Chemické vlny v laboratoři i v přírodě

Chemická vlna je lokální koncentrační nehomogenita (nebo také lokální změna koncentrace reakčních složek), která se šíří vrstvou reakčního média. Médiem se zde rozumí směs chemických složek, které spolu reagují za vzniku nějakých produktů. Důsledkem je právě ona zmíněná změna koncentrace složek (v průběhu chemické reakce reagencie ubývají, produkty přibývají, meziprodukty obvykle nejprve přibývají, a poté zase ubývají). Můžeme proto také říci, že chemická vlna je prostorem postupující zóna, v níž probíhají chemické reakce.

Pro chemická reakční média, která umožňují vznik a šíření koncentračních vln, je charakteristické, že jejich počáteční stav můžeme označit jako metastabilní, což znamená, že po smíchání reagencií nedochází k reakci okamžitě, k zahájení reakce je zapotřebí vhodné iniciace. Stačí velmi slabý impulz, např. přidání nepatrného množství iniciačního činidla na určité místo reakčního média. Tím je zde zahájena reakce (většinou autokatalytická, a tudíž velice rychlá), jíž se v daném místě reakčního média výrazně změní koncentrace všech zúčastněných složek. Gradienty koncentrací mezi tímto „iniciačním ostrůvkem“ a okolím, které stále setrvává ve svém původním metastabilním stavu, vyvolávají difuzi (přesun) složek, vždy z místa s vyšší do místa s nižší koncentrací dané složky.

Pro šíření vln je zejména důležitý gradient složky zvané aktivátor, která aktivizuje autokatalytickou reakci a sama se v jejím průběhu dále produkuje. Aktivátor chybí v původní směsi a tím i v okolí našeho iniciačního ostrůvku. Difuze aktivátoru z ostrůvku do jeho blízkého okolí zde iniciuje reakci a tím prudkou změnu koncentrací složek a obnovení koncentračních gradientů mezi místem, kde právě reakce probíhá, a jeho okolím.

Do hry vstupuje opět difuze, jíž se aktivátor přesune opět do okolí místa, kde probíhá reakce, dále od původního iniciačního ostrůvku. Opakováním kroků ... reakce - difuze - reakce - ... se koncentrační vlna šíří reakčním médiem.

Dva základní typy vln

Rozlišujeme dva základní typy, charakterizované stavem média před postupující vlnou a za ní. Ten je určen charakterem probíhající reakce. Prvním typem je tzv. vlna - fronta, při níž jsou stavy média před vlnou a za ní různé, podobně jako když se kvetoucím krajem přežene válečná fronta a zanechá po sobě trosky a mrtvé.

Takové vlny jsou v chemických systémech známé více než 100 let, především pro autokatalytické reakce, jimiž se výchozí látky přemění na produkty tvořící obsah média za postupující frontou. Vlny fronty vyžadují vcelku jednoduchou chemickou reakci nebo (můžeme říci) reakci přímočarou, takovou, jakou si běžně představíme, mluvíme-li o chemických reakcích jako o procesu, jímž se nějaké výchozí látky (reagencie) mění na látky konečné (produkty). Existence a šíření fronty vyžaduje, aby daná reakce byla autokatalytická, tj. aby jedna z reagencií byla zároveň i produktem.

Důležité jsou dvě vlastnosti takovýchto reakcí:

• Již malé množství autokatalytické složky iniciuje reakci.
• Vysoká rychlost reakce zabezpečí vznik velkého gradientu autokatalytické složky, a tudíž dostatečnou hnací sílu pro difuzi složky do okolí.

Oba tyto rysy zabezpečují fungování reakčně-difuzního mechanizmu, opakování sekvence ... - reakce - difuze - reakce - ...

Jiné vlastnosti musí mít reakce, které umožňují vznik druhého typu vln - pulzů. Pro pulzní vlny je charakteristické, že prostředí před pulzem i za ním je stejné. Kromě výše popsaného autokatalytického reakčního pochodu musí u takové reakce následovat ještě reakční pochod, který zabezpečí obnovu původního stavu. Tomu nejlépe vyhovují reakce cyklické neboli oscilační, o kterých se ve Vesmíru psalo již dříve (66, 26, 1987/1 a 74, 154, 1995/3)

Oscilační reakce jsou typické tím, že v průběhu autokatalýzy se produkuje také inhibitor, který inhibuje autokatalýzu, a jakmile je ho vyrobeno dostatečné množství, autokatalýza se úplně zastaví. Následuje fáze, během níž se inhibitor i aktivátor spotřebovávají reakcemi s dalšími reaktanty a v prostředí se tak obnovují výchozí podmínky.

Bělousovova-Žabotinského reakce

je typická oscilační reakce, která se ke studiu chemických vln využívá. Aktivátorem v této reakci je kyselina bromitá (HBrO₂) a inhibitorem bromidový aniont (Br^-). Kromě jiných složek se účastní také ferroin (Fe(phen)₃²⁺), který se během autokatalytického kroku oxiduje na ferriin (Fe(phen)₃³⁺), zbarvující roztok do světle modra, a během obnovovací fáze se opět redukuje na červený ferroin. Díky těmto barevným změnám lze průběh reakce i postup vlny snadno pozorovat. Vlna, tj. zóna v níž právě probíhá autokatalytická reakce, je světle modrá, prostředí před vlnou i za ní je červené.

U případů znázorněných na obrázku a obrázku vidíme, že tvar vlnové struktury kopíruje tvar iniciačního pole. Pokud iniciace přestane působit, vlny se přestanou tvořit (např. na obrázku byla iniciována jen jedna kruhová vlna). Iniciace je zapotřebí k tomu, aby se koncentrace inhibitoru v metastabilním stavu prostředí snížila pod prahovou hodnotu.

Jsou ovšem i takové situace, kdy prahová koncentrace a koncentrace inhibitoru v metastabilním stavu prostředí jsou velmi blízké; k iniciaci pak stačí náhodné vnitřní fluktuace koncentrací. Důležitou vlastností chemických vln je jejich anihilace (neboli zánik) na okrajích systému (stěnách Petriho misky) a při vzájemné srážce dvou vln (viz např. obrázek). Touto vlastností se chemické vlny výrazně liší například od vln zvukových nebo světelných, které se při nárazu na pevnou stěnu odrážejí a při vzájemné srážce spolu interferují, avšak nezanikají. Příčinou anihilace chemických vln je existence oblasti s vysokou hladinou inhibitoru za reakční zónou s vysokým obsahem aktivátoru. Při srážce dvou vln (zón s vysokou koncentrací aktivátoru - v případě Bělousovovy-Žabotinského reakce modré zóny) aktivátor z reakční zóny jedné vlny difunduje do „obnovovací“ zóny druhé vlny. Zde však je příliš vysoká koncentrace inihibitoru, autokatalytická reakce nemůže být iniciována a vlna se zde tudíž nemůže šířit. V místě srážky je pak dokončen celý cyklus reakce a obnoví se zde původní metastabilní stav prostředí.

Koncentrační vlny v živé přírodě

Při pohledu na obrázky ilustrující tento článek upoutá vnější podobnost mezi barevnými strukturami vytvářenými v chemické směsi a barevnými vzory na křídlech motýlů (viz např. Vesmír 74, 691, 1995/12) a skořápkách měkkýšů. Tato podobnost zaujala i mnohé vědce a A. M. Turinga vedla v padesátých letech k vyslovení hypotézy, že za vývoj barevných vzorů a rozmanitých tvarů živých organizmů jsou zodpovědné reakčně-difuzní procesy, které se uplatňují v raných stadiích života organizmu (např. u motýlů během stadia kukly). V živých organizmech má velká většina chemických, a zejména biochemických reakcí cyklický průběh, a proto mohou být vhodnými nosiči vzniku struktur organizovaných jak v čase, tak v prostoru. Má se za to, že jisté biochemické reakce, které iniciují produkci pigmentů, jsou aktivizovány v průběhu příslušného vývojového stadia nejprve v některých buňkách tkáně. Výměnou hmoty (zastupuje zde difuzi) mezi buňkami tkáně nebo jejich dělením při růstu tkáně se příslušná biochemická reakce (a tím i pigmentace) šíří k dalším buňkám v tkáni a vytvářejí se tak nejrůznější barevné struktury. Když se příslušné vývojové stadium ukončí, ukončí se také biochemické procesy, které daly vznik barevným vzorům, a barevné vzory se již dále nemění.

Teorii o tvořivé úloze reakčně-difuzních procesů při vytváření barevných vzorů na skořápkách měkkýšů do detailu rozvinul Hans Meinhardt. Skořápka roste tak, že buňky tvořící okraj těla měkkýše produkují vápenitou hmotu, která přirůstá k okraji skořápky. Pokud buňky produkují kromě vápenitého materiálu i pigment, obarví se jím i příslušná část přirůstající skořápky. Na charakteru reakce produkující pigment a dalších faktorech, daných především parametry vzájemné komunikace buněk, pak závisí, jaké barevné struktury se vytvoří.

Rozmanitost barevných struktur závisí nejen na charakteru reakce (zda je cyklická a v jakém poměru jsou k sobě autokatalytická a obnovovací fáze), na tom, jak vysoký je práh iniciace, jaký je stav reakčních pochodů v celém poli buněk na počátku růstu, ale i na tom, jak snadno difundují aktivátor a inhibitor dané reakce z buňky do buňky. Pokud inhibitor difunduje rychleji než aktivátor, je šíření reakce znemožněno a výsledná struktura se skládá z malých barevných fleků, které informují o nezávislém průběhu cyklické pigmentační reakce v jednotlivých buňkách (viz obrázek).

Pokud naopak aktivátor difunduje velmi rychle (rychleji než inhibitor), působí rychlá difuze aktivátoru jako synchronizační faktor procesů v okrajových buňkách. Pigmentační reakce je zahájena ve všech buňkách okraje prakticky ve stejný okamžik, takže se ve stejném okamžiku produkuje a ukládá pigment ve všech buňkách, v celé šířce skořápky. Pigmentační reakce pak probíhá svým cyklickým způsobem ve všech buňkách víceméně stejně, takže následuje období, během něhož buňky produkují jen vápenec a přirůstající skořápka se tudíž nezbarvuje, dokud nenastane opět fáze produkce pigmentu. Výsledkem jsou pak pigmentační čáry orientované vodorovně s přirůstajícím okrajem skořápky.

Vznik pigmentačních pruhů, které jsou kolmé na rostoucí okraj skořápky (viz snímek na obálce) předpokládá, že pigmentační reakce zůstává omezena jen na určité okrajové buňky, od nichž se dále nešíří, zato se však pigment v těchto buňkách tvoří neustále. To může nastat při reakcích, které neprodukují inhibitor a aktivátor nemůže difundovat z buňky do buňky.

Existuje mnoho dalších modifikací základního reakčně-difuzního mechanizmu, zahrnujících cyklické i „přímočaré“ reakce a předpokládajících rozmanité počáteční podmínky a difuzní schémata pro jednotlivé zúčastněné složky, jakož i náhodné vlivy dalších životních pochodů v těle měkkýše, kterými lze simulovat vznik nejrůznějších komplikovaných barevných struktur (viz např. obr. obrázek a snímky obrázek, obrázek, obrázek a obrázek).

K čemu jsou chemické vlny dobré?

Vývojová biologie není jedinou oblastí, ke které mají chemické vlny co říci. V živé přírodě nalézáme mnoho dalších příkladů časově-prostorových struktur v mnoha navzájem velmi odlišných systémech. Kromě vnější podobnosti struktur vytvářených živými organizmy s chemickými vlnovými strukturami je ohromující především vnitřní podobnost, která ukazuje na existenci několika málo základních procesů zodpovědných za vznik a formování vlnových struktur. Význam chemických vln tkví především v tom, že díky své relativní jednoduchosti pomáhají rozluštit hnací mechanizmy vzniku a šíření vlnových struktur, jejich základní vlastnosti a chování, a také možnosti ovlivňování.

Velmi vzrušující aplikací poznatků získaných o vzniku a šíření vln, zejména o změně kruhových vln ve vlny spirálové, je předpokládaný mechanizmus vzniku srdečních arytmií a fibrilací. Na srdci existuje sinoatriální uzel, který funguje jako periodický zdroj vln elektrického potenciálu, podobně jako stříbrný drátek je zdrojem kruhových koncentračních vln v Bělousovově-Žabotinského reakčním médiu na Petriho misce. Potenciálová vlna se od tohoto uzlu šíří všemi směry po srdečním svalu a vyvolá postupnou kontrakci srdečního svalu, čímž je zajištěn krevní oběh.

Představu o vzniku fibrilací by bylo možno vyjádřit asi takto: Pokud je souvislá kruhová vlna přerušena (například narazí-li na část tkáně, která v důsledku poškození infarktem tento elektrický signál nepropustí), vytvoří se volné konce, podobně jako u Bělousovových-Žabotinského vln, a ty se začnou stáčet do spirály (viz obr. obrázek). Jak jsme viděli u Bělousovových-Žabotinského spirál, tyto spirálové zdroje jsou trvalé a produkují vlny samočinně. Vlny tohoto elektrického signálu se šíří a dávají srdečnímu svalu „falešné“ signály ke kontrakci. Spirálové zdroje produkují vlny s větší frekvencí než zdroje uzavřených kruhových vln, což má v důsledku anihilace vln při vzájemné srážce za následek, že spirálové vlny časem ovládnou celý prostor. Srdeční sval tak dostává mnoho rychlých „falešných“ signálů ke kontrakci, což se projeví fibrilací, rychlými nepravidelnými kontrakcemi srdečního svalu.

Mnohé experimentální práce (prováděné na srdcích králíků, psů či kouscích srdeční tkáně) i práce teoretické (využívající matematických modelů vzniku a šíření akčních potenciálů nervovými vlákny nebo populacemi neuronů) podporují spirálovou teorii podstaty srdečních fibrilací a arytmií. Studie chemických vln mohou velmi pomoci v porozumění tomu, jak, proč a kdy spirálové vlny vznikají, jak jsou stabilní, čím lze jejich vznik potlačit, popřípadě jak je zničit, pokud přece jen vzniknou. ¹⁾