Kwantowe podstawy ruchu w świecie organicznym.

WŁODZIMIERZ SEDIiAK

KWANTOWE PODSTAWY RUCHU W SWIECIE ORGANICZNYM

Rozwojem ruchu na różnych etapach filogenetycznych zajm ują się anatom ia i fizjologia porównawcza. Stanowi to istotny tem at ze wzglę­

du na sensom otorykę u zw ierząt i człowieka. W tak pojmowanej ewolu­

cji rośliny wyższe zostały jednak na ślepym torze ze swym ruchem bier­

nym. Podstaw y ewolucji ruchu m usiały czekać na dostateczny rozwój biofizyki, a jeszcze bardziej półprzewodnikowej bioniki. W tej chwili można już, przynajm niej w zarysie, w yjaśnić mechanizmy ruchu w ewo­

lucyjnym ujęciu i to łącznie u zwierząt, jak i roślin wyższych.

1. INFORMACJA MECHANICZNA ŚRODOWISKA

Energia m echaniczna należy do najbardziej zagadkowych w fizyce co do natury, a jednocześnie jest ona bardzo pospolita. Układ biologicz­

ny odbiera ją jako jeden z rodzajów inform acji —- bądź w postaci fali akustycznej, aperiodycznych zm ian atm osferycznego czy hydrostatycz­

nego ciśnienia, bądź energii zderzenia z drugim ciałem w w yniku falo­

w ania wody — jako siłę ciężkości, siłę tarcia, drgania sejsmiczne, zmia­

ny objętościowe w w yniku w ahań tem peratury, jako siłę uderzenia kro­

pel deszczowych, gradu itp. (53). Inform acja m echaniczna jest bardzo urozmaicona w następstw ie praw a graw itacji i w arunków meteorologicz­

nych środowiska. Życie jako zespół m aterialny znajduje się w skompli­

kowanej i różnorodnej sytuacji m echanicznej, W pływ ten sięga głębiej niż zw ykłe odkształcenia z towarzyszącym i skutkam i naprężeń m echa­

nicznych.

M ateria jest w praw dzie zdeterm inow ana wobec inform acji i m usi na nią reagować jako n a podaż energetyczną, ale jedynie półprzewodnik od­

znacza się odbiorem inform acji z jednoczesną zm ianą jej n a elektryczne skutki. Inform acja m echaniczna jak w każdym innym rodzaju m aterii, tak i w półprzew odnikach jest w prost odbierana jako zm iany term icz­

nej natury, a tą drogą dopiero w pływ a ona m odyfikująco na własności

elektryczne. Istnieje jednak specjalny rodzaj półprzewodników — piezo- elektryki — „uczulonych” na inform ację mechaniczną. Zarówno zgniot, dekompresja, jak i siły skręcające w yzw alają ładunki elektryczne.

Należy sądzić, że tę sytuację życie m usiało uwzględnić w swej natu ­ rze układu m aterialnego znajdującego się w zmiennych okolicznościach mechanicznych oddziaływań. I to nie tylko w form ie dostosowania.

W m iarę rozwoju biofizyki ewolucyjnej (50) stw ierdza się coś więcej.

Dostosowanie nie jest jedynie pasyw ą i tolerancją przez odpowiednie ustaw ienie się w zmiennym zespole czynników. Zycie nie tylko dosto­

sowało się, życie w ykorzystało inform ację jako energetyczny zysk.

Energia mechaniczna w płynęła w jakiś sposób n a kształtow anie cech fizycznych system u biologicznego w form ie w ytw orzenia właściwości zdolnych do odbioru inform acji mechanicznej i być może dalsz-ych kon­

sekwencji, jak ruch. Należy sądzić, że pew ien zespół czynników energe­

tycznych wykształtował biofizyczną n atu rę do optymalnego w ykorzysta­

nia tego stanu rzeczy w środowisku.

2. ŻYCIE RECEPTOREM ENERGII MECHAINICZNEJ

Istnieje wiele faktów doświadczalnych z dziedziny półprzewodnictwa i piezowłaściwości, zwłaszcza u białek. Białka i kw asy nukleinowe, po­

nadto inne związki organiczne, jak cukrowce (3) w ykazują piezoelek­

tryczny efekt. W yniki te zachęciły do badań w tym względzie w całych tkankach. M ięśnie (28), kości (56) i zapew ne nerw y (12) są też piezoelek- trykam i. Obecnie przyjm uje się, że piezoelektryczność jest ogólną właści­

wością wszelkich tkanek (55). Nie jest dotychczas wiadome, dlaczego pół­

przewodniki znalazły zastosowanie w podstawowym m ateriale biologicz­

nym ; białku — i dlaczego tak szeroko rozwinęły się ich piezoelektrycz­

ne cechy. Jest to fakt jedynie do uwzględnienia. Widocznie n a tu ra pro­

cesów życiowych realizuje Się w oparciu o ich własności.

Piezoelektryk m a też swoją „lewą stronę” — w zm iennym polu elek­

trycznym ulega strykcji, czyli zmianom w ym iarów liniow ych i objęto­

ściowych, i rto w ścisłej synchronizacji z w ariacjam i pola. D rgający pie­

zoelektryk em ituje falę fononową (ultradźwięki). Tymczasem dźwięk jest falowym wyrazem energii mechanicznej w postaci naprzem ianległej sy ­ tuacji energii potencjalnej i kinetycznej. F ala fononowa realizuje bowiem rytm iczne zm iany energii potencjalnej w kinetyczną i odw rotnie (37).

Przyznać należy, że piezoefekty w półprzewodnikach nie zostały wszech­

stronnie jeszcze przebadane (64). W każdym razie pod w pływ em siły

mechanicznej zm ieniają się: dryf ładunków, optyczna adsorpcja, półprze-

wodnictwo, zjaw iska m agnetyczne (efekt Halla). Mniej zbadanym zagad­

nieniem , przynajm niej w układach biologicznych, jest piezomagnetyzm i jego odwrotność ■ — m agnetostrykcja.

W te j sytuacji piezoelektryczne cechy organizm u w ykazyw ałyby kil­

ka pożytecznych własności: a) każda inform acja mechaniczna, nie w yłą­

czając fali głosowej, jest odbierana jako zm iana stanu elektrycznego, b) zm ienne pole elektryczne w pływ a strykcyjnie, czyli kształtuje w ym ia­

ry układu biologicznego, c) rytm iczne odkształcenia powodują generację fali fononowej, d) ta działa na sąsiednie układy drobinowe, również pie­

zoelektryczne, i jest odbierana uw olnieniem ładunków. Ważne jest tutaj sprzężenie zjaw isk m echanicznych z elektrycznym i, przy jednoczesnym ruchu układu n a skutek elektrostrykcji, oraz włączenie w ten proces fali elektrom agnetycznej z jej pulsującym w ektorem elektrycznym . W ten sposób układ biologiczny ulega odkształceniom na skutek zmiennego po­

la elektrycznego, ale ruch ten jest elektryczną korzyścią, generuje bo­

wiem piezoelektrony. Ruch w form ie strykcji nie jest więc stratą w konsekwencji, lecz zyskiem energetycznym w postaci uruchom ienia elektronów. To istota zagadnienia. Ewolucja biofizyczna poszła też w kie­

runku w ytw orzenia stru k tu r organicznych o cechach piezoelektrycznego półprzewodnika.

Widocznie jest to spraw a zasadnicza dla ogólnego funkcjonow ania ży­

cia i przedstaw ia sobą ogólniejszy kompleks zjawisk. Między innym i tak różnorodna w środowisku inform acja m echaniczna jest odbierana w swoi­

sty sposób i transform ow ana w prost n a elektryczne skutki. E lektrostryk- cja jest w tym układzie rzeczy koniecznością odbioru inform acji elektro­

m agnetycznej i m echanicznej ze środowiska. Inne rodzaje inform acji zm ierzają do tego sam ego na drodze pośredniej dzięki poprawie jakości elektrycznych półprzewodnikowego układu. Półprzew odnik piezoelek­

tryczny jest zdeterm inow any do odchyleń swych w ym iarów w zmien­

nym polu środowiska. U w alniane przy tej okazji ładunki w pływ ają na zm ianę jego elektrycznej charakterystyki. To zaś stanowi w układzie biologicznym elektroniczną podstaw ę procesów związanych z metaboliz­

mem, przenoszeniem elektronów, biokatalizą.

Prócz tego koloidy o charakterze am folitów zm ieniając swe fazowe stany donorowe w akceptorow e i odw rotnie {kwasowo-zasadowe) ulegają chem ostrykcji. Tak typow e dla życia procesy oksydoredukcyjne, doko­

nujące się n a substracie białkowym, łączą się z ustawicznym niepokojem m echanicznym układu. Niepokój m echaniczny w ytw arzany na zasadach chemicznych w tym w ypadku, to również niepokój elektronowy białko­

wego piezoelektryka. Zm iana natom iast potencjału pola elektrycznego daje w rezultacie znowu m echaniczne odkształcenie piezoelektryka. Za­

gadnieniam i tym i zajm uje się m echanochem ia (42). Tak więc procesy

elektryczne, chemiczne i m echaniczne spotykają się w tym sam ym ukła­

dzie. Ruch wiąże się tą drogą z procesami m etabolicznymi nie tylko che­

micznie, ale też elektronicznie.

W ten sposób wszystko, nie wyłączając ruchu, opiera się ostatecznie na metabolizmie. Ruch posiada więc dwa oblicza — jedno mechaniczne (zmiany strykcyjne), drugie elektroniczne z chemicznymi przejściami.

Byłby on w żywym układzie punktem węzłowym zespalającym różne rodzaje energii.

Ruch m a więc istotne uw arunkow ania w samej naturze związków organicznych biologicznie czynnych, stąd też jest on przeznaczeniem ukła­

dów ożywionych. Ruch nie jest tylko pożytkiem organizmu, jest po p ro - stu koniecznością natu ry piezoelektryka znajdującego się w zmiennym polu elektrycznym. Strykcja jest wym uszonym następstw em w yzw ala­

jącym ładunki, te zaś decydują o potencjałach. Zm iana potencjałów wpływa na przebieg procesów metabolicznych. W ostateczności półprze­

wodnik typu piezoelektrycznego odbiera wszelkie bodźce na drodze mniej lub bardziej wiodącej do strykcyjnych odkształceń. Relacje chemiczne, elektryczne, m echaniczne i przestrzenne są ściśle zespolone, a z nimi gęstość i przemieszczanie masy. Ruch nie jest tylko zm ianą położenia części Organizmu względem siebie. Je st on m anifestacją tego w szystkie­

go, co obejmujem y jednym m ianem — życia.

3. RUCH BIOLOGICZNY JAKO ZJAWISKO KWANTOWE

Dotychczas rozpatryw ano ruch w biologii od strony morfdlogii w y­

kształcenia narządów, fizjologii nerw ów i mięśni, w najlepszym w ypad­

ku od strony biochemicznej m echanicznych własności biopolimerów, ew entualnie term odynam iki. W szystkie te punkty w idzenia są ważne, ale podstawy ruchu tkw ią przędę wszystkim w zjaw iskach kw antow ych. K i­

nem atyka biologiczna, zdolność w ykształcenia narządów ruchu i prze­

mieszczania organizm u to końcowe etapy w skali makroskopowej.

Jeżeli przyjm iem y zjaw iska strykcyjne (elektro-, m agneto-, chemo- strykcyjne), jeśli ponadto uwzględnimy fakt, że zjaw iska te powodują zmiany elektroniczne w m asie organicznego półprzewodnika, to kon­

sekw entnie przyjąć należy, że u podstaw ruchu są procesy kwantowe.

Dotychczasowe, fragm entaryczne wprawdzie, badania w skazują na elektroniczne procesy związane z ruchem w tkance nerwowej, mięśnio­

wej i kostnej.

a) Donosi się o istnieniu mostków elektronicznych między n eu ry -

tam i różnych komórek. Stw ierdza się je nie tylko u bezkręgowców, ale

również u kręgowców (19). Mostki te m ają pełnić funkcje prostownicze.

Potw ierdzenia tego stan u rzeczy dostarczają względy strukturalne, szcze­

lina synaptyczna jest bowiem bardzo mała, sięga zwykle 150A. Mostki tego ty p u uw aża się za synapsy elektryczne. Czasami w ystępuje zupełny brak szczeliny synaptycznej. Z drugiej znów strony w ykazano elektro­

niczne przew odzenie potencjału w neuronach u Aplysia (24) nie bez strukturalnego przestrojenia wody odznaczającej się dobrymi własnościa­

m i półprzew odnictw a (13), zwłaszcza ty p u protonowego. W tej chwili można już sugerować tunelow e przejścia w układach biologicznych, a więc przejścia bezstratne, charakterystyczne dla zjawisk kwantowych.

Wysokość bariery potencjału przypuszcza się n a leV (26). Taki zestaw dostarcza bezstratnych prądów od składnika p re- do postsynaptycznego.

Poszukiw anie tu taj odpowiedników strukturalnych w mikroskopii elek­

tronow ej pozostaje bez wyników, nasuw a się jednak przypuszczenie in­

nego rozw iązania s tru k tu ry jako złącza półprzewodników o różnej cha­

rakterystyce.

Bezsprzecznie, efektem kw antow ym jest em isja z pracującego nerw u słabego prom ieniow ania (63). Należy sądzić, że prom ieniowanie to nie jest w ynikiem jedynie procesów chemilum inescencyjnych, a w prost skut­

kiem kw antow ym tow arzyszącym prądom czynnościowym w półprzewod­

nikowej m asie białkowej. Nie jest wykluczone, że wszelkim procesom strykcyjnym tow arzyszy '“wyrzucanie kw antu świetlnego, a więc i przy zjaw iskach m echanochem icznych związanych zwłaszcza z utlenianiem , o czym wspom niano wyżej.

b) K w antow e tło pracy m ięśnia można przewidywać również na pod­

staw ie słabego prom ieniow ania z czynnego m ięśnia (10) oraz z piezoelek­

trycznych cech stw ierdzonych d la m iozyny i aktomiozyny. S tru k tu ral­

nie w ykazano układy o różnych własnościach optycznych w m ięśniu (20), o różnej też charakterystyce elektrycznej. Stała bowiem dielektrycz­

na w ykazuje zależności od współczynnika załamania optycznego w pew nych granicach częstotliwości. Pracujący mięsień natom iast żmie- nia swoje własności optyczne {dwójłomność) i fluorescencję w rytm po- tencjałów czynnościowych (11).

c) Synapsy jako łączniki dwu kom órek — mięśniowej i nerwowej — stają się przedm iotem intensyw nych badań. Prócz synaps typu chemicz­

nego lub elektrycznego istnieją synapsy niejako podwójne. Gdy działa­

nie elektroniczne jest opóźnione, w ystępuje łączenie chemiczne. Ścisłe rozgraniczanie obu rodzajów łączenia jest chyba nieporozumieniem w y­

nikłym z różnych m etod badania. Życie nie zna dwu torów w swej na­

turze, elektronika jego bowiem jest oparta n a chemizmie. Zm iany elek­

tryczne na synapsach są zbyt znam ienne (33), a chemiczne ujm ow anie

zjaw isk tu taj jest prostsze dla nas i bardziej zwyczajowe w biologii.

W ydaje się, że synapsy elektryczne są filogenetycznie pierw otniejsze, zresztą złącze między dwom a układam i półprzewodnikowym i (nerw-m ię- sień) winno w pierw szym rzędzie być n atu ry elektronicznej, a więc p ra­

cujące na zasadzie ampero-wołtaiczmego zjawiska. Jeśli w komórce mięś­

niowej podczas pracy następuje również strukturyzacja wody podkreśla­

n a w analogicznej sytuacji dla kom órek nerw ow ych (18), to należy się liczyć z półprzewodnictwem .protonowym na synapsach. S trukturyzacja

•wody w yw iera swe oddziaływanie porządkujące na odległość rzędu 1000A. Elektroniczny charakter przenoszenia im pulsu nerwowego zdają się potwierdzać zauważony w aktomiozynie przekaz protonowy i sugero­

wana stąd w yjątkow a kurczliwość m iofibrylli (41).

W przypadku synapsy chemicznej szerokość szczeliny wynosi 200A lub więcej, w elektrycznej najczęściej 150A. Jaki udział m ają synapsy w emisji prom ieniowania elektromagnetycznego, zdaje się, nie notowa­

no. Przypuszczać tylko można, że złącze p-n em ituje podczas swej pracy fotony. Natom iast słabe prom ieniowanie em itowane przez tkankę mięś­

niową i nerwową winno stym ulować działanie synaps, szerokość bowiem szczeliny w synapsach typu chemicznego (200A lub wyżej) stanow i tylko 1/20 długości fali dalekiego ultrafioletu.

d) Najszerzej uwzględniono dotychczas procesy kw antow e w tkance kostnej. W pew nej m ierze jest to zasługą nierozwinięcia się klasycznej elektrofizjologii kości. Dzięki tem u nie zostały przesłonięte procesy elek­

troniczne, jak to miejsce znalazło w tkance nerwowej i mięśniowej.

Przejście do zjaw isk elektronicznych nastąpiło od razu niejako z cech półprzewodnictwa i piezoelektryczności (55). W yniki były interpreto­

wane w skali kw antow ej jako efekt fotowoltaiczny (8), em isja słabego prom ieniow ania (5), praca n a złączach kolaigenowo-apatytowych (7), zmiana charakterystyki elektrycznej w tkance kostnej pod w pływ em świa­

tła (61), podobnie jak w m ięśniach i nerw ach oraz jako zjaw iska pyro- elektryczne (34). W rezultacie prądy elektryczne w kościach, zwłaszcza długich, d ają wielkości m ierzalne rzędu 10— 100 pA (40).

Kość jest układem bipółprzewodnikowym, stanow i bowiem struktury piezoelektryczne złożone z kolagenu i krystalitów apatytu. A patyt ma kształt włókien krystalicznych o przekroju w granicach 200—500A (14) pasujących do m atrycy kolagenowej. B asset i Becker (1, 7) sugerowali półprzewodnikowy m echanizm w kości pracujący n a zasadzie diody p-n.

K ryształy apatytu stanow ią półprzewodnik typu (p), natom iast kolagen reprezentuje typ (n). Próbowano to uzasadnić na drodze param agnetycz­

nego rezonansu elektronowego. Mechaniczny czynnik ma w pływ ać na

złącze p-n (apatyt-kolagen) i powodować elektryczny sygnał. Dalsze

zresztą badania potw ierdziły koncepcję diody pracującej na złączu p-n,

i to w łaśnie w m iejscu styku m atrycy kolagenowej z kryształem apaty­

tu. Fotoelektryczny efekt kości oraz fotowoltaiczny przesądziły też pół­

przew odnikow e własności tkanki kostnej (8). Dioda typu p-n kolageno- w o-apatytow a w inna jednak pracować na zasadach generatora impulsów, a nie zw ykłego jedynie prostow nika. Byłoby to bardziej w „elektrycznym guście” życia, ty m bardziej że piezoelektryczne efekty o przeciwnych zna­

kach są w yw oływ ane przy nacisku i rozciąganiu. Tkanka kostna staje się typow a dla badań elektronicznych w biologii. Tutaj też ze względu na specyficzną rolę kości długich uwzględniono m om enty m echaniczne i zw iązane z tym zjaw iska elektroniczne.

Tkanka kostna w ytw orzyła półprzewodnictwo ty p u organiczno-nie- organicznego, a w zw iązku z tym piezoelektryczne skutki i zjaw iska od­

w rotne —• elektrostrykcję — przy ruchu ściskającym i rozciągającym (55).

W tej najpóźniej w ytw orzonej ew olucyjnie tkance pełnią zasadniczą funk­

cję zw iązaną z ruchem półprzewodnikowe cechy połączone z piezowłaści- wościami. P ow tarza się więc te n Sam model, co w tkance mięśniowej i nerw ach, w łóknach kolagenowych, ogólnie w białkach i kwasach nuklei­

nowych.

e) Oddzielne traktow anie półprzew odnictw a białek, słabego prom ienio­

w ania m ięśni i nerwów, chem izm u i elektryczności synaps —- stanow i nie­

porozum ienie w ynikłe z fragm entarycznego stanu badań. Zjaw iska do­

konują się kw antow o w półprzewodnikach zarówno w sytuacji prądow o- napięciowej na złączu, jak i em isji fotonu. K w antyzacji podlegają procesy w piezoelektrykaeh, a takim i są białka, jak i DNA oraz RN A, nie mówiąc już o tkankach jako całości (mięśniowa, nerwowa, kostna). Piezoelektrycz- ność w skazuje n a szerszy ty p kw antow ania, łączy bowiem w sobie prze­

wodzące stan y elektroniczne i nieprzewodzące stan y fononowe. W obu jednak w ypadkach m am y przenoszenie energii. Przez fonony rozumiemy tutaj drgania sieci krystalicznej organicznego półprzewodnika, drgania 0 energii rzędu 0,03 eV (15). Długość fali wynosi w tedy około 40 nm.

Fala fononowa w piezoelektryku łączy w sobie składowe energii elektro­

m agnetycznej i mechanicznej.

F ala akustyczna jest lew ą niejako stroną piezoelektryczności układu.

Tam, gdzie istnieje fala potencjału w ośrodku półprzewodzącym, tam muszą zachodzić zjaw iska strykcyjne i z nim i zw iązana fala akustyczna.

Fala potencjału jest zaś stw ierdzalna zarówno w świecie roślinnym , jak 1 zwierzęcym.

Inform acja akustyczna w biologii jest spraw ą praw ie nie ruszaną, choć w iele przeprowadzono badań nad w pływ em ultradźw ięków na orga­

nizmy. Zagadnienia te rozw iązuje śię raczej od strony akustochemii,

ew entualnie mechanicznych uszkodzeń (21). Tymczasem bioelektroni- ka prowadzi niedwuznacznie do procesów kwantow ych.

Fala akustyczna jest nieprzewodzącym 'sposobem przenoszenia ener­

gii, łączy się jednak ze zm ianą stanów przewodzących w piezoełektryku.

Periodyczna 'bowiem zm iana ciśnienia, przenoszona falą fononową, po­

woduje stany przewodzące w półprzewodniku, pasm a bowiem przewod­

nictw a ulegają pod wpływem ciśnienia zbliżeniu (16, 62). Przewodnie- tw o w zrasta, zmniejsza się natom iast energia aktyw acji (32). Do tego samego sprowadzają się w yniki badań na roślinach. Fale akustyczne nie­

wielkiej energii pow odują zjaw ienie się m ikroprądów i zm ianę czynno­

ści enzymatycznej (22).

Pozostanie n a elektrostrykcyjnym stanow isku n ie w yczerpuje tem a­

tyki. Niemniej zapewne w ażna będzie term ostrykcja, m agnetostrykcja czy m agnetochem ostrykcja.' F ala akustyczna w inna jednak przenosić in­

formację na cały m ięsień czy nerw . sygnalizując niejako, że zjawiska stryfccyjne gdziekolwiek się rozpoczęły. Inform acja tego ty p u może być przekazywana w ośrodku półprzewodzącym i krystalicznym jednocześnie.

Jeśli uśredniony sta n elektroniczny m etabolizm u będziemy traktow ali jako plazmę (52), tzn. m ieszaninę ładunków ujem nych i dodatnich, to przybędą nowe sytuacje istotne dla przekazu inform acji mechanicznej w ew nątrz samego układu. Plazm a jest bowiem dobrym nośnikiem fali fononowej. W łaśnie ona w ciałach stałych w ykazuje możliwości sprzęże­

nia z falam i akustycznym i (29). P racuje się zresztą n ad technicznym urządzeniem elektrono-fononowego wzmacniacza przy w ykorzystaniu piezoelektryków. Elektrono-fononika rozw ijana n a gruncie technicznym (30) znajdzie najprawdopodobniej szersze uwzględnienie w biofizyce.

Piezoelektryczne własności białek, kw asów nukleinow ych i tkan ek w ska­

zują prostą drogę do istnienia rozwiązań elektrono-fononow ych w ży­

wych obiektach. .

Efekt laserowy w m itochondriach (52) oraz istnienie plazm y elektro­

nowej w mitochondriach (38) mogą nasuw ać przypuszczenie, że w śród innych możliwości nie jest wykluczone pow staw anie plazmy w układach biologicznych n a sposób technicznie stosowany dziś przez naśw ietlenie laserem ciała stałego (31). Elektryczna czynność nerw u łączy się ze zmianami morfologicznymi m itochondriów w komórce, jak i włóknach nerwowych (36). Stw ierdzone ruchy pulsujące w m itochondriach mogły­

by mieć znaczenie dla kwantow ych podstaw kinetyki biologicznej. Poza efektam i laserowym i w biologii m ielibyśm y akustyczne w zm acnianie sygnałów elektronicznych, a może tylko przypadek/ akustycznego1 pom­

powania.

Plazm a dobrze reaguje na inform ację akustyczną, sam a też podlega

drganiom o częstotliwości akustycznej, podłużnym bowiem falom roz­

chodzącym się w plazm ie (fale plazmowe) towarzyszą przy odpowiedniej częstotliwości fale akustyczne (23).

Plazm a jako całość jest „elastyczna” elektronicznie, w ykazuje cechy piezoelektryka — zm ienia swój stan elektryczny pod w pływ em fono­

nów. Odznacza się też „sprężystością” mechaniczną, w yw iera bowiem ciśnienie, ponadto jako diam agnetyk w ypycha linie pola magnetycznego, tow arzyszy jej ciśnienie m agnetyczne (2). Plazm a rzeczywiście łączy w sobie cechy elektrom agnetyczne z mechanicznymi, w inna więc być układem transform ującym energię m echaniczną n a elektryczną i m agne­

tyczną oraz odw rotnie. Plazm a jest najbardziej odpowiednim stanem m aterii dla łącznego w ystępow ania akustyki z elektrodynam iką. W plaz­

m ie w y stęp u ją fale różnego typu, w dodatku przechodzą one z jednego rodzaju w drugi. Wszystko jednak sprowadza się tu taj do elektrom agne- tyiki. W spólny m ianow nik plazm owy je st o tyle, zdaje się, słuszny, że plazm a łączy w sobie własności kinetyczne z elektrycznymi, kwamtowość z akustyką. R ów nania rozchodzenia się fali w niejednorodnym ośrodku izotropow ym plazm y są identyczne z równaniam i akustyki i mechaniki kw antow ej (23).

Przejścia więc od akustyki do m agnetohydrodynam iki czy drgań elek­

trycznych stanow ią norm alny obraz życia plazmy. Plazm a daje moż­

liwości nieelektrycznego (fononowego) sterow ania procesami elektryczny­

mi. J e st ona bodaj najlepszym w yrazem jednoczącym pozornie daleko stojące od siebie zjaw iska. Co więcej -— ruch biologiczny od strony kw an­

towej rozpatryw any daje wgląd w procesy życiowe wzajem nie powiąza­

ne. Życie staje się w te n sposób najodpowiedniejszym układem dla ba­

dania przejść od stanów kw antow ych do m akrozjawiskowych.

W te n sposób ru ch jest w świecie biologicznym nie tylko zjawiskiem m echanicznym , ale rów nież elektromagnetycznym . W ruchu są zaakcen­

tow ane nie tylko własności m echaniczne układu, jak sprężystość i prze­

m ieszczanie m asy, ale również cechy elektryczne i m agnetyczne układu.

M ylna jest więc in terp retacja ruchu od strony energii wyłącznie m echa­

nicznej. K w antow e podstaw y ruch u każą uwzględnić łącznie energię akustyczną, jak i elektryczną oraz m agnetyczną. Z ty tu łu przebiegu? tych procesów n a m etabolicznym tle dochodzi jeszcze energia chemiczna. W ja ­ kim stopniu będzie m ożna kw antow e podstawy ruchu biologicznego oprzeć na plazm owym traktow aniu m etabolizmu — to kw estia przy­

szłości.

Jeśliby się przyjęło natom iast przenoszenie energii na zasadzie eks- cytonu, tj. zespołu elektronowo-dziurowego, to pow stają dwa zagadnie­

nia: czy m am y zjawisko „hoppingu”, czyli skokowy sposób z prędkością

6 000 m/sek, czy sposób ciągły (15). Ten ostatni może się dobrze łączyć z falą naprężeń przenoszonych przez półprzewodnik oraz towarzyszącą przy tym falą potencjału typow ą dla piezoelektryka.

K wantowe podstaw y ruchu wskazują, że organizm u nie m ożna trak ­ tować jako m aszynę cieplną. Nie istnieje tu bezpośrednia transform acja energii mechanicznej na ciepło czy odwrotnie. Droga wiedzie przez upo­

rządkowane zjaw iska elektroniczne. Ruch nie dem obilizuję układu bio­

logicznego stw arzając sytuację bezładnych drgań term icznych. Układ strukturalnie uporządkowany, zorientow any (anizotropowy), sterow any elektromagnetycznie i sam oregulacyjny nie stw arza term icznego chaosu na skutek ruchu. Energia wyzwolona przez ruch jest znowu rozłożona na struktury, samoregulację, sterow anie, transform ację różnych typów ener­

gii od mechanicznej do chemicznej poprzez elektrom agnetyczną. Ruch bierze udział w ogólnym „życiu” energii układu. Term ika jest ostatecz­

ną formą, nie do uniknięcia w zupełności. Ruch jest w yrazem kinem atyki organów, ale łączy się z całym metabolizmem, nie tylko od strony zuży­

cia energii jak maszyna. Je st on w pierw szym rzędzie elektronicznym przestrojeniem organizmu, z tych też powodów, jako ruch bierny, jest ważny u roślin wyższych, choć nie łączy się z przemieszczeniem organiz­

m u czy przestrzenną zmianą relacji jego części.

Zjaw iska kwantow e stw ierdzone u podstaw ru ch u biologicznego stw a­

rzają perspektyw y nowego działu akustyki biologicznej z jej nielinio­

wymi efektam i (37). Fala fononowa rozprzestrzeniając się w ośrodku elektrycznym daje zespół procesów nieliniow ych stw ierdzonych już wcześniej przy okazji laserowych efektów w układach biologicznych. Nie­

liniowa akustyka biologiczna i nieliniow a optyka biologiczna to najb ar­

dziej owocne zapewne kierunki przyszłych badań w nauce o życiu.

Czy ideę ekscytonu — stan u wzbudzonego całego kryształu, ekscy- tonu rozumianego jako kw ant nie przenoszący ładunku — będzie można zastopować w biologii, jak to sugerują D exter i Knox, to kw estia przy­

szłości. Autorzy sądzą, że przeniesienie idei ekscytonu na układy biolo­

giczne będzie m ożna zaliczyć do najbardziej owocnych kierunków roz­

wojowych nauki w następnych dziesięcioleciach (15). W świetle kw an­

towego traktow ania ruchu zdaje się to realne.

4. EWOLUCJA RUCHU

Ewolucyjne przygotowanie układu ożywionego do w ykonyw ania ru ­

chu przeszło bardzo długi etap w stępny w form ie w ytw orzenia am fote-

rycznych białek, oparcia m etabolizm u na procesach oksydoredukcyjnych,

w yspecjalizowania półprzewodnikowych i piezoelektrycznych cech w biał­

kach i tkankach, poprzez rozbudowanie m echanicznych własności w kurczliw ych elem entach drobinowych trzeciorzędowej stru k tu ry bia­

łek, Bez wcześniejszego oparcia m echaniki o chemizm procesów i elek­

tronikę rozwój ruchu byłby niemożliwy. Tkanka mięśniowa, nerwowa i kostna to epigonalne stadia ewolucji w skali makroskopowej u zwie­

rząt.

Nie znam y przejść od zjaw isk elektronicznych do wykształcenia or­

ganów ruchu. Przybliżenie plazmowe daje ogólnie tylko dobrą orienta­

cję. Plazm a bowiem jest zw iązana z dryfem cząstek elektrycznych (ato­

mów, jonów i rodników). Przemieszczanie „masy elektrycznej” m etabo­

licznego pochodzenia może się więc dokonywać pod działaniem fali elek­

trom agnetycznej, ale również pod wpływem fali fononowej. Zjawiska strykcyjne z generow aniem fononów mogłyby w dalekiej konsekwencji wpływać na tw orzenie organów specjalnie uwrażliwionych na piezoelek­

tryczne zależności z jednoczesnym sum owaniem zjaw isk strykcyjnych do ruchu m echanicznego włącznie.

Żywy układ reaguje na w szelkie bodźce ruchem jako taksja, przele­

wanie swej m asy (ruch ameboidalny), w ytw orzenie w ypustek protoplaz- matycznych, w ytw orzenie komórek kurczliwych, witek, rzęsek itp. N aj­

większa polaryzacja półprzewodnika n astępuje od strony bodźca, tutaj też linie pola elektrycznego podlegają m aksym alnem u zagęszczeniu. Uwy­

puklenie m asy cytoplazm atycznej następuje rzeczywiście w m iejscu ze­

tknięcia z przeszkodą lu b podłożem. Je st to w ynikiem w ytw orzenia ani­

zotropii w tej relacji i przesunięcia m asy biologicznej. Części organizm u narażone na częstsze tarc ia znajdują się w szczególnej sytuacji na pola­

ryzację. Pod wpływ em zaś 'polaryzacji polowej w ystępują rów nież piezo- elektrony (25). W dodatku z punktu elektrostatyki znajduje się roz­

w inięta asym etria kształtu w uprzyw ilejow anej sytuacji na zagęszczenie ładunków swych końcówek. W skutek przesuw ania dielektryka po dielek­

try k u i w ytw arzania elektryczności przez tarcie ta część organizm u jest w specyficznym położeniu. Sytuację tę obserw ujem y u niektórych gąbek.

Wokół ujścia jam y gastralnej w yrastają zwykle ruchow e witki. To samo stw ierdza się u pierw otniaków .

W te n sposób ruch w postaci elektrostrykcji, połączony ze zmianą po­

laryzacji, z przem ieszczaniem m asy elektrycznej sterow anej połowo,

daw ałby efekty morfologiczne w postaci w yrostków cytoplazmatycznych,

w itek, rzęsek. Są one ze względów elektrostatyki w najlepszej sytuacji

na zagęszczenie ładunków w zew nętrznym polu. Podlegają najpierw

ruchow i biernem u n a skutek p rą d u wody lub jej falowania. Ruch taki

łączy się ze stadiam i polaryzacji i depolaryzacji oraz ze zwalnianiem

piezoelektronów, a w ięc w konsekw encji sprow adza się do zjawisk, któ­

re mogą być prototypem analogicznych obecnie sytuacji w kom órce m ięś­

niowej i nerwowej. Ta ostatnia przekazuje synapsom bodziec natury prądowo-napięciowej, charakterystyczny dla złączy półprzewodnikowych typu p-n. Komórka m ięśniowa ulega polaryzacji z analogicznym efektem napięciowo-prądowym rozładowania.

Tego rodzaju w ykresy oscyloskopowe, jak w czynnościach komórki mięśniowej i nerwowej, notuje się w elektronice n a złączu p-n (51).

Przewężenie R anviera z układem dw u ośrodków różniących się optycz­

nie mogłoby sugerować przekaz prądów czynnościowych im pulsam i typo­

w ym i dla złącz p-n, a nagrom adzenie w nerw ach piezoelektrycznych kwasów nukleinow ych m ogłoby nasuw ać przypuszczenie o elektrostryk- cji w łókien nerw ow ych podczas ich pracy. Tak też jest istotnie. Elektro­

nowym mikroskopem stwierdzono w perimeurium istnienie pasm o różnej gęstości optycznej, podobnie jak w m ięśniu prążkowanym , co nasuwa przypuszczenie kurczliwości nerw ów (48). Sugeruje się rów nież kurczli- wość osłonki Schwanna podczas pracy aksonu u kręgowców. P rzynaj­

m niej w kulturze komórki Schw anna odznaczają się rytm iczną zmianą w ym iarów (57).

Tkanka m ięśniowa w ykorzystała efekt elektro strykcyjny chyba w n aj­

wyższym stopniu. Dla miozyny i kolagenu w ykazano piezoelektryczną adsorpcję przy częstotliwości 30—35 MHz (17). Muzeew i Popow a stw ier­

dzili bezpośredni efekt piezoelektryczny dla m iozyny i aktom iozyny (39).

Impuls elektryczny powoduje w w łóknie mięśniowym elektrostrykcję.

Ten stan strykcji w yzw ala znów odw rotnie piezoelektrony i repolaryzację mięśniową przy towarzyszących efektach jonowych na błonie komórko­

wej. Stw ierdza się wreszcie różnicę potencjału m iędzy ośw ietloną i za­

ciemnioną częścią m ięśnia (9). W ystępuje więc efekt fotowoltaiczny, typow y dla półprzewodnika.

Poczyna się ostatnio krytykow ać zależność prądów czynnościowych wyłącznie od ruchu jonów poprzez błonę komórkową, gdyż m ięśnie w y­

m yte z Na też w ykazują potencjały czynnościowe. Singh i Singh nie są w stanie wpraw dzie wskazać ostatecznej przyczyny, sądzą jednak, że przy­

czyna tkw i w zmianach elektronicznych (58). Ci sami w ykazują możność pobudzenia m ięśnia kw antem św ietlnym . Inni autorzy interesują się rów­

nież tą kw estią (28). Ponieważ powszechna opinia co do potencjałów jonowych po obu stronach błony komórkowej jest m odna w badaniach, zdaje' się, że w ystarcza ogółowi biologów dla w yjaśnienia prądów czyn­

nościowych, choć nastąpiło tu zapewne podstawienie przyczyny n a m iej- sce skutku w interpretow aniu zjawiska.

Należy sądzić, że u podstaw fizjologii nerwów znalazło rów nież zasto­

sowanie złącze p-n, co przy znacznym nagrom adzeniu DNA i RN A w n e r­

w ach w ydaje się najpraw dopodobniejszą sytuacją. DNA w ykazuje stałą dielektryczną wyższą od 105, a RNA i DNA okazały się piezoelektryczne przy rezonansie częstotliwości 30—35 MHz. DNA przy nacisku d aje ładu­

nek 3,3 • 10~9 kulom b (dyn. cm2 przy 20°C) (18). G eneracja iglicy w prą­

dach czynnościowych nerw ów może m ieć to sam o tło elektryczne co w m ięśniach, a więc im puls elektryczny w następstw ie sytuacji napię- ciowo-prądowej n a złączu p-n w przew ężeniu R anviera z niew ielką jego elektrostrykcją.

O statniego zresztą słowa nie wypowiedziano dotychczas w tym wzglę­

dzie. W neuronach hippocam pus i thalam us w ykryto elektronow ym m i­

kroskopem stru k tu ry krystaliczne, poprzeczne do podłużnie ułożonych fibryli (12), a w przew ężeniu R anviera stwierdzono dw a rodzaje sub­

stancji różniące się gęstością optyczną, należy sądzić, że również cechami elektrycznym i.

Rozwój sprawności elektrycznej nerw ów i system u mięśniowego obej­

m uje długi etap filogenezy zw ierząt i łączy się w jakiś sposób z ewolu­

cją szkieletu w ew nętrznego o charakterze w apiennym . Szkielet jest nie tylko rusztow aniem dla przyczepu mięśni, lecz system em „sprężynują­

cym ” elektrycznie. Układ kostny bierze czynny udział w ruchu nie tylko z p u n k tu kinem atyki, ale rów nież odkształceń elektrostrykcyjnyCh.

Cżęści tw arde u kręgowców łączą w sobie własności półprzewodnika, jak p rą d y (1), efekt fotoelektryczny (8) oraz cechy piezoelektryka (56).

Efekty w ystępują zwłaszcza w kościach długich przy nacisku zgodnym z dłuższą osią, dając w w yniku napięcia rzędu 0,3 mW Kg. Wykazano również n ie w ytłum aczone dotychczas zjawisko gojenia się złam ań pod w pływ em nacisku bez w ytw orzenia tkanki kalusowej. Zdaje się, że uw al­

niane piezoelektrony m obilizują rozwój tkanki (49).

K ierunek nacisku jest ważny, a naw et krzyw izna powierzchni reaguje inaczej, n a siłę nacisku. M niejsza krzyw izna ładuje się dodatnio, prze­

ciwna ujem nie, a jednocześnie w zm aga się rozwój tkanki po stronie ujem ­ nej. P rąd y elektryczne natom iast m ają działać pobudzająco n a tworzenie nowej tkanki kostnej, zwłaszcza w części ujem nie naładow anej (43).

Efekty elektrostrykcyjne znalazły w organizacji ruchu sw e w yko­

rzystanie, mieszczą się bow iem w m odelu półprzewodnikowym życia Stwierdzonym w tkance kostnej, nerw ow ej i m ięśniowej. Zdają się to potw ierdzać badania całych tkan ek zwierzęcych i roślinnych. Półprze­

wodniki wysokiej klasy nazyw a się ferroelektrykam i. Własności ferro­

elektryczne w układach biologicznych są zapewne częste, skoro dla tkanki w ątroby notuje się stałą dielektryczną 106 przy 100 Hz, to samo dla tkanki mięśniowej in situ. W artość 104 jest często stw ierdzana, tymczasem od­

pow iednie wielkości dla ferroelektryków nieorganicznych wynoszą 103.

Wszystkie ferroelektryki ulegają ponadto polaryzacji podczas przyłożo­

nego napięcia lub sił mechanicznych, zm ieniają wówczas swoje własności optyczne (2).

Ewolucja ruchu objęła w ostateczności nie tylko w ytw orzenie narzą­

dów ruchu, a więc układu mięśniowego, nerwowego i ew entualnie kost­

nego, ale jednocześnie statykę zawieszenia organów w ew nętrznych, w y­

woływanych drgań mechanicznych, oraz pow staw anie fali fononowej.

Ewolucja m usiała z pożytkiem rozwiązywać spraw ę zdudnienia drgań me­

chanicznych z rytm iką biologiczną ty p u fononowego, m agnetohydrody­

namicznego, a także niskiej częstotliwości drgań elektrycznych. Sytuacji dudnienia odpowiadałoby w układzie biologicznym rozkojarzenie ogólnej koordynacji. W yrów nyw anie zdudnień dokonuje się zapew ne na drodze kwantowo-chemicznej poprzez procesy elektroniczne plazmy. Ostatecznie, zdaje się, jest ono rozprowadzane metabolicznie. Zdudnienie jest bowiem w ynikiem odbioru inform acji nie w fazie. Być może świadomość rozwi­

nęła się kontrastow o przez narzucenie dudnienia n a norm alne tło rytm iki biologicznej. W każdym razie świadomość w zrasta z rozwojem m otoryki (system nerwowy, mięśniowy, kositny) (51).

Należy przypuszczać, że organizm w szerokim zakresie w ykorzystał półprzewodnictwo i piezoelektryczne cechy białek w tkankach związa­

nych z ruchem (mięśniowej, nerwowej, kostnej). Uspraw iedliw iałoby to w pew nym stopniu przypuszczenia nasze o elektronicznych założeniach w zjawiskach ruchu. Ten znów nie ogranicza się nigdy do kinem atyki.

Siła ciężkości, sprężyste własności tkanek, m orfologia narządów, przesu­

w ający się spazm kurczliwości przez organizm czy organ (pierścienice, perystaltyka jelit, przełyku), zbaiansow anie narządów w ew nętrznych — stw arzają m om enty m echaniczne i drgania. Te znów generują falę fono­

nową. Raz rozpoczęty ruch niepokoi kw antow o żyw y układ. Ewolucja w tym względzie w inna się rozwijać w kieru n k u spożytkowania m om en­

tów mechanicznych, fali elektrom agnetycznej, rozw oju cech piezoelek­

trycznych, w zrostu stanów elektrycznych, a więc stabilności plazmy.

W konsekwencji prowadzi to do w zrostu w skaźnika m etabolizm u.

Ruch staje się w ten sposób czynnikiem ew olucyjnie twórczym od skali plazmowej poprzez rozmiary drobinowe do form morfologicznych włącznie. Stał się on czynnikiem niezw ykle ważnym w ewolucji życia.

Sam wprawdzie w ostatecznej form ie u zw ierząt wyższych był w ynikiem filogenetycznego rozwoju, z drugiej jednak strony ruch w pływ ał na przyspieszenie tem pa ewolucji. Inform acja m echaniczna środowiska, któ­

ra w niezwykle długim czasie w ytw orzyła półprzewodnictwo piezoelek­

tryczne białek i niektórych przynajm niej cukrowców, dostarczyła w kon­

sekwencji czegoś w rodzaju sprzężenia zwrotnego m iędzy elektroniką

i m echaniką; inform acja m echaniczna w yzw ala piezoelektrony, stany elektroniczne w rytm icznym przebiegu generują falę fononową, a ta jest niczym więcej jak nową inform acją m echaniczną stanowiącą podstawę do dalszych stanów elektrostrykcyjnych z uw alnianiem ładunków.

Sprzężenie m echanoelektroniczne okazało się w rozwoju życia pod­

staw ow ym zespołem. W dalekiej konsekw encji wytw orzony ruch czynny miał zastąpić niedobór inform acji m echanicznej środowiska. Ruch bowiem jest odbierany przez żywy układ jako w łasna inform acja mechaniczna.

Ruch bierny nie był w stanie niejako zaspokoić zapotrzebowania układu biologicznego na ustaw iczne niepokojenie ty p u mechanoelektronicznego.

W konsekw encji ruch dokonuje się dzięki energii wzmożonego spala­

nia (katabolizm), uczynnia jednak procesy kw antow e m echanoelektro­

niczne, w następstw ie których „czynne” elektrony stają się przydatne w procesie anabolizmu. Ruch byłby jednym ze sposobów podtrzym yw a­

nia akcji zw anej życiem, a nie tylko jej przejawem . Tą drogą łączy się ściśle z przem ianą m aterii w organizm ie (54).

R uch byłby jedną z m akrom anifestacji życia wprow adzoną między procesy kw antow e rozgryw ające się na drodze pomiędzy katabolizmem i anabolizmem. M anifestacja, zw ana ruchem , mogła się urzeczywistnić dzięki piezoelektrycznym cechom białek i tkanek zaangażowanych w ru ­ chu, jak tkanka nerw ow a, m ięśniow a i kostna. Ruch jest dobrym sposo­

bem elektronicznego „odświeżania” układu żywego.

K w antow e podstaw y ruchu zdają się w yjaśniać w iele spraw tru d ­ nych do zinterpretow ania w biologii; Z drugiej znów strony pew ne obser­

wacje m akroskopow e zdają się potw ierdzać kw antow e założenia ruchu.

Pojm uje się go obecnie jako czynnik konieczny dla norm alnego rozwoju organizm u i sprawności psychofizycznej (45). Zm iany elektroforetyczne białek in terp re tu je się jedynie biochemicznie według przyjętego stylu rozum ienia życia, tym czasem są to -rzeczywiste zmiany stanu elektrycz­

nego drobin białkow ych pod w pływ em treningu (47). Odporność nie­

swoista, zm iany w poziomie elektrolitów , w yrów nyw anie krążenia (46) m ają zapew ne tło szerszego ty p u niż selektyw ny sposób grom adzenia globulin.

Mimo wzmożonego katabolizm u, a w ięc w ydatkow ania energii, w osta­

tecznym bilansie energetycznym ruch jest i tak zyskiem dla organizmu, i to nie tylko przez wzmożenie niesw oistej odporności, unorm owanie akcji serca i krążenia, w ydatnego funkcjonow ania system u nerwowego.

R uch by ł czynnikiem w ybitnie związanym z ew olucją życia, nie może

więc stanowić deficytow ej pozycji w bilansie energetycznym . Jedynie

spraw y kw antow e uszły naszej uwagi. Organizm nie jest nigdy układem

pracującym stratnie. W łaściwe tło ruchu jest elektroniczne. Ogólnie —

ruch jest typowym dla biologicznego układu sposobem pom powania m e­

chanicznego, a n ie nonsensem aplikow ania m echaniki stosowanej w bio­

logii.

5. RUCH W S WIECIE ROŚLINNYM

Podstawowe założenia ruchu są identyczne dla roślin i zw ierząt. Roz­

wój roślin wyższych poszedł jednak w kierunku ruchu biernego przy wytw orzeniu dużej m asy w form ach drzewiastych. Zasada ruchu pozostała ta sama, jak również jego „elektroniczny” sens. W świecie zwierzęcym i niższych roślin ewolucja usytuow ała się po linii zw iązania odkształceń elektrostrykcyjnych z sam odzielnymi organam i ruchu. Elektrofizjologia u roślin nie przybiera też klasycznej form y badań jak dla zwierząt, ewo­

lucja zresztą nie poszła tu taj w zdecydowanym kierunku motołokalizacji z przestrojeniem morfologii, anatom ii i histołogii do w ytw orzenia św ia­

domości włącznie. Dzięki tem u pozostał ruch u roślin w pierw otniejszym stadium, niejako w bardziej podstawowym.

Dzięki nieprzesłonięciu m etodam i elektrofizjologicznymi stosowanym i w zoologii łatw iej odnieść ruch w śród roślin do najprostszych podstaw elektronicznych. Niemniej jednak jest faktem , że w botanice istnieją in­

nego rodzaju dom inujące akcenty, jak tem po wzrostowe, praw a osmozy, turgor itp. Porzucenie tych sugestii, choć 'bezsprzecznie słusznych, jako dalsza konsekw encja kieruje interpretację ku półprzewodnictwu. Ten punkt odniesienia staje się tym bardziej usprawiedliwiony* gdyż rośliny nie w ytw orzyły specjalnej tkanki, związanej z ruchem, ani receptorów zmysłowych. Nie m ożna jednak z tego ty tu łu ruchu rozważać tylko jako biernego zjaw iska u roślin.

Roślina w inna być dobrym obiektem badań n ad ruchem, te n bowiem jest niejako rozlany po całym jej organizmie. Roślina „załatw ia” ruch w swej naturze półprzewodnika biologicznego. Akcenty m echaniczne i makroskopowe nie ekranują tu ta j kwantow ego podłoża. D ryf ładunków poprzez tkankę roślinną stwierdzono już wcześniej (35). Tkanka roślin­

na, jako półprzewodnik, podlega ponadto efektowi fotoelektrycznemu, zwiększa przewodność z tem peraturą (44). Piezoelektryczna jest celuloza tak charakterystyczna dla roślin. Ponadto piezoelektryczny efekt w yka­

zują całe tkanki roślinne (6). Nie wiem y, jaką rolę odgryw a celuloza u zw ierząt w zjaw isku ruchu (27). N atom iast u roślin pełni ona zadanie tkanki podporowej, a więc biorącej udział w ru ch u biernym .

Czynniki polowe środowiska zdają się odgryw ać bardziej istotną rolę w indukow aniu zmian określanych ruchem . Z elektroniki natom iast w ia­

domo, że układy półprzewodnikowe odznaczają się wysoką czułością rea­

gowania na inform ację połową. Nie w yjaśnione zjaw iska fototaksji za­

leżne od natężenia światła, m iędzy innym i przejaw iające się w zam yka­

niu szparek oddechowych, ustaw ieniu blaszek liścia u w ielu roślin zwłasz­

cza m otylkow ych, w ruchliwości płatków kielicha kw iatowego itp. jako reakcje bardzo czułe w inny znaleźć swe w yjaśnienie w procesach foto- prezoelektrycznych. Towarzyszący czynnik wilgotności m a sw ą elektrycz­

ną stronę w postaci zm iany stanu zjonizowania powietrza. Tem peratura dając efekty term onastyczne, zm ienia reżim elektryczny w półprzewod­

niku białkowym. Jeszcze bardziej będzie to tyczyć chemonastii; ostatecz­

nie zm iana pH n ie jest niczym innym, jak przewagą donorów lub akcep­

torów w organicznym półprzewodniku. H aptonastia i sejsm onastia przy m inim alnym oddziaływ aniu sił m echanicznych mieszczą się w zespole piezoelektrycznych efektów.

Drak receptorów zmysłowych, odbiór całym organizm em roślinnym, brak tkanki przewodzącej odpowiednika system u nerwowego u zwierząt, a mimo w szystko stwierdzony przekaz inform acji (60) oraz m ierzalne przenoszenie bodźca stw arzają dogodne pole badań nad elektronicznymi podstawami ruchu u roślin, a więc nad jego kw antow ym i mechanizmami.

Dotychczasowa interpretacja w ram ach biochemii czy procesów fizy­

kochemicznych osmozy jest fragm entaryczna. Sięga się raczej do skut­

ków niż do przyczyn, stąd wynosi się przekonanie, że znam y poszczególne ogniwa ruchu, bez możności w yjaśnienia całości zjawiska. Brakujących ogniw należy, zdaje się, ‘szukać w bioelektronice roślinnej. Elektrofizjolo­

gia roślin obejm uje w praw dzie potencjały elektryczne, nie sięga jednak łącznych podstaw dla ruchu w procesach półprzewodnictwa, chóć przy­

znaje funkcjonalne znaczenie potencjałom czynnościowym u roślin wyż­

szych (59).

M echaniczne aspekty ruchu w zoologii przesłoniły jego w pływ na metabolizm. W tórnie niejako odgrzebujem y dopiero korelacje między ru ­ chem i przem ianą m aterii poza intensyw niejszym spalaniem, term inem w yniesionym zresztą z wydajności m aszyn. W fizjologii roślin natom iast zauważono pow iązanie ruchów fototropicznych i geotropicznych z odchy­

leniam i w przem ianie m aterii, bez w yjaśnienia zresztą związku przy­

czynowego między tym i zjawiskami. W pierw otniejszej też zapewne for­

mie w ystępuje „potrzeba” ruchu w stadium szybszego w zrostu rośliny albo w częściach w ykonujących ru ch y kołujące lub wahadłowe u siewek, m łodych pędów, w ąsów czepnych.

Zjaw iska ruchu łączą się w ięc zarówno w w ersji czynnej u zwierząt, jak i biernej u roślin wyższych z tym i samymi cechami półprzewodnic­

tw a i piezoelektryczności. Model zostaje ten sam, choć ew olucyjnie roz­

gałęziają się dw a tory. W Obu w ypadkach ruch m a być niepokojeniem

układu biologicznego n a sposób elektryczny. Jak zawsze w obrębie biolo­

gicznej aktywności i ruch jest odpowiedzią n a otrzym aną inform ację z otoczenia, ale również jest wyzw alaniem efektów m obilizującym stan elektryczny organizm u. Rezerwa elektronow a jest natom iast potrzebna procesom metabolicznym.

W ten sposób ruch jest w ynikiem życia, ale jednocześnie jego w arun­

kiem. Ruch byłby więc podstawowym fenomenem życia wspólnym dla zwierząt i roślin, fenomenem koniecznym w iskali kwantow ej. Ewolucja ruchu przebiegała tylko w motolokalizacj i zwierząt wyższych odm iennie niż u roślin pociągając daleko idące konsekwencje, jak rozwój central­

nego układu nerwowego do świadomości włącznie. Istotne założenia kw an­

towe ruchu są zawsze jednak zw iązane z życiem. Co więcej -— życie to ruch „kw antow y”, dokonywany na tle organicznego półprzewodnika.

Nie trzeba też szerokiego zestaw u faktów, by dojść do tego wniosku.

O statnie prace eksperym entalne (L. I. Wei 1969) w ym agają już teoretycz­

nej interpretacji choćby n a wąskim odcinku przewodzenia nerwowego.

Sugeruje się wspólne podstawy elektryczne dla ładunku powierzchnio­

wego, np. olbrzymiego aksonu raka o gęstości 1,9 X 10-8 do 4,2 X 10~8 kul/cm 2, zmiany optycznej dwójłomności w pracującym nerw ie i emisji podczerwonego prom ieniow ania (u kraba o mocy 6 nW /cm2)..

K inem atyka biologiczna, przedstaw iona tu ta j po sprowadzeniu do kwantow ych podstaw, w skazuje na łączne zaangażowanie w procesie ru ­ chu zarówno zjaw isk mechanicznych, jak i optycznych, m agnetycznych i chemicznych, akustycznych z elektronicznymi. Ruch biologiczny opiera się na całokształcie przem ian energetycznych układu z ostatecznym i ma- kroefektam i natu ry mechanicznej. M echanika posiada tutaj wszelkie cechy życia, ostateczną jej podstawę stanowi bioelekrtronika.

Ruch, rozpoczynający się od zjaw isk kw antow ych w organicznych piezoelektrykach do m akroefektów włącznie, byłby dobrym przykładem na m akroskw antowanie, podkreślane już w fizyce przy. innej okazji. Po­

nadto byłby wzorem bezpośredniego sum owania się zjaw isk kwantow ych do skutków mechanicznych. System biologiczny stanow iłby ponadto dobry przykład przejścia od elektroniki do kinem atyki.

Ruch jest kluczowym zjaw iskiem życia i wchodzi w zakres przem iany energii. Akcenty m echaniczne i motolokomocja u zw ierząt rzutow ały na niepełne pojm owanie ruchu, jego roli i podstaw. Bioelektronika ukazała powiązania ruchu z metabolizmem, półprzewodnictwem białek, piezo- efektam i związków organicznych w całej opraw ie kompleksu inform acyj­

nego środowiska od chemicznego charakteru poprzez m echaniczny do elektromagnetycznego. Tak pojęty ruch jest nie tylko w ynikiem ewolu­

cji. Jest on przede wszystkim zasadniczym czynnikiem rozwoju życia.

LITERATURA

1. A n d r e w C., B a s s e t L., B e c k e r R. O., Effects of Electric Currents on Bone in vivo, „Naturę”, 1964, 204, s. 652.

2. A r z i m o w i t s c h L. A., G esteuerte thermonukleare Reaktionen, Berlin 1-965, s. 108.

3. A t h e n s t a e d t H., Die ferroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften der Organismen, „Naturwiasenschaften”, 1960, 47, s. 455.

4. A t h e n s t a e d t H., Ferroelektrische und piezoelektrische Eigenschaften biolo­

giach bedeutsam er Stoffe, tam że 1961, 48, s. 465.

5. B a c h m a n Ch. H., E 11 i s E. H., Fluorescence of Bone, „Naturę”, 1968, 206, s. 1328.

6. B a ż e n o w W. A., Piezoelektriczeskije sw oistw a driew iesiny i celluloznych ma­

teriałów , „Izwiestm k Akadiemii Nauk SSSR”, (1956, t. 2, No. 2, s. 226.

7. B e c k e r R. O., Electron Param agnetic Resonance in Non-irradiated Bonę, „Na­

turę”, 1968, 199, s. 1304.

8. B e c k e r R. O., B r o w n F. M., Photoelectric Effects in Humań Bone, tamże, 1905, 206, s. 1325.

9. B e r g e r d e r H. D., Potentialm essungen am róntgenbestrahlten Muskel, „Na- turwissensohaffien”, 1958, 45, s. 43.

10. B ł o c h a W. W., K o s i s o w a G. W., S i z o w A. D., F e d i n W. A., K o z ł o w J. P., K o l s O. R., T a r u s o w B. N., Obnarużenie swierchslabogo sw ieczenija m yszc laguszki pri razdrażenii, „Biafizika”, 1968, iwyp. 5, s. 921.

lii'. C a m a y L. D., B a r r y W. H., Turbidity, Birefringence and Fluorescence Changes in Skeletal Muscle Coincidant w ith the A ction Potential, „Science”, 1969, 165, s. 608.

112. C h a n c l e r R. L., Intranuclear Structures in Neurones, „Naturę”, 1966, 209, is. 1260.

113. C h a p m a n G., M c L a u c h l a n K. A., Oriented W ater in the Sciatic N erve of R abbit, tamże, 1967, 215, s. 391.

114. C u r e y J. D., Strength of Bcme, tamże, 1962, 195, s. 513.

15. D e x t e r D. L., K n o x R S., Ekscytony (tł. z ang.), Warszawa 1968, s. 16, 18, 1'50.

16. D r i c k a m e i H. G., Ciśnienie a struktura elektronowa (tł. z ang.), [W:] Po­

stęp y chem ii I, s. 89, Warszawa 1966.

17. D u b i k a j t i s W. W., D u b i k a j t i s J. W., O prirodie i mechanizm ie raz- riada nejrona, „Blofizika”, 1964, wyp. 2, s. 204.

1®. D u c h e s n e J., D e p i r a u x J., B e r ł ł n c h a m p s A., C o r n e t N. van der K a a J. M., Therm al and Electrical Properties of Nucleic Acids and Proteins,

„Naturę”, 1960, 188, s. 405.

19. E c c i e s J. C., Fizjologia synaps nerw ow ych (tł. z ang.), Warszawa 1968, s. 176—

191.

20. E l l i o t G. F., Ł o w y J., Organisation of A ctin in a M am malian Smooth Muscle, „Naturę”, 1968, 219, s. 156.

21. E l p i n e r I. E., U ltradźw ięki, działanie fizykochem iczne i biologiczne (tł.

z nos.), Warszawa 1968.

* Cyfra w nawiasach ostrych () oznacza numer odpowiedniej pozycji, których wykaiz znajduje się na końcu artykułu.

22. K ip i n e r I. E., F a j k i n I. M., B a s u r m a n o w a O. K., O w nutrikletocz- nych mikropotokach w yzyw a jem ych u ltrazw ukow ym i wołnam i, „Biofi/.ika”, 1965, wyp. 5, s. 80,5.

23. G i n z b u r g W. L. Fale elektrom agnetyczne w plazm ie (tł. z ros.), Warszawa 1964; s. 30, 9)3, 1:1(1, 252.

24. G o r m a n A. L., M i r o l i i M., Electronic Conduction in Mollusca N erve Cells,

„Experienitia”, 19618, 24, s. 693.

26. G u l W. E., Ł u s z c z e j k i n G. A., D o g a d k i n B. A., Issledowanie elektri- czeskich zariadow woznikajuszczich pri dieformacjaeh polim ierow. Dokłady Aka- diemii Nauk SSSR 1963, t. 140, ,No. 2, s. 302.

26. G u t m a n n F., Electron Tunneli/ng in Biological Structures, „Naturę”, 1068, 219, 2. 1350.

27. H a l l D. A., S a x l H., Humań and other A nim al Cellulose, tamże, 1960, 187, Is. 547,

28. I n g e 1 s N. P., T h o m p s o n N. P., A n Electrokinem atic Theory of Muscle Contraction, tamże, 11966, 211, s. 1302.

29. J e l e ń s k i A., F i e d u s z k o {?., P erspektyw y now ych elem entów m ikrofa­

lowych, [W:] M ikrofalowa elektronika ciała stałego. M ateriały z Konferencji, Warsaaiwa 1969, t. 3, s. 2812.

30. K a l i s k i S., Wzmacniacze elektronowo-fononowe ciągłego działania i rezo­

natory idealne, tamże, s. 317.

31. K 1 e e n W., Mu D j l e r R. (red.), Laser, Berlin—Heidelberg—N ew York 1969, S. 542.

32. K r y s z e w s k i M., P ółprzewodniki w ielkocząsteczkow e, Warszawa 1968, s. 112.

33. L a n d a u E. M., K w a n b u n b u m p e n S., Morphólogy of M otor N erve Ter- m inals to Polarizing Currents, „Naturę”, 1969, 201, s. 271.

34. L a n g S. B., Pyroelectric Effect in Bone and Tendon, tamże, 1966, 212, s. 704.

35. Ł a z a r e w I. Z., O drejfie taka czerez, rastitielnuju tkan ’, „Biofizika”, 1964, wyp. 1, s. 86.

36. L i m a r e n k o I. M., S w iaz’ elektriczeskoj dktiw n osti nierw noj kletki s izm ie- nieniem ieie subm ikroskopiczeskoj struktury. „Trudy Moskowskogo Obsaczestwa Ispyitaitelej Ptrirody”, 1964, t. 9, s. 241.

37. M a ł e c k i I., Physical Foundations of Technical Acoustics, Oxford—London (PWN WaHszawa 1960) s. 5, 64®, 660.

38. M a n c ż a r s k i S., Plazm a elektronow a w środowisku biologicznym, „Postępy Fizyki”, 1069, z. 3, s. 381.

39. M u z e e w W. A., P o p o w a M. F. „Biofizika”, 1066, 1 , s. 741 (ea 3).

40. O’ G o n n o r B. T., O h a r l t o n H. M., O u n e y J. D., K i r b y D. R., W o o d s C., Effects of Electric Current on Bone in vivo, „Naturę”, 1969', 202;

B. 162.

41. P a u t a r d T. G., Proton Transfer and Supercontraction in Actom yosin, tamże 1909, 183, s. 1301.

42. R a b e k T., Teoretyczne podstaw y syn tezy polielektrolitów i w ym ien iaczy jono­

wych, Warszawa PWN, 1960, s. 121.

43. R a ś M., Zjaw iska elektryczne w kościach, „Wisaechgwialt”, 1966, 6, s. 155.

44. R e a d J., Dependence of the Electrical Conductivity of Barley Seends on Tem- perature, „Naturę”, 1964, 201', s. 94.

46. R o m a n o w s k i W., W p ływ y w ychowania fizycznego na intensyw ność pro­

cesów odpornościowych organizmu, „Roczniki Naukowe AWF”, 1968, t. 8, s. 495.

46. R o m a n o w s k i W., P rofilaktyczne znaczenie ruchu w stosunku do niektórych chorób m etabolicznych i układu krążenia, „Biuletyn Informacyjny M a . Zdro­

w ia i Opieki Społ.”, 1969, t. 19, nr 4, s. 121.

47. R o m a n o w s k i W., L u b a ń s k a - T o m a s z e , w s k a L., Mechanizm zm ian obrazu elektroforetycznego białek surowicy k rw i pod w p ływ em treningu fizycz­

nego, „Aata Fhysiologica Polonica”, 1962, t. 13, 2, 741.

48. R o s s M. H., R e i t h E. J., Perineurium : Evidence for Contractile Elements,

„Science”, 1969, 165, s. 604.

49. S c h e n k R., W i l l e n e g g e r H., Zum histologischen Bild der sogenannten Prim arheilung der K nochenkom pakta nach experim entellen O steotom ien am Hund, „Esperienitia”, 1963, 19, 2. 593.

50. S e d l a k W., P odstaw y ew olucji świadom ości, „Kosmos” A, 1968, z. 2, s. 161.

91. S e d l a k W., B iofizyczne podstaw y świadom ości, „Roczniki Filozoficzne”, 1969, t. 17, z. \ s. 126.

52. S e d l a k W., P lazm a fizyczna i laserowe efekty w układach biologicznych, i,Kosmos” A, 1970, z 2, s. 143.

5®. S e d l a k W., Polowe aspekty ekologii, „Wiadomości Ekologiczne”, 1970, t. 16, z. 1, s. 43.

54. S e d l a k W., B ioelektroniczne akcenty w ysiłk u fizycznego. K om unikat na Sym ­ pozju m : Problem y odporności n iesw oistej organizmu człow ieka pracującego fi­

zycznie. Komitet Fizjologii PAN i Katedra Fizjologii AWF, Wanseawa 1070.

55. S h a m o s H . H., L a v i n e L. S., P iezoelectricity as a Fundamental Property of B iological Tissues, „Naturę”, 1967, 213, s. 267.

56. S h a m o s M. H., L a v i n e L. S., S h a m o s M. I., Piezoelectric Effect in Bone, tam że 1963, 197, s. 81.

57. S i n g e r M., B r y a n t S. V., M ovem ents in the M yelin Schwann Sheath on the V ertebrate Axon, tamże 1969, 2211, 2. 1H48.

58. S i n g l i L., S i n g h S. I., The Origin of the Action Potential in Frog Musćle and Hearth, „Experientda”, 1966, 22, s. 165.

59. S i n i u c h i n A. M., Funkcjonalne znaczenie potencjałów czynnościowych roślin w yższych , [W^M ateriały II Ogólnopolskiego Sym pozjum Biofizyki. K azim ierz n/W isłą, Lublin 1970, s. 47.

60. S i n i u c h i n A. M., G o r e ż a k o w B. B., Potencjały d ejstw ija w ysszich ra- stien ij nie obładajuszczich m oto m o j aktiw nostju, „Bkrfizika”, 1966, wyp. 5, s. 84(0.

61. S p r u c h G. M., S h a m o s M. H., Light Induced Effects in Bone, „Naturę”, 1966, 212, | 1506.

62. S i w o b o d a J., S w i d e r s k i J., W pływ naprężeń m echanicznych na oporność w łaściw ą i długość d yfu zji nadm iarowych nośników prądu w krzem ie, [W:]

I g n a t o w d c z S. A. (red.) Elektronika półprzew odników . M ateriały z II K ra ­ jow ego Sym pozjum Elektroniki Półprzewodników , Warszawa .1969, s. 115.

63 S z t r a n k f e l d I. G. F r a n k G. M., O lum inescencji gigantskich nerwnych wołokon p ri w ozbużdienii „Biofizika”, 1964, wyp. 3, s. 321.

64. Z e r b s t M., P iezoeffekte in Halbleitern, [In:] Festkórperproblem e, Bd. 2, Ber­

lin 1963, s. 188.