Information 14 december 1998 , 1 . sektion side 6

Heraklit i kemien

Kemiske svingninger er en vigtig brik i altings dynamiske sammenspil, og sandsynligvis også forudsætning for den spontant opstående orden i naturen.

Orden
Af Sune Danø og Henrik Skødt

Er liv kemi? Det spørgsmål kan diskuteres længe, men en ting er sikkert: Hver gang nogen kigger nærmere på, hvordan levende ting fungerer, bliver beskrivelsen fuld af kemi.
   I skolen har de fleste lært, at livet her på jorden drives af fotosyntesen. Planterne bruger sollysets energi og atmosfærens kuldioxid til at lave ilt og sukkerstoffer. Sukkerstofferne kan så forbrændes og give energi til planterne og derefter til de dyr, der æder planterne. Selvom fotosyntesens kemi med dens omsætning af inaktivt kulstof til aktivt, livskabende kulstof er en ganske god beskrivelse af kulstofs kredsløb i naturen, er det en håbløs beskrivelse af liv. For livet er dynamisk, kaotisk og i videnskabens jargon stærkt ikke-lineært, med ustandselige transformationer fra én kompliceret biokemisk sammensætning til den næste. Men samtidigt, og det er det slående ved hele fænomenet, er livsprocesserne enormt velordnede og strukturerede på et langt højere niveau end det er muligt at beskrive med den klassiske kemi.
   Den fristende tanke er selvfølgelig, at komplicerede strukturer, såsom mønstre i kemien og liv i biologien, opstår gennem det samme princip: En gradvis opbygning af vekselvirkninger og afhængigheder, således at en højere orden bliver mulig. Måske er det flercellede liv blot et resultat af det encellede liv, da det fandt ud af at gå i takt?

Langt fra ligevægt
  Forestil dig, at du brænder en ordentlig bunke sukker af hjemme i køkkenvasken. Det kommer der ikke meget liv ud af. Tværtimod kan du være uheldig og sætte ild på køkkenet, for normalt kommer der en masse røg og varme ud af den slags forsøg. Den kemiske reaktion løber til ende, og det er så det. Det er ret svært at sætte ild til sukker: Der kræves en ret høj temperatur, inden forbrændingen overhovedet går i gang. Men det er endnu sværere at få fotosyntesen i gang. Det er en så kompliceret proces, at den kun kan finde sted i de højtspecialiserede levende celler.
  Pointen er, at livet kun er noget, man har, imens processerne er i gang. Hvis der ikke hele tiden kommer friske forsyninger, dør organismen. Hvorfor, kan man spørge sig selv, er det så vigtigt, at processerne til stadighed forløber? Hvorfor kan man ikke bare lave tingene en gang for alle? Kodeordet er orden. Biologien er fuld af ordnede strukturer, og det koster store mængder af energi til stadighed at opretholde denne orden. Hvis der ikke hele tiden tilføres energi i form af mad til menneskekroppen, ilt til lungerne, sukker til cellerne, kuldioxid og sollys til planterne osv., løber processerne til en termodynamisk ligevægt, hvilket er ensbetydende med døden. Den store grad af orden i de biologiske systemer og deres iboende dynamik er også det, der muliggør, at meget komplicerede biokemiske reaktioner kan forløbe. To eksempler på dette er netop fotosyntesen og det, at celler kan lave sukkerforbrænding ved stuetemperatur.

Termodynamiske love
   I kaosforskningen har det indenfor de sidste par årtier vist sig, at simple oscillationer, dvs. svingninger i mængden af de tilstedeværende stoffer, typisk er det første trin hen imod de komplekse og ikke-lineære fænomener, vi sædvanligvis karakteriserer som livsprocesser.
   Men allerede i 1910 kunne den kendte matematiker og populationsbiolog A. J. Lotka se, at der i princippet intet var i vejen for, at også de ellers så ubiologiske kemiske processer kunne udvise periodiske svingninger, sålænge de blev forsynet med friske stoffet udefra. Det fortalte hans matematiske ligninger ham.
  Dog brugte Lotka ikke sine ligninger på at forklare svingninger i den uorganiske kemi, men på at sige noget om økosystemers stabilitet: Hans model kunne forklare, hvorfor antallet af for eksempel ræve og harer svinger med tiden. Når antallen af ræve er højt, vil antallet af harer være lavt, fordi der er så mange ræve som spiser harerne. Men når der ikke er så mange harer, vil rævene dø at hungersnød, og antallet af harer vil stige igen. Ræve og harer holder hinanden i skak, og deres vekselvirkning er et typisk ikke-lineært fænomen.
  Da kemikeren W.C. Bray i 1921 således som den første så sådanne svingninger i kemien, dvs. i stofkoncentrationerne på et af sine eksperimenter og offentliggjorde resultatet, var der alligevel ingen, der troede på ham. Man mente, at et sådant biologisk fænomen ikke var foreneligt med termodynamikkens anden hovedsætning: En fundamental lov i termodynamikken, populariseret som begrebet varmedøden, der blandt andet siger, at enhver kemisk reaktion uundgåeligt vil gå imod den højest mulige grad af entropi ­ karakteriseret ved den størst mulige uorden molekylerne imellem.
  Tænk f.eks. på sukkeret i kaffen: Hvis du rører rundt, vil sandsynligheden for, at al sukkeret samler sig i det ene hjørne af koppen være ekstremt lille. Med størst sandsynlighed vil sukkeret fordele sig ligeligt i kaffen. Kaffe- og sukkermolekylerne vil være i størst mulig indbyrdes uorden.

Alting flyder
  Komplicerede strukturer syntes der derfor ikke at være plads til i datidens beskrivelser af kemiske processer, og dette forbehold var da også den fremherskende holdning blandt kemikere indtil for cirka 30 år siden.
  Men lige så snart vi bevæger os væk fra den termodynamiske ligevægt, har vi en reaktion, der til stadighed forløber. Der er en stor stofomsætning, og der produceres hele tiden affaldsstoffer. Hvis den nødvendige uorden placeres i affaldsstofferne, kan orden opretholdes andre steder, uden at det er i strid med termodynamikkens anden hovedsætning.
   I Platons dialog Kratylos kan man læse det berømte Heraklit-citat: 'Alting flyder'. Hermed mente Heraklit ikke, at alt er et stort rod. I stedet mente han, at alting er under konstant forandring, og at verden består af modsætninger, der til stadighed vekselvirker. Disse vekselvirkninger så han som det ordnende princip i verden, logos. På samme måde kan man sige, at et ordnende princip i komplicerede kemiske strukturer er den fortsatte strøm af stof og vekselvirkningerne de forskellige stoffer imellem.
   Den moderne beskrivelse af dette blev givet af belgieren Ilya Prigogine, der i 1977 fik Nobelprisen i kemi for sit arbejde med ikke-ligevægtstermodynamik og sin teori om de såkaldte dissipative strukturer.

Mange svingninger
  Kemiske reaktioner langt fra termodynamisk ligevægt er i dag et særdeles velstuderet fænomen. Inden for den uorganiske kemi findes der nogle gode eksempler på reaktioner, der oscillerer.
   Det mest kendte eksempel på et oscillerende kemisk system, som består af adskillige sammenhængende reaktioner, er den såkaldte Belousov-Zhabotinskii reaktion. Efterhånden som man er gået denne kemiske reaktion efter i sømmene, er man nået op på omkring de 100 delreaktioner (elementarreaktioner) i beskrivelsen af, hvad der sker i løbet af en enkelt svingning. Dog har man også formået at lave en rimelig nøjagtig beskrivelse af systemets dynamiske opførsel ved kun at bruge fem elementarreaktioner i beskrivelsen.
   På computeren og i eksperimenter har man kunnet observere adskillige forskellige slags svingninger: Simple svingninger, periode-fordoblede svingninger og kaotiske svingninger (se figurer), for at nævne nogle stykker.

Autokatalyse
  Ud over forudsætningen om, at et system af kemiske stoffer skal befinde sig langt fra ligevægt, kræves det også, at der i reaktionen forekommer et stof, som katalyserer sin egen dannelse. Dette kaldes autokatalyse, og er essentielt for opståen af svingninger.
  Autokatalyse kan forklares ved følgende situation: Har man på et tidspunkt både stofferne A og B i en blanding, vil det betyde, at et A-molekyle og et B-molekyle reagerer og danner to B-molekyler. Disse to vil hver reagere med hver sit A-molekyle og danne fire B-molekyler, og så fremdeles. Hver gang vil der ske en fordobling af antallet af B-molekyler, som derfor vokser meget hurtigt. Dette hører først op, når A er brugt op. Derefter vil nogle andre reaktioner, som bl.a. forbruger B-molekyler, tage over. De vil på et eller andet tidspunkt resultere i, at der igen dannes nogle A-molekyler, hvorefter det hele starter forfra. Den videnskabelige forklaring er ikke helt så simpel, men i alle modeller for oscillerende kemiske reaktioner forekommer et autokatalytisk trin.
  I første omgang er det interessante også mest det, at koncentrationerne af stofferne rent faktisk svinger. Når vi så er nået ud over den første fascination af de mange forskellige slags svingninger, kan vi glæde os over, at det også har været muligt ved hjælp af forskellige metoder at beskrive, hvad der rent faktisk sker.

Fra en celle til flere
  Disse metoder, inklusive den grundliggende matematiske beskrivelse, begrænser sig nemlig ikke udelukkende til denne reaktion, men kan også anvendes på andre reaktionssystemer. Et eksempel på dette er svingninger i levende gærceller. Svingningerne kan ses, når gæren omsætter sukker uden brug af ilt.
   Den grundlæggende beskrivelse af svingningerne ligner på mange måder den, der kendes fra simplere kemiske systemer. Men oven på dette kommer et nyt lag af kompleksitet. Selvom gærceller normalt lever uafhængigt af hinanden, ses det, at de synkroniserer deres svingninger med hinanden. Ingen ved, hvorfor de på den måde giver sig til at svinge i takt med hinanden. Højst sandsynligt tjener det ikke noget formål. Det ser ud til, at denne forholdsvis avancerede egenskab er opstået spontant som resultat af de bagvedliggende kemiske love. Det er ikke en biologisk nødvendighed, der styrker deres overlevelse, men en orden introduceret af den vedvarende stofomsætning.
  Dette har interessante perspektiver. Man kan tænke sig, hvordan sådanne kemiske tilfældigheder pludselig er blevet vigtige biologiske fænomener, og derved har været med til at bane vejen fra de encellede organismer til de flercellede.
* Sune Danø og Henrik Skødt studerer fysisk kemi ved Københavns Universitet.


Tilbage til indholdsfortegnelsen