Silniki
molekularne
UKRYWAJŃC SIó W RUINACH DOMU w po"udniowo-za-
chodnim Londynie, bohater Wojny Ęwiatów zachwyca" si� tech-
niką Marsjan:
Najbardziej chyba cz"owieka zdumiewa w ich urządzeniach nie-
obecnoĘ� ko"a  dominującej cechy wszystkich prawie ludzkich
mechanizmów.
Zaawansowana technika moŻe si� obejĘ� bez wszystkiego, co
Molekularny zam�t,
zwykle uwaŻamy za niezb�dne. Tak w"aĘnie jest w szybko roz-
wijającej si� dziedzinie, w której spotykają si� fizyka, chemia
kwantowe szaleł
stwo:
i biologia: w badaniu i konstruowaniu urządzeł
pe"niących ro-
mikroskopijne maszyny
l� pomp i silników w molekularnej skali. Mechanizmy te zwy-
kle nie mają obracających si� elementów, przek"adni i innych cz�-
muszą dzia"a�
Ęci kojarzących si� z konwencjonalnymi silnikami. Na tym jednak
w zwariowanym Ęwiecie.
róŻnice si� nie koł
czą. W zwyk"ym silniku dostarczana ener-
gia powoduje ruch, a w tych silnikach uŻywa si� jej do zatrzy-
JeĘli jednak nie moŻna
mania ruchu. I chociaŻ wydają si� one przyk"adem obcej, ko-
smicznej techniki, są najpowszechniejszym rodzajem silników chaosu pokona�, czemu
na naszej planecie, bo na nich w"aĘnie opierają si� procesy za-
go nie wykorzysta�?
chodzące we wszystkich Żywych komórkach.
Nasza codzienna intuicja wykszta"cona na obserwacji du-
Żych maszyn zawodzi, gdy zaczynamy zastanawia� si� nad
R. Dean Astumian
mikroĘwiatem. To kapryĘny Ęwiat rządzony przez termiczne
i kwantowe fluktuacje. Deterministyczny ruch cząsteczek podob-
ny jest do prób chodzenia podczas huraganu: si"y popychające
cząsteczk� w poŻądanym kierunku są znikome w porównaniu
z pot�Żnymi si"ami wywieranymi przez otoczenie. A jednak ko-
mórki Żyją. Transportują materia"y, pompują jony, budują bia"-
ka, przemieszczają si� z miejsca na miejsce. Z chaosu tworzą
porządek.
W ostatnich latach badacze zrozumieli, jak to si� dzieje. Wy-
myĘlili coĘ, co moŻna by nazwa� zapadkowym mechanizmem
ruchów Browna  pozwala on robi� dobry uŻytek z przypadko-
wego szumu. Sztuczka polega na  wyprostowaniu szumu, od-
filtrowaniu niechcianych przypadków i pozostawieniu tylko
tych, które nam odpowiadają. Zasada ta przypomina zjawisko
znane jako stochastyczna synchronizacja, w którym zwi�ksze-
nie szumu w kanale komunikacyjnym moŻe w efekcie u"atwi�
przekazywanie sygna"u [patrz: Frank Moss i Kurt Wiesenfeld
 UŻytecznoĘ� szumów t"a ; �wiat Nauki, paędziernik 1995].
WRZESIEĄ 2001 �WIAT NAUKI 35
Naukowcy korzystając z metod stoso- na gradowe popchni�cie do przodu. Je- miarów i Ęwiadomej interwencji. Kie-
wanych w chemii, zacz�li opracowywa� Ęli nic wtedy nie zrobimy, to samochód rowca musi jedynie siedzie� w samocho-
miniaturowe silniki i inne podobne urzą- wkrótce przemieĘci si� do ty"u, jeĘli jed- dzie i  pompowa� hamulec, na prze-
dzenia mogące manipulowa� pojedyn- nak szybko przesuniemy ceg"�, to mo- mian blokując i uwalniając z�by ko"a.
czymi cząsteczkami. Takie maleł
kie ma- Żemy zatrzyma� samochód w nowym Ze wzgl�du na pochylone z�by w kole
szyny naĘladują czynnoĘci zbudowanych po"oŻeniu. Kontynuując takie post�po- zapadkowym do popchni�cia samocho-
z bia"ek silników i pomp dzia"ających w wanie  przesuwając ceg"� za kaŻdym du do przodu i przeskoczenia jednego
komórkach  przekszta"cają energi� che- razem, gdy samochód poruszy si� nie- z�ba wystarcza uderzenie z ty"u kilku
miczną w prac� mechaniczną z prawie co do przodu  moŻemy jecha� po ulicy, gradowych bry"ek, gdy hamulec jest
100-procentową wydajnoĘcią  i mogą nawet pod górk�. zwolniony (nast�pnie po naciĘni�ciu ha-
wykonywa� takie zadania, jak moleku- Przesuwanie ceg"y za drgającym sa- mulca popychacz Ęlizga si� po z�bie ob-
larna synteza, precyzyjne przesiewanie, mochodem poĘród gwa"townej grado- racając ko"o, zanim je zablokuje). ZaĘ na
operacje logiczne z niskim poborem ener- wej burzy wymaga bystrego oka i zr�cz- popchni�cie do ty"u po"ączone z prze-
gii i kontrola procesów porównywalna noĘci. Na szcz�Ęcie taki sam efekt moŻna skoczeniem jednego z�ba w ty" potrze-
z tą, w której ludzie wykorzystują mikro- uzyska�, zast�pując standardowy hamu- ba wi�kszej liczby uderzeł
gradowych
procesory. MoŻe to by� pierwszy krok lec mechanizmem zapadkowym  urzą- bry"ek w przód samochodu (obrót ko"a
zmieniający naukową fikcj� nanotechno- dzeniem pozwalającym na ruch tylko musi by� tak duŻy, by popychacz trafi"
logii  marzenie o kontroli nad materią w jednym kierunku. Mechanizm zapad- na sąsiedni ząb). Ta asymetria zapewnia
w skali atomowej  w naukowy fakt. kowy sk"ada si� z ko"a z�batego o asy- ruch samochodu do przodu nawet wte-
metrycznych z�bach i zapadki  niewiel- dy, gdy hamulec jest w"ączany i wy"ą-
Hamowanie ruchu kiej dęwigienki zatrzymującej ruch ko"a czany przypadkowo. Pi�kno tego uk"a-
NAWET WYJŃTKOWO silne gradobicie nie i nie pozwalającej na obrót do ty"u. W ko- du polega na tym, Że nie wymaga on
moŻe si� równa� z gwa"townym bom- "owrocie czy w zapadkowym kluczu za- synchronizacji  nie potrzebuje staranne-
bardowaniem wyst�pującym normalnie padka jest popychana przez spr�Żyn�. go skorelowania ruchów, z jakim mamy
w molekularnym Ęwiecie, efekty jednak Podobny mechanizm zapadkowy móg"- do czynienia w zwyczajnym silniku.
są podobne. Gdy zaparkujemy samo- by zapewni� ruch samochodu w jednym UĘrednianie w czasie wykazuje, Że
chód przed pagórkiem, wy"ączymy silnik tylko kierunku. By"by to jednak niezwy- gradowe bry"ki nie wywierają Żadnej
i zaciągniemy r�czny hamulec, to samo- kle powolny ruch, bo przyczynia"aby si� wypadkowej si"y na samochód. Pojazd
chód nie zacznie wdrapywa� si� pod gó- do niego tylko niewielka cz�Ę� grado- porusza si� do przodu dzi�ki uŻyciu
r�. Wyobraęmy sobie jednak nast�pującą wych bry"ek, jedynie te mające dosta- hamulca, który uruchamia popychacz
sytuacj�: setki gradowych bry"ek w kaŻ- tecznie duŻy p�d, aby przezwyci�Ży� naciskający na "agodnie nachyloną stro-
dej sekundzie uderzają ze wszystkich dzia"anie spr�Żyny na zapadk�. n� asymetrycznego z�ba w kole zapad-
stron w samochód. KaŻda z nich przeka- Lepszym rozwiązaniem jest pochyle- kowym. JeĘli zabraknie jednego ze sk"ad-
zuje pojazdowi niewielki p�d, przesu- nie z�bów w przeciwnym kierunku i za- ników  asymetrii z�bów w kole za-
wając go troszk� do przodu lub do ty"u. stąpienie zapadki ze spr�Żyną popycha- padkowym, wstrząsów samochodu spo-
�rednio biorąc, p�d przekazywany po- czem uruchamianym przez peda" ha- wodowanych przez uderzenia grado-
jazdowi równy jest zeru, jednak w kaŻ- mulca. Gdy hamulec nie jest w"ączony, wych bry"ek czy energii dostarczanej
dym wybranym przedziale czasu samo- popychacz nie dzia"a i samochód moŻe podczas pompowania hamulca  to me-
chód przesunie si� nieco bardziej w si� swobodnie przesuwa� do przodu i do chanizm przestaje dzia"a�.
jednym kierunku niŻ w drugim. ty"u. Gdy zaĘ kierowca naciska peda" ha- Taki wynalazek nie mia"by oczywiĘcie
MoŻemy w prosty sposób wykorzy- mulca, to uruchamia popychacz i zatrzy- sensu w przypadku prawdziwego samo-
sta� te przypadkowe popchni�cia. W"oŻy� muje ko"o z�bate (wraz z samochodem). chodu. PrzybliŻone obliczenia wykazu-
ceg"� pod tylne ko"o, aby uniemoŻliwi� Tak zmodyfikowany mechanizm za- ją, Że przy realistycznej cz�stoĘci naci-
pojazdowi zjeŻdŻanie do ty"u i czeka� padkowy obywa si� bez dok"adnych po- skania hamulca samochód móg"by
osiągną� pr�dkoĘ� nie przekraczającą
kilometra na godzin�, czyli mniej wi�-
cej jedną dziesiątą swojej d"ugoĘci na
Przegląd / Jak dzia"ają silniki molekularne
sekund�. Maksymalna si"a wywierana
na samochód by"aby równa jednej mi-
By zbudowa� silnik molekularny, nie wystarczy zminiaturyzowa� zwyk"y silnik. Badacze
zmuszeni są do przemyĘlenia zasad jego dzia"ania. lionowej si"y ci�ŻkoĘci, a wi�c w najlep-
W zwyk"ych silnikach dostarczana energia powoduje ruch. W silnikach molekularnych do- szym razie samochód móg"by podjeŻ-
starczana energia ruch zatrzymuje. Dzi�ki selektywnemu eliminowaniu ruchów niepoŻąda-
dŻa� pod bardzo niewielkie wzniesienie.
nych i zezwalaniu na poŻądane oraz wykorzystaniu mechanizmu zapadkowego, podobne-
Jednak gdy samochód jest bardzo ma-
go do znanego nam z kluczy zapadkowych, silnik molekularny przekszta"ca p�d czerpany
"y  powiedzmy, wielkoĘci duŻej cząstecz-
z przypadkowych wp"ywów otoczenia na zorganizowany ruch.
ki  a w dodatku zanurzony w wodzie,
Wydaje si�, Że mechanizm zapadkowy pozwala uzyska� coĘ z niczego, ale drugie prawo
to ten sam mechanizm jest znacznie bar-
termodynamiki nie pozwoli"oby na to. S"ynny fizyk Richard Feynman wyjaĘni", Że wszystko
dziej skuteczny [ramka na stronie 38].
jest tu w porządku.
Stosunek masy cząsteczki wody i nie-
Silniki takie umoŻliwiają spe"nienie wielu marzeł
nanotechnologów. T"umaczą równieŻ,
wielkiej cząsteczki bia"ka jest mniej wi�-
jak funkcjonują komórki w chaosie mikroĘwiata.
cej taki sam, jak stosunek mas gradowej
36 �WIAT NAUKI WRZESIEĄ 2001
ILUSTRACJA NA STRONIE 34: PHILIP HOWE
WALKA O WZGÓRZE
JAZDA POD GÓRKó SAMOCHODEM Z WY�ŃCZONYM SILNIKIEM jest przenoĘnią u"atwia-
jącą zrozumienie molekularnych silników. Wydaje si� to nieprawdopodobne, a jednak moŻe
si� zdarzy�, jeĘli samochód wyposaŻony zosta" w specjalny zapadkowy hamulec i bombar-
dowany jest nieustannie przez gradowe bry"ki. W kategoriach energii potencjalnej górk� mo-
Że reprezentowa� linia prosta, a hamulec (gdy jest w"ączony)  niesymetryczne z�by.
60%
39%
Po"oŻenie
Gdy hamulec jest wy"ączony, a gradowe
Gdy hamulec jest w"ączony, wówczas sa-
bry"ki ciągle uderzają w samochód, to prze-
mochód (a w"aĘciwie popychacz blokują-
suwa si� on drgającym ruchem, bez"adnie
cy z�by ko"a) musi znaleę� si� w dolnej
do przodu i do ty"u. Prawdopodobieł
stwo
pozycji z�ba, czyli w lokalnym minimum
osiągni�cia okreĘlonego po"oŻenia moŻna
energii potencjalnej. Prawdopodobieł
stwo
obliczy� na podstawie nachylenia drogi i d"u-
wypchni�cia samochodu z tej zablokowa-
goĘci odcinka czasu. Mimo iŻ zsuwanie si�
nej pozycji przez uderzenia gradowych bry-
z górki jest uprzywilejowanym kierunkiem Powtórne naciĘni�cie hamulca sprowadza
"ek jest niewielkie. (Gdyby to si� zdarzy"o,
ruchu, to prawdopodobieł
stwo przesuni�cia samochód do początkowego po"oŻenia
samochód mia"by tendencj� do cofania si�
si� samochodu z hamulcem zapadkowym (w danym przypadku z 60-procentowym
 tzn. do zjeŻdŻania po drodze najmniejsze-
tak, aby przeskoczy� po"oŻenie wierzcho"- prawdopodobieł
stwem), popycha do przo-
go oporu zapadki.)
ka z�ba z prawej strony, jest wi�ksze niŻ z�- du o jeden ząb (39%) lub do ty"u (1%,
ba z lewej (linie przerywane). przypadek nie pokazany).
bry"ki i samochodu. RóŻnica polega na zyk Juan M. R. Parrondo z Universidad moŻna przypadkowych fluktuacji ter-
tym, Że cząsteczki wody uderzają w bia"- Complutense de Madrid wykaza" ostat- micznych zamieni� w mechaniczną pra-
ko miliardy razy w kaŻdej sekundzie. Te nio, Że ta sama zasada stosuje si� do gier c�. W swoich s"ynnych Wyk"adach z fizy-
uderzenia powodują bez"adne przesu- hazardowych. Branie udzia"u cyklicz- ki Richard Feynman analizowa" ten
ni�cia, dobrze znane jako ruchy Browna. nie w dwu grach, z których Żadna nie mechanizm umieszczony na osi ko"a "o-
Nie zdajemy sobie jednak sprawy z te- daje graczowi szans na wygranie, mo- patkowego. JeĘli zapadka mog"aby za-
go, Że lilipuci mechanizm zapadkowy Że przechyli� szanse na jego stron�. pobiec cofaniu si� ko"a, to zderzenia
umoŻliwia wykorzystanie ruchów Brow- cząsteczkowe mog"yby spowodowa� nie-
na do przekszta"cenia energii bez"ad- D"ugie rami� drugiego prawa regularny, ale ciąg"y obrót [rysunek na
nych uderzeł
w ukierunkowany ruch. PIERWSZŃ REAKCJŃ FIZYKA na opisane po- stronie 39]. W rezultacie otrzymaliby-
Niewielka cząsteczka bia"ka mog"aby wyŻej dzia"anie mechanizmu zapadko- Ęmy perpetuum mobile drugiego rodza-
w ten sposób osiągną� pr�dkoĘ� jedne- wego by"oby stwierdzenie, Że mamy do ju  tj. takie, które zaprzecza drugiemu
go mikrometra (dziesi�� d"ugoĘci czą- czynienia z naruszeniem drugiego pra- prawu. (W tym urządzeniu nie czerpie
steczki) na sekund�, co odpowiada"oby wa termodynamiki, w myĘl którego nie si� energii z niczego, zatem nie zaprze-
100 km/h w przypadku samochodu. Me-
chanizm zapadkowy pokonywa"by przy
R. DEAN ASTUMIAN jest profesorem fizyki w University of Maine, dokąd przeniós" si� nie-
tym si"� si�gającą 10 pN, prawie milion
dawno z University of Chicago, gdzie wyk"ada" biofizyk�. Jest autorem ponad 50 artyku"ów
razy wi�kszą od dzia"ającej na cząstecz-
na temat molekularnych silników i pomp. W roku 1987 otrzyma" Nagrod� im. Galvaniego
k� si"y ci�ŻkoĘci.
od Bioelectrochemical Society, jest równieŻ cz"onkiem American Physical Society. Inne je-
To zadziwiające, Że po"ączenie dwu
go zainteresowania wiąŻą si� z mechaniką statystyczną przekazu sygna"ów przez komórki.
przypadkowych procesów moŻe prowa- Jest zapalonym pianistą i w�drowcem cieszącym si� wraz z Żoną, synem i córką naturalnym
dzi� do nieprzypadkowych efektów. Fi- pi�knem krajobrazów stanu Maine.
WRZESIEĄ 2001 �WIAT NAUKI 37
Energia
potencjalna
O AUTORZE
PHILIP HOWE
cza ono pierwszemu prawu termodyna- naszą intuicją, b�dzie si� obraca� w kie- Żynka. PoniewaŻ cząsteczka helicenu
miki, prawu zachowania energii). runku przeciwnym do ruchu wskazó- ma zagi�cie, to "atwiej jej obraca�  ko-
JednakŻe jak wykaza" Feynman, urzą- wek zegara. JeĘli zaĘ spr�Żyna jest cie- "o "opatkowe zgodnie z kierunkiem ru-
dzenie takie nie moŻe dzia"a� bez do- plejsza, to ko"o zapadkowe obraca si� chu wskazówek zegara niŻ przeciwnie.
starczania energii z zewnątrz. Zapadka zgodnie z ruchem wskazówek zegara, Jednak pomimo tej asymetrii badania
musi by� dociskana do ko"a z�batego wykonując ruch uniemoŻliwiany zwy- za pomocą spektroskopii jądrowego
spr�Żynką, która równieŻ podlega ter- kle przez zapadk�. KaŻde odst�pstwo rezonansu magnetycznego (NMR) wy-
micznemu szumowi. Od czasu do czasu od równowagi umoŻliwia ruch mecha- kaza"y dok"adnie taką samą cz�stoĘ�
termiczne fluktuacje odchylają spr�Żyn- nizmu zapadkowego, a czynnik prowa- obrotów w kierunku zgodnym z ruchem
k�, zapadka si� podnosi i przedwcze- dzący do tego braku równowagi dostar- wskazówek zegara, jak w kierunku
Ęnie roz"ącza mechanizm zapadkowy. cza jednoczeĘnie energi� do uk"adu. W przeciwnym, zgodnie z przewidywania-
Ze wzgl�du na asymetri� z�bów zapad- przypadku samochodu energia pocho- mi Feynmana [patrz: WIADOMO�CI I
ka najprawdopodobniej przesunie si� dzi od stopy kierowcy na pedale hamul- OPINIE  Oswajanie demona Maxwella ;
przy tym do wczeĘniejszego zag"�bie- ca. Energia ta rozprasza si� na energi� �wiat Nauki, kwiecieł
1999].
nia. JeŻeli ko"o "opatkowe i zapadkowy cieplną, gdy samochód zostaje zatrzy- Grupa Kelly ego zastosowa"a nierów-
mechanizm mają t� samą temperatur�, mywany. Dzi�ki temu nie ma w takich nowagowy proces chemiczny  hydroli-
to tendencja do ruchu naprzód (spowo- uk"adach naruszenia drugiego prawa. z�, rozk"ad fosgenu zachodzący pod wp"y-
dowana zderzeniami molekularnymi) ChociaŻ na poziomie molekularnym wem wody. Do  zapadki do"ączono
i tendencja do ruchu wstecz (związana rzadko spotykamy duŻe gradienty ter- grup� hydroksyalkilową, a do jednej z  "o-
z zawodną spr�Żyną) dok"adnie si� rów- miczne, to inne rodzaje nierównowagi patek  grup� aminową. Razem tworzy-
nowaŻą. Mimo iŻ pozory zdają si� Ęwiad- są dosy� powszechne. Trzy lata temu za- "y hamulec. Kiedy  "opatka zbliŻa"a si�
czy� o czymĘ innym, "opatkowe ko"o demonstrowali to w przemyĘlnym do- do  zapadki , grupy (aktywowane przez
z mechanizmem zapadkowym nie b�- Ęwiadczeniu T. Ross Kelly i jego wspó"- fosgen) reagowa"y ze sobą i blokowa"y
dzie si� obraca�. pracownicy z Boston College. UŻyli oni dalszy obrót w kierunku przeciwnym do
Ograniczenie takie nie dzia"a w sytu- tryptocenu, Y-podobnej cząsteczki orga- ruchu wskazówek zegara. W rezultacie
acji, gdy uk"ad nie znajduje si� w równo- nicznej, pe"niącej w ich doĘwiadczeniu wi�kszoĘ�  kó"ek "opatkowych obraca-
wadze termicznej. JeĘli ko"o "opatkowe rol� ko"a "opatkowego, oraz helicenu, "a si� w kierunku zgodnym z ruchem
jest cieplejsze od spr�Żyny mechanizmu cząsteczki o kszta"cie podobnym do lite- wskazówek zegara. Uk"ad taki nie jest
zapadkowego, to jego ko"o, zgodnie z ry G, dzia"ającej jako zapadka i spr�- prawdziwym molekularnym silnikiem 
HAMOWANIE �WIAT�EM
MO�E SIó TO WYDAWA� DZIWACZNE, ale poruszany hamulcem samochód
jest analogiem prostego silnika molekularnego. W jednym z eleganckich
PLASTIKOWA
eksperymentów przeprowadzonych siedem lat temu przez Alberta J. Libcha- KULKA
bera, fizyka zatrudnionego wówczas w Princeton University, i jego wspó"-
pracowników rol� samochodu pe"ni"y mikrometrowe plastikowe kuleczki
p"ywające w zlewce z wodą. Do manipulowania kuleczkami wykorzystano
wiązki Ęwiat"a. Niewielkie ciĘnienie Ęwiat"a podlegającego za"amaniu w kul-
kach popycha"o je do obszarów o najwi�kszym nat�Żeniu Ęwiat"a. Jedna
z wiązek Ęwietlnych wyznacza"a kolisty obszar, w którym znajdowa"y si�
kulki, by"a to ich  droga . Na wiązk� Ęwiat"a wyznaczającą drog� nak"a-
dana by"a druga wiązka, którą moŻna by"o w"ącza� i wy"ącza�  pe"ni"a
ona rol� hamulca. W niej utworzono szereg obszarów kolejno jasnych i ciem-
nych, przy czym po"oŻenia maksimów i minimów nat�Żenia rozmieszczo-
ne by"y asymetrycznie (z prawej). Podczas ruchu zgodnie z kierunkiem
wskazówek zegara odleg"oĘ� od maksimum do minimum by"a niewielka,
w kierunku przeciwnym  znacznie wi�ksza. Utworzona asymetria by"a
analogiczna do nachylonych z�bów w mechanizmie zapadkowym.
Przy w"ączonej wiązce pe"niącej rol� hamulca kulka porusza"a si� w kie-
runku wzrastającego nat�Żenia. Po dojĘciu do maksimum pozostawa"a
tam tak d"ugo, jak d"ugo  hamulec by" w"ączony. Przy wy"ączonej wiąz-
ce hamującej kulka bez"adnie biega"a po kolistej drodze. JeĘli uda"o si� jej
przejĘ� przez minimum, to nast�pne w"ączenie hamującej wiązki popy-
cha"o ją w kierunku nast�pnego maksimum. Ze wzgl�du na asymetri� bar-
dziej prawdopodobny by" ruch kulki zgodny z ruchem wskazówek zegara.
�rednia pr�dkoĘ� zaleŻa"a od tego, jak cz�sto w"ączano i wy"ączano hamu-
jącą wiązk�. Gdy t� cz�stoĘ� zwi�kszano, pr�dkoĘ� takŻe ros"a, aŻ do mo-
mentu, gdy nie nadąŻa"y za nią ruchy Browna.
Podobnie jak w przyk"adzie z samochodem ten uk"ad nie wymaga" pomia-
rów, synchronizacji ani kontroli podczas funkcjonowania. Dzia"a" nawet wte-
Po"oŻenie na okr�gu (mierzone zgodnie
z ruchem wskazówek zegara)
dy, gdy wiązk� hamującą w"ączano w przypadkowych odst�pach czasu.
38 �WIAT NAUKI WRZESIEĄ 2001
Ęwiat"a
Nat�Żenie
PHILIP HOWE
W przeciwieł
stwie do zwyk"ych silników silnik oparty na ruchach
Browna NIE WYMAGA ani pomiaru sygna"ów, ani synchronizacji.
gdyby hamulec zwolniono i w"ączono po- nu (ATP), paliwa uŻywanego przez ko- Tsonga, pracującego wówczas w Johns
nownie, to ko"a powraca"yby do począt- mórki. Upraszczając opis: pompa ma Hopkins University, przeze mnie i na-
kowego po"oŻenia  demonstruje jednak dwa dopuszczalne stany. W pierwszym szych wspó"pracowników. Oddzia"ywa-
dobrze jego zasad�. Inne zespo"y uzyska- otwór wejĘciowy lejka jest otwarty do liĘmy zmiennym polem elektrycznym
"y ciąg"y obrót, stosując odmienne me- wewnątrz komórki, a jony silnie oddzia- na pomp� jonową i zaobserwowaliĘmy,
chanizmy zapadkowe. Na przyk"ad gru- "ują z kana"em. W drugim stanie otwór jak przemieszcza jony przeciwnie do
pa kierowana przez Bena L. Feringa wejĘciowy jest od strony wn�trza ko- gradientu elektrochemicznego, nawet
z University of Groningen uŻy"a Ęwiat"a mórki zamkni�ty, a jony s"abo oddzia- bez hydrolizy ATP.
do poruszania silnika molekularnego. "ują z kana"em. Dzi�ki związaniu ATP Innym przyk"adem jest bia"ko kinezy-
uprzywilejowany jest pierwszy stan, na, molekularny podnoĘnik transportu-
Pompowanie hamulcem a dzi�ki uwolnieniu produktów hydroli- jący bia"ka wewnątrz komórki. Kinezyna
OSTATNIO PRZEPROWADZONE doĘwiadcze- zy  drugi. Proces taki jest analogiczny z"oŻona jest z dwu luęno po"ączonych
nia zdają si� wskazywa�, Że podobnie po- do dzia"ania zastawy w kanale, ale z jed- fragmentów i porusza si� wzd"uŻ toru
ruszają si� niektóre silniki biologiczne. ną zasadniczą róŻnicą: Żaden mecha- zwanego mikrotubulą, która z kolei zbu-
Jednym z przyk"adów jest pompa jono- nizm kontrolny nie jest potrzebny do dowana jest z wielu cząsteczek innego
wa, bia"ko przemieszczające na"adowa- synchronizowania hydrolizy z ruchem bia"ka  tubuliny  kaŻda z nich ma d"u-
ne cząstki przez b"on� komórkową. Jo- jonów. Wystarcza losowe prze"ączanie goĘ� oko"o 10 nm. Potencja" elektryczny
ny zwykle poruszają si� od wyŻszego do pomi�dzy dwoma stanami bia"kowej pomi�dzy kinezyną a mikrotubulą ma
niŻszego potencja"u elektrochemiczne- cząsteczki. Gdy otwór jest otwarty od zwykle kszta"t pi"opodobny z barierami
go, ale te pompy mogą przemieszcza� jo- wewnątrz, a energia kana"u niska, to jo- energetycznymi uniemoŻliwiającymi prze-
ny w przeciwnym kierunku, podtrzymu- ny wchodzą do niego od wewnątrz. Gdy suwanie si� kinezyny od jednej cząstecz-
jąc gradienty elektrochemiczne istotne otwór jest od wewnątrz zamkni�ty, ki tubuliny do drugiej. W modelu wyko-
dla procesów Życiowych. a energia kana"u wysoka  jony wyp"y- rzystującym ruchy Browna hydroliza
Pompa jonowa jest prawdopodobnie wają na zewnątrz. Ten obraz procesu cząsteczek ATP zmienia ten potencja"
oparta na prostszym mechanizmie  ka- przywo"ujący analogie z mechanizmem w p"aski, pozwalając, by przypadkowe
nale jonowym. Kana" jonowy jest biolo- zapadkowym opracowany zosta" w po- zderzenia przemieszcza"y kinezyn�. Uwol-
gicznym prostownikiem; pozwala na "owie lat osiemdziesiątych przez Tiana Y. nienie produktów hydrolizy przywraca
przep"yw prądu elektrycznego tylko
w jednym kierunku (ĘciĘlej: na trans-
port jonów przez b"on� w kierunku ter-
SPRó�YNA
modynamicznie korzystnym, tzn. zgod-
nym z gradientem ich st�Żenia  przyp.
red.). Typowy kana" to cząsteczka bia"-
ka o d"ugoĘci oko"o 10 nm, mająca lej-
ZAPADKA
kowaty kszta"t. Jony mogą przesuwa�
si� od rozszerzenia lejka do przew�Że-
nia, ale nie w przeciwnym kierunku.
Zmiana takiego prostownika w pomp�
jonową wymaga jakiegoĘ mechanizmu
modulującego wielkoĘ� rozszerzonej
cz�Ęci lejka i si"� oddzia"ywania jonu
z kana"em. Lejkowaty kana" dobrze si�
do tego nadaje, bo dzia"a jak dęwignia:
niewielka zmiana po"oŻenia atomów
w obszarze ujĘcia lejka powoduje duŻe
zmiany w obszarze wejĘciowym. Cy-
klicznie otwierając i zamykając wejĘcie
lejka, pompa moŻe przesuwa� jony od
ujĘcia do wejĘcia, podobnie jak naciska-
MECHANIZM ZAPADKOWY opisany przez Richarda Feynmana w Wyk"adach z fizyki wyjaĘnia,
nie peda"u hamulca powodowa"o obra- w jaki sposób przypadkowe bombardowania cząsteczek mogą prowadzi� do uporządkowanego ru-
canie si� ko"a zapadkowego w kierun- chu. Cząsteczki gazu, uderzając w "opatki, powodują obrót przek"adni. Ale w którą stron�? JeŻe-
li zapadka dociskana spr�Żyną dzia"a niezawodnie, moŻliwy jest obrót ko"a tylko w kierunku prze-
ku przeciwnym do oczekiwanego.
ciwnym do ruchu wskazówek zegara. Ale gdy szum termiczny dzia"ający na spr�Żyn� powoduje
Energia pozwalająca zmieni� kana"
unoszenie zapadki i ponowne jej opadanie, ko"o ma tendencj� do obracania si� zgodnie z ru-
jonowy w pomp� jest uzyskiwana na
chem wskazówek zegara. Powodem jest asymetria z�bów ko"a. Efekt ten dominuje wtedy, gdy do
drodze hydrolizy adenozynotrifosfora- spr�Żyny dostarczane jest wi�cej energii cieplnej niŻ do gazu.
WRZESIEĄ 2001 �WIAT NAUKI 39
PHILIP HOWE I KEVIN RING
z�baty kszta"t potencja"u, który w zaleŻno- wyp"ywającym z tego modelu by"o stwier- normalna cząsteczka o dwu ramionach,
Ęci od tego, jak daleko kinezyna przedry- dzenie, Że po usuni�ciu jednego z ramion co by"o argumentem przemawiającym
fowa"a, przesuwa ją do przodu. cząsteczka nie mog"aby przemieszcza� na rzecz modelu korzystającego z ruchów
Taki model ruchu kinezyny, uwzgl�d- si� wzd"uŻ mikrotubuli. Yasushi Okada Browna.
niający ruchy Browna, róŻni si� zasad- i Nobutaka Hirokawa z Uniwersytetu Ruchy Browna mogą równieŻ pe"ni�
niczo od modelu tradycyjnego, w którym w Tokio wykonali w 1998 roku ekspery- istotną rol� w silnikach molekularnych,
g"ówną rol� odgrywa" kszta"t cząsteczki. ment, w którym zastąpili jeden z frag- z których zbudowane są mi�Ęnie [ramka
W modelu tradycyjnym dwa fragmenty mentów na"adowaną elektrycznie p�tel- na stronie 42], a takŻe tych, które synte-
kinezyny, dzia"ając jak ramiona, przycze- ką z"oŻoną z aminokwasów, tak Że tyzują bia"ka i ATP, sczepiają i rozczepia-
pia"y si� na przemian do mikrotubuli  cząsteczka kinezyny mia"a inny kszta"t, ją nici DNA, transportują bia"ko przez
podobnie jak dziecko na placu zabaw wi- ale prawie taką samą energi� wiązania. b"ony komórkowe i rozk"adają cząstecz-
szące na drąŻku rozpi�tym pomi�dzy Tak zmodyfikowana cząsteczka kinezy- ki niepotrzebnych juŻ organizmowi bia-
dwoma s"upami. Oczywistym wnioskiem ny porusza"a si� prawie tak szybko, jak "ek. W niektórych przypadkach dowody
PARADOKS GRACZA
POZORNY PARADOKS brownowskiej zapadki polegający na tym, Że nek cz�Ęciej odwiedza czarne pola niŻ bia"e, a dla drugiego zestawu od-
prze"ączanie si� uk"adu pomi�dzy dwoma stanami, z których kaŻdy wrotnie. Rzucanie monetą zaciera t� asymetri�. (Niestety, ta sztuczka
wiąŻe si� ze stratą energii, pozwala uk"adowi uzyska� energi�, stosu- nie b�dzie dzia"a� w przypadku dwu gier w kasynie nie mających te-
je si� równieŻ do gier hazardowych. W ubieg"ym roku fizyk Juan M. R. go typu asymetrii, którą usuwa"oby rzucanie monetą.)
Parrondo z Universidad Complutense de Madrid i inŻynier Derek Ab- Z podobnym odwróceniem szans mamy do czynienia w wielu dzie-
bott z University of Adelaide w Australii wymyĘlili ilustrującą ten pa- dzinach Życia. Statystycy nazywają je paradoksem Simpsona. Wyst�-
radoks par� gier, w których rzuca si� monetami. JeĘli gra si� w kaŻdą puje on wówczas, gdy prawdopodobieł
stwo niektórych zdarzeł
jest
z nich oddzielnie  przegrywa si�, ale gdy zmienia si� je losowo  zwy- sta"e, podczas gdy dla innych si� zmienia. W podanym wyŻej przyk"a-
ci�Ża. Zmieniając gry, korzysta si� z przypadkowych wygranych, za- dzie prawdopodobieł
stwo ruchu do ty"u jest prawie sta"e, podczas gdy
nim zabierze je nieunikniona przegrana. prawdopodobieł
stwo ruchu do przodu zmienia si� w zaleŻnoĘci od
Parrondo i Abbott uŻywali obciąŻonych monet, jednak w innych po- wyniku rzutu monetą. Paradoks ten doprowadza" badaczy do wyciąga-
dobnych przyk"adach wystarcza zwyk"a moneta i para nieobciąŻonych nia fa"szywych wniosków z analizy zbioru danych uzyskanego z po"ą-
kostek. Weęmy na przyk"ad par� gier, "ączących craps z warcabami. Gra czenia dwu zestawów wyników, a naiwne osoby moŻe doprowadzi�
si� w nie, przesuwając pionek po fragmencie szachownicy. Celem jest do nabrania si� na sprytne sztuczki inwestycyjne czy ubezpieczeniowe.
wystartowanie ze Ęrodkowego po"oŻenia i dojĘcie do prawej strony (po- Wyobraęmy sobie pakiet ubezpieczeł
wzajemnych od nieszcz�Ęli-
niŻej). Gracz przesuwa pionek do przodu lub do ty"u, wyrzucając dwie wych wypadków pokrywający zarówno skutki huraganów (które mają
koĘci i korzystając z tabeli crapsopodobnych regu". Gdy gracz korzysta tendencj� do wyst�powania pod koniec lata i na jesieni), jak i trz�sieł

z któregoĘ z podanych tu zestawów regu"  identycznych, jeĘli nie bra� ziemi (które nie zaleŻą od pory roku). W tym prostym przyk"adzie oby-
pod uwag� odwrócenia roli bia"ych i czarnych pól  to przegrywa. dwa zjawiska wyst�pują, Ęrednio biorąc, z tą samą cz�stoĘcią. Miesz-
Prawdopodobieł
stwo wygranej jest proporcjonalne do liczby sposo- kał
cy Florydy i Kalifornii p"acą miesi�czną sk"adk�, a gdy zdarzy si�
bów przejĘcia do przodu z bia"ego pola na czarne pomnoŻonej przez licz- nieszcz�Ęcie, poszkodowani otrzymują pewien procent od funduszu
b� przejĘ� do przodu z czarnego pola na bia"e (8 2). Przegrana wią- znajdującego si� aktualnie na koncie. Mieszkał
cy Florydy argumen-
Że si� z dwoma ruchami do ty"u (5 4). Dla kaŻdego z zestawów regu" tując, Że ich interesy są sezonowe, sk"onni byliby p"aci� wi�kszą sk"ad-
gracz moŻe oczekiwa� 80 wygranych na 100 przegranych. k� wiosną i latem, a mniejszą jesienią i zimą. Czy by"oby to sprawie-
PrzypuĘ�my jednak, Że przed kaŻdym ruchem rzucamy monetą. Gdy dliwe? Odpowiedę jest zaskakująca, ale brzmi  nie. Takie podejĘcie
wypadnie orze", gracz pos"uguje si� pierwszym zestawem regu"; gdy mieszkał
ców Florydy zwi�ksza"oby fundusz w sezonie huraganów, do-
reszka  korzysta z drugiego zestawu. Teraz prawdopodobieł
stwo wy- stawaliby wi�c wi�ksze odszkodowania niŻ mieszkał
cy Kalifornii. Spryt-
granej jest proporcjonalne do iloczynu Ęredniej liczby ruchów do przo- ni mieszkał
cy Kalifornii, pos"ugując si� inną regu"ą, mogliby przechy-
du: (8 + 2)/2 (8 + 2)/2 = 25. Natomiast prawdopodobieł
stwo li� szal� na swoją korzyĘ�.
przegranej zaleŻy od iloczynu Ęredniej liczby ruchów do ty"u:
(4 + 5)/2 (4 + 5)/2 = 20.25. Gracz moŻe wi�c oczekiwa� 100 wy-
granych na kaŻde 81 przegranych.
GRA PODOBNA do craps polega na przesuwaniu pionka w zaleŻnoĘci
Kostka odpowiada w tej grze ruchom termicznym, niesprzyjające
od rezultatu rzutu dwiema kostkami. Suma wyrzuconych oczek okre-
przypadki w kaŻdej grze reprezentują si"� nap�dzającą proces, a rzu-
Ęla kierunek ruchu. Przy stosowaniu któregoĘ z dwu zestawów regu"
canie monetą odpowiada losowemu dostarczaniu porcji energii. W gr�
pionek cz�Ęciej porusza si� do ty"u, ale losowe prze"ączanie pomi�dzy
wbudowana jest asymetria: zgodnie z pierwszym zestawem regu" pio- zestawami regu" odwraca ten kierunek.
1 ZBIÓR REGU� 2 ZBIÓR REGU�
BIA�E CZARNE BIA�E CZARNE
NAPRZÓD 7, 11 11 NAPRZÓD 11 7, 11
W TY� 2, 3, 12 2, 4, 12 W TY� 2, 4, 12 2, 3, 12
40 �WIAT NAUKI WRZESIEĄ 2001
WYGRANA
PRZEGRANA
PHILIP HOWE
nie są jednak jednoznaczne i badacze obiecuje wi�kszą precyzj� i selektyw- KROPKA KWANTOWA
wciąŻ si� zastanawiają, co si� tam w"aĘci- noĘ� niŻ standardowe techniki sortowa-
wie dzieje. Jedno jest jasne: kaŻdy mi- nia, takie jak elektroforeza, odwirowy-
kroskopowy mechanizm musi albo ko- wanie i destylacja.
rzysta� z ruchów Browna, albo si� im We wszystkich powyŻszych przyk"a-
przeciwstawia� i wydaje si�, Że pierwsza dach mechanizmów zapadkowych po-
z tych moŻliwoĘci jest korzystniejsza. le elektryczne albo by"o w"ączone, albo
Zasada brownowskiej zapadki dostar- wy"ączone. W 1996 roku zaproponowa-
cza naukowcom i inŻynierom zupe"nie "em wraz z Martinem Bierem (obaj pra-
nowych sposobów manipulowania ma- cowaliĘmy wtedy w University of Chi-
KANA� JONOWY
terią w mikroskopowej skali. Jednym cago) wykorzystanie trzech stanów: pola
z pierwszych zastosował
by"a separa- dodatniego, ujemnego lub wy"ączone-
cja cząstek o róŻnej masie. Proces taki go. Dzi�ki prze"ączaniu pomi�dzy tymi
jest mikroskopową wersją wyp"ukiwa- stanami brownowski separator móg"
nia z"ota z piasku. Przypadkowa fluktu- przemieszcza� ci�Żkie cząstki w jedną
acja cząsteczek zachodząca pod wp"y- stron�, a lekkie w drugą. Cząstki mog"y
wem potrząsania patelnią lub ruchów by� wprowadzane w sposób ciąg"y do
Browna powoduje, Że masywniejsze Ęrodkowej cz�Ęci separatora, odbierane
z nich poruszają si� wolniej. Pierwszy na kaŻdym z koł
ców, wprowadzane do
krok do zbudowania separatorów wy-
DWIE ZAPADKI mogą si� róŻni� szczegó"ami
korzystujących ruchy Browna zrobili
budowy, ale dzia"a� na takiej samej zasadzie.
Armand Ajdari z paryskiej ESPCI (Eco-
Kropka kwantowa o mikrometrowych rozmia-
le Sup�rieure de Physique et de Chimie
rach wytrawiona na p"ytce krzemowej dzia"a
Industrielles) i Jacques Prost z Instytu- jak dioda  urządzenie zamieniające prąd zmien-
tu Curie. Ostatnio Joel S. Bader i wspó"- ny na sta"y. Kana" jonowy  cząsteczka bia"ka
pokazana tutaj w przekroju poprzecznym  jest
pracownicy z firmy biotechnologicznej
biologiczną wersją diody, stokrotnie mniejszą
Curagen w New Haven w stanie Con-
od kropki kwantowej. Jednak uwaŻa si�, Że
necticut zbudowali urządzenie do sor-
kszta"t rozk"adu energii potencjalnej jest w oby-
towania cząsteczek DNA. Ich podejĘcie dwu urządzeniach taki sam. Po"oŻenie
NOWOCZESNY PODRóCZNIK CHEMII ORGANICZNEJ
NOWOCZESNY PODRóCZNIK CHEMII ORGANICZNEJ
John McMurry
Chemia organiczna t. 1-2, cena 199,00 z"
systematyczny wyk"ad chemii organicznej zgodny z jej tradycyjnym podzia"em, traktu-
jącym grupy funkcyjne jako wyróŻniki
omówienie zagadnieł
struktury związków organicznych w logicznym po"ączeniu
z mechanizmami reakcji oraz zagadnieniami spektroskopowymi
nowoĘ�  wzory strukturalne narysowane stereoskopowo, które moŻna ogląda�
przestrzennie przez do"ączone do ksiąŻki okulary stereowizyjne
doskona"a, kolorowa szata graficzna, glosariusz, liczne indeksy, uzupe"nienia i pod-
sumowania oraz problemy i zadania do rozwiązania
Susan McMurry
1 Chemia organiczna
Rozwiązania problemów cena ok. 60,00 z"
KsiąŻka stanowi integralną cz�Ę� podstawowego podr�cznika
2
Johna McMurry"ego Chemia organiczna, (WN PWN, Warszawa
2000). Czytelnik znajdzie tu, opatrzone cz�sto odpowiednim
komentarzem, rozwiązania zawartych w podr�czniku problemów,
mechanizmy reakcji i wizualizacj� problemów stereochemicznych.
Wydawnictwo Naukowe PWN
Publikacja zawiera ponadto kilka bardzo przydatnych uzupe"nieł
,
ul. Miodowa 10, 00-251 Warszawa
m.in. dane dotyczące syntezy i reaktywnoĘci grup funkcyjnych,
infolinia 0 801 351 929
wykaz reakcji i odczynników stosowanych w chemii organicznej,
e-mail [e-mail]
dane spektroskopowe, popularne skróty i symbole.
ksi�garnia internetowa www.pwn.com.pl
46
KOMÓRKI
NA ZEWNŃTRZ
WEWNŃTRZ KOMÓRKI
Energia potencjalna
HEINER LINKE University of New South Wales
(kropka kwantowa)
;
RODERICK MacKINNON Rockefeller University IN DECLAN A. DOYLE i in.,
SCIENCE
, tom 280; 1998 � 1998 AAAS
(kana" jonowy)
PRó�ENIE MIó�NI Toshio Yanagida
JEDNYM Z NIEOCZEKIWANYCH SUKCESÓW teorii zapadek opar- Dotychczas obowiązująca teoria mówi, Że mi�sieł
si� kurczy, gdy czą-
tych na ruchach Browna by"o nowe wyjaĘnienie mechanizmu skurczu steczka miozyny uzyskuje energi� z hydrolizy ATP i zmienia kszta"t.
mi�Ęni. Badacze z dziedziny nauk biomedycznych wiedzieli od doĘ� W procesie tym jednokrotnie pociąga za w"ókno aktyny, a nie wspina
dawna, Że uruchomienie mi�Ęnia jest spowodowane przez wzajemne si� po nim jak po drabinie. Model ten wciąŻ jest popularny, ponie-
przesuni�cia dwu rodzajów w"ókien zbudowanych z bia"ek nazywanych waŻ wynika z niego, Że skurcz mi�Ęnia, podobnie jak dzia"anie zwy-
miozyną i aktyną. Cząsteczki zamieniają przy tym energi� chemiczną k"ego silnika, jest "atwym do zrozumienia, deterministycznym proce-
zawartą w adenozynotrifosforanie (ATP) na energi� kinetyczną ze sem. Problemem jest jednak to, Że zwyk"y silnik przy zmniejszaniu
sprawnoĘcią bliską 50%. Ten proces zachodzi nawet wówczas, gdy jego wymiarów staje si� mniej, a nie bardziej sprawny.
energia chemiczna jest niewiele wi�ksza od energii termicznego szu- Aby rozwiąza� t� sprzecznoĘ� opracowaliĘmy nowe technologie ma-
mu otoczenia. Maszyny zbudowane przez cz"owieka, takie jak silniki nipulowania cząsteczkami oraz mierzenia niewielkich si" i przesuni��.
elektryczne i spalinowe, zachowują si� odwrotnie  dzia"ają jedynie Korzystamy ze znaczników fluorescencyjnych, specjalnego rodzaju
wówczas, gdy dostarczana im energia znacznie przekracza energi� krótkozasi�gowego oĘwietlenia, laserowego pu"apkowania i skanują-
szumu termicznego. Czemu silniki molekularne zawdzi�czają swoją cych nanosond. Cztery lata temu te prace przynios"y pierwsze wyniki.
sprawnoĘ�? OdkryliĘmy, Że miozyna i aktyna nie dzia"ają deterministycznie. Mio-
zyna wykonuje losowo skoki o d"ugoĘci od 5.5 do 27.5 nm. D"ugoĘ�
kaŻdego skoku jest wielokrotnoĘcią 5.5 nm, czyli okresu u"oŻenia
cząsteczek we w"óknie aktyny. KaŻdy przeskok, niezaleŻnie od jego
CZO�O
CZŃSTECZKI
d"ugoĘci, odpowiada"  zuŻyciu jednej cząsteczki ATP. Miozyna czasa-
MIOZYNY
mi wykonywa"a skok do ty"u, zamiast do przodu. Obserwacje te są
trudno wyt"umaczalne w oparciu o model tradycyjny, zgadzają si� na-
tomiast z modelem brownowskiej zapadki. I chociaŻ wiele kwestii po-
zostaje nie wyjaĘnionych  na przyk"ad jak w"aĘciwie cząsteczka ATP
przekszta"ca losowe ruchy Browna na ukierunkowany ruch  to jed-
W�ÓKNO
nak powyŻszy model wydaje si� wyjaĘnia� wysoką sprawnoĘ� me-
AKTYNY
chanizmu skurczu mi�Ęnia: zamiast stara� si� pokona� termiczny
szum, wykorzystuje go.
RUCH MIOZYNY, tak istotny w dzia"aniu mi�Ęni, to nie tylko skoki do
przodu, ale równieŻ skoki b�dące wielokrotnoĘciami minimalnego
Toshio Yanagida, jeden z najwybitniejszych eksperymentatorów
skoku, a takŻe skoki do ty"u. Jest to wynik zgodny z przewidywania-
w biofizyce, jest profesorem medycyny na Wydziale Studiów
mi, jeĘli za"oŻy�, Że istotną rol� gra bombardowanie molekularne po-
chodzące od otoczenia. Podyplomowych Uniwersytetu w Osace.
nast�pnego separatora nastawionego na fowanie w bok. Asymetryczne bariery go wspó"pracownicy zbudowali pomp�
rozdzielanie innych mas itd., z coraz u"atwia"y im dryfowanie raczej w jed- elektronową, wykorzystując kropk� kwan-
lepszą separacją na kaŻdym etapie. Te- nym kierunku niŻ równomiernie na bo- tową. Dzia"a ona jak tunel pomi�dzy dwo-
go typu urządzenia mogą dokonywa� ki. Zanim na"adowane cząsteczki osią- ma wi�kszymi zbiornikami elektronów,
separacji nie tylko ze wzgl�du na masy, gn�"y kraw�dę p"ytki, rozdziela"y si� na który moŻna zamyka� bramkami elektro-
ale równieŻ rozmiar czy "adunki elek- róŻnie na"adowane grupy. statycznymi. Przez cykliczne zmiany po-
tryczne. Od tego czasu teoretycy z Prin- tencja"u kropki i bramek grupa Marcusa
ceton, University of Chicago, Massachu- Kwantowy przeskok przemieszcza"a pojedyncze elektrony
setts Institute of Technology i University WEJ�CIE MODELU zapadkowego do Ęwiata z jednego zbiornika do drugiego. A po-
of Ottawa rozszerzyli ten pomys" na se- kwantów by"o jedynie kwestią czasu. niewaŻ ich uk"ad znajdowa" si� zawsze
paratory dwuwymiarowe. Cztery lata temu Peter H�nggi i jego ko- w pobliŻu warunków równowagi, to pro-
Dwa lata temu Alexander van Oude- ledzy z Uniwersytetu w Augsburgu w ces ten by" odwracalny, co pozwala"o na
naarden i Steven G. Boxer, obydwaj pra- Niemczech przedstawili kuszącą ide�: uŻywanie dowolnie ma"ych energii.
cujący wówczas w Stanford Universi- zasugerowali, Że efekty kwantowe  in- Dwa lata temu Imre Der�nyi i ja (wte-
ty, zbudowali skutecznie dzia"ający se- terferencja pomi�dzy funkcjami falowy- dy zatrudnieni w Chicago University)
parator dwuwymiarowy. Wykorzystali mi, kwantowanie poziomów energetycz- opracowaliĘmy podobny mechanizm,
litografi� elektronową do wytworzenia nych, tunelowanie elektronów przez w którym zmiany napi�cia mog"y by� lo-
na powierzchni p"ytki szklanej uk"adu bariery potencja"u  mog"yby dostarcza� sowe i skokowe. Dzia"anie takiego
asymetrycznych barier o wysokoĘci innej jeszcze losowo dzia"ającej si"y. Ta- uk"adu by"oby z zasady nieodwracalne
25 nm. Wype"nili ten miniaturowy labi- kie efekty mog"yby przeją� rol� ruchów  kierunek pompowania elektronów nie
rynt cieczą zawierającą oboj�tne czą- Browna w obszarze najniŻszych tempe- zaleŻy od kolejnoĘci zmian przyk"ada-
steczki fosfolipidu z domieszką róŻnie ratur i najmniejszej skali przestrzennej. nego napi�cia  a wi�c "ączy"oby si�
na"adowanych cząsteczek innego fos- Korzystając z kwantowego mechanizmu z wi�kszymi stratami energii. Mia"by on
folipidu i przy"oŻyli pole elektryczne. zapadkowego, badacze mogliby uzyska� jednak pewne zalety, zw"aszcza jako mo-
Pole to przeciąga"o na"adowane czą- precyzyjną kontrol� nad pojedynczymi del nieodwracalnych reakcji chemicz-
steczki przez obszar z barierami. Czą- elektronami bez koniecznoĘci precyzyj- nych, na przyk"ad jak te, które nap�dza-
steczki o pojedynczym "adunku poru- nego sterowania polami elektrycznymi, ją pompy jonowe. Inne potencjalne
sza"y si� wolniej niŻ podwójnie na"a- które na nie oddzia"ują. zastosowania to pompy elektronowe
dowane, mia"y wi�c, znajdując si� po- Nast�pnie Charles M. Marcus, pracują- w komputerach molekularnych i wzmac-
mi�dzy barierami, wi�cej czasu na dry- cy wówczas w Stanford University, i je- nianie sygna"ów w nanodrutach.
42 �WIAT NAUKI WRZESIEĄ 2001
PHILIP HOWE
Tymczasem Heiner Linke z Uniwer-
JE�LI CHCESZ WIEDZIE� WIóCEJ
sytetu w Lundzie w Szwecji i jego kole-
The Laws of the Game. Manfred Eigen i Ruthild Winkler; Princeton University Press, 1993.
dzy zastosowali trójkątne kropki kwan-
The Second Law. P. W. Atkins; W. H. Freeman and Company, 1994.
towe. Trójkąty dzia"a"y jak zapadki, bo
Thermodynamics and Kinetics of a Brownian Motor. R. Dean Astumian; Science, tom 276,
s. 917-922; 9 V 1997.
elektronom trudniej by"o przeciska� si�
A Single Myosin Head Moves along an Actin Filament with Regular Steps of 5.3 Nanometres.
przez wierzcho"ek. Gdy oscylujące na-
K. Kitamura, M. Tokunaga, A. H. Iwane i T. Yanagida; Nature, tom 397, s. 129-134, 14 I 1999.
pi�cie modulowa"o taki asymetryczny Warmth Disperses and Time Passes: A History of Heat. Hans Christian Von Baeyer; Random
House, 1999.
kana", to p"yną" pewien wypadkowy
Playing Both Sides. Erica Klarreich; The Sciences, tom 41, nr 1, s. 25-29; I / II 2001.
prąd, mimo iŻ wartoĘ� Ęrednia napi�cia
Symulacje mechanizmu zapadkowego znajdziemy w Internecie pod adresem: monet.physik.uni-
bas.ch/~elmer/bm, a polemik� na stronie: http://seneca.fis.ucm.es/parr/FEYNMAN/nice.html
by"a równa zeru. Zmiany temperatury
okreĘla"y kierunek przep"ywu prądu.
W wyŻszej temperaturze urządzenie I tak, rozwaŻając te idee, wróciliĘmy wróci" si� i post�p nie jest przypadkowy.
dzia"a"o jak zapadka termiczna: elektro- do punktu wyjĘcia. Sto lat temu ruchy W niedalekiej przysz"oĘci, korzystając
ny mia"y tendencj� do wyp"ywania przez Browna bardzo pomog"y w zademon- raczej z zasad chemii niŻ mechaniki, mo-
wierzcho"ek trójkąta, bo po przejĘciu strowaniu istnienia atomów. Pozwoli"y Żemy uzyska� mikrometrowej wielkoĘci
przezeł
trudno im by"o wróci�. W ni- równieŻ wyjaĘni� szybkoĘ� reakcji che- urządzenia sk"adające nanometrowe cz�-
skich temperaturach zmienia"o si� w za- micznych jako równowag� pomi�dzy ter- Ęci, by zbudowa� silniki nap�dzające mi-
padk� kwantową: elektrony wyp"ywa"y micznym szumem, któremu zawdzi�cza- krochirurgiczne agregaty; b�dziemy
przez podstaw� trójkąta, bo szerokoĘ� my zbliŻanie si� cząsteczek do siebie, w stanie budowa� pompy pozwalające
bariery energetycznej dla ruchu w tym a rozdzielającym je elektrycznym odpy- fabrykom (a by� moŻe i naszym komór-
kierunku by"a mniejsza, a wi�c tunelo- chaniem. Koncepcje te przenikn�"y na- kom) pozby� si� niepotrzebnych odpa-
wanie szybsze. NiezaleŻnie od zastoso- st�pnie do biologii, pozwalając wyjaĘni� dów oraz tranzystory do komputerów
wał
w elektronice zapadki kwantowe transport biologiczny nap�dzany przez molekularnych kontrolujących te (i in-
mog"yby by� uŻyte do t"umienia wirów nierównowagowe reakcje chemiczne. ne jeszcze) procesy. Podobnie jak w Woj-
prądu, które pojawiają si� w nadprze- Dzisiaj uk"ady biologiczne inspirują pro- nie Ęwiatów, gdzie Marsjanie zgin�li po-
wodnikach, rozwiązując w ten sposób jektowanie syntezowanych chemicznie konani przez maleł
kie zarazki, moŻe w
jeden z podstawowych problemów silników molekularnych i pomp, precy- koł
cu niewielkie pokona duŻe.
utrudniających konstruowanie przewo- zyjnych separatorów i kwantowych pro-
T"umaczy"
dów i magnesów nadprzewodzących. stowników. Kierunek przep"ywu idei od- Jan Kozubowski