustycznego jako piezoelektryki. Ponieważ ferryt jako całość jest diamagnetyczny, a tylko przejściowo posiada możność tworzenia centrów paramagnetycznych, można ogól nie mówić o jego „magnetycznej rekombinacji”. W ośrodku ferrytowym rozprzestrzenia się fala elektromagnetyczna, podobnie jak i w plazmie z polaryzacją kołową. Liniowo spolaryzowaną falę można rozłożyć na dwie wirujące w przeciwnych kierunkach fale spolaryzowane kołowo (4). Poprzez plazmę mogą być wleczone linie pola magnetycznego, przez fer ryt przesuwa się fala spinowa według koncepcji Kittela (20, 21). Fala ta, traktowana w przybliżeniu jako cząstka, odpowiada fotonowi lub fono nowi (28). Fala spinowa wywiera ciśnienie podobnie jak pole magne tyczne na plazmę. Sprzężenie w ferrytach organicznych zjawisk elektrycznych, magne tycznych, mechanicznych, akustycznych, termicznych, optycznych i che micznych najbardziej upoważnia do traktowania ferrytu jako plazmę
134 W Ł O D ZIM IER Z^ SEDL.AK
magnetyczna. Organiczne ferryty dają możliwości spotkania się i wza jemnego oddziaływania wszelkiego rodzaju informacji na tym samym chemicznym podłożu. Informacja z kolei zmienia stan chemicznie zwią zanej energii w ferrycie. Plazma w ciele istałym organicznych ferrytów stanowi istotne tło wszystkich procesów elektromagnetycznych żywego układu. Półprzewod niki ferrytowe mogą pełnić wszelkie role — napędu, hamowania, trans formacji lub akumulacji energii, bariery między środowiskiem i ukła dem, samoistności z uwarunkowaniem, strukturyzacji, sprzężeń zwrot nych, w konsekwencji aż do ewolucji samego układu. Ewolucja ze stanowiska ferrytowego (plazmowego ściślej) to wzrost symetrii elektrycznej oraz magnetycznej. Ta ostatnia jest specyficzna dla plazmy w ferrytach. Konsekwencją obu są skutki elektromagne tyczne. A. E w o l u c j a s y m e t r i i e l e k t r y c z n e j. Używając słowa „plazma”, rozumiemy ją w półprzewodniku organicznym typu ferryto wego. Zastąpienie dziury w symetrii elektrycznej półprzewodników nie organicznych protonem było, zdaje się, decydującym krokiem w elek trycznej ewolucji symetrii bioplazmy. Mineralogia rozwija swoje obserwacje krystalochemiczne znacznie intensywniej niż biologia. Teoretyczne przewidywania ,,jonów,, H30 + czy H40 ++ zostały potwierdzone w naturalnych minerałach (23). Tym czasem życie jest jednym z najstarszych „minerałów organicznych,, i mogły w nim zaistnieć relacje najmniej przewidywane przez teorety ków chemii czy fizykochemii. Tyczyłoby to przede wszystkim roli wo doru. Występuje on w znacznych ilościach w związkach organicznych, jak i w wodzie, tworzy wiązania wodorowe podobnie jak w minerałach. Po nadto absorbowana woda znacznie zmienia elektryczne własności orga nicznych polimerów (31). Woda wpływałaby na balans elektryczny plazmy poprzez mostki wo dorowe, te zaś przenoszą protony lub elektrony. Rodzaj przenoszenia jest uzależniony od najbliższego tła elektrycznego. Łącznie z mostkami wo dorowymi związków organicznych mogłoby to stanowić czynnik ogól nego zbalansowania elektrycznego stanu plazmy. « Zdaje się, że woda pełni zasadniczą rolę nie tylko podczas fotolizy, lecz w całokształcie zjawisk plazmowych, będących podstawą życia. Do tego nie jest potrzebny stan płynny rozpuszczalnika. Biorąc pod uwagę, że związki organiczne zawierają atomowo przynajmniej 50% wodoru oraz fakt występowania większego komponenta wody w ustroju, można w przybliżeniu twierdzić, że w quasi-krystalicznej strukturze wody, zmodyfikowanej atomami węgla i azotu związków organicznych, jest prowadzona plazma protonowo-elektronowa.
P L A Z M A F IZ Y C Z N A J A K O P O D S T A W A B IO E N E R G E T Y K I 135
Po stronie dodatniego komponenta plazmy znalazłyby się protony po wstałe w następstwie radiolizy wody pod wpływem luminescencji pro cesów życiowych, a fotolizy u roślin zielonych, protony hydratowane, protony mostków wodorowych i powstałe w następstwie procesów utle niania {odebranie elektronu atomowi wodoru), wreszcie jony dodatnie, jak CH3, C2H2, C2H4 itp., oraz powstałe z radiolizy, jak H30 i stany wzbu dzone drobin (8). Po stronie ujemnego komponenta plazmy należy w pierwszym rzę dzie wymienić elektrony. Zwykle uwzględnia się elektrony zdelokalizo wane, czyli stowarzyszone, albo raczej „zaoszczędzone” wśród minimum stanowiącego o architektonice wiązania. Do tej samej grupy będą nale żały elektrony pi w związkach aromatycznych oraz elektrony transferu. Ponadto można znaleźć elektrony quasi-swobodne. Należy bowiem wziąć pod uwagę, że ferryt organiczny podlega ustawicznie procesom chemicznym. Reakcje zaś chemiczne to oddanie lub pobranie elektronu. Elektrony te można uważać za quasi-swobodne. Analogicznej sytuacji nie spotykamy w żadnym półprzewodniku poza układem ożywionym. Gene racja plazmy elektronowej dokonuje się ustawicznie na podłożu prze mian chemicznych i to dwukierunkowych — jak synteza i katabolizm. Przy enzymatycznym rozłożeniu procesu na drobne etapy i elektrono wym działaniu biokatalizatorów ogólna ilość uruchomionych elektronów staje się niezwykle duża. Uwielokrotnia się wtedy ilość procesów joni zacyjnych, a te stanowią zawsze czynnik plazmotwórczy. Wprawdzie ty le samo następuje aktów rekombinacji jednocześnie, ale sytuacja ta jest najtypowsza dla plazmy. Nazwaliśmy ją chemicznie procesami oksydo- redukcyjnymi, a biologicznie anabolizmem i katabolizmem, y Ujemną stronę symetrii elektrycznej powiększa ilość rodników i jo nów cząsteczkowych o charakterze anionowym, produkty radiolizy wody jak grupa OH- , HO“. Istnienie ich w świetle rezonansu paramagne tycznego zdaje się nie ulegać kwestii. Uwagę należy poświęcić elektronowi hydratowanemu. Powstaje on z elektronu wtórnego podczas radiolizy wody. Ładunek elektronów hy- dratowanych polaryzuje cząsteczki wody. Czas półtrwania takiego elek tronu wynosi więcej niż 300 mikrosek. Radioliza wody przebiega według reakcji: 2HzO -* HsO+ + e~q + OH Hydratowany elektron ulega przemianie w atom wodoru na drodze reakcji:
e“q + H20 _-■_* H + OH- oraz e^, + H+ (lub H30 +) -> H (lub H + H20)
Ponieważ hydratowany elektron jest bardziej redukującym czynnikiem niż wodór, występuje zwłaszcza w środowiskach obojętnych i zasadowych.
P L A Z M A F IZ Y C Z N A J A K O P O D S T A W A B IO E N E R G E T Y K I (^) 1 3 7
Przejściowo rolę ośrodków magnetycznych pełnią wolne rodniki, któ re są zawsze paramagnetyczne, o ile nawet związki chemiczne, z których powstały, stanowią diamagnetyki. W strukturze organicznego ferrytu często występują mostki wodorowe. Stanowią one zespół paramagnetycz nego protonu z diamagnetycznym jądrem tlenu. W innych typach wią zań wodorowych istnieje analogiczna sytuacja: H — N, H — S. Struktura biologicznego ferrytu wykorzystała w toku ewolucji pier ścienie aromatyczne, jednoczące w sobie niejako dia- i paramagnetyzm. Elektrony pi pierścienia tworzą pole diamagnetyczne prostopadłe do płaszczyzny pierścienia, protony natomiast paramagnetyczne (18). Struk tury związków biologicznych często wykorzystują pierścienie aromatycz ne zarówno w ważnych dla życia porfirynach, jak i w składowych kwa sów nukleinowych (cytozyna, uracyl, tymina, adenina, guanina). Para magnetyzm powiększa się przez wprowadzenie atomu metalicznego w czteropierścień pyrolowy (Fe, Co, V, Cu, Ni). Nikiel i wanad stanowią częsty przypadek w kopalnych porfirynach (3).
Ferryt biologiczny w obecnym stanie ewolucji jest w najwyższym stopniu -niejednorodny jako półprzewodnik. Stwarza to korzystną sy tuację elektroniczną, zwiększając możliwości złącz typu p-n i(mikroplaz- ma). Ogólnie — wzbogaca się symetria elektryczna. Rozwijały się możli wości na przejścia z dia- w paramagnetyk. Tutaj praktycznie zrealizo wałaby się nierozstrzygnięta kwestia z fizyki ferrytów, czy wzrost prze wodności odpowiada wzrostowi podatności magnetycznej.
Trzeci niejako tor to usprawnienie procesów chemicznych. Białkowy ferryt, właściwie kompleksowy ferryt białkowo-cukrowcowo-wodny jest bowiem w stanie ustawicznego odświeżania swej struktury nowymi ele mentami architektonicznymi, „żyje” elektrycznie, magnetycznie i che micznie. Ta sytuacja istnieje już na poziomie molekularnym bez uwzględ niania struktur komórkowych. To ferryt molekularny o naturze orga nicznej. Ferryt biologiczny jest więc zróżnicowany elektrycznie, magne tycznie i chemicznie już na poziomie drobinowym. Obrazowo mówiąc, w sieci krystalicznej białka strukturalnego, zdolne go do tworzenia ośrodków paramagnetycznych, dokonuje się ruch plazmy warunkowanej procesami chemicznymi. Swobodne ładunki, zdelokalizo- wane elektrony, atomy, protony, cząsteczkowe jony i rodniki stanowią ce plazmę mają możność poruszania się w polu molekularnym półprze wodnika organicznego. Poza dryfem ładunków, typowym dla półprze wodnika, występuje tutaj transport masy. Należy sądzić, że jest to na stępstwem paramagnetycznych własności powstających centrów i osta tecznym wynikiem pól magnetycznych. Plazma w polu magnetycznym daje efekty magnetohydrodynamiczne, czyli przepływ „cieczy” przewo dzącej. Złożona niejednorodność półprzewodnika ferrytowego stwarza
1 3 8 W ŁO D ZIM IER Z^ SE D L A K
anizotropię pól molekularnych. Układa się ona zapewne w „domeny” uwarunkowane rozmieszczeniem ośrodków paramagnetycznych i biolo gicznych struktur. Poza tą niejednorodnością białkowego ferrytu i fragmentaryczną ani zotropią poszczególnych domen istnieje jakaś nadrzędna anizotropia, normowana polami elektromagnetycznymi. Zagadnienie to wchodzi w zakres regulacji i sterowania w układach biologicznych. Makromoleikulame struktury biologiczne, składające się z białek po przedzielanych warstewką lipidów, zespolone z cukrowcami i strukturą quasi-krystaliczną wody .powodują nie tylko rozbicie jednorodności or ganicznego półprzewodnika ferrytowego, lecz również ułatwiają genera cję plazmy. Węglowodany i tłuszcze stanowią bowiem substancję w pierwszym rzędzie podległą katabolicznemu uwalnianiu elektronów.
- BIOPLAZM A
Porzucając analogie, które były punktem wyjściowym dla sformuło wania pojęcia plazmy fizycznej w układach biologicznych, należy zająć się wprost bioplazmą. Do natury jej należy nie tylko symetria elektrycz na, magnetyczna, ale również jakaś, symetria trwania i unicestwiania, generacji {lub stabilizacji) oraz degeneracji. Plazma nie trwa. Plazma tworzy się i zanika. W tym procesie wymaga czynników energetycznych z zewnątrz, by ostatnim etapem nie było zaniknięcie. Plazma bowiem podlega entropii. Bez przesady można to nazwać „życiem” plazmy (7). W plazmie fizycznej między generacją a destabilizacją „istnieje” en tropia. W układach biologicznych ta odwracalna sytuacja wykonuje pra cę, którą m y nazywamy życiem. Procesy degradacyjne plazmy łączą się z uwalnianiem energii, generacja z pobraniem. Ta zwalniana podczas destabilizacji plazmy energia jest wyjątkowo konieczna dla życia. Nawet rośliny fotosyntetyżujące nie obywają się bez niej. I tutaj procesy kata bolizmu dostarczają czynnej energii dla następnej fazy anabolizmu, mi mo nieskończonej rezerwy energii słonecznej. Energia zwalniana z plaz my podczas jej degradacji jest widocznie nie do zastąpienia, stanowi bo wiem istotę plazmowych procesów w układach biologicznych. Procesy degradacyjne tutaj nie są w pierwszym rzędzie stratą energetyczną na rzecz środowiska.
Tak Ujmowana destabilizacja plazmy odpowiadałaby biologicznie ka tabolizmowi, „podgrzewanie” plazmy byłoby odpowiednikiem anaboliz mu, czyli gromadzenia energii. Tę dwufazowość można zresztą rozmaicie wyrazić:
140 W ŁO D ZIM IER Z^ S E D L A K
mienić — jej „wmrożenie” w plazmę. Daje to jednocześnie przenoszenie substancji w postaci fali magnetohydrodynamicznej (13). Zanikanie fali m-h-d winno się więc łączyć ze zwalnianiem energii magnetycznej. Korelacje stanu elektrycznego z magnetycznym, które stanowią pro blem dyskusyjny dla ferrytów, byłyby faktem w przypadku plazmy. Wzrost energii elektrycznej łączyć się może ze wzrostem symetrii ma gnetycznej w niejednorodnej plazmie. Wszystkie rodzaje energii wyka zują kondensację w plazmie w postaci elektromagnetycznej. Godne podkreślenia jest zachowanie się plazmy w przypadku odbioru informacji z zewnątrz (informacja jako ogólne przyjęcie przekazu ener getycznego). Plazma wydala zawsze wtedy nadmiar energii w postaci promieniowania. Nie przyjmując nawet żadnej informacji z zewnątrz traci energię w procesie destabilizacji bądź w skali optycznej (promie niowanie rekombinacyjne), bądź termicznej. Tę właściwość plazmy wy korzystało chyba w najwyższym stopniu życie, bazując sw e trwanie w pierwszym rzędzie na energii z 'katabolizmu. Zwalnianie energii i pro mieniowanie to nieodłączne cechy życia.
Plazma, jako kondensator energii elektromagnetycznej, gromadzi ją nie tylko przyjmując z zewnątrz. Wypromienaowana energia nie jest bezpośrednio tracona na rzecz środowiska, lecz służy do „podgrzewania” plazmy. Ostateczna strata dokonuje się dopiero po cyklu tego rodzaju degradacji i stabilizacji.
Przywykliśmy o życiu mówić co najwyżej chemicznie, dlatego inne widzenia rzeczywistości biologicznej wydają się obce. Tymczasem plaz ma jest najlepszym zjednoczeniem chemii z elektromagnetyką w biolo gicznym układzie. Do biochemii należy dodać jedynie ten elektrodyna miczny szczegół. Plazma staje się w ten sposób uniwersalnym nośnikiem informacji zarówno magnetycznej, jak i elektrycznej, chemicznej i mechanicznej, optycznej i akustycznej, również grawitacyjnej. Realizują się tu sprzę żenia zwrotne. Plazma jest niejako „skrzynką biegów” życia.
Życie jest wynikiem ustawicznej oscylacji między stabilnym i nie stabilnym stanem plazmy. Rozbicie całości biologicznej na mikroukłady plazmowe, złącza p-n i domeny makromolekularne, uniemożliwia jedno czesny przebieg degradacyjny procesów. Przejście od stabilizacji do nie stabilności i odwrotnie dokonuje się w pewnej sekwencji od jednego mi kroukładu do następnych. Takie przejścia muszą się realizować z pobie raniem i wydzielaniem energii.
Przemieszczające się przez cały układ stany wzbudzone rozpatruje się w fizyce ciała stałego. Otrzymały one odpowiednie nazwy, jak rnagnon, polaron czy eksycyton. Dla plazmy przyjęto termin plazmon. Plazmowy
P L A Z M A F IZ Y C Z N A JA K O P O D S T A W A B IO E N E R G E T Y K I (^) 1 4 1
stan przenosiłby się wtedy na sposób wzbudzonych impulsów przez cały układ.
Procesy degradacyjne plazmy są samorzutne i stanowią wynik utra ty energii na rzecz otoczenia, realizują więc powrót do stanu równowagi Maxwella-Bolzmanna. Są to procesy entropijne plazmy. Życie uczyniło ten końcowy etap degradacji plazmy również sterowanym zjawiskiem i wykorzystało z pożytkiem entropię dla ogólnej przemiany energii. En tropia jest więc procesem sterowanym w życiu, a nie spontaniczną i bezładną degradacją energetyczną. Stanowi to oryginalność właściwą życiu. Degradacja plazmy wykonuje bowiem „po drodze” pracę dzięki uwolnionej energii. Jednym z tych zadań jest zazębienie nowego aktu stabilizowania plazmy w następstwie uzupełnienia nową porcją energe tyczną z zewnątrz. Istnieje zresztą prototyp tej sytuacji w formie przy spieszenia plazmy przez jej niestabilność (2). Tę zdolność wykorzystało życie jako punkt węzłowy energetycznego samoodtwarzania się na sze roko uwzględnionej rytmice degradacyjno-stabilizacyjnej plazmy. Musi istnieć zespół czynników stabilizujących, skoro degradacja jest koniecznym czynnikiem wkraczania w quasi-równowagę elektryczną po to, by plazma ciągle „na świeżo” się tworzyła: a) Stabilizacja elektryczna przez działanie stałych lub pulsujących pól elektrycznych. Sytuacja napięciowo-prądowa w pracującym mięśniu i nerwie byłaby tutaj chyba najbliższa prawdy. b) Stabilizacja magnetyczna na skutek tworzenia centrów para magnetycznych. Taką naprzemianległą sytuację określono jako rytmikę dia-par '(37). Ta periodyczna zmiana stanu magnetycznego jest jednym ze skutecznych sposobów „podgrzewania” plazmy i winna być w szer szym zakresie wykorzystywana przez ożywione układy. Można więc mó wić o magnetycznym pompowaniu bioplazmy. c) Stabilizacja optyczna poprzez centra wzbudzone fotonem pocho dzenia słonecznego albo bioluminescencyjnego. Przynajmniej w niektó rych strukturach rolę tę spełniałaby wymuszona emisja światła na za sadach laserowych (36). Podkreślić trzeba, że wszelkie zmiany niecią głości w plazmie dają efekty promieniowania (6). d) Stabilizacja akustyczna — mało opracowań dla plazmy w ogóle, jeszcze mniej dla układów biologicznych — jest zapewne bardzo istotna, skoro zarówno plazma, białka, jak i tkanki są piezoelektrykami. e) Stabilizacja mechaniczna — w przypadku ruchu czynnego lub biernego w układach biologicznych (38). f) Wstrzykiwanie bogatych energetycznie cząstek w następstwie w y bijania fotoelektronów przy udziale barwników organicznych lub w pro cesach laserowych niektórych struktur biologicznych bądź elektronów przyspieszanych promieniowaniem bioluminescencyjnym.
P L A Z M A F IZ Y C Z N A J A K O P O D S T A W A B IO E N E R G E T Y K I 143
binacyjnego. W obu sytuacjach stanu plazmowego jest emitowana fala elektromagnetyczna w przedziale częstotliwości od ultrafioletu do pod czerwieni.
Generacja promieniowania przez plazmę może być dwojakiego po chodzenia :
a) emisja przez elementy składowe cieczy przewodzącej (wymienio ne wyżej trzy typy promieniowania);
b) emisja promieniowania na skutek drgania plazmy jako całości o częstotliwości akustycznej, mikrofal, długości radiowej, fal plazmo wych (drgania elektryczne), fal magnetohydrodynamieznych. Wszystkie częstotliwości są falami typu elektromagnetycznego, o różnych tylko naz wach. Ten rodzaj emisji jest dobrze opracowany dla większych układów plazmowych, jak jonosfera, plazma słoneczna i gwiezdna. W przeniesieniu na układy biologiczne można zauważyć, że oba ro dzaje promieniowania winny towarzyszyć bioplazmie. Przy wszystkich procesach życiowych występuje promieniowanie luminescencyjne w prze dziale widma widzialnego. Nazywamy to słabą luminesoencją biolo giczną lub, według dawniejszych terminologii, bioluminescencją (44). W tym przedziale częstotliwości ewolucja ma niewielkie, zdaje się, możli- ści. Najwyżej w ramach przesunięć bardziej ku podczerwieni lub ultra fiolecie. Istnieje jeszcze inna ewentualność — ewolucja natężenia, sze rokości pasma złożonego lub modulacji fali w czasie. W tej dziedzi nie zdaje się niewiele zrobiono w biofizyce luminescencyjnej. Drugi typ promieniowania o fali długiej nastręcza większe możliwo- wości ewolucyjnych usprawnień. Istnieje zapewne jakiś punkt krytycz ny natury objętościowej, poniżej którego ten rodzaj fal nie występuje. Plazma jest tutaj generatorem jako całość. Jednostkowa objętość będzie miała związek z długością emitowanej fali. Plazma pełni tu podwójną rolę — generatora promieniowania i nośnika fal. Ewolucja tego rodzaju radiacji mogłaby być miarą rozwoju układów wielokomórkowych. Zróżnicowanie organizmu może się bowiem wyra żać w specyficznej długości fali. Jednocześnie koordynacja złożonego układu dokonuje się łatwiej na nośniku plazmowym w dużym zakresie częstotliwości od rytmów akustycznych do magnetohydrodynamicznych.
Długość fali może być miarą złożoności układu, wyrazem ewolucyj nego zaawansowania. Miarą złożoności będzie też szerokość pasma. De cydującym momentem rozwojowym życia na Ziemi było przejście od układów prostych do wielokomórkowych. Plazmowo można by to wyra zić jako poszerzenie pasma od typu luminescencyjnego do promieniowa nia bioplazmy jako całości.
144 W ŁO D ZIM IER Z^ SEDL.AK
zróżnicowanie
4 oo nm 800 nm fole mH/metraue i a/futsze Stożki św ietln e życia. „Ucieczka” życia ku podczerw ieni jest w y nikiem ew olucji oraz integracyjnej funkcji elektrom agnetycznej fali. Zróżnicow anie dokonuje się w paśm ie bliskim ultrafioletu.
Należy sądzić przez analogie z fizyką, że w układach żywych lumi- nescencja i promieniowanie o fali długiej będzie najodpowiedniejszą cechą diagnostyczną stanów bioplazmowych. Nie można jeszcze przewidzieć następstw koncepcji 'bioplazmy. Zda je się, że będzie to jedno z najbardziej brzemiennych ujęć biologicznych. Przekaz życia z charakterystyczną tożsamością przy tylu uwarunkowa niach wysuwa się na czoło przejawów dynamiki życia. Kontynuacja ży cia w czasie operuje prostym sposobem kodowania. Plazmowe ujmowa nie zagadnienia pozwala odtworzyć ten proces na zasadzie stosowanej w maszynie cyfrowej jako „tak” lub „nie”, lub (1) i {0). Wszystko, cokolwiek się dokonuje w obrębie życia, można wyrazić plazmowo (symetria elektryczna), półp-rzewodnikowo (donar, akceptor), redoksowo jako kwas lub zasadę bądź proton lub' elektron, metabolicz nie jako anabolizm i katabolizm, wreszcie magnetycznie jako stany dia- lub paramagnetyczne. W plazmie powstają te wiszystkie zapisy jedno cześnie, ponieważ każdy z nich mieści się w pulsacji generacyjno-dege- neracyjnej plazmy. Plazma daje podstawę najwszechstronniejszego ko-, dowania w zapisie (1) i {0). Ponieważ układ jest samoregulujący się, więc i kodowanie oparte na tak szerokim wachlarzu jest systemem samoregu lującym się, stąd zdolność wyrównywania, czyli plastyka życia w szero kim zakresie przy zasadniczej niewielkiej tolerancji wskaźników, zwła szcza u wysoko uorganizowanych jednostek. W najbliższej przyszłości miarodajna dla biologii byłaby nie tyle che mia organiczna, ile raczej chemia plazmy na gruncie związków orga nicznych. Zarys takiej chemii już istnieje, choć nie dla potrzeb biologii (25). Wcześniej jednak chyba trzeba będzie opracować ferryty białkowe.
\
