12345678

Na początku lat siedemdziesiątych minionego stulecia dużym zainteresowaniem cieszyła się teoria samoorganizacji materii sformułowana przez Manfreda Eigena. Jej model matematyczny opisywał zasady doboru i ewolucji cząsteczek chemicznych na podstawie kinetycznej analizy wzrostu populacji jednych kosztem drugich; niektóre z nich wykazywały zdolność „reprodukcji”, czyli - mówiąc prościej - uczestniczyły w reakcjach autokatalitycznych. Konkurencję wygrywały układy reprodukujące się możliwie szybko i wiernie, a ciekawym osiągnięciem modelowania było stwierdzenie, że owa sprawność wzrasta z długością łańcucha molekuł. Okazało się zarazem, że mechanizm reprodukcji coraz bardziej przypomina funkcjonowanie kodu genetycznego, że wreszcie oddziaływanie kwasów nukleinowych z niektórymi białkami (zespoły takie nazwano hypercyklami) umożliwia szczególnie wzmożoną reprodukcję i zdolność dalszej ewolucji. Czyżby zatem hypercykle Eigena były wstępem do biologicznej ewolucji materii - ewolucji, która doprowadziła do przeogromnej różnorodności ożywionego świata?

Kilka lat później pojawiła się koncepcja Tibora Gantiego oparta na analizie przebiegu i szybkości reakcji oscylacyjnych. Symulacja komputerowa wskazała, że układ pięciu odpowiednio dobranych procesów prowadzi do tzw. chemotonu, czyli tworu, który zdaniem autora jest zdolny do samoodtwarzania swej struktury, wzrostu, a wreszcie do wymiany materii oraz energii z otoczeniem poprzez otoczkę wytworzoną przez układ i przypominającą błonę komórkową. W tych kategoriach chemoton zyskuje rangę najmniej skomplikowanego, wręcz elementarnego tworu, wykazującego cechy właściwe dla życia. Może to zatem on zapoczątkował ewolucję biologiczną?

Także i to pytanie pozostanie bez odpowiedzi. Pamiętajmy bowiem, że idea chemotonu (podobnie jak hypercykli) zrodziła się z komputerowej symulacji problemu. W wypadku chemotonu reakcje oscylacyjne dobierano tak, aby przebieg każdej z nich wpływał przynajmniej na niektóre stadia pozostałych. Trzeba było zatem wybrać właściwe, z reguły hipotetyczne reagenty, założyć niekoniecznie realne mechanizmy oraz szybkości procesów elementarnych itp. A wiadomo przecież, że pojawienie się struktury dyssypatywnej właściwej dla tylko jednego oscylatora wymaga spełnienia różnorodnych warunków związanych z rodzajem sprzężenia między stadiami elementarnymi, wartościami stałych kinetycznych i współczynników dyfuzji, a nawet parametrami geometrycznymi naczynia, w którym przebiega reakcja. Traktujmy przeto chemoton jako ciekawą propozycję, nie oczekujmy jednak, że odsłoni on tajemnicę początku życia.

Na zakończenie jeszcze jedna refleksja: na podstawie II zasady termodynamiki w ujęciu probabilistycznym wiemy, że procesy nieodwracalne samorzutnie przebiegające w przyrodzie charakteryzują się przechodzeniem od struktur bardziej złożonych do prostszych. Powstawanie organizmów żywych wbrew pozorom nie jest wcale sprzeczne z tym stwierdzeniem, nie narusza ono nawet w najmniejszym stopniu II zasady termodynamiki. Z definicji entropii dla procesu nieodwracalnego wynika przecież zależność

ΔS > q/T

gdzie q symbolizuje energię wymienianą na sposób ciepła z otoczeniem w temperaturze T. Pojawia się jednak pytanie: o ile większa jest wielkość ΔS od q/T. Jeśli przyjmiemy, że o q'/T, to otrzymamy

ΔS = q/T + q'/T

Tak więc na zmianę entropii ΔS związaną z przebiegiem procesu nieodwracalnego wpływają dwa składniki: pierwszy, ΔeS, wynika z wymiany energii na sposób ciepła z otoczeniem, drugi zaś, ΔiS - z wytwarzaniem entropii wewnątrz układu. A zatem

ΔS = ΔeS + ΔiS

Znak ΔeS może być dodatni lub ujemny zależnie od kierunku przepływu energii, natomiast wielkość ΔiS musi być dodatnia (staje się ona równa zeru w wypadku procesu odwracalnego). Szybkość zmian entropii w czasie dana jest przeto wyrażeniem

ΔS/Δt = ΔeS/Δt + ΔiS/Δt

w którym ΔiS/Δt jest szybkością wytwarzania entropii przez układ, zaś ΔeS/Δt - szybkością wymiany z otoczeniem. Można oczekiwać, że w szczególnych warunkach szybkość oddawania entropii otoczeniu zrówna się z szybkością jej wytwarzania; w takim wypadku entropia układu pozostanie stała, chociaż przebiegają w nim procesy nieodwracalne, a więc nie została osiągnięta równowaga. Powiadamy wówczas, że układ doszedł do stanu stacjonarnego termodynamicznie. Jest to stan charakterystyczny dla organizmów żywych, jego zakłócenie związane z zanikiem wytwarzania entropii (ΔiS/Δt = 0), prowadzi do równowagi, czyli śmierci organizmu. W tym świetle, jakże optymistycznie brzmią następujące słowa:

Świadomy chemik nie umiera,
on po prostu osiąga stan równowagi termodynamicznej.

Niechaj będą one zakończeniem rozważań chemika o istocie życia.

W czasie wykładu demonstrację reakcji oscylacyjnych przeprowadziła p. Elżbieta Orłowska. Komputerową wersję ilustracji wykonała mgr Krystiana A. Krzyśko. Reprodukowane fotografie obiektów astronomicznych pochodzą ze zbiorów NASA.

 
12345678
powrót na górę strony
Wykład
O istocie życia. Rozważania chemika
Strona
8/8
Autor
Wydział Chemii Uniwersytetu Warszawskiego
Kliknij nazwisko autora, aby zobaczyć notkę biograficzną w serwisie Nauka Polska