123456789
Sprzężenia zwrotne w chemii - nieliniowa dynamika reakcji chemicznych

Chcielibyśmy zainstalować w chemii sprzężenie zwrotne. Po co? Ten, kto raz widział urządzenie działające ze sprzężeniem zwrotnym, wie, że sprzężenie to jest niezbędnym elementem sterowania9. Sterowanie zaś stężeniem różnych substancji jest podstawą funkcjonowania układów zorganizowanych i reagujących na zmiany otoczenia (np. robotów lub układów biologicznych).

Jak takie sprzężenie stworzyć? Dobrze byłoby, aby podczas pracy układu wzrastało stężenie substancji X, ale jednocześnie, żeby to uruchamiało jakiś proces unicestwiania X i zastępowania jej substancją Y, taką jednak, która rozmnaża X kosztem przerobu Y. Mielibyśmy więc schemat: (dużo X, a mało Y)→(dużo Y, a mało X)→(dużo X, a mało Y)→ ..., czyli oscylacje stężeń X i Y w czasie!10

Brukselator - struktury dyssypatywne

Wyobraźmy sobie, że prowadzimy reakcję chemiczną w warunkach przepływowych,11 tzn. do długiej cienkiej rurki (reaktora) wpuszczamy stały strumień substancji A i stały strumień substancji B, w reaktorze następuje intensywne mieszanie substancji, a z reaktora strumień reagentów wypływa do zlewu (ryc. 5). Czekamy, aż ustali się stan stacjonarny (nie jest to stan równowagi!).

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rycina 5: Reaktor przepływowy (w postaci cienkiej rurki) z mieszaniem. Cienka rurka potrzebna jest po to, aby później łatwo było opisać reaktor przepływowy bez mieszania (czyli z dyfuzją X i Y).

W reaktorze po przybyciu A i B pojawiają się jeszcze dwie substancje:12 X i Y, które w bilansie całkowitym udziału w reakcji nie biorą, ale na etapach pośrednich - owszem (są to więc katalizatory). Jako modelu użyjemy następującego łańcucha reakcji (stężenie molowe substancji A będziemy oznaczać przez A itp.):

A → X
B + X → Y + D
2X + Y → 3X
X → E
sumarycznie : A + B + 4X + Y → D + E + 4X + Y

Ten ciąg reakcji spełnia nasze postulaty, co do sprzężenia zwrotnego. W reakcji 1 narasta stężenie X, w reakcji 2 substancja X się zużywa, a tworzy się Y, w reakcji 3 substancja Y potrafi (swoim kosztem) wzmóc produkcję X (etap autokatalityczny, wtedy X zamienia się na Y (reakcja 2) itd. W ten sposób powstają oscylacje13 stężeń X i Y zachodzące w czasie, a przy uwzględnieniu dyfuzji również w przestrzeni (struktury dyssypatywne, ryc. 6).

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rycina 6: „Takie zwierzę nie powinno istnieć!”. No bo skąd molekuły wiedziały, że trzeba się układać we wzór, który ma być zachwycający, gdy patrzy się z odległości od 2 do 1000 m! Wiele razy patrzyłem na zebrę i nagle niedawno zobaczyłem na jej skórze bifurkacje opisane w równaniu logistycznym. Szyja zebry wykazywała quasi-periodyczne oscylacje barwnika białego i czarnego (okres 2), na grzbiecie zebry było już podwojenie tego okresu (okres 4), tył zebry miał już okres 8...

Układy chemicznych sprzężeń zwrotnych mogą być sprzężone ze sobą poprzez wspólny reagent. Bardzo złożony układ ściśle ze sobą współpracujących chemicznych sprzężeń zwrotnych, materialnie realizowany przez wielopiętrowe struktury supramolekularne, mógłby reagować w niezwykle złożony, a przez to fascynujący sposób na dopływający do układu strumień energii czy materii.14 Może w tym kontekście nie jest dziwne, że jeden kwant światła padający na retinal w oku rysia od ukrytej w ciemności ofiary uruchamia całą gamę przemyślnych makroskopowych zachowań związanych z polowaniem lub może z innej dziedziny: jedno spojrzenie dziewczyny może odmienić losy wielu ludzi,15 a czasem i losy świata! To właśnie wspomniany retinal w siatkówce oka (rysia lub chłopca) uderzony kwantem światła o odpowiedniej częstotliwości zmienił swoją konformację z trans na cis. Uruchomiło to kaskadę dalszych procesów, których rezultatem był impuls nerwowy docierający do mózgu i stało się!

123456789
powrót na górę strony
Wykład
Czas, rytmy chemiczne i przyszłość chemii
Strona
6/9
Autor
Wydział Chemii Uniwersytetu Warszawskiego
Kliknij nazwisko autora, aby zobaczyć notkę biograficzną w serwisie Nauka Polska