Wstęp do elektromagnetycznej teorii życia.

T o m X V I I I , z e s z y t 3 — 1970 R O C Z N I K I F I L O Z O F I C Z N E

W ŁODZIM IERZ SEDLAK

W STĘP DO ELEKTROMAGNETYCZNEJ TEORII ŻYCIA

Nie jesteśm y w stanie powiedzieć, czy złożoność budow y indukowała skom plikow aną funkcję czy odwrotnie, lub też może oba procesy szły rozbieżnie, a wzbogacenie funkcjonalne łączyło się z redukcją struktury.

Czy życie jest tak złożone, że nie jesteśm y je w stanie poznać, czy też tak proste, że rozwiązań za daleko szukamy. Przede w szystkim nie wiem y, czy życie jest oryginalnym pom ysłem n atu ry czy też wielce roz­

budow aną kopią prostszych założeń, być może nieorganicznych.

1. „M INIM UM ” ŻYCIA

F izykalne podłoże życia można najprościej wyrazić:

koloid am foter

faza d yspersyjna w odna półprzew odnik

Koloid tu taj to faza dyspersyjna półprzew odnika w wodzie. Na pograniczu faz „ciało stałe — ciecz” w ystępują potencjały, Wokół każdej cząsteczki ciała stałego znajduje się otoczka elektrycznie zwią­

zanej wody. Stanow i ona elektryczną „kontynuację” cząsteczki koloidal­

nej. Woda nie je st tylko rozpuszczalnikiem, lecz także półprzewodni­

kiem. W dodatku jest to półprzew odnik o stru k tu rze subkrystalicznej zbudow any z drobin spolaryzowanych. Woda krystaliczna stanowi dobry ośrodek dla dryfu elektronów , a jeszcze bardziej p ro to n ó w 1.

W rezultacie m am y fazę stałą koloidu rozproszoną w quasi-stałym rozpuszczalniku. Mamy w sum ie układ bipółprzewodnikowy. Stanowi to optym alny zestaw półprzewodników, gdzie jeden z kom ponentów pod­

lega zmianom fazowym rozpuszczalnika i ąuasi-krystalicznego stanu (lodu). Łączą się tu ta j cechy półprzew odnika stałego, koloidu oraz roz­

i n . R i e h 1 E lektrische L eitfa h ig keit vo n anorganischen Isolatoren, Eis und P roteinen im Zusam m enhang m it der Energiewanderung, „Naturwiislsensohaften”, 1956, 43, 145.

1 0 2

puszczalnika. W edług T rin cz era2 nośnikiem inform acji jest tylko koloid.

Woda jest substancją roboczą. Ściślej analizując zagadnienie woda pod­

legająca zmianom fazowym ośrodka krystalicznego i rozpuszczalnika jednoczy w sobie kondensację wolnej energii z jej zw alnianiem na rzecz koloidu. Pełniłaby w pew nym sensie rolę katalizatora wobec k o lo id u 3.

' Woda podnosi elektryczne własności półprzew odnika w fazie dysper­

syjnej, co więcej — stanow i „klapę elektrycznego bezpieczeństwa” dla półprzewodnika. Swoją wysoką zdolnością polaryzacji w pływ a na roz­

kład pola elektrycznego koloidu. Woda jest w zasadzie środowiskiem elektrycznym półprzew odnika w fazie dyspersyjnej, a więc środowi­

skiem funkcjonalnie sprzężonym z koloidem. Istnieje ruchom y układ złącza p-n m iędzy koloidem a wodą. Na skutek odebranej elektro­

m agnetycznej inform acji zm ienia się stan elektryczny koloidu. Złącze p-n między koloidem i wodą przepuszcza nadm iar ładunków w kierunku wody. Po ustaniu inform acji koloid „zgłasza” zapotrzebow anie na defi­

cyt ładunków. Odpowiednio do roli donora lub akceptora funkcja ta łączy się najczęściej z przekazem protonu i zm ianą fazy wody. Raz w ystępuje woda jako rozpuszczalnik, kiedy indziej jako stru k tu ra k ry ­ staliczna zbliżona do lodu. Słusznie też wodę w tej fazie nazyw a się półprzewodnikiem protonowym. Stężenie protonów w wodzie w tem pe­

raturze — 10°C wynosi 2,8 • 10~8 gram ojonów/14.

Ta krystaliczna faza wody jest tak konieczna w procesach życiowych, że w tem peraturze ciekłego wodoru daje możność przetrw ania życia, kiedy faza ciekła wody dawno przestała już istnieć.®Elektryczne w łas­

ności wody są bardziej istotne dla procesów życiowych niż cechy roz­

puszczalnika. W ty m rozum ieniu rzeczywiście woda nie jest nośnikiem informacji, lecz tylko koniecznym w arunkiem poprawnego odbioru infor­

m acji przez koloid.

Elektryczna klapa bezpieczeństwa — woda Pag m a wiele możliwości odebrania od koloidu nadm iaru inform acji w yrażającego się zawsze zm ianą własności elektrycznych półprzewodnika: a) przez zmianę pola­

ryzacji swych drobin, b) odebranie ładunków, więc zm ianę ty p u pół­

przew odnika (p) w (n) lub odwrotnie, c) przez blokadę na złączu p-n z koloidem, d) zmianę fazy rozpuszczalnika w stan krystaliczny. Tym

* K. S. T r i n c z e r, Granice stosowalności fiz y k i w biologii. [W :] O istocie życia (praca zbiorowa), (tł. z ros.), W arszaw a 1967, s. 291—269.

8 F. W i l e s s o w , A. T e r e n i n , P hotoelektronisćhe Em ission a u f der O ber- flache vo n H albleiter-K atalysatoren, „N aturw issenschaften”, <1959, 46, 167;

H. N a s s e n s t e i n , R. M e n o l d , Z u r Frage der E lektronenem ission vo n K ataly- satoren, „NaturwissensChaiften”, 1956, 43, 492.

4 J. L. K a v a n a u, S tru ktu ra w ody i oddziaływ ania m ięd zy cząsteczkow e w roztw orach w odnych (tł. z ang.), W arszaw a 1968, s. 96—97.

E L E K T R O M A G N E T Y C Z N A T E O R IA Ż Y C IA 1 0 3

bardziej jest to istotne,

woda w ykazuje na powierzchni również własności krystaliczne (heksagonalne), a na płaszczyźnie styku z pół­

przew odnikiem jest zestaw em dw u półprzewodników krystalicznych 5.

' W arstw a wody pełni także rolę przekaźnika inform acji z zew nątrz w stosunku do koloidu. S tan elektryczny układu koloid/woda zmienia się w tedy od strony wody i to w różnoraki sposób:

a) Radioliza wody i w ytw orzenie rodników działających jako akcep­

to ry lub donory zależnie od reprezentow anego znaku. Cząsteczka wody posiada 10 elektronów , z tego tylko 2 znajdują się na w ew nętrznej orbi­

cie atom u tlenu, natom iast 8 pozostaje na orbitach zew nętrznych, z tego zaś połowę stanow ią elektrony w iązania O-H. Zestaw rodników jest dosyć liczny według obecnej znajomości rzeczy — H20 + , OH+, OH ', H+, H -, 0 + , O ", HsO+, H+«.

b) W ytw orzenie uwodnionego protonu odnosi się do wody jako roz­

puszczalnika, jak i fazy stałej lodu. P rotony odgryw ają zapewne częś­

ciej w wodzie rolę dodatnio naładow anych dziur. Ruchliwość protonów w lodzie jest zaledwie dw a lub trzy rzędy wielkości m niejsza niż ruchli­

wość elektronów w m etalu 7.

c) W ytw orzenie uwodnionych elektronów e~ odznaczających się dużo w iększą redukcyjnością niż atom y wodoru. H ydratow any elektron wchodzi w dwa typy reakcji:

e ~ + e “ --- ►

H2 + 2 OH- oraz

H2+ O H . E lektron tego rodzaju pow staje podczas radiolizy wody, jest więc pro­

d uktem przechodnim w reakcjach wzbudzonych prom ieniowaniem joni­

zującym lub ś w ia tłe m 8.

O statecznie zm ienia się relacja H +/OH- , autom atycznie zm ienia się również stan n a złączu koloid/woda. Złącze to w ykonuje ustawicznie dw ukierunkow ą pracę na skutek zm ian stanu elektrycznego koloidu i wody. Procesy te są odwracalne. Woda m agazynuje niejako dielek­

tryczne sk u tk i inform acji działającej na koloidalny półprzewodnik i norm alizuje spraw ne w ykorzystanie inform acji jeszcze po jej ustaniu.

Tak w yrażone wyżej cztery cechy diagnostyczne „życia” sprow adzają

6 W. F. C 1 a u s s e n, Surface T ension and Surface Structure o f W ater, „Science”, 1967, vol. 156, 1226.

• S. C i b o r o w s k i , Chemia radiacyjna zw ią zkó w nieorganicznych, W arszaw a 1962, s. 151—152.

7 H. Z i n j m e r m a n n , S ta n y protonowe w chem ii. Angew. Chem. 1964, 76, 1 (tl. poi.), [W:] Postępy chem ii, I W arszaw a 1966, s. 41—56.

8 J. J o r t n e r , G. S t e i n , Electron in Solutions, „N atu rę”, 1955, 175, 893.

1 0 4

się do dwóch. „Życie” to układ bipółprzewodriików, z których jeden jest koloidem, a drugi wodą.

Sytuacja złącza p-n rozpatryw ana w ten sposób m a swój analogon drobinowy w am foterach. A m foter jest am biw alentnym układem rep re­

zentującym dwa odmienne stany elektryczne w tym sam ym zespole drobinowym, podobnią jak złącze p-n, tylko w innej skali. Byłby to dipol drobinowy z punktem „zerowym ” tzw. izoelektrycznym. P u n k t izoelek- tryczny (IE) jest granicą m iędzy dwoma obliczami elektrycznym i dro­

biny, jak gdyby między „elektrycznym życiem” praw ej i lewej części tego samego układu.- To pierw sza asym etria elektryczna i chemiczna.

Obie części reprezentują stan donorowy lub akceptorow y albo też kwasowy i zasadowy, dom inację wodorową albo tlenową, protonow ą lub elektronową.

Obrazowo można to wyrazić jako zerową oś lub początek układu współrzędnych z sym etrycznym rozstawem cech w ykluczających się wzajemnie. Całość robi wrażenie fizykochemicznego ciężaru rozłożonego po dwu stronach obojętnej osi. Jest to asym etria elektrochemiczna.

Amfoteryczność daje dobrą polaryzowalność całego półprzewodnika przy istnieniu heterogennego pola, a jednocześnie w arunkuje anizotropię własności elektrycznych, m agnetycznych, ew entualnie term icznych, me­

chanicznych.

U kłada się „m apa" życia z jego charakterystycznym i własnościami.

Tych kilka jego cech niezw ykle pierw otnych daje niem al obraz dzisiej­

szego życia w swej naturze i działaniu. F unkcja rozłożona po obu stro­

nach „zerowej osi” może się dalej rozbudowywać strukturalnie. W każ­

dym razie naczelnym zagadnieniem będzie elektron, k tó ry zależnie od.

tego, czy będzie oddany czy przyłączony, jest zdolny zmienić charakter jednej czy drugiej strony am foteru. „Życie” tak rozumiane m a dwa oblicza1 sprzężone. Dzieli je „stan zerow y” p u n k tu izoelektrycznego.

Pow staje układ bogaty w charakterystykę przy ubóstw ie elementów;

a ściślej przy obecności lub brakli elektronów. Odznacza się on wielką labilnością wokół p unktu zerowego. Zm iana po jednej stronie p u n k tu IE jest autom atycznie kontrzm ianą po drugiej stronie i odwrotnie. S tw ier­

dzam y znam ienny paradoks, że układ jest bardziej złożony funkcjonalnie niż m aterialnie1, jest bogatszy w akcję niż w treść, substancjalnie prosty, natom iast skom plikowany w działaniu i w ieloraki w przejaw ach funkcji.

Skomplikowana funkcja nie w ym aga złożoności podłoża chemicznego.

F unkcja życia mogła się rozwijać na prostym podłożu m aterialnym .

Treść chemiczna „dogania” zapewne w ewolucji funkcję, odpowiednio

ją uspraw niając i modulując.

E L E K T R O M A G N E T Y C Z N A T E O R IA Ż Y C IA

105

Sytuacja w skazana poprzednio prowadzi do bardzo chw iejnej rów no­

wagi, a naw et jej braku. Równowaga zresztą nie jest wskazana. U sta­

wiczna m usi być zmiana. Przerzucanie się z jednego stanu elektrycznego w inny daje w rezultacie układ d rg a ją c y 9. W inien on pełnić rolę redo- ksowego oscylatora em itującego elektrom agnetyczną falę. Długość fali jest tym krótsza, im częstotliwość zm ian w układzie jest większa. S praw ­ ność oscylatora, jego coraz m niejsza bezwładność, rosnąca częstotliwość antagohistycznej sytuacji wokół p u n k tu izoelektrycznego — to skracanie długości fali i w zrost jej energii. Inaczej mówiąc, czym więcej niepokoju w układzie, ty m większa jego dynam ika i tym w iększą energię m usi on wypromienioway. Ale jednocześnie większa energia zużywa się we­

w nętrznie na podtrzym anie tego „drgającego” antagonizmu. Rezerwa energetyczna na pokrycie stra t pulsującego oscylatora może być hetero- genna (prom ieniowanie elektrom agnetyczne, zm ienne siły mechaniczne, tem p eratu ra) lub autogenna, jak w łasne zwalnianie elektronów (kata­

bolizm).

A rchaicznym i uniw ersalnym czynnikiem niepokoju jest prom ienio­

wanie elektrom agnetyczne środowiska. Koloidalny oscylator nigdy nie był w sytuacji aradialnej. Sprzężenie „oscylator-środowisko” jest prze­

sądzone i nierozdzielne zarówno od strony fizycznej, jak i chemicznej (kationy, aniony, woda jako ośrodek dyspersji). Zależność ta jest w a­

runkiem bycia i działania w ibratora.

Całość zagadnienia sprowadza się do lokaty elektronu po jednej ze stro n od p u n k tu izoelektrycznego w am foterycznej drobinie koloidalnego półprzewodnika. Jeśli oscylacja dokonuje się wzdłuż osi „poziomej”, em isja fali elektrom agnetycznej w inna nastąpić prostopadle, czyli nie­

jako po linii „zerow ej”. Sygnał pow stający na skutek zmian w am fo- terze w inien mieć swą propagację prostopadle do płaszczyzny pobudzo­

nego zdarzenia. Dwa k ieru n k i stają się więc wyróżnione, znane zresztą już z fizyki fali elektrom agnetycznej. A m fotery wyznaczały je same.

a J e s t to kierunek zm ian i kierunek sygnału. U podstaw wszystkiego jest niepokój, zmienność stan u elektrycznego rozłożona po obu stronach p u n k tu IE ./O ba k ierunki są zw iązane zarówno istnieniem , jak i inten­

sywnością.-W zm ożona rytm ik a zmian powoduje silniejszy przekaz falo­

wy. Zm iana oraz inform acja o niej to nieodłączny kompleks.

W przybliżeniu można traktow ać masę koloidalną jako zespół mi- krow ibratorów . Oscylacje jednego z nich w inny powodować drgania sąsiedniego, ale jednocześnie przyjm ow ać em itowaną falę. M ielibyśmy

— — — ^ ~ ' * v

9 W. S e d 1 a k, M odel u kła d u em itującego pole biologiczne i elektrostaza,

„Kosmos A ”, 1967, 2, 151.

106

swoistą autokatalizę zmienności oraz inform acji (elektrom agnetyczna autokataliza).

Na tym poziomie m usi już w ystąpić orientacja drobin, czyli nabycie wyróżnionego kierunku, co rzeczywiście podkreśla się jako rezultat działania sił elektrycznych, m echanicznych, jak również chem icznych10.

Szczegół ten okazał się w ażny w budowie włókien mięśniowych, kola­

genu, ogólnie białka. Powstają' mezomorficzne stru k tu ry , czyli płynne kry ształy o wysokich elektrycznych m om entach m olekularnych, jak u niektórych protein w roztw orach w odnych 3,10~28 do 3,10-27 Cou- lomb • c m n . Bliższe sform ułow anie pojęcia biokryształu m ogłoby dużo pomóc w zrozum ieniu półprzewodnikowych cech ż y c ia 12, ty m bardziej że procesy rekrystalizacji mogą być źródłem prom ieniow ania elektro­

m agnetycznego 13. W rezultacie w ystępuje anizotropia. Rozrzut m ikro- w ibratorów ulega więc samouporządkowaniu.

W racając do pojedynczego elem entu zauważyć trzeba, że akcja prze­

biega anizotropowo z podstaw ą w jednej płaszczyźnie, nośnością infor­

m acji w drugiej, prostopadłej do tam tej. Łatw o też przewidzieć przy ew entualnym uspraw nieniu oscylatora, ku czemu szłaby tendencja ulepszeń. I tak, rozbudowanie bazy am foterycznej „w poziomie” jako głównego założenia zmienności, prowadzi tym sam ym do wzmocnienia sygnału. Sygnał będzie się rozchodził w kierunku prostopadłym do płaszczyzny drgań (umownie w orientacji pionowej). Tak zarysow uje się drugi kierunek uspraw nień — „pionowy”. Ew entualna rozbudowa układu m usiałaby uwzględnić te dwie relacje. Nazwijmy to rozbudową poziomą i pionową albo sym etrią poziomu i pionu.

W szystko obraca się wokół sprzężenia „zm iana-sygnał” oraz odw rot­

nej sytuacji „inform acja-zm iana”. Te stany indukują się w zajem nie nie tylko co do ogólnej relacji bycia, ale i natężenia. Wobec tego w yróżnia­

jące się dwie płaszczyzny — zmian i inform acji — są rzeczywistością.

Półprzew odnictwo pełni także rolę integrującą. C zynniki całościujące są nie m niej ważne o d pojedynczych elem entów m olekularnych czy m icelarnych. Dla półprzewodników jest znam ienne powierzchniowe zagęszczenie ładunków. P rzy niejednorodnym półprzewodniku w ystę­

puje ten efekt i w ew nątrz n a wszystkich nieciągłościach. Zwiększając

„N aturw issenschaften”, 1947, 34, 123.

11 H. A t h e n s t a e d t , M esomorphe O rdnungzustande biołogisch bedeutsam er Stoffe, „N aturw issenschaften”, 1962, 49, 433.

12 H. S e i f e r t, Ein ąllgem eines P rinzip der Biokristallographie, „N aturw issen­

schaften”, 1956, 43, 444.

18 V. A. G a r t e n , R. B. H e a d , C rystallolum inescence, „N aturę”, 1966, 209, 705.

e l e k t r o m a g n e t y c z n a t e o r i a ż y c i a

107 gęstość ładunków na pow ierzchni — zam yka się niejako na elektryczny sposób pew ną całość.

Koloidalne półprzew odniki przesądzają ewolucję w trzech kierunkach:

a) ew olucja zmian, b) ew olucja inform acji, c) ew olucja powierzchnio­

w ych zjaw isk elektrycznych. W konsekw encji ewolucji ulega i sam układ półprzewodnikowy. C zw arty więc kierunek rozwoju — ewolucja układu em itującego — jest nieodłącznym następstw em poprzednich.

3. K IERU N K I EW OLUCJI PROTOŻYWEGO UKŁADU

Główne linie ew olucji można odtworzyć zestawiając nieorganiczny s ta rt wyłożony wyżej z obecnym stanem życia. Życie zachowało cechy koloidu i półprzew odnika w fazie dyspersyjnej wody oraz am foterycz- ność. Widocznie był to w ystarczający sta rt dla procesów życiowych.

Półprzew odniki przedstaw iają bowiem ciekawy rodzaj m aterii: a) posia­

dają m inim alne w ym agania sprow adzające się do m onow arunku — elek­

tronu, b) uw zględniają m aksim um uw arunkow ań środowiskowych, jak:

pole elektrostatyczne, stałe pole m agnetyczne, światło, tem p eratu rę i ciśnienie, c) posiadają optym alne możliwości na różnorodność układów funkcjonalnych, d) próg czułości jest niezw ykle niski. Życie oparło się na najprostszych środkach przy najw iększej szansie w ielorakich roz­

w iązań funkcjonalnych. W związku z tym najbardziej skomplikowaną funkcję życia można rozłożyć na proste działanie układów półprzewod­

nikowych.

Zasadnicza m etoda w tym względzie w inna się sprowadzać, poprawnie rzecz biorąc z p u n k tu biologicznego, do w ynalezienia nieorganicznych reliktów w obecnej stru k tu rze życia. Należy w ykryć półprzewodnikowe p rototypy żyw ych układów. Ta nieorganiczna reszta obecnego życia pow inna w ystarczyć, aby szeroki zakres specyficznych cech wywieść z tej sam ej klasy dielektryków półprzewodnikowych.

A nalizując dzisiejszy stan życia stw ierdzam y wiele cech pierw otnych i nieorganicznych, tak następnie rozbudowanych, że zdają się ginąć w oryginalnym rzekomo rozw iązaniu przez życie. K ierunki ewolucji m ogły pójść w dwóch orientacjach istniejących już w nieorganicznym koloidzie półprzewodnikowym , mianowicie w relacji „poziomej” (zmiana) i „pionow ej” (sygnał).

A . E W O L U C J A W P Ł A S Z C Z Y Ź N I E „ P O Z I O M U ” •

Przyśpieszanie tem pa zm ian w ewolucji gatunkowej m a swoje istotne i bardzo stare podłoże. Życie przeszło daleką drogę „autokatalitycznego”

napędu zmienności. Ew olucja obejmowała w zrost rytm iki, natężenia,

1 0 8 W Ł O D Z IM IE R Z S E D L A K

subtelności zmian, przybycie nowych antagonizmów, napięć, sprzecz­

ności, zwrotności kierunków . Ogólnie można powiedzieć -— ew olucja szła ku coraz większej 'sum ie napięć i kontrastów . Nie trzeba dodawać, że ewolucja w „poziomie” reprezentuje całokształt procesów nazywanych dotychczas życiem.

Ogólny schem at wyniesiony z nieorganicznego podłoża w ykorzystał dalej możliwości tkw iące w półprzewodnikach. Rozbudowanie bazy m a­

teriałow ej (substancjalnej) jako istotnej podstaw y funkcjonalnej tkw i już w naturze półprzewodników. W prowadzenie nowych elem entów domieszkowych żm ienia elektryczne oblicze półprzewodnika. W yrażam y to jako typ (p) lub (n). Przyjęcie nowej substancji chemicznej jest w skali możliwości półprzewodnika, a naw et w jego „guście”. To samo tyczy w yprow adzenia atomów z półprzewodnika w środowisko.

Koloidalny półprzewodnik znalazł się n a „dobrej drodze” do odświe­

żania swego składu substancjalnego w szczególnych w arunkach oraz do wzbogacania się w atom y domieszkowe popraw iające jego elektryczną charakterystykę przy zachowaniu stru k tu ry . Jest godne uwagi, że obec­

nie wym iana elem entów atom owych w układach biologicznych dokonuje się „półprzewodnikowo”, tzn. wym ienialność polega na usuw aniu elem en­

tów struktu raln y ch bez naruszenia samej konstrukcji. Co więcej, „pół­

przewodnikowo” dokonało się zapewne w historii życia przejście od nieorganicznego koloidu do białkowego. S tru k tu ry natom iast nieorga­

niczne zostały zachowane na niezw ykle długim odcinku czasu, jak rów ­ nież ogólny schem at wymienności. W odbudowie można by się dopatrzeć archaicznych akcentów jeszcze z nieorganicznych półprzewodników.

W prowadzanie i wyprow adzanie elem entów domieszkowych na sposób nieorganiczny było widocznie cechą korzystną dla funkcjonow ania ukła­

d u biologicznego, gdyż stało się główną linią ew olucji metabolizm u.

W tym w ypadku trzeba n a m etabolizm spojrzeć od strony półprzewod­

nikowej. To ustaw iczna w ym iana elem entów chem icznych'całego układu na „świeże” przy zachowaniu stru k tu ry . J e st to perm anentna „robota”

życia.

Pod wpływem gradientu pola elem enty elektryczne ulegają dryfowi poprzez sieć krystaliczną półprzew odnika nieorganicznego.^ W ym iana elem entów stru k tu raln y ch w układach biologicznych, zresztą stała i kie­

runkowa, wskazuje, że dryf w półprzewodnikach został w toku ewolucji swoiście udoskonalony. S trum ień atomów, jonów i rodników wchodzący w zakres odbudowy s tru k tu r biologicznych to „d ry f” zorientowany.

Przy; tym atom y domieszkowe znajdują się zawsze w ścisłej''relacji do

sieci krystalicznej półprzewodnika, ćzyli do j.ego stru k tu ry . Na tym

podstawowym tle dokonują się inne zmiany. Ów sub strat zm ian obej­

E L E K T R O M A G N E T Y C Z N A T E O R IA Ż Y C IA 1 0 9

m ujem y jednym słowem metabolizm, rozumiejąc przez to sum ę wszyst­

kich zmienności w układzie biologicznym.

M etabolizm jest według modelu półprzewodnikowego bilateralny (am foteryczny) z dwoma obliczami anabolizmu i katabolizm u. Am fote- ryczność jest cechą pierw otną i podstawową. Z niej wywodzi się antago- nistyczna skala wahadłow ych zmian. Idea nieorganiczna znalazła tylko przestrzenne i stru k tu ra ln e poszerzenie, rozpiętość bowiem stanów czyni bardziej charakterystyczną amfoteryczność. A m plituda w ahań poszerzyła się jeszcze o znajdujące się zawsze w naturalnej wodzie elektrolity.

U kład żyw y w ykorzystał je zresztą do zbalansowania wokół punktu izoelektrycznego na zasadzie antagonizm u jonowego.

W prowadzenie związków organicznych jako głównej m asy półprze­

wodnika dało możliwość rozbudowy obu krańców amfoteryczności. A n­

tagonizm y i napięcia w zrastają wówczas. Rozbudowa biologiczna po obu stronach p u n k tu IE jest też cechą charakterystyczną w konstrukcji bia­

łek. Zm ienna rola kwasów i zasad, procesy redoksowe, antagonizm jono­

wy, organiczne katalizatory, antagonistyczne rozwiązywania niemal w szystkich procesów życiowych — to w ielka rozbudowa w płaszczyźnie '„poziomej”. Po tej linii poszła też specyficzna działalność enzymów, te bowiem rozłożyły się po obu stronach p u n k tu izoelektrycznego i speł­

niają tę funkcję często na drodze tymczasowej roli donora lub akcep­

tora. Płaszczyznę zm ian można też nazwać bazą m ateriałow ą, chemiczno- -stru k tu ra ln ą podstawą. Ew olucja w tym kieru n k u mogła służyć rozwo­

jowi s tru k tu r dających m aksym alne możliwości stanów elektronowych istniejących już zresztą w nieorganicznych półprzewodnikach. Sytuacja w ym ieniona wyżej m usiała się dokonywać z m inim alnym nakładem p ra ­ cy, stąd też obserw ujem y niezw ykłe obniżenie energii aktyw acji w pro­

cesach życiowych. Szum y w łasne układów biologicznych znajdują się po­

niżej możliwości osiągalnych przez techniczne urządzenia elektroniczne.

Do tego celu mogło wieść kilka dróg rozwojowych, w ykorzystanych w organizacji życia:

a) Procesy dokonujące się po obu stronach p u n k tu IE zostały coraz bardziej rozdrobnione na oksydoredukcyjne m ikroprocesy katalizatorów.

W ahania donorow o-akceptorow e całej am foterycznej m akrom olekuły dokonują się stopniowo po jednej ze stron. Dopiero w tedy reaguje cały u kład drobinow y zm ianą stanu donorowego w akceptorow y lub odw rot­

nie. Ten rozkład mikroprocesów energetycznych można określić jako

„elektroniczne buforow anie” m akrom olekuły.

b) A m foteryczna drobina białka nie w ystępuje sama, lecz w zespole.

W ytw arza się w tedy m iędzy drobinam i białka układ p-n. Ponadto białko

w ystępuje - często w połączeniu z cukrow cam i (DNA, _ RN A, glikopro-

teiny), z lipidami. Ogólnie sytuacja złączowa uw ielokrotnia się w ukła­

1 1 0 W Ł O D Z IM IE R Z S E D L A K

dzie biologicznym. Dodatkową okoliczność stanow ią w tedy m ostki wo­

dorowe odgrywające rolę złącza p-n.14 Złącze takiego typu spełnia rolę przewodzącą lub zaporową zależnie od ogólnej sytuacji elektronicznej po jednej i drugiej stronie. Je st więc dobrym czynnikiem sterującym dla procesów zm iennokierunkowych.

4 c) P rzy obniżeniu energii aktyw acji do m inim um łatw iej jest o sta­

n y wzbudzone z em isją prom ieniowania. P rzydałyby się w tedy ruchli­

we „zapasowe” elektrony w drobinie. Takimi są elektrony n w związ­

kach arom atycznychls. Ewolucja bazy m ateriałow ej poszła też w kie­

ru n k u w ytw orzenia związków białkowych typu tryptofanu, fenyloalani- ny, tyrozyny, porfiryn, adeniny, uracylu itp. Ponadto pierścieniowe związki typu niebiałkowego są często realizowane w biologicznych ukła­

dach (fląwony, chinony, sterydy itp.).

d) Prom ieniste przejścia stanów wzbudzonych nie są przypadkiem , skoro układ biologiczny w ytw orzył barw niki typu melanin,, lipofus- cyn, hemu, chlorofilu, karotenów itp. B arw niki m ają łatwość uw alniania elektronów pod wpływem adsorpcji fotonu.

e) Technika laserowa wykazała, że do skutecznego pompowania po­

m aga umieszczenie metalicznego atom u w związku organicznym pełnią-' cym rolę m olekularnej m atrycy (ch elatu )ł6. Nazwę chelatów stosuje się w odniesieniu do połączeń zaw ierających ugrupow ania pierścieniow e17.

Układy biologiczne rozwiązały i- to zagadnienie w cytochromach, chlo­

rofilu, kobalaminie, ftalocyaninie itp.

Rozbudowa w „poziomie” dokonywała się w perspektyw ie coraz sprawniejszego urucham iania elektronów w półprzewodnikach organicz­

nych. Nie jest też przypadkiem , że białka, kw asy nukleinowe, niektóre cukrowce, jak galaktoza i celuloza, są półprzewodnikam i i to wysokiej klasy jako tzw. fe rro e le k try k i18.

Ten zespół cech winien przedstaw iać doskonałe możliwości na półprze­

wodnikowy m ateriał laserowy. Sądzi się, że każda substancja dająca fluorescencję posiada podstawę na wymuszoną emisję. Środek widma

14 W. Ł u c k , Z u r „Stereochem ie” der W asserstoffbriickenbindung, „N atur- w issenschaften”, 1965, 52, 25.

.*•> J. H a r r i s, M. T s u t s u i, B. L. v an D u u r e n, Pi Complexes in Biological System s, „Science”, 1967, 158, 1707.

16 A. L. S c h a w Io w, Postępy w budowie laserów (tł. z ang.), [W-:] M akro- fizy k a kw antow a, W arszaw a 1969, s. 173—175.

17 S. I s a k a, S. I s h i d a, E ffects of some Chelate Compounds upon the For- m ation in vitro of M elanin, „N aturę”, 1953, 171, 303.

18 H. A t h e n s t a e d t , Ferroelektrische u nd piezoelektrische Eigenschaften biologisch bedeutsam er Stoffe, „N aturw issenschaften”, 1961, 48, 465.

18 B. A. L e n g y e 1, Lasery. Generacja św iatła przez em isję w ym uszoną (tl. z ang.), W arszaw a 1965, s. 184.

E L E K T R O M A G N E T Y C Z N A T E O R IA Ż Y C IA U l

em isyjnego w ypada w pobliżu m aksim um linii fluorescencyjnych, te zaś odpow iadają m aksim um a d so rp c jiM. Zestaw różnych półprzewodników daje możność wielostopniowego pompowania. Natom iast centra para­

m agnetyczne stw ierdzone w związkach biologicznie, czynnych 20 potw ier­

dzają możność rozszczepienia linii pasm przew odnictw a w półprzewod­

nikach biologicznych oraz lepszej akcji laserowej. P róby podniesienia spraw ności laserów ponad 10% z nadzieją na zbliżenie do 100% przez za­

stosowanie złączy półprzew odnikow ych zostało dawno rozwiązane przez życie 21. Technika w ydajnych laserów będzie się m usiała wiele nauczyć od bioniki.

W tak optym alnej sytuacji winien laser biologiczny w ykorzystywać wszelkie pom pow anie istniejące w natu raln y ch w arunkach, więc: elek­

tryczne, m agnetyczne, optyczne, term iczne, akustyczne, chemiczne, m e­

chaniczne, wreszcie pompowanie przez drugi laser. Może ono się rów­

nież dokonywać w prost przez w strzykiw anie elektronów. L aser modyfi­

k u je wówczas swą częstotliwość zależnie od zm ian chemicznych i tem ­ p e ra tu ry 22. Możliwe byłoby też wielostopniowe pompowanie, gdyż biolo­

giczny laser je st układem niezw ykle złożonym i wzajem nie uw arunko­

w anym . Zm inim alizow anie szumów w łasnych oraz obniżenie energii wzbudzenia prow adzą do niskiej dysypacji energii. Podkreśla się dla la­

serów biologicznych przejścia tunelowe, a więc bezstratne, podobnie jak w przypadku diody tu n e lo w e j23. S ytuacja taka prowadzić może do nad­

przew odnictw a w tem peraturze pokojowej przy odpowiednim przestrzen­

nym rozkładzie złącz w stru k tu rze półprzew odników 24.

Rozbudowa w „poziomie” aż do w ytw orzenia związków organicznych o cechach półprzew odnika była ściśle złączona z przestrzennym rozpra­

cow aniem stru k tu ry i zapew nieniem w ten sposób najlepszej funkcjonal­

ności elektro n iczn ej^L aser biologiczny w ypracow ał w toku ewolucji cią­

głe odświeżanie półprzewodnikowego koloidu organicznego. Koloidy bo­

wiem podlegają natu raln em u procesowi starzenia się./M etabolizm jest więc podstaw ą aktualnego w ytw arzania półprzewodników organicznych o najw yższej spraw ności laserow ej. Ewolucja w „poziomie” wskazywa­

łaby n a ten kierunek. Ew olucja biochemiczna rozpatryw ana elektronicz­

20 l . a . B l u m e n f e l d , W. W. W o j e w o d s k i , A. G. S i e m i o n o w , Zasto­

sow anie elektronow ego rezonansu param agnetycznego w chem ii (tł. z ros.), W ar­

szaw a 1967, s. 305—306.

21 w . S e d 1 a k, A B C elektrom agnetycznej teorii życia, „Kosmos A”, 1969, 2, J.65.

22 M. B r o t h e r t o n , M asery i lasery (tł. z ang.), W arszaw a 1968, s. 128.

28 J. S a w i c k i , L a m p y elektronow e i elem en ty półprzew odnikow e, W ar­

szaw a 1967.

24 W. A. L i 1 1 1 e, N adprzew odnictw o w tem peraturze pokojow ej, „Postępy Fizyki”, 1966, 1, 3.

1 1 2 W Ł O D Z IM IE R Z S E D L A K

nie jest ustawicznym wzrostem tendencji do w ytw arzania optym alnych sytuacji półprzewodnictwa ze wszystkim i konsekwencjam i.

W szystko zmierzało w ewolucji fizykochemicznej na płaszczyźnie zmian do uspraw nienia balansow ania wokół p u n k tu izoelektrycznego.

'Isto ta jednak zmienności streszcza się do przyłączenia lub odszczepienia elektronu albo protonu. W układzie ty p u organicznego , mógł tę ro­

lę przejąć atom wodoru jako nośnik (donor) elektronu 2S.

G ranica pomiędzy oboma stanam i jest punktem zerowym 44 izoelek- trycznym . P u n k t ten jest do ustawicznego przekraczania, ale nie do za­

trzym yw ania się w nim. Życie jako ciągła oscylacja nie może przysta­

nąć w punkcie zerowym, rów na się to jego unicestwieniu. Sprawność przenoszenia elektronów przez pu n k t krytyczny, a jednak konieczny — to ważne ulepszenie sytuacji oscylatora. Nowe to zadanie ew olucyjne rozw ija się w pewnej m ierze jako tran sfer elektronów. M usiał on być spraw ny, bezstratny energetycznie, natychm iastow y. Najprostszym spo­

sobem okazał się mostek wodorowy jako najszybszy przy najkrótszej drodze 26.

Życie „chce mieć ciągle robotę” poprzez ustawiczne odbudowywanie stru k tu r. Je st to w ynik samego oscylowania i oparcia życia na zm ien­

ności. /Anabolizm i katabolizm to perm anentne funkcje po dwóch stro­

nach p unktu zerowego z ciągłym jego przekraczaniem . Wszystko, cokol­

wiek jest życiem, m usi się ostatecznie oprzeć o tę rytm ikę anaboliczno- -kataboliczną.

fo p a rc ie życia na półprzewodnikach było najlepszym wyborem i za­

wierało w sobie potencjalnie całą złożoność życia, całą jego paradok­

salną problem atykę. Półprzew odniki dwóch typów (n) i (p) dają niezw yk­

łą ilbść możliwości rozwiązań funkcjonalnych. Mogą pracować jako kon­

densator i jako prostownik, również jako wzmacniacz i g enerator im­

pulsów elektrycznych (wzmacniacz światła) 27. Układ p -n może pełnić rolę generatora term oelektrycznego oraz pracować jako pom pa ciepła. Układ półprzewodnikowy jest ciągły i nieciągły zarazem, może działać jako półprzepuszczalna „błona” elektryczna dla ładunków, ale też jako pom­

pą elektryczna, jednocześnie może tworzyć w ew nętrzną w arstw ę zapo­

rową n a tu ry elektrycznej, a więc rozwinąć | procesy hamowania. Pół­

przewodniki są niezw ykle czułymi odbiorcami inform acji, jednocześnie

„N ałurw issenschaften”, 1968, 55, 77.

26 W. A. L u c k , Z u r S p ezifita t der W asserstoff-B riickenbindung, „N atu r- w issenschaften”, 1967, 54, 601.

27 M. R. L o r e n t z, V isible L ig h t fro m Sem iconductors, „Science”, 1968, 159, 1419.

e l e k t r o m a g n e t y c z n a T E O R IA Ż Y C IA 1 1 3

mogą działać jako stabilizatory. Sprzężenie zw rotne leży w naturze ta ­ kich układów, z powodzeniem pracu ją więc jako zw rotny przekaźnik.

Półprzew odniki odbierają w zasadzie każdy rodzaj energii. Mogą być detektoram i niezw ykle słabych pól m agnetycznych, a jednocześnie pod­

czerw ieni, przy ty m odbierają również naprężenia mechanicznej n atu ry i są fotokom órkam i. P rac u ją doskonale jako uniw ersalny transform ator energii elektrom agnetycznej w elektryczną i odw rotnie (luminefory), m echanicznej w elektryczną i przeciw nie (zjawiska -piezoelektryczne). J

U kład półprzew odników może być rozpatryw any jako katalizator ini­

cjujący proces, a jednocześnie służyć jako urządzenie sterujące. Zna­

m ienny je st przy ty m m inim alny rozm iar całego urządzenia i banalność zasady streszczającej się do złącza ty p u n-p przy całej zadziwiającej róż­

norodności zadań, naw et w ykluczających się w zajem nie (jednoczesna wielowarstwowość fu n k c jo n a ln a)2S.

Woda jako nieodłączny czynnik życia znajduje swe w ykorzystanie w biologicznym laserze zapew ne jako donor protonów i elektronów.

W technice laserow ej nie został ten m om ent rozpracowany, choć istnie­

ją możliwości pom pow ania optycznego w stanie p ły n n y m 29. Zapewne chodzi o coś więcej niż niestaw ianie przez wodę przeszkód w pracy lasera.

B . E W O L U C J A I N F O R M A C J I

Ewolucja w „pionie” dokonała się już w przyczynie podczas rozbu­

dowy płaszczyzny m ateriałow ej. Ew olucja inform acji mogła rozbudować założenia półprzew odnikow ych cech m aterii biologicznej. P rogram ewo­

lucyjny w tej dziedzinie nie mógł być jednak zbyt urozmaicony. „Pion”

został ten sam w naturze./ Inform acja w postaci fali elektrom agnetycznej znalazła tylko pew niejszą funkcjonalność n a skutek rozw oju oscylato­

ra 30. N azyw am y ją polem biologicznym^?W pionowej płaszczyźnie życia chodziło jedynie o spraw niejszy odbiór i wzbogacenie inform acji.

^Przybliżenie biologicznego lasera u łatw ia analizę ew olucji w dzie­

dzinie sygnalizacyjnej. L aser jest tu ta j w yrazem zbiorczym n a oznacze­

nie re la cji „poziom ej” i „pionow ej”, a więc m ateriałow ej oraz inform a­

cyjnej. Ja k każdy schem at i przybliżenie dw u płaszczyzn je st uproszcze­

niem u łatw iającym naszą orientację. W rzeczywistości ew olucja w bazie półprzew odnikow ej i w dziedzinie sygnalizacyjnej wzajem nie się w arun­

28 j J. B r o p h y , P ółprzew odniki (tł. z ang.), W arszaw a 1966, (Omega), s. 44, 45, 49, 53, 88, 90, 91, 92, 98.

29 M. J. M o r a n t , P hoto-Injection of Charge into Dielectric Liąuids, „N aturę”, 1960, 187, 48.

30 N. G. B a s o y , Sem iconductor Lasers, „Science”, 1965, 149, 821.

1 1 4 W Ł O D Z IM IE R Z S E D L A K

kowały. Biologiczny laser jest tego typu, że wymuszone prom ieniow a­

nie zależy wprawdzie od chemicznych i stru k tu raln y ch własności pół­

przewodnikowego substratu, z drugiej jednak strony wym uszona fala działa m oderująco i modelująco na m aterialne podłoże lasera.

Funkcjonalna sprawność lasera zależy od ilości złączy, z których każ­

de może być em iterem fali wzbudzonej, od ogólnej m asy dyspozycyjnej ruchliw ych ładunków, m inim alnej bezwładności elektronicznej, łatwości tw orzenia singletowych i tripletow ych stanów, adaptacji lasera do wszel­

kiego typu pompowań, możliwości rozszczepiania pasm przew odnictw a pod wpływem param agnetycznych centrów .-^Inform acja w ew nętrzna w biologicznym laserze jest chyba przede wszystkim zagadnieniem koor­

dynacji polowej, a w związku z tym również' integracji biologicznego układu. Je st to problem zupełnie otw arty dotychczas. Nie interesow ano się tym ani w problem atyce pola biologicznego, ani w technice laserów.

Inw ersja obsadzeń i ujem na dyspersja są próbą teorii otrzym ania świa­

tła spójnego, ale nie odpowiedzią na inform ację w ew nętrzną w masie lasera. K w estią tą zajm ie się w przyszłości zapewne półprzewodniko­

w a bionika.

i Szybkość przekazu inform acji u roślin oraz odbiór słabych pól ca­

łym m etabolizm em przez zw ierzęta i ludzi upow ażniają do przypuszcze­

nia, że inform acja w ew nętrzna układu dokonuje się połowo. Sprzyja te­

m u usieciowanie elem entarnych układów am foterycznych drobin i w y­

tworzona siatka złącz p-n. W takiej sytuacji, stany donorowo-akceptoro­

we przenoszą się w sposób falowy. Odpowiadałoby to fali redoksowej w związkach organicznych według G um ińskiego31. W biologicznym lase­

rze istnieje możliwość na sprzężenie zw rotne dodatnie i ujem ne. Sprzę­

żenia mogą pracować albo na rzecz wzmocnienia, selekcji odbioru lub poszerzenia p a sm a 32. W przestrzennej stru k tu rze m onowibratorów istnieje zawsze sytuacja na emisję, odbiór i kierunkow y przekaz. S tero­

wanie w ew nętrzne nie jest tylko prostym przekazem sygnału, lecz na podstawie sprzężeń zw rotnych może regulow ać ono w ahania donorowo- -akceptorow e m akrom olekuł oraz tem po i ch arak ter metabolizmu.

Dalsze możliwości w rozbudowie odbioru inform acji w ew nętrznej to subtelność selekcji, zm inimalizowanie bezwładności detektora. Prócz te­

go stwierdzam y, że życie w ytw orzyło związki' o niezw ykle dużej stałej dielektrycznej. Związki takie działają w tedy jak soczewka skupiająca in­

form ację elektrom agnetyczną. M ielibyśmy ostatecznie przypadek w yso­

ko kwalifikowanego pompowania wewnętrznego. Na skutek zwiększenia

w aniu teorii pasm ow ej do kryształów organicznych, „Roczniki C hem ii”, 1957, 31, 255.

32 J. D e m a n, Podstaw y radioelektryki (tł. z franc.), W arszaw a 1968, s. 166—173.

E L E K T R O M A G N E T Y C Z N A T E O R IA Ż Y C IA

115 liczby elem entów elektrycznych w półprzewodniku biologicznym, stałe­

go wysokiego poziomu energetycznego znajdujących się cząstek elek­

trycznych, można je w przybliżeniu traktow ać jako plazmę. W tym ro­

zum ieniu ew olucja inform acji mogła pójść w kierunku w ytw orzenia sygnalizacji m agnetohydrodynam icznej, jeśli uwzględnim y pole geo­

m agnetyczne lub lokalne pole m agnetyczne w ynikłe z rezonansu para­

m agnetycznego 33.

Nie potrafim y odtworzyć dróg rozwojowych polowego sposobu infor­

m ow ania się organizmów między sobą ani zestawić długości fali elektro­

m agnetycznej z filogenetyczną progresją. Zdaje się jednak, że poszerze­

nie pasm a towarzyszyło jako w yraz integracji i koordynacji coraz wyż­

szych. rzędów złożonych układów biologicznych. .

Do dyspozycji stało jeszcze jedno ew olucyjne wzbogacenie inform a­

cji bez zm iany jej n a tu ry fizycznej, mianowicie zwiększenie zakresu pasm a, a więc inform acja nie w jednej częstotliwości. Ilość inform acji niesiona kanałem zależy od szerokości pasma. Ewolucja objęła więc ilo­

ściową stronę niesionej inform acji oraz jej rozpiętość rodzajową. Ilość inform acji w yrażona bitam i to sum a rozróżnialnych przez detektor sygnałów. Zróżnicowanie inform acji jest równoczesnym wzbogaceniem jej w przekazyw aną treść. Nazywam y to poszerzeniem kanału sygnali­

zacyjnego lub „spektralnie” — poszerzeniem pasma. Bardziej obrazowo mówiąc, było to poszerzenie wiązki inform acyjnej. Końcowym przykła­

dem filogenetycznym będzie em isja prom ieniow ania mózgu ludzkiego dokonująca się w wiązce od długości fali rzędu centym etrów do wielu k ilo m e tró w 34. Poszerzenie pasm a — życzenie i zam ierzenia konstruk­

torów budow y laserów — urzeczyw istniło się w organizacji życia.'K oor­

dynacja n a różnych poziomach złożoności biologicznej w inna się m ani­

festow ać odpowiednim przedziałem widm a spektralnego. Jednoczesne i selektyw ne odbieranie różnych zakresów częstotliwości jest cechą pół­

przew odnikow ych układów 35. Ale tu taj w kraczam y już w działanie bio­

logicznego m asera, jeśli techniczne nazw y oznaczające długość em ito­

w anej fali m iałyby obowiązywać również układy biologiczne.

Życie rozw ijając się nie porzuciło swego p unktu wyjścia. P rzebyte etapy są w jakiś sposób w zmienionej funkcjonalności życia zadokumen­

towane. W ystępuje to w rozszerzeniu pasm a widmowego. Życie nie w y­

gasza sw ych etapów rozwojowych elektrom agnetycznie pojętych, ale je

33 w s e d 1 a k, E lektrostaza i ew olucja organiczna, „Roczniki Filozoficzne”, 1967, t. 15, z. 3,

s.

34 g m a n c z a r s k i, Zagadnienie przenoszenia m yśli w św ietle badań radio­

technicznych, „Przegląd T elekom unikacyjny’’, 1946, n r 10, s. 282; 1946, n r 11—12, s. 313; 1947, n r 1—2, s. 25; 1947, n r 3—4, s. 82.

35 a . S z e n t - G y o r g y i , Bioelectronics, „Science”, 1968, 161, 988.

1 1 6 W Ł O D Z IM IE R Z S E D L A K

rozbudowuje w kierunku ultrafioletu. Po tej linii szło uspraw nienie reak­

cji chemicznych związanych z biolum ineścencją36. P rzypisuje się jej coraz częściej ew olucyjne zn aczenie37, choć bez możności wskazania dróg rozwojowych.

To podstawowy kierunek ewolucji -r*- tendencja do nadfioletu. Układ biologiczny podlega nie tylko specjalizacji, lecz również integracji w co­

raz większe zespoły. Zaznacza się też drugi kierunek rozwoju elektro­

magnetycznego, jak w ydłużanie fali daleko poza podczerwień na wyż­

szym szczeblu organizacji. Je st to wkraczanie życia w fale długie jako w yraz tw orzenia nadrzędnych stru k tu r. Dwa podstawowe kierunki roz­

wojowe — zróżnicowanie i integracja — posiadają swój radiacyjny od­

powiednik w form ie przesunięcia k u ultrafioletow i oraz ucieczki w da­

leką podczerwień. W następstw ie widmo życia ulega poszerzeniu. Na­

leży się spodziewać, że n a tym pasm owym tle w ystępują charak tery ­ styczne linie o cechach gatunkowych, a naw et większych jednostek stru k tu raln y ch jak narządy. Można wobec tego mówić o spektogram ie życia.

Prom ieniow anie układu jest więc następstw em konstrukcji życia.

Natom iast szerokopasmowość pola biologicznego jest w yrazem skom­

plikowania układu drgającego oraz jego integracji w różnicowaną ca­

łość.

C . E W O L U C J A Z JA W T S K P O W IE R Z C H N IO W Y C H

Należy przypuszczać, że rozwój życia uwzględnił również trzecią mo­

żliwość istniejącą w półprzewodnikach — rozbudowę powierzchniowego zagęszczenia ładunków. W problem atyce życia jest to waiżny szczegół in­

dyw idualizacji oraz integracji. Układu żywego nie można sobie w yobra­

zić jako pojedynczej drobiny, ale jednocześnie życie nie jest nieskoń­

czonym continuum drobin. K oacerw at czy koloidalna m icela posiadają już w łasną energetykę powierzchniową uw arunkow aną wieloma czynni­

kam i układu, jak i środowiska.

Powierzchniowa gęstość ładunków jest tak charakterystyczna, że stanow i nie tylko zew nętrzne granice półprzewodnika, ale również jego nieciągłości w ew nątrz (półprzewodnik niejednorodny). U kład biologicz­

ny w ytw orzył żywą granicę elektryczną — elektrostazę 38. Rola elektro-

87 W. D. Mc E 1 r o y, H. H. S e 1 i g e r, Proischożdienie i ew olucija biolum ines- cencji, T rudy V M ieżdunarodnogo Biochim iczeskogo Kongressa, M oskwa 1961, Sdm- pozjum III, s. 161.

E L E K T R O M A G N E T Y C Z N A T E O R IA Ż Y C IA 1 1 7

staży nie ograniczała się do elektrycznego zlim ityzowania układu, a więc do pewnego rodzaju integracji. Dzięki elektrostazie układ biologiczny działa jako elektrom agnetyczna całość. Wobec tego integracja dokony­

w ałaby się elektrom agnetycznie. To ważna granica przede wszystkim w odbiorze inform acji zarówno tej z zew nątrz, jak i w ew nętrznej. Zresz­

tą gęstość ładunków na powierzchni jest wcale duża, np. dla wosków roślinnych w ynosi 2,7 do 3,3 • 10~9 Coulomb/cm2.

E lektrostaza pełni rolę integrującą głównie jako w ibrator pod w pły­

wem inform acji elektrom agnetycznej z otoczenia oraz jako ostatnia ba­

riera elektryczna przy w yprom ieniow aniu pola biologicznego na ze­

w nątrz. W obu w ypadkach następuje częściowe odbicie z w praw ieniem w drgania własnej m em brany ładunków elektrycznych.

N ieorganiczny sta rt półprzewodnikowy okazał się perspektyw istycz- ny z chw ilą w prow adzenia su b stratu organicznego. Fizyka nieorganicz­

nych półprzewodników rozwiązywana w oprawie chemii organicznej oka­

zała się niezw ykle tw órcza ew olucyjnie w organizacji życia. E lektrosta­

za jest w ogólnej równow adze donorowo-akceptorowej ze środowiskiem. * To ostatnie jest bowiem również półprzewodnikiem zarówno jako po­

w ietrze, w oda czy gleba. Między organizm em a otoczeniem reguluje sy­

tuację elektroniczną złącze p-n. Innej relacji nie należy oczekiwać, sko­

ro organizm , jak i środowisko są półprzewodnikam i.

N ajtypow sza zależność, a może jedynie najlepiej zbadana, to efekt tlenow y podkreślany zarówno w fizyce półprzewodników 39, jak i radio­

biologii 40. Oddychanie tlenem drobinowym było na jakim ś etapie ewo­

lucji nie do uniknięcia. Mieściło się bowiem w ogólnych własnościach półprzewodników.

R adiacja to nie bezpośredni jedynie w pływ na układ biologiczny w zależności od pochłoniętej energii z w ielorakim i skutkam i dla stru k ­ tu r kom órkowych, drobinow ych czy atomowych. To jednocześnie zmia­

na sy tuacyjna na złączu p-n m iędzy organizm em i środowiskiem, choć­

by chemicznym. Jak każde złącze, tak i w tym w ypadku spełniać może ono różnorakie funkcje w yrażające się zawsze stanem napięciowo-prą- dowym. Złącze jest w tej sytuacji nie tylko barierą jako blokada elek­

troniczna (elektryczna integralność), ale może stanowić rolę selektyw ­ nego sita na wejście i wyjście atom ów donorowych lub akceptorow ych 41.

B adania tran sp o rtu jonowego przez błony komórkowe są spraw ą jeszcze

.aa j t . L a w, P owierzchnie półprzew odników , [W.:] N. B. H annay (pod red.) P ółprzew odniki (tł. z ang.), W arszaw a 1962, s. 657.

40 H. F r i t z - N i g g ł i , Radiobiologia (tł. z niem.), W arszaw a 1965, s. 349.

41 J. H. W a mg, Faciłitated Proton Transfer in E nzym e Catalysis, „Science”, 1968, 161, 328.

1 1 8

nie ukończoną *2. Sugestia tran sp o rtu aktyw nego mieściłaby się w stru k ­ turze złączowej mem bran. Po tej linii idą też badania nad sztucznym i błonami 43. Elektrostaza jest kom orą celną na granicy organizm u kiero­

waną elektrom agnetycznie zarówno przez inform ację _ w ew nętrzną, jak i w zależności od otoczenia.

Powierzchniowe zagęszczenie ładunków jest również reliktem w ynie­

sionym jeszcze z nieorganicznej genezy życia. Nieorganiczny sta rt życia otrzym ał w łasny w ystrój funkcjonalny elektrom agnetycznej natury, nie zatracając cech pierw otnych. Życie jednak tak dalece odbiegło od nie­

organicznego modelu w szczegółach, że tylko na drodze analizy m yślo­

wej można wydobyć oryginalny obraz zachowany reliktowo w ogólnych zasadach działania.

D . E W O L U C J A E M IT U J Ą C E G O U K Ł A D U

Elem entarne form y życia są nieznane, dostępny jest ostateczny finał, stw ierdzalny dziś. Nie znam y również dróg ewolucji życia do obecnego stanu. Można tylko retrospektyw nie wskazać zgodności w obecnym sta­

nie życia z etapam i wskazanym i tutaj.

Półprzew odniki jednoczą w sobie ubóstwo treści chemicznej z w ielora­

ką i złożoną funkcjonalnością. W skazuje to, że w toku ewolucji bioche­

micznej życie „dorabiało” treść nieorganicznym półprzewodnikom.

Stw ierdzanie, że na jakim ś etapie rozwoju życia znalazł się specyficzny związek chemiczny, jest niczym więcej jak historyczną rejestracją che- mizmu życia. Ciekawsze jest natom iast, co wpłynęło na rozwój związków organicznych biologicznie czynnych, jeśli do dyspozycji stały tylko in­

form acja elektrom agnetyczna oraz funkcjonalność półprzewodników.

W przybliżeniu można biopolim ery uważać za periodyczną sieć wo­

dorową i tlenową, w k tórą zostały wprowadzone atom y węgla szerego­

wo lub pierścieniowo, gdzieniegdzie została całość przetkana atom am i azotu. Tak wygląda w dużym uproszczeniu sytuacja. W takich w arun­

kach usieciowania łatw o o stany elektronow e oraz protonowe 44. Dalsze rezultaty tej ewolucji m am y natom iast w obecnej konstrukcji życia:

a) N erw y i mięśnie pracują na im pulsach typow ych dla półprzewod­

nikowego złącza p-n 4S,

42 I. P. A b r o l , R. C. S >rł v a s t a v a, Y. P. A b r o l , A n E xem ple of A ctive Transport of W ater Throug Plants, „E xperientia”, 1968, 24, 304.

43 H. T i T i e n, L ight-induced Phenom ena in B lack L ipid M em branes con- stituted fro m Photosynthetic P igm ents, „N aturę”, 1968, 219, 272.

44 M. D a v i s , Ranges o f Low -E nergy Electrons in Protein, „N aturę”, 1955, 175, 427.

45 W. S e d 1 a k, Podstaw y ew olucji świadom ości, „Roczniki Filozoficzne”, 1969, t. 17, z. 3, s. 125.

E L E K T R O M A G N E T Y C Z N A T E O R IA 2 Y C IA 1 1 9

b) półprzewodnictwo białek i kwasów nukleinow ych 46,

c) elektrolum inescencja, czyli pobudzenie im pulsami elektrycznym i do em isji fali elektrom agnetycznej 47,

d) chem ilum inescencja reakcji chemicznych w żywym układzie 48, e) fluorescencja i fosforescencja, czyli daw anie św ietlnej odpowiedzi na pobudzenie elektro m ag n ety czn e49.

To skrzętne „zabieganie” o im pulsy pola elektromagnetycznego może mieć duże znaczenie dla ogólnej równowagi redoksowej układu.

Prom ieniow anie takie działa bowiem re d u k u ją c o 50. Różne długości fali rozmaicie p rzy tym w pływ ają. Czerwone i podczerwone prom ieniowanie nie w ykazuje działania redukującego, żółte i zielone tylko nieznacznie przyspiesza redukcję, niebieskie i fioletowe wpływa już wyraźnie. Ma­

ksim um w ystępuje przy 313 m u 51. Em isja słabego prom ieniow ania by­

łaby więc polowym czynnikiem w arunkującym stan redoksowy, czyli akceptorow o-donorow y w pracującym półprzew odniku biologicznym.

Ew olucja biofizyczna szła więc ku w ytw orzeniu związków organicz­

nych uczulonych na działanie kw antu elektrom agnetycznego, a więc na w yspecjalizow aniu cechy typow ej już u półprzewodników. U ltrasłabe prom ieniow anie jest cechą istotną życia, jak się ostatnio coraz częściej stw ierdza. Spełnia ono zapewne rolę nie tylko w ydalania nadm iaru ener­

gii, ale stanow i jednocześnie sty m ulator połowy procesów elektronicz­

nych. Równolegle winno się rozwijać obniżenie progu pobudzenia.

Zm niejszenie energii aktyw acji dokonywało się w typow y dla półprze­

wodników sposób. Układy donorowo-akceptorowe odznaczają się niższym progiem aktyw acji niż poszczególne elem enty składowe oddzielnie.32

log y ”, N a tu rę ”, 1961, 189, 729; D. D. E l e y , R. B. L e s l i e , Conduction in Nucleic A cid C om ponents, „N atu rę”, 1963, 197, 898.

47 J. S t a u f f, G. R e s k e, L um ineszenz von Hefe, „N aturw issenschaften”, 1964, 51, 39.

48 S. P a s z y c, Fotochem ia zw ią zkó w flaw inow ych, „Postępy Biochem ii”, 1967, t. 13, n r 2, s. 161; J. S ł a w i ń s k i , Chem ilum inescencja w biologii, „Postępy Bio­

chem ii”, 1967, t. .13, n r 2, s. 191; J. H. H e l b e r g e r , U eber einen neuen Fali von C hem ilum ineszenz, „N aturw issenschaften”, 1938, 26, 316.

40 e . H a n s s e n , E. D o d t , U ntersuchungen iiber die E igenfluoreszenz bei G ram ineen u n d L egum inosen, „N aturw issenschaften”, 1955, 42, 76; K. P r z i b r a m , Z u r Fluoreszenz der Haut, „N aturw issenschaften”, 1957, 44, 393.

50 g H i i c k s t e d t , R ed u ktio n seffekte ultravioletter Strahlen, „N aturw issen­

sch aften ”, 1964, 51, 382.

51 e . S p o d e , E. W e b e r , N eue U ntersuchungen iiber die reduktionsbesch- leunigende W irku n g optischer Strahlen, „N aturw issenschaften”, 1953, 40, 481.

52 M. K r y s z e w s k i , P ółprzew odniki w ielkocząsteczkow e, W arszaw a 1968, s. 96—109, 135

1 2 0 W Ł O D Z IM IE R Z S E D L A K

Ewolucja w inna więc pójść w k ierunku w ytw orzenia kompleksów łączą­

cych w sobie właściwości donora i akceptora. Jest to cechą prostego na­

wet am foteru, jak woda czy nieorganiczny koloid. Założenia pojedynczej drobiny am foterycznej zostały rozbudowane w układy o skom plikow a­

nej strukturze, łącząc w sobie ten sam prosty model biwaleńtności elek­

tronowej.

Procesy biochemiczne dokonują się według m echanizm u półprzewod­

nikowego, a więc przejść elektronu z cząsteczki donora do cząsteczki akceptora. W ytworzenie puryn, k tóre są dobrym i donorami, jest zna­

m iennym i rysem życia. Dobrym donorem jest również guanina, nieco gorszym adenina. P irym idyny natom iast w inny posiadać um iarkowane własności donorowe, w każdym razie słabsze niż puryny. Własności elek- tronowo-akceptorowe puryn i pirym idyn są natom iast mniej i charakte­

rystyczne.

Dalszym etapem jest w ytw orzenie p a r purynowo-pirym idynow ych- w DNA. Układy donorowo-akceptorowe stanow ią pary guanina-cyto- zyna, adenina-tym ina. W prawdzie brak dowodów doświadczalnych na własności elektronowo-donorowe, ale zdolność w ytw arzania kompleksów z różnymi substancjam i łatw o się w ten sposób tłumaczy. W grupie elektrono-akceptorów znajdują się pterydyna, prawdopodobnie rybo- flaw ina 53, chinony 54.

Przy różnicy donorowo-akceptorowej elem entów składowych DNA i RNA spirala obu w inna wykazywać różnicę potencjału redoksowego.

Dla RNA przynajm niej przyjm uje się koniec „akceptorow y” 55. Uwzględ­

niając anizotropię RNA 56 oraz zapewne i DNA przy ułożeniu zasad pu- rynow ych i pirym idynow ych o różnym potencjale redoksowym można cały Układ traktow ać jako zestaw złąosy p-n. „W ejście” będzie reprezen­

towało inny stan elektronow y niż „w yjście”. Tak subtelny układ półprze­

wodnikowy m usi być niezw ykle w rażliw y na działanie pola elektro­

magnetycznego, co też w rzeczywistości stw ierdzam y przynajm niej dla D N A 57 w postaci całkowitego ustania syntezy jego pod w pływ em na­

w et m ałych dawek. Kwasy nukleinowe byłyby wobec tego niezwykle czułymi detektoram i słabego promieniowania.

53 B. P u l l m a n , A. P u l l m a n , Q uantum Biochem istry, (tł. z ras.), New York—London 1963, s. 177, 178, 179, 180, 320.

54 D. W .. H u t c h i n s o n, N u kleo tyd y i ko en zym y (tł. z ang.), W arszaw a 1966, s. 73.

55 D. W. H u t c h i n s o n, N ukleotydy, s. 159—161.

59 J. B r a c h e t , Rola biologiczna kw asów rybonukleinow ych (tł. z ang.), W ar­

szaw a 1963, s. 70, 72, 73, 97.

57 A. K e l n e r , G rowth, respiration, and nucleic acid synthesis in ultraviolet irradiated and in photoreactw ated Escherichia coli, „J. B acteriol.’’, 1953, 65, 252 (za Brachet).

E L E K T R O M A G N E T Y C Z N A T E O R IA Ż Y C IA 121

Dalszym etapem rozwojowym, w ynikającym zresztą konsekw entnie z półprzewodników, jest w ypracow anie czynników dokonujących tran s­

fe ru elektrycznego. Chodziło o zm niejszenie elektronowego bezwładu w układzie biologicznym. Ruchliwość elektronów byłaby tu o dużym znaczeniu. W w ielu w ypadkach życie w ykonuje to na drodze elektronu Jt w heterocyklicznych związkach.

Nie p o trafim y jeszcze powiedzieć, w jaki sposób doszło do liniowej kondensacji pierścieni arom atycznych w wielu typach związków orga­

nicznych żywego ustroju. W każdym razie fizyka półprzewodników w poszukiw aniu związków organicznych o dobrych cechach elektronicz­

nych stw ierdziła, że^własności półprzewodnikowe popraw iają się w mia­

rę liniowej kondensacji pierścieni arom atycznych. Nie znamy również dróg ew olucyjnych wiodących do zamknięcia pierścieni pirolowych w porfirynach oraz w ykorzystania ich jako czynnika chelatującego dla Mg, Fe, Co, Cu. Być może dalsze badania nad efektem M óssbauera będą to mogły w przyszłości w y k azać58.

Pole elektrom agnetyczne jest z jednej strony w ynikiem procesów życiowych, z drugiej ich napędem . Życie wyspecjalizowało się w odbio­

rze niezw ykle słabej inform acji tego typu. Na tej drodze musiało nie­

jako odbierać na sposób falow y to, co się w nim chemicznie działo. Stąd niezw ykła ilość reakcji chemicznych, dzielenie ich na enzym atyczne eta­

py, uw ielokrotnienie procesów. Półprzew odnikow e własności były mo­

delem funkcjonalnym w ypełnianym na organiczny i biologiczny w kon­

sekw encji sposób. Jednocześnie sterow anie biochemiczne procesami na różnych poziomach organizacyjnych (drobiny, organeli, komórki, narzą­

du, całego organizm u) jest niemożliwe przy małej zwrotności tego ty ­ pu regulacji w złożonym układzie*- Wielostopniowość organizacyjna jest w yjaśnialna n a zasadzie m ultim odalnego przekazu inform acji elektro­

m agnetycznej. Na tej samej fali nośnej może być przekazyw ana różno­

rodna sygnalizacja nakładająca się inną częstotliwością. Prawdopodobnie na podstaw ow ej częstotliwości w w idzialnej szerokości pasm a (biolumi- nescencja, u ltrasłabe prom ieniow anie) są przesyłane dodatkowe impulsy różnej częstotliwości odbierane selektyw nie. Prawdopodobnie DNA i' RNA stanow ią m odulatory do odczytyw ania wszystkich rodzajów in­

form acji. Szerokopasmowy ch a rak ter pola biologicznego m iałby swoje' bardzo istotne znaczenie w w ielokrotnej koordynacji i sterow aniu.

Pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowa stru k tu ra białek wym aga zapewne oddzielnej inform acji, a jednocześnie każda z nich jest selektyw nym od­

biornikiem wysokiej klasy. Jeśli można wnioskować na podstawie tech­

58 w . I. G o 1<J a n s k i , E fe k t Móssbauera i jego zastosowanie w chem ii (tł. z ros.), W arszaw a 1966.