Nieliniowość w biologii.

(1)

*:|sp Z N I K I SiafflŁ O 7. Oh ICZN t '!;*m XXXV XXXVI, Jłjf-IWK

W Ł M t S i f f l f i t t K E i n K

N IE L IN IO W O Ś Ć W B IO L O G II

W latach l ||l - 1 8 8 2 rozw ijał ju ż H . P o in c a || m e to H g ^ y i||a ty c z n ą teoiS drgań. ;W St& g;'Ię^|';:au|ffirSi: ^'S£!8 !g 8 tłazan iim iB ^ 3 ftre s^ćjEtljESas tak djłlflfffl iirzez to, że są one, by się tak w f ia ź tt, jedyną ||c z e lin ą , p fg lz ktj§fą m ożem y pr£k&Mić przeniknąć w obszary. dotąidiaznaw ane za n id ifó S i^ S ^ - Z d p S e to stpS lw i m o tto książki N . M inorskiego Drgania nieliniowe

Stosunkow o n ip o m ó w i

Sp|

^ B ij^ m ow ości jako sp iS lp ie zaglądania w g j c j S f b l i l ł i e z n e niedostępne innym i m etodam i. Z ty c h też p o w odów nieli- nioH ość oczekuje na swe szersze uw zględnienie w naukach ctizyciu.

1 T lIS T O R II N IE L IN IO W O Ś C I

Procesy nielin ilj# jifiie należały! w HHgfe do no|||§l§l|j:jlM elek

tryczności układy nieliniow e znalazły wcześniej opracow anie 'łnate- rnatyee drganiam i-ni^m rd^#j8ni zajśto w ał się P otńcate ju i 100 lat teiftif-hS pracach topo lo g iczn y ch , c z |H |w rf ljjiig g le jakościowej i llo^dó^łej, c lH i ana-

| | H | n e j ( |3 & ^ j j g |i i l T O l i iK H liilw i8 p 0 d ^ |o o nielinąffiHe: rów nania różni- c « ® B p i i w < i i i i ° ł ^ P m atem atyczne traktow anie drgań W e ftio w y c h jako sz c z e lin o w i to jedyną — w nikania w|niffijnane obszary p rzyrody.

N ||lin i{ |jv e u k ła d y "znalazły- mtejscej nie ty lk o w -teorii d r g a n ,a le rów n ież

^ a n l B i i i # - W f f k u 1967 W olkensztejn n azyw a pracę nad n |glinio- g f e l l o b sza ie m termody-hamiki aktualnym zadaniem b iologii ( 1 4 ) . N ie lin io  w o ść zm la z ła zastosow anie=w lampach ele k tr o n o w y c h , drgających -obwodach ettHWWdSHę^BjŁWz j awiskach Ijjpjprezy^w-nieliniowej regulacjj||'|® gK |M p re- laksallf jnycjj; rwpriŁemu ułafiikoWyśEh harm onicznych,, Ogólnie W "drganiach

m echan icznych -

N ajstarsza obserw acja rhWcnamczPmarbdnosi się do m e l i n u i J w łie ^ a zjawiska SaKo;synchronizaęji na zasadach m echanicznych. H uygens (1629-1659) zau- /£ d\va_zegary w g jd ły we w spólny rytm w ahadłow y. Po dwjjgfj w ie

kach: o d k ry to mejimow;? zHjjfisko sam osynchronizacji w opivoidach ęlektry;

(2)

1 0 8 W t O n Z IM IP R Z St-DL AK

cznych. Tjforię tego zjawiska opracow ano dopiero w roku 1922 ( 7 ) . N a tym tle faktologicznym aż dziw ne, że odkrycie n i|B |io w e g o z w j |i |u światła z materią dokonało się dopiero w połowie lat p ięćljiesiąty ch , a otrzym yw anie światła działającego nieliniow o startow ało w 1960 r. odkryciem laserów. N ie- liniowośćiibtwarla zupełnie now e przestrzenie r|Hjfcywistości. J f a J | 9 i tle jak

że zaskakujące wydaje się stw ierdzenie p rz e k q |j|jtjfiz y k ó w : „W początkach lat pięćdziesiątych w ydaw ało się, że podstaw ow e probl|® iy o p ty k lfizy czn ej zostały jijp; dostrzeżone i rozw iązane, a sama dziedzin£E|stan|pfi przykład nauki pięknej, zwartej i bliskiej doskonałości” ( 4 ) .

2. N I E C O D A N Y C H O N IE L IN IO W O Ś C I

N ależałoby okflślić jednak, czym jest nieliniow ość \yi fizyce. p $|tiług En- c y k lo p e d iiliz y k i I I ) - „UkUtly nieliniowe mają param B ąc zależne od stanu układu. ZJfeżności m iędzy param etram i są nieliniowe (,opXu i|ą |e równania różniczkow e nielijfiowe. Prócz tegcjjzjawiska jjp ty czn e zależy od natężenia prom ieniow ania i m e zachodzi superpozycja fal”. M inorski ©piesia to zjawis

ko n a s g jfii||lo : „ l |||a l a f t j Bjjóżtfcel^ f tfizycznifeo p u nktu w id z e n || między zjawiskami liniowym i i nieliniowym i. We w szystkich d rg a n ia !! nieliniowych am plituda i częstość są ze sofeą związane, w pr||y p ad k u zol lfi|ioipf§n są one od siebie niezależne” (7 ).

Sposób M inorskiego przedstaw ienia istoty nielinowości okazuje się najlep

szy. W obec tego tjlfileży t|||a j|ic nieliniowość na tle h n io fls lc ip ! więc p o trak tować w przybliżeniu obie charakterystyki przeciwstaw(gjj|

Przez nieliniowość rozum ie się nieproporcjonalny w z ia lt polaryzacji ma

terii w stosunku do natę?§bią fali świetlnej. M oże tu chodzić w kw adratow ą, a naw et w yższego l § |d u funkcję tego natężenia. N o w a optyka musiała uw z

ględnić zjawiska ^ H p B t o d natężenia prom ieritlw ania. W ykluczona jest su

perpozycja fal. N ieliniow ość m oże |lj§(objawidjp| zarów no w ]if|thniku polo- wym (elektryczny, m agnetyczny, o jlip rzn y , m echaniczny, akSJtyczny), jak i w materii dotkniętej tym d H ||an iem . M ożna by obrazow o wyrazić to reakcją substratu materialnego na ś||ia tło . M ijpf się to w yrażać liniwo lub nieliniowo, tym samym w sposób prostszy lub bardziej złożony, „pow ierzchniow y” p o w iedziałbym i penetrujący.

Poniew aż kwestia nieliniowości w teorii nie jest tak prosto Wykładana, jak w praktyce stosow ana, wobec tego przedstaw ię trochę popularniejsze w yjaś

nienie. N ieliniow ość i hnifiillJść nalflżą do spraw jasnych nuH$i&atycznie - opisuje się je rów naniem n ielin io w i|3 | różniczkow ym wyżsajgjjjgfeędu i zw y

kłym rów naniem różniczkow ym . W plaktyce jest to trudniejsralw roblem . C o jest w pierw - nieliniowe działanie fikterii w ym uszone światłem czy m o n o chrom atyczna wiązka światła z uzgoifiiioną fazą, wreszcie tra k u w a n ie materii takim światłem. O dpow iednia intenS S m ość w yzwala nielinową reakcję oś-

(3)

N l t L I N I l W łU p t W B IO L O l.II 109 ie StOSłijea s S E lS er, da|fc: on! spójne ś w if id todbiJiriEdJuej m ocy.; Św iatło to w yzw ala w m aterii nielffioM ość.

I § iv m i słow y - m ateria jje.st zdolna w ym usić pochłaniane światło cło w tóriflj emisji bardziej śpójr® . 3p'Sp®jne św iatło zas m ożew now u wym usić n ||f t ||p r i i nielinitijjjfy odbicfr-lego światła. M ożna to popularnie rqjz|in||eć, że świftUr stało się zdolne w pływ ać na nieliniow e zach<gMnie mtjfffii. S lp ia s t aSatiąt t e isywliS sto pień spójności św iatła i jego m ocy, k tó rMapfejNiaey^gt uwa- lljk o w f ijil nieliniow a reakcja ośrqjlka, m ożna krócej to nazwać njfjiniow oś- cią | | Ł t ł a , nie spierając się o trafność rozum ow ania.

D opiero w ro k u 1966 a m e |||™ s c |r ! |iz y c y K. N . PatelJjjjJ E. Słusher, P.

A łilraS ry z a stiiiiw a li św iatło do badania zjawisk n i | | H o | f f i t t w półpjBew o- d niftaćĘ n i eol% an i czn vc h . D o pOTpŚ e l? o a n ik 6 if : () rgaSifczńy ch w iicśl zjcjo ti a k dalsza droga. A przecież p ółprzew odnictw o organiczne jest w ażnym członem w sform ułow aniu biologii subm olekułarnej zwanej pospolicie bioelektroniką.

M o |S || wije|&|mifiĘtt|Jżczać, że me tylko św iatło jest p o d staw ą optyki nieliniowe) l i l i y ce (8 > ,T O r<3$gfież bioelektroniką rriśnże mieć szczególne znaczenie 'n^M enlnraniu n i® $ |g p ^§ fch arak tery sty k i ż v c *

W lfały m zagadnieniu nie chodzi o 1 , by w starym stylu uprawia§i nieli- niowy eksperym entalizm stw ierdzający now ą zależność m aterii od światła, J M dlW yprow adiigJe M p ln ie jsw g ffip in i^ k u w jpdniesieniu do masy i enefg gii. Innym i ^p3^|fi]fchodzi o poszukiwanie: now ych zastosow ań nieliniowości f§e tylko w technice elelSBjfficznej połgrzewdą'ni}?ów? M oże udałoby S |'n a Jisad zie nieliniow ości ró st^ ązlu ś pfićrHemy podstaw ow e w biologii, 'S' nfe w y łącznie użytfjoiwe. N ic chodzi tutaj o w p ły w św iatjffl|iiterowlM |;iiDsowanego

Jasne! jest, że k ażd a dziedzina rjatjkdwa potvinn^ zabipg£c| &|i3P#wijg#fnj|

B B ||[|a ||3 ^ :||p d sta w o w ^ p rW ia d o rijfflfle d n a k , że nie c i|||S ijR | o n |f|S l|ę c ie m na Ogóf, a is lh a k sg kotaecąne. N ajm ilej chyba rozwiazanoHodfeayyByfemro- blem atykę w biologu. N auce o życiu brakuje dą)bardziej ze w szystkich dzie

dzin rozw iązania fundam entalnych problem ów jak natura życia i jego geneza, isłriią Swiaiilpiośei;, pzyig je s t człowiek.

Na::Dgólm-Tn;;tle;]jhidittiowioś0i: w -fizyce, odbija nieliniow ość materii oży- i i i i i i i - z y nieli3E5Sira>śit w spółdziałającego z nią światła. N ajpraktyczniej

f1 ^ 1 ® 'e i H eliniow e:

S" a b e ba 1.

Z S f f l i s k i i) i n i o w c Z j a w i s k a n i c l i n i o w e tĄ Jflip c a llS i się w * s l i K i | i » | < i ! | | L ,1 1 , S k o n c /o r # p r o f f l l l a l

(4)

110 W Ł O D Z IM IE R Z SEDLAK.

2. S u p erp o zy cja fal sk ła d o w y ch . P o szczeg ó l

ne fale są z ło ż o n e z szeregu d rg ań sk ła d o w y ch . Składow e są niezależne.

3. Fala liniow a sta n o w i sum ę drgań niezależnych.

4. L iniow ość niew iele odsłania n a tu rę św iatła i m aterii.

5. M ó w i się o p ro m ie n iu św ietlnym . 6. O ddziaływ anie zdefiniow anego param etru.

7. Fala p erio d y czn a i sy m e try czn a.

8. M aterię ro z p a tru je się m a k ro sk o p o w o , szczególnie krystalicznie.

9. M ateria reagująca lin io w o . 10. D w a układy lin io w e są niezależne.

11. O p isy w aln o ść m atem aty czn a rów naniem ró żn iczk o w y m liniow ym .

12. N a jp ro stsz e p raw a o p ty k i geom etrycznej.

2. N ie m a su p e rp o z y c ji, fale sk ła d o w e o d - działy w u ją w zajem n ie n a siebie.

3. D rg an ia ch a ra k te ry z u je z ło żo n o ść falow a uk ład u i tw o rz ą fu n k cjo n aln ą jedność.

4. D aje g łęboki w gląd w zło ż o n o ść fali św ietlnej i m aterii.

5. M ów i się raczej o fali.

6. W p ły w a p rz e d z ia ł w artości p aram etru . 7. Fala n ie sy m e try c z n a i aperiodyczna.

8. M ateria ro zu m ian a m o lek u larn ie jako p o w ło k i elek tro n o w e.

9 . M ateria reagująca nieliniow o.

10. D w a u k ła d y nieliniow e o d d ziały w u ją na siebie (sam o w zb u d n o ść, sa m o sy n ch ro n i- zacja, sam oregulacja).

11. O p isy w aln o ść m atem aty czn a n ielin io w y m ró w n an iem ró ż n ic z k o w y m . 12. T w o rze n ie h arm o n iczn y ch , rezonanse,

efekty laserow e, sta n y w z b u d z o n e , o d działyw ania fo to n -fo to n , fo to n -e le k tro n , fo to n -fo n o n .

N ależałoby się zająć w ynikam i nieliniow ym i, k tó re m ogą znaleźć zastoso

w anie we współczesnej biologii. N ieliniow a polaryzacja dielektryków zacho

dzi p o d w pływ em m agnetycznym , elektrycznym i optycznym . W ykazano nieliniowe właściwości półprzew odników w dalekiej podczerw ieni. Stwier

d zono w ielofotonow e zjawiska nieliniowe, tw orzenie harm onicznych światła drugiego, trzeciego, czw artego i piątego rzędu. N ieliniow ość ferroelektryków i piezoelektryków , zwłaszcza jeśli są one jednocześnie półprzew odnikam i.

Podatność elektryczna koloidów zm ienia się nieliniow o. R ów nież nieliniowe są w arstw y elektryczne. Zjawiska m agnetooptyczne o nieliniowej charakte

rystyce stw ierdzono w półprzew odnikach. D okonuje się nieliniow a reorienta

cja drobin w polu elektrycznym . M ożna w yw ołać nieliniow ą aktyw ność o p tyczną spow odow aną elektrostrykcją i absorpcją ( 5 ) . O gólnie m ożna pow ie

dzieć, że stan kw antow y materii ożyw ionej półprzew odników organicznych pow inien sprzyjać nieliniowości. Stw ierdzono rów nież zdolność układu nieli

niow o drgającego do sam osynchronizacji, sam ow zbudności i samokanalizacji.

Z urządzeń pracujących nieliniow o w ym ienia się lasery i hologram ( 8 ) . A u

to r dołącza plazm ę z jej własnościam i elektrycznym i, m agnetycznym i i o p ty cznym i. Istnieje już nieliniow a term odynam ika m olekularna układów nieod

w racalnych. N ieliniow e są m ody światła i św iatłow ody.

W ym ieniono niektóre zjawiska nieliniowe w yliczone m atem atycznie nieli

niow ym i rów naniam i różniczkow ym i. Pytanie - czy nieliniowość nie m ogła

by stanowić istotnej cechy układów ożyw ionych, zwłaszcza na poziom ie kw antow ym i p rz y uw zględnieniu półprzew odników organicznych. Raczej w stępnie m ożna by przypuszczać, że odpow iedź byłaby tw ierdząca.

(5)

111 Z g sm tc h jeszcze jIlwodóKtBKypada zająć sięjbiDkfe^łlijeliiiiouiją, gdyż ist- niejij już m atem atyczne m odele żyw ych jednostek; p o wtórjjp istpieją. m etody e 1 o w a n eHśi) z zastdśj5w ani^"'rii|tttrria|tijki i fizycznych w ias^ścum asidow iaB iego obiektu biologicznego.

3. NOWE SliBiŁzE BIOLOGII

Celem ||8 E ! f f l u ||s t zwrócenie i S j j l j j j i nieliljffi|vci|6 m p erk ożywionej oraz |§ j|u n t£ ||||n ie roli światła w |k^^nfiowej konstrukcji życia. Być może trzeba] będzie wyodrębnić w raielśnfowości kwantowy wyzifflcznik S c ia . Problem- intglirtjowojęj ;j^Łyfznej w;bjĘ>lQgir wydaje; sięiterenem: b^łań ledwo zarv so ^aimHB« u kwantaMia<M jM ||^Bż^ B f f i liaBBBi.

i | | 1 1 1 1 I& tej < p p li ol flBffid ^ jSiBMłT^liniowości w ukOTSfch biolo- gicznychj gdyż będ[4 One jffińiej więcej takie same, jafiffw innych pjjżypadkach.

Nieliniowość zresztą nie może stanowić wyłącznie ciekawostki, jak się z{ffi>- wuje m a tlm ożywiona w spotkaniu ze światłem. Temu zagadnieniu jest po- m liS ^ W ^ J a ^ M P rom ^ P * 8 yan*a laserowego na układ żywy. Czy można się spodziewąćj że wskazaną ilginiow ość procesów biologicznych stanowi rze

czywiście ową śzczęlinę, przez którą Poincare chciałby zajrzeć w niewiadome życia?

Badanie nielinJJ|ftos^|||«w fejfci| musi być $ggEgjj|żm|^^ inaczej nieosiągalnej. Eksperymentalnie ważne będzie to, co juz zostało stwierdzone TVE!BE^tll{K3[CiBWiiiBbsB^CSaSraraa nawe4mi M- M ^ <fi o r g a z mu. Najistotniejsza jest tutaj fizyka ojJpj§§ora n ie lĘ S P f f i |y ™ l >lpościł s g mowzbudności, sam^iis|i||acpi i samokanalizacjii O lbrzym i czas istnienia; zv- c.aTokold 5r^^iar(M w ^tSH ffi)ififfiB fl^.cji ewolucyjnej najkorzystnillszych cech r o z w ó jr ż wykluęEĆriiem cech; ńSśzdolnyljl do przystosowaniarjórganiz- mu w zmięjiionym Otóczepjpl Wydaje się, że samowzbudność nie ^wyjaśnia jeszcze pcj§|f|ania ojjcylatófa nieliniowego, z któł§pfi wystartowało życie.

P s a a l s i j a k o fakt dokonany, że oscylator, fa k i^ jż był. Cechf^iojiejfllatoiS nieliniowego stają się nBgpzow Sf w ogóle w powstaniu życia, ||® p zBynchro- iizow ania "wielorakich czynności, "które mimo zróżnicowania wykazują funk- ll|ih^ll|ijedrcpść i w y b ó ^ jśp p sp b ó w |||B |j^:|)w an i|:g ||k o o |||||io w an ie tak zło- IfeSMiiliteŚffli651 tylfcw iB la o b ie lp w żywych.

Bycie ma już za sobf olbrzym i staż ewolucyjny Ulewne więc cechy mSp- ifićj ni^riioHyaśd -stiariowi^-daleko pdM ftroii wizję przebytej||jrogi{f§r jprzeszło- 1& a|fi||$f|t ^teiatltóiSI: ż p p l p |s t a t l i f i l S i v i f l ujaS nffl dpb sv% nfelifrijową aH |^riąkęję Efunktjj&nalHplć. Stwierdzana nielin io S jjć w żyw yjłj układzie P e ||i ||i |||:,,j# ! lf , ale rf^łjaifcż „coś” oznacza i „czeg§||” wreszcie dowodzi.

Trz£&aita jedynie wydobyć.

(6)

112 S e B l D Z I N g g g g SŁDLAK

stanów kw aipow ych do rozm iarów m akroskopow ych? N ależy przypuszczać istn iejje takich przejść. Spraw fif^|jfj§g§|pardziej rj|;; poznaw czą niż na fakty

czną, gdzie wszelkie uzgodnienia i w yposrodkow ania sgjjjcepią logiki Taktów p rzy ro d n iczy ch (1 1 ).

Zaiiwn się zajm iem y danym i, k tó g ||^ ~ dostarcza bioelektronika d l a i t a z u - mienia życia, dosyć poglądow e będzie zestawienie tradycyjnej tjfct>logii z bioe- lektroniką, ^ptzynajiSniej w niektórych p u n k ta c h :

T a b e l a 2.

B i o l o g i a k l a s y c z n a

1. M a k ro sk o p o w a granica n a u k o życiu.

2. W y m ia r fen o m en o lo g iczn y .

3. P ro b le m y an ato m iczn e i fizjologiczne.

4. T e o ria o p iso w a b eh aw io ru org a- nizm alnego.

5. M ateria o ży w io n a w p ierw szy m p rz y b li

ż e n iu p o zn aw c zy m .

6. P ro c esy chem iczne z w ią z k ó w o rg a nicznych.

7. Je d n o sto p n io w y proces ch em iczn y k ata

lizo w an y en zy m aty czn ie.

8. Stan o żyw ienia m aterii.

9. B rak p o d staw o w ej teo rii życia.

10. W ystarczająca n a u ż y te k m ed y cy n y , ro ln ic tw a, hodow li.

11. Istn ieje biochem ia k w an to w a.

12. Jed n o ść chem iczna życia u w aru n k o w an a k atalitycznie.

13. D ośw iadczenie bezpośrednie.

14. N ie w ym aga żad n y ch analogii.

15. P o d staw o w y m odel chem iczny.

16. Zajm uje się zw iązkam i chem icznym i organicznym i.

17. Z ycie o d stro n y k o rpuskularnej (masy) i relacji przestrzen n y ch .

18. Inform acja w ew n ątrzu k ład o w a m asow a (en zy m y , h o rm o n y , n e u ro h o rm o n y ).

19. O rg a n iz m y żyją w separacji energe

tycznej m iędzy sobą.

20. T ró jw y m iaro w a geom etria.

21. K onieczne św iatło heteroęenne.

B i o l o g i a n o w a

1. K w a n to w y p rz y p a d e k g ran iczn y życia.

2. W y m iar k w a n to w y .

3. P ro b le m y ro z p a try w a n e o k ilkadziesiąt rz ę d ó w niżej.

4. T eo ria opisująca b e h a w io r sub- m o lek u larn y .

5. R o z m ia ry n ajn iższe o p isy w a ln e form alnie, ale n iew y o b rażaln e.

6. O p ró c z reakcji chem iczn y ch , ró w n ie ż pro cesy fizy czn e w p ó łp rz e w o d n ik a c h org an iczn y ch .

7. D w u sto p n io w y p ro ces elek tro n iczn eg o w z b u d z e n ia i sp rzęż en ia z reakcjam i chem icznym i.

8. Stan oży w ien ia energii.

9. P ierw sza p ró b a p o d sta w o w ej teo rii życia.

10. K o n ieczn a dla zro z u m ie n ia isto ty życia.

11. K o n ieczn a jest k w a n to w a fizy k a życia.

12. R ó ż n o ro d n o ść fu n k cjo n aln a ży cia o p arta na zjaw iskach n ielin io w y ch (laser b io lo giczny, holografia, m ody światła, EM stero

w anie, sta n y w z b u d z o n e , bioplazm a).

13. D o św iad czen ie p o średnie.

14. A nalogie p ro cesó w ży cio w y ch d o działa

nia u rząd zeń techniki półp rzew o d n ik o w ej.

15. P o d staw o w y m odel chem iczno- elektroniczny.

16. Zajm uje się cząstkam i elem entarnym i (elek tro n y , p ro to n y , fo to n y ) n a „n o śn ik u ” zw iązk ó w organicznych.

17. O d s tro n y energetycznej i falowej.

18. Inform acja falow a szczególnie elek tro m agnetyczna.

19. O rg an izm y oddziaływ ują na siebie ener

getycznie.

20. C z te ro w y m iaro w a geom etria.

21. K onieczne św iatło autogenne.

(7)

N IE L IN IO W O Ś Ć W B IO L O G II 113

22. A d ap tacja o rg a n iz m u d o środow iska. 22. S am osynchronizow anie sta n ó w kw an-

23. E le k tro d y n a m ik a na usługach e lek tro -

to w y ch .

23. E le k tro d y n am ik a k w an to w a ( 1 ) na chem ii.

24. Isto ta życia chem iczna.

25. W y starcz ają p ro c e sy liniow e życia.

usługach elek tro n ik i p ó łp rzew o d n ik o w ej.

24. Isto ta życia elektrom agnetyczna.

25. K onieczne pro cesy nieliniow e życia.

H | d a j e | i , że n o w |jb io l6 ę ia - b ioeE ktronika - jest d§fg(fgn wstępem dla zajęcia się m elinlow ością m aterii dpEHaonej, znacznie barcfiiej przystosow ana do nieliniow ości piz chem icząy mjoąęl życia ( 9 ) .

O d k ry to now ą właściwość światła - m oże ono p rz y b ie 8 i|fo rm ę oddziały

wań nieliniow ych, czyli falijjp nieregularnym profilu. O scylator em itujący taką falę jfflg|] nieliniow o drgającym;, ufeladeni nraKgria liy rp ^ T a i naitornS|i|

świffflna fSjjBże ęwjbrzyć l||f f l^ n ||B ^ 5 |5 ) d h a r m o n ic z n e , d a w ć mieszanie św iatfeafaS 4ztą ■ Bfnlaserze też istnieje ta fpakcja w ym uszania nieliniowości św iatła|l||||bjętnę--jirutaj czy św iatło to nazw iem yjfw prost nieHmÓw^iny czy świailt m ,|deTWVw<^y jy ^ iia njeliniow ośśijw Ąa^terijtj są tsto tae

O tw iera się now e p c ffi||S |p n ia n atu ry ż y r ia r N ieliniow ość byłaby więc j e |§ |||ii ze -Sposobów s ię g a n i W ia sa d ę -życia. Rysuje sjjjjf nfitollk n affilfiziej wnikliwa, jeśli w eźm ie się|pt>d uwagę zarów no nieliniow y obiekt - materię l l i i i p l ą , jak i nitejiniojw^-, ajhwięc odpowiedniej; Efibcy b o d z ill śM ||iŁ .

4. N I E i J f f l t ę ) W C j $ e ||ą K O S O N E M iiŻ Y C ^ A W Bl0ELp!E5TRCl^I<£3E

B i o e l e k t t o n i k a n i e p o w s t a ł a z a i j e l ij i i o w o ś c i. |S u t |f e f l i ! e w y c f S b d z l I z n i l f | | n S i S s i c i , B | | ^ e s z c i « : ( f c Ę f z e ć d o b i o e l e k t r o n ; | k i , cgjp ć n i e H B M f e z o n e , ż e p o i f c w n y p a c s ^ s i e t e n t o r { jx u ś s 4 b ^ :fi& w n ie ż d o p i o w ^ d z i ^ d o o p k r a ^ ć i& file k t r o n j l c z a ^ p ó ł p r e e w o d n t k o w e j t r e ś c i ż y e i a . A u t o r n i e z a m i e r z a ł l c ż w ś t- ę p n ie j S t l i j s | | | z e p i ć i d e r m e i i n i o w b s c i d o b i a d e k t rb n i k i . i N i eK n i o w o ś ć [ SiariijgF w y s j a k o J l b n i e c z n o ś ć u w z g l ę d n i o n a j | | p l | | p r z y r o d ę w z a p Q c z ą t k o \ f i j f j | p r o c e s u j|§jH c io w ć g it> 'n a !r Z ie m |. S p o l p a n i e f z i ń i e l m i o w o ś c i ą w i | o | i H | | i l i l | i | W ^ ł o w i ę i l r z e - I Ł ą w t ó r n ą . N i e l i n i o w o ś ć j a w iła s ię K > p r o s t u j a k o f y y z ń & c z n i k b i o e l e k t i H h i k i u ta i^ ją c ) s p l a w ę k r ń t k ó i p r q s t t x R a c z e j . m ó w i ą c . - s t o p i e ń n ie lia iq .w .ib śc i_ ą d j:

d a j f g s t a n w i t a l i z a c j i u w ||d w j B y ł b y |t o ; ; z a s a d n i c z y w n i o s e H z e j l s p g y r n e n t a l - n g r g h i f o r n f a l n y q h , c £ | ® ‘i | a | S H ® W & y c h , o p e r a c j i . Z a k l M B l i p E f e iz y t y m , jjjg H ib jf e t e K ir $ iik a ^ a k o k w a n t o w y s t a t e ||i b m o l e k u l a ||^ - ; ] j |s t njH B k r m t f i p r e d y s t y - n o w a n a d o n i e l i n i o w o ś c i .

■WfproMU ffiHMraa łf y nauce czjs na w aikliw e v p jś c || w naturę j§ycS|:f§ffi nieczności tej yatlo^Yw L7\ nr bioelektronika, choć jesjito w jS:j chwilli tylko ruszenie problem u. N iśłlpfow ość penetracji światła w ultład biologiczny rrlJSżJlięliMĆ m om entem "zwrotnym w badaniu ż y d a:

(8)

114 W Ł O D Z IM IE R Z SF.DLAK

P raw dopodobnie żjrcie nie tylko m ogło się począć w opraw ie w spółdziała

jących H ljn n ik ó w radłjfcyjnych i su b s||ato w y ch , ale fljawet musiało Jfcm zaist

nieć. Skório życie utrzym ało swą egzystencję przez niemal pięć m iliadrow lat, musiało ej®®! po w stać-M ó żn a by tb nazwać zasadą biologiczną przez analogię do zasady antroptcznej ^ 2 ). Przyjm ując nieliniow ą biologię, kwestia życia układa | | ę w zupełnie innej relacji do W szechśw iata i logiki .p rzy ro d y .

N astęp n y w niosek - stan nieliniowości nie jest cechą jjfończącą stan w itali

zacji zw iązków organicznych, fepz jego p o d jjlw ą n a jn iż J ljl NiettnjjoWóść w ykazano na styku światłaj z materią biotyczną. D ow artościow anie w biologa elektąfeiuBnej n ie lin i< js |^ i działfjśjiaiiświatła być m oże bęt|ij;jęii|||wj>rzyło epo- kę-Swoicgo rodzaju w jdligKlfiwaniu nieliniow ości w nauce o życiu i jego natu

rze. Z pow staniem b iłle k tr o h ik i zrehabilitow ano rolę ślgiatła z czynnika po

w odującego fotosyntezę- o raz biolumiijgscencję p rz y udziale enzym ów lucyfe- ryny i l u ^ H j ł z y . Światło w p o ję c f| b io p ek tro n iczn y m jest istotne i nieodzo

w ne z a r ó w ||||w p o w ^ B |iu życia, jj£k i jego konserwacji.

N a skutek te § S o tn i§ roli światła-nieliniowość nie stanow i w edług autora wyłącznie»pr^edrnie>tuf|*;ksperymentalnego stw ierdzenia, lecz nieliniow ość jest wstępem dra bardzo wnikliwej analizy energ5^cznf§!żj§jjiai|Nieliniowość bio

logiczna gj^-wjera jednakjpow e pole eksperym entalizm u w kw antow ych relac

jach życia. Byłaby to jedyna m etoda efgperym entalna begpośredniiego wglądu w b i o e 1 e k |r o n i c z n e zjyclsl!

Bez wielkiej g e g e siS || m ożna; M u z y k o w a ć tw ierdzenie, że bioeJiktronika jest dobjlyi* punktem starto w y m do badania nieliniow ości materii oźyjwionej.

C o więcej, nieliniowość jest cechą, ktajfljbodkreśla zasadftidzą właściwość no

wej biologii. Znajom ość bioelektroniki w ydaje się znow u d obrym p rzy g o to waniem badacza do właściwego potraktow ania nieliniow ości w analizowaniu życia. Jeśliby była m ow a o relacji światła i m ateriipto na p ||f t m l ę subm olekularnym sprow adza się to do rij(:hj|wyc^i elektronów it i fotonów (ID£.

N ieliniow ość m o g lib y dow odzić) że zejście do p o ziom u subm olekularnego jest czynnifjem koniecznym z f JśHjględu na poznanie podstaw życia i bezp o średniego wyciągania w niosków z tego faktu. N ależałoby raczej pytać, co w żyw ym układzie prżebiega liniow o, skoro p odstaw y życia są nieliniowe? W i

docznie w zrost i skom plikow anie o rganizm u jako w ynik i n te g |||ji i zró żn i

cowania tw o rzy Jjo p iero rejony, jjff§sie m anifestują się liniow e zależności bio

logiczne.

Badania na poziom ie kwantopjfym §fykazały niezw ykle złożoną i w ielora

ką funkcję światła w procesie witalizacji. P z a c i nąd książką Wprowadzenie w bioelektronikę uśw iadom iła, że ęała bioelektronika oparta jest na nielinio

wości oddziaływ ania światła i akustyki. Sama materia zw iązków organicz

nych rozpatryw ana na poziom iej|j§bm olekularnym wskazuje na zachow anie nieliniowe, co p rz y autogennym zapotrzebow aniu światła w ydaje się niemal oczyw iste ( l l ) .

(9)

N IE L IN IO W O Ś Ć '* f # l t ) l O G l I 115

Metżisa zarytw ltow ać ojm lntl wnicJSIk w ;bdiiie^ieniii-iio bologii sl|biiii® - k u larn ej,;i e gosiadaizoiia charakter nieliniow y. T radniej ;wydżje się jest srgrifct- p M H | C | l ^ | ^ l o ^ | f S a n t o w a jesijlfhiowaj n iż ^ lŁ lIa d n llllje j nieliniowość.

E oddbiiie:jak. odkjRfcie optyki ntefaiow ej jesę-nowym s-wtSem fizyki, tak b ioelektrehika jest ^ łh śtiw ie otw ierającym się ś | | f f i | | i m aterii o lfw io n e j funkcjonującej ittbliniowo. B io lo g ii n ielin i|g j|jg |aje głeMBte spojrzenie w na- tt|||iz y c ia w poró w n an iu z liJ f S S p |ila s y c |g ą opartą p i liniowej roli światła.

D ział III w spom niancj-książki -(11) zatytułow any „ O d d z iaływ anie ś w ig |p H m a t e g |I B p t o e l e k t r o n i k ® i o l o g i l H ) ’’ jesdJaktycznie c ||j i ||B |ą s ę o n y i§e- liniowości. Przypuszczam , że nieUt$oprit o p to d e k tro h ik a :injrw inie się k iejjw w podstaw ow y i o b sz e m y ślz ia ł p a t n o W | | | t ó g t M |

feśii d a :u A tC riiEjąniow cścufaiologicznejJlii m iargH ia

|B g l ||z i e x e a k q e chem iczne m etabolizm u r nieliniow ą tgrmodyflanitliĄ pro- casijsifE nieodw racalnych, m atem atyczne m odelow anie

Ę ^ęntualnie tw orzenie m odeli fizycznych z pew ną analogią fizyczną do orga- jlilrnu.

l y K a t a n ie lin io w o ś fifflfii|£ a d ż S i||d o p o j^ p a nieliniowej optyki m ole

łjn p u lsy i p | p | p | i m u s z ą w ykazyw a|l|§|elinl& |§laln$|jip||św l3

lącego W; jkwantpwym sprzężeniu m etabolizm u z procesam i elektronicznym i.

Sam osynchronizacja byłaby tutaj nie tylko g w a f i m n U H U ^

życia, ale jednocześnie uzgodnionej fazy procesów'. Sfcin p y cia b y ł ® rożpa- funkcjonow aniaieiem entam ych i|czy:uzgodnion<|go w ca

łym orgSjtztriiei

R w arftbw ę spojerti®; życia jakó'[fi'ajistotn'iEjszy ^element sraiiii wżywronegó m u ji 'być najbardziej uw rażliw ione na niM i iow ość odizjąyi^aniaj^^yratłal K lljp lo w y

fitev walił

czyli J w o gb rzężen ie m ę ż n i inazwać „kw fjjtow ym s # ś f c l , 8 |f : i |i |

Spjbiologii ro j |: J |0 i |ł Ą f |B i a w |ł a się określona, a w l l a |§ft® 3tim iana np foto sy n tezie i biolum inescencji. [Jeślibyśmy chcieli się orieptów aę w biol|jgiii w edług la la ź p łk fl. optycznego, należałoby p o w ied2f|g ć ,|j|p fe d te ilillp o w s ta - rji^ opfykł nieJięię|wej była niem ożliw a inna biologia jak tylko liniowa.

pęjwśtimie ży cia;]ąk e =oęcyiafora nielinidw ego, jak to przedstaw ia się w b ro tiek ti om ce, a więc na sprzężeniu reakcji c h ^ iic z m p H fz jgfocesami elektro- nicH |llm i w półp rze^ĆJc&ii kaęh o rgpijlcznych, ::fe^o::mp!m£rlifcm zw ro tn y m w

« « | PcHfe|ffowy^a świecie m in # a ln y m . N ajprościej przedstaw ia Mę to w na

stępujący I p o s ó b : fotóh jest sj?|fcężony funkcjonalnie z elektronem^ z k tó n fflj jedfcjl je sr pochodzenia m etabolicznego, d rag t elektronem ji-g o łp rzew o d n i- ggfw. 2|§3l|jie dw óch [elektronów ^fotonerri^przejjjw a sę coraz ^dilęj, Uyorjęy się 'układ |>racuji}i3y k w an t ow o

(10)

116 W Ł O D Z IM IE R Z SF.DLAK

Rozpoczęcie takiej akcji to już problem genezy życia. Zapew ne zaczęło się od półprzew odników m ineralnych jak hem atyt, piryt, galena, m arkazyt, m agnetyt (1 2 ). N ie w ykluczone, że odegrały tu pew ną rolę optycznie lewe kryształy kw arcu heksagonalnego oraz heksagonalnej fazy lodu krystaliczne

go. Analogie krystalochem iczne pom iędzy w oda, krzem ionka, białkam i i kwasami nukleinow ym i są nader zbieżne. W arstw a organiczna m onom oleku- larnej grubości osadziła się z abiogennej syntezy. N ieliniow o działające św iat

ło pochodziło Igi nieekranow anego w arstw ą ozonu ultrafioletu, albo prom ie

niow ania gamma p a ł radioaktyw nych. N iew ielki naw et k om ponent spójny światła sło n eczn e® rozpoczynał nieliniową odpow iedź w substracie organi

cznym w sensie p i|S |d k u ją c y m poziom drobinow y. Synteza białek i kw asów nukleinow ych orafilbardzo starego zw iązku porfiryn była w idocznie sprzężo

na w jakiś sposób'Z nieliniow ym oddziaływ aniem światła na stru k tu ry tych m olekuł. E w o lu B iln o le k u la rn a zw iązków podstaw ow ych w biologii nie m o

gła być oddzielona od nieliniowości kształtującej się w to k u ewolucji. U ru chom ienie sprzężenia jest rów noznaczne z przechodzeniem układu na światło autogenne. Z porrjócą tutaj przychodzi oscylator nieliniow y ze swą samo- wzbudnością. M ufiał jednak w pierw pow stać układ, k tó ry znalazł się w elek- trogenetycznej fluftjjuacji środow iska, indukując nieliniow ą odpow iedź na czynniki zaburzające. Zawiązanie akcji dokonyw ało się w niejednym układzie oscylującym niehifrowo. Wiele takich układów uzgadniało swój rytm w p ro ces sam oorganizow ania się oraz sam okanalizow ania. Było to najbardziej pier

w otnym sam oinform ow aniem się zbioru sprzężonego. N a zasadzie nielinio

wego zachow ania się kw antow ych oscylatorów biologicznych (łączy życia) w konsekw encji tw orzyły się ustrukturyzow ane agregaty m olekularne i funk

cjonalne jak organele kom órkow e, kom órki. W reszcie tajem nicze do dziś p o wstanie M etazoa z własną koordynaSpjgóraz integracją p H g niebyw ałym z ró żnicowaniu.

W yróżnienieĘiejonów subm olekul£j||iych i oife iy c ie g iti nieliniow ości d o starcza now ych orientacji. Reakcja o r|g iI z m u zaczy n jlf f l lŁ ż w sposób dys

kretny w sytuacijacl subm olekularnych, z którym i spotykam y się w bioelek- tronicznej wizji życia. Z natury nieliniow ości w ynika, że jest ona czynnikiem integrującym w ielorakie procesy w ą B p n ustroju, a w jfjjjm obilizuje stronę m ateriałow ą (m etajplizm ) jak rów n(M |ęnergetyczną. Nale|3y się liczyć z w y rów nyw aniem faz i nabyciem koherencji, jak rów nież z p la g n ię c ie m jednoli

tości w nieliniowej inform acji, zwłasjz|||g w odniesieniu (Kppól elektrycznych, m agnetycznych i ||ty c z n y c h . P rak ty d lh ie nieliniow a in iiiin a c ja elektrom ag

netyczna jest d o d fik o w y m szczegółpjijjżyw ego ustroju. Inform acja musi być tego samego rodzaju co układ. Jeśli układ biologiczny jfft rozw ażany kw antow o, to informacja jest elektrom agnel^czna. Jeśli istotną cech żywej materii jest nieliniowość, to inform acja staje się też nieliniowa. Pgjęcie inform acji uje

dnolica się w poziom ie kw antow ym o ra / nieliniowej cfSrakterystyce i staje się tym samym, co zjawiska życiowe.

(11)

N ItL IN IO W C jp C Vf B IO L O G II 117

Jąśłii-wiijywęj korrjgrce dokonuje się^w sekundzie około 1 O9 yoittdyłtyj y cfa!

reakcji ĘKlfflicznych, to trzeba niebywałego skoordynow ania -całości oraz ste- llSBlwBliBlektlirnagnetycznego, by ch^W ftiny i e le l^ |||w z f f lm |||ln n e g ifie

|§§f chąj|gf j |j j y .

Terlecki (1 3 ) opublikow ał artykuł n i tem at synergizm u, a więc jednocze

snego w spj|l§|jS|ła|jia różnych czynników środow is& ow ythi O rganizm nie re- f t ł i j l indyw idualną reakcją na jakiKblwiek bodziec. Raczej w zbiorczy sposób

„bierze je p o d uw agę”. Są to stw ierdzenia m a k ro ffiS ^ iil} Synergizm może fizjologicznie .uchodzić jakolpfw hggo rodzaju now ość. Zdaje się jednak, że pfgjjgfw jego należy sżćkać zuplffije gilzie indziej. Z n l ® g |i s |l i i ; .|sy n erg izm m olekularny” w postaci. nieliniow K reakcji; na pola elektryczne,m agnetyczne, oi i j b zne, i p i l l yczne. i H i iliz m posiada głębokii ł f l B iieliniowości. R ó żn o rakie bodżcdgw Ito d o w is k u jm ie lM o w a reakcja podłoża m o o d |w a ć bardzo s M g M S liftó H w M p d z ia ła n ia . M akroskopow e "Zjawiska iizjologifene n|f§i- nidfiSfisci żBstaly 'zaofesferwoWane 'w ruchach rhem bfańy ńidz^dfl słuchu przez l l l M I i i i z i i S i l l cykll:;imiesięczn|egoi w i©j®l£qfi>biet

(6 a | | i w lp łu g lp . M a r t y n ® Iff a jt e ^ jch b io lo ^ ^ m t^ B p H M g ly s k w fe y c h c?:ynmka#i śro(S B isffi|sffliii (ćpp

Biologiczne b |§ a n ie nielipfiw ości w rozm iarach m o lap alfin y ch i subm o- lekujlfnych oczekuje dSpiero na swjjtkolej zajęcia się nimi. O cH rona śrgdow i- ska zaczyna schodzić do poziom u istotnego dla żyw ego uklapu, m iltlp ^ icie dBB§|fl i n i Qg|«b»aM

N ieliniow ość biologiczna jest spraw ą z b y t m łodą, by j |j ||o ż n |l § y ł o dosta- te c iiillJ-o zw ażlIlljffM iik a to iis ta w u dat faktfflPto<M raSBzaiw ial biol<Si|| n i e l i n i |® . U lazm eiSMa l ś l i ł i riftłwał dopiero Iflifcrnuir w 1928 r.

d z ie s ią tw i, a=BBiieh<ŚiHjfeS igf f ó era p ! j ( ||f | r. T ym nieMfiiowa weszła h a dśrogę dOświadtizafeą. Biofelektromka pow stała w ;roku 4$&7; W |®j{§

samym rokiipo\ysJ|atp]pojęc|e jbidplazmy. N ieliniow ym i procesam i bilologidil nymi z a |S H | a ^ w r | | 19Sp||i| ninm Bza jllllą .

M H J p G - R A F I A

1.i p f f t ł y n i u 1 a IBl §Bi c k f r B j r u 1 a Z .: E B m i W M i k a id § M jM r a .jW iir ia - w a 1969.

2 . E t e V i e J U p . : 2 p s a d a <l i n r o ( £ n m '« f t « t v p Y F t r v k i 3 ? i i 9 8 Ś z. 3 p f 2 1 3 | i p 9 . ffij E t e p l | p e d i a F iz y k” TOarszawalS 9 Ml!

4 .i|S :| j i | a A .: |||j|i||ijla llje ln K w a E r u j k opedi t t l / \ k i v»bp ł zesncj ^ a r s ta w a f M ® !

|b * 4 l i k i

5. K p je ltjjh S. M ofafciłW ha | | t y k a n id |W p £ s ^ ^ ł f s z a w a ł i ę z i i l n l ł « f .

M U r t§Sn i u |a G |g S |i l p i P W ( ) ś ć S S e s ó w b io lo g ic z n y ® W : iJlfllait W- /re d . B ioelektro- l |i k a .: ^ |te r i a l y I K r a j f e ^ o w j '||i z j u m , l [ |j # j l i n , 14-15jjśp|ja 19 n i I||lg jln t i R B 1 ŚSliiBi]

(12)

118 W Ł O D Z IM IE R Z SEDLAK

6a. M c C l i n t o c k M . K .: M enstrual S y n ch ro n y an d Supression. „ N a tu rę ” 299:1971 s. 244.

7. M i n o r s k y N .: D rg an ia nieliniow e. W arszaw a 1967.

8. P i e k a r a A . H .: N o w e o blicze o p ty k i. W arszaw a 1968.

9. S e d i a k W .: B ioelektronika. W arszaw a 1979.

10. S e d l a k W .: P o stęp y fizy k i życia. W arszaw a 1984.

11. S e d l a k W .: W p ro w ad zen ie w b io elek tro n ik ę /w d ru k u /.

12. S h u e y . R. T .: Sem iconducting O re M inerals. A m sterd am -O x fo rd -N ew Y ork-Elsevier 1975.

13. T erlecki J.: W zm acnianie reakcji rad io b io lo g iczn y ch - efekty synergistyczne. „P o stę p y F iz y ki M e d y czn ej” 19:1984 z. 3 s. 159-165.

14. W o 1 k e n s z t e j n M . W .: Biologia m olekularna. W arszaw a 1969.

D IE N I C H T L IN E A R IT A T I N D E R B IO L O G IE Z u s a m m e n f a s s u n g

D as n ichtlineare A u fein an d erw irk en v o n L ic h t u n d M aterie ist seit M itte d e r fiinfziger Jahre b ek an n t. L ic h t en tsp rech e n d er Starkę erh ielt m an d u rc h die 1960 en td eck ten L aser. D ie N ic h tli

n earitat an o rganischer H alb leiter w u rd e erst 1966 v o n den am erikanischen P h y sik ern K . N . Patel, R . E . Slusher u n d P. A . F leu ry erfo rsch t. O rg an isch e H a lb le ite r w ie Eiw eisse, N u k lcin sau ren u n d P o rp h y rin e k o n n te n n o ch sp a ter a u f ih re o p tisch e N ic h tlin e a rita t h in u n te rsu c h t w erden.

D ie org an isch en H alb leiter b ild eten fu r den A u to r die G ru n d lag e des M odells d e r B ioelektro- n ik. W esentliche E lem en te d e r B io elek tro n ik , in sb eso n d ere die V e m a h u n g chem ischer R eaktio- n en m it freibew eglichen E le k tro n e n im E iw eisshalbleiter, sollten sich d u rc h N ic h tlin e a rita t ausze- ichnen. D as e rg ib t sich aus d e r bei anorganischen H alb le ite rn festgestellten N ich tlin earitat, d er P olarisation d e r D ielek trik a, d en Piezoeigenschaften u n d iib erh au p t d en Q u a n te n z u sta n d e n . D ie B ioelektronik kan n einen tiefen E in b lick in das W esen des Lebens liefern, w e n n sie die N ic h tlin e a ritat z u r M e th o d e d e r S ondierung c h em o elek tro n isch e r System e m ach t. V orlaufig m iisste m an die Schlussfolgerungen aus den festgestellten Fallen d e r n ich tlin earen E in w irk u n g des L ichtes auf die anorganische M aterie z u r A n w en d u n g bringen. D ie N ic h tlin e a rita t liefert ein en u n m ittelb are n E inblick in das lebendige O b je k t u n d seine D y n am ik . D ie N ic h tlin e a rita t k an n eine g u te M e th o d e z u r U n te rsu c h u n g d e r Q u a n te n n a tu r des Lebens bilden.