Vážené kolegyně, vážení kolegové, držíte v rukou sborník přednášek již 9.ročníku týdenní školy pro středoškolské učitele přírodovědného zaměření. Doufám, že témata přednášek jsme opět dobře vybrali a budou pro Vás přínosem. Některá z nich byla přímo vyžádána Vašimi kolegy. Budu velmi spokojen, když koncem týdne nebudete litovat, že jste se rozhodli věnovat své osobní volno na sebevzdělávání. Získáte nové poznatky i z jiných vědních oborů, které mohou být užitečné i v osobním životě. Musíme společně usilovat o získávání studentů pro technické a přírodovědné obory.Nemůžeme jenom nečinně přihlížet k velkému odklonu mladých lidí od technických a přírodovědních oborů na humanitní směry. Osobnost středoškolského kantora a jeho zanícený výklad, má dle mého názoru, rozhodující vliv na rozhodnutí mladého člověka, který obor si zvolí. My Vám můžeme být jen nápomocni při Vašem úsilí. Někteří z Vašich studentů se pak mohou stát silnou vědeckou osobností. Právě na těchto osobnostech může být postavena budoucnost moderního národa. Pomozte vyhledávat a podporovat talenty, snažte se vzbudit touhu po poznání, pokuste se vyprovokovat své studenty k samostatnému přemýšlení, pokuste se je přesvědčit o kouzlu vědeckého bádání. Týdenní škola „Praha 2005“ je organizována s podporou grantu MŠMT ČR v programu INGO. Rád bych poděkoval elektrárenské společnosti ČEZ,a.s.za finanční prostředky poskytnuté pro uspořádání této školy. Je nutno zdůraznit , že ČEZ,a.s. je zatím jediná velká česká firma, která pochopila důležitost investovat do dalšího vzdělávání učitelů a zprostředkovaně do mladých lidí. Poděkování též patří Ústavu biochemie a mikrobiologie VŠCHT Praha za přípravu laboratorních praktik. Závěrem bych Vám chtěl popřát mnoho sil a dostatek energie při Vaší nelehké práci při výchově a vzdělávání mladé generace.
1
Studium enzymů biotransformujících xenobiotika jako nástroj k poznání mechanismu působení karcinogenů a konstrukce kancerostatik nové generace Doc. RNDr. Marie Stiborová, DrSc.
1. Úvod Nádorová onemocnění jsou jedním z nejzávažnějších problémů klinické medicíny. V současné době jsou příčinou úmrtí každého pátého občana ČR a jejich výskyt neustále narůstá (Klener 1996). Tato civilizační choroba navíc postihuje stále nižší věkové ročníky. Je to dáno zejména oproti minulosti zásadně odlišnou skladbou potravy, která obsahuje převahu cukrů a tuků, ale také stresem a kontaminací složek životního prostředí látkami s kancerogenním účinkem. Nevhodná strava a kancerogeny přítomné ve vodě, ovzduší a potravě způsobují, že se tvoří vyšší počet jednotlivých nádorových buněk, než je pro organismus přirozené. Imunitní systém, který může být stresem a polutanty oslaben, pak není schopen na tuto situaci dostatečně zareagovat. Léčba nádorových onemocnění je komplikována zejména skutečností, že léčbou potřebujeme zcela zničit buňky nikoli cizorodé, jak je tomu například u bakteriálních infekcí, ale tělu vlastní. Nádorové buňky se více či méně liší od normálních buněk, ze kterých vznikly, a proto by teoreticky měly být rozpoznány imunitními mechanismy a eliminovány. Odlišnosti od normálních buněk jsou však buď příliš malé, takže jsou imunitním systémem ignorovány, nebo nádorové buňky využívají mechanismy, které jim umožňují paralyzovat některé zbraně imunitního systému. Ačkoli znalost mechanismu účinku protinádorového léčiva a jeho osud v organismu by měly být známy dříve, než se lék použije v klinické praxi, jsou tyto údaje u většiny cytostatik doplňovány až dodatečně a jejich použití se tedy zakládá na empiricky získaných údajích o therapeutické účinnosti a toxicitě (Klener 1996). Díky znalosti mechanismu působení protinádorových léčiv se však optimalizuje používání daného léčiva, a navíc může vést k navržení jeho účinnějších derivátů s cíleným účinkem selektivním pro nádorové buňky.
1.1. Nádorová onemocnění Značné rozšíření neoplasmatických transformací ukazuje, že příčiny 2
nádorového zvrhnutí jsou v úzkém vztahu k základním jevům života. Společným jmenovatelem těchto onemocnění jsou genetické změny způsobující porušení regulačních procesů, což následně vede ke ztrátě diferenciace buněk, k jejich nekontrolovatelnému dělení a ke ztrátě tkáňové celistvosti (Klener 1996, Stiborová a
Mikšanová
1999).
Nádorová
onemocnění
mohou
postihovat
všechny
mnohobuněčné organismy včetně člověka. Čím je organismus složitější, tím více druhů konečně diferenciovaných buněk obsahuje (člověk asi 200), a tím více potřebuje genů kódujících různé regulační proteiny. Komplexní proces vzniku nádorů je nazýván kancerogenese (nebo karcinogenese). Nová a abnormální tkáň v mnohobuněčném organismu, která se vyznačuje nadměrným autonomním růstem a tím poškozuje celý organismus, se označuje jako nádor či tumor nebo též neoplasma (novotvar). Velmi mnohé (snad všechny) typy buněk se mohou z různých důvodů nádorově zvrhnout. Maligní nádory vzniklé z epiteliálních buněk jsou nazývány karcinomy, nádory vzniklé z podpůrných buněk nebo pojivových tkání jsou označovány jako sarkomy.
1.1.1. Mechanismus kancerogenese Podstatou bezchybného ontogenetického vývoje a diferenciace buňek každého mnohobuněčného organizmu je průběžná regulace exprese genů v buňkách, tedy regulace transkripce (přepisu DNA do RNA), posttranskripčních úprav, translace (produkce proteinu dle informace obsažené v RNA) a posttranslačních úprav. Geny kódující proteiny, které se zapojují do této regulace (růstové faktory, receptory, proteinkinasy, transkripční faktory), se nazývají protoonkogeny;
produkty
těchto
genů
jsou
pak
označovány
jako
protoonkoproteiny (Klener 1996). Vedle protoonkoproteinů se na regulaci buněčného cyklu podílí také tumorové supresorové geny, jejichž produkty působí jako přirozená „brzda“ proliferace somatických buněk (Klener 1996). Zjednodušeně lze říci, že k maligní transformaci buňky dochází v důsledku změny (mutace) v protoonkogenech a tumorových supresorových genech. Kromě přirozeně vznikajících chyb při replikaci může být DNA poškozena také působením vnějších faktorů. Příklady různých typů poškození DNA jsou uvedeny na obrázku 1.1. (Stiborová a Mikšanová 1999). Mezi hlavní faktory zvětšující pravděpodobnost vzniku nádorů patří faktory fyzikální (radioaktivní, kosmické, UV a Rentgenovo 3
záření; některé druhy velmi jemných pevných částic, např. azbestu nebo sloučenin berylia atd.), dále biologické vlivy (genetické předpoklady a některé viry – odhaduje se, že až 15 až 20 % případů rakoviny je způsobeno onkoviry), a také chemické kancerogeny. V současnosti existuje řada důkazů, že chemické karcinogeny (ať synthetické či látky přírodního původu) hrají v etiologii nádorových onemocnění významnou úlohu. Do lidského organismu se dostávají např. z pracovního nebo životního prostředí, jako součásti potravy nebo jako léčiva. Z více než 600 rozdílných sloučenin, které byly hodnoceny z hlediska karcinogenity Mezinárodní organizací pro výzkum rakoviny (IARC) jich bylo přes padesát ohodnoceno jako karcinogeny vyvolávající nádorová onemocnění u člověka. Klíčovou otázkou je jakým mechanismem karcinogeny do procesů nádorového bujení
(kancerogenese)
zasahují. I přes bouřlivý rozvoj studia této problematiky není dosud mechanismus karcinogenity některých kancerogenů plně objasněn. Chemické karcinogeny lze podle mechanismu působení rozdělit do tří skupin. První skupinu representují genotoxické karcinogeny, které tvoří kovalentní adukty s DNA. Karcinogeny druhé skupiny způsobují změny struktury molekul DNA jako jsou jedno- a dvou-řetězové zlomy (single- and double-strand break). Dále pak změny struktury DNA, které jsou vyvolány bifunkčními činidly způsobující tzv. „cross-linking“ (propojení molekul), a to „DNA-DNA cross-linking“ (intra- i intermolekulární) epigenetické
nebo
„DNA-protein
karcinogeny,
které
cross-linking“.
modifikují
molekuly
Třetí
skupinou
DNA
jsou
nekovalentními
interakcemi. Jde např. o látky označované jako interkalátory, které se vmezeřují do dvoušroubovicové struktury DNA (Stiborová a Mikšanová 1999). Z 90 % je působení chemických kancerogenů vázáno na tvorbu kovalentních aduktů (kovalentní vazbu karcinogenů nebo jejich metabolitů na báze nebo deoxyribosu DNA), méně často je modifikací apurinace a apyrimidinace DNA, „cross-linking“, tvorba hydroxyderivátů bází (oxidativní léze vyvolané radikálovými formami kyslíku), vznik cyklických aduktů, interkalátů nebo pyrimidinových dimerů. Ačkoliv většina modifikací (DNA aduktů) je z DNA eliminována opravnými mechanismy, některé perzistentní adukty často způsobují permanentní mutace v důležitých genech kontrolujících růst, což resultuje v aberantní buněčný vývoj a kancerogenní procesy. Za klíčové pro iniciaci kancerogenese jsou považovány
4
mutace způsobené karcinogeny v onkogenech a tumorových supresorových genech (antionkogenech). Vzhledem k tomu, že modifikace molekul DNA jsou považovány za kritický krok kancerogenese, jsou hledány postupy, jak je detegovat a jak jejich vzniku zabránit.
OBRÁZEK 1.1. Příklady mechanismů poškození DNA různými vnějšími faktory (Stiborová a Mikšanová 1999)
Většina karcinogenů tvořících adukty s DNA vyžaduje metabolickou aktivaci. Z tzv. pro-karcinogenních forem jsou přeměňovány na formy reaktivní, ultimativní, které tvoří vlastní kovalentní adukty. Za nejdůležitější enzymy aktivující prokarcinogeny na ultimativní karcinogeny jsou považovány monooxygenasy (oxidasy) se smíšenou funkcí lokalizované v endoplasmatickém retikulu a obsahující hemové enzymy, cytochromy P450 (CYP). V některých orgánech (tkáních) chudých na cytochromy P450 pak tuto funkci plní samostatně působící hemové enzymy peroxidasy [nespecifické i specifické - např. myeloperoxidasa, laktoperoxidasa, prostaglandin H synthasa]. V aktivaci jiných karcinogenů hrají úlohu i některé reduktasy [např. NADPH:CYP reduktasa, xanthinoxidasa, NAD(P)H:chinon- oxidoreduktasa (DT-diaforasa)] (Stiborová 2002). Buňka, ve které došlo k mutaci DNA vedoucí k aktivaci onkogenů a deaktivaci tumor supresorových genů a toto poškození DNA nebylo opraveno reparačními enzymy, je označována jako buňka iniciovaná. Pokud iniciovanou buňku nezlikviduje ani imunitní systém, setrvává v organismu do doby, než se v důsledku exposice faktorům s promočním účinkem ještě více změní její genetická informace a dojde k proliferaci buněk s porušenou diferenciací a mezibuněčnou 5
komunikací. Vzniká benigní nádor. Klíčovými faktory promoční fáze (zvýšené proliferace primárně pozměněných buněk) jsou především aktivity proteinkinas a fosfatas a jejich regulace. Růst nádoru ovlivňují i další faktory, zejména produkty onkogenů uvolňované po aktivaci (derepresi) onkogenů buď onkogenním virem nebo jiným kancerogenním podnětem. Takovým dalším podnětem mohou být i oxidativní změny DNA, způsobené radikálovými formami kyslíku. Jejich vznik často resultuje z reakcí (oxidačních i redukčních), kterými jsou karcinogeny nebo další sloučeniny participující na této fázi kancerogenese (tzv. promotory) metabolizovány.
V důsledku
reakcí
katalyzovaných
např.
prostřednictvím
cytochromů P450 je tvorba kyslíkových radikálů součástí reakčního mechanismu. Vznik radikálových forem kyslíku je rovněž podmíněn aktivitami peroxidas, vznikají i při redukčních reakcích některých xenobiotik, např. aromatických nitrosloučenin a chinonů (Stiborová a Mikšanová 1999). Progresní fázi kancerogenese můžeme zjednodušeně přirovnat k fázi iniciační. Procesy modifikace DNA jsou však v progresní fázi razantnější. Ve fázi progrese je maligní transformace buněk finalizována. Působením progresoru se totiž mění dosud částečně kontrolovatelný růst benigního nádoru na růst nekontrolovatelný, vzniká maligní nádor, který infiltruje i do sousedních tkání a likviduje je (Klener 1996). Buňky odštěpené z maligního nádoru se mohou dostat krevními nebo mízními cestami do jiných tkání nebo orgánů, kde se mohou usadit a vytvářet dceřinné nádory (metastázy). Schematické znázornění procesu kancerogenese ukazuje obrázek 1. 2.
1.2. Enzymy metabolizující xenobiotika (karcinogeny) Metabolická přeměna xenobiotik (toxikantů, karcinogenů, léčiv) vstupujících do organismu je do určité míry určena jejich rozpustností ve vodě či tucích. Látky lipofilního charakteru, které procházejí membránami a může tedy docházet k jejich kumulaci v organismu, nemohou být z těla vyloučeny přímo, ale musí být nejdříve přeměněny na látky s vyšší polaritou. Tyto hydrofilnější metabolity nemusí být jen netoxické, biologicky inertní látky. V závislosti na chemické struktuře daného xenobiotika a enzymovém systému, který přeměňuje danou látku v organismu, se naopak může jednat o látky značného biologického významu. Místo detoxifikace
6
dané látky tedy dochází k její aktivaci. Takovou metabolickou aktivaci vyžaduje řada léčiv, ale aktivováno je též 98 % genotoxických kancerogenů (Stiborová 2002).
OBRÁZEK 1. 2. Schéma vícestupňového procesu kancerogenese (Stiborová a Mikšanová 1999)
Procesy detoxikační a aktivační (v pozitivním i negativním smyslu) nelze od sebe vzájemně oddělit – tentýž enzym může být angažován např. v detoxikaci jedné chemické látky a přitom zvyšovat toxicitu látky jiné. Mezi oběma směry metabolismu existují velice složité vztahy rovnováhy, které mohou být v důsledku působení zevních i vnitřních faktorů snadno vychýleny na tu či onu stranu. Biotransformace xenobiotik u různých organismů není totožná. Pro daný organismus jsou důležité integrita a směr metabolismu xenobiotika, které určují stupeň toxicity tohoto xenobiotika pro daný organismus. U živočichů dochází k biotransformaci xenobiotik ve dvou fázích. V první fázi, nazývané derivatizační, dochází ke zvýšení polarity xenobiotika. Ve druhé fázi biotransformace dochází ke konjugaci těchto polarisovaných molekul s endogenními látkami (kyselina glukuronová, glycin, taurin, aktivní sulfát, glutathion, cystein, aktivní acetát atd.) (Stiborová 2002). Mezi enzymy katalyzující derivatizační reakce xenobiotik patří jednak enzymy
mikrosomální
frakce
(subcelulární
systém
získaný
destrukcí
endoplasmatického retikula při homogenizaci buněk), tak cytosolu (tímto pojmem je označován roztok cytoplasmy a isolačního pufru). Klíčovým enzymovým systémem I. fáze biotransformace je mikrosomální systém monooxygenas se smíšenou funkcí (MFO) obsahující cytochrom P450. 7
V druhé fázi biotransformace označované také jako konjugační jsou na funkční skupiny vytvořené v derivatizační fázi vázány malé hydrofilní molekuly. Tímto krokem se ještě zvýší polarita původně hydrofobní molekuly a usnadní se tím její vyloučení z organismu. Exkrece nejčastěji probíhá močí a žlučí. Za výraznou součást antikancerogenních procesů je považován enzym glutathion-S-transferasa, která je schopna vázat reaktivní metabolity, zvláště pak epoxidy, a katalyzovat jejich vazbu s glutathionem. γ-Glutamylový zbytek je odštěpen v ledvinách a glycylový v játrech (méně často se tvoří konjugáty přímo s cysteinem za katalysy transpeptidasou); cysteylový zbytek je dále acetylován za vzniku merkapturové kyseliny, která již může být vyloučena močí. Glutathion a cystein jsou považovány za “scavengery” (vychytávače) cizorodých látek. Výkaly jsou vylučovány například konjugáty látek fenolické povahy se sulfátem nebo konjugáty karboxylových kyselin s glycinem nebo taurinem. Touto cestou také dochází k vyloučení kyseliny cholové, která je finálním produktem degradace endogenních steroidních látek. Také v II. fázi biotransformace však může dojít k aktivaci xenobiotika na toxičtější sloučeninu. Tak je tomu např. u konjugátů se sulfátem vznikajících z N-hydroxylovaných aromatických aminů účinkem sulfotransferas (sulfát musí být pro
konjugační
reakci
nejprve
aktivován
na
2’-(nebo
3’-)fosfoadenosin-5’-fosfosulfát - PAPS) či N-acetyltransferas. Konjugát sulfátu (acetátu) s N-hydroxysloučeninami (z první fáze biotransformace) je v kyselém prostředí moči nestabilní a rozpadá se za vzniku nitreniového (event. karbeniového) iontu; vzniká tedy elektrofil reagující s DNA a proteiny (Stiborová 2002). Většina biotrasnformačních enzymů vykazuje značnou inducibilitu. Mnoho xenobiotik indukujících enzymy I. fáze metabolické přeměny je schopno současně indukovat i enzymy fáze konjugační. Obecně je však indukce enzymů I. fáze vyšší a lze tedy předpokládat určitou nerovnováhu mezi rychlostí vzniku reaktivních meziproduktů a rychlostí jejich inaktivace konjugací. Existují však i látky nebo komplexní faktory, které výlučně nebo převážně indukují enzymy II. fáze (přirozené látky v rostlinné stravě). Je evidentní, že faktory stimulující konjugační enzymy mají nesmírný protektivní význam.
8
1.2.1. Mikrosomální monooxygenasový systém (MFO systém) Mikrosomální monooxygenasový systém je soubor enzymů katalyzující celou řadu oxidačních, oxygenačních, popř. redukčních reakcí, přičemž využívá především molekulární kyslík. Je též nazýván systémem oxidas se smíšenou funkcí (mixed function oxidases = MFO systém). Má tři základní složky: flavoproteinový enzym NADPH:cytochrom P450 reduktasu která slouží jako dělič elektronového páru, hemthiolátový enzym cytochrom P450 a jeho neméně důležitou součástí je též biologická membrána. Membránové lipidy způsobují konformační změny cytochromu P450 zvyšující jeho afinitu k substrátu, stimulují tvorbu funkčně aktivního komplexu cytochrom P450-NADPH:cytochrom P450 reduktasa a jsou “zásobárnou” uložených hydrofobních substrátů cytochromu P450. Fakultativně může MFO systém obsahovat také cytochrom b5 a NADH:cytochrom b5 reduktasu. Název cytochrom P450 neoznačuje produkt pouze jednoho genu. Dnes je známo kolem 1000 různých genů pro enzymové formy cytochromu P450. Tyto formy jsou na základě podobnosti aminokyselinové sekvence, tedy nikoli na základě podobnosti substrátů, rozděleny do rodin (sekvenční homologie větší než 40 %)
a podrodin
(homologie
větší
než
60 %).
Současná
nomenklatura
cytochromů P450 byla zavedena Nebertem a spolupracovníky (Nelson et al. 1996). Pro cytochrom P450 se používá zkratka CYP, za ní následuje číslo označující rodinu (např. CYP1), písmeno označující podrodinu (CYP1A) a poslední číslo označuje konkrétní gen (CYP1A1 - geny bývají označovány kurzívou) či enzym (CYP1A1). V roce 1999 bylo odhadováno, že člověk má ve svém genomu 50 druhů isoforem CYP, v současné době (hlavně díky dokončení sekvenace lidského genomu) je známo 57 isoforem cytochromů P450, u třech z nich je navíc možný alternativní sestřih. Také bylo identifikováno 58 pseudogenů (tedy nefunkčních kopií) CYP. Geny pro CYP jsou roztroušeny na všech lidských chromosomech s výjimkou chromosomu Y. Cytochromy P450 přítomné v lidském organismu jsou klasifikovány do 17 rodin. Metabolismu xenobiotik se účastní cytochromy P450 pouze tří z těchto rodin: CYP1, CYP2 a CYP3 (v menší míře též rodina CYP4). Ostatní rodiny participují na biosynthese steroidů, cholesterolu či žlučových kyselin, na metabolismu mastných kyselin, kyseliny arachidonové apod..
9
Aktivity jednotlivých lidských forem cytochromu P450 vykazují značné interindividuální rozdíly, způsobené zejména dvěma faktory, genetickým polymorfismem (změna genotypu) a změnou exprese genu (změna fenotypu). Dokonalé poznání metabolických aktivit a specifity jednotlivých forem napomáhá jednak k účelnější farmakotherapii (modulace účinku léčiva, snížení jeho vedlejších účinků), ale také k prevenci rizika rakoviny (zjišťování genetických dispozic u jedinců exponovaných různým cizorodým látkám apod.)
1.2.2. Cytoplasmatické derivatizační enzymy
1.2.2.1. Peroxidasy Peroxidasy
(donor:hydrogenperoxid
oxidoreduktasy)
jsou
enzymy
katalyzující detoxifikaci peroxidu vodíku (případně organických peroxidů) za současné oxidace jiné látky. Oxidovanými substráty, ať již původu endogenního či xenobiotika, mohou být jak látky organické (typicky fenoly a aromatické aminy) (Stiborová et al. 2000), tak anorganické (halogenidy). Peroxidasy jsou většinou hemoglykoproteiny s kovalentně vázaným hemem b, pátým ligandem železa je dusík histidylového zbytku apoproteinu (Stiborová et al. 2000). Typickou vlastností peroxidas je katalysa velkého množství různých typů reakcí, kterými substráty přeměňuje. Hemové peroxidasy je možno na základě sekvenční homologie rozdělit do dvou superrodin: do první superrodiny patří hemové peroxidasy hub, rostlin a bakterií, druhou superrodinu tvoří peroxidasy živočišné. Ty se vyskytují zejména v kostní dřeni, mozku a myelinových pochvách nervů (myeloperoxidasa), v buňkách štítné žlázy (jodoperoxidasa), která se zde účastní biosynthesy hormonů), v močovém měchýři a semenných váčcích [prostaglandinendoperoxidsynthasa (PES, PHS), participující na biosynthese prostaglandinů,
tromboxanů
a
prostacyklinů].
V buňce
jsou
peroxidasy
lokalizovány zejména v cytoplasmě, ale aktivita peroxidas byla zjištěna i v endoplasmatickém retikulu a Golgiho aparátu. Typickými
reakcemi,
které
jsou
katalyzovány
peroxidasami
jsou
jednoelektronové oxidace. Radikály, které vznikají v průběhu oxidace substrátů často reagují s dalšími látkami přítomnými v roztoku jako např. s O2 a řadou
10
dalších nízkomolekulárních látek. Některé rovněž ochotně napadají nukleofilní centra biologických makromolekul (hlavně proteinů a nukleových kyselin). Právě pro enzymy dosti netypická vlastnost peroxidas, tedy uvolňování silně reaktivních meziproduktů do roztoku, kde pak tyto reagují bez jakékoliv enzymové katalysy, může být s výhodou využita při studiu metabolismu xenobiotik těmito enzymy. Není totiž vždy potřeba pracovat jen s určitou zájmovou, často jen obtížně dostupnou peroxidasou, stačí použít jinou, snáze dostupnou peroxidasu (např. křenová peroxidasa), pokud je také schopna dostatečně efektivně oxidovat příslušný substrát na radikálové meziprodukty. Spektrum získaných produktů nebo například aduktů s DNA je pak, v důsledku absence enzymové kontroly nad radikálovými reakcemi probíhajícími v roztoku, s vysokou pravděpodobností identické jako u reakcí katalyzovaných ostatními peroxidasami.
1.2.2.2. NAD(P)H:chinonoxidoreduktasa Cytoplasmatický enzym NAD(P)H:chinonoxidoreduktasa (DT-diaforasa), je flavoprotein katalyzující dvouelektronové redukce chinonů a chinoidních sloučenin na hydrochinony (bez tvorby radikálů). Jako donor elektronů může využívat s obdobnou efektivitou NADH i NADPH. Enzym je homodimer, v každém aktivním centru má jednu prosthetickou skupinu FAD. Chinoidní sloučeniny, vznikající například biotransformací benzenu či benzo[a]pyrenu, se mohou kovalentně vázat na DNA, RNA nebo proteiny. NAD(P)H:chinonoxidoreduktasa katalyzuje dvouelektronové redukce chinonů na hydrochinony, které jsou následně inaktivovány CDP-glukuronosyltransferasami. Vedle redukce chinonů redukuje NAD(P)H:chinonoxidoreduktasa rovněž jiná nízkomolekulární xenobiotika, kupříkladu nitrosloučeniny a azobarviva. Aktivita tohoto enzymu bývá zvýšena v nádorových buňkách (Stiborová 2003). NAD(P)H:chinonoxidoreduktasa
je
také
účinnější
za
anaerobních
podmínek, které jsou typické pro maligně transformované buňky (Patterson et al. 1999). Na příkladu některých karcinogenních látek studovaných v laboratořích katedry biochemie PřF UK je v následujících kapitolách ukázán význam studia enzymů biotransformujících xenobiotika pro poznání mechanismu chemické karcinogenese a pro vývoj nových protinádorových léčiv.
11
2. 1. Využití studia oxidačních reakcí katalyzovaných cytochromy P450
a
peroxidasami
k poznání
mechanismu
působení
karcinogenního azobarviva Sudanu I V poznání mechanismu působení karcinogenního azobarviva 1-fenylazo2-hydroxynaftalenu (Sudanu I, Solvent Yellow 14), hrála v prvé fázi výzkumu klíčovou úlohu specifikace jednotlivých isoforem cytochromu P540 a peroxidas participujících na jejich oxidaci a řešení mechanismů reakcí jimi katalyzovaných. Dále pak detekce a charakterizace aduktů tvořených z reaktivních metabolitů studovaných látek s DNA. Sudan I je karcinogenem vyvolávajícím nádory jater a močového měchýře u experimentálních zvířat (myš, potkan, králík) (IARC 1975), jeho karcinogenní efekt pro lidský organismus však není dosud znám. Sudan I je i kontaktním alergenem (pro člověka a morče). V experimentech na morčatech byla zjištěna silná kožní alergenicita Sudanu I a je zajímavé, že podobné účinky na kůži měl i metabolit Sudanu I, 4´-OH Sudan I. Ve styku s kůží člověka může Sudan I vyvolat “sensitizaci” (zcitlivění kůže na jiné sloučeniny) a/nebo alergickou reakci (kontaktní dermatitidu). Ta může přetrvávat ještě několik měsíců po přerušení kontaktu s alergenem (Stiborová 2003). Působení Sudanu I a jeho derivátů jsou vystaveny nejen pracovníci chemických provozů jeho výroby a zpracování, ale i daleko větší část lidské populace. Především používáním materiálů barvených Sudanem I a jeho deriváty, jako jsou např. rozpouštědla, oleje, tuky, vosky, čistící prostředky, tiskařská barviva (IARC 1975). Navíc, zájem o vliv této sloučeniny na lidský organismus vzrostl enormně před několika měsíci (únor 2005). Denní tisk ve Spolkové republice Německo a Velké Britanii přinesl šokující informace. Sudan I je opět používán k barvení potravin. A to i přesto, že bylo jeho používání k barvení potravin vzhledem k jeho karcinogenitě zakázáno již v roce 1975. Je používán k barvení některých potravin produkovaných italskými firmami, konkrétně omáček užívaných k těstovinovým jídlům v zemích Europské unie. Azobarviva patří do velké skupiny karcinogenů, které pro svůj karcinogenní efekt vyžadují metabolickou aktivaci (produkci reaktivních metabolitů iniciujících poškození DNA tvorbou kovalentních aduktů s DNA).
12
Sudan I je metabolizován především v játrech, a to prostřednictvím oxidačních i redukčních reakcí. Oxidace Sudanu I in vivo (králík, potkan) resultuje ve tvorbu hydroxylovaných metabolitů, a to v poloze 4 benzenového kruhu a poloze 6 naftalenové části jeho molekuly. Hydroxylace na atomech uhlíku aromatických kruhů Sudanu I byly donedávna také považovány za reakce detoxikační. Oba nalezené deriváty jsou totiž z organismu ve formě sulfátů či glukosiduronátů rovněž snadno vylučovány (Childs a Clayson 1966). In vitro jsou ze Sudanu I tvořeny i dihydroxyderiváty 4´,6-dihydroxy-Sudan I a 3´,4´-dihydroxySudan I a produkt oxidačního štěpení azoskupiny Sudan I, benzendiazoniový ion (Obr. 2.1.). Výše uvedené oxidace Sudanu I in vitro jsou katalyzovány mikrosomálními subcelulárními systémy jater laboratorního potkana obsahujícími cytochromy P450. Vedle mikrosomálních cytochromů P450 je Sudan I oxidován in vitro i dalšími enzymy, peroxidasami. V tomto případě reakce probíhají jednoelektronovými oxidacemi (primárně je tvořen naftoxyradikál Sudanu I) (Stiborová 2003). V průběhu oxidačních reakcí katalyzovaných oběma enzymovými systémy je Sudan I aktivován na reaktivní metabolity, které se kovalentně vážou na nukleové kyseliny (DNA, tRNA), polydeoxyribonukleotidy a proteiny in vitro a na DNA in vivo. Sudan I je tedy karcinogenem působícím genotoxickým mechanismem. Reaktivní metabolit Sudanu I, který je tvořen oxidační reakcí katalyzovanou cytochromy P450 byl naším výzkumem odhalen. Jedná se o benzendiazoniový ion, vznikající oxidačním štěpením azoskupiny. Jednoznačně jbylo prokázáno, že benzendiazoniový ion reaguje se zbytky guaninu v DNA za tvorby stabilního aduktu, jehož struktura byla určena jako 8-(fenylazo)guanin (Obr. 2.1.). Zjištěný adukt může být zodpovědný za iniciaci karcinogenního procesu vyvolaného Sudanem I v jednom z cílových orgánů, játrech, neboť byl nalezen v DNA jater potkanů vystavených působení Sudanu I (Stiborová 2003). Adukty nalezené v DNA močového měchýře laboratorních potkanů exponovaných
Sudanu
I
neodpovídají
8-(fenylazo)guaninovému
aduktu
nalezenému po aktivaci Sudanu I cytochromy P450 (Stiborová et al. 1999). V tomto dalším cílovém orgánu musí tedy být za iniciaci kancerogenese zodpovědné metabolity jiné než je benzendiazoniový ion. Adukty Sudanu I v DNA močového měchýře vznikají jednoelektronovými (radikálovými) oxidacemi Sudanu I a jeho derivátů peroxidasami. Z metabolitů zodpovědných za tvorbu aduktů
13
generovaných peroxidasami byl dosud určen pouze jeden. Jde o radikál tvořený z primárního naftoxylového radikálu delokalisací elektronů v konjugovaném systému molekuly (Stiborová 2003). H
Peroxidase 4'
DNA, RNA and protein adducts
(CYP3A)
CYP1A1
N
(CYP3A)
N
H HO
N
HO N
+
Benzendiazonium Naphthalene-1,2-diol ion
O
N
+
6
CYP1A1 (CYP3A)
H
HO
Sudan I
CYP1A1 Peroxidase
O
N
O
N N
O O
6-OH-Sudan I
OH
CYP
CYP
+ DNA
4'-OH-Sudan I CYP
1,2-Naphthoquinone O
H HO
HO
O
H
N HO
N
N N
N
HN
O H2N
N N
N
N
DNA OH
4',6-diOH-Sudan I
3',4'-diOH-Sudan I
+
unknown adducts
8-Phenylazoguanine in DNA
Obrázek 2. 1. Metabolismus Sudanu I Poslední
výsledky
výzkumu
této
problematiky,
získané
pomocí
hmotnostních analys a metod NMR, dosud nevedly k totální charakterisaci aduktů tvořených ze Sudanu I a deoxyguanosinu (guanosinu) v nukleových kyselinách. Výsledky pouze napovídají potenciální strukturu jednoho z aduktů, jmenovitě majoritního guaninového aduktu. Analysy získané pomocí NMR sice jasně prokazují, že Sudan I se váže na guanin v poloze 4 naftaleného kruhu své molekuly, poloha vazby v molekule guaninu však dosud není jednoznačně určena. Radikál Sudanu I se váže buď na exocyklickou OH- či NH2 skupinu guaninu, či atom dusíku v poloze mezi těmito skupinami (Stiborová 2003).
2. 2. Úloha oxidačních a redukčních reakcí katalyzovaných cytochromy P450, peroxidasami, NAD(P)H chinonoxidoreduktasou a xanthioxidasou v aktivaci a detoxikaci karcinogenních nitrosloučenin, rostlinných produktů aristolochových kyselin
14
Studium metabolismu aromatických nitrosloučenin (aristolochových kyselin, AAI a AAII) vedla k důkazu, že jsou obě tyto přírodní sloučeniny molekulární příčinou ledvinného selhání a nádorových procesů v onemocnění „Chinese herbs nephropathy“ a Balkánské endemické nefropathie. Výsledky jsou příkladem, že poznání molekulárních interakcí karcinogenů s aktivačními enzymy a DNA může přispět k vysvětlení etiologie některých závažných chorob. V komplexní studii se podařilo identifikovat aristolochové kyseliny jako příčinu nově popsané ledvinné intersticiální fibrosy provázené nádorovým onemocněním močových cest. Tato choroba byla poprvé zjištěna u žen, které se podrobily „léčebné“ kůře kontrolované redukce tělesné hmotnosti na jedné z Bruselských klinik (Vanherweghem et al. 1993). Označeno bylo jako „Chinese herbs nephropathy“, podle čínských bylin (u nichž bylo později zjištěno, že obsahují aristolochové kyseliny), kterými byla dieta doplněna počátkem devadesátých let. Ledvinné selhání resultovalo u řady pacientek k transplantaci ledvin. Onemocnění však pokračuje dále, dochází k vývoji nádorů močových cest. V současnosti byl navíc výskyt uvedené choroby popsán i v jiných zemích, přičemž vždy byla dána do
souvislosti
s konzumací
potravin
(potravních
doplňků)
obsahujících
aristolochové kyseliny. K vysvětlení příčiny tohoto onemocnění jednoznačně přispěla studie řešící metabolickou aktivaci AAI a AAII enzymovými systémy resultující v tvorbu reaktivních intermediátů generujících adukty s DNA in vitro a in vivo. Majoritní adukty tvořené s deoxyguanosinem a deoxyadenosinem v DNA, jejichž struktura byla
určena
jako
7-(deoxyadenosin-N6-yl)-aristolaktam
(dA-AA)
a
7-
(deoxyguanosin-N2-yl)aristolaktam (dG-AA) byly nalezeny v DNA ledvin a močové trubice pacientek trpících uvedenou chorobou. Posloužily tak jako přímý důkaz, že původcem choroby jsou aristolochové kyseliny. Z komplexního výzkumu (Arlt et al. 2002b) bylo zjištěno, že v iniciaci nádorových procesů vyvolaných aristolochovými kyselinami hraje majoritní úlohu perzistentní adukt 7-(deoxyadenosin-N6-yl)aristolaktam I, který v organismu potkana způsobuje mutace v H-ras onkogenu a u člověka mutace tumorového supresorového genu p53 (Obr. 2.2.). Získané výsledky navíc otevírají další možnost využití poznatků ze studia mechanismu karcinogenity aristolochových kyselin. Konkrétně poznání příčin i dalšího ledvinného a nádorového onemocnění, Balkánské endemické nefropathie. Průběh této choroby je nápadně podobný průběhu onemocnění „Chinese herbs
15
nephropathy“ a ve vědecké literatuře je její etiologie presentována jako „bílé místo na mapě příčin lidských chorob“. I když chorobou trpí značná část balkánské populace žijící v určitých oblastech podél Dunaje, o její příčině bylo dosud pouze spekulováno. COOH
O
NO2
O
OCH3
aristolochic acid I xanthine oxidase DT-diaphorase NADPH:CYP reductase CYP1A1, CYP1A2 peroxidases prostaglandin H synthase
metabolic activation
O O H3CO
dA-AAI
N NH
N
AAI
H-ras
N
rat
NH N
HO
forestomach
H H
OH
O
H H
H
C O
human urothelial tissue
p53
AAI
persistent incorporation of dA opposite dA-AAI (AT→TA transversion mutation)
DNA replication
mutation cancer Obrázek 2.2. Mechanismus v organismu potkana a člověka
karcinogenity
aristolochových
kyselin
Extensivní epidemiologické a genetické studie signalisují multifaktoriální původ této nefropathie. Nedávné výsledky podporují předpoklad, že aristolochové kyseliny
a
ochratoxin
A
mohou
být
příčinou
Balkánské
nefropathie.
Prekarcinogenní léze (adukty v DNA) generované aristolochovými kyselinami byly (vedle lézí tvořených ochratoxinem A) nalezeny v DNA vzorků ledvin několika jedinců žijících v oblasti postižené balkánskou nefropatií a vykazujících příznaky této choroby (Arlt et al. 2002a). Získané poznatky jsou vysoce slibné pro další výzkum a pro vysvětlení etiologie tohoto onemocnění.
16
2.3. Studium oxidace protinádorového léčiva ellipticinu odhaluje nový mechanismus jeho působení a vede ke konstrukci nových léčiv Studium metabolismu cizorodých látek vedla i k odhalení nového mechanismu působení protinádorového léčiva ellipticinu, vysvětlující jeho selektivitu vůči určitým typům neoplasie. Ellipticin (5,11-dimethyl-6H-pyrido[4,3-b]karbazol) a některé jeho deriváty jsou alkaloidy vykazující významnou protinádorovou aktivitu. Ellipticin samotný a jeho polárnější deriváty 9-hydroxyellipticin a 2-methyl-9-hydroxyellipticin (ve formě acetátu) jsou užívány zejména k léčení pokročilého karcinomu prsu s kostními metastázami a akutní myeloblastické leukémie (Auclair 1987). Důvody zájmu o ellipticin pro klinické použití jsou dva: 1) vysoká účinnost proti nádorovým onemocněním (cytotoxický vůči určitým typům nádorových buněk je ellipticin již v koncentracích 0.1 µM) a 2) jeho nízké vedlejší účinky. Až na nefrotoxicitu podobnou svým mechanismem vzniku nefrotoxicitě cisplatiny, jsou vedlejší toxické účinky ellipticinu minimální. Ellipticin byl pro studium vybrán z důvodu, že se jedná o protinádorové léčivo, jehož mechanismus účinku není ještě přesně rozluštěn. Předpokládá se, že převládajícími mechanismy protinádorového účinku ellipticinu jsou (i) interkalace do dvojšroubovicové struktury DNA, která vyplývá z velikosti a tvaru jeho molekuly a (ii) jeho působení jako inhibitoru topoisomerasy II (Auclair 1987). Ellipticin a 9hydroxyellipticin také způsobují selektivní inhibici fosforylace produktu tumorového supresorového genu, proteinu p53 (Ohashi et al. 1995). Inhibice fosforylace proteinu p53 je pravděpodobně způsobena inhibicí specifické cyklin-dependentní kinasy. Nahromadění defosforylovaného proteinu p53 pak může vyústit v indukci apoptózy. Vedle uvedených mechanismů může ellipticin fungovat i mechanismem dalším. Inhibuje oxidační fosforylaci, která vede ke drastickému snížení obsahu ATP v buňkách, což resultuje v jejich zánik (Schwaler et al. 1995). Všechna uvedená vysvětlení mechanismu protinádorové aktivity ellipticinu jsou založena na
nespecifickém působení. Interkaluje do DNA jak buněk
nádorových tak i zdravých a inhibice topoisomerasy II rovněž probíhá ve všech buňkách bez ohledu na jejich zdravotní stav. Analogické nespecifické působení se projevuje i u ostatních dosud zjištěných principů účinku ellipticinu. Tato skutečnost je však v rozporu s poměrně úzkou specifitou jeho účinku vůči nádorovým 17
onemocněním. Je specifický pouze k určitým typům neoplasie. Vykazuje rovněž nízké vedlejší (toxické) účinky. Navíc, dosud poznané principy účinku tohoto léčiva (např. interkalace, inhibice toposisomerasy II) jsou typické pro daleko slabší kancerostatická agens než jakým je ellipticin. Specifické působení ellipticinu s vysokou efektivitou proti nádorovým buňkám musí tedy vycházet (být odvozeno) ještě z principů jiných, dosud neodhalených. Výsledky získané v naší laboratoři zcela zásadně mění pohled na mechanismus účinku studovaného protinádorového léčiva. Zjistili jsme, že ellipticin může působit jako „pro-léčivo“ („pro-drug“), které je metabolicky aktivováno enzymy exprimovanými v cílových nádorových tkáních (nádory prsu a leukemické buňky) na biologicky účinnější deriváty. V buňkách lidských prsních nádorů jsou exprimovány cytochromy P450 1A1, 2B6, 2E1 a 3A4 (Murray 2000, El-Rayes et al. 2003), přítomny i peroxidasy, laktoperoxidasa a prostglandin H synthesy (Williams a Phillips 2000). V řadě leukemických buněk je pak exprimována jiná peroxidasa, myeloperoxidasa. Enzymově katalyzovanou oxidací je ellipticin aktivován na metabolity, které generují kovalentní adukty s DNA in vitro (Obr. 2.3.) a in vivo. A
B 2 1
2 1
C
D 2
2 1
Obrázek 2.3. Autoradiografie majoritních aduktů ellipticinu tvořených in vitro s DNA po aktivaci cytochromy P450 člověka (A), králíka (B) a potkana (C) a bez enzymové aktivace (D), detekované metodou „32P-postlabeling“ Tak silná modifikace DNA jako je tvorba kovalentních aduktů s DNA jasně vysvětluje vysokou efektivitu tohoto protinádorového agens. Kovalentní adukty aktivovaného ellipticinu s DNA byly jednoznačně prokázány, a to dvěma nezávislými metodami (pomocí vazby radioaktivního, tritiovaného, elipticinu a pomocí metody „32P-postlabelingu“, Obr. 2.3.). Tvorba jednoho – majoritního -
18
aduktu v DNA (adukt 1 na obrázku 4.10.) je totálně závislá na aktivaci elipticinu cytochromy P450 či dalšími hemovými enzymy, peroxidasami. Minoritní adukt vzniká z ellipticinu vedle enzymově závislé katalysy rovněž autooxidací. Z experimentů in vitro a in vivo byly identifikovány isoformy cytochromu P450, které jsou za aktivaci ellipticinu zodpovědné. Z komplexního výzkumu, který kombinuje užití subcellulárních systémů a isolovaných enzymů, rovněž jako experimentů in vivo jsme zjistili, že za aktivaci ellipticinu jsou zodpovědné orthologní formy cytochromů P450 člověka a potkana. Jedná se především o CYP3A4 člověka a CYP3A1 potkana, dále pak CYP1A1/2 a popřípadě CYP1B1 obou biologických druhů. Tyto výsledky a další experimenty s aktivací
ellipticinu
peroxidasami
přinášejí
originální
data,
která
zcela
jednoznačně ukazují na nový mechanismus působení ellipticinu jako alkylačního (arylačního) činidla. Vzhledem k analogii enzymových systémů člověka a laboratorního potkana aktivujících ellipticin bylo jeho působení in vivo sledováno na modelu potkana. I v tomto případě bylo prokázáno, že ellipticin generuje adukty s DNA. Také in vivo bylo prokázáno, že je tvorba aduktů závislá na enzymové aktivaci studovaného léčiva. V těch tkáních, ve kterých jsou exprimovány nízké hladiny cytochromů P450 aktivujích ellipticin (CYP3A1, CYP1A1/2), je množství generovaných aduktů odpovídajícím způsobem nízké. Signifikantní korelace mezi expresí CYP3A1 a CYP1A1/2 a množstvím aduktů tvořených v DNA několika tkání laboratorního potkana plně potvrdila, že tyto enzymy zprostředkovávají aktivaci ellipticinu na metabolit kovalentně modifikující DNA i in vivo. Zcela nedávné výsledky navíc ilustrují, že adukty aktivovaného ellipticinu s DNA jsou tvořeny i v cílových nádorových tkáních. Adukty byly detekovány v DNA prsních
nádorů
vyvolaných
u
samic
laboratorního
potkana
nitrosomethylmočovinou (Obr. 2.4.), přičemž množství aduktů bylo vyšší v nádorové tkáni (Tab. 2.1.). Adukty byly dále detekovány v DNA buněk lidských nádorových linií, jako jsou buňky lidského prsního adenokarcinomu - MCF-7 buňky a v DNA leukemických buněk HL-60 a CCRF-CEM. Výsledky experimentů využívajících lidské nádorové linie navíc signalizují, že aktivity cytochromů P450 a peroxidas, jež determinují aktivaci ellipticinu na reaktivní metabolity vázající se na DNA, korelují s cytotoxicitou tohoto protinádorového agens. Zajímavým výsledkem je rovněž poznání, že ellipticin ovlivňuje hladiny enzymů, které jsou v organismu účinné v jeho metabolismu. Ellipticin působí jako
19
induktor cytochromů P450 v organismu laboratorního potkana, jejichž exprese je ovlivněna Ah receptorem. Jedná se především o CYP1A1/2. Vlastní aplikace léčiva tedy může stimulovat jeho farmakologické působení. _____________________________ Adukt (RAL/10-8) 1 2 _____________________________ Tkáň
Nádorová
1.42
0.03
Normální 0.94 0.02 _____________________________
Tab. 2.1. Množství aduktů ellipticinu
Obr. 2.4. Autoradiografie
DNA v DNA nádorové a zdravé prsní tkáně samic laboratorního potkana léčených ellipticinem (RAL, „relative adduct labeling“)
aduktů ellipticinu v prsních nádorech samic potkana po léčení ellipticinem
Ve světle faktu, že tvorba aduktů s DNA je prvým krokem karcinogenního procesu vyvolaného řadou sloučenin, za závažnou je třeba považovat otázku, zda adukty tvořené ze studovaného protinádorového agens s DNA jsou v léčbě pouze positivní skutečností či mohou-li iniciovat ve zdravých tkáních vedlejší genotoxické účinky. Z tohoto důvodu bylo sledováno, zda adukty tvořené z aktivovaného ellipticinu v DNA zdravých tkání jsou perzistentními lézemi, či jsou-li reparačními enzymovými systémy opravovány. Obrázek 2.5. ilustruje kinetiku oprav DNA poškozené adukty generovanými ellipticinem ve zdravých tkáních laboratorního potkana. Bifázová kinetika eliminace aduktu
1 (Obr. 2.5.), jakož i dalších, minoritních aduktů, jasně
prokazuje, že adukty vyvolané ellipticinem v DNA zdravých tkání nejsou perzistentními adukty. Po léčení nádorové tkáně ellipticinem a
zastavení jeho
aplikace dochází tak k opravě poškozené DNA. Z analogie osudu ellipticinu v organismu potkana a člověka lze předpokládat, že tento positivní výsledek lze očekávat i u člověka. Cílovým deoxynukleosidem modifikovaným aktivovaným ellipticinem v DNA je
deoxyguanosin.
Otázkou
však 20
zůstává
struktura
detekovaných
deoxyguanosinových aduktů. Pionýrské experimenty sledující metabolismus ellipticinu cytochromy P450 a peroxidasami alespoň napovídají, které z jeho
Liver
Liver
10
7
log RAL x 10
log RAL x 10
7
log RAL x 10
7
metabolitů tvoří uvedené adukty v DNA. Kidney
10
Kidney
Lung Lung
1 1
1
0.1 0.1
0.1
0
50
100
150
200
250
0
50
days
100
150
200
250
0
50
100
150
200
250
days
7
log RAL x 10
7
log RAL x 10
log RAL x 10
7
days
Spleen
Spleen
1
Heart Heart
Brain Brain
0.1
0.1
0.1
0.01
0.01
0.01
0
50
100
150
200
250
0
50
100
150
200
250
days
days
0
50
100
150
200
250
days
Obrázek 4.12. Kovalentní adukty tvořené z ellipticinu v DNA zdravých tkání laboratorního potkana nejsou perzistentní adukty Ellipticin je cytochromy P450 oxidován na pět metabolitů (Obr. 2.6.), jejichž struktura byla určena teprve nedávno (Stiborová et al. 2004); z nich je detoxikačním
metabolitem
7-hydroxyellipticin,
neboť
nevykazuje
žádnou
cytotoxicitu. Za tvorbu jednotlivých metabolitů jsou zodpovědné různé formy cytochromu P450. 9-hydroxyellipticin a 7-hydroxyellipticin jsou tvořeny především lidskými CYP1A1, 1A2 a 1B1, minoritní metabolit 12-hydroxyellipticin pak CYP3A4 a 2C9. 13-hydroxyellipticin a N(2)-oxid ellipticinu jsou generovány především prostřednictvím CYP3A4, metabolit M3 pak rovněž CYP2D6 (Obr. 2.6.). Za zcela zásadní výsledek považuji určení, které metabolty jsou zodpovědné za tvorbu obou aduktů ellipticinu s DNA. Zjistili jsme, že 13-hydroxyellipticin a N(2)-oxid ellipticinu tvoří přímo (bez aktivace) adukty s DNA (Stiborová et al. 2004). 13hydroxyellipticin se váže na DNA za tvorby majoritního aduktu 1 a N(2)-oxid ellipticinu za tvorby minoritního aduktu 2 (Obr. 2.6.). Detailně byla studována rovněž oxidace ellipticinu peroxidasami. I když je známo, že mechanismus reakcí katalyzovaných peroxidasami je odlišný od mechanismu oxidací substrátů cytochromy P450, ellipticin při oxidaci těmito enzymy tvoří majoritní adukty shodné s
21
Obr. 4.13. Oxidace ellipticinu cytochromy P450 adukty generovanými 13-hydroxyellipticinem a N(2)-oxidem ellipticinu (tedy produkty oxidace ellipticinu cytochromy P450) Zjistili jsme, že ellipticin je peroxidasami oxidován na primární radikál, který dále poskytuje dimer ellipticinu (Obr. 2.7.).
Jako druhý oxidační metabolit byl detekován N(2)-oxid ellipticinu.
Tedy tentýž metabolit jakým je produkt oxidace ellipticinu cytochromy P450, a který participuje na tvorbě aduktu dG2.
Obrázek 2.15. Struktura dimeru ellipticinu tvořeného peroxidasami Ze struktury dimerní molekuly ellipticinu byla určena struktura i primárního radikálu. Peroxidasa atakuje ellipticin na dusíku cyklického sekundárního aminu pyrolového kruhu ellipticinového skeletu. Vzniklý radikál se pak váže na další molekulu ellipticinu v poloze 9 jeho molekuly (Obr. 2.7.). Výsledky získané při studiu mechanismu působení ellipticinu jsou důležité nejen proto, že přinášejí původní vědecké poznatky rozvíjející teoretické poznání. Jsou podstatné
i z hlediska praktického.
22
Poznání, že farmakologický účinek
studovaného protinádorového léčiva je ovlivněn metabolickou aktivací v cílových nádorových tkáních, jinými slovy, že ellipticin působí jako „pro-léčivo“, u nějž je mechanismus cíleného zásahu založen na nezbytnosti metabolické aktivace, může být využita minimálně ve dvou směrech. V prvé řadě pro užití ellipticinu v genové therapii. Výzkum genové therapie závislé na aktivitách cytochromů P450 je v současnosti „hitem“ výzkumu řady laboratoří (Baldwin et al. 2003). Modulací aktivit cytochromů P450 (v případě ellipticinu i peroxidas), tedy enzymů aktivujících toto protinádorové léčivo v cílové nádorové tkáni (indukcí nebo genovou manipulací), lze zvýšit jeho farmagologický účinek enormně. Druhým směrem, který je slibným pro využití získaných výsledků, je konstrukce cíleně specifických protinádorových léčiv. V případě nádorově specifických léčiv tkví mechanismus jejich selektivity v cíleném transportu pouze do buněk maligních neoplasií („targeting“) (Říhová 1997).
Předchozí vývoj nádorově specifických
protinádorových agens na bázi ellipticinu, který realisujeme ve spolupráci s kolegy z Německého centra výzkumu rakoviny [synthesa a studium farmakologického účinku konjugátu ellipticinu s lidským sérovým albuminem (HSA), Frei et al. 2000], bude
rozšířen.
hydroxyellipticinu
Vyřešení a
struktury
N(2)-oxidu
reaktivních
ellipticinu,
metabolitů
které
přímo
ellipticinu, tvoří
13-
adukty
s deoxyguanosinem v DNA a potencují tak efektivitu ellipticinu v protinádorové therapii, využijeme pro přípravu nových derivátů nádorově směrovaných léčiv na bázi ellipticinu. Konkrétně pro synthesu konjugátu z již dříve použitého makromolekulárního nosiče (HSA) (Frei et al. 2000) a jednoho z reaktivních metabolitů ellipticinu, 13-hydroxyellipticinu. Takový konjugát může v nádorové tkáni poskytovat karbeniový ion ellipticinu i bez metabolické aktivace a kovalentní modifikací DNA (adukt dG1) pak efektivně likvidovat nádorové buňky přímo. Uvedený konjugát tedy může být využit i pro nádorové tkáně, v nichž nejsou exprimovány aktivační enzymy.
3. Literatura Arlt V.M., Ferluga D., Stiborová M., Pfohl-Leskowicz A., Vukelic M., Ceovic S., Schmeiser H.H., Cosyns J.-P.: Int. J. Cancer 101, 500-502 (2002)a. Arlt V.M., Stiborová M., Schmeiser H.H., Phillips D.H.: Mutagenesis, 17, 265-277 (2002)b. Auclair C.: Arch. Biochem. Biophys., 259, 1 (1987). Baldwin A., Huang Z., Jounaidi Y., Waxman D.J.: Arch. Biochem. Biophys., 409, 197 (2003). El-Rayes B.F., Ali S., Heilbrun L.K., Lababidi S., Bouwman D., Visscher D., Philip P.A.: Clin. Cancer Res., 9, 1705 (2003). Frei E., Bieler C. A., Stiborová M., Breuer A., Wiessler M., Sinn H.: Proc. Am. Assoc. Cancer Res. 41, 765 (2000).
23
Childs J. J., Clayson, D. S.: Biochem. Pharmacol., 15, 1247 (1966). IARC Sudan I. IARC Monographs, Vol. 8, str. 225-231. Lyon: IARC (1975). Klener P.: Protinádorová chemoterapie, Galén, Praha (1996). Murray G.I.: J. Pathol., 192, 419 (2000). Nelson D.R., Koymans L., Kamataki T., Stegeman J.J., Feyereisen R., Waxman D.J., Waterman M.R., Gotoh O., Coon M.J., Estabrook R.W., Gunsalus I.C., Nebert, D.W.: Pharmacogenetics, 6, 1 (1996). Ohashi M., Sugikawa E., Nakanishi N.: Jpn J. Cancer Res., 86, 819 (1995). Patterson L.H., McKeown S.R., Robson T., Gallagher R., Raleigh S.M., Orr, S.: Anti-Cancer Drug Design, 14, 473 (1999). Říhová B.: Crit. Rev. Biotechnol., 17, 149 (1997). Schwaler M.A., Allard B., Lescot E., Moreau F.: J. Biol. Chem., 270, 22709 (1995). Stiborová M.: Chem. Listy, 96, 784 (2002). Stiborová M.: Doktorská disertační práce, PřF UK Praha (2003). Stiborová M., Martínek V., Rýdlová H., Hodek P., Frei E.: Cancer Res. 62, 5678-5684 (2002). Stiborová M., Mikšanová M.: Živa, 4, 146 (1999). Stiborová M., Mikšanová M., Martínek V., Frei E.: Collect. Czech. Chem. Commun., 65, 297 (2000). Stiborová M., Sejbal J., Bořek-Dohalská L., Aimová D., Poljaková J., Forsterová K., Rupertová M., Wiesner J, Hudeček J., Wiessler M., Frei E.: Cancer Res., 64, 8374-8380 (2004). Stiborová M., Schmeiser H.H., Breuer A., Frei E.: Collect. Czech. Chem. Commun. 64, 1335 (1999). Vanverheagem J.-L. Depierreux M., Tielemans C., Abramowicz D., Dratwa M., Jadoul M.,Richard C., Vandervelde D., Verbeelen D., Vanhaelen-Fastre R., Vanhaelen M.: Lance,t 341, 387 (1993). Williams J.A., Phillips D.H.: Cancer Res., 60, 4667 (2000).
24
Poznání zrozené ze zoufalství Několik poznámek k počátkům kvantové teorie Jiří Chýla, Fyzikální ústav Akademie věd ČR,
[email protected] Pokrok ve vědě jde často daleko složitějšími cestami, než jak se o tom dočítáme v knihách o historii vědy. To platí zvláště o teoretické fyzice, částečně proto, že dějiny píší vítězové. Historikové často ignorují různé cesty, jimiž se vývoj ubíral, mnohé falešné stopy po nichž fyzikové šli a všechny chybné představy, jež měli. Četbou historických pramenů jen vzácně získáme správnou představu o skutečné podstatě vědeckého pokroku, do něhož patří fraška stejně jako triumf. Vznik a vývoj kvantové chromodynamiky je krásný příklad vývoje od frašky až k triumfu. David Gross, laureát Nobelovy ceny za fyziku v roce 2004 Citát z přednášky, kterou David Gross přednesl v roce 1998 na konferenci o historii fyziky, vystihuje nejen cestu, kterou se v uplynulých zhruba padesáti letech ubíraly snahy fyziků pochopit strukturu hmoty a zákonitosti, jimiž se její základní stavební kameny řídí, ale lze ho použít i na okolnosti vzniku samotné kvantové teorie na přelomu 19. a 20. století. Tento citát uvádím proto, že v řadě knih, odborných i populárních, jsou okolnosti, jež vedly ke vzniku kvantové teorie překrouceny, mnohdy až k nepoznání. Klikatá, ale vzrušující cesta ke kvantové teorii, provázená řadou omylů a nepochopení, na níž se přesně hodí Grossova charakterizace, je zaměňována za pohádku, jež často slouží jen k potvrzení autorových názorů. Tak je tomu například v knize Briana Greenea Elegantní vesmír, věnované teorii strun, kde jsou důvody vedoucí k formulaci kvantové teorii líčeny slovy: Na začátku 20. století fyzikové spočítali celkovou energii elektromagnetického záření uvnitř dutiny dané teploty. Použitím osvědčených výpočetních metod došli ke směšnému závěru: pro každou teplotu je celková energie uvnitř dutiny nekonečná. Všem bylo jasné, že to byl nesmysl – v horké dutině může být hodně energie, ale jistě ne nekonečno. po nichž následuje dlouhé povídání o tom, jak interpretujeme výraz, který odvodil Planck, v rámci dnešní teorie. Ve skutečnosti nic nemůže být vzdálenější pravdě, proč a jak se myšlenka, že energie je „kvantovaná“, zrodila a kdo k ní přispěl, než právě uvedený citát. Planck sám na zrod kvantové teorie, k němuž tak zásadním způsobem přispěl, ve své Nobelovské přednášce v červnu roku 1920 vzpomíná takto: Když pohlížím zpět na dobu před dvaceti lety, kdy se pojem a velikost kvanta akce začínal rodit z množství experimentálních skutečností a na dlouhou a křivolakou cestu, která nakonec vedla k jeho odhalení, zdá se mi, že celý tento vývoj jen ilustruje Goethova slova „Tvor lidský bloudí, pokud za čím spěje“ (z Prologu k Faustovi v překladu O. Fischera, pozn. J.Ch.). A veškeré vědcovo úsilí by se nakonec jevilo jako marné a beznadějné, kdyby se mu po všem tom pachtění občas nepodařilo udělat aspoň jeden krůček prokazatelně směřující k pravdě. V tomto článku se pokusím vylíčit hlavní experimentální skutečnosti, jež tehdejší fyziky donutily opustit „hrací plochu“ klasické fyziky a jež vedly k formulaci teoretického rámce, jemuž se někdy říká „stará kvantová teorie“. Náš příběh skončí těsně před vznikem „nové“ kvantové mechaniky, spojované s Heisenbergovými relacemi neurčitosti a Schrődingerovou vlnovou rovnicí. Domnívám se totiž, že klíčové kroky při změně pohledu na mikrosvět byly učiněny již v rámci „staré“ kvantové teorie. „Nová“ kvantová mechanika k nim přidala mocný matematický aparát, jenž ovšem může zájemcům o kvantovou fyziku zastínit prvotní příčiny, proč bylo nutno klasickou teorii při popisu atomů opustit. Při diskuzi o kvantové mechanice se obvykle pozornost soustřeďuje na interpretaci vlnové funkce, dualitu vlnového a částicového popisu objektů mikrosvěta a na obsah pojmu kauzalita. Řada fyziků se dodnes nedokáže smířit se skutečností, že v mikrosvětě základní pojmy a zákonitosti klasické fyziky použít nelze a snaží se najít 25
teorii, která by se k nim vrátila. Takové snahy nejsou nesmyslné, jen je třeba mít stále na paměti, že každá taková alternativní teorie musí být schopna vysvětlit jevy, jejichž pochopení stálo na počátku cesty k současné kvantové teorii. A to se zatím žádné nepodařilo. Jsem si vědom, že bez aktivní znalosti termodynamiky a statistické fyziky mohou být některá místa textu, zvláště diskuse Planckova odvození jeho vyzařovacího zákona, obtížně srozumitelná. Přesto jsem je zařadil, abych ukázal jaký typ úvah Plancka na jeho cestě ke kvantu vedl. Náš příběh začíná v polovině 19. století a je proto užitečné připomenout, že tehdejší představy o struktuře hmoty se příliš nelišily od představ některých antických filosofů, jako byl například Epicurus. Ten již na přelomu 3. a 4. století před Kristem hlásal názor, že hmota se skládá z nejmenších, dále již nedělitelných částí, tedy atomů. Ne všichni Epicurovi současníci však jeho názor sdíleli a ani na počátku 19. století nebyli zdaleka všichni učenci o realitě atomů přesvědčeni. Důležitou roli při prosazování myšlenky atomismu hmoty sehrál britský chemik John Dalton, jenž je považován za zakladatele moderní chemie. Klid před bouří
Ludwig Boltzmann (1844-1906)
Druhá polovina 19. století byla ve fyzice ve znamení rozvoje termodynamiky a formulace dvou nových teorií: statistické fyziky a elektrodynamiky. První je spojena především se jménem Ludwiga Boltzmanna (1844-1906) a druhá byla dílem Jamese Clerka Maxwella (1831-1879), jenž vycházel z Faradayových experimentálních studií elektrických a magnetických jevů. Jejich stěžejní práce, pocházející v obou případech z počátku 70. let 19. století, představovaly fundament, na němž kvantová teorie vyrostla. Klíčový význam statistické fyziky spočíval v tom, že tato teorie důsledně pracovala s atomy a molekulami jako základními entitami, což ani koncem 19. století nebylo zcela běžné.
Počátek cesty ke kvantu je spojen se jménem Gustava Kirchhoffa, jenž v roce 1859 formuloval pojem absolutně černého tělesa a dokázal, že spektrální rozdělení elektromagnetického záření vyzařovaného takovým tělesem závisí pouze na jeho teplotě. Experimentální zkoumání tohoto spektra, doprovázené snahami odvodit jeho tvar na základě tehdejších představ o struktuře hmoty, zaměstnávalo fyziky následujících 40. let. Přitom dlouho nic nenasvědčovalo tomu, že právě tento problém povede k nutnosti opustit pro popis zákonitostí mikrosvěta klasickou fyziku.
Gustav Kirchhoff
(1824-1887) Díváme-li se zpět, je zřejmé, že prvním projevem kvantové povahy mikrosvěta bylo pozorování diskrétních spekter vyzařovaných zahřátými plyny. Již v roce 1871 pozoroval Angström v optickém oboru záření vodíku čtyři ostré spektrální čáry, odpovídající vlnovým délkám 410, 434, 486 a 656 nm. Protože ovšem v té době Obr. 1. Část Balmerovy série ve viditelné části spektra záření vodíku. Vlnové délky jsou uvedeny v Ang-römech, přičemž 1A=0.1 nanometru. 26
byly atomy považovány za skutečně nedělitelné a nikdo neměl představu, jak k vyzařování dochází, nevzbuzovala diskrétnost spektra vodíku žádný údiv ani podezření. V roce 1885 si Johann Balmer, učitel matematiky na dívčím gymnáziu v Basileji, všiml, že uvedené vlnové délky lze vyjádřit v jednoduchém tvaru
λ =κ
m2 m2 − n2
(1) kde κ je konstanta, přičemž n=2 a m=3,4,5,6. Na základě tohoto vztahu Balmer předpověděl další čáru, odpovídající m=7, jež byla krátce na to skutečně pozorována v infračervené oblasti. Balmerova formule byla na světě, ale nikdo nevěděl, proč platí. O tři roky později Robert Rydberg ukázal, že má obecnější platnost a přepsal ji do tvaru, v jakém se používá dodnes
1 ⎞ ⎛ 1 = R⎜ 2 − 2 ⎟ λ m ⎠ ⎝n 1
(2) kde R je tzv. Rydgergova konstanta. Ani pak jí však nikdo nerozuměl, dokud nepřišel o čtvrt století později Niels Bohr se svým modelem atomu. Mezi tím se ovšem fyzikou zcela neočekávaně přehnala bouře, jež zacloumala jejími samotnými základy. Skryté kvantum
Snaha spočíst spektrální hustotu záření absolutně černého tělesa u(ν,T) - tedy hustotu elektromagnetické energie připadající na jednotky objemu a frekvence - přivedla v roce 1893 Wiena k formulaci tzv. posunovacího zákona, jenž postihoval základní rys závislosti u(ν,T) u (ν , T ) = ν 3 f (ν / T )
(3)
kde f (ν / T ) je neznámá funkce podílu frekvence a teploty. Tento tvar zajišťoval, že celkové množství energie vyzařované absolutně černým tělesem je úměrné čtvrté mocnině teploty, tak jak bylo pozorováno experimentálně. Zbývalo najít funkci f (ν / T ) . V té době ovšem neexistovaly žádné experimentálně podložené Wilhelm Wien (1864-1928) představy, jak elektromagnetické záření v látkách vzniká. Byla tu Maxwellova teorie, ale nebylo jasné, jak ji k tomuto účelu použít. Atomy byly v té době považovány za dále nedělitelné objekty a na průlom do zkoumání struktury atomů, jenž přinesl objev elektronu v roce 1897, fyzika teprve čekala. Přesto v červenci 1896 Wienov odvodil, vycházeje z myšlenek Boltzmanovy statistické fyziky a předpokladu, že pohybující se atomy emitují záření o frekvenci, jež je funkcí jejich rychlosti, konkrétní tvar funkce f (ν / T ) , jenž respektoval (3) u (ν , T ) = αν 3 exp(− βν / T )
(4) kde α a β jsou konstanty. Tento jeho zákon byl prakticky okamžitě potvrzen prvními dostatečně přesnými měřeními Paschena a stal se na zhruba 3 roky nedílnou součástí výzbroje tehdejší teoretické fyziky. Jak dále uvidíme, tento zákon představuje krásnou ilustraci toho, jak lze chybným způsobem dospět ke správnému výsledku. Z dnešního hlediska se jeví Wienovy předpoklady nesmyslné, ale pro další vývoj bylo podstatné, že
27
vedly ke shodě s experimentem. Navíc, a to je mimořádně zajímavé a hluboce ironické, ačkoliv Wien svůj zákon odvodil v rámci klasické fyziky, jevy, které správně popisoval, byly ve své podstatě neklasické. Jinými slovy, až do konce roku 1900 nikdo netušil, že spektrální hustota záření absolutně černého tělesa, kterou tak dobře popisoval Wienův zákon, v sobě skrývá kvantovou fyziku! Netušil to ani Max Planck, teoretický fyzik, jehož hlavní výzbrojí byla hluboká znalost termodynamiky a přesvědčení o klíčové roli její druhé věty. Při její formulaci Planck vycházel z pojmu entropie a princip jejího růstu považoval za jeden z nejhlubších fyzikálních zákonů. Nebyl ovšem přívržencem Boltzmannovy statistické fyziky a tedy ani pravděpodobnostní interpretace entropie. Planck se při svých úvahách opíral o Maxwellovu teorii elektromagnetismu a podrobně rozpracoval vzájemné působení elektromagnetického záření a tzv. Hertzova oscilátoru, elektrického dipólu kmitajícího s frekvencí ν . Počátkem roku 1899 odvodil vztah mezi hustotou u(ν,T) elektromagnetického záření, jež se v dutině ustavilo v důsledku vzájemného působení s Hertzovým oscilátorem a časovou střední hodnotou E (ν , T ) jeho energie Max Planck (1858-1947) ve věku 20 let.
8πν 2 u (ν , T ) = 3 E (ν , T ) c
(5)
čímž převedl problém nalezení u (ν , T ) na otázku výpočtu energie E (ν , T ) oscilátoru. Wienův posunovací zákon (3) implikuje v kombinaci s výrazem (5) vztah E(ν ,T)/ν =f(ν /T) , což znamená, že podíl ν/T lze vyjádřit jako funkci podílu E /ν . Závislost E(ν,T) na teplotě je přitom určena rovnicí, v níž vystupuje entropie oscilátoru S ( E /ν )
1 dS ( E /ν ) = T dE
(6)
Řešení problému záření absolutně černého tělesa tak Planck redukoval na úlohu určení závislosti entropie Hertzova oscilátoru na jeho energii. Objev elektronu
Průkopnické Faradayovy výzkumy elektromagnetických jevů interpretoval v roce 1881 Herman von Helmholtz slovy, jež předznamenala další vývoj: Jestliže přijmeme hypotézu, že elementární látky jsou složeny z atomů, nemůžeme se vyhnout závěru, že také elektřina, kladná i záporná, je rozdělena na elementární porce, které se chovají jako atomy elektřiny. Pro tyto „porce elektřiny“ přitom již v roce 1874 navrhl irský fyzik Stoney název „elektron“. V roce 1897 zkoumal J. J. Thomson vlastnosti katodového záření a zjistil, že
Obr. 2: Originální obrázek s popisem katodové28 trubice, jíž Thomson použil v roce 1897 při zkoumání vlastností katodového záření.
se jedná o proud elektricky nabitých částic, jejichž hmotnost je podstatně menší než hmotnost atomů vodíku (v původním měřeni 770 krát, později Thomson tuto hodnotu zpřesnil na 1700). Thomson, jenž těmto částicím říkal „korpuskule“ i když všichni ostatní přijali název „elektron“, nebyl sice jediný, kdo prováděl podobná měření, ale jako jediný měl odvahu jejich výsledky interpretovat jako svědectví o existenci nové částice. První krok na cestě k objevu struktury atomu byl učiněn. Vítr se zvedá
V polovině roku 1899 Planck dokončil rozsáhlou práci, v níž ukázal, že Wienův zákon plyne z Maxwellovy teorie a druhé věty termodynamické aplikované na systém zářících resonátorů dané frekvence pokud za entropii jednoho oscilátoru vezmeme S ( E /ν ) = − k
E E ln hν hν
(7) kde h a k jsou v dnešní notaci Planckova a Boltzmannova konstanty. Planck se navíc domníval, že princip růstu entropie vede přímo na tvar (7) a že tedy Wienův zákon je jeho přímým důsledkem. Při svých úvahách došel k názoru, že klíčovou roli při ustavení termodynamické rovnováhy mezi zářením a resonátorem hraje druhá derivace entropie, jež má pro (7) velmi jednoduchý tvar ( β = h / k ) d 2S 1 1 =− 2 βν E dE
(8) Jednoduchost tohoto výrazu Planck považoval, jak dnes víme mylně, za signál správnosti.. Brzy poté se však objevily první náznaky, že Wienův zákon neplatí pro všechny frekvence a teploty. V září 1899 Lummers a Pringsheim ukázali, že při vlnových délkách několika mikronů a teplotách nad 1500 stupňů byla jejich měření o trochu, ale systematicky (viz. grafy na obr. 3 vlevo), nad předpovědí Wienovy formule. Planck byl ovšem o správnosti
Obr. 3: Vlevo: první výsledky Lummerse a Pringsheima ukazující, že experimentální data (křížky „beobachtet“ proložené plnou křivkou) leží pro větší vlnové délky a vyšší teploty nad výpočty (kroužky „berechnet“) založenými na Wienově formuli (4). Vpravo: Měření Kurlbauma a Rubense v oblasti vlnových délek 20-30 µm (různé typy kroužků) odklon od Wienovy formule (čárkovaná křivka) jasně potvrdily.
29
Wienovi formule přesvědčen tak skálopevně, že na tento signál reagoval tím, že se na jaře roku 1900 pokusil dokázat, že tvar výraz (7) pro entropii oscilátorů je skutečně přímým důsledkem principu růstu entropie. Nebudu zacházet do podrobností, jen připomenu, že pro důkaz tohoto tvrzení Planck potřeboval právě platnost vztahu (8) pro druhou derivaci.
Váhavý revolucionář
V září téhož roku ovšem vítr přerostl v bouři. Nová měření Kurlbauma a Rubense v oboru vlnových délek 20-30 mikronů totiž ukázala (viz. obr. 3 vpravo), tentokráte nade vší pochybnost, že Wienův zákon je v této oblasti v hrubém rozporu s experimentem. Planck musel změnit názor a opustit představu, že růst entropie vede automaticky na (8). To, co udělal byla jednoduchá modifikace předchozího postupu, v němž jen nahradil vztah (8) obecnějším tvarem d 2S 1 γ =− 2 βν E ( E + γ ) dE
jenž pro E
(9)
γ na (8) přechází. Sám o tom, jak dospěl k výrazu (9) napsal
Ve svých úvahách jsem se nakonec rozhodl konstruovat zcela libovolné výrazy pro entropii, jež byly sice složitější,než výraz vedoucí na Wienovu formuli, ale které se zdály vyhovovat všem požadavkům vyplývajícím z teorií elektromagnetického pole a termodynamiky. Ze všech takto zkonstruovaných výrazů mne zvláště zaujal jeden, jenž byl z hlediska jednoduchosti Wienovu výrazu zdaleka nejblíže a jenž má tvar (9). Integrací (9) totiž dostaneme 1 dS 1 γ ⎞ γ ⎡⎛ E ⎞ ⎛ E ⎞ E E ⎤ ⎛ ln ⎜ 1 + ⎟ ⇒ S = = = + 1⎟ ln ⎜ + 1⎟ − ln ⎥ ⎢ βν ⎣⎜⎝ γ T dE βν ⎝ E⎠ ⎠ ⎝γ ⎠ γ γ⎦
(10) z čehož plyne vyzařovací zákon ve tvaru E (ν , T ) =
hν hν 3 8π ⇒ u (ν , T ) = 3 exp(hν / kT ) − 1 c exp(hν / kT )
(11) kde jsme položili γ = hν , aby (11) přešlo pro malá E γ na Wienův tvar (7). Všimněme si, že pro velká E γ E vede (9) na velmi jednoduchý tvar 1/ T = dS / dE = k / E , jenž implikuje E = kT . Tento výraz navrhl v květnu 1900 lord Rayleigh vycházeje z tzv. ekvipartičního teorému statistické fyziky. Tento teorém je právě ona „osvědčená výpočetní
Obr. 4: Srovnání Wienova, Planckova a Raylegh-Jeansova vyzařovacího zákona. Na grafu 30 vpravo je jasně vidět, že v oblasti malých vlnových délek je Wienův zákon velmi dobrou aproximací Planckovy formule.
metoda“, o níž píše Greene. Ve skutečnosti se Planckovy úvahy ubíraly zcela jiným směrem a o Rayleighově práci Planck pravděpodobně nevěděl. Statistická fyzika mu do té doby nebyla blízká. Je třeba také zdůraznit, že Rayleigh netvrdil, že jeho formule má platit pro všechny vlnové délky a s ohledem na data sám navrhl její modifikaci pro oblast, kde platí Wienův zákon. Planck si dobře uvědomoval, že výše nastíněné odvození, jenž přednesl na zasedání německé fyzikální společnosti v prosinci 1900, byla jen interpolace mezi dvěma režimy a následujících několik týdnů se proto usilovně snažil najít pro formuli (11) nějaké teoretické opodstatnění. Akt zoufalství
K tomu mu byl každý postup dobrý. Jak říká v dopise R. Woodovi z roku 1931 „Nějaký její teoretický obsah bylo nutné najít za každou cenu.“ V nouzi nejvyšší se obrátil k tomu, co mu bylo dosud cizí: statistické fyzice a Boltzmanově definici entropie jako míry pravděpodobnosti jednotlivých mikroskopických stavů systému S = k ln W
(12)
kde k je již zmíněná Boltzmanova konstanta. V práci ze 7. ledna 1901 uvažuje systém N resonátorů s celkovou energií E. Energie jednotlivých resonátorů není ovšem libovolně malá, ale může nabývat jen celočíselných násobků konečné hodnoty ε a tedy platí E = Pε . V statistické fyzice odpovídá rovnovážný makroskopický stav stavu s maximální pravděpodobností výskytu a ta je úměrná počtu mikroskopických stavů, které mají stejnou energii E = Pε . Planck si z teorie pravděpodobnosti vypůjčil vzorec pro počet kombinací P dílů ε celkové energie E, rozdělených mezi N resonátorů ve tvaru R( N , P) =
( N + P − 1)! ( N − 1)! P !
kde pro velká N a P použil Stirlingovu formuli N !
( N + P) N + P N N PP
(13)
N N . Dosazením do (12) pak dostal
⎡⎛ E ⎞ ⎛ E ⎞ E E⎤ S = k ⎢⎜ + 1⎟ ln ⎜ + 1⎟ − ln ⎥ ⎠ ⎝ε ⎠ ε ε⎦ ⎣⎝ ε
(14)
a protože entropie je funkcí podílu E /ν musí být ε = hν , kde h je konstanta. Po této substituci tak Planck dospěl k tomu, po čem tak toužil, tj. výrazu (10).O kvantu energie ε , jež hraje v postupu klíčovou roli, Planck v dopise Woodovi říká: Byl to čistě formální předpoklad a moc důležitosti jsem mu nepřikládal. Šlo mi jen o to, že jsem za každých okolností, ať to stálo co to stálo, musel dojít ke kladnému výsledku. Svůj postup pak shrnul slovy: Krátce řečeno, celou věc lze označit za akt zoufalství. Planck měl pravdu, jeho odvození mělo vážný nedostatek, na nějž upozornil Einstein a obsahovalo také z tehdejšího hlediska nepochopitelný krok. Tím byl předpoklad, že zatímco resonátory jsou rozlišitelné, kvanta energie nikoliv. Jedině v tom případě má pravděpodobnost R ( N , P ) tvar (13). Ve výraze pro rozlišitelná kvanta totiž chybí ve jmenovateli klíčový faktoriál P ! Nerozlišitelnost objektů je ovšem pojem, jenž v klasické fyzice nemá místo. Sám voják v poli
Role Einsteina při formulaci kvantové teorie se obvykle uvádí v souvislosti s vysvětlením fotoefektu, ale jeho vliv byl daleko větší. V jistém smyslu je pravda, že to byl právě Einstein, kdo první pochopil hloubku změn, které Planckova hypotéza kvanta energie
31
přinesla. Na rozdíl od Plancka byl Einstein od počátku své kariéry velkým stoupencem metod statistické fyziky, o níž se opírají prakticky všechny jeho úvahy věnované mikrosvětu. Kritický pohled na Planckovo odvození formule (11) se týkal role, jakou v něm hrálo kvantum energie ε = hν . Samotná existence minimální hodnoty energie záření dané frekvence by nebyla tak velkým zlomem, pokud by tato hodnota byla malá ve srovnání se střední hodnotou energie oscilátoru, který ji vyzařuje, tedy pokud by platilo E ε = hν . V oblasti frekvencí a teplot, kde platí Wienův zákon (4), je tomu však právě naopak E ε = hν ! Například pro vlnovou délku 0.5 mikronů a teplotu 1700 K je střední energie oscilátoru 65 miliónkrát menší než kvantum ε = hν , jež vyzařuje! Pro rozdělení veličiny, která nabývá hodnot 0, ε = hν a jeho celočíselné násobky, je taková střední hodnota klasicky naprosto nepochopitelná. Zavedení kvanta energie tedy není jen diskretizace klasicky spojité veličiny, ale dramatická změna samé podstaty zákonů popisujících působení elektromagnetického záření a hmotných částic. Na rozdíl od Plancka, jenž chápal kvantum energie jako veličinu charakterizující systém oscilátorů, Einstein pojem kvanta aplikoval i na spektrum jednoho samotného oscilátoru. Důležitý rozdíl mezi Einsteinem a Planckem byl také v tom, že Einstein vyšetřoval vlastnosti elektromagnetického záření bez odkazu na oscilátory, jež ho v Planckově přístupu generovaly. Teplotu a entropie považoval za charakteristiky samotného záření a jeho spektrální hustotu se snažil získat z úvah o závislosti entropie záření na objemu. Ukázal, že entropie odpovídající Wienovu zákonu znamená, že se záření chová zhruba jako statistický systém tvořený částicemi o energii ε = hν . Einstein tak dospěl ke kvantu energie, aniž použil Plancků zákon, podobně jako naopak Planck nejprve odvodil svůj zákon bez hypotézy kvanta energie. Hlavní přínos Einsteina k formulaci kvantové teorie se ovšem týkal obsahu pojmu kvanta elektromagnetického záření (dále jen kvanta světla). Prvotním podnětem k jeho úvahám byly výsledky měření rychlosti elektronů vyražených elektromagnetickým zářením v ultrafialové oblasti z povrchu kovů, jež provedl Philip Lenard v roce 1902 (viz. obr. 5). Tato měření vykazovala pozoruhodnou vlastnost: rychlost vyletujících elektronů měla maximum, které nezáviselo na intenzitě Obr. 5: Zařízení pomocí něhož Lenard dopadajícího světla či vzdálenosti od zdroje, studoval vlastnosti katodového záření ale výhradně na jeho barvě. Z hlediska vzniklého ozařováním katody U Maxwellovy vlnové teorie světla byla tato ultrafialovým světlem ze zdroje L. Měněním skutečnost naprosto nepochopitelná, neboť napětí na elektrodě E Lenard měřil v ní je množství energie koncentrované maximální energii elektronů vyražených v objemu atomu, z něhož je elektron vyrážen, k d U nepřímo úměrné čtverci vzdálenosti a přímo intenzitě světla. Pod určitou hodnotu intenzity nebude v důsledku toho energie světelné vlny dopadající do objemu atomu na vyražení elektronu stačit. Přesto data ukazovala, že i při velmi malé intenzitě světlo elektrony vyrazí, byť četnost takových případů klesá. Tento experimentální fakt uvádí Einstein jako jeden z argumentů pro svoji revoluční myšlenku týkající se podstaty světla:
32
Vlnová teorie světla pracující se spojitými funkcemi prostorových souřadnic se skvěle osvědčila při popisu čistě optických jevů a v tom ji žádná jiná teorie určitě nenahradí. Je ovšem třeba mít na paměti, že optická pozorování se týkají časových středních hodnot, nikoliv okamžitých hodnot fyzikálních veličin. Navzdory experimentálnímu potvrzení vlnové teorie světla při jevech ohybu, odrazu a lomu lze si docela dobře představit, že teorie světla pracující se spojitými prostorovými veličinami povede k rozporu s experimentem v případech popisu produkce a přeměny světla. S odvoláním na vlastnosti záření absolutně černého tělesa, fotoefekt a fotoluminiscenci pak Einstein dodává, že tyto jevy lze lépe pochopit za předpokladu, že při šíření z jednoho bodu se energie světelného paprsku nerozděluje na stále rostoucí prostorový objem, ale sestává se z konečného počtu prostorově lokalizovaných kvant energie, které se pohybují, aniž se dále dělí a mohou být také jen jako celky pohlceny. Konkrétně pro popis fotoefektu Einstein v této práci postuloval pro energii elektronu vyraženého z povrchu materiálu světlem o frekvenci ν výraz
E = hν − p (15) kde p představuje konstantní energii potřebnou k uvolnění elektronu z látky. Experimentální prověření tohoto vztahu, především pak lineární závislosti energie vyraženého elektronu na frekvenci dopadajícího světla, trvalo 10 let a bylo završeno pracemi Roberta Millikana, jenž v roce 1915 nade vší pochybnost prokázal správnost vztahu (15), z něhož lze přesně určit h . Einstein však šel při popisu světla ještě dál. Pomocí úvah o tlaku elektromagnetického záření dospěl k mimořádně důležitému závěru, že kvantum světla nenese jen energii, ale je i prostorově orientováno, jinými slovy, že Fig. 6: Závislost maximální hodnoty kinetické energie nese i hybnost. K tomuto, na vyražených elektronů (veličina na ose y, úměrná napětí na první pohled a z našeho elektrodě E z obr. 5), na frekvenci dopadajícího dnešního hlediska ultrafialového záření. Z nobelovské přednášky Roberta triviálnímu závěru (co má Millikana energii, musí mít přece i hybnost), však Einstein dospěl až po 12 letech. Velmi dobře si totiž uvědomoval, co to znamená: odpovědět na otázku, co rozhoduje o směru výletu konkrétního kvanta světla při deexcitaci atomů. Na rozdíl od speciální teorie relativity, již předložil v témže roce 1905 a jež byla praktiky okamžitě a všemi přijata, Einsteinova hypotéza kvant světla měla velmi těžký život. Trvalo skoro 20 let, než fyzikální obec pod tíhou experimentálních dat se skřípěním zubů přijala, že Einstein měl i v tomto případě pravdu. Příznačná jsou například slova Plancka, Rubense a další vedoucích osobností německé fyziky na adresu Einsteinovy hypotézy kvanta světla v dopise doporučujícím jeho přijetí do Pruské Akademie věd v roce 1913 : Skutečnost, že občas ve svých spekulacích přestřelí, jako to učinil například ve své hypotéze kvantování světelné energie, by mu neměla být příliš vyčítána.
33
Ještě vyhraněnější postoj k této hypotéze měl Robert Millikan, jehož měření Einsteinovu teorii fotoefektu potvrdila. Ten v roce 1914 na adresu Einsteinovy teorie rezolutně prohlásil: Stojíme tváří v tvář udivující skutečnosti, že tato fakta (tj. Millikanova měření, pozn. J.Ch.) byla před devíti lety správně předpovězena kvantovou teorií, jež však byla mezi tím všeobecně opuštěna. V roce 1905 Einstein při popisu fotoefektů navrhl odvážnou, ba přímo šílenou myšlenku, že světlo se chová jako korpuskule o energii hν , jež je absorbována elektronem... Ale teorie, kterou Einstein dospěl k rovnici (15) se dnes zdá být naprosto neudržitelná. A ještě v roce 1924 v nobelovské přednášce Millikan o Einsteinově hypotéze napsal: Platnost Einsteinovy rovnice je dnes všeobecně přijímána a v tomto smyslu lze považovat za experimentálně potvrzenou i realitu Einsteinových světelných kvant. Ale pojem lokalizovaných kvant světla, z něhož Einstein svou rovnici odvodil, je stále nutno považovat za sporný. K Einsteinově hypotéze kvanta světla se ve své nobelovské přednášky vrací i sám Planck: Co se stane s energií fotonu poté, co byl zcela vyzářen? Šíří se všemi směry jako vlny v Huyghensově teorii a zaujímá tak stále více prostoru a přitom se tlumí? A nebo vylétne jako projektil v jednom směru jako v Newtonově teorii? V prvním případě by kvantum nemohlo koncentrovat v jednom bodě prostoru tolik energie, aby dokázalo vyrazit elektron z atomu a v druhém by musel být obětován hlavní triumf Maxwellovy teorie .... naše současné chápání dobře prozkoumaných interferenčních jevů – oba pro dnešní teoretiky nevítané důsledky. Uspokojující odpověď na tuto otázku však bude fyzika hledat dlouho. Ještě dříve, než byly poslední pochybnosti o realitě světelných kvant a správnosti Einsteinovy teorie vyvráceny, došlo ovšem k dalšímu klíčovému kroku na cestě k pochopení struktury hmoty. Objev atomového jádra
Tím krokem byl objev atomového jádra, který učinil Rutherford se svými asistenty Geigerem a Marsdenem v roce 1911. Pomocí velmi jednoduchého zařízení zachyceného na obr. 7 zkoumali úhlové rozdělení částic alfa, které vyletovaly z kapsle radia a rozptylovaly se na fólii ze zlata a dalších prvků. Podle tehdejších představ o struktuře hmoty,
Obr. 7: Rutherford s Geigerem při měření (nahoře) a schéma jejich aparatury (vpravo nahoře). Výsledné úhlové rozdělení rozptýlených elektronů zachycené na grafu vpravo dole svědčí o tom, že kladný elektrický náboj je v 34 atomu zlata koncentrován ve velmi malém jádru o poloměru menším než
formulovaných v rámci Thomsonova modelu, byly záporně nabité elektrony v atomu obklopeny spojitě a homogenně rozloženou kladně nabitou hmotou, zhruba jako rozinky v pudinku. Od pokusů Thomsona bylo také známo, že kladně nabitá hmota v atomu musela být asi 1800 krát těžší než elektrony v něm vázané. Na základě tohoto modelu a za použití Newtonových rovnic bylo možné spočítat tvar úhlového rozdělení rozptýlených elektronů. Předpověděné rozdělení při rostoucím úhlu rozptylu strmě klesalo s tím, že počet případů rozptylu na velké úhly byl zanedbatelný. Rozdělení, které Rutherford, Geiger a Marsden naměřili, bylo ovšem s tímto očekáváním v hrubém rozporu a částic rozptýlených na velké úhly bylo daleko více, než předpovídal Thomsonův model. Podrobná analýza dat ukázala, že naměřené rozdělení odpovídá tomu, že veškerá kladně nabitá hmota atomu je soustředěna ve velmi malém objemu, zhruba odpovídajícím kouli o poloměru 30 femtometrů. To je asi tisíckrát menší vzdálenost, než je poloměr atomu zlata. Tato experimentální skutečnost vedla k formulaci planetárního modelu atomu, v němž elektrony obíhají kolem těžkého, prakticky stacionárního jádra, podobně jako planety kolem Slunce. Na rozdíl od planetární soustavy však atomy vykazovaly některé vlastnosti, jež byly v rámci klasické fyziky zcela nepochopitelné. Bohrův model atomu
Základním problémem bylo pochopit stabilitu atomů a skutečnost, že všechny atomy daného prvku jsou naprosto stejné. Zatímco u planetární soustavy připouštějí Newtonovy
Obr. 8: Vlevo geometrické uspořádání stacionárních drah v nejjednodušší verzi Bohrova modelu atomu vodíku, vpravo spektrum energií příslušných těmto stacionárním drahám. Šipkami jsou naznačeny přechody mezi nimi, jež odpovídají třem pozorovaným sériím spektrálních čar.
pohybové rovnice oběžné dráhy s libovolným poloměrem (pro jednoduchost uvažujme jen kruhové), skutečnost, že všechny atomy daného prvku mají zcela stejné vlastnosti, svědčí o tom, že zákony, jimiž se řídí atomy, takovou libovůli nepřipouštějí. Ze zákonů klasické mechaniky a Maxwellovy teorie elektromagnetismu dále plyne, že obíhající elektrony by měly neustále vyzařovat elektromagnetické vlny, jež by při tom spojitě měnily svou vlnovou délku. V důsledku ztráty energie by se měl elektron pohybovat po spirále, až by nakonec spadl na jádro. Protože nic takového nenastává, je zjevné, že zákony klasické mechaniky a elektromagnetismu v atomech neplatí. Tento závěr byl druhým pramenem kvantové teorie. Její základní principy formuloval v roce 1913 mladý dánský teoretik Niels Bohr takto: Mezi všemi klasicky možnými stavy atomů existuje určitý počet tzv. stacionárních stavů, jež navzdory tomu, že se na nich elektrony řídí klasickými pohybovými zákony,
35
mají zvláštní, mechanicky nevysvětlitelnou vlastnost stability. Jakákoliv změna pohybu elektronů spočívá v úplném přechodu z jednoho stacionárního stavu do druhého. Ačkoliv v rozporu s klasickou teorií elektrony při pohybu po stacionárních drahách nevyzařují, přechod mezi dvěmi stacionárními stavy je doprovázen vyzářením kvant elektromagnetického záření. Jeho frekvence však nemá žádný jednoduchý vztah k frekvenci oběhu elektronů po těchto stacionárních drahách, ale je dána vztahem hν = E k − E j , kde h je Planckova konstanta a E k , E j jsou energie dvou stacionárních, mezi nimiž k přechodu došlo. Také obráceně, při ozáření atomu elektromagnetickým zářením této frekvence dojde k jeho absorpci doprovázené opačným přechodem mezi stacionárními stavy.
Jak vidíme, v obou případech jde o modifikace klasických zákonů, jejichž jediným cílem bylo „vysvětlení“ klasicky nevysvětlitelných vlastností elektronů a elektromagnetického záření. Planck Bohrovy postuláty ve své nobelovské přednášce v roce 1918 charakterizoval slovy: Jádro Bohrova modelu atomu je tvořeno řadou předpokladů, které by před dvaceti lety byly každým fyzikem rázně odmítnuty. Skutečnost, že v atomu hrají zvláštní roli některé zcela určitým způsobem vybrané orbity, by ještě šlo přijmout, ale daleko méně to, že elektrony při pohybu po těchto oběžných drahách vůbec nevyzařují. Myšlenka, že by se frekvence vyzařovaných fotonů měly lišit od oběhových frekvencí elektronů, se pak musí zdát každému fyzikovi s klasickým vzděláním na první pohled monstrózní a naprosto nepřijatelná. Ještě krkolomnější byla procedura, pomocí níž Bohr určil energie stacionárních stavů. Z klasické mechaniky využil vztah mezi velikostí celkové energií E elektronu o hmotnosti m obíhajícího s frekvencí ω po kružnici o poloměru r kolem jádra s elektrickým nábojem Ze , jenž plyne z rovnosti mezi přitažlivou silou jádra a odstředivou silou obíhajícího elektronu Ze 2 Ze 2 2 , ω= = mω r ⇒ E = 2r r2
2 E3/ 2 m π Ze 2
(16) V klasické fyzice jsou možné všechny orbity, ale jakmile zvolíme jejich poloměr, je příslušná energie i frekvence jednoznačně určena a obráceně. Při stanovení parametrů stacionárních stavů uvažoval Bohr následovně. Elektron si představoval na počátku daleko od jádra a s nulovou oběžnou frekvenci. Při postupném vázání se elektron přibližuje k jádru a frekvence jeho oběhu spojitě roste. Klasicky by přitom elektron měl vyzařovat elektromagnetické záření se spojitě se měnící frekvencí. Bohrův postuloval, že elektron vyzařuje pouze celočíselné násobky kvanta energie dané výrazem hν , kde ν = ω / 2 je rovna polovině klasické frekvence oběhu na orbitě, na níž se elektron přejde. Vyzářená energie je tedy rovna nhω / 2 , kde n je celé číslo. Dosazením výrazu pro klasickou frekvenci ω z (16) do rovnice E = nhω / 2 a jejím vyřešením dostal hledané energie stacionárních stavů, příslušné oběhové frekvence a poloměry hodnoty
En =
2π 2 Z 2 e 4 m 4π 2 Z 2 e 4 m , ω , = n n2 h2 h3 n3
rn =
n2 h2 4π 2 Ze 2 m
(17) Onu polovinu ve výraze pro vyzářenou energii Bohr odůvodnil tím, že jde o střední hodnotu počáteční a koncové klasické oběhové frekvence: ω / 2 = ( 0 + ω ) / 2 . Jak se
36
ukázalo, tento krok, jenž byl veden snahou zachovat určitý vztah klasické oběhové frekvence s frekvencí vyzářeného záření, vede ke správnému výsledku pro přechod volného elektronu do jednoho ze stacionárních stavů, ale nikoliv pro přechod mezi obecnými dvěma stavy. Z hlediska klasické fyziky byl Bohrův postup krajně neuspokojivý, neboť mimo jiné nic neříkal o tom, kdy se kvanta záření vyzařují. Bohr sám si problematičnost svého odvození (18) uvědomoval a proto již v prvním článku „kvantovou“ podmínku E = nhω / 2 interpretoval ještě jiným způsobem, a to jako podmínku na orbitální moment hybnosti M elektronu. Pro kruhovou oběžnou dráhu platí totiž jednoduchý vztah mezi tímto momentem hybnosti a celkovou energií E elektronu
M =
E
πω
=
nhω h =n = nM 0 2πω 2π
(18) a tedy slovy Bohra „moment hybnosti elektronu ve stacionárních stavech je rovný celočíselnému násobku universální veličiny M 0 , jež je nezávislá na náboji jádra“. Takto formulovaná podmínka kvantování byla daleko přijatelnější a také předznamenala budoucí argumenty založené na myšlence vln de Broglieho. Po celé další desetiletí Bohr ve spolupráci s Arnoldem Sommerfeldem svůj model rozpracovával a rozšiřoval na atomy s více elektrony a molekuly, přičemž uvažoval i eliptické dráhy a vzájemné působení elektronů na oběžných drahách.
Obr. 9: Hlavním příspěvkem Sommerfelda při budování modelu atomu bylo podrobné započtení eliptických drah, znázorněných vpravo, jež vedlo k zavedení dvou dalších kvantových čísel (vedle toho, co se dnes nazývá „hlavní“ kvantové číslo vystupující ve vztahu (17).
Most ke klasické fyzice
Bohrův model atomu založený na „staré“ kvantové teorii Plancka a Einsteina si vynutil dramatický odklon od pojmů a zákonů klasické fyziky. Při jeho pochopení sehrál důležitou roli tzv. princip korespondence, jenž se týká okolností, za nichž se chování kvantového systému blíží klasickým zákonům. Pro výše uvažovaný případ elektronu vázaného v poli kladného náboje tento princip znamená, že ve stacionárních stavech s velkým n se
37
elektrony chovají skoro klasicky. Skutečně, rozdíl energií dvou takových hodně excitovaných stavů
En − En +1 =
2π 2 Z 2 e 4 m 2π 2 Z 2 e 4 m − n2 h2 (n + 1) 2 h 2
4π 2 Z 2 e 4 m 4π 2 Z 2 e 4 m h = = hωn n3 h 2 n3 h3
En
(19) je rovný klasické frekvenci oběhu elektronu a malý vůči oběma energiím. Konec pochybností
V roce 1923 provedl mladý americký fyzik Arthur Compton sérii experimentů, jež učinily konec pochybnostem o opodstatněnosti Einsteinovy hypotézy, že kvanta elektromagnetické záření nesou nejen energii, ale i hybnost. Einstein sám se k této Obr. 10: Vlevo dole spektrum rozptýleného fotonu rentgenovského záření získané A. Comptonem. Na ose x je veličina úměrná vlnové délka rozptýleného fotonu, na ose y jeho intenzita. První pík odpovídá rozptylu na jádře a nachází se proto při stejné vlnové délce jako primární foton, jehož spektrum vyneseno vlevo nahoře. Zákon zachování energie a hybnosti má za následek, že vlnová délka rozptýleného fotonu je větší než vlnová délka primárního fotonu o hodnotu (uvedenou vpravo dole), jež závisí na úhlu rozptylu
interpretaci probojovával přes deset let a ačkoliv vysvětlení fotoefektu se bez ní neobešlo, přesvědčivý důkaz stále chyběl. Přinesly ho právě až experimenty, v nichž Compton ozařoval rentgenovými paprsky o vlnové délce cca 1Angstrőm=10-8cm uhlíkový terč a měřil jejich vlnovou délku po rozptylu na zvolený úhel . Zjistil, že po rozptylu jsou rentgenové paprsky měkčí než primární a že příslušný rozdíl přesně odpovídá předpovědi, založené na předpokladu, že rentgenové paprsky nesou hybnost, jejíž absolutní hodnota je rovna hν / c . Frekvence rozptýleného paprsku přitom závisela na úhlu rozptylu tak, jak plynulo ze zákona zachování energie a hybnosti v procesu rozptylu rentgenových paprsků na elektronu z atomu uhlíku. Compton kromě toho detegoval odražený elektron a změřil jeho hybnost. I ta byla v souhlase s předpovědí založenou na představě, že jde o proces pružného rozptylu dvou částic. V roce 1927 byly Comptonovy práce oceněny Nobelovou cenou. Je ovšem zajímavé a velmi zvláštní, že Compton ve svých pracích Einsteina vůbec necituje a hovoří pouze o „kvantové teorii rozptylu“. Pauli a jeho vylučovací princip
Wolfgang Pauli (1900-1958)
Na přelomu let 1924 a 1925, ještě před formulací „nové“ kvantové teorie Heisenbergem a Schrödingerem, formuloval 24tiletý Wolfgang Pauli princip, na jehož platnosti je založena struktura elektronových slupek v atomech a tím pádem i existence molekul a hmoty vůbec. Ještě před tím, v pouhých 20 letech, Pauli napsal rozsáhlý přehledný článek o teorii relativity, jímž udělal velký dojem
38
i na samotného Einsteina. Objev vylučovacího principu byl vyústěním Pauliho snah pochopit množství experimentálních dat o jemné struktuře spektrálních čar vodíku, lithia a dalších prvků a o rozštěpení těchto čar ve vnějším magnetickém poli. Oba tyto jevy se nedařilo vysvětlit s pomocí tehdy známých charakteristik elektronů, jež v rámci Bohrova modelu atomu popisovaly jejich radiální a orbitální pohyb. Situaci, v níž se fyzika tehdy octla, dobře vystihuje příhoda z podzim roku 1922, kdy byl Pauli u Bohra v Kodani. Při jednom bezcílném bloumání Kodaní potkal Pauliho Bohrův otec a přátelsky poznamenal: Vypadáte nějak nešťastně, na což prý Pauli odsekl Jak má člověk vypadat šťastně, když přemýšlí o anomálním Zeemanově efektu. Pauli vyřešil problém rozštěpení spektrálních čar ve dvou krocích. Nejdříve pro pochopení složité struktury rozštěpených spektrálních čar zavedl „zvláštní, klasicky nepopsatelnou zdvojenost kvantových vlastností elektronu“, což je v dnešním jazyce spin elektronu, a konstatoval, že experimentálně pozorovaná „Dubletní struktura spekter alkalických prvků .... je způsobena zvláštní .... dvojznačností elektronových stavů“. Za druhé, na základě experimentálních dat o uzavřených energetických hladinách – známých jako „magická čísla“ - vyslovil princip, že každý stav elektronu charakterizovaný všemi kvantovými čísly, včetně této dvojznačnosti, může být obsazen pouze jedním elektronem. Vylučovací princip byl na světě.
Epilog
„Stará“ kvantová teorie, spojená se jmény Plancka, Einsteina, Bohra a Pauliho, učinila při opuštění rámce klasické fyziky zásadní krok, ale byl to krok přece jen polovičatý. Experimentální data sice jasně ukazovala, že ve světě atomů klasické zákony neplatí, ale fyzikové stále používali základní pojmy klasické fyziky, jako je dráha a poloha částic. Nic jiného jim až do roku 1925 ostatně ani nezbývalo. Situace se zásadně změnila v roce 1925, kdy nejdříve Heisenberg přišel s tzv. maticovou mechanikou a krátce nato Schrödinger s vlnovou mechanikou. Obě tyto teorie, jež se brzy ukázaly být ekvivalentní, zcela opustily rámec klasické fyziky a zavedly dva nové pojmy, na nichž je postavena kvantová teorie dodnes: pravděpodobnost přechodu mezi stacionárními stavy a vlnová funkce. „Nová“ (nerelativistická) kvantová teorie ovšem přinesla nejen nové pojmy, ale také dobře definovaný matematický rámec, založený na Schrödingerově rovnice. Řešení této rovnice v řadě aspektů reprodukovala předpovědi Bohrova modelu atomu, ale přinesla i některé zcela nové výsledky. Heisenbergovy relace neurčitosti, v nichž vystupuje Planckova konstanta, pak umožnily pochopit omezení použitelnosti klasických pojmů polohy a hybnosti v mikrosvětě. V roce 1927 pak Dirac formuloval relativisticky invariantní rovnici, jež nese jeho jméno, která se stala základem pro popis částic s poločíselným spinem, jako je elektron.
39
1
INTERMETALIKA A JEVY TVAROVÉ PAMĚTI
Od pradávných dob užívá člověk kovy, po některých se nazývají dokonce celá historická období – doba bronzová a doba železná. Spíše než metalurgové byli odborníci v tomto oboru kováři a slévači, nebo i alchymisté. Řídili se zkušeností, kterou získali od svých předchůdců. Znovu zkoušeli nové postupy i materiály až postupně nalezli materiály takových vlastností, které mohly být uplatněny. Ačkoliv to nevěděli pracovali i s intermetaliky. Nalezli bronz pro zvony i děla – to byla slitina mědi s 25% cínu, tedy Cu3Sn. Mosaz pro štíty a lodní pancíře byla slitina blízká Cu3Zn. Amalgamy užívané pro výplně zubů obsahovaly ve slitině Ag-Sn-Hg intermetalika Ag3 Hg2 , Sn8Hg a hlavně Ag3Sn. Mezi velmi známé odborníky patřil i Lazarus Ercker ze Schreckenfelsu (15281594), původem ze Saska, od roku 1568 pracoval v Kutné hoře, působil i jako pražský mincmistr a nejvyšší hofmistr v zemích koruny české. Byl autorem proslulé „Knihy o prubířství“ (Praha 1574). Popisoval jak lze užít rtuti při získávání zlata z chudých rud a přitom vlastně používal vlastností intermetalik zlata a rtuti. Lazar Ercker byl také projektantem Rudolfovy štoly v Praze. V osmnáctém století začalo systematické experimentální studium binárních slitin. Gellert v Petrohradě zkoumal deset tehdy známých kovových prvků (Cu, Au, Ag, Fe, Sn, Hg, Pb, Zn, Sb, Bi) a jejich kombinace a zjistil, že hustota některých slitin je vyšší než odpovídá pákovému pravidlu až o 17 %. Počátkem 19. století byla s rozvojem chemie zjištěna u některých slitin vyjímečná odolnost vůči kyselinám. Všechny tyto slitiny se zvláštními vlastnostmi jsou dnes označovány jako intermetalika. Během dalšího půl století byla objevena diskontinuita řady dalších vlastností – elektrických, mechanických, magnetických a zvláště chemických. Další pokusy nalézt speciální slitiny (intermetalika) byly někdy úspěšné, jindy docházelo i k omylům. Jako další experimentální metoda byla použita termická analýza a pomocí ní byly sestrojeny první fázové diagramy binárních slitin. V roce 1900 bylo známo s jistotou 37 intermetalických látek, o dvacet let později 400, dnes je odhadován jejich počet na více než 25 000. Začátkem tohoto století skončila v materiálovém výzkumu čistě empirická doba a za pomoci teoretické termodynamiky (významné práce Gibbse), užitím rentgenových difrakčních metod a dalších experimentálních metodik začala éra oboru, který se dnes nazývá fyzika kovů.1 Na obr. 1 a 2 jsou uvedeny příklady uspořádaných krystalových struktur, které jsou často tvořeny i intermetaliky. Základní buňka intermetalik přitom nemusí být tak malá, jako je uvedeno na obrázcích, základní buňku složitých intermetalik tvoří i stovky atomů.
1
Moderní fyzika kovů je velmi mladý obor, jeden z jeho základních pojmů – dislokace byl objeven až čtvrt g) h) f) e) století po objevení speciální teorie relativity.
Obrázek 1. Typické příklady prostorově centrovaných struktur – a) B2 (NiAl) , b) B32 (NaTl) , 40 struktur binárních slitin – e) L10 ( CuPt ), c) B11 (TiCu) , d) D03 (Niˇ3Al) a plošně centrovaných f) L11 ( CuAu ) , g) L12 ( AuCu3 ), h) D022 ( TiAl3 ). Uvedeno je označení uspořádané struktury, v závorce je příklad slitiny.
Definice intermetalik
Intermetalika jsou takové slitiny kovů, které se svou strukturou a vlastnostmi liší od jednotlivých složek. Pouhou interpolací nelze jejich vlastnosti předpovědět. Většinou existují jen v úzkém oboru koncentrací, mají přesné chemické složení, kterým jsou charakterizovány; jejich atomy jsou v krystalové mřížce uspořádány. Někdy se nazývají intermetalické sloučeniny a pro jejich popis se používá chemická symbolika. Amalgamy Pojem amalgamy je všeobecně používán pro slitiny rtuti, ovšem nejširší uplatnění nalezly zubní amalgamy, tedy slitina Ag-Sn-Hg, která je obecně užívána k doplnění ztracené nebo poškozené zubní struktury. Odhadem je ročně na celém světě umístěno do zubů několik set milionů výplní – ve vyspělých zemích připadá jedna výplň na dva obyvatele ročně. Jiné materiály na bázi plastů a keramik mají příznivou barvu (z estetických důvodů výhodnou pro přední zuby), a nejsou drahé, ale kupodivu nejsou tak pevné, také méně odolávají vlivům eroze a jejich životnost je menší. Vlastnosti amalgamů natolik převažují, že žádná náhrada nebyla a není natolik úspěšná, aby amalgamy vystřídala, jejich jedinou nevýhodou je, že jsou stříbrné. Z hlediska intermetalik obsahují dentální amalgamy po vytvrzení (po několika hodinách až dnech) intermetalika Ag2Hg3, Sn8Hg a hlavně nejpevnější Ag3Sn. Postup
B2 (NiAl) Ni Al Al L2 (Ni AlTi) Ni Al Ti 1 2 D0 (Fe Al) Fe Fe Al 3
3
Obrázek 2. Příklad uspořádané ternární slitiny
dentistů je relativně jednoduchý – mají k dispozici prášek hlavně tvořený Ag3Sn a rtuť, jejich smícháním vzniká nejdříve polotekutá směs, která rychle tuhne a tvrdne. Během několika minut vlivem difuse vznikají zárodky intermetalických fází. V té době je materiál celkově měkký a dá se vytvarovat do žádaného tvaru. V ústech pak je vyšší teplota než v laboratoři a difuse se urychluje, takže asi po jedné hodině dosahuje téměř žádanou pevnost. Důležité je, aby výchozí prášek obsahoval již intermetalikum Ag3Sn , které má pevnost vyšší než 500 MPa (vyšší než běžná konstrukční ocel), ve formě co nejmenších částic. Problémem, i když vlastně jen psychologickým, je přítomnost tak velkého množství rtuti v zubních výplních. Rtuť je vysoce toxická a může způsobit nejen otravy, ale i různá onemocnění. Chemické chování prvků v intermetaliku je však zcela odlišné od vlastností čisté látky právě pro velmi pevnou vazbu mezi atomy v uspořádané mřížce intermetalika. Studie toxicity zubních amalgamů ukázaly, že množství rtuti uvolňované z amalgamu
41
výplně je zanedbatelné ve srovnání s normální dávkou z okolního prostředí, která je přijímána v potravě (zvláště z čerstvé zeleniny) a přichází vzduchem.
Intermetalika pro vysoké teploty Vývoj materiálů pro motory, turbíny a všech zařízení pracujících při vyšších teplotách prodělal v minulém století velký vývoj. Vývoj letecké techniky si vyžádal studium nových materiálů pro letecké motory, které musí mít vysokou pevnost i při vysokých teplotách a navíc nízkou hustotu, aby celková hmotnost motoru byla co nejnižší. První slitiny užité pro letecké turbínové motory byly jen upravené austenitické nerezavějící oceli (slitiny typu FeNi-Cr s malým množstvím Al a Ti). Hlavní důvod pevnosti i při vyšších teplotách byl právě obsah drobných částic intermetalické fáze Ni3Al. Další fází vývoje superslitin (jak jsou tyto materiály také nazývány) byla příprava směrovým tavením, kdy zrna v polykrystalu již nejsou orientována náhodně, ale mají jednu přednostní orientaci. Takovýto materiál se již blíží monokrystalu. Skutečně některé prvky, jako lopatky turbín, jsou připravovány jako monokrystaly – tím je vlastně vyřešen problém praskání po hranicích zrn – monokrystaly žádné hranice zrn nemají. Materiály pro motory, turbíny a jiné aplikace při relativně vysokých teplotách jsou vyvíjeny s velkým úsilím, neboť účinnost těchto zařízení se zvyšuje s rostoucí teplotou spalování a právě na vstupní části jsou kladeny požadavky tepelné a korozní odolnosti, navíc v letectví hraje významnou roli i hmotnost a tepelná vodivost. Z těchto důvodů je pozornost věnována slitinám hliníku a titanu, od kterých se takové vlastnosti očekávají. Nejdůležitější intermetalikum pro vysoké teploty - Ni3Al – je slitina se strukturou L12 .
Mez skluzu, tj. napětí, na které může být materiál zatížen bez plastické deformace, je 400 MPa při teplotě 1000K, přidáním příměsí jako Hf a Ti se ještě výrazně zvyšuje. Tento materiál vykazuje anomálii teplotní závislosti meze skluzu. U klasických slitin mez skluzu s rostoucí teplotou klesá, kdežto u Ni3Al mez skluzu roste až do teploty 900 K a pak teprve klesá. Tento neobvyklý jev byl vysvětlen chováním dislokací v tomto intermetaliku. Klasická slitina vyvinutá z Ni3Al má stejnou strukturu při poněkud komplikovanějším složení (Ni-16%Al-8%Cr-1,5%Mo s malým množstvím Zr a B). Tyto materiály se používají hlavně v letectví ke konstrukci spalovacích turbin, perspektivní použití je i pro výrobu parních turbin a ve sklářství. Řezací nástroje z tohoto materiálu mají větší odolnost proti přehřátí a nemusí se tedy tolik chladit. Písty a ventily pro naftové motory mají větší odolnost proti korozi a opotřebení. Ovšem nejširší použití je pro tryskové motory – slitina
42
Ni-16,3%Al-8,2%Mo směrově utuhlá může být použita až do 1300 K a zároveň má v oxidačním prostředí vysokou korozní odolnost. NiAl – struktura tohoto intermetalika je B2 (obr. 1). Jeho hlavní předností je o 30% nižší
váha než u Ni3Al, výrazně vyšší tepelná vodivost. (asi 5 krát) a vysoká odolnost proti korozi. Čisté NiAl je ovšem velmi křehké při pokojové teplotě a plastické začíná být až nad 700 K. Jeho křehkost je způsobena jednak malou pohyblivostí dislokací u nižších teplot, jednak v polykrystalu dochází snadno k praskání po hranicích zrn. NiAl má totiž vysokou anizotropii svých vlastností a při změně teploty a hlavně pod vnějším napětím vznikají na styku zrn velká vnitřní napětí, ty pak usnadňují šíření trhlin. Přidání malého množství Fe, Ga, Mo zvyšuje plasticitu i u nízkých teplot. NiAl je perspektivní materiál, který se však dosud neužívá. TiAl – intermetalikum se strukturou L10 , je slabě tetragonální. Nejatraktivnější vlastností
tohoto intermetalika je jeho nízká hustota, která je nižší než 4000 kg/m3 (oceli mají hustotu téměř 8000 kg/m3 a superslitiny v současné době nejčastěji užívané dosahují hodnot 6000 kg/m3 . Navíc má TiAl vysokou tepelnou vodivost a odolnost proti korozi a opotřebení až do teploty 1200 K. Podobně jako NiAl má poněkud sníženou plasticitu. Při dostatečné technologické kázni a pečlivé konstrukční přípravě může nahradit superslitiny hlavně v letectví, kde váha je velice kritickým parametrem. Již byly navrženy i ventily z tohoto materiálu pro spalovací motory, u kterých pak je výrazně příznivější chování motoru při startu právě pro malou hmotnost. Na rozdíl od NiAl byly předvedeny již hotové součásti turbin, technologie přípravy je již zvládnuta a některé firmy připravují motor s větším zastoupením součástí z TiAl. Mezi další intermetalika uvažovaná pro užití při vysokých teplotách (která jsou v současné době také intenzivně studována) patří : FeAl, Fe3Al, Ti3Al, Zr3Al, Al3Ti a mnohá jiná.
43
Slitiny s tvarovou pamětí
Materiály, které mají paměť, nás vlastně obklopují a ani si to příliš neuvědomujeme. Stačí připomenout záznamové pásky audio i video techniky, nebo i polovodičové paměti počítačů. Do těchto médií je ukládána informace a pak zase čtena. Dnes dovedeme připravit i materiály, které si pamatují tvar. Mohou být nejrůznější - od kovů přes keramiky a polymery až po organické látky. Dále se budeme věnovat nejznámějším z nich - kovovým intermetalickým slitinám s tvarovou pamětí, pro které je v anglické literatuře zaveden termín Shape Memory Alloys /SMA/. Tvarová paměť Jev tvarové paměti trochu připomíná kouzelnický trik. Součástka ze slitiny SMA je ochlazena a potom zdeformována, tak, že se podstatně změní její tvar. Po zahřátí nad určitou charakteristickou teplotu se součástka samovolně vrátí ke svému původnímu tvaru. Deformace může být velká a změna tvaru výrazná. Jev tvarové paměti byl poprvé experimentálně pozorován a fyzikálně vysvětlen na poněkud exotické slitině zlatokadmium (Au-Cd) v roce 1951. Aktivita výzkumu v tomto oboru významně vzrostla až po roce 1963, kdy byl Obrázek 3: Princip jevů tvarové paměti. Diagramy naznačují tento jev náhodně schematicky odezvu vzorku slitiny SMA transformující martenziticky pozorován na slitině při změně teploty a napětí. Červeně je naznačen kubický austenit a zeleně dvě varianty martenzitické fáze s nižší symetrií. NiTi vyvíjené původně jako antikorozní materiál. Slitiny SMA navíc vykazují i další velmi atraktivní vlastnosti při mechanickém namáhání, které úzce souvisí s tvarovou pamětí a je možné je souhrnně označit jako "Jevy tvarové paměti". Martenzitická transformace Fyzikálním základem pro vysvětlení jevů tvarové paměti je bezdifuzní fázová přeměna v pevném stavu - martenzitická transformace, jejíž průběh lze v SMA řídit změnou teploty nebo vnějšího napětí. Fáze existující při vyšší teplotě má kubickou krystalovou mřížku a nazývá se z historických důvodů austenit.2 Fáze vzniklá ochlazením nebo působením 2
Austenit – podle anglického metalurga Sira Austena (Williama Chandlera Robertse, 1843-1902), který popsal fázový diagram Fe-C.
44
vnějších sil se nazývá martenzit3 a má krystalovou mřížku s nižší symetrií. Strukturní změnu probíhající při martenzitické transformaci si lze zjednodušeně představit jako tvarovou změnu původních krychlí na kosé kvádry (obrázek 3). Z původně stejně dlouhých stran krychle a pravých úhlů se stanou nestejně dlouhé hrany kvádru a dokonce u kosého kvádru nesvírají strany pravé úhly. Martenzit s nižší symetrií může vznikat v různém natočení vzhledem k původní krychli a tedy existovat v několika (3-24) krystalograficky shodných ale natočených variantách, jak je znázorněno na obrázku 3 různými odstíny. Nepůsobí-li v tepelném cyklu (cesta 1, obr. 4) při transformaci napětí, vznikají tyto varianty tak, že nedochází k žádné tvarové změně – tvarové změny jednotlivých variant se vzájemně kompenzují a objem se přibližně zachovává. Objemový podíl martenzitické fáze a s ním fyzikální vlastnosti slitiny (barva, elektrický odpor, modul pružnosti) se mění v tepelném cyklu podle hysterezní křivky (obr. 3, dole). Teplota Ms označuje začátek přeměny do martenzitu při ochlazování a podobně teplota Af označuje konec přeměny do austenitu při ohřevu. Pseudoplasticita Namáháme-li SMA součástku v martenzitickém stavu (T<Ms) v tahu a tlaku (cesta 2, obr. 4), deformuje se snadno v rozsahu ± ~5%, kdy se postupně se vytvoří pro dané zatížení nejvýhodnější varianta martenzitu. Za touto mezí a při odtížení se zorientovaný martenzit chová elasticky. Tento jev se označuje jako pseudoplasticita. Přestože křivka na obrázku 3 vlevo se zdánlivě podobá chování běžného kovu, nedochází v SMA k pohybu skluzových dislokací, způsobujících nevratné tvarové změny, ale pouze k pohybu fázových a vnitřních rozhraní typu dvojčat. Při následném ohřevu součástky nad teplotu Af (cesta 3, obr. 4) se martenzit transformuje zpět do vysokoteplotní austenitické fáze, přičemž se tvar součástky mění na původní a dochází k vlastnímu jevu tvarové paměti. Je-li deformované součástce při ohřevu bráněno, návrat do původního austenitického stavu probíhá Obrázek 4: Jevy tvarové paměti v diagramu obtížně a součástka působí na své okolí cyklus, velkou silou. Pokud zorientovaný napětí-teplota. 1 tepelný 2 pseudoplasticita, 3 jev tvarové paměti, martenzit transformuje, mění se napětí 4 superelasticita, 5 termomechanický cyklus s s teplotou přibližně lineárně, jak ukazuje konstantní deformací. diagram napětí-teplota ve středu obrázku 3 (cesta 5, obr. 4). Takto vyvolaná napětí mohou dosahovat hodnot až stovek MPa, což lze technicky využívat například i k štěpení kamene, vytváření trvalých spojů v nepřístupných místech a podobně. Superelasticita Namáháme-li však SMA součástku v austenitické fázi (T>Af, cesta 4, obr. 4), dochází k martenzitické transformaci z austenitu do nejvhodněji orientované martenzitické varianty i beze změny teploty, pouze pod vlivem napětí. Deformace (tvarová změna) s tím spojená je opět omezená ale plně vratná při odtížení podle hysterezní křivky na obrázku 3 vpravo nahoře. 3
Martensitická transformace je nazývána od roku 1895 podle německého metalurga Adolfa Martense (18501914), který popsal tento druh fázové transformace v kalených ocelích (ve slitinách železa), stejně tak martensit.
45
Zatímco elastická deformace běžných kovových materiálů je poměrně malá (vyjímečně nad 0,7%), může být vratná deformace způsobená transformací i více než deset procent. Proto se popisované deformační chování nazývá superelasticita. Na rozdíl od elasticity je však superelastická deformační křivka SMA silně nelineární a vždy doprovázená hysterezí. Velmi důležité pro technické aplikace je, že k deformaci transformací dochází při konstantní úrovni napětí, jež však silně závisí na teplotě. Technické využití Princip jevů tvarové paměti byl popsán pomocí obrázku 3 velmi zjednodušeně. V technických aplikacích, kde se používaná polykrystalických materiálů, je chování SMA složitější. Nicméně, přesto se již dnes vyrábí ve velkých sériích existují komerčně úspěšné aplikace, v nichž SMA pracují v cyklech podél všech pěti cest naznačených v obrázku 4. Z konstrukčního hlediska je nejpodstatnější, že SMA jsou kovy s vynikajícími konstrukčními vlastnostmi, a že se aktivně využívá: i) mechanické nelineární odezvy materiálu daleko přesahující mez pružnosti, ii) schopnosti SMA součástky konat funkce zejména rozpoznávat a hned reagovat na změnu teploty, iii) tepelné nebo mechanické hystereze. Informacím o nejzajímavějších technických aplikacích SMA je věnována druhá část tohoto článku. "Inteligence" slitin SMA zmiňovaná často v literatuře spočívá ve skutečnosti, že slitina sama vykonává funkce, pro které by jinak bylo nutné využít samostatných zařízení. V uvedeném případě nahradí teplotní čidlo, procesor a lineární motor. To má velký význam zejména v miniaturizaci. Součástku SMA lze zmenšovat až do rozměrů řádově mikrometrů aniž bychom omezili její funkčnost, protože funkci vykonává samotná transformující se krystalická mřížka materiálu. Materiály V technických aplikacích jsou zdaleka nejrozšířenější slitiny NiTi (50-51 at. %Ni) známé pod obchodním názvem Nitinol, buď binární nebo s příměsí třetího prvku (Cu, Hf, Nb, Pd…). Vedle nich je však známa dlouhá řada dalších, většinou uspořádaných slitin, které buď byly studovány v rámci základního výzkumu (AuCd, CuZnAl, CuAlNi ..) a nebo jsou v současné době ve vývoji (FePd,TiPd, NiMnGa, CoNiAl…) Z technického hlediska je důležité, že se v posledních letech významně rozšířily jak rozsah a kvalita SMA materiálů, tak možnosti - kde, jak a v jaké formě lze SMA polotovary pořídit. Co se týká formy prodávaných polotovarů (Obr. 5), nejběžnější jsou dráty (průměr ~0,15mm), ale nově jsou vyráběny i trubky (průměr ~0,2-6 mm), tenké folie (~50100 µm), tenké vrstvy (~10 µm) a práškové slitiny. K vývoji technických aplikací využívajících SMA stačí znalosti a relativně omezené množství polotovarů pro zkoušky a konstrukci prototypů, takže ani zatím stále relativně vysoká cena není podstatnou překážkou Obrázek 5: Polotovary ze slitiny NiTi pro inovace či vývoj nových technických aplikací s jejich využitím.
46
2
APLIKACE MATERIÁLŮ S TVAROVOU PAMĚTÍ
Slitiny s tvarovou pamětí mají řadu velmi specifických vlastností, kterými se liší od běžných konstrukčních materiálů, jako je superelasticita, jev tvarové paměti, schopnost vyvíjet sílu při ohřevu a další. Pro dobrou biokompatibilitu je řada těchto materiálů i vhodným materiálem pro medicínské využití. Nevýhodu těchto materiálů je na prvním místě jejich cena. Podívejme se blíže, kde už byly materiály s tvarovou pamětí úspěšně použity a proč (příklady na obrázku 6.). Jsou to například spojky potrubí - spojování špatně svařitelných materiálů nebo spojování potrubí na nepřístupných místech – například Tabulka: Přehled slitin s tvarovou pamětí slitina Vratná Transformační deformace [%] teploty [°C] NiTi 5- 6 -120 -120 NiTi -R-fáze 1 0 - 60 NiTiCu 4-5 -50 - 110 CuZnAl 4 -200 - 200 FeMnSi 1-2 ~320
Šířka hystereze [°C] 30-60 1-2 10-20 15-30 ~200
Teplotní závislost napětí ∂σ/∂T [MPa/°C] 5-7 17-19 7-9 2-4 1-2
v křídlech letadel. Velmi rozšířené je využití superelastických vlastností SMA. Jsou z nich vyráběny prvky reagující na teplotu okolí (pasivní pohonné jednotky) - otevírače a zavírače žaluzií klimatizátoru, směšovací vodní baterie, pojistné ventily - SMA prvek detekuje
Obrázek. 6. Příklady užití slitin s tvarovou pamětí. a) Anténa přenosného telefonu, b) Marsovské vozítko – Mars Pathfinder – bylo vybaveno detektorem dopadajícího marťanského prachu, pohyb byl zajištěn elektricky zahřívaným SMA drátkem, c) směšovací vodovodní baterie (viz obr 7) d) stenty pro lékařské účely e) superelastické obroučky brýlí.
47
teplotu a zároveň na ni reaguje akcí, podobně jako bimetal, chování je však silně nelineární v závislosti na teplotě a příslušná deformace může být značná. U aktivních pohonných jednotek vyvoláme transformaci dodáním energie (tepelné, případně magnetické) a můžeme práci takovéhoto aktuátoru snadno řídit. Superelastické aplikace Superelastické chování nabízí velkou vratnou deformaci (několik %) a zároveň velmi nelineární průběh deformační křivky. V určité části deformační křivky totiž může narůstat významně deformace. Působící napětí se téměř nemění a podobné chování vykazuje materiál i při odtížení, přičemž po úplném odtížení se tvar součásti vrací do původního tvaru. Velmi výrazný efekt má superelasticita při ohybu, krutu nebo při deformaci pružin a sítí. Příkladem takových aplikací jsou superelastické obroučky brýlí, které se po odtížení vrací do správného tvaru, navíc jsou příjemné na nošení, protože netlačí. Pro přenosné telefony (pracující na nižším kmitočtu než mobilní telefony) jsou antény zhotoveny ze superelastické slitiny, proto jsou velmi ohebné. SMA se uplatňují i jako výztuhy v obuvi, prádle a oděvech, které zvětšují pohodlí při nošení a užívání a mají naopak menší nebezpečí nevratného poškození. Horká voda Studená voda Katetry (guidewires) - tenké trubičky, které jsou zaváděny tělními trubicemi do různých Pružina SMA Běžná pružina tělních dutin. Právě chování trubek ze SMA materiálů v ohybu určuje jedinečné vlastnosti lékařských katetrů. I při průchodu trubicí tvořenou jemnou biologickou tkání sleduje jemné zákruty a mechanicky tkáň nepoškodí. Navíc lze katetrem dopravit na Regulace teploty Šoupátko nastavením předpětí žádané místo superelastický běžné pružiny mikrochirurgický nástroj, kterým pak lze Voda žádané teploty provést úkon, který by jiný materiál velmi obtížně dovolil. Podrobnosti lze nalézt ve Obrázek 7: Termostatická směšovací specializované lékařské literatuře. Materiály vodovodní baterie využívající NiTi pružinu. s tvarovou pamětí mají lepší mechanické vlastnosti, méně zatěžují pacienty, usnadňují unikátní lékařské úkony. Stenty – síťky ve tvaru trubiček připravené spletením z drátu nebo laserovým vyříznutím z tenkostěnné trubičky (viz. obr. 5, 6d), jsou lékařskými pomůckami, které hlavně pomáhají zlepšovat průchodnost cév v okolí lidského srdce a jiných důležitých místech krevního oběhu, dále pak průchodnost jiných tělních trubic od žlučovodu až po jícen a střeva. Jsou využívány hned tři vlastnosti SMA – a) superplasticita při komprimaci stentu do trubičky katetru, kterým je dopraven na místo, b) tvarová paměť při roztažení stentu v místě jeho funkce – vlivem tělesné teploty se stent roztáhne do původního tvaru, c) biokompatibilita stentu – materiál stentu je intermetalikum a velmi dobře odolává agresivnímu prostředí lidského těla. Nelineární deformační chování stentů je velmi podobné chování biologických materiálů, které je obklopují, proto je biologické tkáně dobře přijímají. Průmysl stentů je také velmi atraktivní z ekonomického hlediska, neboť roční obrat tohoto odvětví přesáhl již dvě miliardy dolarů a stále roste. Je potěšitelné, že i česká firma vstoupila odvážně do výroby stentů a je příkladem pro ostatní naše výrobce ve využití moderních materiálů. Drobné chirurgické nástroje, vyrobené z SMA mají lepší vlastnosti než vyrobené z klasických materiálů. Díky superelastickým vlastnostem tytéž úkony lze provést na menším prostoru a méně zatěžují pacienta. Unikátní operace mozku, prováděné pomocí
48
katetrové trubičky přivedené do mozku z krčních cév umožnily teprve superelastické materiály, neboť zakřivení cév v mozku je příliš velké pro použití klasických nástrojů. Permanentní rovnátka zubů mají aktivní člen tvořený z elastického drátku, který táhne pokřivené zuby do žádané polohy. Pokud je drátek vyroben z klasické oceli, má lineární elastické chování. Jak se zub blíží žádané poloze, síla na zub klesá a drátek je potřeba upravit nebo vyměnit. Pokud ovšem stomatolog použije drátek superelastický, je síla na zuby silně nelineární a navíc závislá na teplotě v ústech. Superelastické chování drátku znamená, že zub je tažen do žádané polohy skoro stejnou silou, ať je daleko nebo blízko, a úroveň síly se mění s teplotou. Oba tyto efekty výrazně urychlují proces vyrovnání chrupu a udávané hodnoty kolem osmi týdnů zní neuvěřitelně. Zvláště pro pacienty, kteří nosili ocelová rovnátka řadu měsíců i let.
Spojovací prvky Praktické aplikace pro slitiny s tvarovou pamětí se objevily již v prvních deseti letech od objevu tohoto jevu ve slitině NiTi. První úspěšnou aplikaci přinesla firma Raychem pro spony a spojky trubek. V tomto případě spojka potrubí vyrobená z NiTi je roztažena v martensitickém stavu a po vložení spojovaných trubek je zahřáta na teplotu nad Af (teplota návratu do původního tvaru a struktury). Spojka se stáhne (smrští) vlivem jevu tvarové paměti a spojení trubek je zajištěno. Takovéto spojky byly použity pro hydraulický systém stíhaček F-14. Pro úspěšnost tohoto použití byly dva důvody – spojky byly vysoce spolehlivé a cena nebyla pro vojenské použití rozhodující. Elektrické konektory zvláště u miniaturních kabelů vybavené paměťovými prvky dovolují poměrně snadné zasunutí při dobrém výsledném elektrickém kontaktu. Podobně pro testování elektronických prvků s velkým množstvím vývodů (mikroprocesory) je výhodné použít speciální konektory s paměťovými prvky, do kterých lze snadno součástku zasunout bez nebezpečí ohnutí „nožiček“. Slabé zahřátí konektoru uvede v činnost paměťové elementy a dojde k dobrému mechanickému i elektrickému kontaktu, po slabém ochlazení se mechanický kontakt uvolní a elektronickou součást lze snadno vyjmout, případně kabel rozpojit. Pohonné jednotky Vlastnost, že při návratu do austenitu materiál SMA vyvíjí sílu a to dosti značnou je využita v aplikacích, ve kterých tyto prvky nahrazují teplotní čidlo, vyhodnocovací jednotku i příslušný akční člen (motor). Oproti klasickým prvkům se s výhodou využívá nelineární teplotní charakteristika, t.j. reagují v úzkém oboru teplot, který lze relativně přesně nastavit. Velmi rozšířeným použitím slitin s tvarovou pamětí jsou různé tepelné aktuátory. Je to například vodovodní baterie, ve které je udržována stálá teplota vytékající vody právě díky pružině z SMA slitiny. Princip je znázorněn na řezu baterií (obrázek 7.), základem jsou dvě pružiny – jedna teplotně a napěťově citlivá ze SMA slitiny Ni-Ti a druhá teplotně necitlivá, vytvářející potřebné předpětí (bias spring). Předpětím se nastaví žádaná teplota vytékající vody a NiTi pružina pohybuje šoupátkem tak, že nastavuje poměr teplé a tudené vody. Martensitická transformace pružiny NiTi se totiž s rostoucím napětím posunuje k vyšším teplotám, to zaručuje dostatečný rozsah teplot. Ventily tlakových hrnců používaných v domácnosti mohou být vybaveny SMA pružinou, která reaguje na teplotu páry (pracuje na stejném principu jako u předchozího příkladu), pro vaření je to lepší způsob, než regulovat tlak jako u klasických tlakových hrnců. Ochranu před opařením vodou teplejší než 70ºC lze zajistit uzavíracím ventilem pracujícím na stejném principu jako aplikace popsané výše, toto zařízení je vhodné zabudovat do sprch a vanových kohoutků, lze tím zabránit častému úrazu dětí a starších osob. Schopnost konat práci nebo vyvíjet sílu při aktivním ohřevu (např. elektrickém) je velice lákavá, neboť působící napětí může přesáhnout i 600 MPa. Na tomto principu jsou 49
Výkon/hmotnost [W/kg]
zhotoveny tyče určené k lámání kamene, po zasunutí do předem vyvrtaného otvoru jsou tyče zahřáty (obvykle průchodem elektrického proudu nebo horkým vzduchem) a vyvinutá síla stačí k rozlomení kamene i značných rozměrů, navíc lze tyto tyče použít v sérii a lámat i velké bloky skal. (projekt EU – PRO-STONE). Otvírací nebo zavírací jednotky mohou být vybaveny prvky SMA všude tam, kde se jedná zvláště o jediné otevření či zavření za kritických podmínek, například v kosmickém prostoru, mořských 4 10 hloubkách, chemicky škodlivém prostředí, při H T extrémně nízkých M 3 10 teplotách. Jednoduchá mechanická konstrukce těchto jednotek totiž B 2 D 10 SMA velice snižuje nebezpečí selhání. Podobné zařízení pracovalo i při E 1 P 10 experimentu měření dopadajícího prachu na marsovském vozítku 0 10 -3 Mars Pathfinder, který -2 -1 0 1 2 3 4 5 10 10 10 10 10 10 10 10 10 byl vybaven detektorem Hmotnost [kg] dopadajícího marťanského prachu. Nad Obrázek 8: Poměr výkon/hmotnost aktuátorů. Oblast elementem slunečního P - piezoelektrické měniče, E - elektromotory, M - modelářské článku bylo umístěno motorky, H - hydraulické motory, spalovací motory pístové, B otočné sklíčko, na které benzinové, D - naftové, T - spalovací turbíny, SMA - aktuátory padal prach. Detekováno SMA, perspektivní oblast, dosud jen zčásti využitá. bylo dopadající sluneční záření přes sklíčko a po jeho otočení bez sklíčka. Otočný mechanismus byl poháněn drátkem NiTi (SMA), jeho zkrácení bylo vyvoláno průchodem elektrického proudu na povel ze Země. Jedním z vážných problémů materiálů SMA je jejich nižší tepelná vodivost, která může omezovat jejich použití při frekvencích vyšších než 1 Hz - nestačí se včas ochladit a vrátit. To lze řešit použitím magnetických materiálů s tvarovou pamětí, např. slitin NiMnGa, ve kterých jsou mechanické efekty vyvolány magnetickým polem. To dovoluje zvýšit pracovní frekvence aktuátorů až na 1 kHz. Tenké vrstvy pro mikrotechniku Atraktivní vlastnosti součástek ze slitin SMA nejsou podstatně ovlivněny zmenšováním do řádu mikrometrů, protože funkce tvarové paměti či generace síly vykonává samotná transformující se krystalická mřížka. V miniaturních rozměrech umožňují slitiny SMA jednoznačně nejvýkonnější mechanismus generace mechanického pohybu. Podstatnou výhodou SMA materiálů je, že i při dalším zmenšování rozměrů jednotlivých prvků zůstávají zachovány v plné míře jejich unikátní vlastnosti a plná funkčnost. Toho se využívá při konstrukci mikromechanických zařízení (mikropumpy, mikroventily, mikroúchyty apod., v nichž miniaturní součástky ze slitin SMA většinou nahrazují lineární motory či nejrůznější spínače. Tyto nové technologie často umožňují poměrně snadno integrovat slitiny SMA s materiály používanými v elektronice (např. NiTi/SiO2/Si vrstvy připravené naprášením NiTi na podložce Si) a vytvářet tak miniaturní struktury kombinující elektrické, mechanické či optické jevy označované jako mikroelektromechanické systémy (MEMS).
50
Kompozity a adaptivní struktury Součástky ze slitin SMA lze kombinovat s běžnými strukturními materiály (kov, keramika, polymer) a vytvářet nové adaptivní kompozitní materiály se zcela novými nebo dokonce měnitelnými vlastnostmi. V tomto oboru jsou slitiny SMA dnes považovány za jeden ze základních "inteligentních materiálů" (vedle piezoelektrických a magnetostrikčních materiálů) pomocí nichž lze adaptivní kompozitní materiály vyvíjet. Největší pokrok zaznamenal výzkum Obrázek 9: Adaptivní SMA/polymer kompozit kompozitů SMA/polymer (například ve - deska z Epoxy polymeru s integrovanými formě tenkých NiTi drátků zabudovaných drátky ze slitiny NiTiCu připravená v rámci do desek z polymerů, vyztužených evropského výzkumného projektu ADAPT. případně skleněnými či kevlarovými vlákny (Obr. 9). NiTi dráty jsou zabudovány do desek v předepnutém - částečně martenzitickém stavu. Při zahřátí (teplotou okolí nebo elektrickým proudem) mají drátky snahu se zpětně transformovat a tedy vracet do původního austenitického stavu, v čemž jim brání okolní matrice z polymeru. Protože NiTi drátky ohřáté o několik desítek stupňů Celsia dokáží vyvinout napětí řádu stovek MPa, roste při ohřevu významně vnitřní tlakové pnutí v matrici. Pomocí změny teploty lze tak ovlivňovat elastické vlastnosti kompozitních desek SMA/polymer, měnit jejich tvar, aktivně omezovat mechanické vibrace apod. Očekává se že adaptivní SMA kompozity budou nacházet uplatnění především v letectví, automobilovém průmyslu a stavebnictví. Tlumení vibrací a ochrana před nárazem SMA materiály mohou být v martensitickém stavu značně deformovány a po zahřátí na teplotu nad Af se vrací do původního tvaru. Při zdánlivě plastické deformaci však nekumulují poruchy mříže a nemění tak své vlastnosti. Tato vlastnost může být využita pro pohlcení deformační energie a tedy i k tlumení vibrací. Velký evropský projekt byl věnován použití SMA materiálů ve spojení s dalšími prvky pro tlumení vibrací během zemětřesení v základech budov. Tento projekt má už první úspěšné použití při ochraně nemocniční budovy v Itálii, která odolala střednímu zemětřesení na rozdíl od sousední budovy. Principiálně lze ze slitin s tvarovou pamětí vyrobit drobné mechanické díly (podložky, těsnění), které tlumí vibrace, avšak vzhledem k teplotní a napěťové závislosti martensitické transformace je toto použití technicky omezeno na speciální případy.
Závěrem Ve světě je patentováno několik desítek milionů nápadů jak slitiny s tvarovou pamětí využít, realizována jich je jen nepatrná část, důvody jsou nejvíce ekonomické – navrhovaná aplikace je dražší, než již existující klasická, i když může mít lepší vlastnosti, nevyplatí se. Dalším důvodem je určitá konzervativnost konstruktérů a výrobců, kupodivu toto neplatí pro řadu medicínských aplikací a tedy se zdá, že lékaři jsou méně konzervativní než strojaři a technici.
51
Role sacharidů v živých organismech
Jitka Moravcová Ústav chemie přírodních látek, VŠCHT Praha, Technická 5, 166 28 Praha, tel. 220 444 283, e-mail:
[email protected] 1. Úvod _______________________________________________________________ 52 2. Sacharidový kód______________________________________________________ 56 3. Typy interakcí sacharidů s proteiny ______________________________________ 58 4. Glykolipidy __________________________________________________________ 59 5. Glykoproteiny, proteoglykany a peptidoglykan _____________________________ 62 6. Interakce sacharidových epitopů s lektiny _________________________________ 65 7. Taktika hledání potenciálních therapeutik_________________________________ 67
3 ÚVOD Sacharidy jsou v přírodě nejzastoupenější přírodní látky; jejich roční produkce v biomase je vyšší než 100 biliónů tun. Z chemického hlediska jsou polyhydroxyaldehydy (aldosy) nebo polyhydroxyketony (ketosy) a podle počtu jednotek v molekule se dělí na monosacharidy (např.
D-glukosa, D-fruktosa),
oligosacharidy (do 10 jednotek, např.
sacharosa, maltosa) a polysacharidy (desítky, spíše tisíce jednotek, např. celulosa nebo HO
HO O OH
O
OH HO
HO
OH
(II) β-anomer O
HO
OH OH OH
(II) α-anomer
CHO OH
HO
OH OH CH2OH
OH
OH
HO
O OH OH HO
HO
(II) β-anomer
(II) α-anomer
D-glukosa
(I)
OH
O OH
HO
OH
OH
O
HO
O HO
OH HO
OH OH
(III)
*
O
HO HO O HO
O OH
HO O HO
O OH
HO O HO
O OH
HO O HO
O OH
OH n
OH
sacharosa (II)
celulosa (IV)
Obr. 1 Způsoby kreslení vzorců sacharidů, mutarotace
škrob). Pro znázornění struktury sacharidů se používá několik druhů vzorců (Obr. 1)1:
52
OH
Fischerovy (I), Harworthovy (II), Milsovy (III) a vzorce vyjadřující skutečnost, že atomy pyranosového kruhu neleží v jedné rovině (IV). V roztoku podléhají sacharidy tzv. mutarotaci, což je ustavení rovnováhy mezi formou acyklickou a pětičlenným (furanosa) a šestičlenným kruhem (pyranosa) (Obr. 1,
D-glukosa).
Tím, že hydroxylová skupina
v poloze 4 nebo 5 atakuje karbonylovou skupinu v poloze 1, uzavírá se kruh a v poloze 1 vzniká nové stereogenní centrum; takové diastereoisomery se nazývají anomery a označují se α- nebo β-anomery. V přírodě včetně biologických systémů se nacházejí jak sacharidy volné, tak jejich nejrůznější deriváty, jichž je ohromné množství. Z fyzikálně-chemických vlastností volných sacharidů je nutné zmínit, že jsou vysoce polární, chirální sloučeniny, enantiomerně čisté, dobře se rozpouštějí ve vodě a jsou prakticky
nerozpustné
v organických
rozpouštědlech.
Jsou
biodegradabilní
a
z obnovitelných zdrojů, ale bohužel obsahují příliš mnoho funkčních skupin podobné reaktivity, takže jejich chemická modifikace je značně obtížná. O tom, že sacharidy jsou mimořádně důležitou skupinou přírodních látek svědčí i ta skutečnost, že za jejich výzkum byly uděleny tři Nobelovy ceny: Hermanu Emilu Fischerovi (1912, za synthesu sacharidů a purinů), Walteru Normanu Harworthovi (1937, za synthesu sacharidů a vitaminu C) a Luisu Frederiku Leloirovi (1970, za objevení nukleotidů a jejich významu pro biosynthesu sacharidů). Historie využití sacharidů lidskou populací je stará jako lidstvo samo. První vlastností sacharidů, která byla a stále je pro člověka důležitá, je jejich nutriční hodnota. Sacharidy tvoří nedílnou a podstatnou součást naší potravy. Pravidelně konzumujeme polysacharidy (škrob,
celulosa,
pektin,
inulin),
disacharidy
(sacharosa,
trehalosa,
laktosa)
i
monosacharidy (D-glukosa, D-fruktosa, D-mannosa) a jejich deriváty (např. glykosidy). Za zmínku stojí výjimečné postavení sacharosy, která je důležitou komoditou. Její celosvětová produkce je vyšší než 115 miliónů tun, přičemž asi 70 % se stále vyrábí z cukrové třtiny, zbytek je získáván z řepy cukrové, a pro potravinářské účely se používá až 95 % produkce. Technologie její výroby je perfektně vypracovaná a na sacharosu se tak můžeme dívat i jako na chemickou sloučeninu, které se vyrábí nejvíce. Dalším masivně vyráběným produktem jsou fruktosové sirupy, jejichž vstupní surovinou je škrob. Řada potravních doplňků obsahuje sacharidy jako základní složku, např. glukosamin, chondroitin a další. Sacharidy jsou důležitou průmyslovou surovinou i mimo oblast zpracování potravin a opět to je obnovitelnost jejich zdrojů, která je jejich nespornou výhodou. Sem lze zařadit výrobu celulosy z dřevní hmoty a následné zpracování na papír. Celulosa a kafr byly dvě základní
53
suroviny pro celuloid, z něhož se sice filmy už nevyrábějí, ale stále je potřebný pro míčky na stolní tenis. Alkylovaná celulosa pak tvoří základní materiál pro kryty počítačů a pro další podobné výrobky. Je často používaná jako adsorpční materiál filtrů a pro chromatografie. Zájem chemického průmyslu o sacharidy roste tak, jak klesá zásoba fosilních surovin. V některých státech (Brazílie) je již sacharosa zpracovávána na bioethanol, intenzivně se zkoumá možnost výroby polymerů odvozených od sacharosy a dalších produktů. Zatím většímu průlomu v technologiích brání i některé vlastnosti samotných sacharidů, které nejsou zrovna příliš výhodné pro velkotonážní produkci. Dobře lze tuto situaci dokumentovat právě na sacharose:
Výhody
Nevýhody
nízká cena
je polyfunkční
100% čistota
je nerozpustná rozpouštědlech
je krystalická a není hygroskopická
není stabilní v kyselém prostředí
v běžných
organických
je chirální a enantiomerně čistá je z obnovitelných zdrojů
Dále je nutno zvažovat i další kriteria související s vlastnostmi produktů a meziproduktů ze sacharosy a s dostupností technologií. Lze je formulovat například do následujících obecných zásad: i) produkty musejí mít lepší aplikační nebo ekologické vlastnosti, a nebo musejí být levnější než ty původní, ii) meziprodukty by měly být zpracovatelné běžnou průmyslovou chemií (např. polymerizací), iii) technologie by měly zahrnovat minimum reakčních kroků s využitím levných činidel za environmentálně bezpečných podmínek, iv) reakce by měly probíhat buď ve vodném roztoku nebo bez rozpouštědla, v) v žádném stupni nelze použít kyselé prostředí nebo kyselé katalyzátory, vi) isolace a separace produktů musí být co nejjednodušší a snadno převoditelná z laboratorního do provozního měřítka. Právě zřejmé výhody sacharosy podnítily obrovský zájem chemiků o její využití jako průmyslové suroviny. Zatímco v období do roku 1965 bylo publikováno jen 15 plně identifikovaných derivátů sacharosy, v současné době je popsáno více než 300 těchto sloučenin2, což je přičítáno zájmu vyvolaném ropnou krizí v sedmdesátých letech minulého století. Fakt, že sacharidy jsou součástí biologicky aktivních přírodních látek rostlinného i živočišného původu, je znám už dlouho. Například sekundární metabolity rostlin se vyskytují převážne ve formě glykosidů, které jsou ve vodě rozpustné a umožňují tak
54
CH2OH
CH2OH
O
O O-aglykon
OH HO
OH + HO-aglykon
OH HO
OH CH2OH HOCH2
glukosid OH
silybin, aglykon ostropestřece marijánského
O
HO
O
O
O
OH O
HO
CH2OH
OH
OH
salicin, glukosid vrby bílé
OH
O
OH
OMe
O
OH OH
HO
O
OH
O
O
kumestrol, aglykon vojtěšky seté
genistein, aglykon sóji luštinné HO
O
Obr. 2 Struktury některých fytoalexinů
rostlině transportovat biologicky aktivní ale ve vodě nerozpustný aglykon na místo poškození. Tyto glykosidy se řadí mezi tzv. fytoalexiny, což jsou látky, která rostlina synthetisuje, je-li vystavena stresu vyvolaným např. suchým počasím, mechanickým poškozením nebo požerem či útokem plísní (Obr. 2). Tvorba glykosidů je využívána rostlinami i k detoxifikaci. Člověk se z chování přírody poučil a vyrábí preparáty, ve kterých je léčivo navázáno na např. D-glukosu glykosidovou nebo esterovou vazbou, což mu dodá rozpustnost ve vodě. Enzymy střevní mikroflóry nebo kyselé pH v žaludku pak účinnou složku z preparátu uvolní. Sacharidy jsou rovněž důležitými stavebními jednotkami (celulosa) nebo zdrojem energie (škrob). Rovněž nikdy nebyla zpochybňována důležitost sacharidů jako složek např. pojivových tkání (glykogen), a nebo jako součást jiných pro život nezbytných látek (ribonukleové a deoxyribonukleové kyseliny či proteiny). V těchto případech bylo ale na sacharidy pohlíženo jako na kostru těchto mnohem důležitějších molekul a nebo jako na sloučeniny, které jsou schopny modifikovat některé jejich fyzikálně-chemické vlastnosti. S rozvojem biochemie a zejména buněčné biologie byly objeveny nové funkce sacharidů v živých organismech a za posledních 20 let tak prožívá chemie sacharidů obrovský rozmach. Byl objeven tzv. sacharidový kód, který je využíván ke hledání selektivních,
55
cíleně působících therapeutik s minimálními vedlejšími účinky a který je pravděpodobně hlavním motivem základního i aplikovaného výzkumu sacharidů v současné době.
4 SACHARIDOVÝ KÓD V živém buňka
toxin protilátka
baktérie
organismu
je
neustálá
potřeba dorozumívání se na buněčné úrovni
virus
(Obr.
3).
Buněčné
rozpoznávání je základem imunitní odpovědi, uplatňuje se při ataku baktérií a virů, kde právě zachycení
buňka
pathogenu na povrchu hostitelské buňky tvoří první fázi onemocnění; jeho role v rozšiřování nádorových
buněk v organismu je rovněž důležitá. Aby tyto procesy vůbec probíhaly, musí být splněny dvě základní podmínky: organismus musí mít k dispozici receptor („čtecí zařízení“), což jsou často proteiny buněčných povrchů, které obvykle postrádají katalytickou aktivitu enzymů (tzv. lektiny), a nějakou část biopolymeru nesoucí zašifrovanou informaci. K tomu, aby skupina látek mohla plnit funkci informačního systému, musí splňovat několik požadavků: a) specifické kódování (informace musí být jednoznačná a musí být i dešifrovatelná s nízkou pravděpodobností špatné interpretace); b) šifrovací sekce biomolekuly musí být malá, aby její synthesa nebyla energeticky náročná, a musí být prostorově snadno přístupná; d) kódovací sloučeniny musejí mít dostatečný potenciál pro rychlé strukturální změny. Všechny tyto požadavky splňují sacharidy v míře více než dostatečné. Sacharidy jsou prakticky nevyčerpatelnou zásobárnou rozmanitých struktur, neboť kupříkladu každá hexosa nabízí pět hydroxylových skupin jiné molekule sacharidu ke tvorbě glykosidové vazby. Kromě lineárních oligomerů mohou tvořit i rozvětvené struktury, což je vlastnost v biologickém systému zcela unikátní. Tak by 20 hexos mohlo teoreticky poskytnout 6,4 . 1015 hexamerů, zatímco 20 aminokyselin pouze 1,4 . 107. Sacharidy jsou dále konformačně flexibilní, důležitá je zejména volná rotace kolem glykosidové vazby, přitom ale jednotlivé konformery mohou mít různou afinitu k vazebnému místu receptoru-dekodéru. Sacharidy jsou tedy téměř ideální sloučeniny pro generování kompaktních jednotek s explicitními informačními vlastnostmi. Za tímto účelem jsou oligosacharidy v organismu vázány
56
kovalentní vazbou na lipidy a proteiny nebo peptidy a často se označují jako sacharidový epitop. Sacharidy tvoří jen asi 1 % hmotnosti člověka, zatímco proteiny zhruba 15 % stejně jako lipidy, 5 % je anorganických solí a zbytek je voda. Nepočítáme-li D-ribosu a 2-deoxy-DHO
HO HO
O OH
OH HO
O
O OH
OH
OH D-glukosa (Glc)
OH D-galaktosa (Gal)
HO
HO HO
O OH HO
OH
N-acetyl-D-glukosamin (GlcNAc) R9
HO
HO
OH D-xylosa (Xyl)
O
OH
OH HO
NHAc N-acetyl-D-galaktosamin (GalNAc)
O R8 OH 6 7 9 8 4 O 2 COOH R5 NH 1 5 O 3 R4 O R7
(Fuc)
O COOH OH
O OH
OH
OH
L-fukosa
COOH OH
NHAc
O HO
OH
OH
OH
HO
OH
OH
D-glukuronová kyselina (GluA)
D-idouronová kyselina (IdoA)
sialové kyseliny
O
7-O-acetyl 4-O-acetyl N-glykolyl 8-O-acetyl 9-O-laktyl 8-O-methyl 8-O-sulfát 9-O-acetyl 9-O-fosfát R4,R5,R7,R8,R9 = H kyselina neuraminová kyselina N-acetylneuraminová N-acetyl (NeuAc, Neu5Ac, NANA)
Obr. 4 Struktury základních monosacharidů lidského těla
ribosu (součást RNA a DNA) , je základních monosacharidů v lidském těle deset (Obr. 4), z nichž kyselina neuraminová,
D-glukosamin
a
D-galaktosamin
se vyskytují ve formě
svých N-acetylderivátů. Kyselina neuraminová tvoří celou řadu dalších derivátů, které se nazývají společným názvem kyseliny sialové. Biosynthesa glykokonjugátů probíhá krok za krokem v endoplasmatickém retikulu a Golgiho aparátu. Exogenní monosacharidy penetrují do buňky a jsou přeměněny do stavebních bloků, typicky do podoby glykosylnukleotidů, které jsou dále transformovány na oligosacharidy a navázány na lipidickou nebo proteinovou kostru. Těchto transformací se účastní celá řada glykosidas a glykosyltransferas. Jakmile se glykokonjugáty dostanou na povrch buňky, slouží jako ligandy pro receptory jiných buněk nebo pathogenů.
57
5 TYPY INTERAKCÍ SACHARIDŮ S PROTEINY Jako receptory se pro interakce se sacharidy uplatňují především proteiny (lektiny), a to prostřednictvím nevazebných interakcí, které mohou být typu vodíková vazba, asociace s kovy, nepolární a iontová interakce. Důležité je, že při těchto interakcích nedochází k žádné chemické transformaci sacharidu, a proto se obecně netýkají enzymů. Jedna isolovaná interakce proteinu se sacharidem je slabá, a proto nepostačuje k předání informace. Naštěstí jak receptor tak oligosacharid jsou multifunkční sloučeniny schopné mnohonásobných interakcí („glycoside cluster effect“). Vodíkové můstky. Jsou typickým příkladem interakce, která prakticky nikdy není
osamocená, ale vždy se jedná o celou síť interakcí bidentálního charakteru s obecným
Obr. 5 Příklady interakcí monosacharidů s proteiny: a) vodíkové můstky, b) asociace s kovem, c) hydrofobní interakce
motivem NH…OH…O=C, kterých se účastní pobočné řetězce aminokyselin, jako jsou Asn, Asp, Glu, Gln, Arg nebo His, a sacharidové hydroxylové skupiny i kyslík pyranosové kruhu (Obr. 5a). Účast molekul vody je zcela obvyklá. Asociace s kovy. Interakci nejčastěji zprostředkovává vápník a dále mangan (Obr. 5b). Komplementární kontakt nepolárních ploch. I když jsou sacharidy především polárními
sloučeninami, jsou schopny i nepolárních interakcí, neboť jedna ze stran molekuly strana A OH OH O HO strana B
OH
D-galaktopyranosa
OH
sacharidu bývá více hydrofobní než druhá; v případě D-galaktosy je to strana B (jako strana A se označuje ta strana, kde se atomy uhlíku počítají od nižšího k vyššímu ve směru pohybu hodinových ručiček), která je například hydrofobnější než odpovídající B strana D-glukosy nebo
D-mannosy,
protože konfigurace na atomu C-4 je
L
a
hydroxylová skupina směřuje nahoru do strany A (Obr. 5c). Z toho důvodu je D-galaktosa skoro vždycky v nepolární interakci s aromatickým kruhem vhodné aminokyseliny. 58
V případě oligosacharidů může nastat dokonce interakce se dvěma pyranosovými kruhy a molekula disacharidu je tak uzavřen mezi dvě nepolární plochy. Iontová interakce. Uplatňuje se u nabitých sacharidů, tj. těch, které obsahují
aminoskupinu, glukuronovou nebo idouronovou kyselinu či kyseliny sialové, přičemž karboxylová skupina je skoro vždy asociována s argininem. Tento typ interakce zodpovídá za afinitu aminoglykosidových antibiotik.
6 GLYKOLIPIDY Glykolipidy
jsou
buněčných
membrán
vyskytují
se
organismech. stránce
jsou
ve Po
součástí všech
heterogenní
které mají jednu nebo více monosacharidů
vázaných jako glykosidy na hydrofobní
kostru
acylglycerolu nebo ceramidu.
O
OH
chemické
skupinou amfifilních molekul, molekul
OH OH
a
OH
OH R OH O
R = CH2OH, CH2NH2, COOH
HO OX O OX OOX OO PO ( O P O )n O P O O O O O OH X = H, glykosyl HO OH
O HO
O OH
O OH
OR1 OR2
Obr. 6 Struktura hopanoidů a lipoteichových kyselin
Přispívají ke stabilizaci a vyšší pevnosti membrán a rovněž se uplatňují v buněčné komunikaci, při modulaci receptorů a nebo signální transdukci, diferenciaci, proliferaci a onkogenezi. Mezi glykolipidy prokaryotů se řadí hopanoidy, mykoláty, lipoteichové kyseliny, lipoglykany, lipopoly-sacharidy a sfingoglykolipidy. Hopanoidy jsou glykosidy s rigidními pentacyklickými aglyko-ny a v membráně pravděpodobně vážou cholesterol, a tím ji zpevňují (Obr. 6). Mykoláty jsou součástí obálky mykobakterií, kde fungují jako efektivní bariéra proti pronikání antibiotik a chemotherapeutik. Lipoteichové kyseliny (Obr. 6) a jim podobné lipoglykany se nevyskytují současně v cytoplasmatické membráně jedné a téže grampozitivní bakterii, a proto se předpokládá, že jejich funkce jsou zaměnitelné. Lipopolysacharidy (LPS) jsou sloučeniny specifické pro gramnegativní bakterie, kde tvoří vnější povrch vnější membrány (Obr. 7). Obsahují lipidickou část (lipid A), která je v poloze 6´ glykosylována polysacharidem, který se skládá z tzv. jádra a Oantigenu. Zatímco struktura jádra je víceméně rigidní, je struktura O-antigenu variabilní a specifická, v některých případech O-antigen i chybí. LPS jsou endotoxiny, které vyvolávají
59
u lidí a vyšších organismů septický šok. V USA se ročně vyskytne 500 000 případů sepse AbeOAc Glc GlcNAc Man( Rha Gal Glc Gal ) Gal n Glc Hep
2Hep-OPO3
Hep KDO KDO O O O O P O O O NH O O
HO HO
O
HO HO
O
KDO O HO O O O
O O
HN
HO
O O O P OO O
O OH
HO HO HO HO
OH
OH O Hep
HO
O
OH COOH
OH
O HOOH Abe
Obr. 7 Struktura LPS baktérie Sallmonela typhimurium
ročně, z nich 20 – 50% je smrtelných; pokud se ovšem rozvine septický šok, je úmrtnost 90 %. Nositelem toxicity je lipid A, který stimuluje hostitelskou buňku k nadprodukci endogenních mediátorů, např. cytokinů, které v malém množství aktivují imunitní systém hostitele, ale ve velkém vyvolají horečku, tachykardii, vysoký tlak a následně smrt díky nefunkčnosti všech orgánů spojených s krevním
GluA O HO HO
oběhem. Některé lipidy A jsou toxické méně a slouží
OH O HO O HO
jako inspirativní matrice pro návrh nových léčiv. Glykosfingolipidy gramnegativních bakterií
H N O
OH
jsou složeny z ceramidu (sfinganin acylovaný mastnou kyselinou) α-glykosylovaného molekulou GluA (Obr. 8).
Tři
molekuly
strukturální
glykosfingolipidů
jednotku
odpovídající
představují lipidu
A.
Glykosfingolipidy vykazují i podobnou biologickou aktivitu jako lipid A, ačkoliv jejich monomery jsou Obr. 8 Struktura glykosfingolipidu Sphingomonas paucimobilis
biologicky neaktivní. Ukazuje se, že pravděpodobně existuje
jakási
supramolekulární
glykosfingolipidů, která je zodpovědná za jejich biologické a fyzikálně-chemické vlastnosti.
60
struktura
Živočišné glykosfingolipidy jsou rovněž odvozeny od ceramidu a jsou buď neutrální nebo kyselé, kterým negativní náboj dodávají sialové nebo uronové kyseliny a dále sulfáty, fosfáty a fosfonáty mono- a oligosacharidů. Nacházejí se v nervovém systému a mozku. Více glykosylované glykosfingolipidy jsou ve všech tkáních a nazývají se podle oligosacharidového řetězce, např.: ganglio ( -D-Gal-(1-3)- -D-GalNAc-(1-4)- -D-Gal-(14)-D-Glc-), neolakto ( -D-Gal-(1-4)- -D-GalNAc-(1-3)- -D-Gal-(1-4)-D-Glc-), isoglobo ( -D-GalNAc-(1-3)- -D-Gal-(1-3)- -D-Gal-(1-4)-D-Glc-) a další. Gangliosidy jsou kyselé glykosfingolipidy, které obsahují jednu nebo více sialových kyselin (Obr. 9). Řada z nich jsou antigeny krevních skupin, mohou vyvolat autoimunitní poruchu, modifikují aktivitu funkčně naprosto rozdílných receptorů, např. gangliosid GM1 aktivuje nervový růstový faktor. Gangliosidy se účastní adhezních procesů, kde představují vazebná místa pro toxiny, viry a bakterie, kdy se cukerná část glykosfingolipidu váže na lektinový receptor pathogenu. Sfingolipidy jsou nezbytné pro správnou funkci lidské kůže, kde přispívají ke vzniku permeační bariéry pro přenos vody. Mezi intenzivně studované glykolipidy patří glykosfingolipidy parazitů. Zdá se, že tyto konjugáty jako integrální součást povrchu parazita hrají důležitou roli v různých mechanismech nutných pro jeho přežití. Hlísty využívají molekulární mimikry, aby zabránily imunogennímu rozpoznání, a jsou-li poznány, snaží se obejít svoje zničení tím, že se aktivně účastní imunoregulačního mechanismu. V prvé řadě napodobují strukturu gangliosid GM2 gangliosid GM3
OH OH OH OH O O O HO O OH OH NHAc OH O HO OH HOOC O O O O OH HN OH O ( ) HO ( )16 12 O OH HO AcNH OH ceramid NeuAc glukosylceramid Obr. 9 Struktura gangliosidu GM1, který je receptorem toxinu střevní cholery
61
glykosfingolipidů hostitelského organismu, protože
ty
odpovídají
za
adhezi buněk.
7 GLYKOPROTEINY, PROTEOGLYKANY A PEPTIDOGLYKAN Glykoproteiny jsou přítomny ve všech organismech a to jak v intracelulárním tak extracelulárním prostoru i v buněčných membránách (enzymy, antibody, receptory, hormony, cytokiny, strukturální proteiny). Obsah sacharidů je v nich různý; pohybuje se od 1 hm% v kolagenu až po 99 hm% v glykogenu. Nejčastěji jsou sacharidy vázány jako O- a
N-glykosidy, ojediněle rovněž jako C-glykosidy, a nebo přes ethanolaminfosfát. Vazebným místem pro tvorbu N-glykosidů je asparagin a z jednoduchých sacharidů se váže nejčastěji Glu, Rha nebo GalNAc. Pro vznik O-glykosidů jsou využívány hydroxylové skupiny O H 2N
NH
protein
O - O P O O OH O HO HO O ethanolaminfosfát OH O HO HO
GalNAc Gal-Gal-Gal Gal
HO HO
Man
ethanolaminfosfát O OH O O HO
diacylglyceroly ceramid R2 alkylacylglyceroly
OH O H 2N O O
R1
OH OH O
mastné kyseliny OH
O P O O-
Obr. 10 Minimální struktura GPI kotvy a některé strukturální variace
zejména serinu a threoninu, dále pak tyrosinu, hydroxyprolinu nebo hydroxylysinu. Z jednoduchých sacharidů jsou obvykle navázány GalNAc, GlcNAc, Fuc, Xyl, Glu, Gal, Man nebo Ara. Vazba přes ethanolaminfosfát využívá C-koncové aminokyseliny proteinu a dává stabilní, orientované připojení sacharidů na membránu obvykle na extracelulárním povrchu buňky. Toto spojení se nazývá glykosylfosfatidylinositolová (GPI) kotva (Obr. 10). N-Glykany
Základem struktury všech N-glykanů je stejný pentasacharid jádra, který je připojen na asparagin (Obr. 11). K němu jsou připojeny tykadlové („antennae“) oligosacharidy, které mohou být lineární i rozvětvené. Podle jejich struktury a způsobu připojení se rozeznávají 62
čtyři základní skupiny tykadel: oligomannosa, komplexní, hybridní a nejnovější typ obsahující D-xylosu. Asn
Man(α1-6)[Man(α1-3)]Man(β1-4)GlcNAc(β1-4)GlcNAc(β1-N) pentasacharid jádra O
O
O
O tykadlové oligosacharidy O O O O
O O
pentasacharid jádra
Asn
O O O O
Obr. 11 Schematická struktura N-glykanů Struktura N-glykanového cukerného epitopu je specifická pro buňku a je označována jako antigenní determinant. Tvoří např. antigeny krevních skupin H, A a B, které jsou složkami sfingolipidů na povrchu erythrocytů. Mají jen velmi malé rozdíly v určující struktuře tykadel, které ale mají dalekosáhlé důsledky. Sérum jedinců s krevní skupinou A obsahuje protilátky anti-B, zatímco krevní skupina B má protilátky anti-A. Skupina AB nemá protilátky žádné, neboť její erythrocyty nesou oba antigeny A i B. Lidé s krevní skupinou O mají obě protilátky a jejich buňky neobsahují antigeny žádné. Antigen H je prekurzorem oligosacharidů A a B a je přítomen na povrchu buněk krevní skupiny O. Struktura sacharidových epitopů jednotlivých krevních skupin je následující: H: Fuc(α1-2)Gal(β1-3 nebo 4)GlcNAc; A: GalNAc(α1-3)[Fuc(α1-2)]Gal(β1-3 nebo
4)GlcNAc; B: Gal(α1-3)[Fuc(α1-2)]Gal(β1-3 nebo 4)GlcNAc. O-Glykany
Tvoří rovněž velmi pestrou škálu cukerných motivů, které jsou navázány na hydroxylovou skupinu serinu nebo threoninu. Dělí se na dvě základní skupiny: O-glykany mucinového a nemucinového typu. První typ se nazývá mucinový proto, že byl poprvé identifikován v hlenu,
a
obsahuje
až
dvacet
monosacharidů
vázaných
prostřednictvím
N-
acetylgalaktosaminu. Formálně se O-glykany mucinového typu dělí na osm skupin podle monosacharidů jádra (Gal, GalNAc, GlcNAc), na kterých jsou připojeny další tykadlové sacharidy (nejčastěji Fuc a NeuNAc). Základní struktura, GalNAc(α1-O)Ser/Thr, se nazývá Tn antigen. Obvykle tvoří klastry na krátkém úseku peptidové sekvence Ser-ThrPro, které se taká říká mucinová doména. O-Glykany nemucinového typu zahrnují větší
63
výběr sacharidů jádra a místem glykosylace proteinu je opět hydroxylová skupina serinu nebo threoninu. Rovněž O-glykany jsou pro organismus a jeho zdravotní stav velice důležité, neboť nesou antigeny rakovinných buněk a jsou rozpoznávací doménou pro buněčné interakce.Proteoglykany Proteoglykan je protein, ve kterém jsou vázány tzv. mukopolysacharidy, což jsou lineární glykosaminoglykanové polymery, které mají v řetězci 15 až několik set základních disacharidových jednotek. Vždy nesou záporný náboj a jejich základními jednotkami jsou
N-sulfátovaný
D-glukosamin
(GlcNS), GlcNAc a GalNAc, které se střídají s Gal,
D-
glukuronovou (GluA) nebo L-idouronovou (IdoA) kyselinou. Jsou zejména v pojivových tkáních, neboť to jsou vysoce hydratované molekuly. Asi nejznámější je heparin, který se používá více než 60 let proti srážení krve, dále kyselina hyaluronová, která je součástí synoviální tekutiny očního sklivce nebo dermatan-sulfát přítomný v kůži (Obr. 12). Řada onemocnění jako je atherosklerosa, některé druhy rakoviny či Alzheimerova choroba se GlcA(β1-3)GlcNAc(β1-4) OH
COO *
HO
O3SO
O
O HO O O NHAc n* OH hyaluronová kyselina O
*
IdoA(α1-3)GalNAc(β1-4)
HO
O - OR HO COO
OR
O
* HO
O
O O NHAc n* -OH COO dermatan-sulfát
IdoA(α1-4)GlcNAc(α1-4) heparin (R = H) a heparin-sulfát (R = SO3-)
O
HN SO3- O
OH
n
*
Obr. 12 Opakující se disacharidová jednotka některých mukopolysacharidů
dávají do souvislosti s abnormalitami v biosynthese a opracování proteoglykanu. Peptidoglykan
Peptidoglykan (dříve označovaný jako murein) je základním polymerem buněčných stěn gramnegativních i grampozitivních bakterií. Jeho struktura má tři základní charakteristické složky: polysacharidovou matrici, pentapeptidový pobočný řetězec a mezipeptidové můstky (Obr. 13). Všechny peptidoglykany obsahují střídavě (β1-4)-vázaný GlucNAc a Nacetylmuramovou kyselinu (MurNAc) a to v počtu 5 – 45 jednotek. Struktura pentapeptidu je částečně proměnlivá, má obecnou sekvenci Ala-γ-D-Glu-Xaa-D-Ala-D-Ala, kde Xaa je Lys pro grampozitivní nebo meso-diaminopimelová kyselina pro gramnegativní bakterie.
64
GlcNAc
NHAc
HO O OH
O
O
H3C
OH O
O O
O NHAc
MurNAc
NHAc
HO OH
Ala
O
O H3C
OH O
O O
O NHAc
Ala
D-Glu
D-Ala
Xaa
D-Ala
D-Ala
Xaa
D-Ala
D-Glu
Ala
D-Ala
Xaa
D-Ala
D-Ala
Xaa
D-Ala
D-Glu
Ala CH3
O
D-Glu
CH3
O O
O
Obr. 13 Struktura peptidoglykanu Interakce sacharidových epitopů s lektiny Lektiny jsou proteiny, které vážou mono- a oligosacharidy reverzibilně a s vysokou specifitou, ale současně nevykazují žádnou katalytickou aktivitu a narozdíl od antibodů nejsou ani produktem imunitní reakce organismu. Každý lektin obsahuje typicky dvě nebo více domén rozpoznávající sacharidy (tzv. carbohydrate recognition domain, CRD), jinými slovy jsou di- až polyvalentní. Proto také, když reagují s buňkami, např. erythrocyty, nejenže vážou sacharidy na jejich povrchu, ale vyvolávají i zesíťování buněk a jejich následné srážení, které se nazývá aglutinace. Tato vlastnost je charakteristická a základní pro všechny lektiny. Lektiny mohou stejným způsobem srážet polysacharidy nebo proteiny. Oba děje, aglutinace a srážení, jsou inhibovány sacharidovými ligandy, pro které jsou lektiny specifické. Lektiny, resp. receptory lektinového typu, jsou ve všech organismech, od virů a bakterií přes rostliny až k živočichům a savcům. Tvoří heterogenní skupinu oligomerních proteinů, které se liší velikostí, strukturou i stereochemií svých CRD domén, ale lze vystopovat jisté podobnosti v sekvencích aminokyselin. Lektiny byly poprvé isolovány z rostlin, a to v roce 1919 z fazolí a dnes známe v luštěninách již více než 100 zástupců. Velice známý a klasický je konkavalin A z Canavalia ensiformis nebo toxin ricin z Ricinus communis. Je prakticky neuvěřitelné, že role lektinů v rostlinách je dodnes prakticky neznámá. V dalším textu bude uveden základní přehled o lektinech z hlediska jejich specifity k sacharidovým epitopům a funkce v živém organismu. 65
Lektiny se formálně člení na jednoduché a mozaikové. Jednoduché mají molekulovou hmotnost pod 40 kDa a vedle CRD mohou obsahovat další domény. Patří sem všechny rostlinné a z živočišných lektinů jen galektiny (dříve zvané S-lektiny). Mozaikové lektiny obsahují několik druhů vazebných míst, z nichž jenom jedno má vlastnosti SRD. Patří sem virové hemoaglutininy na jedné straně a živočišné C-, P- a I-lektiny na straně druhé. Galektiny
Tato rodina lektinů specifická pro β-D-galaktosidy se obvykle nachází uvnitř buňky v cytoplasmě a buněčném jádru, někdy ale jsou přítomny i na buněčném povrchu a v extracelulárním prostoru. Galektiny mají afinitu i vůči β-D-glukosidům a laktose. Předpokládá se, že mají rozhodující roli při normálním rozvoji a dělení buněk. Zvýšená koncentrace galektinu-3 přítomného na povrchu rakovinných buněk může být odpovědná za adhezi těchto buněk v cílových orgánech, kroku nezbytném pro tvorbu metastáz. Inhibitory tohoto procesu mohou mít účinky protimetastázové. Byly objeveny i protilátky proti galalektinům; např. sérum pacientů s Hodgkinsovým sarkomem obsahovalo v 50 % případů protilátku proti galektinu-9, zatímco sérum zdravých osob či osob postižených jiným nádorovým onemocněním žádné takové protilátky neobsahovalo. Zdá se, že se otevírají nové therapeutické a diagnostické cesty i pro galektiny. C-Lektiny
Tato rodina lektinů vyžaduje pro interakci se sacharidy přítomnost vápenatého kationtu. Dělí se na několik dalších podskupin.
Endocytické lektiny jsou receptory vázané v buněčné membráně např. v játrech, a mají různou specifitu (Gal, GalNAc, Man, Fuc). Např. povrch makrofágů obsahuje lektinový receptor specifický pro
D-mannosu
a na něj se váže na
D-mannosu
bohatý glykan
z povrchu bakterie, kterou makrofág usmrtí tzv. lektinofagocytosou. Tento typ obrany, která není závislá na tvorbě protilátek, je znám jako součást vrozené imunity.
Selektiny zprostředkovávají adhezi cirkulujících leukocytů na výstelku cévních stěn, což je první krok pro přenos leukocytů z cirkulačního systému a pro jejich další migraci do tkáně. Rozpoznávacím epitopem je terminální tetrasacharid, sialyl-LewisX (sLex). L-selektin je pověstný jako naváděcí receptor, je přítomen na všech leukocytech a zabezpečuje recirkulaci lymfocytů tím, že je směruje do obvodových lymfatických uzlin. E- a Pselektiny jsou vytvářeny na povrchu výstelky cévních stěn jen tehdy, jsou-li tyto buňky aktivovány mediátory (např. interleukin-2) uvolňovanými ze tkáně jako odpověď na
66
poranění, ischémii nebo infekci. Afinita sLex je k různým selektinům různá, jak vyjadřují následující disociační konstanty (mM): E-selektin, 0,7; P-selektin, 8; L-selektin, 4. P-Lektiny
Tyto lektiny jsou specifické pro rozpoznávání
D-mannosa-6-fosfátu
a slouží pro
nasměrování lysosomálních enzymů na místo určení. Pokud nemá enzym tento sacharidový epitop, pak není P-lektiny rozpoznán a je vyloučen do mimobuněčného prostoru. I-Lektiny
Rodina I-lektinů je poměrně úzká a rozpoznává sialovou kyselinu při nejrůznějších interakcích buněk. Sialoadhesin a lektin CD22 jsou součástí imunitního systému. Jiné lektiny
V poslední době byl objeveno několik intracelulárních lektinů, které se účastní biosynthesy glykoproteinů, jejich roztřídění a transportu na povrch buňky. Z nich lektin zvaný kalnexin je v endoplasmatickém retikulu, kde se váže na terminální
D-glukosu
nově tvořeného
glykoproteinu a kontroluje tak správnost sestavení glykanu. Jeho úlohou je být jakousi gardedámou glykoproteinu.
8 TAKTIKA HLEDÁNÍ POTENCIÁLNÍCH THERAPEUTIK Nejdůležitější
funkcí
oligosacharidů
v glykokonjugátech
je
jejich
účast
v řadě
fyziologických a pathologických procesů, kde slouží jako rozpoznávací markery. Tak se účastní adheze infekčních buněk na buňku hostitelskou, zrání a směrování leukocytů, interakcí imunitního systému nebo tvorby a diferenciace rakovinných buněk a jejich metastáz a dalších životně důležitých pochodů. Porozumění tomu, jakými mechanismy sacharidy do těchto dějích vystupují, je velice důležité, protože rozpoznávání je vždy první fázi onemocnění a cíleně zasáhnout v tomto okamžiku je samozřejmě žádoucí. Hledání inhibitorů tohoto děje sleduje principiálně dva základní motivy: aktivitu proti biosynthese glykokonjugátů a nebo interferenci s glykokonjugáty v procesu rozpoznávání. Přes obrovské úsilí vědců jsou zatím pokroky v hledání léčiv a vakcín na bázi sacharidů poněkud problematické. Důvodů je několik, některé z nich byly již zmíněny v úvodu. Prozatím chybí metodika porovnatelná se synthesou peptidů na pevném nosiči, modifikace polyfunkčních molekul jsou vždy obtížné a drahé a sacharidy obecně mají dosti nevhodné vlastnosti pro použití jako léčiva: jejich afinita k proteinům je nízká a podávané orálně jsou
67
inaktivní, protože jsou snadno hydrolyzovány enzymy in vivo. Mohou být proto podávány pouze injekčně pro léčbu akutních symptomů, ale i tak mohou podléhat ataku glykosidas např. v séru. Afinitu k proteinům zvyšují do jisté míry polyfunkční interakce. Z uvedených důvodů je často výhodné nahradit sacharidy látkami, které napodobují jejich strukturu a funkci v procesu rozpoznávání, ale které mají lepší stabilitu, specificitu, afinitu a synthetickou dostupnost. Porozumění procesu rozpoznávání a definování role sacharidů je proto velice důležité. Postup při hledání potenciálních therapeutik lze rozdělit do několika základních procesů, jejichž pořadí není až tak důležité, protože se většinou jedná o vedle sebe probíhající děje.
•
Studium interakcí sacharidů s proteiny. Výjimečné místo patří v tomto směru interakcím s lektiny. Sem patří studium struktury proteinu a stereochemie jeho aktivního místa pomocí molekulárního modelování, instrumentálních technik (NMR, MS, SPR) a rentgenostrukturní analýza proteinu samotného či jeho komplexu se sacharidy. Stejnými metodikami a dále ještě mikrokalorimetrií se studují i interakce sacharidu s proteinem. Výsledkem potom je teorie formulující základní požadavky na strukturu sacharidu, t.j. definují se ty funkční skupiny, které jsou pro interakce nezbytné.
•
Modifikace struktury sacharidu. Obvykle se odstraňují ty funkční skupiny, které se na interakcích nepodílejí, čímž se zjednoduší synthesa a zvýší se hydrofobicita molekuly. Poté se naopak zavádějí skupiny nové, které např. přinášejí do molekuly náboj nebo zvyšují stabilitu vůči hydrolyse.
•
Biologické testy. Interakce nově připravené sloučeniny s lektinem se studují pomocí metod uvedených v prvním bodě a vyvozují se další závěry týkající se nároků na strukturu sacharidu.
Tyto tři kroky se neustále opakují. Často studovaným případem pro therapeutickou
H3C Gal HOOC HO
OH
OH
O
O
OH HO NeuAc OH AcNH
OH
O
Lex (sLex, Obr. 14) s E-selektinem a lze na
OH
O O
intervenci je interakce oligosacharidu sialyl-
Fuc
OH OH
něm dobře demonstrovat zásady uvedené NHAc OH O
O OH
GlcNAc
výše. Interakce nastává hned zpočátku reakce organismu na poškození a představuje jeden z iniciačních kroků tvorby a směrování bílých
Obr. 14 Struktura oligosacharidu sLex
68
krvinek,
jehož
sacharidovým
epitopem je právě sLex. Chyba v tvorbě a nadprodukce leukocytů mohou mít pro organismus fatální následky. Mnohá zánětlivá onemocnění a to jak akutní (septický šok) tak chronická (asthma, arthritida) by mohla být léčena antagonisty této interakce. Dalším polem působnosti je chemotherapie nádorových onemocnění, protože je známo, že právě tato interakce je odpovědná za vysokou tendenci některých tumorů vytvářet metastáze. Na základě známé konformace sLex vázané na E- a P-selektiny odvozené z NMR měření doplněné výsledky krystalografických studií lektinových vazebných domén byly definovány důležité funkční skupiny v molekule, které jsou nezbytné pro vznik vazby na lektiny (Obr. 14, vyznačeny tučně). Pro rozpoznání E-selektinem jsou rozhodující všechny tři hydroxylové skupiny na Fuc, z nichž ty v poloze C-3 a C-4 koordinují vápenatý kation. Stejně důležitá je přítomnost volných hydroxylových skupin v poloze C-4 a C-6 Gal a karboxylová skupina sialové kyseliny. Molekula GlcNAc nepřispívá k interakcím žádnou svojí funkční skupinou a může být principiálně nahrazena řadou bifunkčních spojovacích D-galaktosy
členů. Strana B
i sialové kyseliny jsou pravděpodobně v kontaktu
s nepolárními plochami vazebné domény E-selektinu a skutečně částečné nahrazení sacharidů aromatickými či jinými hydrofóbními jednotkami vedlo ke zvýšení afinity k Eselektinu. Takovým způsobem byly připraveny antagonisté sLex s velice dobrou aktivitou k E-selektinu (Obr. 15). OH OH O 10x
O
Aktivita sLex = 1 OH OH HO
H3C -OOC
O
OH OH O OH N
OOC ( ) O 3
CH3 OH OH O
OH OH O - OOC O O OH
5x
OH
-
O
CONH
COOEt
O
BnO
O 1,1x
OH OH O OH HO -
OOC ( ) CONH 3
CON
OH 20x CONH(CH2)13CH3
Obr. 15 Analogy sLex a jejich relativní aktivity vůči E-selektinu
Literatura: 1 2
Pacák J., Drašar P.: Chemické Listy 95(10), 665-9 (2001). Moravcová J.: Chemické Listy 95(4), 202-211 (2001).
69
OH
OOC
10x
OH OH
OH OH O
Supravodiče – hit blízké budoucnosti RNDr. Miloš Jirsa, DSc. Fyzikální ústav AVČR, Praha
[email protected]
Úvod Pro přenos elektrické energie na větší vzdálenosti potřebujeme materiály s co nejnižším elektrickým odporem. Při průchodu elektrického proudu vodičem se totiž část elektrické energie přeměňuje na teplo, které je úměrné součinu elektrického odporu a druhé mocniny protékajícího proudu. V rozvodných sítích dosahují tepelné ztráty až 30% původně vyrobené elektrické energie. Ideální by tedy bylo použít materiály s nulovým elektrickým odporem, což je právě případ supravodičů. Supravodivost byla objevena již téměř před sto lety (1911), kdy se holandskému fyzikovi Kammerlingu Onnesovi podařilo na rtuti změřil skokovou změnu elektrického odporu z malé konečné hodnoty na hodnotu nulovou, viz Obr. 1. Došlo k tomu při velmi nízké teplotě 4,26 Kelvina, což bylo umožněno úspěchem tohoto badatele při zkapalnění plynného helia (1908). Bod varu kapalného helia je 4,23 Kelvina. Od té doby byl nulový odpor a tedy supravodivost postupně nalezeny ve velkém množství čistých kovů, případně jejich slitin. Tzv. kritické teploty, tj. teploty, při kterých ke skokové změně odporu z konečné hodnoty na nulovou dochází a pod kterou je materiál supravodivý, však jsou u všech těchto materiálů vesměs velmi nízké. Současná rekordní kritická teplota
Elektrický odpor (lib. jednotky)
dosahuje u této skupiny supravodičů 23 Kelvinů. 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0
TC 2.5
5.0
7.5
10.0
Absolutní teplota (Kelvin)
70
12.5
15.0
Obr. 1. Závislost elektrického odporu supravodiče na absolutní teplotě
Základním problémem využití supravodičů pro přenos elektrické energie na velké vzdálenosti byl právě fakt, že je musíme chladit kapalným heliem, které je samo o sobě velmi drahé, navíc však potřebuje dokonalou tepelnou izolaci od vnějšího prostředí. Provoz takového „kabelu“
by byl tedy příliš drahý, navíc
konstrukce kabelu by byla technicky velmi náročná. Pro využití supravodičů v praxi byla navíc většina čistých kovových supravodičů nevhodná. K praktickému využití došlo až poté, kdy bylo pochopeno magnetického
chování
supravodičů,
zejména
po
objevu
jejich
ideálního
diamagnetismu. Diamagnetické látky reagují na magnetické pole tak, že se ho snaží ze svého objemu vytěsnit. V magnetickém poli se na povrchu supravodiče budí stínící proudy právě takového směru a velikosti, aby jimi vytvořené stínící magnetické pole bylo zrcadlovým obrazem pole přiloženého a tedy ho uvnitř vzorku vykompenzovalo (viz Obr. 2, spodní část). Rostoucí vnější pole si nutí stále vyšší stínící proudy, ale jejich velikost může růst jen do určité kritické hodnoty, svázané s kritickou hodnotou vnějšího magnetického pole, Hc. Při té dojde k fázovému přechodu supravodiče do normálního, nesupravodivého stavu. Většina čistých kovů a jejich slitin se takto chová a tuto kategorii supravodičů nyní nazýváme supravodiči typu I. Pro aplikace je však zásadní elektrický proud tekoucí vodičem, ať už po „otevřené“ dráze v případě kabelu nebo po uzavřené dráze, např. v supravodivém
r
r
permanentním magnetu. Z Maxwellovy rovnice rot B = j
však vyplývá, že
v jakémkoliv materiálu, a tedy i supravodiči, je elektrický proud svázán s gradientem vnitřního magnetického pole a tedy s existencí magnetického pole v objemu. Podle výše uvedeného by však měla být existence magnetického pole v supravodiči v rozporu s jeho absolutním diamagnetismem. V supravodičích typu I skutečně magnetické pole a tedy ani supravodivé proudy v objemu neexistují, s výjimkou tenké přípovrchové vrstvy, nesoucí stínící proudy. Před padesáti lety však byla teoreticky předpovězena existence tzv. vortexu, česky supravodivého víru nebo tokočáry (A. A. Abrikosov, 1953). S vortexy je spojena možnost rozštěpení fázového přechodu ze supravodivého do normálního stavu do širší oblasti magnetických polí (Hc1, Hc2), Hc1
71
průlom v oblasti aplikací. Odpovídající materiály byly skutečně velmi rychle nalezeny. Nazýváme je supravodiče typu II. Každý supravodivý vír nese právě jedno kvantum magnetického toku, setkáváme se zde s makroskopickým kvantovým efektem. Teprve po překročení Hc2 dojde k přechodu (plynulému,
Obr. 2. H-T diagram supravodiče typu II a znázornění supravodivého víru.
ne skokovému) supravodiče do nesupravodivého stavu. A. A. Abrikosovovi byla za jeho objev udělena v roce 2003 Nobelova cena za fyziku. Vyvstává otázka jak je možné, že magnetické pole uvnitř supravodiče, ať už v jakékoliv podobě, není v rozporu s principem ideálního diamagnetismu? Vysvětluje to fakt, že magnetický tok nesený supravodivým vírem je od zbytku objemu supravodiče izolován stínícími proudy, které tvoří stěnu jádra víru. Jádro víru je nesupravodivé a proto může nést magnetický tok. Stínící proudy vytvářejí magnetické pole, které ubývá směrem do objemu supravodiče s charakteristickou délkou λ, tzv. hloubkou vniku magnetického pole. Je to mimo jiné také vzdálenost, do které vnikne magnetické pole pod povrch supravodiče typu II při hodnotě magnetického pole nižší než Hc1 nebo v supravodičích typu I pod hodnotou magnetického pole Hc. V tomto stavu, který se nazývá Meissnerův, tečou v přípovrchové vrstvě tloušťky λ makroskopického supravodivého vzorku také stínící proudy. Je to stejné jako u jednotlivých vírů. Jádro supravodivého víru má
72
charakteristický rozměr ξ, nazývaný koherenční délkou. Poměr λ/ξ určuje, o který typ supravodiče se jedná. Kritická hranice je λ/ξ=1/√2 ≈ 0,707. Pod touto hranicí mluvíme o supravodičích typu I, nad ní typu II. Poloměr jádra supravodivého víru, a tedy hodnota ξ, je právě takový, že je při něm plošná hustota magnetického pole právě rovná Hc2 a jádro je proto v „nadkritickém“, nesupravodivém stavu.
Vysokoteplotní supravodiče Jak už bylo řečeno, kritická teplota u klasických supravodičů nepřesáhla 23 Kelvinů a k této hodnotě se rekord posouval jen velmi pomalu, po setinách, či desetinách stupně. Když v roce 1986 Bednorz a Müller objevili supravodivý přechod u směsného kysličníku lantanu, baria a mědi, vyvolalo to obrovskou pozornost. Jednak proto, že šlo o keramiku, synonymum nevodiče, který se však za vhodných podmínek stane dokonalým vodičem, jednak proto, že skok v kritické teplotě byl pro danou chvíli obrovský – celé tři Kelviny! Záhy na to byl objeven analog výše uvedené látky s yttriem místo lantanu, YBa2Cu3Oy. Ten vykázal kritickou teplotu 90-92 Kelvinů. Tato teplota leží nad bodem varu kapalného dusíku, čímž se splnil dávný sen fyziků, získat supravodič s kritickou teplotou nad bodem varu nějaké levné chladící kapaliny. Do dnešní doby byla supravodivost prokázána v několika desítkách kysličníkových supravodičů a maximální kritická teplota se vyšplhala až na 136 Kelvina. Tyto nové, tzv. vysokoteplotní supravodiče mají vesměs hodnoty λ/ξ na úrovni 100 a více. Jde tedy o typické supravodiče typu II.
Role strukturních poruch v elektromagnetických vlastnostech supravodičů Existence supravodivých vírů v objemu supravodičů je základní podmínkou pro využití těchto materiálů v praxi, ale ne jedinou. Druhou nezbytnou podmínkou je přítomnost poruch, schopných efektivně supravodivé víry vázat (upínat). Jak už bylo řečeno, elektrický proud je v jakémkoliv materiálu ekvivalentní gradientu vnitřního magnetického pole. Chceme-li v objemu supravodiče získat vysoký elektrický proud (a s ním svázaný magnetický moment nebo zachycené magnetické pole), musíme vytvořit vysoký gradient vnitřního magnetického pole. A protože mírou magnetického pole v supravodiči je hustota supravodivých vírů, potřebujeme vytvořit vysoký gradient koncentrace vírů. V supravodiči však působí
73
Lorentzova
síla
r r r F = J ×B
svázaná
s existencí
elektrického
proudu
a
magnetického pole v daném místě supravodiče. Ta se snaží gradient a s ním související elektrický proud snížit na minimum. Proti Lorentzově síle je třeba postavit
účinné upínací defekty, schopné supravodivé víry zachytit a udržet
v dané poloze co nejdéle. Rovnovážnému stavu mezi upínací silou defektů a silou Lorentzovou se říká kritický stav a podmínky této rovnováhy určují, jak vysoký gradient pole a tedy supravodivý proud v objemu materiálu dostaneme. Vyplývá z toho trochu paradoxní závěr, že ideálně čistý supravodivý materiál je pro získání vysokých elektrických proudů nevhodný, právě naopak, potřebujeme materiál zaplněný vhodným množstvím účinných defektů. Důležitou roli zde hraje velikost defektů vzhledem k velikosti jádra víru. Zatímco u klasických kovových materiálů byla hodnota ξ, tedy rozměr jádra víru, v řádu desetin µm a této velikosti odpovídaly i rozměry efektivních upínacích center, u vysokoteplotních supravodičů činí rozměr jádra vortexu několik nm. To je rozměr blížící se rozměrům atomu a efektivními poruchami se v takových látkách stávají jakékoliv nepravidelnosti ve stavbě krystalové mříže.
Anisotropie U vysokoteplotních supravodičů hraje roli při upínání tokočar i další faktor, kterým je anisotropie těchto materiálů. Ta je způsobena zejména uspořádáním jednotlivých kysličníkových složek do vrstev v krystalografické rovině (a,b) (obr. 3 a). V této struktuře, která je ortorombická,
jen vrstvy CuO2 jsou supravodivé,
zatímco ostatní vrstvy působí jako izolační, nesupravodivé vložky. Navíc řetězce CuO slouží jako rezervoár elektrického náboje pro supravodivé CuO2 vrstvy. V takovém systému je supravodivý vír tvořen sloupcem plošných, dvourozměrných vírů, tzv. koláčků, ležících v jednotlivých supravodivých vrstvách (obr. 3 b). Tyto koláčky jsou navzájem vázány mezirovinnými silami. V některých látkách (zpravidla s velmi vysokou anisotropní konstantou, např. v supravodičích na bázi Bi, Tl nebo Hg) jsou tyto síly slabé a snadno dojde k tomu, že se supravodivé koláčky začnou pohybovat nezávisle na sobě. Dynamika těchto dvourozměrných vírů je vzhledem k jejich minimálnímu objemu mnohem intenzivnější než dynamika vírů trojrozměrných, „abrikosovských“.
74
(a)
(b)
Obr. 3 (a) struktura supravodiče NdBa2Cu3Oy; (b) plošné supravodivé víry (koláčky), ležící v rovinách CuO2, a vázané interakcí mezi těmito vrstvami.
Defekty v supravodičích V materiálech typu REBa2Cu3Oy (RE=La,Y,Dy,Tb,Gd,Nd,Eu,Sm) „RE-123“ jsou supravodivé víry ve většině případů trojrozměrné (obr. 2). V těchto látkách jsou nejdůležitějšími typy upínacích defektů „bodové“ poruchy o rozměru do desítek nm, dále tzv. „velké“ defekty o velikosti řádu desetin až desítek µm (tyto poruchy mohou upnout mnoho vírů najednou) a do třetice hranice dvojčatění. Ve většině případů mají v těchto materiálech mřížkové konstanty a a b hodnoty velmi blízké, ale ne identické. Materiál se brání frustraci vytvořením paralelních domén, ve kterých si osy a a b vymění místo. Hranice mezi těmito doménami se nazývají hranicemi dvojčatění. Probíhají ve směru (1,±1,0), jak ukazuje obrázek 4.
Obr. 4. Monokrystal NdBa2Cu3Oy s výraznou strukturou hranic dvojčatění.
75
Kromě těchto základních typů poruch existuje řada dalších, např. umělé mikroskopické kanály nesupravodivého materiálu, vytvořené ozařováním těžkými ionty, kaskády „bodových“ defektů po ozařování rychlým neutronovým zářením nebo elektrony, dále krystalické dislokace, hranice zrn, spirálové dislokace v tenkých vrstvách a mnohé další.
Zdroje defektů Typickými představiteli bodových poruch jsou kyslíkové vakance. Bylo prokázáno, že změnou oxidačního stavu materiálu lze efektivně měnit tvar magnetické hysterezní smyčky a tedy průběh J(H) závislosti, kde J je proudová hustota a H vnější magnetické pole. U materiálů, kde na pozici RE je některý z prvků Sm, Eu, Nd, nebo Gd, tzv. lehkých vzácných zemin „LRE“, dochází snadno k substituci těchto atomů za barium a naopak. Vznikají klastry tzv. pevné slitiny LRE s Ba s přebytkem jedné nebo druhé složky. Jejich typická velikost v řádu jednotek až desítek nm je řadí také k bodovým poruchám. Může jít buď o makroskopický, celkový přebytek jednoho prvku na úkor druhého nebo i o pouhé lokální fluktuace RE/Ba substituce oběma směry při z makroskopického hlediska stechiometrickém složení. Výše uvedené poruchy se mohou vyskytovat v jakékoliv formě supravodičů typu RE-123, tedy monokrystalech, tenkých vrstvách, páscích nebo tzv. texturovaných kompozitech. Texturované materiály jsou bloky slinuté keramické
směsi
jemně
rozemletých
částic
kysličníků,
namíchané
ve
stechiometrickém poměru, které se pomalou rekrystalizací přemění na téměř dokonale orientovaný monokrystalický blok. Rekrystalizace je usměrněna (iniciována) malým monokrystalickým zárodkem nebo tenkou supravodivou vrstvou z materiálu o vyšším bodu tání než je materiál připravovaný. Zárodek je položen do středu horní základny takového monolitu. Přestože výroba texturovaných bloků není triviální, je značně levnější, jednodušší a hlavně rychlejší než růst stejně velkých pravých monokrystalů. Dnešní technologie umožňuje výrobu bloků do průměru až patnácti centimetrů. Takové bloky se dají spojovat do ještě větších celků pro výrobu masivních supravodivých součástí. V podstatě každá fluktuace struktury nebo některé z vlastností, pokud má rozměr srovnatelný s ξ, představuje efektivní bodovou poruchu.
76
Do stechiometrické směsi kysličníků pro přípravu texturovaného materiálu se většinou přidávají částice nesupravodivé sekundární fáze (RE2Ba2CuO5), jejichž bod tání je vyšší než u materiálu matrice, zůstávají tedy v kompositu v nezměněné nebo málo změněné podobě a působí jako „velká“ upínací centra. Typická velikost těchto částic je v rozmezí desetin až desítek mikrometrů a řadíme je proto k defektům velkým (vzhledem ke ξ - rozměru jádra vortexu). Jak už bylo řečeno výše, jsou tyto poruchy schopné vázat více vírů současně. Efektivita příslušného upínacího mechanismu je maximální v nízkých magnetických polích a se zvyšujícím se polem rychle klesá. Efekt je nepřímo úměrný velikosti částic. Zejména v pravých krystalech, ale i v některých texturovaných vzorcích je možné pozorovat efekt dvojčatění a tedy planární upínací defekty. Ty představují efektivní plošnou překážku pro magnetický tok a při magnetování vzorku vnášejí do systému dodatečnou plošnou anisotropii. V jejím důsledku jsou vortexy navigovány podél hranic dvojčatění, což vede k přerozdělení supravodivých proudů proti situaci bez takovýchto poruch. S vývojem technologie se stále častěji jak v texturovaných materiálech, tak v monokrystalech setkáváme s velmi jemnou planární podstrukturou orientovanou paralelně s hranicemi dvojčatění, která je složena z „chomáčků“ supravodivé fáze s poměrem RE/Ba odlišným od stechiometrického složení (obr. 5).
Obr. 5. Jemná planární (lamelová) podstruktura texturovaného materiálu (Nd0.33Eu0.38Gd0.28)Ba2Cu3O7, vyplňující kanály mezi hranicemi dvojčatění (tmavý pruh).
77
Tato jemná struktura má periodu jen několika nm a pokud vyplňuje kanály mezi rovinami dvojčatění (s typickou periodou 80-100 nm), velmi efektivně zadržuje vortexy pohybující se podél těchto hranic. To vede k významnému zvýšení horní hranice magnetických polí, ve kterých je daný materiál technicky využitelný, tzv. pole ireversibility.
Magnetizační procesy Upínání tokočar na defektech má přímý vliv na elektromagnetické vlastnosti supravodičů. Ty jsou přímo patrné na magnetizačních křivkách, má vliv na transportní měření (tzv. I-V charakteristiky), ovlivňují frekvenční závislosti, relaxační děje a řadu dalších vlastností. Typickou magnetizační hysterezní křivku masivního supravodiče typu RE-123 znázorňuje obrázek 6. Kvůli tvaru této křivky mluvíme o jevu rybího ocasu. Tento tvar je způsoben výrazným upínáním vortexů ve středních magnetických polích, které vede k vytvoření tzv. sekundárního maxima (sekundárního vzhledem k základnímu maximu, ležícímu v okolí nulového magnetického pole).
80 82 83 85 87 88
0.05
K K K K K K
-6
2
M [10 Am ]
0.10
0.00
-0.05 N E G -123 + 10 m ol.% G d-211 -0.10
0
1
2
3
4
5
B [T]
Obr. 6. Magnetizační hysterezní křivka (závislost magnetického momentu na vnějším magnetickém poli) při různých teplotách. Materiál je (Nd0.33Eu0.33Gd0.33)Ba2Cu3O7 s příměsí 10 % částic sekundární fáze Gd2BaCuO5.
Zatímco základní, centrální pík svou pozici nemění, vidíme na obrázku 6, že poloha sekundárního píku se mění s teplotou. Stejně tak závisí na teplotě i magnetické pole, kde se magnetizační křivka uzavírá. Nazýváme ho polem ireversibility. Je to horní hranice pole, do kterého je materiál technicky využitelný.
78
Ireverzibilní magnetický moment je totiž úměrný (alespoň ve vyšších magnetických polích) hustotě supravodivých proudů tekoucích uvnitř supravodiče. 150
0 .4
2
90
0 .2
60
0 .1
30
0 .0
0
1
2
3
4
5
6
7
2
0 .3
c
-3
120
65 K
J (kA/cm )
Moment (10 Am )
0 .5
0
B (T )
Obr. 7. Modelování magnetické hysterezní křivky změřené na vzorku z obr. 6 (symboly). Červená plná čára je fit experimentální závislosti, ale také součet růžové a modré křivky popisujících příspěvky centrálního a sekundárního maxima.
Bylo zjištěno, že za sekundární maximum jsou zodpovědné bodové poruchy, zatímco centrální maximum vytvářejí jednak rozptylová magnetická pole (jinými slovy demagnetizační efekt), jednak supravodivé víry upnuté na „velkých“ poruchách. Průběh příspěvků jednotlivých upínacích mechanismů lze vysledovat na obrázku 7. Efekt hranic dvojčatění je složitější. Jedná se totiž o vzájemně provázané působení
těchto
planárních
defektů
a
jimi
způsobeného
přerozdělení
supravodivých proudů a běžného upínání vírů bodovými, případně „velkými“ poruchami. Tvar příslušné hysterezní křivky můžeme vidět na obrázku 8. Pokud magnetické pole a tedy i supravodivé víry směřují podél hranic dvojčatění, jsou jimi silně ovlivněny a dostáváme komplikovanou M(B) nebo J(B) závislost (černá křivka). Pokud však magnetické pole odkláníme od rovin dvojčatění, vortexy je začnou protínat s rovinami hranic v čím dál kratších úsecích, až nakonec při 10o20o je protínají jen v jednom bodě, takže mechanismus interakce je shodný s mechanismem bodových poruch a dostaneme regulérní sekundární pík (růžová křivka).
79
2 -6
-25
M/cos(θ) [10 Am ]
-20
45 K
-30 -35 0
1
2
3
4
5
6
7
B*cos(θ) [T] Obr. 8. Spodní část magnetické hysterezní křivky monokrystalu Nd-123 se strukturou dvojčatění (obr. 5).
Aplikace supravodičů Jak bylo v úvodu zmíněno, jedním z hlavních cílů využití vysokoteplotních supravodičů jsou kabely dálkového vedení elektřiny. Velmi blízké je pak také využití vysokoteplotních supravodivých vodičů pro vinutí supravodivých cívek pro vysokopolní magnety. V současné době probíhá výzkum na tomto poli třemi směry. Jednak jsou to vodiče na bázi BiSrCaCuO/Ag, jednak podobné vodiče z MgB2, nakonec tzv., druhá generace, vodiče z tenkých vrstev YBaCuO nanášených na ohebné podložky. V prvním případě, BiSrCaCuO roste ve formě tenkých malých krystalků, tvořících jádro supravodiče uzavřené do většinou stříbrné
matrice
(obr.
9.).
Kysličníky
ve
formě
prášku,
namíchané
ve
stechiometrickém poměru dané látky, se naplní do tenké stříbrné trubičky, ta se pak válcováním, tažením, případně lisováním, formuje do tvaru plochého úzkého
Obr. 9. Průřez mnohažilovým supravodivým vodičem Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (tmavé proužky) ve stříbrné matrici (světlé pole).
vodiče. Takovéto „vodiče“ se dále sdružují do mnohažilových kabelů, které se vcelku mechanicky tvářejí podobně jako jeho jednotlivé žíly předtím. Nakonec se
80
tepelným zpracováním prášek jader transformuje do výsledné formy zhutněných supravodivých krystalků. Ty musejí mít co nejdokonalejší elektrický (a tedy i mechanický) kontakt. Hranice mezi krystality jsou v každém případě nejslabším místem takovéhoto vodiče a velké úsilí je věnováno zejména zachování konstantních vlastností na celé délce vyrobeného kusu. V současnosti jsou na trhu kabely délky do 1 km (ale laboratorně se dosahuje délky až 1500 m), s typickou hustotou proudu 8-10 kA/cm2 (až 150 A na kabel), o různých mechanických vlastnostech daných především materiálem matrice (minimální poloměr ohybu bez vlivu na parametry od 50 do 100 mm). Pracovní teplota je typicky kapalný dusík, 77 K. V případě MgB2 jde o velmi podobný výrobní postup s tím, že je tento materiál sám o sobě velmi levný, je velmi málo anisotropní, a především, hranice mezi jeho zrny nejsou slabé spoje jako tomu je v případě BiSrCaCuO. Částečnou nevýhodou takového kabelu je nízká kritická teplota MgB2 (39 K), takže musí být takový kabel provozován za mnohem nižší teploty než ten předešlý, do 30 K, a tedy chlazen buď kapalným He nebo refrigerátorem (ochlazovačem plynného He). Poslední technologie je nanášení tenkých monokrystalických vrstev YBa2Cu3O7-x na ohebné, většinou kovové podložky, přes adaptivní mezivrstvu. Vzhledem k vysoké kritické teplotě a vynikajícím elektromagnetickým vlastnostem Y-123 je těmto vodičům dávána nejlepší šance do budoucnosti, zatím je ale délka takovéhoto komerčně dodávaného vodiče zhruba 100 m, minimální zaručený proud 70 A, minimální průměr ohybu 35 mm, pracovní teplota 77 K. Tyto
vodiče
se
využívají
především
v elektrárnách
ke
konstrukci
superrychlých stykačů na vysoké proudy (FCL – Faul Current Limiter), transformátorů (hmotnost poloviční, bez olejové, dvojnásobná přetížitelnost proti konvenčním konstrukcím), synchronní kompenzátory zátěže (DSC – Dynamic Synchronous Condensers), které stabilizují napětí, zvyšují spolehlivost rozvodů, mají mnohem nižší nároky na údržbu proti konvenčním typům. Cívky navinuté z vysokoteplotních supravodičů lze využít ke konstrukci nejrůznějších točivých zařízení jako jsou supravodivé motory, lodní motory, motorgenerátory apod. Dále to jsou pochopitelně cívky magnetů, kde je výhodou proti konvenčním magnetům (Cu + Fe) především mnohem nižší hmotnost a vyšší magnetické pole ve větším pracovním prostoru, nízké provozní náklady (úspory za chladicí vodu a elektrickou energii). V porovnání s nízkoteplotními supravodivými
81
cívkami je výhodou mnohem jednodušší kryostat a tedy i kompaktnější a levnější konstrukce, dosahují vyššího magnetického pole (vyšší pole ireversibility), vykazují mnohem vyšší spolehlivost a nízké provozní náklady. Další oblastí aplikací jsou nejrůznější elektronické součásti, zpravidla na bázi tenkovrstvých struktur. Jde např. o superrychlé elektronické spínací prvky, ale také dokonalé mikrovlnné filtry (už dnes na mnoha místech využívaných v telekomunikacích). Aplikací v této oblasti je obrovské množství a jde především o sladění supravodivé technologie (a s ní spojeného chlazení) se stávajícími mikroelektronickými systémy. Konečně jsou vyvíjeny tzv. objemné supravodiče („obří“ monokrystaly (několik cm3) nebo texturované monobloky (až do průměru 15 cm a výšky několika cm)), využívané především pro levitační technologie, ale také např. pro dokonalá magnetická
stínění. Levitace využívají konstrukce bezeztrátových ložisek
nejrůznějších rozměrů a zátěží, supravodivých motorů, FCL, setrvačníků pro stabilizaci vesmírných lodí a stanic, případně pro uchovávání energie, ale hlavně vlemi
atraktivních
supravodivých
„permanentních“
magnetů.
Ty
lze
totiž
zmagnetovat na řádově vyšší magnetická pole než dnešní nejdokonalejší feromagnetické permanentní magnety a využít je tak jako velmi kompaktní a levnou náhradu vysokoteplotních supravodivých cívek.
Supravodivá levitace Jedním
z nejatraktivnějších
projevů
supravodivosti
je
supravodivá
magnetická levitace. Při ní hraje hlavní roli diamagnetismus supravodičů. Pokud k bloku supravodivého materiálu, který je v nadkritické teplotě a tedy ještě v normálním stavu, přiblížíme permanentní magnet, pole magnetu volně do supravodiče pronikne. Když pak v tomto uspořádání supravodič ochladíme pod kritickou teplotu, magnetické pole uvnitř supravodiče změní stav na kvantový – klasické pole se rozpadne do jednotlivých supravodivých vírů – a ty jsou velmi pevně fixovány na upínací defekty (viz obr. 10 (a)). Pokud bychom nyní chtěli změnit polohu permanentního magnetu a tedy rozložení magnetického pole v okolí supravodiče, tak ten se díky diamagnetismu takové změně brání vybuzením dodatečných stínících proudů, jejichž magnetické pole se snaží vrátit permanentní magnet do původní polohy. Vznikla zde velmi pevná magnetická vazba dvou těles na dálku (obr. 10 (b)). Pokud má permanentní magnet rotační symetrii a je podle
82
rotační osy zmagnetován, jeho otáčením se magnetické pole v okolí supravodiče nemění. Takovýto rotační
(a)
(b)
Obr. 10. (a) princip supravodivé magnetické levitace a zachycení magnetického pole permanentního magnetu supravodičem; (b) supravodivá levitace v laboratorních podmínkách
pohyb je (téměř) bezeztrátový. Na tomto principu lze konstruovat bezeztrátová ložiska, supravodivé motory, setrvačníky apod. Supravodivá levitace funguje stejně dobře v soustavě supravodič – permanentní magnet jako i supravodič – supravodič. Zmagnetováním supravodiče totiž dostaneme velmi silný supravodivý „permanentní“ magnet. Permanentním je do té doby, pokud se neohřeje nad kritickou teplotu. Pro výrobu takovýchto supravodivých magnetů je však potřebná dostatečná mechanická pevnost materiálu. Musíme mít na paměti, že jde v podstatě o ne příliš hutnou keramiku s množstvím pórů a makroskopických poruch. Při magnetování materiálu vznikají obrovské vnitřní síly, které se snaží materiál roztrhnout. Nasycením pórů texturovaného vzorku Y-123 vhodným plnivem byla v roce 2001 zvýšena jeho pevnost do té míry, že jej bylo možné zmagnetovat až na pole 17 Tesla (vyšší nebylo při daném experimentu k dispozici) a toto magnetické pole vzorek dlouhodobě zachytil. Jiné špičkové supravodivé materiály umožňují levitovat i při 90,2 K, tedy při teplotě kapalného kyslíku. Máme před sebou materiály nového tisíciletí, které mohou významně ovlivnit ekonomiku provozu magneticky levitujících vlaků, ale také významně snížit hmotnost supravodivých zařízení využívaných např. v lékařské diagnostice a umožnit konstrukci podobných přístrojů v přenosném provedení, mohou být využity ke konstrukci bezpečných
83
čerpadel kapalných plynů, např. kyslíku v lékařství i raketové technice. Využití je opravdu mnohostranné (obr. 11).
Obr. 11 (a) Laboratorní zařízení pro supravodivou magnetickou levitaci (ISTEC, Tokio); (b) MagLev – magneticky levitující vlak na testovacím okruhu Jamanaši, Japonsko (maximální rychlost 581 km/hod.)
84
9 LIHOVINY JAKO „ZDRAVOTNĚ NEZÁVADNÉ“
POTRAVINY ? doc. Ing. Karel Melzoch, CSc. Ústav kvasné chemie a bioinženýrství VŠCHT Praha e-mail:
[email protected] Tel.: 220 444 035
Historie výroby lihovin Historie destilovaných nápojů není sice tak stará jako historie nedestilovaných fermentovaných nápojů, ale destiláty přesto zasáhly významně do vývoje lidské společnosti již před mnoha stoletími. Kdy se poprvé podařilo vyrobit destilát se přesně neví. Někteří historici uvádějí, že k tomu došlo patrně v italských klášterech, jiní zase, že princip destilace znali již Egypťané, nebo se uvádí, že již Číňané znali tajemství destilace a vychutnávali destilované produkty již 1000 roků př. Kr. Při procházce dějinami alkoholických nápojů nesmíme zapomenout ani na přínos alchymistů v rozvoji nejen destilace, ale i při hledání surovin pro výrobu destilátů. Tak se začínají používat lihové extrakty některých léčivých rostlin k výrobě destilátů, což mělo význam i pro zvýšení jejich spotřeby. Alchymisti nazývali čistý alkohol „argentum vivum vegetabile“ (rostlinné živé stříbro), nebo „mercurium vegetabile“ (rostlinná rtuť), což ukazuje na to, že jej považovali za první stupeň k získání kamene mudrců. A tak jim asi toto tekuté stříbro pomáhalo při překonávání výrobních neúspěchů. Teprve až v 15. století doznávají destiláty širokou oblibu. Nemalou měrou k tomu přispělo i poznání léčivých účinků, či snad spíš účinků utišujících různé bolesti. Při řádění moru v Evropě ve 14. století se doporučovalo konzumovat destiláty jako utišující prostředky. Obecně byl takto doporučován rektifikovaný líh. Proto také destilát dostal latinský název „Aqua vitae“, neboli „voda života“. Obliba lihu a destilátů se odráží i v názvech např. spiritus vini (duch vína). Do českých zemí se výroba destilátů dostala z Vlach a Francie přes Německo. První dochované zprávy o destilátech pocházejí z doby Jana Lucemburského, ale výroba se rozšířila teprve za Karla IV. Především se však jednalo hlavně o vinný destilát. Značné rozšíření destilace vína ve Francii se datuje až od 17. století, protože se zvyšováním kvality vína se horší vína nemohla na trhu uplatnit a tak je výrobci začali destilovat. Ani tento destilát však nenašel hned své ctitele a tak došlo náhodně k uchovávání přebytků v dřevěných sudech, což vlastně znamenalo další a významný krok k získání kvality tak zvaným stařením destilátu. První větší vinopalna v českých zemích byla založena až za vlády Václava IV. v Horách Kutných a je známo, že zdejší horníci dostávali i malý příděl destilátu jako ochranu proti chladu a vlhku. V 15. století se v Čechách objevilo úředně nové řemeslo a jeho nositelé se honosili názvem paliči vína či vinopalové. Většinou se pálilo skoro vše zkvašené – víno, pivo a i vinné nebo pivní kaly, dále se jako suroviny pro kvašení používaly různé slady a dokonce i nesladované obiloviny. 16. století přichází i s destilací kvasů z jiných surovin, jako jsou trnky, hrušky, jablka, šípky, bezinky, jalovec a to často i s přísadami různých koření, ovocných šťáv, bylin aj. Nikdo by asi v té době nečekal, že se právě z této skoro domácí výroby destilátů vyvine během staletí významné tradiční lihovarnické odvětví v některých oblastech Čech, Moravy a Slezska. V 18. století dochází k velkému rozmachu vinopalnictví (neznamená to však jen destilaci vína) a objevuje se i další surovina – brambory. Nejrozšířenějším destilátem v této době však byla žitná či režná kořalka. Tento název pochází ze staročeského názvu gorzalka a proto by výstižnější název měl být hořalka, ten se však neujal. 85
Kvalita destilátů se však zvýšila teprve, když se výroba vymkla z rukou alchymistů; v první řadě se začaly pro výrobu využívat jen ty frakce destilátu, které mají vhodné senzorické vlastnosti a za druhé se začíná měnit i konstrukce destilačních zařízení a konstrukční materiály. Objevují se zařízení sestávající z nádoby, ve které se kvas zahřívá a páry, které zde vzniknou se vedou potrubím do chladících prostorů, kde dojde ke kondenzaci par. Varné nádoby byly na začátku zabudovány do komor z jílu nebo cihel. Potrubí odvádějící lihové páry měla často zvláštní tvar, který si u některých tradičních destilátů tento tvar uchoval až do dnešních dnů. Připomeňme si nádherný labutí krk vařáků používaných při destilaci skotské whisky. Většina destilačních postupů je stále ještě periodická, po šaržích, i když kontinuální destilace je známa již od začátku 19. století. Na světě se vyrábí velké množství různých destilátů. Každý národ nebo určitá větší lokalita má nějaký typický destilát, který dokonce spojuje lidi různých politických a náboženských přesvědčení. Generace lidí určitého regionu si vytvořila určitý senzorický model destilátu, který je do jisté míry nadřazen nad ostatní. Pro obyvatele Ruska, Ukrajiny, Polska je to vodka, pro Brity je to „Scotch whisky“, pro Američany to může být americká Burbon whiskey, pro Rakušany a obyvatele jižního Německa to bývá „Obstler“ – destiláty z ovoce, pro Mexičany to je tequila (destilát z agáve), pro Peruánce je to pisco (destilát ze speciální odrůdy vinných hroznů), pro Brazilce cachasa (destilát z cukrové třtiny) a tak bychom mohli podniknout dlouhou a zajímavou cestu kolem světa a ochutnávat jednotlivé produkty vyvíjené generacemi obyvatel této země. Chce-li však někdo skutečně proniknout do duše destilátu, musí nejen zapojit všechny své čichové a chuťové smysly, ale měl by proniknout dál a pochopit i duši národa, který do toho destilátu předal něco ze sebe, ze své minulosti a současnosti.
86
10 VÝROBA LIHOVIN A JEJÍ LEGISLATIVNÍ RÁMEC V celosvětovém měřítku má výroba lihovin stále stoupající trend a to i přes rozsáhlou zdravotnickou kampaň vedenou ve vyspělých státech proti nadměrné konzumaci alkoholických nápojů. Dominantní postavení na světovém trhu si stále udržuje whisky (whiskey), v Evropě a Severní Americe se produkce různých druhů whisky podílí na celkovém množství vyráběných lihovin cca 40 %. Od 80. let 20. století směřuje vývoj ve spotřebě a oblibě lihovin od silně aromatických druhů k lihovinám spíše neutrálního nebo mírně aromatického charakteru, to se projevilo i v prudkém nárůstu obliby ginu a vodky jako neutrální lihoviny. V poslední době se stále více prosazují lihoviny s nižším obsahem ethanolu a to zejména ve formě emulzních lihovin. Na trhu v ČR si dominantní postavení již několik let udržuje výrobek Fernet Stock, příp. Fernet Stock Citrus. Lihoviny jsou alkoholické nápoje, které obsahují nejméně 15 % obj. ethanolu, kromě piva a vína. Pro výrobu lihovin se smí používat výhradně „kvasný“ ethanol, který je tvořen během fermentace ze zkvasitelných surovin činností vhodných mikroorganismů (kvasinek) a izolován následnou destilací. Použití lihu syntetického je ze zdravotního hlediska nepřípustné vzhledem k obsahu některých nefyziologických doprovodných látek jako 1,1-dimethylethanol (terc.butanol), 2butenal (krotonaldehyd) aj.. Podle původu ethanolu je možné lihoviny rozdělit do následujících základních skupin:
•
•
lihoviny vyráběné tzv. studenou cestou (bez kvašení) - připravují se mícháním jednotlivých komponent, základní složkou je líh kvasný rafinovaný (vyrobený odděleně v lihovarech) a dalšími složkami jsou cukr, ovocné sukusy a šťávy, víno, destiláty, extrakty bylin a drog, aromatické látky, voda a další (vodka, gin, Becherovka, tuzemák, fernet aj.), lihoviny vyráběné kvasným pochodem (destiláty, pálenky) - ethanol vzniká přímo zkvašením sacharidických surovin použitých pro výrobu lihovin, následující destilací a dalšími úpravami destilátu se získává konečný výrobek, jehož charakter je určen původní zpracovávanou surovinou (slivovice, calvados a další ovocné destiláty, whisky, brandy, rum, tequila, mezcal, arrak, …).
87
Moderní destilační aparát s kolonou, deflegmátorem a katalyzátorem pro jednostupňovou destilaci kvasů (firma Holstein, SRN)
Podle složení (obsahu cukru) a konzistence se lihoviny dělí na následující druhy:
• • • • • •
neslazené (vodka, destiláty, aj.), slazené, likéry s obsahem cukru nejméně 100 g v 1 l lihoviny (Praděd, Becherovka, Griotka aj.), krémy s obsahem cukru nad 250 g v 1 l lihoviny (kávový krém apod.), krystalické likéry obsahují část cukru (sacharosy nebo laktosy) ve formě nerozpuštěných krystalků (krystalická kmínka), emulzní lihoviny - krémovité konzistence a žádané hustoty výrobku se dosáhne vytvořením jemné a stálé emulze směsi žloutků, mléka, cukru a lihu (vaječný likér) nebo přídavkem „kalící“ složky, většinou na bázi modifikovaných dextrinů (módní řídké emulzní lihoviny).
88
Tab. 1
Rozdělení lihovin do skupin a podskupin podle zákona č. 110/1997 Sb., o potravinách, a vyhlášky MZe č. 45/2000 Sb. pro komoditu alkoholických nápojů Skupina destilát
kategorizovaná lihovina
Podskupina vinný destilát vínovice neboli brandy nebo Weinbrand matolinovice vinná matolinovice ovocná mlátovice korintská pálenka neboli Raisin brandy rum whisky nebo whiskey obilný destilát nebo obilná pálenka nebo obilná lihovina průtahový destilát ovocný destilát průtahový ovocný destilát (Geist) borovička průtahová neboli borovičková pálenka průtahová destilát z cidru nebo perry pivní pálenka nebo Bierbrand tequila likér nebo krém aquavit nebo akvavit borovička kvasná genever nebo jenever gin pastis ouzo hořcová pálenka vodka tuzemský rum hořká lihovina ovocná lihovina lihovina s přídavkem ovocného destilátu ostatní lihovina míchaná lihovina
Kvasný neboli fermentační způsob výroby ethanolu je založen na působení enzymů mikrobní buňky (většinou buněk některých kvasinek) v procesu, kterému se říká lihové kvašení. Jde o proces, který probíhá převážně bez přístupu vzduchu (anaerobně), i když nejde v případě kvasinek o striktně anaerobní podmínky. Mírné provzdušnění kvasného média, hlavně na začátku fermentace, je příznivé pro potřebný nárůst buněk a jejich aktivitu. Při lihovém kvašení dochází k postupnému rozkladu sacharidů enzymy mikroorganismů a uvolňování energie, její menší část je fixována ve formě ATP, zbytek je přeměňován na teplo. Lihovou fermentaci je možné popsat Guy-Lussacovou rovnicí:
89
C6H12O6 glukosa
2 C2H5OH ethanol
100 g
51,14 g
+
2 CO2 oxid uhličitý
48,86 g
Schéma 1 Vznik etanolu při kvašení cukrů Hlavním produkčním mikroorganismem jsou kvasinky Saccharomyces cerevisiae, které se vyznačují vysokou rychlostí tvorby ethanolu, vysokou tolerancí k ethanolu a nízkou produkcí vedlejších metabolitů. Při lihové fermentaci za anaerobních podmínek je glukosa nejprve odbourávána v procesu glykolýzy na pyruvát, který je dekarboxylován a vzniklý acetaldehyd redukován na ethanol (tzv. Embden-Mayerhof-Parnasovo schéma).
90
11 CHEMICKÉ SLOŽENÍ OVOCNÝCH DESTILÁTŮ Na složení ovocných destilátů se uplatňuje již surovina použitá k jejich výrobě. Nepochybný význam má dále vlastní technologické zpracování především kvasný proces a v konečné fázi I průběh a kontrola destilace. Mimo etanol a vodu, které tvoří zásadní podíl pálenek se na aromatu a chuti účastní celá řada sloučenin především dalších nižších alifatických alkoholů (metanol, 1-propanol, 1-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-methyl-1butanol, 3-methyl-1-butanol, i a další alkoholy).Z aromatických a heterocyklických alkoholů vznikají při kvašení benzylalkohol a 2-fenylethanol, z heterocyklických alkoholů pak furfurylalkohol. Vesměs se jedná o alkoholy vznikající jako vedlejší produkty alkoholického kvašení. Všechny se vyznačují výraznými senzorickými vlastnostmi. Z vícemocných alkoholů se v ovocných destilátech vyskytuje 2,3-butandiol a glycerol. Další skupinu, která podstným způsobem ovlivňuje senzorické vlastnosti ovocných destilátů tvoří aldehydy. Ty pocházejí jednak ze zpracovávané suroviny a jednak vznikají během kvasného procesu i během destilace a staření. Mezi hlavní zástupce této skupiny chemických látek patří acetaldehyd, benzaldehyd a furankarbaldehyd. V ovocných destilátech jsou dále zastoupeny těkavé alifatické kyseliny především kyselina octová, dále kyselina mravenčí máselná a z vyšších kyselin pak kyselina kapronová, kaprylová, kaprinová a laurová. Typickým zástupcem v destilátech z jaderného ovoce je kyanovodík. Z dalších složek ovocné destiláty obsahují estery, aminy, amidy a další senzoricky významné látky, které jsou přítomny ve zpracovávané surovině (terpény, acetaly atd.). Methanol Methanol je pravidelnou součástí všech ovocných destilátů. Jeho původ pochází z pektinových látek (pektin je kyselina polygalakturonová částečně esterifikovaná metanolem a neutralizována vápenatými ionty). Při kvasném procesu dochází k jeho uvolňování. Z toho, co bylo uvedeno, plyne, že nejvyšší množství metanolu je obsaženo v destilátech z ovoce s jeho vysokým obsahem. Značné koncentrace metanolu jsou přítomny v destilátech, které byly vyrobeny ze zkvašených výlisků ovoce (z matolin). Podle Dyra obsahuje vinný destilát nejméně 0,35 % hm. metanolu, destilát z matolin až 4,0 % a v rektifikovaném alkoholu z matolin 0,54-1,90 % hm. U ovocných destilátů bývá poměr methanolu k ethanolu (8-42): 1000. Obsah methanolu v alkoholických nápojích je legislativně regulován. Ethanol Ethanol se zpravidla nepovažuje za významnou aromatickou látku, přesto však má značný vliv na vůni a chuť mnoha nápojů. Podstatným způsobem však ovlivňuje, jejich energetickou hodnotu (1g ethanolu má energetickou hodnotu 29 kJ tj. 7kcal). Množství ethanolu závisí především na množství zkvasitelných cukrů v surovině, druhu a kmeni použitých kvasinek, teplotě při fermentaci a na dalších faktorech. Vyšší alkoholy Vyšší alkoholy hrají velmi důležitou úlohu na senzorickou jakost ovocných destilátů, neboť tvoří podstatnou složku přiboudliny. Jejich výskyt v ovocných destilátech je spojen jednak s jejich výskytem v použité surovině (většinou jsou však přítomny jen ve velmi nízkých koncentracích), jednak a to v podstatně větší míře vznikají během kvasného procesu činností kvasinek a bakterií.. U ovocných destilátů je nutné považovat přiboudlinu za nositele charakteristických senzorických vlastností této skupiny kvasných alkoholických nápojů. Její množství je tedy nutné regulovat. Z hlediska kvality konečného produktu velmi nízké koncentrace, právě tak jako velmi vysoké koncentrace přiboudliny jsou z kvalitativního hlediska nežádoucí. Výrobky s nízkým obsahem přiboudliny ztrácejí typické
91
aroma charakteristické pro daný výrobek a výrobky s příliš vysokým obsahem přiboudliny přehlušují celkové aróma a mají již nežádoucí senzorické vlastnosti. Bezprostředními prekursory vyšších alkoholů jsou aldehydy vznikající jako vedlejší produkty metabolismu kvasinek. Alkoholdehydrogenasy redukují tyto aldehydy na odpovídající alkoholy.. V relativně značných koncentracích bývá přítomen 2-methyl-1-propanol neboli isobutanol (vzniká z aminokyseliny valinu) a 3-methyl-1-butanol neboli isoamylalkohol (vzniká z aminokyseliny leucinu). Oba alkoholy mají značný vliv na aróma alkoholických nápojů (schéma 2). oxidace nebo transaminace hydrolýza R CH COOH R CH COOH R CH COOH H2O, - NH3 NH2 1/2O2 ,-H2O NH O α -aminokyselina
α -iminokyselina
dekarboxylace R CH O CO2 aldehyd
α -oxokyselina
redukce 2 H
R CH2 OH alkohol
Schéma 2 Vznik alkoholů přiboudliny z aminokyselin V menším množství se tvoří další složky přiboudliny např. opticky aktivní amylalkohol tj. (S)-(-)-2methyl-1-butanol (vzniká z aminokyseliny isoleucinu), dále 1propanol (vzniká z aminokyseliny treoninu) a 1-butanol (vedlejší produkt biosynthézy isoleucinu z threoninu dekarboxylací α-oxovalerátu a redukcí butanalu - schéma 3). CH3 CH CH COOH
dehydratace
OH NH2 L-threonin
isomerace CH3 CH CH COOH NH2
dekarboxylace CH3 CH2 C
COOH
O 2-oxobutanová kyselina
- CO2
NH
redukce CH3 CH2 CH O
H2O - NH3
CH3 CH2 CH2 OH
2 H
propanal
reakce s acetyl-CoA a další reakce dekarboxylace CH3 CH2 CH2 C COOH CH3 CH2 CH2 CH O - CO2 O 2-oxopentanová kyselina butanal
CH3 CH2 CH COOH
1-propanol redukce
CH3 CH2 CH2 CH2 OH
2H 1-butanol
Schéma 3 Vznik 1-propanolu a 1-butanolu z threoninu Benzylalkohol Vzniká jako sekundární látka při fermentačních procesech redukcí benzaldehydu, který je degradačním produktem kyanogenních glykosidů. V ovocných destilátech, které se vyrábějí zpracováváním celých plodů tedy včetně pecek (v nich je nejvyšší koncentrace těchto kyanogenních glykosidů, reprezentovaných především amygdalinem) se
92
benzylalkohol vyskytuje v relativně značném množství (obvykle 20-70 mg v 1 litru absolutního ethanol). Vedle benzaldehydu vzniká během kvašení z fenylalaninu i jeho vyšší homolog fenylethanol. Furfurylalkohol vzniká především z 2 furankarbaldehydu (degradačního produktu cukrů v kyselém prostředí) redukcí nebo Cannizzarovou reakcí. 2,3-Butandiol Je nejvýznamnějším diolem vyskytujícím se v alkoholických (schéma 4). U kvasinek je jeho prekursorem kyselina pyrohroznová.
CH3 C
pyruvátdekarboxylasa CH3 CH O COOH - CO2
O pyrohroznová kyselina
CH3 C O CH3 C O
ethanal
biacetyl
biacetylreduktasa 2,3-butandioldehydrogenasa CH3 CH OH CH3 C O
CH3 CH OH 2 H
CH3 CH OH 2,3-butandiol
acetoin Schéma 4 Vznik 2,3-butandiolu
Z polyolů se v alkoholických nápojích vyskytuje nejčastěji glycerol (1,2,3-propantriol), který vzniká jako vedlejší produkt při alkoholovém kvašení. Množství glycerolu závisí hlavně na použitém kmeni kvasinek a teplotě během fermentace (více glycerolu vzniká při vyšších teplotách). Aldehydy Část aldehydů přechází do ovocných destilátů již ze zpracovávaného ovoce (vyšší koncentrace jsou přítomny v přezrálém ovoci, které se nejčastěji pro výrobu ovocných destilátů nejčastěji pro jeho vysokou cukernatost používá). Vznikají rovněž z běžných aminokyseliny a nenasycených mastných kyselin přítomných v lipidech. V alkoholických nápojích vznikají karbonylové sloučeniny degradací sacharidů (metanal, ethanal, biacetyl. 2-furankarbaldehyd). Z aminokyselin vznikají aldehydy jako sekundární produkty alkoholového kvašení a při thermických procesech Streckerovou degradací. Z glycinu takto vzniká methanal (formaldehyd), z alaninu ethanal (acetaldehyd), z threoninu propanal, z valinu 2-methylpropanal, z leucinu 3-methylbutanal, z isoleucinu 2methylbutanal. Alifatické aldehydy s 1-7 atomy uhlíku v molekule mají zpravidla ostrou, štiplavou a někdy žluklou vůni, aldehydy s 8-14 atomy uhlíku se již vesměs vyznačují příjemnou vůní. Vyšší aldehydy jsou zpravidla bez pachu. Při opatrné destilaci značná část vyšších aldehydů zůstává ve výpalcích. Methanal je přítomen v alkoholických nápojích. Jeho koncentrace jsou však velmi nízké, neboť jako velmi reaktivní látka vstupuje do reakcí s dalšími látkami. Vykazuje ostrou štiplavou vůni. Ethanal se ve velkém množství vyskytuje v alkoholických nápojích kde vzniká jako produkt odbourávání sacharidů kvasinkami. Vykazuje štiplavou ovocnou vůni.
93
Propenal (akrolein) nenasycený aldehyd je také přítomen v mnoha alkoholických nápojích. Vzniká z přehřátých tuků nebo přímo dehydratací volného glycerolu. Vykazuje štiplavou vůni. Z aromatických aldehydů tvoří důležitou složku všech destilátů získaných kvašením peckového ovoce benzaldehyd (je součástí kyanogenního glykosidu amygdalinu, přítomného ve větším především v peckách). 2-Furankarbaldehyd (furaldehyd) a jeho derivát 5-hydroxymethyl-2furankarbaldehyd vznikají působením kyselin na cukry (schéma 5). V alkoholických nápojích především v destilátech vnikají při destilaci kyselých kvasů. Přestože má relativně o vysoký bod varu (162 C) těká spolu s alkoholovými a vodními parami. Jeho koncentrace bývá nejvyšší převážně v prokapu. V 1 litru absolutního alkoholu ve slivovici se může podle povahy kvasu vyskytovat v průměru kolem 23 mg, v třešňovici 5 mg, jablkovici a hruškovici 8 mg a ve vinném destilátu 7 mg 2-furankarbaldehydu. H H C O
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C O
HO C H
HO C H
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-glukosa H C O H C O H HO C H
- H2O 1,2-endiol
D-fruktosa
CH O
CH O
CH O
C O
C O
C O
C H2
C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
CH2OH
CH2OH
- H2O
H C
H C
H C
H C OH
H C
OH
CH2OH CH2OH (Z)-isomer 3-deoxy-D-erythro-hexulosa (E)-isomer 3,4-dideoxy-D-glycero-hex-3-enos-2-ulosa
H HO H2C
CH O O
OH
- H2O
HO H2C
O
CH O
5-hydroxymethyl-2-furankarbaldehyd
Schéma 5 Dehydratace D-glukosy a D-fruktosy
94
Acetaly Acetaly se vyskytují všude tam kde jsou přítomny aldehydy současně s přebytkem alkoholů. V relativně velkém množství jsou proto přítomny ve všech alkoholických nápojích, především však v destilátech s vyšším obsahem ethanolu (podíl aldehydů vázaných jako acetaly nepřesahuje zpravidla 10-30 % celkového obsahu aldehydů. Ethanal je reaktivnější než vyšší alkanaly alkenaly a aromatické aldehydy a je v alkoholických nápojích přítomen v nejvyšším množství. Nejběžnější látkou vyskytující se v alkoholických nápojích je proto acetal (diethylacetal neboli 1,1-diethoxyethan) vznikající reakcí ethanalu s ethanolem. Acetaly se vyznačují velmi příjemnou vůní podobnou původním karbonylovým sloučeninám, avšak slabší a jemnější, přispívají tedy k zjemnění vůně ovocných destilátů. Slivovice běžně obsahuje kolem 70 mg , třešňovice 40-70 mg vinný destilát 20-185 mg acetalu v 1 litru absolutního alkoholu. V menším množství se vyskytují v alkoholických nápojích acetaly odvozené od formaldehydu a ethanolu a acetaly odvozené od vyšších aldehydů a acetaly vzniklé z alkoholů přiboudliny. Acetaly destilují bez rozkladu, varem s kyselinami se štěpí na příslušný aldehyd a alkohol. Organické kyseliny Kaboxylové kyseliny jsou významné složky především produktů rostlinného původu. Ovlivňují průběh enzymových a chemických reakcí, činnost mikroorganismů, organoleptické a technologické vlastnosti. V ovocných destilátech je přítomna kyselina mravenčí buď jako volná nebo esterifikovaná. Vzniká zde vedle ethanolu a octové kyseliny jako vedlejší produkt kvašení. Kyselina octová se do ovocných destilátů dostává jednak přímo ze zpracovávaného ovoce, jednak vzniká při kvašení a dále při destilaci kdy vzniká jako degradační produkt cukrů a jiných složek ovoce při termických procesech. Kyselina octová (volná nebo ve formě esteru) představuje hlavní organickou kyselinu ovocných destilátů Také další homology, propionová (propanová), máselná (butanová), isomáselná (2-methylpentanová), valerová (pentanová) isovalerová (3-methylbutanová), kapronová (hexanová), kaprylová (oktanová) a kaprinová (dekanová) vznikají jako vedlejší produkty kvašení a v malém množství bývají přítomny v ovocných destilátech (těkají s vodní parou) buď ve volné formě nebo jako estery. Podstatně větší množství jich zůstává ve výpalcích, odkud se někdy získávají přeháněním s vodním parou a dále se používají k aromatizování umělých destilátů. Procentický obsah jednotlivých organických kyselin (volných i esterově vázaných) ve slivovici bývá kyseliny mravenčí 3,8 %; octové 76,9 %; máselná 10,5 %; vyšší mastné kyseliny 8,8 % v třešňovici kyseliny mravenčí 2,9 %; octové 70,1 %; máselná 15,7 %; vyšší mastné kyseliny 11,3 %. Estery
Ve všech druzích ovoce patří estry k nejrozšířenějším sloučeninám. Doprovázejí často příslušné karboxylové kyseliny a alkoholy Jsou tedy důležitou složkou především primárního aromatu ovoce. Estery nižších mastných kyselin s nižšími alifatickými alkoholy jsou v ovocných destilátech významnými vonnými látkami. Do destilátů se dostávají jednak přímo ze zkvašovaného ovoce, jednak v malém množství vznikají sekundárně esterifikací kyselin alkoholy (ethanolem nebo alkoholy přiboudliny-tato neenzymová esterifikace je však velmi pomalá) acidolýzou (reakcí esterů s kyselinami), alkoholýzou (reakcí esterů s alkoholy nebo esterovou výměnou (reakcí estrů navzájem) během stárnutí . Z nižších mastných kyselin je v esterech ovocných destilátů nejčastěji vázaná kyselina octová, méně často jsou v esterech ovocných destilátů vázány ostatní kyseliny jako kyselina mravenčí, propionová, máselná, isomáselná a další. Z alkoholů je v těchto esterech nejčastěji vázán ethanol. Vyskytují se však také estery metanolu, butanolu, i vyšších alkoholů. Estery nízkomolekulárních kyselin a alkoholů mají obvykle ovocnou
95
vůni a přispívají k požadovaným organoleptickým vlastnostem ovocných destilátů. Obecně v alkoholických nápojích je nejběžnějším esterem ethylacetát. Ve slivovici se obsah esterů pohybuje v rozmezí 740-11050 mg, v třešňovici 1530-3130 mg, v jabkovici 1120-1570 mg v 1 litru absolutního alkoholu. Kyanovodík Kyanovodík vzniká enzymovými nebo chemickými reakcemi z kyanogenních glykosidů. V našich podmínkách je nejdůležitějším kyanogenním glykosidem amygdalin, přítomný v rostlinách čeledi růžovitých, (Rosaceae). Jeho významnými zdroji jsou hořké mandle a pecky švestek, meruněk, broskví a třešní. V malém množství je také obsažen v jádrech jablek a hrušní. Amygdalin se enzymově štěpí více či méně specifickými βglukosidasami (např emulsinem) za vzniku glukosy a benzaldehydkyanhydrinu. Dalším enzymem podílejícím se na rozkladu kyanogenních glykosidů je hydroxynitrillyasa, která následně katalyzuje štěpení kyanhydrinu na benzaldehyd a kyanovodík (schéma 3). V ovocných destilátech se obvykle vyskytují jen stopy volného a jen malé množství vázaného kyanovodíku (slivovice 7-67 mg v 1 litru destilátu), koncentrace benzaldehydkyanhydrinu se obvykle pohybuje v rozmezí 36-331 mg v 1 litru destilátu. Vyšší koncentrace se vyskytují v třešňovici (velké množství pecek na hmotnost zpracovávané dužiny třešní). Koncentrace volného kyanovodíku se pohybuje v množství 0-16 mg, vázaného 46-88 mg a koncentrace benzaldehydkyanhydrinu 226-434 mg v 1 litru destilátu.
CH2 OH O CH2
O
OH OH
N C
OH
N C CH2 OH C O H OH
C H
β -glukosidasa
OH OH
OH
H2O, - glukosa
OH
OH
(R)-amygdalin
(R)-prunasin H2 O , - glukosa
HO
C
N
C
H
β
- glukosidasa
CH
O
hydroxynitrillasa + nitril 2-hydroxybenzoové kyseliny
Schéma 6 Vznik kyanovodíku z amygdalinu
96
benzaldehyd
H
C
N
kyanovodík
Vady ovocných destilátů Výroba kvalitních ovocných destilátů je náročnou technologickou operací. Kvalita vyrobených destilátů je ovlivňována mnoha faktory. Jedním z hlavních faktorů je kvalita zpracovávaného ovoce. Zpracovávané ovoce musí být dostatečně zralé (to zajišťuje potřebně vysokou cukernatost a současně i přítomnost typického aróma v maximální možné míře). Současně však zpracovávané ovoce musí být prosté nahnilého a jinak znehodnoceného ovoce. Není-li surovina dostatečně vytříděná (není-li odstraněno nahnilé a jinak zkažené ovoce před zákvasem) získává se produkt horší kvality. V tomto případě vznikají ve vyšších koncentracích sekundární metabolické produkty kvašení jakými jsou vyšší alkoholy, organické kyseliny a další sloučeniny (aminy, dusíkaté a sirné heterocyklické sloučeniny) a jsou přítomny i produkty metabolismu hnilobných bakterií, které se v hotovém výrobku senzoricky projevují atypickou chutí a vůní. Určitého zlepšení senzorické kvality destilátů vyrobených za těchto podmínek lze dosáhnout dalším přepálením. Zde platí, že čím je přepalování pomalejší tím se dosáhne lepšího oddělení úkapu od jádra a jádra od dokapu. tedy pomalejším přepálením lze do určité míry zlepšit kvalitu ovocných destilátů vyrobených ze špatně tříděné suroviny. Kvalitu ovocných destilátů ovlivňuje i způsob kvašení, i zde je nutné dodržovat přísně technologické podmínky odpovídající optimálnímu průběhu kvašení, neboť i když byla k výrobě použita dobrá a dobře vytříděná surovina může dojít k atypickému kvašení, které vede opět ke zhoršení kvality vyrobeného ovocného destilátu. Určité nápravy v kvalitě lze opět dosáhnout přepálením takovýchto destilátů. Kvalita ovocného destilátu může být zhoršena i nevhodným způsobem vlastní destilace. O možnosti lepšího oddělení úkapu a dokapu od jádra bylo již diskutováno. U starších destilačních přístrojů docházelo v některých případech k připalování kvasu a tím i ke vzniku připálené vůně a chuti destilátu. Určitého zlepšení (tedy odstranění připáleného charakteru destilátu) je možné v tomto případě dosáhnout filtrací výrobku přes aktivní uhlí. Zde je nutné zdůraznit, že při tomto procesu dochází i částečnému odstranění vonných a chuťových látek. Tento způsob se však doporučuje používat jen u velmi špatných a podřadných destilátů. Zákaly u ovocných destilátů jsou dvojího druhu přirozené (zakalen je i vysokoprocentní destilát) což je způsobeno vysokým obsahem silic při zpracovávání suroviny s jejich vysokým obsahem (jalovčiny a celé pomeranče) a zákaly vznikající ředěním vysokoprocentních destilátů (snižuje se rozpustnost látek dobře rozpustných v ethanolu). Tyto zákaly vznikají především pokud se při destilaci špatně oddělí dokap od jádra. Příčinou zákalu může být i nekvalitní voda (především tvrdá voda) v těchto případech dochází většinou až postupem času ke vzniku zákalů způsobených vysrážením uhličitanů a síranů vápenatých případně i sloučenin železa. K tvorbě těchto zákalů dochází především při nízkých skladovacích teplotách. V ovocném destilátu železnaté ionty zreagují s přítomnou kyselinou octovou za vzniku octanu železnatého. Vlivem přítomného kyslíku dochází k oxidaci železnatých iontů na železité a ke vzniku octanu železitého, který je nerozpustný. Dochází přitom však k zabarvení ovocného destilátu dožluta. Ovocné destiláty uložené v sudech vyluhují z těchto sudů taniny, které reagují se solemi železitými za vzniku nežádoucího černomodrého zbarvení, které může vznikat rovněž až po určité době skladování. Celkové odstranění železnatých iontů lze dosáhnout provzdušněním kdy dojde již ke zmíněné oxidaci železnatých iontů na ionty železité, které se ve formě octanu železitého vysrážejí a nechají se snadno odstranit filtrací. Před touto filtrací se ovocné destiláty mají skladovat v chladu (dojde k vysrážení většího množství octanu železitého). Pokud filtr nezachytí jemné částečky zákalu doporučuje se použít čiřících prostředků jakými jsou např. želatina, kasein, tanin, aktivní uhlí a jiné.
97
Hodnocení lihovin Lihoviny se hodnotí na základě fyzikálně-chemických znaků a chemického složení. Zejména se stanovuje: relativní hustota, obsah ethanolu a extraktivních látek, dále koncentrace řady doprovodných látek – methanol, aldehydy, ketony, estery, vyšší alkoholy, organické kyseliny, kyanovodík, ethylkarbamát, cizorodé látky jako estery kyseliny ftalové, aflatoxiny, těžké kovy a další. Smyslové (senzorické) hodnocení lihoviny patří k nejdůležitějším při celkovém posuzování a oceňování jakosti produktu. Je nezbytným doplňkem chemického rozboru. U lihovin se hodnotí vzhled (barva, čirost, konzistence) a zejména vůně a chuť, které by měly být vzájemně sladěné a charakteristické pro danou lihovinu.
Zdravotní aspekty konzumace lihovin Alkohol (ethanol) lze podle účinků na lidský organismus, zejména na centrální nervový systém, klasifikovat jako měkkou drogu. Drogu, jejíž konzumace je společností akceptována a tolerována, samozřejmě do určité míry a za určitých podmínek. Stát se na omezení konzumace alkoholických nápojů podílí jednak daňovou politikou, legálně vyrobené alkoholické nápoje jsou zatíženy poměrně vysokými spotřebními daněmi, a dále i osvětovou činností upozorňující a varující před negativními zdravotními následky konzumace ethanolu na lidský organismus. Alkohol je jednou z mnoha látek, které, pokud se dostanou do lidského organismu, způsobují změny vnímání okolního světa a na krátký část přinejmenším vedou k otupení ostří pro nás někdy příliš bolestné reality. Pro řadu jedinců je pití právě únikem z reality, snadnějším „řešením“ určitých životních situací, oddalováním životních rozhodnutí, určitým ventilem, jak se vypořádat se stresy atd.. Rozhodnutí, zda tato cesta je řešením moudrým a rozumným, je individuální věcí každého jedince. Ve společnosti (bez ohledu na stupeň její vyspělosti a vzdělanosti) nadměrná konzumace alkoholu se stala zcela jevem příliš běžným na to, abychom ji brali vážně, byť jsou nám sdělovacími prostředky dennodenně předkládána fakta o tragických událostech, které byly přímo spáchány pod vlivem alkoholu nebo jsou důsledkem nadměrného pití. Nadměrné pití se nestává pouze problémem jednotlivce – pijáka, ale také jeho rodiny, nejbližšího okolí, spolupracovníků, je to problém ekonomický, sociální, pracovní, zdravotní, … a často pro zúčastněné vede až k tragickým koncům. Po požití se alkohol rychle a dobře vstřebává zažívacím traktem, převážně v tenkém střevu, a v krvi se hromadí, neboť proces odbourání je mnohem pomalejší než jeho absorpce. Část ethanolu přechází do krve přímo z žaludku, neprochází dlouhou střevní cestou, a dostává se rychle do mozku. To je příčina rychlého opojení při požití nápoje s vyšším obsahem ethanolu na lačný žaludek. Nízkoprocentní nápoje, nebo nápoje ředěné vodou či ledem přijímá organismus pomaleji. Tučná jídla (maso, mléko) zpomalují přechod ethanolu do krve. Naopak cukry a oxid uhličitý (limonády, sodovky, šumivá vína) vstřebávání alkoholu do krve urychlují a rychleji se tak v krvi zvyšuje jeho koncentrace.Maximální koncentrace ethanolu v krvi je zpravidla dosaženo hodinu po konsumaci. U normálního, na alkoholu nezávislého jedince, je alkohol metabolizován 98
především v játrech jaterními enzymy: 80 % ethanolu je oxidováno působením alkoholdehydrogenasy a asi 10 % působením mikrosomálního oxidačního systému. Zhruba 5 – 10 % ethanolu se vylučuje z těla nezměněno v moči, v potu a je vydýcháno. Z biochemického pohledu je ethanol nejdříve oxidován alkoholdehydrogenasou na acetaldehyd a ten dále aldehyddehydrogenasou na acetát. Acetát je aerobně odbouráván v buněčném metabolismu citrátovým (Krebsovým) cyklem až na oxid uhličitý a vodu. Rychlost odbourání v játrech je konstantní 4 - 8 g/h (u průměrného dospělého muže) a je nezávislá na hladině ethanolu v krvi. V družné společnosti, při pití alkoholových nápojů, se vytvářela nezanedbatelná část naší kultury (v širokém slova smyslu). Alkohol snižuje úzkost, napětí, zábrany to může být ovšem dobře i špatně. Ethanol tlumí centrální nervový systém, to je jeho hlavní působení. Se zvyšováním dávky klesá soustředěnost a úsudek a výrazně se zpomalují reakce organismu. Ethanol narkotizuje nervový systém a tak dokáže zmírňovat napětí a odstraňovat zábrany. Odhaduje se, že rozumná („bezpečná“?) dávka alkoholu denně jsou asi 2 - 3 dl vína nebo takové množství jiného alkoholického nápoje, aby to v přepočtu nebylo více než 30 g čistého ethanolu. Relativní riziko cirhózy jater totiž roste exponenciálně s množstvím požitého alkoholu, ale křivka vztahu mezi množstvím konsumovaného alkoholu a výskytem kardiovaskulárních chorob prochází minimem. Mírné množství alkoholu má na cévy prokazatelně příznivý efekt a až od určité individuální hodnoty požitého alkoholu, pak se zvyšuje riziko výskytu kardiovaskulárních onemocnění. Trvalé požívání alkoholu ale provází poškození periferního nervstva a mozkových buněk. Důsledkem je pak snížená chápavost, pozornost, paměť, schopnost úsudku a snadná vzrušivost a přecitlivělost, pocity eufórie střídající se s depresívními stavy.
Závěr Jednou z nutných, ale ne dostačujících podmínek kvality produktu je jakost vstupních surovin. To je třeba zvláště zdůraznit při výrobě ovocných destilátů, kdy nesplněním této první podmínky nemůžeme vyrobit kvalitní destilát. Proto je třeba věnovat velkou pozornost analytické kontrole celé výroby a to i kontrole vstupních surovin. Dobrý ovocný destilát předurčuje půda, podnebí, poloha a druh ovoce, o čemž svědčí vynikající kvalita ovocných destilátů právě z Moravy a Slovácka. Je třeba si na druhé straně uvědomit, že výroba destilátů z ovoce může značnou měrou přispět k zachování a kultivování krajiny. Dobrý destilát můžeme pokládat i za léčebný nástroj, pokud se dávkuje s mírou. Právě dnes, kdy se často setkáváme s názorem, že ušlechtilé pálenky a tedy i ovocné destiláty jsou už překonány a je třeba na ně hledět s určitou nostalgií, bychom měli prosazovat filosofii „nové kvality“ ve vztahu k těmto destilátům a snažit se o zlepšení jakosti, zachování přirozeného aroma ovoce a s tím i spojeného senzorického vjemu. To vše poslouží i propagaci tohoto produktu, jehož výroba není ve světovém měřítku tak rozšířena a čelí velkému tlaku neutrálních lihovin a destilátů. Literatura Dyr J., Dyr J.E., Rychtera M., Melzoch K. (1998): Výroba slivovice a jiných pálenek (4. přepracované vydání). Maxdorf, Praha. Exnar P., Garai J., Melzoch K., Melzochová O., Mráz F., Rychtera M. a Šitner V. (1998): Lihovarnická příručka. Agrospoj, Praha. Grégr V., Uher J. (1974): Výroba lihovin. SNTL, Praha.
99
Pischl J. (1997): Vyrábíme ušlechtilé destiláty. Ivo Železný, Praha.
PokornýJ., Davídek J. (1990): Analýza potravin - Senzorická analýza. Skripta VŠCHT Praha. Rose A.H. (1977): Alcoholic beverages. Academic Press, London.
100
Molekulární a buněčné mechanismy fungování imunitního systému Václav Hořejší,
Ústav molekulární genetiky AVČR a Přírodovědecká fakulta UK
Hlavní úkoly imunitního systému jsou: •
Chránit organismus před patogeny
•
Odstraňovat abnormální (poškozené, nádorové) buňky
Základním předpokladem samozřejmě je, aby imunitní systém patřičné struktury patogenů a poškozených buněk poznal. To se děje jednak pomocí povrchových receptorů na
různých
typech
bílých
krvinek
(leukocytů),
jednak
pomocí
„rozpustných
rozpoznávacích molekul“, především protilátek. Po rozeznání pak musí následovat likvidace nebo odstranění patogenních mikroorganismů resp. jejich produktů. Přitom je nutno se vyvarovat sebepoškozování organismu imunitními „zbraněmi“.
Neadaptivní (přirozený) imunitní systém. Imunitní systém savců, resp. všech obratlovců, se rozděluje na tzv. neadaptivní a adaptivní (antigenně specifickou) část. Neadaptivní, evolučně starší systém je založen hlavně na několika typech fagocytů, tj. buněk pohlcujících mikroorganismy, dále na složité soustavě sérových
proteinů zvaných souhrnně komplement a na celé řadě dalších
rozpustných
rozpoznávacích a efektorových molekul. Rozpustné a membránově vázané receptory neadaptivní části imunitního systému rozeznávají molekulární struktury charakteristické pro celé skupiny mikroorganismů (tzv. „pathogen-associated molecular patterns“, PAMPs). To jsou nejčastěji různé sacharidové struktury, ale také biopolymery (teichoové
kyseliny, lipopolysacharidy, lipoproteiny, nukleové kyseliny). Tak například povrchové polysacharidy některých mikroorganismů skládající se z mannosových jednotek jsou rozeznávány sérovým tzv. lektinem vážícím mannosu (MBL). Ten se naváže na povrch příslušného mikroorganismu a tím jej označí pro destrukci imunitními mechanismy. Po
101
navázání na mikrobiální polysacharid se aktivují proteolytické podjednotky složité molekuly MBL a spustí tzv. komplementovou kaskádu – soustavu následných proteolytických reakcí sérových proteinů C2 až C9, jejichž výsledkem je obalení mikroorganismu komplementovým proteinem C3b, proděravění mikrobiální membrány a tvorba chemotaktických molekul C3a a C5a, které do místa infekce přivábí fagocyty (neutrofilní granulocyty, makrofágy a monocyty). Ty rozpoznají pomocí svých povrchových tzv. komplementových receptorů mikrobiální částice obalené (opsonizované) lektinem MBL a proteinem C3b a pohltí je. Fagocyty ale mohou mikroorganismy rozeznávat i přímo, pomocí svých povrchových receptorů. Mezi nejdůležitější z nich patří tzv. „Toll-like receptors“ (TLR). Je jich známo nejméně 11 (TLR1 - TLR11). Jejich název je odvozen od receptoru Toll popsaného poprvé u mušky octomilky (Drosophila). Tyto receptory rozeznávají následující ligandy (a pravděpodobně ještě další):
•
TLR4 – lipopolysacharidy Gram-negativních bakterií, ale i několik jiných
mikrobiálních struktur
•
TLR2 (popř. heterodimery TLR2 s TLR1 a TLR6) – některé bakteriální
lipoporoteiny, peptidoglykany a glykolipidy
•
TLR3 – dvouvláknovou RNA (charakteristická pro některé viry)
•
TLR5 – flagelin (bílkovina bakteriálních bičíků)
•
TLR7, TLR8 – virové jednovláknové RNA, některé nukleosidové deriváty,
syntetické imunomodulační látky (imidazochinoliny)
•
TLR9 – nemethylované motivy CpG typické pro prokaryotickou DNA
•
TLR10 – ligand neznámý
•
TLR11 – nějaké složky uropatogenních bakterií
Navázání příslušných ligandů na receptory TLR vyvolá signalizační procesy, které nakonec vedou k aktivaci fagocytů a sekreci cytokinů a jiných látek vyvolávajících zánětlivé reakce. Ještě důležitější je role TLR v aktivaci dendritických buněk, které pak zahajují antigenně specifickou fázi imunitní odpovědi (viz dále). Na povrchu fagocytů (ale také dendritických buněk) se dále nachází celá řada lektinů (např. DEC-205, DC-SIGN, Langerin, Dectin-1, CLEC-1 a další), tj. receptorů
rozeznávajících mikrobiální sacharidové struktury. Zvláštním typem buněk neadaptivního imunitního systému jsou tzv. NK buňky. Ty se sice v mnohém podobají T lymfocytům, ale specializují se na rozpoznávání a likvidaci
102
buněk, které mají abnormálně nízké množství MHC proteinů I. třídy (MHC I; lidské HLAA, -B, -C). To jsou především mnohé nádorové a některé virově infikované buňky. NK buňky mají dva typy receptorů – aktivační a inhibiční. Inhibiční receptory váží právě MHC I; pokud je jich na příslušné buňce málo, je inhibiční signál příliš slabý a aktivační receptory vyvolávají destrukční reakce vedoucí k likvidaci abnormální buňky. Aktivační receptory rozeznávají většinou tzv. neklasické MHC molekuly, ale i některé jiné struktury.
Adaptivní (antigenně specifický) imunitní systém Adaptivní (antigenně specifická) část imunitního systému je založena na
lymfocytech B a T a na úplně jiném principu než systém neadaptivní: každý z obrovského počtu individuálních klonů B či T lymfocytů je vybaven unikátními specifickými receptory, zvanými B-receptory (BCR, povrchové imunoglobuliny) resp. T-receptory (TCR), které se od ostatních liší detaily struktury vazebného místa. Tyto receptory vznikají
při vývoji T a B lymfocytů náhodnými procesy přeskupováním úseků genů (V, D, J) a somatických mutací. Vzniká tak obrovský repertoár desítek milionů různých klonálních variant, které jsou dopředu připraveny na setkání s jakoukoli cizorodou chemickou strukturou (antigenem). Tento systém je ve srovnání neadaptivním systémem neobyčejně „marnotratný“ – velká většina onoho obrovského repertoáru receptorových specifik se nikdy neuplatní a je připravena jen „pro každý případ“. Antigenně specifické receptory se zaměřují hlavně na rozeznávání jemných detailů struktury antigenů, zatímco receptory neadaptivní
části
imunitního
systému
rozeznávají
spíše
hlavní
hrubé
rysy
nejcharakterističtějších mikrobiálních molekul. Rozpustnou formou antigenně specifických receptorů B lymfocytů jsou obecně známé a mimořádně důležité protilátky. Antigenně specifická část imunitního systému funguje tedy na principu „konfekčního obchodu“: když se do organismu dostane nějaký cizorodý antigen, poměrně rychle se setká s B lymfocytem, který má na povrchu právě takový receptor, který jej s dostatečnou afinitou naváže (podobně jako jakýkoli zákazník najde po chvíli hledání v konfekčním obchodě oblek, který mu celkem dobře padne). Takový B lymfocyt je pak navázáním antigenem na receptor stimulován, začne se dělit a posléze se většina z tisíců dceřiných buněk přemění (diferencuje) na plazmatické buňky, které sekretují velká množství protilátek stejné struktury a specifity jakou měl povrchový receptor na oné původní B buňce. Některé buňky se vyvinou v tzv. paměťové B lymfocyty, které se při
103
příštím setkání se stejným nebo podobným antigenem pomnoží a diferencují mnohem rychleji a vytvářejí kvalitnější protilátky. U T lymfocytů je tomu velmi podobně, až na to, že většina těchto antigenně specifických buněk nerozeznává antigen samotný (jako takový), ale jeho fragmenty navázané na MHC proteiny na povrchu jiných buněk. Smyslem tohoto zdánlivě bizarně
složitého mechanismu je, aby imunitní systém získal přístup i k antigenům pocházejícím z intracelulárních parazitů a aby mohl odhalit takovéto infikované buňky. Antigenně specifický (adaptivní) imunitní systém je značně komplikovaný a zásadní roli v něm hrají různé mezibuněčné interakce. Existuje několik spojovacích článků mezi neadaptivní a antigenně specifickou částí imunitního systému. Pouze některé typy antigenů (např. bakteriální polysacharidy) jsou schopny vyvolat tvorbu protilátek jednoduchým výše popsaným způsobem, tj. přímou stimulací vhodných klonů B lymfocytů. Ve velké většině případů je celý děj mnohem složitější a probíhá takto: Antigenní částice (mikroorganismy resp. jejich fragmenty) jsou nejprve pohlceny tkáňovými dendritickými buňkami (DC; buňky podobné fagocytům a roztroušené ve
všech tkáních, zejména pod kůží a sliznicemi). Dendritické buňky jsou pak stimulovány (hlavně prostřednictvím lektinových a TLR receptorů a pomocí zánětlivých cytokinů) k migraci do nejbližší lymfatické uzliny a k přeměně ve zralé dendritické buňky, které fungují jako tzv. profesionální buňky prezentující antigen (APC). Takové zralé DC mají na svém povrchu velké množství MHC proteinů, které „vystavují“ fragmenty mikrobiálních antigenů. Na povrchu zralých DC (APC) objevuje také několik tzv. kostimulačních molekul (např. CD80, CD86, CD40) a tyto buňky produkují i řadu
membránových a rozpustných cytokinů, jakýchsi imunitních hormonů. Fragmenty antigenů navázané na MHC proteiny jsou pak rozeznány T lymfocyty, které mají na svém povrchu „správné“ T-receptory. Signály, které dostane T lymfocyt od APC přes svůj TCR, jakož i přes receptory pro kostimulační molekuly (CD28, CD40L, ICOS) a receptory pro cytokiny (např. IL-1, IL-4, IL-12) pak vyvolají pomnožení příslušného klonu T lymfocytu a diferenciaci na zralé, efektorové buňky. Je třeba poznamenat, že interakce mezi APC a T lymfocytem není tak zcela jednostranná (APC pouze jako pasivní předkladatel a stimulátor), nýbrž že aktivovaný T-lymfocyt také stimuluje zralou DC a dále zlepšuje jejich schopnosti prezentovat antigeny a stimulovat jiné T lymfocyty. Další dosud ne zcela dořešenou komplikací je to, že zřejmě existuje několik typů (snad jen diferenciačních stádií) dendritických buněk, které mají velmi rozdílné stimulační vlastnosti – některé
preferenčně stimulují diferenciaci Th1 a Tc buněk, jiné Th2 či tzv. regulačních buněk (viz
104
níže). Pokud APC nemá dostatek kostimulačních molekul, vede stimulace přes TCR k apoptotické smrti T lymfocytu nebo k jeho útlumu (anergie). Důležitou regulační úlohu hrají „negativní kostimulační receptory“ (např. CTLA-4), které potlačují příliš silnou kostimulaci (Obr. 1).
Obr. 1. Osud T lymfocytů po kontaktu s buňkami prezentujícími antigen (APC). Pokud dojde k optimální interakci (signály přes TCR a kostimulační receptor CD28), T lymfocyt proliferuje a diferencuje se na příslušnou efektorovou buňku (Tc, Th). Pokud APC nemá kostimulační ligandy, samotný signál přes TCR vede k apoptose nebo útlumu (anergii). Pokud převáží kostimulační signály od negativních regulátorů (CTLA-4), dělení a diferenciace se zastaví.
Efektorových T buněk je několik typů; z nich nejdůležitější jsou tzv. cytotoxické T lymfocyty (Tc), pomocné T lymfocyty typu 1 a 2 (Th1, Th2) a regulační buňky (Tr). Tc jsou schopny vyhledávat a zabíjet infikované buňky (jejich strategie tedy není
infikovanou buňku vyléčit, ale pro jistotu ji zabít jakožto možný zdroj šíření infekce). Th1 vyhledávají hlavně makrofágy, které pohltily antigeny nebo jsou infikovány
vnitrobuněčnými parazity (mykobakterie, Listerie), a pomáhají jim přeměnit se v tzv. aktivované makrofágy, které se s takovými parazity umějí mnohem lépe vypořádat. Th1
buňky stimulují makrofágy hlavně pomocí cytokinu interferonu γ (IFN-γ). Aktivované mikrofágy i Th1 buňky navíc produkují celou řadu cytokinů a jiných látek, které vyvolávají zánětlivou reakci.
105
Th2 buňky vyhledávají B lymfocyty, které předtím rozeznaly, pohltily a rozštěpily
příslušné mikrobiální antigeny a pomáhají jim v diferenciaci na plazmatické buňky produkující velká množství protilátek. Pomocné buňky Th2 tak činí pomocí sekretovaných (IL-4, IL-5, IL-10) a membránových (CD40L) cytokinů. Tr tlumí aktivity ostatních, zvláště potenciálně autoreaktivních T lymfocytů (viz
níže).
Vzájemná regulace protilátkových a zánětlivých imunitních reakcí Základním dogmatem dnešní imunologie je, že typ adaptivní, antigenně
specifické odpovědi závisí na typu parazita: protilátkové odpovědi založené na spolupráci B a Th (hlavně Th2) lymfocytů jsou účinné pro potlačení extracelulárních parazitů, zatímco zánětlivé odpovědi založené na spolupráci Th1 a makrofágů a na působení Tc se uplatňují hlavně při boji proti vnitrobuněčným parazitům. Ve většině reálných infekcí se však uplatňují do určité míry jak protilátkové, tak zánětlivé reakce. Pokud imunitní systém zvolí nesprávně hlavní zbraň, může to mít fatální důsledky. Např. u těžké formy lepry se tvoří velké množství protilátek, které jsou ale proti intracelulární mykobakterii prakticky neúčinné. Zásadně důležité pro regulaci imunitních odpovědí je to, že Th1 a Th2 buňky se vzájemně inhibují. Je-li tedy zahájen jeden typ antigenně specifické odpovědi (Th1 vs.
Th2) automaticky se posiluje a potlačuje konkurenční typ. To je způsobeno tím, že hlavní cytokinový produkt Th1 buněk (IFNγ) inhibuje diferenciaci Th2 buněk, zatímco hlavní produkt Th2 buněk (IL-4) inhibuje vývoj Th1. Antagonismus Th1 vs. Th2, resp. IFNγ vs. IL-4 je považován za základní imunoregulační mechanismus.
Otázka samozřejmě je, co rozhodne o tom, rozběhne-li se diferenciace prekursorových T lymfocytů směrem k Th1 nebo k Th2. Ukazuje se, že rozhodujícím faktorem je cytokinové prostředí, v němž dochází k zahájení celého procesu – tedy to, které cytokiny produkují buňky prezentující antigen zahajující diferenciaci T buněk. Převaha IL-12 (produkovaného obvykle zralými dendritickými buňkami) podporuje vznik Th1 (indukcí transkripčního faktoru T-bet), kdežto převaha IL-4 (produkovaného
např. tkáňovými žírnými buňkami) vede ke vzniku Th2 (indukcí transkripčního faktoru GATA-3) (Obr. 2).
106
Obr. 2 Diferenciace „naivních“ prekursorových CD4+ T lymfocytů na Th1 resp. Th2 pod vlivem uvedených cytokinů (IL-12, IL-4). Diferenciace směrem k Th1 resp. k Th2 je kontrolována transkripčními faktory T-bet resp. GATA3.
Dendritické buňky jsou zásadně důležitým spojovacím článkem mezi adaptivní a antigenně-specifickou částí imunitního systému. Jak již bylo řečeno, tkáňové nezralé dendritické buňky musí být nejprve stimulovány k maturaci, aby se z nich staly účinné
buňky prezentující antigen (APC). Tento děj je považován za klíč k fungování antigenně specifických mechanismů (Obr. 3). Na této úrovni se zřejmě primárně rozhoduje, proti
kterým cizorodým strukturám bude imunitní odpověď vůbec zahájena. Je totiž známo, že k iniciaci intenzivních imunitních reakcí obvykle nestačí, aby daná struktura byla cizorodá, ale aby byla rozpoznána jako „nebezpečná“, tj. aby současně dostal imunitní systém nějaký „signál nebezpečí“. Tyto signály nebezpečí mohou být dvojího druhu – exogenní a
endogenní. Jako silné exogenní signály nebezpečí působí struktury široce asociované s patogenními mikroorganismu, tedy stejné struktury, které aktivují neadaptivní imunitní mechanismy (lipopolysacharidy, prokaryotická DNA, dvojvláknová RNA). Jako endogenní signály nebezpečí působí některé vnitrobuněčné molekuly, zvláště stresové proteiny, které se uvolní z buňky umírající nefyziologickým způsobem, tj. nekroticky
(Obr 4). Exogenní či endogenní indikátory nebezpečí se váží na receptory dendritických buněk (TLR receptory, lektinové receptory, receptory stresových proteinů) a vyvolávající signály vedoucí k diferenciaci na zralé dendritické buňky. Ty jsou pak teprve schopné účinně stimulovat diferenciaci antigenně specifických T lymfocytů.
107
a
b
Obr. 3 Maturace a stimulace dendritických buněk (DC) (a). Z dřeňových progenitorů se vyvinou tkáňové DC, které efektivně pohlcují antigeny. Po stimulaci signály „nebezpečí“ (TLR, receptory zánětlivých cytokinů) a další stimulaci přes receptor CD40 dojde k maturaci a přeměně v optimální APC stimulující diferenciaci efektorových T lymfocytů (b).
108
Obr. 4. Stimulace APC pomocí „endogenních signálů nebezpečí“, stresových proteinů (HSP). HSP uvolněné z poškozených nekrotických buněk nesou různé peptidové fragmenty jiných proteinů (podobně jako MHC molekuly) a váží se na uvedené signalizační a endocytické receptory. Výsledkem je maturace APC, produkce stimulačních cytokinů, exprese kostimulačních molekul a
účinná stimulace diferenciace
efektorových T lymfocytů.
Efektorové imunitní mechanismy Po rozeznání cizorodých, resp. potenciálně nebezpečných a cizorodých struktur je samozřejmě potřeba je odstranit nebo zneškodnit. K tomuto účelu má imunitní systém k dispozici celou řadu zbraní. Mezi evolučně nejstarší patří baktericidní peptidy a řada dalších „chemických zbraní“ a dále fagocytosa, tj. pohlcování mikroorganismů různými typy granulocytů, mikrofágů a dendritických buněk. Velmi důležitým mechanismem je tzv. zánět – komplexní fyziologická reakce, která v místě infekce vytváří podmínky pro koordinované působení mnoha imunitních mechanismů, především pro přísun fagocytů, protilátek a dalších efektorových molekul. Dalším již dříve zmíněným efektorovým mechanismem je zabíjení infikovaných nebo jinak abnormálních buněk cytotoxickými T lymfocyty a NK-buňkami. To je
založeno na indukci apoptosy buď signalizací přes apoptotické receptory (Fas/CD95, TNFreceptor) nebo vpravením pro-apoptotických enzymů (granzym B).
109
Důležitými efektorovými molekulami jsou také protilátky (imunoglobuliny), které:
•
blokují povrchové molekuly patogenů nezbytné k ukotvení resp. průniku do
infikované buňky
•
aktivují komplementovou kaskádu (což vede k další opsonizaci mikroorganismu
označeného protilátkami, přilákáním fagocytů a v některých případech k perforaci povrchové membrány parazita)
•
výrazně zlepšují fagocytosu částic obalených protilátkami
Velmi zajímavé je nedávné zjištění, že protilátky mohou katalyzovat dosud nejasným způsobem produkci vysoce baktericidních molekul ozonu a peroxidu vodíku (z vody a kyslíku).
Mechanismy imunitní tolerance a ochrany proti autoimunitním chorobám Všechny imunitní zbraně jsou dvojsečné – mohou totiž napadat a poškozovat i buňky vlastního organismu. K takovému sebepoškozování v omezené míře dochází při normální imunitní odpovědi téměř vždy; někdy však tyto imunopatologické reakce způsobí větší škodu než samotná infekce, proti které jsou namířeny (příkladem jsou např. některé hepatitidy). Velmi rozšířené jsou i poruchy (tzv. autoimunitní onemocnění), při nichž imunitní systém chybně útočí proti vlastním tkáním organismu. Nebezpečí vzniku autoimunitních reakcí je zvláště velké především u antigenně specifických mechanismů, a to proto, že obrovské repertoáry vazebných specifit antigenně specifických receptorů (TCR, BCR) vznikají na genové úrovni náhodnými rekombinačními a mutačními procesy, jejichž produkty snadno mohou být autoreaktivní. Základním mechanismem, kterým se odstraňují autoreaktivní T a B lymfocyty, je tzv. negativní selekce během časných fází diferenciace těchto buněk v thymu (T lymfocyty) resp. v kostní dřeni (B lymfocyty). Autoreaktivní lymfocyty, které se v této fázi vývoje setkají s příslušnými autoantigeny, totiž apoptoticky hynou. Dlouho se myslelo, že toto je jediný a postačující mechanismus k navození imunologické self-tolerance. Později se však ukázalo, že zralý imunitní systém obsahuje ve skutečnosti spoustu potenciálně autoreaktivních klonů, které se mohou za určitých podmínek „probudit“ a škodlivě projevit. To, co je za normálních okolností „drží na uzdě“ jsou zřejmě tzv. přirozené regulační (nebo také supresorové či tlumivé) T lymfocyty (Treg, Ts). (Obr 5, 6).
110
Obr. 5
Pravděpodobné mechanismy působení regulačních T lymfocytů (Treg). Treg po kontaktu
s efektorovými T lymfocyty a s APC inhibují jejich aktivity (prostřednictvím neznámých povrchových molekul a tlumivých cytokinů).
Obr. 6. Molekuly účastnící se pravděpodobně funkce Treg. Treg interagují s APC pomocí stejných hlavních molekul jako jiné T lymfocyty (TCR, CD28, adhezivní molekuly, CTLA-4). Charakteristickými povrchovými receptory Treg jsou CD25 (IL-2R) a GITR (receptor z rodiny TNFR).
Tyto CD4-pozitivní buňky zřejmě vznikají v thymu (pravděpodobně po interakci se specializovanými thymovými APC vytvářejícími vhodné cytokinové mikroprostředí) a ačkoli evidentně nesou „autoreaktivní“ TCR, nejsou odstraněny procesem negativní selekce, nýbrž jsou exportovány do periferie, kde pak představují několik málo procent všech krevních T lymfocytů. Vyznačují se tím, že na svém povrchu nesou několik
111
„aktivačních antigenů“, hlavně CD25 (α-podjednotka vysokoafinního IL-2 receptoru), a tím, že zatím ne zcela jasným mechanismem tlumí nebezpečné aktivity jiných autoreaktivních buněk. Jejich charakteristickým znakem je také exprese transkripčního faktoru FoxP3. Zdá se, že tyto Treg se musí dostat do přímého kontaktu s cílovými
autoreaktivními buňkami a že určitou roli hrají i jimi produkované tlumivé cytokiny IL-10 a TGF-β. Ačkoli přirozené Treg ochraňují naše tkáně před napadáním autoreaktivními T lymfocyty, bohužel zřejmě podobně ochraňují i nádorové buňky. Jiné typy tzv. indukovaných regulačních (tlumivých) buněk vznikají zřejmě v periferních lymfoidních
orgánech (uzliny, slezina) v průběhu normálních imunitních reakcí proti různým parazitům. Tyto buňky rozeznávají pomocí svých TCR komplexy antigenních peptidů s MHC molekulami a nazývají se Th3 (produkují hlavně TGF-β) nebo Tr1 (produkují hlavně IL-10). Tyto buňky, které zřejmě vznikají po kontaktu se speciálními „tolerogenními“ (asi nezralými nebo „vyčerpanými“) dendritickými buňkami, evidentně slouží k potlačování příliš intenzivních imunitních odpovědí, které by mohly způsobovat imunopatologické komplikace (Obr 7). Výzkum různých typů regulačních T lymfocytů patří v současné době k nejzajímavějším a nejdůležitějším imunologickým problematikám. Pochopení nově objevených základních principů fungování imunitního systému (zásadní role dendritických buněk a regulačních T lymfocytů, důležitost „signálů nebezpečí“) by mělo pomoci k vývoji lepších vakcín (např. proti slabým a nádorovým antigenům, Obr 8) a k terapeutickému potlačení nežádoucích imunitních reakcí (autoimunity, transplantace) (Obr 9). V této přednášce byly jen letmo zmíněny některé konkrétní důležité molekuly imunitního systému. Těch je velmi mnoho, několik stovek či spíše několik tisíc. Jako zdroj podrobnějších informací lze doporučit níže uvedenou knihu, případně velký počet
specializovaných
přehledných
článků
v časopise
Nature
(http://www.nature.com/nri/), z něhož byly převzaty i oužité obrázky.
112
Reviews
Immunology
Obr. 7. Vznik indukovaných regulačních buněk (Th3, Tr1) za různých okolností. (a) Během odpovědi proti patogenům se většina antigenně specifických prekursorových CD4+ T lymfocytů diferencuje (po kontaktu s maturovanými DC) na efektorové Th1 a Th2, zatímco část antigenně specifických prekursorových T lymfocytů diferencuje (po kontaktu se zvláštním druhem maturovaných DC?) na regulační T buňky. (b) Po kontaktu prekursorových T buněk s nezralými DC (nestimulovanými „signály nebezpečí“) dochází k útlumu nebo vznikají regulační (tlumivé) T lymfocyty. (c) V případě alergenů dochází k silné preferenční diferenciaci Th2 lymfocytů bez současného vzniku alergen-specifických Tr, což může přispívat ke vzniku alergie.
113
Obr. 8. Potenciální imunoterapie pomocí dendritických buněk. Z krve pacienta se izolují monocyty, v kultuře se z nich vypěstují zralé dendritické buňky, ty se „nakrmí“ příslušným „slabým“ antigenem (např. nádorovým nebo virovým) a vrátí se do pacientova organismu, kde účinně stimulují vznik antigenně specifických efektorových T lymfocytů.
114
Obr. 9. Potenciální imunoterapie pomocí regulačních T buněk. Z krve pacienta se izolují T lymfocyty, v kultuře se z nich vypěstují regulační buňky specifické pro autoantigen (v případě autoimunitního onemocnění) nebo pro alloantigen (v případě transplantace) a vrátí se do pacientova organismu kde tlumí nežádoucí reakce. Stimulace Tr lze zřejmě dosáhnout také in vivo, bez izolace a in vitro manipulace T buněk.
Podrobnější učebnice: V.Hořejší, J.Bartůňková: Základy imunologie, 2. vydání, Triton, Praha, 2002; 260 stránek, 22 tabulek, 52 obrázků. K dostání např. v prodejně zdravotnické literatury a skript v Lípové ulici, Praha 2. Brzy vyjde aktualizované třetí vydání této učebnice.
115
Od Maxwellova démona k Brownovým motorům Petr Chvosta (KMF, MFF UK, Praha,
[email protected] )
Abstrakt Ve svém příspěvku se nejprve věnuji myšlenkovému experimentu J. C. Maxwella, jisté myšlenkové konstrukci, která sehrála a sehrává významnou roli při vyjasnění mezí platnosti termodynamiky. Stručně popisuji historii zrodu a vymítání imaginárního Maxwellova démona, který svou činností porušuje druhou hlavní větu termodynamiky. Výklad mi umožňuje komentovat některé charakteristické rysy fyzikálních procesů na mezoskopické úrovni. Na této úrovni operují také Brownovy motory, zařízení, která pracují na principu usměrnění termálních fluktuací. Princip jejich činnosti je podrobněji diskutován na dvou příkladech. Je zdůrazněna jejich role v oblasti buněčných technologií a nanotechnologií.
I. Zrození démona V prosinci roku 1867 popsal skotský fyzik James Clerk Maxwell (1831-1879) v dopise svému příteli Peterovi Guthrie Taitovi jistý myšlenkový experiment. Vystupuje v něm inteligentní bytost, která ovládá malá, nehmotná dvířka v jinak nepropustné přepážce mezi dvěma částmi nádoby naplněné plynem. Maxwell vybavuje svého hypotetického kontrolora podivuhodnými schopnostmi. Bytost přesně zaznamenává polohy a rychlosti molekul plynu v obou částech nádoby. Na základě získané informace dále selektivně, podle jistých pravidel, otvírá svými citlivými prsty dvířka a umožňuje tím průchod jistých molekul z jedné části nádoby do druhé. Maxwell byl jedním z tvůrců kinetické teorie plynů. Zásadní, nová idea této teorie spočívá v tom, že rychlosti molekul v plynu nejsou stejné. Rychlosti se liší svým směrem, avšak zejména také existuje jisté rozdělení jejich velikostí. Toto rozdělení se vždy, samo od sebe, ustanoví, jestliže je plyn při určité teplotě v rovnováze. Existuje jistá střední rychlost, řádově stovky metrů za sekundu, a tato střední rychlost určuje teplotu plynu. Vždy, při jakékoliv teplotě, jsou však přítomny i molekuly, které se pohybují s rychlostí větší nebo menší než je střední rychlost odpovídající dané teplotě. Jsou zde dokonce molekuly, jejichž velikost rychlosti je libovolně velká nebo libovolně malá.
116
A právě toho využívá náš kontrolor. Pokud se ke dvířkům blíží rychlá molekula z jedné části nádoby (řekněme pravé), dvířka otevře a propustí ji do levé části. Pomalé molekuly v tomto směru nepropouští. Pokud se ke dvířkům blíží pomalá molekula z levé části, je jí umožněn průchod. Rychlé molekuly z levé časti, pokud by i mířily vhodným směrem, narazí na zavřená dvířka a jsou nuceny setrvat v levé části.
Obrázek 1: Maxwellův démon při práci.
Stručně řečeno, zprava doleva rychlé ano a pomalé ne. Přitom zde „rychlé“ znamená rychlejší, než je aktuální střední rychlost molekul v levé části, která současně určuje aktuální teplotu plynu v této levé části. A naopak. Zleva doprava pomalé ano a rychlé ne. Přitom „pomalé“ znamená pomalejší, než je aktuální střední rychlost v pravé části. Tato aktuální střední rychlost současně určuje aktuální teplotu plynu v pravé části. V roce 1871 publikoval Maxwell své centrální dílo, knihu Teorie Tepla. Zde opět popsal svůj myšlenkový experiment a využil jej k podpoře svého dalšího zásadního objevu. Zákon růstu entropie, jedno z kruciálních pravidel pro řád věcí, neplatí! Přesněji neplatí v tom absolutním smyslu, v jakém se dosud vždy chápala platnost fyzikálních zákonů. Jeho platnost je slabší, podmíněná, má statistický charakter. Platí s jistou pravděpodobností a jeho použití je tedy nutno vždy doplnit o výpočet této pravděpodobnosti. Statistický charakter zákona růstu entropie je jeho principiální atribut a na tom nic nemění ani to, že za obvyklých podmínek je pravděpodobnost jeho narušení nepředstavitelně blízká k nule. Je však nenulová. Poprvé v historii fyziky jsme nuceni připsat jistému zákonu status „nejlepšího odhadu“. Není pravda, že entropie uzavřeného systému nikdy neklesá. Může klesat. Avšak v průběhu všech procesů, probíhajících v uzavřeném systému, je pokles entropie extrémně nepravděpodobnou možností. Místo obvyklého znění jsme nuceni například klasickou Kelvinovu formulaci druhé hlavní věty termodynamiky vyslovit takto. Nelze sestrojit periodicky pracující stroj, který by s vysokou pravděpodobností transformoval teplo z jediného rezervoáru na ekvivalentní množství práce.
117
V roce 1874 použil poprvé William Thomson, pozdější lord Kelvin, pro Maxwellova kontrolora označení démon. Démon je tedy s námi 131 let. Za tu dobu byl několikrát zdánlivě vyvrácen, popřen, zařknut. Vždy se však dokázal znovu vrátit a ve skutečnosti nerušeně pokračuje ve své nenápadné vedlejší aktivitě. Je totiž vynikajícím učitelem a hraje důležitou roli v naší snaze pochopit přírodu. Zrodil se v oblasti statistické fyziky, pronikl do kvantové teorie, kosmologie, a teorie počítačů. Zabydlel se ve filosofii a v historii vědy. Navíc, jak uvidíme dále, jej patrně čeká skvělá budoucnost.
II. Démon porušuje zákon Když uvažujeme nad démonem, musíme nejprve připustit, že jeho činnost není spojena s konáním práce. Dvířka jsou nehmotná a pohybují se bez tření. Jak známo, jakákoliv práce konaná termodynamickým systémem, nebo práce konaná na systému, znamená konec konců jistou změnu v té části vesmíru, která netvoří systém (často se v této souvislosti hovoří o zbytku vesmíru). Změna by byla nakonec převoditelná na změnu polohy jistých závaží v gravitačním poli. K tomu nedochází.
Dále, démon zřejmě nenarušuje zákon zachování energie. Nemění kinetickou energie molekul. Jestliže propustí jistou molekulu například z pravé části nádoby do levé, přesune se spolu s ní zprava doleva také její kinetická energie. Celková energie se zachovává, mění se pouze její rozdělení mezi oběma částmi. První hlavní věta termodynamiky platí. Nechť je v obou částech nádoby z předešlého odstavce nejprve stejná teplota. Je tedy stejná i střední rychlost molekul. Jakmile se první rychlá molekula přesune zprava doleva, ponechá si velikost své rychlosti, začne však již vystupovat ve výpočtu střední rychlosti v levé části. Z hlediska molekul v levé části je tato nová molekula rychlejší, než byla původní střední rychlost. Je-li nyní nově příchozí molekula zahrnuta do výpočtu nové střední rychlosti, střední rychlost v levé části se zvýší. Zvýší se tedy i teplota plynu v levé části. Podobně v pravé části nyní chybí jedna rychlá molekula. Nová střední rychlost molekul v právé části bude tedy nižší, než byla původně. Teplota plynu v pravé části se sníží. Nechť je již vytvořen jistý teplotní rozdíl mezi teplotami plynu v obou částech nádoby. Plyn vlevo je teplejší, než plyn vpravo. Podle výše popsaných pravidel, kdykoliv se nyní v levé části objeví nová molekula, je to molekula s vyšší než průměnou rychlostí a teplota vpravo se dále zvýší. Celkově vzato, postupně se teplotní rozdíl zvyšuje. Teplo, tj. kinetická energie pohybu molekul, se přesouvá od tělesa studenějšího k teplejšímu. To je ale velké překvapení, protože podobnou věc v přírodě nikdo nikdy nepozoroval. Slavný Ludwig Boltzmann (1844-1906) tvrdí, že tento fakt není rozhodující. Doporučuje trpělivost. A jak je to s entropií? Pojem entropie je bezesporu jedním z nejméně triviálních fyzikálních pojmů. Tím však není vinen Rudolf Clausius (1822-1888), který tento pojem poprvé použil v roce 1865. V jeho pracech je zákon růstu entropie především jistou metamorfózou Carnotových úvah o tepelných strojích. Clausius uvažoval takto. Jestliže jistý termodynamický systém přijímá teplo, a jestliže se to děje při jisté teplotě tohoto systému, přichází současně do tohoto systému zvláštní veličina, entropie, definovaná jako podíl přijatého tepla a teploty, při které bylo toto teplo přijato. Entropie tohoto systému, 118
řekněme příjemce, se zvětšuje. K přenosu tepla dochází při tepelném kontaktu. Dárce, systém, ze kterého teplo proudí, má v přírodě vždy vyšší teplotu než příjemce. Dárce předal stejné teplo, jako bylo přijato příjemcem. Teplota dárce však přitom byla vyšší, než teplota příjemce. Podíl odevzdaného tepla a teploty dárce je roven úbytku entropie dárce. Srovnejme nyní úbytek entropie dárce a přírůstek entropie příjemce. Vyšší teplota dárce znamená, že úbytek jeho entropie je menší než přírůstek entropie příjemce. Celkově vzato, přenos tepla je vždy spojen se vzrůstem sumární entropie systému (dárce + příjemce). Zobecněním těchto úvah odpozoroval Clausius zvláštní tajemství přírody. V průběhu jakéhokoliv přírodního procesu, který někdo někdy pozoroval, se entropie přesouvá z místa na místo, avšak tak, že při tom současně působí jakási zřídla této veličiny. Koncový stav vesmíru má vždy větší entropii než výchozí. Pořadí stavů systému v čase je totožné s pořadím stavů systému pokud jde o obsah entropie. Růst entropie určuje, co bylo dříve a co později. Růst entropie určuje šipku času. Maxwellův démon však tato pravidla porušuje. Skutečně, opakujme mutatis mutandis právě provedené úvahy. Dárce, pravé část nádoby, má nižší teplotu, než příjemce. Z dárce odchází jisté teplo, totéž teplo je přijato levou částí nádoby. Z pravé části odchází více entropie, než kolik se objeví v části levé. Sumární entropie se snížila. Nevídané. A co více, démon vytvořil „z ničeho“ rozdíl teplot. Již Sadi Carnot (1796-1832) nás poučil, že jakýkoliv rozdíl teplot vytváří možnost konat práci. Stačí chvíli třídit molekul a pak spustit tepelný stroj, pro který budou naše dvě části nádoby zdrojem (levá, nyní teplejší část) a úložištěm (pravá, nyní studenější část) tepla. Část tepla, odebraného zdroji, je možno transformovat na práci. Nelze se vyhnout jasnému závěru: démon je perpetum mobile, věčný hybatelem druhého druhu.
III. Tlakový démon, více o entropii Jak jsme již naznačili a jak ještě uvidíme, démon je vyjímečně životaschopný. Od dob Clerka Maxwella se především značně zobecnila jeho kvalifikace. Nemusí nutně obsluhovat dvířka. Nechť dělá cokoliv. Požadujeme pouze následující: 1) Démon pracuje cyklicky. 2) Po skončení periody je zbytek vesmíru ve stejném stavu jako v okamžiku zahájení cyklu. Působením démona 3a) je buď generován teplotní rozdíl dvou systémů, jejichž teplota byla původně stejná, nebo 3b) jisté množství tepla je transformováno na práci, nebo 3c) je vytvořen tlakový rozdíl dvou systémů, jejichž tlak byl původně stejný. Jinými slovy, vždy vyžadujeme, aby šotek přelstil druhou hlavní větu termodynamiky. Jednou z nejprostších modifikací původní Maxwellovy myšlenky je tlakový démon. Kulisy jeho působení jsou stejné jako výše. Nyní však démon propouští molekuly, ať už rychlé nebo pomalé, pouze v jednom směru (řekněme zprava doleva). Postupně se tedy počet molekul v levé části nádoby zvětšuje a počet molekul v pravé části se zmenšuje. Teplota zůstává stejná. Nakonec se pravá část úplně vyprázdní. Vzniklý tlakový rozdíl lze konec konců využít k pohánění různých mechanizmů, například pneumatických kladiv. Na první pohled není zřejmé, proč by takový proces nemohl existovat. Stačí si představit miniaturní nehmotná dvířka otvíratelná jen v jednom směru, dovnitř levé části nádoby, a držená v zavřeném stavu nesmírně jemnou přítlačnou pružinkou. Molekula z pravé části narazí na dvířka, svým nárazem je otevře, a současně pronikne do části levé. Pružina se nejprve stlačí, po
119
průletu však poklop uzavře a nakonec se dostane do výchozího stavu. Molekuly z levé části dvířka otevřít nemohou, zabraňuje jim v tom mechanizmus dvířek. Jsou v levé části uvězněny. Avšak tlakový skřítek je opět, mírně řečeno, krajně podezdřelé individuum. Vznik tlakového rozdílu „z ničeho“, tj. beze změny stavu zbytku vesmíru nikdo nikdy nepozoroval. Naopak, v přírodě vždy pozorujeme jistou imanentní tendenci k vyrovnávání tlaků. Uvažme třeba klasický příklad nevratného procesu, expanzi plynu do volného prostoru. Nechť je jistá nádoba rozdělena pevnou, nepropustnou přepážkou na dvě části stejného objemu. V jedné části je plyn jisté teploty a tlaku, druhá část je prázdná. Jestliže v přepážce vytvoříme malý otvor, plyn vždy proudí z původně naplněné do původně prázdné části nádoby. Nikdy obráceně. Proces se zastaví až po vyrovnání tlaků v obou částech. Proč došlo k vyrovnání tlaků? Důvod, můžeme-li to tak říct, je spíše matematický než fyzikální. Počet molekul v obou částech nádoby se vyrovnává ne proto, že by snad mezi molekulami plynu působily nějaké odpudivé síly. Příčina je zvláště subtilním způsobem skryta v samotné existenci pohybu molekul. Objevil ji Ludwig Boltzmann po více než třicetiletém, neúnavném a osamělém zápasu. Vlivem srážek molekul mezi sebou a vlivem nárazů molekul na stěny nádoby vzniká posloupnost jistých mikroskopických uspořádání, mikrostavů. Daný mikrostav je určen tím, že řekneme, kde se nachází každá jednotlivá molekula plynu. Vlivem pohybu a srážek se mikrostav soustavy velmi rychle mění. Můžeme však říci, že každý mikrostav trvá (je v platnosti) jistý velmi malý časový interval. Tento interval je stejný pro jakýkoliv mikrostav. Po uplynutí uvedeného intervalu soustava změní mikrostav. Z mikroskopického hlediska je tedy časový vývoj jistou posloupností mikrostavů. Na úrovni našeho makrosvěta tuto posloupnost však nemůžeme zaznamenat, zabraňuje tomu pomalost našich smyslů a přístrojů.
V protikladu k pojmu mikrostavu uvažme nyní pojem makrostavu. Daný makrostav je určen tím, že řekneme, kolik molekul je v jednotlivých částech nádoby. Makrostav je to, co pozorujeme na makroskopické úrovni. Zásadní je nyní tato úvaha. Jeden a tentýž makrostav lze realizovat určitým počtem mikrostavů. Někdy to vyjadřujeme jinak. Říkáme, že daný makrostav je kompatibilní s jistým počtem mikrostavů. Čím je makrostav symetričtější, čím je blíže k rovnováze, tím je větší počet mikrostavů, kterými jej lze realizovat (jsou s ním kompatibilní). Protože však každý mikrostav je v platnosti stejnou dobu, znamená to také následující. Symetričtější makrostav pozorujeme delší dobu. Zbytek úvahy se opírá o velký počet zúčastněných částic. Poměr dob, během kterých pozorujeme dva různé makrostavy, řekněme méně symetrický makrostav A a symetričtější makrostav B, je roven poměru počtu mikrostavů, kterými jsou jednotlivé uvažované dva makrostavy realizovány. A tento poměr je prakticky roven nule. Boltzmann definoval entropii daného makrostavu jako logaritmus počtu mikrostavů, kterými je daný makrostav realizován. Logaritmus je rostoucí funkce. Nyní tedy již začínáme vidět pod pokličku přírodních procesů. Entropie se zvyšuje s časem, protože systém vždy přechází od makrostavu, kterému odpovídá menší počet mikrostavů, k makrostavu, který je kompatibilní s větším počtem mikrostavů. Opačný proces, přechod systému z více symetrického makrostavu k méně symetrickému, je spojen s poklesem entropie. Tento proces je možný, avšak mizivě pravděpodobný. Po příslušných výpočtech se ukáže, že střední doba čekání na takový proces je nesrovnatelně větší než stáří vesmíru.
120
Je to číslo, u něhož počet číslic před desetinou čárkou je srovnatelný se stářím vesmíru v sekundách. Taková čísla lze s nadsázkou označit jako XXL čísla. Vraťme se k naší ústřední postavě, k tlakovému démonu. Z popisu jeho aktivity vyplývá, že vytváří méně symetrický makrostav z více symetrického. Postupně snižuje počet mikrostavů, slučitelný s daným rozdělením. Snižuje tedy i logaritmus tohoto počtu, entropii. A protože se zbytek vesmíru nemění, démon se opět kvalifikuje jako narušitel zákona růstu entropie.
IV. Historie vymítání Když Maxwell uvažoval o svém démonu, jasně uvedl, že věří v platnost druhé věty termodynamiky. Poznamenal, že lidé ji patrně nebudou moci nikdy porušit, protože nemohou dosáhnout schopností démona, pokud jde o možnost pozorovat a třídit jednotlivé molekuly. Jeho démon nebyl zrozen jako zlá bytost, kterou je třeba vyhnat za hranice fyziky a za každou cenu tak „zachránit“ zákon růstu entropie. Zůstává však skutečností, že následující badatelé se vesměs soustředili na popření démona. V historii vymítání (exorcismu) Maxwellova skřeta můžeme vydělit tři důležitá období První období, období let 1867-1929, můžeme nazvat obdobím mechanistickým. V tomto období byl démon obvykle ztotožněn s nějakým zařízením, přístrojem, jakýmsi ventilem, který automaticky třídí molekuly. Příkladem je již uvedený tlakový démon. Avšak stále dlužím laskavému čtenáři argumenty pro jeho popření. Zde jsou. Údery molekul se pružina bude zahřívat. Její atomy získají stejnou střední energii, jakou mají molekuly plynu. Sama pružina se nevyhnutelně stává součástí hry. Má-li mít rozměr a energii typickou pro mikrosvět, nelze ji nadále chápat jako prvek makrosvěta. Její energie fluktuuje. Vlivem určité, málo pravděpodobné, nicméně možné posloupnosti nárazů molekul může pružina „nasbírat“ dostatečnou energii k samovolnému stlačení. Pak se ovšem poklop otevře, aniž by do něj narazila molekula. Je-li přitom již dříve vytvořen určitý rozdíl tlaků, a jsou-li takto náhodně a nechtěně dvířka „sama od sebe“ otevřena, dojde k nechtěnému přesunu molekul z levé části nádoby zpět do pravé části. Tlaky se vyrovnávají. Může se dokonce stát, že dvířka popoženou svým fluktuačním pohybem molekulu zpět zleva doprava. Úvaha je zcela seriózní a lze ji matematicky zpracovat. Vrátíme se k ní v souvislosti s Feynmanovým modelem mechanického démona. Počítačové simulace mechanických démonů ukazují, že podobné vyvrácení lze najít pro sebedůmyslnější soustavu vrátek, poklopů, západek, pružinek a ozubených koleček (rohatek). Jenže démon nemusí být nutně realizován nějakým mechanickým modelem. Uvažme například polovodičovou diodu. Je známo, že její volt-ampérová charakteristika je asymetrická, dioda propouští elektrony jen v jednom směru. Uvažme nejprve obvod bez zdroje a bez diody. Vlivem termálního pohybu atomů vodiče vznikají v obvodu náhodné, fluktuující elektrické proudy. Elekrony jsou kmitající krystalovou mříží postrkovány dopředu a dozadu. Časová střední hodnota těchto proudů je však nulová. Jinak by obvodem bez zdroje tekl makroskopický proud. Nyní zařadíme do obvodu bez zdroje diodu. Proč vlastně dioda neusměrní náhodné fluktuace proudu? Po časovém středování by tak vznikl, opět „z ničeho“, makroskopický proud. Důvod je podobný jako výše. Diodu nelze vydělit z mikrosvěta. Je nutno přihlédnout k mikroskopickému mechanizmu její usměrňující schopnosti, je ji nutno
121
popsat na mikroskopické úrovni. Je nutno zahrnout vliv termálních fluktuací na samotnou její činnost.
Druhé období, období let 1929-1961, lze nazvat obdobím informačním. V roce 1929 publikoval Leo Szilard vlivnou práci, která vnesla do diskuze nový prvek. Szilard se nesnažil představit si nějaký konkrétní mechanizmus činnosti démona. Místo toho se soustředil na tu část původní Maxwellovy kvalifikace, ve které se hovoří o inteligentní bytosti. Sebedůmyslnější démon musí přece především o molekulách něco vědět. Musí například zaznamenat, kde se právě nacházejí a jakým směrem se pohybují. Musí tedy nejprve získat jistou informaci. Pojem informace opět není právě nejprostší. Jedno je však jisté. Informace je fyzikální povahy. Zisk informace je vždy spojen s určitou změnou ve fyzikálním stavu látky. Szilard tvrdí, že zisk infornace není zadarmo, že vždy, principiálně, stojí jistou energii. Přitom neukazuje, jak se konkrétně realizuje tato souvislost informace a energie. Pozdější autoři například pracovali zcela seriózně s hypotézou, podle které musí démon na molekuly nejprve posvítit, aby o nich získal informaci. Jakkoliv vzato, pojem informace vstoupil do sféry fyzikálních zákonů. Pro celé druhé období je pak charakteristické hledání fundamentálních mechanizmů zisku informace a jejich energiová, a tím i entropická analýza. Třetí období, období od roku 1961 do současnosti, se odvíjí od série prací R. Landauera a C. Bennetta. Zde se překvapivě ukázalo, že zpracování informace nemusí stát energii. Výzkum byl původně motivován rozvojem počítačů. Nakonec vedl ke vzniku nového oboru, termodynamiky výpočtů. Autoři dokazují, že ve skutečnosti je se vzrůstem entropie spojeno vymazání informace, ne její záznam. V ideálním počítači vznikají energetické ztráty (energie se mění na odpadní teplo, entropie počítače se zvyšuje) pouze při mazání paměťových médií. A Maxwellův démon je vlastně počítač, který zpracovává informace o polohách molekul a využívá je k dovedné manipulaci. Má-li se však nakonec vše vrátit do výchozího stavu, má-li být jeho činnost skutečně periodická, je nutno informace nejen shromažďovat, ale i mazat. S mazáním informace je ovšem spojen růst entropie. Postupně se učíme přemýšlet o informaci z nového hlediska. Informace je výhoda, ale i přítěž. Platíme za čerstvé noviny, ale také za to, že se zbavíme včerejších novin. Pro démona představují „včerejší noviny“ značnou přítěž. Cena za vymazání nepotřebné informace neutralizuje výhodu, kterou uplatnil v okamžiku, kdy informace byla ještě aktuální. Podrobným průvodcem literaturou o Maxwellově démonovi je práce [1]. Debata pokračuje dále, zkoumají se nové argumenty, snad každá část fyziky má „svého“ démona. Některá pojednání jsou seriózní, jiná méně fundovaná. Avšak v každém případě lze zřetelně zaznamenat jisté zeslabení tradičního nepřátelského vztahu k samotné možnosti narušení zákona růstu entropie. Vědci se odpoutávájí od striktně deduktivního charakteru tohoto zákona a akceptují jeho statistický, škálově závislý charakter. Pozornost se tak může zaměřit na reálné situace, ve kterých se nový charakter zákona projevuje nejzřetelněji. Jsou to zřejmě situace, ve kterých není „ani málo ani mnoho” zúčasněných částic. Jak uvidíme v dalším odstavci, tato část fyziky je charakteristická srovnatelností energie termálních fluktuací s jinými zúčastněnými druhy energie, zejména s energií chemickou.
V. Brownův svět
122
Zaměřme nyní pozornost na speciální zařízení, která, stejně jako Maxwellův démon, operují ve světě řízeném specifickými zákony. Pracovně jej můžeme dále označovat jako Brownův svět. Svět, ve kterém panuje všudypřítomné, nepominutelné a neustávající bombardování molekulami okolí. Je jistou ironií historického vývoje fyziky, jak nedostatečně je tento svět prozkoumán. Zápas o realitu atomů trval přes dva tisíce let, od doby řeckých atomistů Leukippa a Démokrita z Abdér, po průlomové práce Einsteina, Langevina a Perrina v prvním desetiletí dvacátého století. A přitom se současně s ústupem posledních odpůrců atomární teorie již přesouvá pozornost předních badatelů mimo Brownův svět, k samotné vnitřní stavbě atomů. Vzniká kvantová teorie. Obyvatelé Brownova světa jsou tisíckrát až desettisíckrát větší, než molekuly. Máme-li tento vztah ilustrovat obrázkem z makrosvěta, můžeme si představit bitevní křižník, plovoucí v moři pohybujících se hrášků. Nebo automobil v extrémně silném krupobití. Nebo medvěda obklopeného rojem včel. Avšak při podobných příměrech musíme vždy spolu s rozměry odpovídajícím způsobem transformovat také rychlosti, síly, energie. První pravidlo Brownova světa zní: inerciální efekty nehrají žádnou roli. Vazkost prostředí vždy dominuje nad setrvačností. Podíl setrvačných a vizkózních sil je vyjadřován tzv. Reynoldsovým číslem. Brownův svět je tedy svět malých Reynoldsových čísel. Znamená to návrat k Aristotelovskému pravidlu: není pohybu bez síly. Konstantní síla uděluje tělesům okamžitě konstantní rychlost. Přestane-li síla působit, těleso se okamžitě zastaví. Tělesa nemají pohybovou paměť, jejich pohybový stav v daném okamžiku je určen výhradně silami, působícími v tomtéž okamžiku. Reynoldsovo číslo je definováno jako součin rozměru a rychlosti pohybujícího se tělesa, vynásobený podílem hustoty a vazkosti prostředí, ve kterém se pohyb děje. Uvažme dvě škálově rozdílné situace, vykazující stejné Reynoldsovo číslo. Potom je kinematika a dynamika pohybu v obou situacích srovnatelná. Kdybychom takto chtěli transformovat poměry panující v Brownově světě do našeho, makroskopického světa, byl by vhodný následující příměr. Muž plave v bazénu, naplněném melasou. Je mu však povoleno pohybovat končetinami maximální rychlostí několika milimetrů za den. Za takových okolností je autonomní pohyb, pohyb založený konec konců na setrvačných efektech, v podstatě vyloučen. Zaměřme se nyní na druhou možnou příčinu pohybu v Brownově světě, na difúzní pohyb. Typický výkon (energie za jednotku času), který si vyměňuje obyvatel Brownova světa s bombardujícími molekulami, je o devět! řádů vyšší než výkon spojený s jeho pohybem v poli působících ne-termálních sil. Představa o přímé chůzi v hurikánu je pouze vzdálenou analogií. Druhé pravidlo Brownova světa zní: rychlost difúzního pohybu je srovnatelná s jakoukoliv jinou rychlostí, kterou by snad mohly vyvolat ne-termální síly. Avšak co to je difúzní rychlost? Představme si velký počet Brownovských částic, umístěných v počátečním čase do počátku souřadnicového systému. Každá z nich začne vykonávat Brownův pohyb. Po určité době se některé z nich nacházejí dále od počátku, jiné blíže k počátku. Albert Einstein si jako první v roce 1905 uvědomil, že jediná konzistentní otázka, kterou je možno položit je tato. Podle jakého časového zákona se zvětšuje poloměr koule, definované požadavkem, aby ve svém
123
vnitřku vždy obsahovala právě polovinu všech částic? Zjistil, že poloměr takto definované koule je přímo úměrný druhé odmocnině z času. Konstanta úměrnosti roste s teplotou. Poloměr této koule v jednotkovém čase je měřítkem rychlosti, s jakou probíhá „rozpíjení kaňky částic”. Velká difúzní rychlost znamená rychlé „rozpíjení”. V Brownově světě tedy vnější síly nikdy nemohou přinutit částici, aby předhonila difúzi. Difúze je rychlejší. Má však jednu nevýhodu. Směr, ve kterém je částice hnána bombardováním, je náhodný. Částice nepřechází z výchozího budu do nějakého určitého cílového bodu. Pouze se od výchozího bodu vzdaluje, a to ještě ve středním smyslu popsaném v Einsteinově otázce. Difúzní pohyb má typickou rychlost, postrádá však směřování. Jak tedy využít silného bombardování k tomu, aby docházelo k pohybu jistým plánovaným směrem? Dostáváme se opět velmi blízko k úvahám o mechanickém Maxwellově démonu. V stejném směru uvažoval jeden z dalších průzkumníků Brownova světa, polský vědec Marian Smoluchowski (1872-1917). Později rozvinul jeho myšlenky fascinujícím způsobem Richard Feynman (1918-1988). Feynman předkládá ve 46. kapitole prvního dílu jeho Přednášek z Fyziky čtenářům zařízení na Obrázku 1. V obou naznačených nádobách je plyn. Molekuly plynu v pravé nádobě narážejí na lopatky a způsobují otáčení hřídele. Západka v levé nádobě je tlačena pružinou k ozubenému kolu. Západka zabraňuje zpětnému otáčení. Mezi nádobami je na hřídeli připevněna kladka. Na kladku se může navíjet vlákno. Vlákno zvedá závaží. Bude zařízení fungovat?
Obrázek 2: Feynmannova rohatka. Komponenty zařízení a princip činnosti jsou popsány v hlavním textu.
Feynman nejprve uvažuje případ stejných teplot plynu v obou nádobách. Opět není možné vyčlenit z Brownova světa pružinu v levé nádobě. Vlivem nárazů molekul fluktuuje její energie, podobně jako u nám již známého tlakového démona. Fluktuace způsobí občasné samovolné stlačení pružiny, a tedy i její samovolné oddálení od ozubeného kola. Jestliže k tomu dojde, začne se kolo „prokluzovat“, otáčí se nežádoucím směrem. Feynmanova
124
varianta tlakového démona je tak vyvrácena. K transformaci tepla (kinetická energie molekul plynu v pravé nádobě) na práci (zvedání závaží) nemůže dojít! Feynman však pokračuje v analýze. Předpokládejme, že teplota plynu v pravé nádobě je vyšší než teplota plynu vlevo. Pak fluktuace pružiny již nestačí neutralizovat její usměrňující účinek a zařízení se skutečně otáčí zamýšleným směrem. Nejedná se přitom o Maxwellova démona, ale o jistou modifikaci Carnotova stroje. Teplo je odebíráno plynu v pravé nádobě. Jeho část se transformuje na práci. Přitom se musí jisté teplo odevzdat plynu v levé nádobě. Od Feynmanovy rohatky je již jen krůček k motorům, které skutečně pracují v Brownově světě.
VI. Automobil v krupobití aneb brzděním k pohybu Při čtení předešlého odstavce nás napadají otázky. Jak se vlastně obyvatelé Brownova světa pohybují? Jak vypadají jejich dopravní prostředky? V tomto odstavci jeden takový dopravní prostředek popíšeme. Uvažme automobil stojící na mírném svahu a bombardovaný rovnoměrně ze všech stran obrovskými kroupami. Svah stoupá směrem doprava a automobil je orientován přední stranou proti svahu. Pod zadní pneumatiku umístíme cihlu a zabráníme tak zpětnému pohybu doleva, dolů po svahu. Nárazy krup, které přilétají shora a po svahu nemají žádný účinek. Čas od času však narazí zezadu (zleva) dostatečně rychlá kroupa a postrčí automobil doprava, proti svahu. Kdybychom v tomto okamžiku rychle posunuli cihlu proti svahu a zablokovali tak zadní kolo v nové poloze, zvýšíme potenciální energii automobilu. Opakováním tohoto manévru lze dosáhnout systematického pohybu automobilu proti svahu. Navržená metoda však zřejmě vyžaduje velmi rychlou reakci a synchronizaci. Pokusíme se ji vylepšit. V podstatě budeme sedět uvnitř automobilu a jistým způsobem působit na ozubené kolo, pevně spojené s osou zadních kol. Avšak za předpokladu, že pneumatiky na vozovce neprokluzují, můžeme stejně dobře spojit pás identických zubů (rohatka) pevně s vozovkou a zevnitř automobilu působit na tento pás. Z této druhé představy budeme dále vycházet. V další úvaze je velmi důležité, že zuby rohatky jsou asymetrické. První segment zubu, řekněme část B1, stoupá směrem doprava, je strmějsí a kratší, viz. Obrázek 3. Při průmětu do vodorovné roviny zabírá tento segment úsek šířky L1=αL, α<1/2. Druhý segment B2 klesá směrem doprava a je pozvolnější. Zabírá úsek šířky L2=(1-α)L. Celý zub má šířku L.
125
Obrázek 3: K principu činnosti Brownova motoru. Schéma je částečně popsáno v hlavním textu. Panely (a)-(c) se vztahují k situaci, kdy svah má nulový sklon. Na panelech (d)-(f) má svah kritický sklon. Stoupá směrem doprava právě tak strmě, že se globální pohyb proti svahu právě zastaví. Pro situaci popsanou v hlavním textu má svah sklon větší, než nulový, avšak menší, než kritický. Panely (a) a (c) znázorňují situaci, kdy je mechanizmus tyče uvolněn a pružina ji tedy vtlačuje mezi zuby rohatky. Automobil (částice) se pohybuje v pilovitém potenciálu, znázorněném červenou čarou. Jinými slovy, automobil „cítí“ potenciál Uon. Tato situace je v platnosti po dobu τB. Panely (b) a (e) ilustrují rozplývání pravděpodobnostního rozdělení pro polohu automobilu v případě, kdy je tyč vysunuta nad zuby rohatky. Automobil se pohybuje v potenciálu Uoff určeném výhradně sklonem svahu. K tomu dochází v průběhu časového intervalu τA. Pravděpodobnostní rozdělení pro polohu automobilu se rychle rozplývá a navíc „klouže“ doleva, po svahu – viz. panel (e). Na panelech (c) a (f) je tyč opět uvolněna a automobil opět „cítí“ potenciál Uon. Je tedy „přitahován“ k místům minima potenciálu. V souhrnu se těžiště pravděpodobnostního rozdělení pro polohu posunulo doprava, proti svahu, viz. panel (c). K tomuto posunutí dochází i v případě, kdy je sklon svahu nenulový, avšak menší než kritický.
Uvažme konečně tyč pevně spojenou s konstrukcí automobilu a pohyblivou ve směru kolmém k vozovce, a tedy i k rohatce. Na horním konci je tyč opatřena pružinou, která může tlačit spodní konec tyče mezi zuby rohatky (automobil, tyč a pružina nejsou na obrázku vyobrazeny). Tyč je po dobu τA zablokována ve vysunuté poloze, tj. vysunuta nad zuby rohatky. Poté je po dobu τB uvolněna a pružina ji tedy tlačí mezi zuby rohatky. V průběhu tohoto intervalu tedy automobil „cítí“ pilovitý potenciál na obrázku. Tato dvojice operací se periodicky opakuje. V průběhu časového intervalu τA sjíždí automobil pomalu doleva, po svahu. Kromě tohoto pomalého systematického pohybu však působí údery krup. V jejich důsledku se automobil s tyčí pohybují vzhledem k rohatce skoky, které jsou orientovany se stejnou pravděpodobností proti svahu i ze svahu. Podle předpokladu je tento difúzní pohyb velmi podstatný. V souhrnu těchto dvou mechanizmů se hustota pravděpodobnosti pro horizontální polohu tyče rychle rozšiřuje a současně se jako celek posouvá nechtěným směrem, doleva. V průběhu časového intervalu τB je pružina aktivována. Efektivně dochází k brzdění. Pružina může postupně vtlačit tyč až do místa, kde se stýkají dva sousední zuby. Tomu odpovídá pohyb automobilu k těmto místům. Poté je automobil zabrzděn, až na málo pravděpodobnou možnost úderu zvláště rychlé kroupy a tím i možnost přeskoku tyče o jeden zub doprava nebo doleva. Přeskok zubu doleva je však pravděpodobnější, protože tento zub je nižší. Kdyby tedy byla pružina aktivována neustále, došlo by konec konců k pohybu automobilu doleva, ze svahu! Nyní se konečně dostáváme k samotnému principu činnosti popsaného zařízení. Vpravo sestupný segment B2 je v půdorysu širší než segment sestupný vlevo. Pravděpodobnost toho, že se tyč na počátku intervalu τB nachází nad širším vpravo sestupným segmentem B2 je větší než pravděpodobnost toho, že se nachází nad strmějším a vlevo sestupným segmentem B1. V prvém případě se při brzdění, tj. v průběhu intervalu τB, pohybuje automobil spolu s tyčí směrem doprava a urazí vzdálenost, která je menší nebo rovna šířce segmentu B2. V druhém případě se posune doleva o vzdálenost, která je menší nebo rovna šířce segmentu B1.
126
Periodickým střídáním intervalu typu τA, v jehož průběhu je tyč vysunuta nad rohatku, a intervalu typu τB, kdy je pružina tlačena mezi zuby, můžeme dosáhnout systematického pohybu automobilu doprava, proti svahu. Zhruba řečeno, pohyb vzniká periodickou eliminací vlivu náhodné síly okolí. Energetický vstup souvisí s nutností stlačit na konci intervalu typu τB pružinu, tj. vysunout tyč nad rohatku. Jinými slovy, příkon motoru je spojen s prací nutnou k vypínání pilovitého potenciálu na Obrázku 2. Energetický výstup odpovídá zvýšení potenciální energie automobilu při jeho pohybu proti svahu. Krása systému spočívá v tom, že postup nevyžaduje žádné přesné měření a synchronizaci. Z hlediska operátora se požaduje jediné: periodické vysouvání tyče a uvolňování pružiny. Lze se domnívat, že uvedená konstrukce patří spíše do oblasti vědecko-fantastické literatury. Ve skutečnosti jsme ilustrovali všechny nezbytné prvky činnosti mechanizmů, které operují na buňěčné úrovni, v Brownově světě, a které jsou v uplynulých deseti letech stále intenzivněji studovány. Ukazuje se, že prostorově-časová a energetická měřítka, která panují na molekulární úrovni činí výše uvedenou konstrukci naprosto reálnou. Brownův motor není realizací Maxwellova démona. K výše uvedenému přepínání potenciálů dochází v důsledku průběhu jistých chemických reakcí. Chemická energie se tak transformuje na energii mechanickou, nutnou k pohybu částic ve vizkózním prostředí.
VII. Parrondův paradox Einsteinovo objasnění Brownova pohybu v roce 1905 dlouhodobě stimulovalo rozvoj teorie pravděpodobnosti. Bylo například nutné matematicky zpracovat fyzikální představu o síle, kterou působí molekuly okolí na Brownovskou částici. Tato síla byla fyzikálně modelována jako posloupnost nekonečně častých, nekonečně krátkých, nekonečně slabých a náhodně orientovaných impulzů. Ukázalo se, že pohyb Brownovy částice těsně souvisí s matematickou úlohou o náhodném bloudění. V rámci této tradice se španělský profesor Juan M. R. Parrondo v roce 1996 pokoušel vytvořit pravděpodobnostní model, který by transparentně ilustroval výše popsaný princip činnosti Brownových motorů. Výsledkem byla jistá kombinovaná úloha o náhodném bloudění. Překvapivý závěr o pohybu automobilu proti svahu se ukázal v novém světle: střídáním dvou negativních vlivů lze získat pozitivní efekt. V základní variantě Parrondova paradoxu se nejprve odděleně uvažují dvě prohrávající hry, hra A a hra B. Jejich střídáním podle jistého pravidla, které upřesníme níže, vzniká nová hra, řekněme hra C. Paradox spočívá v tom, že za jistých okolností je hra C vyhrávající.Obecněji řečeno, vhodným střídáním dvou individuálně prohrávajících her vzniká hra vyhrávající. Uvažme hráče s jistým vstupním kapitálem. V každé jednotlivé hře se v případě výhry jeho kapitál zvýší o jedničku, v případě prohry se o jedničku sníží. Hra A je velmi jednoduchá. Spočívá v hodu nepravidelnou mincí. Pravděpodobnost výhry nechť číní p=1/2-ε, kde ε je jisté malé kladné číslo, například ε=1/100. Prohra má pravděpodobnost (1-p). Je-li hrána posloupnost her A, střední hodnota kapitálu klesá. Po nějakou dobu můžeme vyhrávat, avšak v dlouhé sérii her se projeví pravděpodobnostní vlastnosti mince. V tomto smyslu je hra A se
127
slabě nepříznivou mincí evidentně prohrávající. Při opakování hry A tak pozorujeme situaci, kterou známe z minulého odstavce. Při vypnutém pilovitém potenciálu klouže automobil ze svahu, doleva. Nyní se postupně snižuje kapitál hráče. Přitom se současně rozšiřuje pravděpodobnostní rozdělení jednotlivých hodnot kapitálu. Hra B je poněkud složitější. V závislosti na svém aktuálním kapitálu použije hráč buď minci B1, nebo minci B2. Konkrétně je-li jeho aktuální kapitál číslo dělitelné třemi, háže silně nepříznivou mincí B1. U ní je pravděpodobnost výhry pouze p1=(1/10)-ε. V opačném případě, není-li jeho kapitál dělitelný třemi, háže středně příznivou mincí B2. Pro ni je pravděpodobnost výhry p2=(3/4)-ε. Jak dále uvidíme, tyto dvě mince hrají stejnou roli jako dva segmenty zubů v minulém odstavci, proto byly také stejně označeny. Posloupnost her B pak odpovídá pohybu automobilu při neustále zapnutém pilovitém potenciálu. Je hra B skutečně prohrávající? Chybný úsudek by mohl znít takto. Při opakování hry B hážeme v jedné třetině případů mincí B1 a ve dvou třetinách případů mincí B2. Vážená (střední) pravděpodobnost výhry ve hře B je tedy PB=(1/3)p1+(2/3)p2=(16/30)-ε. Pro dostatečně malé ε je PB>1/2. Hra B je tedy vyhrávající. Úsudek je chybný, neboť silně nepříznivá mince B1 není ve skutečnosti používána v jedné třetině hodů, ale poněkud častěji. Skutečně, jestliže je aktuální kapitál násobkem tří, řekněme například 9, pak musíme použít minci B1 a s velkou pravdìpodobností 1-p1=(9/10)+ε prohrajeme. Náš nový kapitál bude 8 jednotek. Musíme tedy použít minci B2. Při hodu touto mincí s pravděpodobností p2=(3/4)-ε vyhrajeme a náš kapitál bude opět 9 jednotek. Oscilace mezi kapitálem (3n) jednotek a (3n-1) jednotek mají tedy velkou pravděpodobnost. V důsledku toho je skutečná frekvence použití silně nepřiznivé mince B1 v dlouhé sérii opakování hry B větší než jedna třetina (a menší než jedna polovina). Nepříznivou mincí hrajeme častěji, než jsme mylně předpokládali. Přejděme nyní k analýze kombinované hry C. Budeme jednoduše náhodně střídat hry A a B. Přesněji řečeno, s pravděpodovností (1/2) hrajeme hru A a se stejnou pravděpodobností (1/2) hru B. Kombinovaná hra má tedy následující pravidla. Je-li aktuální kapitál hráče číslo dělitelné třemi je pravděpodobnost výhry q1=(1/2)p+(1/2)p1. To je pravdìpodobnost toho, že bude hrána hra A, násobená pravděpodobností výhry v této hře, plus pravděpodobnost toho, že bude hrána B, násobená pravděpodobností výhry v této hře při kapitálu (3n). Podobně, není-li aktuální kapitál dělitelný třemi, je pravděpodobnost výhry ve hře C rovna q2=(1/2)p+(1/2)p2. Parrondův paradox spočívá v tom, že kombinovaná hra C je vyhrávající! Dokazuje to detailní analytický výpočet, který se opírá o teorii Markovských řetězců. Změny kapitálu hráče je možno popsat jako náhodné bloudění v třístavovém prostoru. Jednotlivé stavy odpovídají třem možným zbytkům při dělení kapitálu třemi. Hru C lze potom reprezentovat jistou maticí přechodových pravděpodobností. Hledá se stacionární stav vzniklého Markovovského řetězce. Výsledky analytického rozboru lze potvrdit jednoduchou počítačovou simulací. Ukazuje se, že rostoucí tendence kapitálu při hře C do značné míry nezávisí na detailech scénáře pro střídání her A a B. Obě hry lze například střídat pravidelně, nebo podle nějakého jiného pravidla. Klíčovou rolí hry A je růst rozptylu kapitálu předtím, než je v rámci hry B jeho velikost přechodně stabilizována (zabrzděna) v nové poloze, tj. mezi hodnotami (3n) a (3n-1). Jinými slovy, hra A je sama o sobě prohrávající, avšak při střídání her se projeví její nová, pozitivní role.
128
Připravuje vhodný rozptyl kapitálu. Hra B potom rozptýlený kapitál „setřese“. Výsledkem „spolupráce“ obou her je rostoucí tendence kapitálu. Již jsme se zmínili o analogii mezi úvahami v tomto a v předchozím odstavci. Poloha automobilu je analogií kapitálu. Tyč vysunutá nad rohatku odpovídá sérii her, kdy stále opakujeme hru A. Pravidla pro hru B odpovídají jednotlivým segmentům zubu rohatky v minulém odstavci. Hra silně nepříznivou mincí B1 představuje segment zubu, který ostře klesá směrem doleva. Vyhrávající mince B2 posune kapitál „proti svahu“ a odpovídá delšímu segmentu zubu rohatky. Přepínání potenciálu z minulého odstavce koresponduje nyní se střídáním obou výchozích her.
VII. Brownovy motory – nové paradigma Molekulární motory pracují na principu rektifikace termálních fluktuací. Představují unikátní možnost extrakce termální energie a její transformace na čistší formy energie, například na energii mechanickou, elektrickou, či chemickou. Studium jejich činnosti a optimalizace jejich účinnosti jsou předpokladem k pochopení procesů přenosu energie v molekulární biologii. Výroba umělých motorů představuje důležitou oblast nanotechnologie. Užitečná energie vzniká usměrněním pohybu Brownovských částic ve viskózním prostředí, popřípadě při překonávání jiných brzdných sil. V uvažovaných energetických měřítcích je základním určujícím prvkem dynamiky termální, fluktuující síla, která má původ v nárazech částic okolí na studovanou částici. Pokud by tato síla působila sama o sobě, přešla by nutně Brownovská částice do stavu rovnováhy se svým okolím, s tepelnou lázní. Takový stav je vždy charakteristický vymizením makroskopických toků. V mnoha konkrétních situacích je však Brownovská částice ovlivňována navíc jistou dodatečnou vnější časově proměnnou silou. Ta svými časovými změnami fakticky zabraňuje vzniku rovnováhy. Druhým základním předpokladem činnosti Brownova motoru je tedy vyloučení rovnovážného stavu vlivem opakované časové změny vnějšího potenciálu, ve kterém probíhá difúzní pohyb. Uvedené časové změny profilu potenciální energie difúzní úlohy jsou buď implementovány externě, nebo jsou důsledkem např. probíhající chemické reakce. Přitom je však časově vystředované působení vnější síly neutrální. Jinými slovy, tato vnější síla nezakládá po časovém vystředování žádnou apriorní příčinu usměrněného pohybu. Poslední ingredient pro činnost motoru je narušení prostorové inverzní symetrie pro difúzní úlohu. Potenciální profil pro pohyb částice má například tvar periodicky opakovaných asymetrických zubů. A opět, v základní situaci nevytváří uvedený potenciál žádný globální sklon a nemůže tedy generovat per se usměrněný globální pohyb. Zevrubná teoretická analýza uvedené situace vyžaduje pokročilejší metody teorie náhodných funkcí. Řeší se takzvaná Langevinova rovnice, nebo jí odpovídající Fokker-Planckova rovnice. Přesné výočty vedou k překvapivému závěru. Současné splnění podmínek, uvedených v předchozím odstavci vede ke kooperativní interferenci vnější a termální síly. Výsledkem je možnost globálního transportu Brownovské částice v situaci, kdy nepůsobí žádné globální hnací síly! Tento objev se již zařadil k zásadním milníkům při studiu komplexity molekulárního světa. V současné době, po zhruba desetiletém intenzivním zkoumání, je princip experimentálně prověřen v řadě konkrétních situací. Byl mimo jiné navržen k objasnění vnitrobuněčného transportu. Jeho detailní teoretická analýza vedla k hlubšímu pochopení nerovnovážných procesů probíhajících v biologických systémech na molekulární
129
úrovni. Výsledkem postupného pronikání do světa termálních fluktuací je současně významný posun a zpřesnění hranic platnosti makroskopické nerovnovážné termodynamiky. Přehled historického vývoje i současného stavu v oblasti kinetiky Brownových motorů poskytuje obšírná studie [2]. Zde je také uveden podrobný výčet možných aplikací. Současný stav poznání v novější oblasti energetiky Brownových motorů shrnuje práce [3]. Populárnější charakter mají přehledné články [4,5].
Literatura: [1] Leff, H. S., Rex, A. F., Am. J. Phys. 58, (1990) 201-209. [2] Reimann, P., Physics Reports 361, (2002) 57-256. [3] Parrondo, J. M. R., de Cisneros, B. J., Appl. Phys. A 75 (2002) 179-191. [4] Astumian R. D., Hanggi, P., Physics Today, November 2002, 33-39. [5] Astumian R. D., Science 276, (1997) 917-922.
130
Geofyziologie, geologie a desková tektonika Petr Jakeš, Přírodovědecká fakulta UK, Albertov 6, Praha 2 MDI Technologies spol.s.r.o., Ohradní 21, Praha 4
Může se zdát trochu absurdní hovořit o užitečnosti zemětřesení a sopek. Přesto se je pokusím představit v poněkud lepším světle než jsou katastrofy. Jsou totiž demonstrací života planety Země, součástí jejího „metabolického systému“ a nebýt tohoto metabolizmu, nebylo by ani kontinentů, ba ani hor a pravděpodobně ani lidí. Současná geologie a geofyzika nachází vysvětlení těchto geologických aktivit v teorii tektoniky litosférických desek, která vznikla v sedmdesátých letech 20. století. Myšlenka o metabolickém systému Země není však vůbec nová, pochází z druhé poloviny 17. století. Vrátím se tedy k počátkům geologického poznávání Země a k několika málo osobám, které geologii spoluvytvářely a viděly Zemi jako fungující celek vzájemně souvisejících jevů. V 17. a na začátku 18.století se badatelé většinou zabývali pouze popisem jednotlivých objektů, ať to byly horniny, živočichové, rostliny či nerosty. Dynamické jevy sice zobrazovali, ale jejich příčiny často vnímali jako konání vyšší moci. V té době vznikaly nejrůznější systémy a klasifikace, které umožňovaly utřídit rostlinnou, živočišnou i nerostnou říši. V geologii – s výjimkou mineralogie a paleontologie - nebyl, a pro variabilitu objektů vlastně ani nemohl být, vytvořen taxonomický systém podobný tomu, který navrhl v botanice Karl Linné. Do světa tehdejší metafyziky, církevního učení i antropocentrických názorů 17.století náhle vstoupila exaktní Newtonova mechanika se zákony o přitažlivost. Byl to jeden z prvních fyzikálně definovaných jevů. Vzdělanci, schopní odpoutat se od dogmatu, se začali zabývat i původem Země, vysvětlováním vztahu Země a vesmíru, snažili se bořit, a často úspěšně, představy o zeměstředném ptolemaiovském světě, aby ho nahradili sluncestředným koperníkovským systémem, který byl vytvořen a definován před stoletím. Pro studium Země v tom nejširším slova smyslu se objevil termín kosmogenie – předchůdce označení geologie. Z velmi všeobecných pohledů (kosmogenie) se začaly jednotlivé oblasti přírodovědného poznávání specializovat a tento trend postihuje a
131
pohříchu sužuje řadu specializací mnoha vědních oborů dodnes. Poznávání Země s nepřehledným množství krajinných tvarů, rostlinných společenstev, klimatických zón, horninových útvarů, i nesmírného rozměru vyhynulého světa – zkamenělin, nemělo šanci pokračovat bez poznání příčin, které takové jevy vyvolávaly. Svět vědy 17. století vedl k pozorovatelským základům přírodovědy na straně jedné, a ke „spekulačnímu boomu“ na straně druhé. Geologie se vyvíjela nespojitě spíše formou ostře definovaných otázek a sporů. Jedním z těch nejpodsttnějších byl neptunistů a plutonistů. Nebyl to pouze duel o původ hornin, zda všechny povstaly z vody (neptunisté) nebo vznikly působením ohně (plutonisté), v obecné rovině šlo o klání mezi svatými texty a učiněným pozorováním. Za neptunisty se postavilo mnoho teologů tehdejšího světa, protože jejich představa lépe vyhovovala výkladu o stvoření světa, chladné Zemi a biblické potopě. Mezi plutonisty pak převládali pečliví pozorovatelé a ač mnozí byli věřící, jejich názory na vznik a vývoj Země i uspořádání hornin na jejím povrchu se ne zcela shodovaly s tehdejším silně redukovaným a zjednodušujícím pohledem církve. Evropa se „připravovala“ na průmyslový vzmach. Samotný rozvoj a specializace řemeslné výroby si žádaly přísun nerostných surovin v množstvích podstatně větších než potřeboval pozdní středověk. A tak se objevil i problém, jak nerostné suroviny hledat a těžit a jak z nich efektivně získávat užitkové složky, například kovy. Sedmnácté století a počátek století osmnáctého byly proto i dobou rozmachu dolování. V Německu a tehdejším Rakousko-Uhersku se zakládaly hornické akademie, školy geologie a prospektorství, které se zabývaly poznávání Země v tom klasickém a konzervativním křesťanském smyslu. Revolučnější – „pozorovatelské“ – studium zakotvilo (s trochou nadsázky) v anglických či skotských klubech či královských akademiích Británie či Francie. Neptunisté měli největší oporu v Hornické akademii v saském Freibergu. V té době se obecně věřilo, že Země je uvnitř chladná. Zakladatelem a představitelem neptunistického učení byl tamní profesor Abraham Gottlob Werner. Domníval se, že všechny horniny jsou pozůstatkem původního „stvořeného“ celosvětového oceánu. Werner nebyl nakloněn ani myšlence, že by bazalty – čediče mohly pocházet z nitra Země. Připustil-li vůbec „žhavý“
132
původ bazaltů, pak jenom v souvislosti s hořením uhlí či dehtu v podzemí. Za důkaz mu posloužila znalost saského i českého Podkrušnohoří s hnědouhelnými pánvemi. Na české straně se vyskytují jak uhelné vrstvy, tak vyvřelé horniny čediče. Myšlenka o podzemních ohních nebyla nová – lze ji například nalézt u Seneky (4 př.n.l. – 65 n.l.). Werner svou charizmatickou osobností ovlivnil mnoho žáků, mezi jinými Alexandra von Humboldta a barona Leopolda von Bucha. Oba začali svou dráhu ve stopách svého učitele jako neptunisté. Idea neptunismu si našla příznivce i mimo Německo V Anglii založili dokonce Wernerovskou neptunistickou společnost, která dlouhodobě neblaze ovlivnila začínající přírodovědce a pozorovatele, mezi něž patřil i Ch. Darwin. Ten po přednášce vůdčí osobnosti Wernerovské společnosti
prof. Jamesona napsal: „Když pomyslím na tuto
přednášku, nedivím se, že jsem se rozhodl nevěnovat se geologii.“ Opozicí neptunistům byli plutonisté. Ve Francii k nim patřil například Nicolas Desmarest, za kanálem to byl Skot James Hutton, jehož tvrdošíjný odpor k neptunistickým teoriím vycházel z výletů do přírody, které přerostly do pečlivého studia a nakonec vedly k napsání knihy. Desmarest se na svých „služebních cestách“ po francouzských královských továrnách, jichž byl inspektorem, zajímal spíše než o továrny o přírodu. Prostudoval Chain de Puîs, oblast Francie v blízkosti Clermont Ferrand. Z pozorování odvodil, že „čedičové sloupy spočívají na vrstvě popela a spečené země.... na nich leží jakýsi druh pěny......a že se proud hornin vynořuje z blízkého vulkánu“. Byl postojem jasný plutonista. Na tehdejší dobu to byl opravdu revoluční názor. Desmarest se vyhýbal všem sporů a ostrým debatám a nikdy za plutonisty nebojoval. Říkal jenom: „jděte, a dívejte se“. . Abraham Gottlob Werner byl poměrně chatrného zdraví, a kromě několika málo cest do Krušnohoří, necestoval. Jeho žáci, a to jak Humboldt, tak von Buch, byli naopak nadšenými cestovateli. Na základě poznatků z cest se z nich stali plutonisté (von Buch se za plutonistu prohlásil teprve po Wernerově smrti, zřejmě z ohledu ke svému učiteli). Jak Humboldt tak von Buch přinesli geologii gigantické množství poznatků. Humboldt, hýřící skvělou fyzickou kondicí (slezl jako první Chimborazo v Ecuadoru), viděl, popsal a nakreslil vulkány obou amerických kontinentů. Von Buch cestoval Evropou a popsal vulkanické jevy v Itálii, na Kanárských ostrovech i ve Francii. James Hutton (1726 – 1797) byl zřejmě svérázný člově s podivně klidnou a přesto dramatickou životní dráhou. Narodil se do „dobré“ a zajištěné rodiny. Vystudoval chemii a
133
lékařství. Napsal disertační práci o cirkulaci krve a právě tato práce a studium fyziologie člověka se dá vystopovat i v pozdějším období jeho života. Jako „vzpomínku“ na své lékařské vzdělání použil Hutton ve své geologické knize termínu „geofyziologie“. (Ochránce životního prostředí jistě potěší i další Huttonův termín – „obyvatelná Země“). Po studiu lékařství v Edinburgu, Paříži a Leydenu se stal farmářem. Tato činnost ho zřejmě neuspokojovala a tak se z rodinných statků v Berwickshire přestěhoval do Edinburgu. O něco později ho zájem o chemii přivedl k podnikání. Začal vyrábět amonné sole (chlorid amonný), a touto činností se tak dobře finančně zajistil, že si mohl dopřát žít jako „gentleman of leisure“. Založil a stal se jednou z vůdčích osobností tzv. „Oyster club“4. Ve skotském Edinburgu byl Oyster club místem pro diskuse o vědeckých problémech. Hutton byl oblíbeným společníkem a dobrým diskutérem. Zajímala ho mineralogie, sbíral zkameněliny a zřejmě v důsledku svých výtečných pozorovacích schopností se stal nejdůraznějším plutonistou. Musel být dostatečně nekonformní, jinak by se v tehdejším britském království přidal na většinovou stranu neptunistů, přestože tehdejší Anglie byla místem nastupujícího liberalizmu. Dnes je Hutton pokládán spolu s Ch. Leyelem za zakladatele moderní geologie. Deset let psal Hutton svůj „opus magnum“ knihu, která se jmenovala „Teorie Země aneb zkoumání zákonů, které je možné pozorovat ve složení, rozpouštění a obnovování půdy na Zemi“. Ještě před dopsáním měla kniha předem určený osud. Odborný slovní projev Huttona, na rozdíl od společenské konverzace, byl velmi komplikovaný a málo srozumitelný. Byla téměř k nepřečtení a zapadla. Teprve Huttonova smrt dovolila jeho příteli Jamesu Playfairovi, aby ji přepsal do srozumitelnější formy. Svou práci nazval „Ilustrace k Huttonově Teorii Země“. Výraz geofyziologie, v té době neslýchaný, který od Huttona převzal i James Playfair, označoval činnost, jež probíhala v neživém a jednou stvořeném tělese, za které byla Země považována. Huttonova představa, že v Zemi dochází k procesu, který dnes v češtině nazýváme horninový cyklus, zatímco v angličtině se mu říká Huttonovský cyklus, předpokládá stav dynamické rovnováhy, ve kterém hrají nejvýznamnější roli cyklické jevy. Horniny na povrchu Země zvětrávají, jsou erodovány, unášeny do sedimentárních bazénů, dostávají se do hlubších částí Země, tam se přeměňují, taví a jako magma se dostávají na povrch, kde zvětrávají, jsou erodovány, unášeny do ..... (a pokračování je stejné jako v písničce pes jitrničku sežral v kuchyni maličkou). Proces se prostě opakuje. 4
Oba termíny se do češtiny obtížně překládají, „gentleman“ je muž dobrých mravů a způsobů a „leisure“ znamená osvobození od časově náročných povinností a odpovědnosti. Ve slangu „ústřice“ označuje člověka, který mlčí. Oyster club, který Hutton založil byl však pravým opakem slangového mlčení.
134
Hutton ve své knize ještě použil jiného výrazu: „obyvatelná Země“. Ten bychom ohli přirovnat k tolik zprofanovénému a v nejrůznějších souvisostech užívanému „udržitelný rozvoj“. Geologové 19. a 20. století se k Huttonově myšlence mnohokrát vraceli a dali jí mnoho nových významů: vysvětlovala vznik přeměněných hornin, vznik žul roztavením již existující kůry, vznik a transport usazených hornin. Vysvětlovala i mnohé morfologické útvary na povrchu Země. Domnívám se však, že teprve Arthur Holmes v roce 1944 v knize „Základy gelogie“, ve které prezentoval teorii konvekčních buněk v zemském plášti které do pohybu uvádí teplo vznikající radioaktivním rozpadem, dal Huttonově představě pravý smysl. Tvůrci, nejdříve hypotézy a posléze paradigmatu tektoniky litosférických desek, aniž důrazně připomínali Holmese, dovedli Huttony představy o metabolickém systému Země a o recyklaci hmot Země do stádia jisté dokonalosti. Činnost sopek, zemětřesení i další „krizové a katastrofální“ projevy, jsou součástí této geofyziologie a nebýt jich, asi by Země nebyla Zemí – obyvatelnou planetou. Při popisu tohoto systému se objevuje mnoho variací a proměnných, protože v tak ohromném metabolizmu to ani jinak není možné. Sjednocující geologická hypotéza, která předcházela plate tektonickému vidění (tektonika litosférických desek) geologických procesů byla geosynklinální teorie. Je to koncept, který ovládl geology na dlouhou dobu, a kterému byla naše generace během studia v Praze intenzivně vystavena. Není divu, že se jí většina evropské geologické veřejnosti dlouho držela, protože uměla s jistou rutinnou a notnou dávkou abstrakce i za cenu vzniku nových termínů napasovat všechna geologická pozorování do tohoto konceptu. Byl to právě aspekt naučené rutiny a abstrakce, pro který se daly desítky geologů do boje proti Wegenerovi, někdy argumenty podpásovými a odborně namyšlenými. Wegenerova myšlenka o putujících kontinentech příliš geosynklinální teorii neseděla. To, že nakonec byla akceptována tektonika litosférických desek, má několik důležitých aspektů. Nejenže terminologie geosynklinál byla dost zmatená a nepřesně definovaná. Desková tektonika přinesla velmi jednoduchá řešení a to jak terminologická tak
135
vysvětlující. A protože byla propracována a obhajována v anglosaském světě, z velké části v Britanii, bylo v ní využito oblíbené poučky anglosaské vědy, tak zvané Occamovy břitvy (Occams razor). Ta říká, že nejpravděpodobnější je taková hypotéza, která vyžaduje nejmenší počet předpokladů. V tomto aspektu byla plate tektonika jednoduchá a při minimálním počtu desek i snadno pochopitelná. Dále k jejímu pochopení přispívala i zkušenost, že „what goes up must go down“ to co jde nahoru musí jít i dolů (což platilo pro středooceánské hřbety a navazující transport hornin po oceánském dně až do subdukčních zón). Skutečnost, že obraz deskové tektoniky byl složen z údajů několika disciplin: seismologie, magnetiky, gravimetrie, topografie i geologie znamenala, že do těchto do té doby silně separovaných disciplin přinesla společný jazyk, zejména tam, kde se naměřená data interpretovala, právě tam, kde bylo nutné sestavit konzistentní obraz geologických procesů. V počátcích se hovořilo jen o několika málo deskách ale teprve později se objevovaly anomálie – mikrodesky, hot spots, transpresní zóny. „Moderní hantýrka“ pak byla výhodou pro ty, kteří se dali přesvědčit o plate tektonice až později, aby pomocí nového žargonu vnikli do jejího hlavního proudu. Přiznávám, že se plate tektonika v současné podobě svou terminologií (hantýrkou) přibližuje geosynklinální teorii padesátých let, mnoho badatelů hledá vyjímky, specifika a prolmy tam, kde podle jiných badatelů nejsou. Zdá se, že ještě před dvaceti lety bylo možné a pro řadu vědců bylo důležité naskočit za jízdy do rychlíku deskové tektoniky, přidat lokální pozorování a výsledek publikovat. Tak se totiž tvoří tolik žádané a „ceněné“ impaktované publikace ve vědách o Zemi. Mít k tomu spoluautora z cizím jménem patří pak ke vstupu do „lepší“ společnosti. Co to tedy ta plate tektonická hypotéza je? Středooceánské hřbety, které se táhnou všemi světovými oceány Indickým, Atlantským a Tichým a reprezentují nejdelší pohoří na světě, představují v paradigmatu tektoniky litosférických desek, výstup konvekčních buněk pohybujícího se svrchního pláště. Astenosféra – teplá část zemského pláště se tu dostává téměř k povrchu Země. V plášti vzniká a do středového údolí středooceánského riftu se vmísťuje čedičové magma. A protože je čedičové magma výsledkem částečného tavení hornin svrchního pláště, v plášti zůstáva residální horniny (napřklad dunity, složené z olivinu či pyroxenity). Na středooceánském hřbetu se rodí nová kůra Země na úkor
136
pláště5. Vzhledem k rozmanitost většiny geologických procesů a hornin na zemském povrchu je magma středooceánských hřbetů jednoduché a stereotypně stejné jak v Tichém oceánu, tak v Altantiku i Indickém oceánu. Geochemikové samozřejmě naleznou řadu rozdílů ve složení těchto čedičů. Je to pedevším proto, že se v řadě míst liší složení pláště, ze kterého horniny vznikají – plášť je heterogenní a také proto, že se liší prostředí apdmínky teploty a tlaku, ve kterém vznikají. Srovnává se také chemické složení čedičů vznikajících v místech rychlejšího či pomalejšího vystupování konvekční buňky a velikostí magmatického krbu. Ve všech oceánech jde však o stejný proces: konvekční buňka tvořená plastickým a tudíž i teplým pláštěm vystupuje k povrchu a při výstupu se taví a mama se odděluje odpevné, neroztavené části pláště. To, že vystupuje magma, které je obyčejně lehčí než okolní pevné horniny, není nic zvláštního, ale představa, že dochází k tavení při stoupání pevných hornin je o něco komplikovanější. Je založena na poznatcích fyzikální chemie devatenáctého století. Se stoupajícím tlakem stoupá i teplota tavení anorganických látek a tedy i hornin. Tento vztah je formalizován tak zvanou Clausius-Clapeyronovu rovnicí o vztahu teploty, tlaku a objemu. Při výstupu konvekční buňky pláště směrem k povrchu jde o opačný proces: klesá (lithostatický) tlak. Protože jde o hmotné těleso s velkou tepelnou kapacitou, teplota se v takové stoupající mase jen málo mění - neklesá tak rychle, jako klesá teplota okolí a jak by odpovídalo geotermickému stupni (gradientu)6. Vzniká
tzv. adiabatický diapir,
hřibovitý útvar kilometrových rozměrů, který „nevyměňuje“ s okolím teplo. Znamená to, že vzhledem ke geotermickému stupni se stoupající diapir „přehřívá“ a proto dochází k tavení a oddělování neroztavených hornin od tekutého magmatu. Magma, protože má menší měrnou hmotnost než pevná hmota, se shromažďuje v nejsvrchnějších částech diapiru, odkud se vmisťuje – intruduje do středooceánského hřbetu.
5
Kůra Země se svým složením liší od pláště. Oba horninové reservoáry jsou sice tvořeny křemičitanovými materiály, což znamená že nejpodstatnějšími nerosty jsou křemičitany. V plášti převládají křemičitany obsahující velká množství hořčíku (olivin, pyroxen, spinel) zatímco v kůře dominuje křemen a křemičitany obsahující hliník (hlinokřemičitany) sodík, draslík, vápník a v menší míře železo a hořčík. V plášti tedy dominuje kyslík, křemík, hořčík a železo. V kůře pak kyslík, křemík a hliník spolu s alkalickými prvky sodíkem a draslíkem. 6 Geotermický gradient je míra, jakou stoupá teplota od povrchu ke středu Země. Obyčejně se udává, že teplota stoupá o 30 oC na jeden kilometr hloubky. Stoupání teploty je však nepříkřejší ve svrchní kůře a s hloubkou se gradient zmenšuje. Rozdíly v geotermickém gradientu a tím i tepelném toku také existují v místech aktivních geologických procesů. Ve středooceánských hřbetech a dalších vulkanických oblastech je termální gradient velmi vysoký například 50 – 60 oC na jeden kilometr hloubky.
137
Byl to H.H. Hess, admirál v záloze a profesor princetonské university, který poprvé spolu s dalším průkopníkem R.S. Dietzem, použil termínu rozpínání oceánského dna. Zřejmě jako první badatelé pochopili, jaké implikace „sea floor spreading“ - rozpínání oceánského dna - má. Jestliže na středooceánském hřbetu vzniká magma a oceánské dno se rozpíná a tvoří se tu nová kůra, musí se, pokud má mít Země stále stejný průměr, někde ztrácet. Nová kůra je odtlačena dalšími intruzemi magmatu, magma utuhne a po nějaké době se k povrchu dere magma nové. Hledá mezeru a vmisťuje se nová porce vyvřelin. Ty odtlačují do stran už utuhlé vyvřelé horniny. Po mnoho milionů let dochází k pohybu oceánského dna symetricky na obě strany od místa, kde se magma vmisťuje, od riftového údolí středooceánského hřbetu. Hess přirovnal rozpínání k pomalu se pohybujícímu transportní pásu - oceánská kůra i s nákladem usazených hornin, které za tu dobu na svém povrchu nasbírala, poklesává do hlubokomořských příkopů. Ještě před tím však uloží část svého nákladu na straně příkopu, a podobně jako transportní pás, se nová, ale teď už zestárlá oceánská kůra noří do pláště. Geofyziologická role středooceánského hřbetu je z této představy zřejmá. Ohromný reservoár, jakým je plášť Země7, se tu mění. Z velkého objemu hornin vytváří tavením horninu bohatší o křemík, hliník, vápník, draslík a sodík. Nejde však o tavení úplné, ale naopak o tavení jen částečné. Odhaduje se že se roztaví jen asi 15 – 25 % hornin pláště. Magma se oddělí od pevných neroztavených částí. Kůra, která vzniká na dně oceánu má však jiné (primitivnější) složení než kůra pevnin. Horniny, které plášť opouštějí obsahují asi kolem 0,5% vody a dochází i k odplynění pláště. Uniká oxid uhličitý a voda, které původní plášť obsahoval a stávají tak součástí kůry (hydrosféry či atmosféry). Proces vzniku bazaltu bychom mohli přirovnat k výrobě slivovice k oddělování lehké, alkohol obsahující frakce od jalové frakce, která zůstává na dně hrnce. Pohyb nově vzniklých hornin oceánské kůry a pevného pláště (oceánské litosféry) závisí zřejmě na množství materiálu, který intruduje – vmisťuje se do středooceánského hřbetu. Jde o pohyb poměrně rychlý, v Atlantickém oceánu je pomalejší (1 – 3cm za rok) než v oceánu Tichém (10 – 16cm za rok). Během pohybu „dopravníkového pásu“ – oceánského dna - se na povrchu střádají usazené horniny. Popravdě řečeno není jich mnoho. Na nejmladších horninách středooceánských hřbetů na nejsou usazeniny vůbec, ve 7
Plášť je ta část země, která ze rozkládá od Mohorovičičova rozhraní v hloubce 20 – 60 kilomterů pod povrchem do hloubky 2900 kilometrů, kde hraničí se zemským jádrem. Hraniční vrstvu reprezentuje tzv. zóna D“, zóna styku křemičitanové Země s kovovým jádrem.
138
vzdálenějších místech jsou to centimetrové vrstvičky. V oceánech totiž není mnoho volného materiálu a ten, který přichází z pevniny, se také u pevniny usazuje. V oceánech sice žijí živočichové s vápnitými skořápkami, ovšem ve velkých hloubkách oceánského dna se uhličitanové součástky rozpouštějí, takže na dno nedopadnou a uhličitanové sedimenty tak nepřispívají v hlubokých vodách k tvorbě hornin. Z rychlosti pohybů vyplývá, že horniny vzniklé na středooceánských hřbetech nevydrží dlouho. Ukazuje to i stáří hornin na oceánském dně. Horniny poblíž středooceánských hřbetů jsou současného stáří, ty vzdálenější jsou starší a nejstaršími horninami na oceánském dně jsou horniny, které jsou nejblíže pevninám. V Tichém oceánu jsou nejblíže pevninám horniny jurského stáří t.j. asi 240 milionů let (ve srovnání se stářím planety je to pouhá jedna dvacetina). Horniny při cestě na dopravníku přicházejí do styku s mořskou vodou. Poblíž středooceánských hřbetů jsou ještě teplé a reakce s vodou, při níž se mění jejich složení, je rychlá. Voda vyluhuje některé součástky, jiné dodává. Ve fyziologii bychom řekli, že přispívá „enzymy“ k pozdějšímu a dokonalejšímu strávení bazaltů. Pasivní pohyb usazených hornin na oceánském dně končí v hlubokomořských příkopech. Jsou to dlouhé a hluboké jizvy lemující na oceánském dně kontinentální okraj Tichého oceánu 8. V hlubokomořských příkopech dochází k pohlcení a spolknutí hornin oceánské litosféry. Tedy usazených hornin, bazaltů i hornin, které leží v jejich podloží. Trávení v subdukční zoně začíná přeměnami – nejdříve uniká voda, která byla uzavřena v pórech hornin, pak se za vyšší teploty a zejména vysokého tlaku mění složení nerostných součástek. Při tom také uniká voda. Rychlost tohoto trávení odpovídá rychlosti novotvoření desky ve středooceánském hřbetu a může tedy dosáhnout rychlosti až 16cm za rok. Horniny se dostanou podsunováním i pod část svrchního pláště a stále se zbavují vody. Teplota i tlak jsou vysoké a proto dochází k částečnému tavení již jednou vmístěného bazaltu (obohaceného o enzymy) a to v hloubkách mezi 100 až 200 km. Mnoho materiálu, asi devět desetin původního bazaltu zůstává součásti litosférické desky, která pokračuje v cestě svrchním pláštěm možná až do hloubek větších než 400 km. Při
8
Oceánské a kontinentální litosféra (litosférické desky) se obyčejně stýkají aktivně. Oceánská pod kontinentální sjíždí – subdukuje. V takovém případě vzniká tzv. aktivní kontinentální okraj (východní i západní část Tichého oceánu). Tam kde jsou kontinent a oceánské dno součástí jedné desky k podsouvání nedochází. Jde o pasivní kontinentální okraj (východní i západní okraj Atlantického oceánu). Při styku desek však dochází i k jejich kolizi (například kolize indického subkontinentu s euroasijskou deskou) a vznikají kolizní pohoří. Aktivní kontinentální okraje a kolizní zóny charakterizují četná zemětřesení.
139
procesu podsouvání a „polykání“ oceánské kůry, která je chladná a pevná, dochází k hromadění napětí. To se uvolňuje v podobě zemětřesení. Dochází tu k podobnému procesu jako na středooceánském hřbetu. Vraťme se k příkladu se slivovicí. To, co se děje pod hlubokomořskými příkopy, je to vlastně druhá destilace, ve které se z nízkoprocentního alkoholu získává alkohol vysokoprocentní.Hornin polykané desky se zčásti nataví, pravděpodobně se nataví i část pláště nad deskou, protože z desky uniká voda, a neroztavená část zůstává v klesající desce. Roztavená část (již jednou roztaveného materiálu – čediče dna) má menší měrnou hmotnost než plášť, a stoupá k povrchu. Nese o něco více oxidu křemičitého, oxidů draslíku a sodíku a hornina – tentokrát už jiného chemické a nerostného složení – jmenuje se andesit. Ten se v podobě sopek ale i podpovrchových útvarů, vyskytuje v místech, která jsou v blízkosti hlubokomořských příkopů. Tvoří část aktivních okrajů anebo útvary v oceánech: dlouhé řetězce sopek známé jako ostrovní oblouky. Magma, které tu vystupuje, už má pokročilejší rysy, má rysy kůry na kontinentech – jde o podruhé destilovanou slivovici. Metabolický proces, idea zmíněného Huttona, tímto aktem však nekončí. Protože sopky tvoří velmi vyvýšené útvary, snadno podléhají erozi a snášení materiálu do oceánu, do hlubokomořských příkopů. Takto vzniklé série usazených hornin jsou často opět stráveny v subdukčních zonách, nebo se soustřeďují v podobě zvrásněných komplexů v předpolí sopečných terénů. Tyto komplexy bývají později často natlačeny a přilepeny ke kontinentálním okrajům. V místech, kde se nahromadí velké množství usazených a vyvřelých hornin, dojde opět k dalšímu tavení. Hrají tu velkou roli tektonické procesy, stlačování a zejména přítomnost vody rozpuštěné v takovém magmatu. Ve shora uvedeném příkladu „trávení“ oceánské kůry pod hlubokomořskými příkopy jsem popsal situaci, kdy se stýkají dvě oceánské desky, případně oceánská deska s deskou kontinentální. Při kolizi dvou kontinentálních desek je situace o něco dramatičtější. Desky se na sebe nasunou, a protože mají přibližně stejnou hustotu a to hustotu nižší než plášť, neklesají. Prostě jenom kolidují. Vzniká velmi mocná kůra, dochází k tavení v její spodní části, vytvářejí se vysoká pásemná pohoří a procesy zvětrávání – eroze, usazování, metamorfóza a částečného tavení, tedy procesy cyklické získávají na síle a rychlosti. A právě tyto kolizní oblasti, místa kde se potkávají dvě desky, jsou zdrojem mnoha zemětřesení a sopečné aktivity.
140
Ustane-li aktivita, pásemná pohoří rychle mizí. Jsou srovnána zvětráváním a erozí do plochých povrchů. Často pak tvoří stabilní části země, štíty, kratony, či zpevněné části kůry pevnin. V takových oblastech jsou zemětřesení vzácná, vzácná je i sopečná činnost. V okamžiku, kdy se změní proudění hornin v plášti (konvekční buňky), může dojít k vytvoření tzv. riftu. Nejdříve teplo pláště a horké horniny pláště ztenčí pevninskou kůru, která nad diapirem leží. Prostě odspodu ji „ujídají“ tím, že ji taví, a diapir se tlačí nahoru (a to proto, že je teplý a tím pádem i lehčí). Slabší kůra praskne a do této trhliny se vmístí magma. Vznikl rift9 a při „spolupráci“ dalších zlomů dochází k výstupu magmatu a k vulkanické činnosti. Rift může – není-li dostatek energie v plášti – vychladnout. Aktivita přestane. V jiném případě aktivita riftu může pokračovat. Na dno riftu ale i podél zlomů, které vedly k jeho vzniku, se dostává na povrch láva – často velmi exotického složení. Vzniká kontinentální rift, který může vést k rozštěpení kontinentů, invazi oceánu a později i ke vzniku středooceánského hřbetu. Taková aktivita je rovněž spojena se vznikem zemětřesení. Celý proces se může opakovat - vznik riftu, intruze a extruze oceánských bazaltů, jejich alterace, subdukce a tavení v aktivních okrajích, „zpracování usazenin“, vznik kontinentální kůry, vznik riftu... Říká se mu Wilsonův cyklus podle jednoho z průkopníků tektoniky litosférických desek, inspirujícího a nepatrně výstředního profesora J. Tuzo Wilsona. Desková tektonika tak elegantně vysvětlila Wegenerův koncept putujících kontinentů Afriky a Evropy na straně jedné a obou Amerik na straně druhé. Podobně jako je Occamova břitva svou jednoduchostí elegantní, jako jsou vysvětlení počátků vesmíru elegantní ač často málo srozumitelná, je jednoduchá a elegantní i původní teorie tektoniky litosférických desek. Nejsem si jist, že elegancí oplývá většina současných podrobných rozpracování této myšlenky.
9
Rozhraní litosférických desek dělíme na divergentní – tedy rifty do kterých se dostává magma a rifty se rozšiřují. Místa, kde se desky stýkají, podsunují pod sebe jako desky konvergetní.
141
Energetika 21. Století – co patří k všeobecným znalostem M. Hron, F.Pazdera Ústav jaderného výzkumu Řež a.s.
1. Úvod - harmonický rozvoj světa Historie lidstva, je historií válek, historií vzniku a zániku impérií. Je dnešní realita pokračováním historie, nebo jsme na cestě přechodu k harmonické společnosti: o Války byly vedeny z mnoha různých důvodů, základním předpokladem pro existenci válek jsou však velké ekonomické rozdíly mezi regiony a nedostupnost některých komodit, o Sjednocování Evropy do jednoho celku s vyrovnanou a dostačující životní úrovní je předpokladem míru v Evropě, o Probíhající globalizace v celosvětovém měřítku povede k ekonomickému růstu v takových regionech s velkou populací, jako je Čína, Indie atd. o Globalizace bude mít za následek vznik řady superstátů schopných za určitých podmínek řídit harmonický rozvoj světa (opačný vývoj znamená lokální konflikty mezi těmito superstáty na cizích teritoriích, tajnou podporu teroristických aktivit až po případný globální konflikty mezi některými superstáty)
Tento přechod ohrožuje nezajištění trvalé udržitelnosti rozvoje zejména v chudých zemích, ten však závisí na schopnosti zajistit dostatek: o Potravin o Vody o Energie o Sociálních potřeb o Přijatelné životní prostředí Zajištění dostatku energie za přijatelné náklady a s přijatelným vlivem na životní prostředí je základním předpokladem naplnění ostatních položek. Naplnění tohoto cíle musí vycházet z objektivního poznání a ověřených znalostí, a to je možno zajistit v demokratické společnosti pouze poskytnutím vzdělání v této oblasti co největšímu počtu lidí. Náhrada poznání emocemi vede k fundamentalismu a zárodku konce demokracie. Kvalitní vzdělání je základním předpokladem udržení demokracie. 2. Trvale udržitelný rozvoj Trvale udržitelný rozvoj je zaklínadlo mnoha hnutí, vedoucí někdy až k požadavku na revoluční změny a návrat k pravěku. Tato cesta je nereálná. Druhým extrémem jsou tvrzení, že příroda a přirozený vývoj společnosti vyřeší tento problém sám. I toto tvrzení je nebezpečné a dosavadní zkušenosti potvrzují, že neřešení těchto problémů může mít nedozírné následky. Pravděpodobně nejlepší definicí trvale udržitelného rozvoje je Rio deklarace převzatá z Brundtlandovy komise definující trvale udržitelný rozvoj jako: “development that meets the needs of the present generation without compromising the ability of future generations to meet their own needs” [1] (rozvoj uspokojující potřeby současné generace bez omezení schopnosti budoucích generací uspokojovat jejich potřeby). Koncepce trvale udržitelného rozvoje
142
Sustainable Development: Societal and social objectives
Social dimensions
Economical
Sustainable Development
Economy: Transformation-process for satisfaction of needs for goods and services
Natural resources and assets
3. Trvale udržitelný rozvoj - energetika
Jakým způsobem aplikovat trvale udržitelný rozvoj na oblast energetiky: Hodnocení životního cyklu je jediným správným přístupem ke koncepčnímu hodnocení jednotlivých alternativ dodávek energie. Toto hodnocení musí zahrnovat vlivy na: o Zdroje o Zdraví o Životní prostředí A musí zahrnovat nejen přímé vlivy na zdroje a životní prostředí z výstavby, provozu a vyřazení z provozu energetických zařízení, ale též všech předcházejících a následných procesů v energetickém řetězci. V úvahu je též nutno vzít dosažený technický rozvoj vytvářející prostor pro další využití energetických zdrojů budoucími generacemi. Příklad: Jak lze technologickým vývojem zvýšit parametr udržitelnosti jaderné energie: Stávající využití uranu: Pro roční výrobu elektřiny v reaktoru VVER 1000 (1000 MWe) s ročním využitím 0,85%: Vytěžený uran - 167 t U (99, 3% U238, 0,7 % U235) Obohacení na 3,6 % U 238 - 23 t pro palivo, 144 t ochuzený uran (0,25 % U235) Spálení v reaktoru – ve vyhořelém palivu 21,9 t uranu (0,8 % U235) a 0,4 t Pu239) Vyrobeno 7,446 TWh elektrické energie, spáleno 0,8 t U235. Komerčním zvládnutím rychlých reaktorů produkujícího na 1 spálený atom Pu 239 více P239 z U238, lze využít všechen zbytkový U238, U235 a Pu239 na skladech v ochuzeném uranu a vyhořelém palivu. Výrobou 7,4 TWh ve stávajících reaktorech je připraveno ve skladech pro budoucí generace palivo pro výrobu 1689,5 TWh elektřiny v budoucnu v technologii vyvinuté pro budoucí generace.
143
Palivový cyklus reaktoru VVER 1000 Elektrický výkon: Účinnost Teplný výkon Koeficient využití Vyrobená elektřina Vyrobená teplo
MWe
Uhelná elektrárna Elektrický výkon: Účinnost Teplný výkon Koeficient využití Vyrobená elektřina Vyrobené teplo
TWhel. TWh
1000 33,0% 3030 85,0% 7,446 22,564
Vytěženo
tU
166,9
%U
Obohaceno
tU
23,2
%U
Ochuzený odpad
tU
143,7
%U
Vsazeno na rok do rektoru:
tU
23,2
%U
MW
Palivo
MWe
Palivo 0,715%
Vytěženo
t uhlí
235
3,600%
Výhřevnost
kJ/kg
15 000
235
0,250%
Výhřevnost
TWh/t
4,17E-06
235
3,600% [TWh/t]/kJ/kg] 3,60E+09
0,804%
Přepočet kJ/kg na TWh/t Emise Emise CO2
0,715%
Emise CO2
21,889
%U
Plutonium
tPu
0,440
% Pu
Na výrobu 7,446 TWh el. spotřebováno
tU
0,834
U
235 239
235
tU/TWh el. 0,112 TWhel. Násobek vyrobené 1490,1 200 199,4 27 1689,5
18 721 371
t CO2
t CO2/TWh el. 2 514 286 10 EUR/t CO2
CO2 daň
Celkem
5 105 829
MW
235
Vyjmuto z reaktoru ve vyhořelém palivu Obohacený uran tU
Potencilání energie ve skladech: V ochuzeném reaktoru Ve vyhořelém palivu
TWhel. TWh
1000 35,0% 2857 85,0% 7,446 21,274
CO2 daň
EUR/t CO2
60
CO2 daň 10 - navýšení ceny za kWh
Kč/KWh
0,75
CO2 daň 60 - navýšení ceny za kWh
Kč/KWh
4,53
Atomová hmotnost C Atomová hmotnost O Na výrobu 7,446 TWh el. spotřebováno t uhlí t uhlí/TWh el.
227
12 16 5 105 829 685 714
4. Klimatické změny Potenciální klimatické změny z lidské činnosti začínají být celosvětovou hrozbou. Jednou z největších hrozeb jsou emise skleníkových plynů vznikajících spalováním fosilních paliv v: o Energetice, o Dopravě, o Průmyslu a vytápění. Klimatickými změnami se již zabývají nejenom odborníci ale i prezidenti světových velmocí. Program USA toho je příkladem [3]. www.climatescience.gov,www.usgcrp.gov V Evropě již existuje direktiva na obchodování s limity CO2 a uvažuje se zavedením daně. Odhadované výše jsou: o 2010 – 10 EUR /t CO2 o 2010 – 60 EUR /t CO2 Příklad: Jak lze uložit CO2 do oceánů? U k lá d á n í C O D o ja k é CO2 k r it i c k ý k r it i c k á h u s to ta
2
do oceánů
h lo u b k y a p o d ja k ý m tla k e m je tř e b a č e r p a t C O tla k te p lo ta v k r itic k é m s ta v u
M PA C k g /m
7 ,3 8 1 3 1 ,0 4 468
o
P o tř e b n ý tla k
M PA
P o tř e b n á h lo u b k a
m
2
3
7 ,3 8 1
H lo u b k a p o č ítá b u d e h lo u b k a 7 3 8 ,1
J a k ý o b je m b u d e z a u j í m a t C O 2 p o t ř e b n ý k v ý r o b ě 7 , 4 4 4 T W h e l e k t ř i n y
A Conceptual Matrix
E m is e C O 2 O b j e m k a p a l n é h o p ly n u v m o ř i
t CO m3
P lo c h a v r s tv y o tlo u š ť c e 1 0 m
km
5. Světová energetika
144
2
2
18 721 371 40 002 930 4 ,0 0
Energetika je jedním z klíčových celosvětových problémů, nejdůležitějšími aspekty jsou: o Emise CO2 o Strategická nezávislost na zdrojích z rizikových oblastí o Postupné vyčerpávání zdrojů fosilních paliv Tyto problémy jsou analyzovány a jsou připravovány nové energetické strategie jak celosvětově [4, 5 ], tak v USA [6 ], EU [7, 8, 9 ] a dalších zemích a regionech. Ukazatele průmyslových států za rok 1996 Pořadí
Stát
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
USA Ruská federace Japonsko SRN Spoj. Království Francie Itálie Ukrajina Španělsko Polsko Kanada Rumunsko Austrálie Nizozemí Jugoslávská FR Řecko Česká republika Bělorusko Maďarsko Belgie Portugalsko Švédsko Bulharsko Rakousko Švýcarsko Izrael Slovensko Dánsko Finsko Chorvatsko Norsko
Počet PPP/ob. Spotřeba Spotřeba obyvatel elektřiny PEZ mil. USD/ob. kWh/ob. kgoe/ob. 265,28 28020 12980 8044 147,74 4190 5588 4525 125,76 32420 8074 3661 81,91 21110 6582 4087 58,78 19960 6232 3936 58,38 21510 7518 3922 57,38 19890 4870 2817 50,72 2230 3482 3029 39,26 15290 4384 2242 38,62 6000 3540 2617 29,96 21380 17455 7703 22,61 4580 2744 1880 18,31 19870 9820 5861 15,52 20850 6143 5627 10,57 3685 1045 10,48 12730 4617 2381 10,32 10870 5948 3988 10,30 4380 3119 2216 10,19 6730 3624 2564 10,16 22390 7899 5054 9,93 12450 3533 1610 8,84 18770 16421 4782 8,36 4280 4991 2582 8,06 21650 6882 3052 7,07 26340 7735 3226 5,69 18100 5678 2701 5,34 7460 5386 3032 5,26 22120 7528 3209 5,13 18260 15515 5397 4,77 4290 2861 1510 4,38 23220 23830 3332
Ukazatele rozvojových států za rok 1996 Pořadí
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
145
Stát
Čína Indie Indonésie Brazílie Pákistán Bangladéš Nigérie Mexiko Vietnam Filipíny Irán Turecko Thajsko Egypt Etiopie Korejská rep. Česká republika
Počet obyvatel
PPP/ob.
Spotřeba Spotřeba elektřiny PEZ
mil. USD/ob. kWh/ob. kgoe/ob. 1215.41 3330 891 709 945.12 1580 459 197 197.06 3310 368 460 161.37 6340 2026 670 133.51 1600 407 253 121.67 1010 103 76 114.57 870 129 96 93.18 7660 1754 1413 75.36 1570 217 149 71.90 3550 502 306 62.51 5360 1180 1273 62.70 6060 1555 890 60.00 6700 1570 1037 59.27 2860 801 560 58.23 500 27 17 45.55 13080 5022 3113 10.32 10870 5948 3988
Regionální nerovnováha mezi spotřebou a ložisky zemního plynu- mezinárodní obchod
Spotřeba elektřiny na obyvatele v zemích EU (1990-2000) ve srovnání s ČR a USA Švédsko Finsko Lucembursko Belgie Francie Rakousko Nizozemí Dánsko Německo Anglie Irsko Česká republika Španělsko Itálie Řecko Portugalsko Průměr EU USA
13 000 13 000
7 515 7 440 6 950 7 440 6 470 6 345 6 375 6 190 6 325 6 220 6 050 5 923 5 690 5 430 5 310 5 190 5 093 4 949 4 945 4 625 4 830 4 660 4 080 4 020 3 770 3 725 6 120 5 925
0
2 000
4 000
6 000
8 000
2000 1999
12 100 12 040
10 000
kWh/obyvatele
146
15 200 14 920 14 600 14 500
12 000
14 000
16 000
NUCLEAR SHARE OF ELECTRICITY GENERATION 0,00% France Lithuania Belgium Bulgaria Slovakia Sweden Ukraine Kore, Rep. of Hungary Slovenia Armenie Switzerland Japan Finland Germany Spain United Kingdom Taiwan Czech Republic United States Russia Canada Romania Argentina South Africa Mexico Netherlands India Brazil China Palistan Iran
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
47,12% 47,02% 46,80% 43,77% 42,84% 38,30% 37,18% 36,36% 36,03% 34,65% 33,05% 31,21% 30,99% 28,87% 25,32% 20,77% 19,80% 14,41% 12,44% 10,60% 9,04% 7,08% 5,21% 4,02% 2,65% 1,25% 1,15% 0,12%
60,00%
70,00%
80,00% 75,00% 73,11%
57,74%
Podíl jaderné energetiky na světové produkci elektřiny 6. Perspektivy světové energetiky Vztah reálného GDP/ob. (PPP/ob.) a spotřeba elektřiny v roce 1996 - průmyslové státy 25 1$/kWh
1,5$/kW
20 [MWh/ob.]
2$/kWh
15 3$/kWh
10
ČR 4$/kWh
5 0 0
5
10
15
20
PPP/ob. [tis.$/ob.]
147
25
30
35
Úkolem světové energetiky je vyrovnat se s: o Omezit závislost na dodávkách surovin z nestabilních oblastí o Prudkým nárůstem cen ropy a zemního plynu o Emisemi CO2 Postupně krystalizují následující opatření: o Nahradit ropu a zemní plyn v domácnostech jiným nosičem, neboť distribuované spalování ropy a zemního plynu neumožňuje se vyrovnat s emisemi CO2 a navíc tyto zásoby budou vyčerpány v první řadě o Připravuje se nasazení vodíkových technologií (vodík je však pouze nosič energie, neřeší otázku její výroby a zajištění zdrojů) o Vyvinout technologie umožňující využití vodíku (palivové články a spalovací motory) o Připravit obecně přijatelné a cenově dostupné technologie výroby elektřiny a vodíku k nasazení po roce 2020 (krystalizují následující klíčové technologie): o Jadernou energetiku o Čisté uhlí o ??? o Připravit jadernou fúzi ke komerčnímu nasazení do roku 2100. o Vyjma toho je třeba zvyšovat úsporná opatření v používání energií a v maximální míře využívat cenově výhodných energetických zdrojů kde je to možné. 7. Vodíková ekonomie Hydrogen – a «U.S. Vision» ? [10, 11]
Vlastnosti vodíku LHV UHV ρ (gas) ρ (liquid) Ignition limits
H2 3 10 800 kJ/Nm 3
12 770 kJ/Nm 141 890 kJ/kg 3 0.090 kg/Nm 3 70.9 kg/m (-252°C) 4 tot 75 vol % in air
148
CH4 3 35 790 kJ/Nm 3
39 850 kJ/Nm 55 660 kJ/kg 3 0.716 kg/Nm 430 kg/m3 (-162°C) 5 tot 15 vol %
Laminar flame speed
~ 250 à 300 cm/s
~ 35 à 45 cm/s
Výroba vodíku
electrolysis of H2O η ~ 70 % - electricity from renewables - electricity from nuclear plants (fission & fusion) reforming of CH4 (or other fossil fuels): especially for fuel cells gassificatie of coal or biomassa - syngas CO, CH4, H2 - with steam supply (high T) CH4 => CO + H2 (low T) CO => CO2 + H2 Thermal-chemical splitting of water T ~ 2500°C * direct cracking 2 H2O => 2 H2 + O2 * by means of catalysts 730°C Ca Br2 + 2 H2O => Ca (OH)2 + 2 H Br 250°C Hg + 2 H Br => Hg Br2 + H2 200°C Hg Br2 + Ca (OH)2 => Ca Br2 + Hg O + H2O 600°C Hg O => Hg + ½ O2 H2O => H2 + ½ O2By biological means; through bacterial action combined with photosynthesis “photobiological” route
149
8. Čisté uhlí
Rozvoj konvenčních uhelných elektráren
Kombinovaný (paroplynový) cyklus na zemní plyn
150
Projekty tepelných elektráren se superkritickými parametry páry
Snížení emisí CO2 nahrazením starých uhelných elektráren moderními uhelnými a plynovými elektrárnami
151
9. Jaderná energetika Jaderná energetika: N U C LE A R P O W E R S TA TU S A R O U N D TH E W O R LD R E A C T O R S IN O P E R A T IO N N O . O F U N IT S
A r g e n tin a A r m e n ie B e lg iu m B r a z il B u lg a r ia C anada C h in a C z e c h R e p u b lic F in la n d F ra n c e G e rm a n y H u n g a ry In d ia Ira n Japan K o re , R e p . o f L ith u a n ia M e x ic o N e th e r la n d s P a lis ta n R o m a n ia R u s s ia S o u th A fric a S lo v a k ia S lo v e n ia S p a in S w eden S w itz e rla n d T a iw a n U n ite d K in g d o m U k r a in e U n ite d S ta te s
W O R LD TO TA L
R E A C T O R S U N D E R C O N S T R U C T IO N
TO TAL N E T M W E
1
5 1 1
2 1 7 2 6 4 3 6 4 9 9 4 4
53 16 2 2 1 2 1 29 2 6 1 9 11 5 6 35 13 104
439
N O . O F U N IT S
9 3 7 8 5 9 1 4 6 1 1 7 5
3 7 1 8 3 9 6 8 5 0 2 2 0
5 6 2 5 8 8 7 1 6 3 2 9 3
43 6 12 9 2 3 1 3 4 4 6 19 8 1 8 2 4 6 7 4 9 4 3 0 4 8 12 9 11 2 97 1
9 9 7 0 4 2 5 4 4 0 3 7 3 7 8 6 0 4
1 0 0 8 9 5 0 3 2 8 2 0 2 9 4 8 7 5
5 1 3 9 2 3 2 63 21 1 2
351 998
TO TAL N E T M W E
1
692
7
5 420
2 4 4
2 111 4 515 3 820
1 3
650 3 375
2
776
2
3 820
4
3 800
30
28 979
o Generace IV [12, 13] o Jaderné elektrárny k nasazení do roku 2010 [14, 15]Palivový cyklus [16, 17]
Současný stav jaderné energetiky ve světě
Dlouhodobá strategie rozvoje jaderné energetiky
152
Role jaderné energetiky
Jaderná energetika USA v roce 2010 ve státní energetické politice USA
Které koncepty vybrány pro další vývoj? 6 vybraných z 94 navržených Jaderně energetické systémy IV. Generace (jaderná energetika pro nové století) •Otevřený a částečně otevřený (MOX) palivový cyklus : –Velmi-vysokoteplotní plynem chlazený reaktor – VHTR –Superkritický lehkovodní reaktor - SCWR –Sodíkem chlazený rychlý reaktor - SFR –Olovo-vizmutem chlazený rychlý reaktor - LFR –Plynem chlazený rychlý reaktor - GFR –Tekutými solemi chlazený rychlý reaktor - MSR •Různé koncepty budou přednostně vyvíjeny v různých zemích
153
Velikost
Produkty Electricity Production – SCWR – SFR 500°C
Hydrogen Production
Both – GFR – LFR – MSR
– VHTR
1000°C
Outlet Temperature
Large Monolith – – – –
LFR* MSR SFR* SCW
* Range of options
Palivový cyklus Once-Through Fuel Cycle – VHTR
Either – SCWR
Actinide Management – – – –
Portfolio systémů IV. Generace
154
GFR LFR MSR SFR
Mid– GFR – VHT
R
Small Modul – LFR
Superkritický lehkovodní reaktor -SCWR Charakteristiky • chladivo-H2O při superkritických podmínkách • 500°C výstupní teplota • 1700 MWe • Zjednodušený sekundární systém Výhody • Účinnost téměř 45% s vynikající ekonomikou • Tepelné nebo rychlé spektrum neutronů
Velmi-vysokoteplotní plynem chlazený reaktor - VHTR
Charakteristiky • Chladivo He • >1000°C výstupní teplota • 600 MWe • Grafitové bloky jako GT-MHR Výhody • vysoká účinnost • Výroba vodíku • Výroba procesního tepla • Vysoká úroveň pasivní bezpečnosti
Sodíkem chlazený rychlý reaktor- SFR Charakteristiky • chladivo Na • 150 to 500 MWe • Kovové palivo pyro processing / MOX palivo s pokročilým přepracováním Výhody • Spotřeba aktinidů z LWR
155
Olovem chlazený rychlý reaktor - LFR Charakteristiky • Pb or Pb/Bi chladivo • 540°C to 750°C výstupní teplota • 120-400 MWe • 15-30 let životnost AZ Výhody • distribuovaná výroba el. energie • Vodík a pitná voda • Kazetová AZ, oblastní přepracování • Vysoká pasivní bezpečnost • Odolnost proti zneužití jaderných
Plynem chlazený rychlý reaktor
Charakteristiky • Chladivo He (S-CO2) • 850°C výstupní teplota • přímý cyklus, Brayton – účinnost 48%? • 600 MWth/288 MWe • Několik možností paliva a konfigurací AZ Výhody • Minimalizace odpadu a efektivní využití suroviny • potenciál nízké kapitálové náročnosti
Reaktor s kapalným palivem a chladivem
na bázi roztavenýcvh fluoridových solí MSR
156
SPCWR – proč? Významné zjednodušení oproti PWR a BWR •Kompaktnější systém (malý specifický objem) •Eliminace recirkulačního systému a separace páry (oproti BWR) •Eliminace parogenerátoru oproti PWR •Vysoká účinnost (44% versus 33%)
Lepší ekonomika !
Charakteristiky • palivo: tekuté Li, Be, Th a U fluoridy • 700°C Texit • 1000 MWe • Nízký tlak (<0.5 MPa) & vysoká T (>700°C)
157
Výhody • Nízký zdrojový člen díky on-line přepracování • Minimalizace odpadu a efektivní využití suroviny
Zdokonalený palivový cyklus minimalizující ukládání štěpitelných materiálů
158
6000
5000
T O T A L
E lectrical generating capacity, G W e
7000
4000
3000
2000
1000
Closed cycle LWR Open cycle LWR
1980
2000
2020
2040
2060
2080
2100 Year
Perspektivní scénář růstu jaderně – energetické kapacity bez rychlých reaktorů (uváženy potenciálně levnější uranové reservy přibližně 10 miliónů tun)
6000
5000
T O T A L
Electrical generating capacity, GWe
7000
4000
FAST REACTORS (U- Pu)
AR LE UC N
3000
THERMAL REACTORS
2000
1000 235
1980
2000
2020
U
2040
(Th 2060
2080
233U)
2100 Year
Perspektivní scénář růstu jaderně – energetické kapacity s rychlými reaktory (uváženy potenciálně levnější uranové reservy přibližně 10 miliónů tun)
159
10. Jaderná fúze 2 3 4 1 Popis technologie•V současné době 1D + 1T => 2He + 0n = 17.6 MeV 2
2
2
•V budoucnu snad také 1D + 1D cyklus nebo 1D + 2He 6
3
7
• Tritium je získáváno ozařováním 3Li v přírodní směsi s 3Li • Plazma musí být ve stavu charakterizovaném vysokou hodnotou Loschnitova čísla (nTt) • Plazma je stlačována magnetickým polem • Dva nejznámější systémy: Tokamak a Stellarator • Také inertní fúze Ukázka různých versí termojaderného zařízení typu Tokamak 11. Závěr
Energetika z celosvětového pohledu: •Emise CO2 •Strategická nezávislost na zdrojích z rizikových oblastí •Postupné vyčerpávání zdrojů fosilních paliv Z pohledu ČR - prosperita ČR závisí na: •Ceně pracovní síly (poroste) •Kvalitě pracovní síly (vzdělanosti) •Surovinových zdrojích (nejsou) •Ceně energií Český průmysl má dostatek zkušeností, aby sehrál důstojnou roli v energetice 21. Století [20]. Vliv veřejného mínění a politiků má často negativní vliv na rozhodovací procesy: •Potřebujeme plošnou vzdělanost v technických vědách •Schopnost komunikace technické inteligence mezi sebou a politiky, novináři a obyvatelstvem pro ně srozumitelným způsobem, umožňujícím udělat si vlastní názor Základní úkol školství je naučit studenty chápat základní principy techniky a jednoduchá kvantitativní ocenění.
Literatura
[1]
ALFRED Voß: Energy in a sustainable development perspective. University of Stuttgart.
160
[2] [3] [4] [5] [6] [7]
[10]
[11]
[13]
[14]
[16] [17]
[18]
[19]
Strategic Plan for the U.S. Climate Change Science Program. A Report by the Climate Change Science Program and the Subcommittee on Global Change Research. F.Pazdera, F.Klik: Jaderná energetika (Klady a rizika v ČR, výhledy, ukládání paliva). Seminář Elektroenergetika a životní prostředí, Brno 25. září 2001. F.Pazdera, F.Klik: Jaderná energetika (Klady a rizika v ČR, výhledy, ukládání paliva). Seminář Elektroenergetika a životní prostředí, Brno 25. září 2001. – folie. Reliable, Affordable, and Environmentally Sound Energy for America’s Future. Report of the National Energy Policy Development Group. May 2001. World Energy, Technology and Climate Policy Outlook (WETO). EC – EUR 20366, 2003. GREEN PAPER. Towards a European strategy for the security of energy supply. EC, November 2001.GREEN PAPER. Towards a European strategy for the security of energy supply. Brief presentation. 29 November 2000.Toward a More Secure and Cleaner Energy Future for America. NATIONAL HYDROGEN ENERGY ROADMAP. PRODUCTION • DELIVERY • STORAGE • CONVERSION • APPLICATIONS • PUBLIC EDUCATION AND OUTREACH. Based on the results of the National Hydrogen Energy Roadmap Workshop, Washington, DC, April 2-3, 2002 November 2002. DOE. Toward a More Secure and Cleaner Energy Future for America. A NATIONAL VISION OF AMERICA'S TRANSITION TO A HYDROGEN ECONOMY — TO 2030 AND BEYOND. Based on the results of the National Hydrogen Vision Meeting, Washington, DC, November 15-16, 2001. February 2002, DOE. A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems. December 2002. Issued by the U.S. DOE Nuclear Energy Research Advisory Committee and the Generation IV International Forum. Hejzlar, Massachusetts Institute of Technology. Současný stav výzkumu a vývoje reaktorů 4. generace. Seminář ÚJV, Rez 3. 12. 2002. A Roadmap to Deploy New Nuclear Power Plants in the United States by 2010. Volume I Summary Report. Prepared for the United States Department of Energy Office of Nuclear Energy, Science and Technology and its Nuclear Energy Research Advisory Committee Subcommittee on Generation IV Technology Planning. October 31, 2001. A Roadmap to Deploy New Nuclear Power Plants in the United States by 2010. Volume II Main Report. Prepared for the United States Department of Energy Office of Nuclear Energy, Science and Technology and its Nuclear Energy Research Advisory Committee Subcommittee on Generation IV Technology Planning. October 31, 2001.Professor V.I. Ratchkov, MINATOM, Nuclear Power Development Strategy of RUSSIA. EAES combined meeting 2001, NIDA, LITHUNIA, 26 - 30 May 2001. Generation-IV Roadmap. Report of the Fuel Cycle Crosscut Group. March 18, 2001. The Nuclear Energy Future The Nuclear Energy Future William D. Magwood, IV, Director Office of Nuclear Energy, Science and Technology U.S. Department of Energy. June 2, 2003. Presentation at the 2003 American Nuclear Society Annual Meeting San Diego, California. Report to Congress on Advanced Fuel Cycle Initiative: The Future Path for Advanced Spent Fuel Treatment and Transmutation Research. January 2003. Prepared by Office of Nuclear Energy, Science, and Technology. U.S. Department of Energy. František Pazdera, František Klik, Nuclear Research Institute Řež plc: Contribution of Czech Research to Nuclear Energy Development. 17th International Conference
161
on STRUCTURAL MECHANICS IN REACTOR TECHNOLOGY, Prague, Czech Republic, August 17-22, 2003.
162
EPIGENETICKÁ DĚDIČNOST
Boris Vyskot Laboratoř vývojové genetiky rostlin Biofyzikální ústav AV ČR, Královopolská 135, 612 65 Brno
[email protected]
http://www.ibp.cz/labs/PDG/
Historický úvod a definice Epigeneze a epigenetika jsou dva významné termíny, jejichž význam spolu úzce souvisí a přitom jde o jevy či vědní filosofie dosti odlišné. Výraz epigeneze zavedl již starověký Aristoteles (obr. 1) a měl na mysli pokrokovou vývojovou teorii, která je založena na kontinuální tvorbě tvarů v průběhu ontogeneze. Jistým protikladem je teorie preformismu, kdy individuální vývoj je založen na předem daných strukturách. Snad je dnes, po stoletích diskusí mezi zastánci těchto teorií, možné vyslovit názor, že obě teorie mají jistou část pravdy. Ontogeneze je opravdu epigenetická, ale „kreativní tvorba tvarů“ není neomezená. Preformismem je naopak možné rozumět i to, že informace DNA je nám opravdu předem dána a tím je definován i rámcový program individuálního vývoje. Snad je ještě dobré zmínit, že český výraz „vývoj“ má dvojí rozměr: vývojem individuálním (ontogeneze, vývin) míníme tvorbu a rozvoj tvarů v průběhu života individua, zatímco vývojem historickým (evoluce, fylogeneze) je rozuměn proces fixace individuálních změn procesy selekce a mechanismy genetiky. Tento poslední názor, dnes uznávaný vztah mezi ontogenezí a evolucí, byl postulován německo-americkým genetikem Robertem Goldschmidtem teprve v polovině 20. století. Od výrazu epigeneze se přesuneme k poněkud nejasnému termínu epigenetika. Ten poprvé použil v 50. letech minulého století velký teoretický biolog Conrad Waddington (obr. 1). Tento britský představitel teorií diferenciace je dnes znám především svým modelem epigenetické krajiny, který si lze též představit jako lyžařský svah či hřiště minigolfu. Kulička znázorňuje jednotlivou buňku, která se ireverzibilně pohybuje na bázi gravitace a mění směr své dráhy podle členitosti terénu (model environmentálních změn na specifický osud buňky). Odtud jsou dodnes vlivy prostředí či individuální variabilita považovány za faktory epigenetické či epigenní. Conrad Waddington, když vyslovil termín epigenetika, však měl na mysli něco jiného: soubor změn genové exprese, ke kterým 163
dochází v průběhu ontogeneze, a které mají za následek tvorbu odlišných buněčných typů, tkání a orgánů. Termín epigenetika se kupodivu ujal a byl opět velmi volně interpretován. Především bývá dáván do souvislostí s odkazem velkého francouzského biologa JeanBaptiste Lamarcka (obr. 1). Tento před-darwinovský a před-mendelovský myslitel počátku 19. století přišel s první evoluční a současně i genetickou teorií. Jeho významné dílo bývá v dnešní literatuře bohužel zlehčováno a především zjednodušováno jako mylná představa o dědičnosti získaných znaků. V karikaturách potom vidíme žirafu, která po celoživotním natahování krku tuto získanou vlastnost či znak předává svému potomstvu. Nelze vyčítat Lamarckovi teorii biologické účelnosti či tendence k přírodní dokonalosti. K upřesnění jeho teorie „acquired inheritance“, která má mj. dodnes řadu příznivců zejména mezi naturfilosofy, lze snad jen dodat, že se fyzicky nepředávají získané znaky či zkušenosti, ale předávají se dispozice a schopnost adaptace. To také prokázal Conrad Waddington ve svých experimentech s drosofilou, kdy teplotními šoky a řízenou selekcí navodil možnost dědičnosti získaných změn.
Obr. 1. Ideoví otcové epigenetických teorií: zleva Aristoteles (384-322 př. Kr.), JeanBaptiste Lamarck (1744-1829) a Conrad Waddington (1905-1975). Epigenetiku obvykle definujeme jako mitoticky i meioticky děděné změny genové exprese, ke kterým dochází beze změny primární genetické informace. Epigenetika byla také definována jako tzv. chromatinová dědičnost, neboť bylo prokázáno, že je způsobena (či lépe provázena) strukturními i chemickými modifikacemi chromatinu – především DNA a nukleosomálních histonů. Epigenetika je výrazně charakterizována jako nejistá (nestabilní) dědičnost, která se neřídí mendelovskými pravidly. Znamená to asi tolik, že
164
epigeneticky řízené lokusy se zpravidla vyznačují neúplnou penetrancí a variabilní expresivitou. Penetrance genu znamená jeho projev (typu ano/ne), v mendelovské genetice míníme u dominantních alel obvykle penetranci úplnou. U epigeneticky řízených lokusů je penetrance relativně nízká: přítomnost genu často neznamená jeho projev. Predikce penetrance také může být problematická, neboť je ovlivněna prostředím. Termín variabilní expresivita se vyjadřuje k různorodosti individuálního fenotypu. Znamená to, že vzhledem k projevu určitého genu nemáme jen dva možné fenotypy, odpovídající přítomnosti či nepřítomnosti (expresi či umlčení) určitého genu, ale exprese je v různých buňkách či tkáních jedince kolísavá, a proto výsledný fenotyp může být intermediátní nebo mozaikový. Klasickým příkladem tohoto mozaikového fenotypu je tzv. poziční efekt u drosofily, kdy exprese genu odpovídající za barvu očního pigmentu se může podrobovat epigenetickému umlčování vlivem sousedního heterochromatinu. Epigenetické procesy patří v současné době k nejaktuálnější problematice vývojové genetiky eukaryotických organismů. Mechanismy, které epigenetickou kontrolu realizují, zejména struktura chromatinu, metylace cytosinu a kinetika replikace DNA, navozují stav kompetence (potenciální transkripční aktivity či inaktivity) příslušných genů, genomových domén, celých chromosomů nebo dokonce chromosomových sad. Tyto stavy potenciální aktivity genů se v průběhu ontogeneze obvykle mění, což představuje jeden z mechanismů řízení diferenciace. Častým výsledkem epigenetických procesů jsou odlišné exprese různých kopií stejného genu (alel) v daném buněčném jádře.
Mechanismy epigenetické dědičnosti Epigenetické efekty mají v principu dva hlavní typy mechanismů v závislosti na tom, zda cílovým místem pro konverzi z „naivního” na „determinovaný“ stav je DNA nebo protein. Modifikací DNA jsou kovalentní adice chemických skupin do specifických sekvencí DNA, nejčastěji metylace cytosinu (obr. 2) v dinukleotidu cytosin-guanin, což je obvykle spojeno s inaktivací cílové sekvence. Tato modifikace je děděna epigeneticky, protože existuje systém, který po replikaci DNA rozpoznává hemimetylované sekvence a konvertuje je na plně (v obou vláknech) metylované. Epigenetický stav může být navozen metylací de novo nebo naopak revertován odstraněním metylové skupiny: buď postupně
165
replikativně (absencí ”udržovací” metylace v sérii buněčných dělení) nebo aktivní demetylací. Epigenetické stavy mohou být také navozeny modifikací proteinů, zejména acetylací či metylací nukleosomálních histonů. Acetylace i deacetylace jsou aktivními procesy katalyzovanými příslušnými enzymy (histon acetylázy a deacetylázy). Recentní studia ukazují, že specifické modifikace řady aminokyselin jaderných histonů jsou pro genovou expresi klíčové a tvoří tzv. histonový kód.
Obr. 2. Jedna z klíčových modifikací bazí DNA, která vede ke změně (či inaktivaci) příslušného genu. Uhlík v pozici 5 pyrimidinového kruhu cytosinu je enzymaticky metylován, donorem metylové skupiny je S-adenosylmetionin (SAM). Metylcytosin v místě cytosinu ovlivňuje strukturu molekuly DNA, zejména vazbu specifických proteinů v promotorových oblastech genů.
Metylace DNA embrya závisí i na výživě pregnantní matky Za jednu z příčin dynamické proměnlivosti genotypu i fenotypu rostlin a živočichů je považována aktivita mobilních genetických elementů: jejich mobilita však též závisí na metylaci příslušných promotorů. Genové inženýrství u rostlin i savců odhalilo jejich rozmanité schopnosti degradovat nebo na různé úrovni, transkripční i posttranskripční, umlčovat vnášené sekvence DNA. Nejčastěji jde o fenomén transkripčního umlčování genů. Jeho mechanismy jsou obvykle cis-inaktivace (metylace a umlčování tandemově se opakujících kopií integrovaných transgenů), trans-inaktivace (jev analogický paramutacím: metylovaná kopie genu způsobí změnu své původně aktivní kopie na inaktivní) nebo cosuprese (koordinované umlčování dvou nebo více homologních genů). Časté jsou i případy posttranskripčního umlčování transgenů, zejména RNA interference.
166
Elegantní demonstrací úlohy metylace DNA, vlivu retroelementů, maternální výživy a výsledného fenotypu je funkce genu agouti (obr. 3). Gen odpovídá za zbarvení myšího kožíšku a jeho funkce je proto snadno monitorovatelná. I když jde jen o experimentální systém, kdy do blízkosti genu je vložen epigeneticky nestabilní retroelement, bylo již demonstrováno, že (a) v maternální linii lze provádět lamarckistickou selekci fenotypových znaků, a že (b) dieta pregnantní matky, bohatá či chudá na zdroje metylových skupin, ovlivní metylaci genomu embrya i jeho fenotyp.
Obr. 3. Barva myší srsti závisí na stupni metylace genomu, který nastavován v průběhu embryogeneze, ke které dochází uvnitř těla matky (in utero). Jedním z genů odpovídajících za tvorbu žlutého pigmentu phaeomelaninu z černého melaninu v myším chloupku je gen
agouti. Pokud se před tímto genem nachází na chromosomu nestabilní retrotransposon, je tento element nepravidelně metylován a exprese genu agouti může být řízena ektopicky z promotoru retroelementu. Na obrázku jsou zleva do prava myšky se žlutým až tmavým fenotypem, což odpovídá nedostatečné až standardní úrovni metylace. Tmavý fenotyp (vpravo) se nazývá agouti a odpovídá přirozené expresi genu agouti, tedy stejně jako s umlčeným retroelementem (Waterland a Jirtle 2004).
Genomový imprinting a lidské choroby Genomový (též nazývaný parentální nebo gametický) imprinting je definován jako reverzibilní proces, kdy specifická modifikace genů v parentální generaci vede k funkčním
167
rozdílům mezi paternálními a maternálními genomy v diploidních buňkách potomstva. Je významným faktorem v embryonálním vývinu savců a jeho jednoznačnými důkazy jsou geny, jejichž alely jsou aktivní pouze buď paternálního nebo maternálního původu, tj. jejich exprese závisí výhradně na pohlaví rodiče, od kterého byla příslušná alela zděděna. K vytvoření imprintu genu (tj. informace o jeho potenciální expresi nebo transkripční inaktivitě) dochází v průběhu meiotického dělení nebo tvorby gamet a jeho mechanismem jsou s velkou pravděpodobností metylace DNA. U savců bylo dosud identifikováno nejméně 50 imprintovaných lokusů. Je zajímavé, že tyto lokusy nejsou na chromosomech lokalizovány rozptýleně, ale mnohé vytvářejí shluky. Ve většině těchto genových shluků jsou zastoupeny společně geny paternálně a maternálně imprintované. Nejznámějšími příklady takových imprintovaných shluků jsou oblasti na lidských chromosomech číslo 15 a 11. V obou případech je tu umístěno několik genů exprimovaných výhradně maternálně a několik genů exprimovaných paternálně; jen takovýto stav vede k životu normálního jedince. Změna exprese těchto genů (v důsledku nestandardní aktivace, inaktivace, delece nebo uniparentální disomie) má fatální důsledky na zdravotní stav plodu, dítěte nebo dospělce; obvykle jde o těžké mentálně-fyzické syndromy často provázené nádorovým bujením (obr. 4). Dalším příkladem imprintingu rozsáhlé oblasti genů je chromosom X u samic savců, který je paternálně inaktivován v trofoblastu placenty. Typickým rysem imprintovaných genů je jejich asynchronní replikace a odlišná metylace DNA: reprimované alely se replikují v S fázi buněčného cyklu později a mají obvykle vyšší stupeň metylace cytosinu. Epigenetické umlčování autosomálních genů nastoluje v podstatě hemizygotní stav organismu s ohledem na imprintované geny. Je zjevné, že hlavní význam parentálního imprintingu u savců spočívá v kontrolním mechanismu správného složení zygoty (a posléze diploidního individua) z jedné kompletní sady chromosomů matky a druhé sady z otce. Další vysvětlení existence imprintingu u savců lze hledat na základě skutečnosti, že embrya se vyvíjejí v těle matky.
168
Obr. 4. Ilustrace poruch parentálního imprintingu genů kódujících růstové faktory u člověka (odpovídá teorii parentálního konfliktu). Jinými slovy, jde o smutné pohádky o velkém Otesánkovi a malém Palečkovi, zleva: „vítězství“ paternálních alel určitých lokusů může vést k nadměrnému růstu plodu (Beckwith-Wiedemannův syndrom), naopak Pyrrhovo vítězství maternálních alel způsobuje potlačování růstu a trpasličí fenotyp (Russell-Silverův syndrom).
Literatura k dalšímu studiu : Bartolomei, M.S., Tilghman, S.M., Annu. Rev. Genet. 31 (1997) 493. Birchler, J.A., Annu. Rev. Genet. 27 (1993) 181. Brown, R., Strathdee, G., Trends Mol. Med. 8 (2002) 43. Dean, W., Ferguson-Smith, A., Curr. Biol. 11 (2001) 527. Della Vedova C.B., Cone, K.C. Plant Cell 16 (2004) 1358. Haig, D., Graham, C., Cell 64 (1991) 1045. Heard, E., Clerc, P., Avner, P., Annu. Rev. Genet. 31 (1997) 571. Isles, A.R., Wilkinson, L.S., Trends Cogn. Sci. 4 (2000) 309. Jaenisch, R., Trends Genet. 13 (1997) 323. Jamieson, R.V., Tam, P.P.L., Gardiner-Garden, Int. J. Dev. Biol. 40 (1996) 1065. Jirtle, R.L., Exptl. Cell Res. 248 (1999) 18. Maynard Smith, J., J. Theor. Biol. 143 (1990) 41. Pirrotta, V., Trends Genet. 13 (1997) 314. Reik, W., Walter, J., Nature Rev. Genet. 2 (2001) 21. Robertson, K.D., Wolffe, A.P., Nature Rev. Genet. 1 (2000) 11. Skuse, D., Pediatric Res. 47 (2000) 9. Surani, M.A., Nature 414 (2001) 122. 169
Turner, B.M., Cell. Mol. Life Sci. 54 (1998) 21. Vermaak, D., Wolffe, A.P., Devel. Genet. 22 (1998) 1. Vyskot, B., in: Sex Determination in Plants, C. Ainsworth (ed.). Bios, Oxford (1998) 101. Vyskot, B., Přehled vývojové biologie a genetiky. AV ČR, Praha (1999). Waterland, R.A., Jirtle, R.L., Nutrition 20 (2004) 63. Yoder, J.A., Bestor, T.H., Biol. Chem. 377 (1996) 605. Internetové stránky:
www.geneimprint.com www.ucalgary.ca/UofC/eduweb/virtualembryo/imprinting www.otago.ac.nz/IGC www.mgu.har.mrc.ac.uk/
170
Paranormální jevy a alternativní medicína z pohledu přírodovědce Vojtěch Mornstein „DUCH Každý ví, co to je duch: to, co není hmota. Pokaždé, když nebudete vědět, jak ta či ona příčina působí, stačí říci, že tou příčinou je duch, a budete mít všechno velmi dokonale osvětleno.„ Paul Heinrich Dietrich von Holbach Kapesní bohosloví, 1775 v českém překladu J. Ježka (1957) Tato přednáška je zasvěcena pavědě a všem dalším karikaturám lidského myšlení, které vycházejí z nepochopení nebo zneužití elementárních vědeckých poznatků, vysvětlují různé jevy kolem nás způsobem neracionálním a nepravděpodobným a odmítají uznat to, že k analýze nějakého jevu je principiálně nutná jeho znalost. Nadále budu hovořit jen o pavědě, i když tento název není přesně vystihující. Inspiraci jsem nalezl v knihách, časopisech a internetových zdrojích, které se zabývají alternativní medicínou, archeastronautikou, astrologií, katastrofismem, magií, mimozemšťany, mystikou, okultismem, psychotronikou, výživou takzvanou zdravou, jakož i záhadami všeho druhu (toto řazení je abecední), a pochopitelně i v nečetných knihách, které se zabývají kritikou výše uvedeného. Leckdo se snad domnívá, že to, co analyzuji, je nepodstatným a pomíjivým společenským jevem. Zatím však oprávněnosti tohoto optimismu nic nenasvědčuje. Náš knižní trh, například, je zavalován snad stovkami relevantních knižních titulů ročně. Tržní hodnota této produkce jde do stomilionových částek, které pozbývají důvěřiví lidé v marné naději, že získají něco, co jim vyřeší jejich problémy zdravotní či jiné. Je to jistě velmi svérázná forma podnikání a tvrdím-li, že je to obchod se lží, nejsem příliš daleko od pravdy. Ve většině produkce, kterou nejenže někdo musí psát a vydávat, ale též kupovat a využívat, najdeme i stížnosti na to, jak krutě s autory a jejich myšlenkami zachází „zlá oficiální věda„ a dokonce i tisk a jiná masmedia. V tisku a masmediích je však většinou opak pravdou. Akademická věda sice občas pozdvihne svůj hlas, ale účinná imunizace veřejnosti je vzácností. Navíc v mnoha lidech vyvolává nevoli, když jim někdo bere jejich víru, takže se kritickým publikacím či mediálním pořadům cílevědomě vyhýbají. Příčiny rozkvětu
Kde se vlastně najednou u nás vzalo takové množství projevů pavědy a různých jiných druhů iracionality? Tento problém byl již rozebrán mnohokrát a řekl bych i osobami povolanějšími. Obvykle jsou oddělovány příčiny vnitřní, specificky české (československé, východoevropské), a příčiny globální. Jednotlivé speciální vědy se pro průměrného občana i vyspělé země stávají stále více nedostupné a nepřehledné. Vedle obvyklého vysokoškolského vzdělání je nutné pro pochopení současného stavu každé speciální vědy pokračovat ve studiu postgraduálním, celé roky sbírat odborné zkušenosti, seznamovat se s odbornou literaturou. Výsledkem této namáhavé přípravy je obvykle jen schopnost zabývat se úzce vymezenou oblastí vědy. Pokusím se toto tvrzení dokumentovat na základě vlastních zkušeností. Řekněme, že se snad mohu považovat za odborníka v jisté malé oblasti biofyziky, která se zabývá účinky ultrazvuku na živé organismy. Setkávám se proto občas s dotazem, zdali jsou pro pacienty nebezpečné ultrazvukové vyšetřovací metody. Na tuto otázku musím odpovědět pokud možno pravdivě a srozumitelně a vzít přitom v úvahu úroveň 171
znalostí tazatele. Odpovím-li, že tyto metody jsou naprosto neškodné, dopouštím se určité nepřesnosti. Jsou téměř absolutně neškodné, jsou-li prováděny člověkem, který věci rozumí, který má k dispozici kvalitní vyšetřovací techniku a jedná-li se o vyšetření standardní. Lze si ale představit situace, kdy bude vyšetřovanému hrozit sice velmi malé, avšak ne zcela zanedbatelné nebezpečí (jistěže statisticky menší než při standardním vyšetření rentgenovém). Moje odpověď je proto většinou trochu vyhýbavá. Není-li dostatek času k tomu, abych mohl vysvětlit, za jakých zvláštních okolností je možné hovořit o určitém riziku, může u tazatele snadno vzniknout dojem, že věda, kterou v daném okamžiku reprezentuji, není schopna zaujmout jasné stanovisko i ke zdánlivě velmi jednoduchým problémům. Vznikají pochybnosti a nedůvěra k vědeckému poznání („oni nás tím vyšetřují a přitom pořádně nevědí, jestli to pro nás není nebezpečné„). Do podobných potíží se dostává prakticky každý odborník v diskusi s laiky. Nelze se proto divit, že mnohý laik se pokouší hledat na své otázky jednoznačné odpovědi s použitím vlastního rozumu, aniž si je vědom složitosti těchto otázek a současné úrovně odborných znalostí. Mnohdy se přitom jedná o otázky života a smrti (např. léčení nádorových onemocnění). Takto někdy vzniká pavěda, kterou bych označil za pavědu dobře míněnou, řekněme pseudovědu. Její šiřitelé se snaží pomáhat trpícím lidem, nejsou však schopni odhadnout riziko, které jejich často kuriózní metody mohou představovat. Mnoho pavědeckých koncepcí je však velmi úzce spojeno se snahou vydělat na lidské hlouposti za každou cenu, a to v podstatě bez jakýchkoliv speciálních znalostí. Tyto trendy jsou jednoznačně nejfrekventovanější v oblasti alternativní medicíny, která je pavědou všude tam (a to tvrdím zcela kategoricky), kde jsou její závěry či léčebné postupy odlišné od možných závěrů či postupů takzvané medicíny oficiální. Z různých léčitelských metod a výroby různých léčiv a pomůcek, které nemají žádný jiný než psychologický mechanismus účinku, se takto staly oblasti lukrativního podnikání. Stačí si jen povšimnout, kolik skryté i zjevné reklamy se nachází v nesčetných článcích a knihách o alternativní medicíně. O výnosnosti alternativně medicínských a léčitelských praxí ani snad netřeba mluvit. Pavěda se tedy šíří i z důvodů ekonomických. Jsou tu i obecně psychologické důvody: snaha prosadit se na veřejnosti, uspokojit svou touhu po ovládání jiných lidí. Globální tolerance k pavědě je do značné míry podmíněna duchovní atmosférou postmodernismu, který jako svébytná filozofická reakce na problémy současného světa relativizuje kategorie pravdy a poznání. Hlasatelé postmodernismu se dopouštějí té osudové chyby, že současnou krizi umění a filozofie extrapolují i do oblasti přírodních a exaktních věd. Mezi relativností přírodovědných a filozofických pravd však existuje hluboká propast. Heisenbergův princip neurčitosti přece není to stejné, co odklon od realismu v umění, i když by se to tak mohlo některým postmoderním filozofům jevit. Ještě více prospívá pavědě postmodernismus transformovaný do netradičního náboženského myšlení – například do hnutí New Age. Aniž bych zcela vyčerpal globální příčiny rozkvětu pavěd, přejdu k specifickým příčinám domácím. V době totalitní došlo k vážným deformacím lidského myšlení. Byl zmrazen přirozený myšlenkový vývoj a (nedůsledně) vědecký světový názor byl povýšen na obdobu státního náboženství. Pavěda byla proto pěstována skrytě nebo pod matoucími hesly ve službách tohoto světového názoru – nebo byla prostě a jednoduše zakázána. Takzvaná socialistická věda se zejména v padesátých letech též sama zdiskreditovala „mičurinskou biologií„ (Lysenko, Lepešinská & Co.) nebo odmítáním kybernetiky. Obnovení svobody projevu v naší zemi bylo proto provázeno explozivním růstem pavědecké produkce, který byl navíc podporován i pověstnou chutí „zakázaného ovoce“. V naší bezprostřední současnosti však již začínají dominovat i u nás příčiny globální. Vzestup (a metamorfóza) pavědy, který na Západě trval desítky let, u nás díky specifické situaci proběhl zhuštěně v době přibližně desetkrát kratší. Takzvaná oficiální věda byla u nás v
172
kritické době zmítána svými vlastními, mnohdy existenčními problémy a nebyla schopna adekvátním způsobem reagovat. Dnes se však situace začíná pomalu měnit a žádná další mimořádná překvapení tohoto druhu již asi nenastanou. Víra a nevíra
Chtěl bych zdůraznit, že „boj“ proti pavědě není bojem proti náboženství. Nebylo tomu tak vždy, avšak odpustím si historické exkurze („A přece se točí!„), abych nenarušoval křehké spojenectví mezi vědci nevěřícími a věřícími. Cosi tu však není v pořádku ani dnes. Je znám velmi negativní vztah křesťanského fundamentalismu k evoluční teorii. Zástupy jinak zcela racionálně založených lidí proudí na místa takzvaných zjevení a věří věcem (sošky ronící krvavé slzy apod.), které jsou velmi vzdáleny od věcí rozumných. Budiž však uznáno, že i přístup kléru je k těmto záležitostem velmi rezervovaný až skeptický. Těžko lze též najít plný soulad mezi paleontologií a kreacionismem, mezi kosmologií a doslovně chápanou knihou Genesis. Za důležitější však považuji v daném okamžiku to, že řada věřících lidí se proti pavědě angažuje, a to i u nás. Na prvním místě bych snad uvedl RNDr. Jiřího Grygara, CSc. Materialismus sám o sobě také nepředstavuje žádnou ochranu před pavědeckými koncepcemi, což lze bohatě doložit mnoha příklady z doby totalitní. Budeme-li však religiozitu a pavědu považovat za dvě „množiny“, pak přece jen existuje jejich významný průnik, o kterém je nutno se zmínit. Jako takzvaná alternativní religiozita bývá zmiňována například teosofie a antroposofie, hnutí New Age, scientologie, tzv. Křesťanská věda, Ajurvéda… Tyto církve či hnutí mají zřetelnou tendenci se proklamovat jako netradiční vědy a provozují či inspirují to, co jsem do definice pavědy zahrnul. Je dosti obtížné rozpoznat, kde končí pavěda, mystifikace či podvody a začíná ryzí víra. Pokud jsem se mimoděk dotkl něčího náboženského přesvědčení, tímto se omlouvám. Odborné kamufláže
Hloubka vzdělání člověka neochrání před pavědou a spol. Ochrannou funkci má spíše šířka vzdělání. Propagátory pavěd se běžně stávají i lidé s akademickými tituly a poměrně často se jedná o pavědy, které jsou jim profesně blízké. Existují alespoň dvě příčiny takovéto konverze: 1 Odborník ve skutečnosti žádným odborníkem není a vklouznutí do myšlenkově prostinké pavědy je pro něj záchranou před zjevným profesním krachem. 2 Odborník je příliš specializován, chybí mu širší rozhled a soudnost. Rád proniká do jiných vědních oborů, kterým však vůbec nerozumí (fyzik se začne zabývat kvantováním psychiky, informatik začne vytvářet výživové systémy …). Veřejnost ovšem mezi jednotlivými odbornostmi příliš nerozlišuje – doktor jako doktor, inženýr jako inženýr - a logickým důsledkem je myšlenkový chaos. Jednotlivci šířící nebo z různých důvodů obhajující pavědu mohou klidně působit i na vysokých školách. Týká se to zejména některých proudů alternativní medicíny, psychotroniky a astrologie. Ještě v nedávné totalitní minulosti poskytovaly pavědě platformu i takové instituce jako Československá vědeckotechnická společnost. Psychotronická pracoviště působila na vysokých školách. V době již porevoluční přijala pod svá křídla Česká lékařská společnost J. E. Purkyně (!) homeopaty, k čemuž měla sice určité důvody (řekněme mělo jít o určitou formu dozoru), avšak je otázkou, zda tyto důvody vyvažují riziko takového kroku. Některé odnože pavědy (homeopatie, psychotronika aj.) mají obdivuhodnou schopnost imitovat seriózní a nezaujaté vědecké přístupy k předmětu svého zájmu. Dokladem toho je mnoho článků v odborných časopisech a popularizujících knih.
173
Vezměme si například „klasický“ sborník uspořádaný Zdeňkem Rejdákem Telepatie a jasnovidnost (1970), který se velmi podrobně zabývá též proutkařením. Tato kniha je vybavena dokonce souhrny v několika světových jazycích a informacemi o autorech jednotlivých statí (většinou jsou představováni jako úspěšní vědečtí pracovníci). Nehledě na obsah, je tu však jedna velmi zásadní a charakteristická odlišnost od literatury vědecké. Chybí seznamy literárních odkazů. V jiných knihách sice tyto odkazy najdeme, avšak po jejich prostudování je zřejmé, že se většinou jedná o zdroje obskurní, které nemají charakter vědeckých publikací. Skutečně odborná literatura je citována buď chybně nebo jen pro podporu zcela banálních tvrzení. Její hlavní funkcí je simulace vědeckého charakteru práce. Jiné odnože pavědy oficiální vědu odmítají, nanejvýš operují s citáty vědců vytrženými z kontextu, někdy i účelově upravenými. Zvláštní oblibě se těší Einstein, Newton, mnozí psychologové a filozofové (Carl Gustav Jung). V minulosti se naši (a nejen naši) psychotronikové, katastrofisté nebo ufologové často odvolávali i na sovětské zdroje, což činí občas i dnes. Autoři pavědy obvykle postupují tak, že: a) Nejdříve poukáží na svou letitou praxi v daném oboru, případně to za ně učiní některý jejich obdivovatel. V našich podmínkách zmíní i totalitní útisk a zapomenou dodat, že se týkal převážně jejich ekonomických zájmů. Navíc, pavědy, které měly ateistický nátěr, mnohdy disponovaly státem financovanými laboratořemi. Psychotronikové, katastrofisté i jiní se mohli velmi často dovolávat sovětských vzorů. Někdy tito autoři trvají na tom, že i dnes je jim ubližováno. b) S menšími či většími nepřesnostmi rozeberou několik chronicky známých skutečností historického, přírodovědného či medicínského charakteru (popíší například složení atomu či lidského těla). c) Dovolávají se „vědeckých“ autorit, z nichž se posléze vyklubou převážně lidé stejného ražení, jako jsou oni sami, kteří nemají s vědou nic společného. Nebo mají, ale nemohou se již bránit deformaci svých myšlenek (Albert Einstein). d) Vyvodí absurdní závěry, které jsou v rozporu s prostou logikou a našimi běžnými životními zkušenostmi, k čemuž použijí konglomerátu výrazů, které již cosi (jiného) znamenají. Nejvíce bývají vzývána slova jako energie, záření, magnetismus nebo informace. Překrucování logiky věcí a důkazy v kruhu je v kritizovaných oblastech velmi hojné a umožňuje dokázat prakticky cokoliv. Vědomě či nevědomě je využíváno toho, že člověk nemůže být současně vzdělán v historii, všech přírodních vědách, v medicíně či v psychologii, a že díky své nepozornosti není schopen odhalit slabé články jejich konstrukcí, mnohdy pečlivě vypiplávaných dlouhá léta. Společným jmenovatelem většiny pavědeckých publikací je jejich blábolivost. Najdeme-li v některé knize (Cingroš: Urinoterapie) například větu „Ovoce a zelenina svou zásaditostí neutralizují kyseliny v těle„, pak je zcela jasné, že autor neví, co to je kyselost, zásaditost a neutralizace. Neví ani, jak probíhají procesy trávení. Mnohem užitečnější by třeba bylo vysvětlit, jaký je původ různých našich zdravotních problémů a jak je jim možné předcházet. K tomu je však nutno mít skutečné znalosti. Charakteristické je i mísení faktů a spekulací, neschopnost kritického hodnocení vlastních nebo cizích pozorování a zejména nesmiřitelný postoj k poznatkům vědy, která je obviňována z neústupného ignorantství. Člověk, vesmír a tajuplná historie lidstva
Vedle otázek života smrti člověka bytostně zajímá jeho postavení ve vesmíru, včetně otázky paralelní existence inteligentního života. Proto se stala předmětem pseudoodborného zájmu možnost inteligentního života ve vesmíru a cestování inteligentních bytostí vesmírem, takříkajíc za účelem šíření civilizace nebo naopak jejího
174
ničení či dokonce vykořisťování civilizací jiných. Jen naznačím, proč je věda k něčemu takovému skeptická (na základě současného stavu vědomostí, samozřejmě): - rychlost světla je nepřekročitelný limit - délka trvání individuálního života je omezená a řádově srovnatelná s délkou našeho života - délka trvání existence biologického druhu je rovněž omezená, většinou na max. desítky milionů let - možnost sebezničení inteligentního druhu je reálná - možnost vyčerpání energetických zdrojů a následné degenerace civilizace je rovněž reálná - motivace k mezihvězdným cestám za získáváním surovin nebo genetického materiálu je pochybná - chybí jednoznačné přímé či nepřímé důkazy návštěv mimozemšťanů Smyšlenými důkazy o návštěvách mimozemšťanů se proslavil zejména von Däniken, který již byl v naší literatuře podroben podrobné kritice (Malina a Kukal). Bohové v různých mýtech přicházeli z nebe, což má být například důkazem existence návštěv z vesmíru. Odjinud než z nebe, ze země nebo z moře ovšem přijít ve fantazii člověka dost dobře nemohli. Když po obloze létalo Slunce, proč by nemohli bohové? Jeví se jako velmi pravděpodobné, že víra v setkání s mimozemšťany nabývá v posledních desetiletích podobě netradičního náboženství, že je jedním z projevů krize tradičních náboženství v přetechnizovaném světě. Tzv. ufologie má v mnoha případech charakter kultu, očekává se spasení, viz sebevražda v San Diegu v r……nebo rozkvět sekty tzv. Vesmírných lidí. S problematikou mimozemské inteligence úzce souvisí tzv. Bermudský trojúhelník. Hysterie kolem něj byla vyvolána knihou novináře Berlioze v padesátých letech minulého století. Jím popisovaná mizení letadel nebo lodí však byla vysvětlena nebo zbavena záhadnosti, vzaly-li se v úvahu okolnosti oceanologické a meteorologické a také mimořádná hustota provozu v dané oblasti. Zaniklé civilizace Atlantidy, Lumurie, Země Mu, Šambaly atd. se staly analogií návštěv mimozemšťanů. Hypotéza o existenci Atlantidy však nenašla oporu ani v písemných historických pramenech, ani v archeologických nálezech. Jistou možnost transoceánské komunikace mezi civilizacemi naznačily Heyerdahlovy pokusy v oblasti experimentální archeologie (Kon-tiki, Ra). Shoda ve stavění pyramid není sama o sobě žádným argumentem, je logickým zdokonaleních pohřebních mohyl. Neexistují žádné archeologické nálezy ani geologická či oceánologická svědectví o tom, že by v posledních desítkách tisíc let nějaká větší pevnina zmizelo pod hladinou. Platón, hovořící ve svých spisech Timaios a Kritias o Atlantidě však mohl být inspirován dávnou vzpomínkou na poničení krétské civilizace po výbuchu sopky na Théře (Santorinu) cca 1600 let před naším letopočtem.
175
12
ALTERNATIVNÍ MEDICÍNA
A. Obecná charakteristika Podívejme se nyní na tzv. alternativní medicínu. Většina soudných lidí odmítá nebo ignoruje tyto metody, ale přece jen se i z jejich strany často objevuje námitka, že ta či ona metoda je účinná (známému velice pomohla!), že by ani nemohla být tak rozšířená, kdyby účinná nebyla. Není žádným objevem zjištění, že v podstatě jakákoliv akce lékaře či léčitele, k němuž má pacient důvěru, má určitý léčebný efekt – zejména v případech, kdy podstata nemoci není organická (není-li něco zlomeného, chybějícího nebo zbujelého). Často se v této souvislosti hovoří o takzvaném magickém působení lékaře. Nemáte dojem, že se koná něco pro vaši záchranu, když vám lékař měří tlak či teplotu? Není vám hned o trochu lépe? Trochu podrobnější rozbor si však vyžaduje efekt placeba. Placebo, psychologicky účinná imitace léku, může být například škrobová tableta, fyziologický roztok nebo sladká vodička. Placebo může v některých případech nahradit antibiotikum, jednotlivou dávku inzulinu (lze to prý ukázat na změnách obsahu krevního cukru) a krátkodobě patrně celou řadu jiných léčiv. Skutečností je, že současná medicína nedovede účinnost placeba dosud zcela uspokojivě vysvětlit. V některých případech by hledaným mechanismem mohly být endorfiny – přirozené látky s analgetickými a euforizujícími účinky, které jsou produkovány v mozku. Jiné mechanismy by mohly být ryze psychologické povahy, avšak necítím se být kvalifikován k jejich rozboru. Problematika tzv. alternativní medicíny (dále AM) je u nás tradičně podceňována. Nejsou k dispozici ani statistická data o využívání metod AM u naší populace, což však neplatí pro mnoho vyspělých zemí. AM ovlivňuje chování pacientů, je zdrojem rizik a též lukrativním podnikáním s minimálními náklady a nedefinovanou odpovědností za výsledek léčby. AM se vymyká standardizaci, existuje však paralelně s právně a odborně garantovaným systémem léčebně preventivní péče. Kritické přehledy o AM různého rozsahu a zaměření podává například prof. Ernst působící v Department of Complementary Medicine, School of Postgraduate Medicine and Health Sciences, University of Exeter. Napsal četné velmi kvalitní studie o AM, je patrně nejvýznačnější světová autorita v této oblasti. Z našich autorů uveďme zejména prof. Heřta. Světového ohlasu dosáhli svého času Škrabánek a McCormick. Metody AM působí nejen jako placebo - v některých případech i prostřednictvím chemických činitelů či fyzických úkonů. Příkladem budiž léčivý potenciál chiropraktických, tedy manipulačních výkonů při potížích s ploténkami, prospěšnost masáží nebo o účinnost některých rostlinných drog. Některé metody AM tedy mohou mít podpůrný účinek, jiné jen účinek psychologický, placebový. Termínu „alternativní medicína“ budeme používat bez ohledu na jeho vnitřně rozporný charakter a nepřesnost. AM může být definována různě, avšak z hlediska praktického je inspirativní přidržet se definice, která říká, že AM je souhrnný termín pro tradiční i nové diagnostické a léčebné postupy, používané v současnosti, které se odlišují svými teoretickými východisky i svou praxí od principů racionální, vědecké medicíny. Léčitelé i pacienti často hovoří o specifických pozitivních účincích AM, avšak světové písemnictví je poměrně chudé na kvalitní vědecké práce, které by prokazovaly specifickou účinnost AM při diagnózách, které nemají charakter tzv. psychosomatických onemocnění. Výsledky takových studií bývají pak negativní nebo na pokraji průkaznosti. Existují však
176
metody na pomezí AM a tzv. vědecké medicíny, které částečně této definici nevyhovují (užívání léčivých bylin, část terapeutických postupů chiropraxe aj.). AM se též nazývá doplňková, neortodoxní, přírodní, nekonvenční, nevědecká nebo neověřená, někdy celostní nebo dokonce nová. Žádné z těchto označení není přesné a má často emocionální náboj. Některá odrážejí i kulturní a etnické souvislosti. Poněkud alibistické je časté souhrnné označení „doplňková a alternativní medicína“. Někdy se však medicína alternativní a doplňková (komplementární) rozlišuje. Může se jednat přitom o tytéž metody, avšak v prvém případě jsou metodami první volby, jako náhrada medicíny založené na důkazech, ve druhém mají jen doplňkový, pomocný charakter – jsou tedy provozovány s vědomím, že neovlivňují podstatu onemocnění. AM je složena z nejrůznějších modalit založených na různých idejích nebo systémech víry, které jsou vzájemně nekompatibilní. Například homeopatie a ájurvédská medicína jsou v analogickém rozporu jako homeopatie a medicína vědecká. Můžeme odlišit některé druhy AM, které představují poměrně ucelené systémy, někdy i s vlastními školicími pracovišti a provozované převážně lékaři: homeopatii, chiropraxi a osteopatii, herbalismus založený na tradičních lécích rostlinného původu, celotělovou akupunkturu, meditaci a relaxaci, chelátovou, vitaminovou a enzymovou terapii, terapii používající neověřené nebo odmítnuté léky proti rakovině, údajně léčivé výživové systémy (makrobiotika, šťávové diety – např. Breussova), detoxikaci založenou na střevních nálevech aj. Do ryze šarlatánské polohy se dostala tzv. elektroakupunktura podle dr. Volla, takzvaná clusterová medicína aj. Existuje však mnoho pochybných léčebných a vyšetřovacích metod, které jsou provozovány lidmi bez jakéhokoliv lékařského vzdělání. Můžeme zmínit např. scientologii, naturopatii, psychickou “chirurgii filipínského typu”, kinesiologii (nejde o nauku o pohybech těla), aromaterapii, psychotronickou diagnostiku (často s pomocí kyvadla či proutku), reiki, feng-šuej, léčbu dotykem, kovy, drahokamy, pyramidovými tvary, keltskými a jinými magickými symboly, talismany nebo barvami.
177
13
B. NEVĚDECKÝ CHARAKTER ALTERNATIVNÍ MEDICÍNY
Nelze sice v absolutním slova smyslu dokazovat, že něco neexistuje nebo nemůže nastat, což se týká i léčivých účinků čehokoliv. Situace se však změní, pokud vymezíme meze takového dokazování (platnost přírodních zákonů, z hlediska praxe akceptovatelnou pravděpodobnost). Lze se též dožadovat pádných důkazů o existenci nějakého jevu. Můžeme se například ptát homeopatů, čím se liší účinek homeopatického preparátu v dvojitě zaslepených klinických studiích od účinku placebového a jaká je reprodukovatelnost těchto výsledků. Nezávisle na tom lze ukázat, v čem konkrétním jsou metody AM v rozporu s poznatky přírodních věd či klinické medicíny. V souvislosti s přírodovědným základem medicíny se musíme zmínit o slovu “energie”, které je velmi frekventované také v AM. Mnohdy nelze spolehlivě rozlišit, zda autoři používají tohoto slova obrazně či zda se snaží zavést smysluplnou veličinu. Energie se pak stává názornou ukázkou zmatení jazyka. Ve fyzice či chemii je to veličina přesně definovaná. V AM nikoliv, vystupuje jako slůvko označující všechno možné - dobrou náladou pacienta počínaje a konče čímsi zářivým, co proudí z ruky léčitele. Často se setkáváme s výrazem “negativní” či “záporná” energie, přičemž druhá z nich má vyvolávat zdravotní potíže. Z hlediska (bio)fyziky však energie není ničím, co by bylo ve vztahu k člověku primárně pozitivní nebo negativní. Tentýž druh energie může jednou škodit a jednou prospívat, většinou v závislosti na dávce. Neexistují ani speciální energie „kosmické“, ani žádné energie specifické pro biologické systémy. Alternativní nauky však často předstírají, že takovéto specifické druhy energie existují. Jsou jim dávána jména převzatá z okultismu či orientálních náboženství - ód, orgon, mesmerovský magnetismus, prána, čchi apod. Inspirativní je z knihy Alternativní medicína převzatá tabulka rozdílů mezi vědeckou a alternativní medicínou, kterou ovšem musíme chápat spíše jako hrubé vodítko: Medicína vědecká Respektování přírodních zákonů logika Jednotný systém Srozumitelnost Přesná terminologie Objektivita, experiment Reprodukovatelnost Přesná diagnostika Kauzální nebo symptomatická léčba Specifická léčba Přesná dokumentace a evidence Kontinuální vývoj Erudovaní lékaři Kolektivní spolupráce Pravdivost a serióznost
Medicína alternativní Dosud nepoznané nebo iracionální síly Rozpor s logikou Nehomogenní soubor nejrůznějších metod Tajuplnost, mystika, magie Vágní, nepřesné termíny Subjektivita, spekulace Jedinečnost Nemožnost diagnózy Celkovostní léčba Panacea Chybění záznamů Dogmata nebo originalita Laici, často jen technické vzdělání Individuální přístup Demagogie, reklama, podvody, lži
178
14
C. MOTIVACE A ETICKÉ ASPEKTY
Existují vážné důvody, proč pacienti vyhledávají metody AM, typicky u onemocnění, které medicína dosud nedokáže uspokojivě léčit: nespokojenost s „odlidštěnou“ medicínou (pacient je často jen „melanom“ nebo „apendicitida“, lékař si nenachází dostatek času pro jeho vyslechnutí – léčitel má na to přinejmenším více času), relativní láce některých metod AM, pocit nadstandardu, náboženské přesvědčení či životní filosofie vycházející z postmoderních či orientálních představ, špatná lidská zkušenost s některými lékaři, doporučení známých, vliv klamavé reklamy, nekritické přístupy sdělovacích prostředků apod. Specificky u nás se ještě může uplatňovat posttotalitní „efekt zakázaného ovoce“. U nemocných s beznadějnými diagnózami jde někdy o snahu využít každé léčebné metody přinášející sebenepatrnější naději na vyléčení. Lékař, vedle ekonomických důvodů, může být motivován snahou o maximální pomoc pacientovi i za cenu zapření vlastního přesvědčení. Bohužel však existují i takoví, kteří nepochopili vědecké základy medicíny, opouštějí je a metodám AM sami věří. Jde o formu selektivního myšlení, kdy lékař (např. homeopat či akupunkturista) není schopen přijmout žádné rozumové argumenty proti jím prováděné metodě, považuje je jen za obstrukce medicíny „ortodoxní“. Obrat v oblasti služeb poskytovaných v rámci AM dosahuje jen v USA několika desítek miliard dolarů ročně, přičemž toto číslo zahrnuje i prodej různých rostlinných drog a potravinových doplňků. Více než polovina pacientů tyto služby využívá a počet návštěv AM již údajně překročil počet návštěv u lékařů zabývajících se standardní zdravotní péčí. Nejde samozřejmě jen o příjmy lékařů. Značný zisk přináší AM i lékárníkům a výrobcům různých preparátů, přístrojů a pomůcek. Pacienti (konzumenti) AM jsou vystavení obrovskému tlaku reklamy, která u tzv. potravních doplňků může tvrdit prakticky cokoliv. Existují produkty (např. propolis, žen-šen, aloe vera, různé čaje), které mají tak rozsáhlé indikace, že mají charakter panacey – všeléku. Reklamní materiály jsou navíc formulovány tak, že je nelze právně napadnout. AM představuje velký etický problém, a to z několika důvodů: a) Lékař by měl svému pacientovi pomáhat způsobem co nejúčinnějším, měl by se tedy vyhýbat metodám, jejichž účinnost je sporná, malá či nulová. b) Lékař, ač by AM tedy využívat aktivně neměl, musí rozhodovat, zda pacientovi AM doporučí (nebo povolí) či nikoliv, pokud bude dotázán. U rizikových metod by mělo být jeho stanovisko jednoznačně záporné, avšak jindy může být i kladné. c) Kladný vztah lékaře k AM může vést ke ztrátě důvěry u pacientů, kteří tyto metody sami odmítají jako šarlatánské, případně může být záštitou pro laické léčitele, kteří 179
se takto dočkávají jistého odborného „požehnání“ pro svou činnost. d) Pokud bude lékař informovat o podstatě metod AM svého pacienta objektivně, pak tím pravděpodobně zruší její povětšinou jediný, tj. placebový účinek. Pokud bude informovat o dané metodě neúplně nebo věcně špatně, riskuje ztrátu dobré pověsti, pokud se pacient dopátrá pravdivých informací jinde. Pravděpodobně jediným rozumným východiskem je odmítavý nebo velmi zdrženlivý vztah lékaře k AM, provázený snahou o maximální posílení dodatečného placebového účinku racionální terapie a případným vysvětlením důvodů, které jej k odmítání AM vedou. Klíčem je tedy posílení důvěry pacienta v metody, které mu nabízí medicína založená na důkazech, což je zřejmě úkol dalece přesahující konfrontaci s AM. Z výše uvedeného též vyplývá, že lékař by měl být během svého studia o AM přiměřeně a věcně informován. Obecně je tento požadavek akceptován, v praxi však zatím není na našich lékařských fakultách nikoho, kdo by byl schopen a ochoten se takové výuky systematicky ujmout.
180
15
D. VYBRANÉ METODY ALTERNATIVNÍ MEDICÍNY
(Pomíjíme metody u nás méně rozšířené, zejména pokud si nekladou za cíl léčit těžce nemocné.) Homeopatie Hahnemannův medicínský systém vzniklý počátkem 19. století je patrně nejmohutnějším proudem AM. Principy “podobné je léčeno podobným” a “zákon infinitezimálního ředění” vzdorují jakékoliv přírodovědné kritice, i když jsou v rozporu i s prostým rozumem. Látka, vyvolávající stejné příznaky jako nějaká nemoc, je ve velkých ředěních používána pro léčbu této nemoci. Postupné ředění je provázeno protřepáváním („dynamizací“) a označuje se jako potencování. Z vědeckého hlediska je nejproblematičtější účinnost vysokých homeopatických ředění (např. 1 : 1030), při kterých již není nebo nemusí být v léčivu přítomna ani molekula účinné látky. Ponecháváme stranou bizarnost její volby - může to být grafit, vápno z pálených lastur, křemičitý písek, láva ze sopky Hekla apod. O homeopatické konstituční typologii, která vede k aplikování jediného univerzálního léčiva při nejrůznějších obtížích daného jednotlivce, raději pomlčíme jako o ryzí spekulaci. Existují homeopaté, kteří se snaží smířit homeopatii s přírodními vědami, tj. vysvětlit působení fyzicky nepřítomné látky. Hovoří proto o informačních stopách, které se pomnožují dynamizací, tedy protřepáváním homeopatika v po každém jeho ředění. Jaká je jejich fyzikálně chemická povaha? Jsou tyto hypotetické stopy stabilní v čase? Co se s nimi stane, když je homeopatikum rozstříknuto na nějaký nosič a pak vyschne? Odpovědi homeopatů chybí. Clusterová medicína (Cellhelp i jiné názvy) Nejdříve je zpopelněna nějaká organická hmota se vztahem k pacientovi či jeho nemoci (exkrement, hnis apod.). Diagnosticky je využívána krystalizace roztoku popelovin pozorovaná pod mikroskopem - různým nemocím mají odpovídat různé typy krystalů a krystalických struktur. Nikdo nikdy nepředložil vědecké práce, které by toto dokazovaly. Lékem je v této metodě tzv. dot - vodný destilát roztoku popelovin. Kdyby tu snad skutečně existovaly nějaké informační stopy homeopatického typu, pak by v tomto případě byly zničeny nejdříve vysokou teplotou a potom destilací - tedy přechodem vody do jiného skupenství. Tato metoda, původně importovaná z Německa, byla zatím jako jediná z metod alternativní medicíny výslovně odmítnuta Českou lékařskou komorou. Léčení je neškodné, avšak diagnostika je nesmyslná. Finanční náročnost značná. Lze se setkat i s „protinádorovými“ clusterovými preparáty.
Aromaterapie Aromaterapie se snaží využívat pro léčebné účely přírodní silice a jiné aromatické látky, avšak tvrzení o jejich účinnosti nejsou až výjimky prověřena klinickými studiemi. Léčebný efekt je především psychologický. Aromaterapeutické prostředky jsou běžně k dostání a nejsou příliš drahé. Nelze je doporučovat pacientům pro racionální terapii, avšak nenesou žádná rizika, snad s výjimkou alergizace.
Akupunktura O rozsáhlé problematice akupunktury se zmíníme jen letmo – podrobněji o ní kriticky pojednává Heřt a kol. Akupunktura se dovolává tisícileté čínské tradice a také své relativní účinnosti při některých bolestivých stavech a psychosomatických obtížích. Proto je někdy mylně považována za konvenční terapeutickou metodu opírající se o dostatečně „silné“ klinické studie. Vpich jehly je samozřejmě větší zásah do našeho těla než například 181
působení homeopaticky zředěného farmaka. Existuje několik víceméně odporujících si akupunkturních systémů (klasický čínský, korejský, zjednodušený čínský, západní). S klasickou akupunkturou, zdůvodňovanou protikladným působením principů jin a jang, nelze vědecky polemizovat. Poněkud odlišná situace však nastává, když někteří akupunkturisté začnou hledat způsob, jak spojit akupunkturu s moderní medicínou. V epidermis a v podkoží se nachází řada kožních receptorů a nervových vláken, které lze stimulovat a dosáhnout tak ovlivnění některé fyziologické funkce v důsledku tzv. segmentárního uspořádání těla a jistých reflexů, byla prokázána existence tzv. spouštěcích bodů ve svalech, kde lze ovlivňovat bolestivost i vpichem jehly. Akupunktura vycházející z těchto poznatků má racionální opodstatnění, je však nutno ji verifikovat v dvojitě zaslepených randomizovaných studiích, které jsou zatím vzácné. Nervová zakončení a spouštěcí body však nejsou zpravidla totožné s klasickými tzv. akupunkturními body. Nepodařilo se dosud objevit žádné lokální morfologické struktury, které by korespondovaly se stovkami konkrétně uváděných akupunkturních bodů nebo tzv. akupunkturními drahami čili meridiány. Dokonce i měření snížené elektrické impedance v některých místech na kůži nedokazuje existenci „aku-bodů“, protože se jedná o měření zatížené značnými chybami a artefakty, a navíc nelze dokázat, že se skutečně jedná o klasické akupunkturní body. Akupunktura má jistě účinek placebový (psychologický, např. pozornost odvádějící) a snad i reflexní či na endorfinech založený účinek při některých bolestivých stavech, i když málo průkazný ve srovnání s „předstíranou“ akupunkturou. Je možno ji akceptovat jako podpůrnou metodu péče o nemocné – zejména pro ovlivňování bolestivých stavů a nevolnosti. O příbuzné akupresuře a elektroakupunktuře platí v zásadě totéž. Zvláštní odmítnutí si zasluhuje tzv. „mikrosystémové“ akupunktury, které vystačí s vnitřním povrchem boltce, chodidlem, resp. s jinými malými okrsky povrchu těla.
Elektroakupunkturní metoda dle dr. Volla Jejím provozováním se jen v naší zemi živí minimálně desítky lékařů. Na základě problematicky změřených impedančních charakteristik akupunkturního bodu je vytvářen elektrický impuls, který má mít specifické léčebné účinky. Příslušné přístroje jsou označovány nenápadnou zkratkou EAV. Tato metoda se používá i pro „testování“ vhodnosti homeopatického léku nebo tzv. nosody (tj. homeopatika připraveného z hnisu, patogenů, nekrotizované tkáně apod.). Testovaná osoba např. drží v ruce skleněnou ampuli s homeopatikem či nosodou a na základě elektrických odpovědí v akupunkturním bodu se určuje vhodnost tohoto léčiva. Toto léčivo lze dokonce simulovat elektrickými impulsy generovanými počítačem - v homeopatii jde totiž vlastně o přenos informace! To není vtip, ale do pseudovědeckého hávu zabalené blouznění léčitelů a některých lékařů, kteří takto vydělávají na lidské hlouposti. Psychotronické a biotronické léčitelství Pod tento termín zahrnujeme směs léčitelských postupů, které operují s domněle existujícími energiemi, jejichž poskytovatelem či příjemcem je léčitel. Psychotronika, v podstatě shodná s parapsychologií, se původně jako léčebná metoda neprofilovala, omezovala se na „studium“ telepatie, telekineze, jasnovidectví a jiných paranormálních
182
neprůkazných jevů. S léčitelstvím se propojila až později, zřejmě v souvislosti s „měřením“ a „odstiňováním“ tzv. geopatogenních zón (biotronika), jejichž reálná existence ovšem nebyla nikdy prokázána. Nicméně se k tomuto účelu vyrábí a úspěšně prodává řada podivných zařízení a pomůcek, z nichž některé se již staly předmětem vyšetřování pro trestný čin podvodu. Někteří léčitelé si po terapeutickém výkonu "škodlivou energii" otřepávají z prstů, opalují plamenem nebo smývají. K diagnostice je velmi často používáno kyvadlo, kterého se léčitel ptá na správnost diagnózy. K diagnostickým účelům je využívána též automatická kresba, tzv. Kirlianova fotografie (zobrazení elektrických výbojů na konečcích prstů v elektrickém poli) a různé jasnovidné či astrologické postupy. Jako koncentrátory léčivé “energie” jsou někdy používány talismany ve tvaru pyramidy, též různé keltské (spirála), egyptské (tzv. nilský kříž, ankh), křesťanské a i jiné symboly. Velmi příbuzné jsou postupy založené na údajné léčivé síle drahých kamenů, kovů, různých obrázků aj. Do této skupiny patří i tzv. léčení na dálku – individuálními modlitbami či prostřednictvím televizních show. Dálkového „působení“ využívá i na našem trhu etablovaná firma Joint-line, vlastnící „emitory“ této energie, působící na lidi, kteří si ovšem zakoupili patřičný přijímač – podobný kreditní kartě. V této souvislosti se hovoří často o biorezonanční terapii. Působení psychotronických léčitelů lze vysvětlit sugescí. Léčitel trvá na své „pravdě“, tj. na existenci energie, jež má
kladně působit na pacienty či rozkývávat
kyvadla, avšak neměřitelné žádnými objektivními metodami. Mezi psychotronickými léčiteli se vyskytuje mnoho nezodpovědných jedinců, kteří pro svůj zisk neváhají požadovat na klientech přerušení racionální léčby, i když to má fatální následky. Přechodné zlepšení subjektivního pocitu zdraví, k němuž může někdy dojít, vydávají za výsledek své léčby. Ceny za tyto „diagnózy“, „rady“ (mnohdy v podobě drahých příruček) a léčivé čaje mohou dosahovat až desítek tisíc korun. Pokud byla jejich terapie přece jen provázena účinnou „nealternativní“ terapií (případně jí tato terapie předcházela) a pacient se vyléčil, pak si léčitel přisvojí terapeutický úspěch a zpravidla o něm přesvědčí i svého klienta. Medializace takovýchto případů je značná. V první polovině devadesátých let 20. století sdělovací prostředky nadšeně informovaly o tzv. filipínských či brazilských léčitelích, kteří buď holou rukou nebo s použitím dílenského nářadí měli odstraňovat z lidských těl patologické tkáně, včetně nádorů, aniž by po své činnosti zanechávali alespoň jizvu. Těmto nesmyslům uvěřilo obrovské množství lidí na celém světě a podniklo nákladné cesty na Filipíny nebo do Brazílie. Občas získané „vyoperované“ tkáně nebyly lidského původu. Extrémní výživové systémy Extrémní diety, ať již mají sloužit k upevnění zdraví, k léčbě nebo jen k zázračnému zhubnutí, většinou ignorují skutečné biologické potřeby organismu. Lidem jsou sugerovány potřeby fiktivní, které vycházejí z naivních, resp. náboženských představ a
183
neznalosti nebo nepochopení biologických poznatků. Makrobiotika, opírající se o syrovou i vařenou rostlinnou stravu, obiloviny, luštěniny, ořechy, zpravidla s vyloučením masa, a filosoficky vycházející z principu rovnováhy jin a jang, může navodit relativní nedostatek vitaminů či bílkovin. V rodinách striktních makrobiotiků se například dle sborníku Alternativní medicína (1995) vyskytují ve zvýšené míře novorozenci s porodní hmotností pod 2 500 gramů. Dále to jsou zejména: a) Diety s takzvaně živými enzymy - vycházejí z představy o průchodu enzymů v nativním stavu do buněk našeho těla - ignorován je přitom proces trávení bílkovin počínající jejich denaturací v žaludku. Racionálnější forma těchto diet – enzymoterapie – zatím též prokázala jen velmi omezenou účinnost. b) Diety veganské (vegetarianismus s vyloučením veškerých živočišných bílkovin) a fruktariánské (hlavní potravinou je ovoce) - vedou k nedostatku některých aminokyselin nebo vitamínů (B 12), respektive železa, pokud je konzumenti neužívají ve speciálních preparátech. c) Konzumace moči - urinoterapie. Podle představ propagátorů této pseudodiety například v moči přítomné dusíkaté odpadní látky mají nahrazovat dusík z bílkovin. Někdy je moč také přirovnávána k homeopatiku, neboť obsahuje stopy látek vznikajících při různých onemocněních. d) Diety očistné - v kombinaci s nálevy - všechny nemoci našeho těla jsou vysvětlovány na základě hromadění a kvašení, zahnívání odpadních látek shromážděných v těle. Zvláštní pozornost je věnována čištění tlustého střeva (colonterapie, colonhydroterapie, colonics v anglosaské literatuře). Bakteriální infekce má být například sekundární bezvýznamný proces. e) V onkologických souvislostech se dočkala značné popularity tzv. Breussova dieta – léčba nádorových onemocnění hladovkou a zeleninovými šťávami, dosti devastující zbytky zdraví pacientů. Jaké je asi odborné zázemí těchto i jiných „diet“ dokumentuje ukázka z jedné z početných publikací na toto téma, kterou do češtiny přeložila lékařka a která byla u nás hojně prodávána v polovině devadesátých let: (Walker, NW. Čerstvé ovocné a zeleninové šťávy. Olomouc: Fin, 1993, 174 s., o podstatě rakoviny) „Skupiny nebo hnízda epitelových buněk, které jsou téměř vyhladovělé, protože jim chybí organická potrava. Překotně rostou při konzumaci koncentrovaných škrobových výrobků a masa …„. Z podobných představ vychází i Gersonova vegetariánská šťávová dieta kombinovaná s konzumací telecích jater a kofeinovými nálevy (dosud se provádí na klinikách v Mexiku a v USA, přičemž játra byla nahrazena červenou řepou). Zákon sebezáchovného sdružování
Určitá, konkrétní pavěda se vlastně nevyskytuje téměř nikdy v čisté, esenciální podobě. Vždy je odkazováno i na jiné pavědecké koncepce. Tento jev je natolik typický, že čtenář, který si není jist, zda čte pojednání o pavědě či o vědě, se může bez velkého rizika rozhodnout právě podle výskytu odkazů na jednoznačně identifikovanou pavědu. Četné metody alternativní medicíny se například charakteristicky odvolávají na podobnost s homeopatií (clusterová medicína, aromaterapie, urinoterapie, léčba drahými kameny …). Lze však tuto generalizaci ještě více rozšířit. Odvolává-li se nápadně na něco jednoznačná pavěda, je téměř jisté, že to něco je zase jen pavěda. Například Sheldrakeovu morfogenetickou teorii (morfickou rezonanci) demaskuje i to, že se na ni stále častěji odvolávají ti, kdo potřebují objektivizovat nějaká „energeticko-informační„ pole (auru, bioplasmu, telepatii a jasnovidnost). Pavěda se samozřejmě často odvolává i na zcela seriózní kvantovou teorii, teorie kosmologické (například Velký třesk) nebo různé medicínské poznatky. K tomu je však nutné tyto teorie a poznatky vyložit nesprávným či
184
neúplným způsobem, který někdy budí podezření i u téměř úplných laiků. Sheldrakeova teorie je však přebírána ve své původní, nezkreslené podobě, k úpravám není důvod. Novým hitem v této oblasti je též špatně pochopená teorie kvantové teleportace. Rizika
Různé druhy pavědy se vyznačují různou nebezpečností. Dänikeniády a katastrofické spisy nám mohou udělat zmatek v hlavě a v krajním případě nás mohou přivést i k psychiatrovi (jsou ovšem tragické výjimky – masové i individuální sebevraždy). Diskreditují archeologii a geologii, podsouvají nám primitivní filozofické úvahy. Pavěda medicínského ražení nás však při důsledné aplikaci může ohrožovat na životě. Platí to zejména o některých léčitelských doporučeních, která zahrnují i zákaz dalšího užívání cílené lékové terapie vážných onemocnění. Nebezpečné mohou být i některé diety a výživové systémy, jsou-li uplatňovány důsledně. Nadměrné užívání některých přírodních drog je zřejmě jedním z faktorů zvyšujících výskyt alergií. Alternativně medicínské postupy mohou reálně zhoršit vyhlídky nemocného, protože jeho choroba nekontrolovaně postupuje a dostává se do stadií stále hůře léčitelných. V neposlední řadě lidé přicházejí o značné sumy peněz, které by mohli využít užitečnějším způsobem. Nezáleží jen na tom, co je v nějaké knize napsáno či v nějakém televizním pořadu řečeno, ale záleží i na tom, kdo knihu čte a televizi sleduje. Pavědecká koncepce bude působit odlišným způsobem na poučeného odborníka či na laika schopného alespoň logického myšlení, jinak na člověka prostého a náchylného k sugesci. Jinak bude působit na člověka staršího, který si je vědom toho, že lidé jsou za peníze a pochybný věhlas ochotni často k čemukoliv, jinak na idealisticky laděného dorostence, inklinujícího k všeobjímající postmoderní toleranci a antiscientismu. Velmi dobře se pamatuji, jak hluboce na mě v době dospívání zapůsobily Součkovy Velké otazníky, které z dnešního hlediska představují záhadologii umírněnou a téměř kritickou, a ještě více Dänikenovy Vzpomínky na budoucnost, ufologické spisy nebo Rejdákův sborník Telepatie a jasnovidnost. Absolutně jsem nebyl schopen rozlišit, která tvrzení v těchto knihách mají reálný podklad a která jsou mystifikací či tradovaným omylem. Děti a dospívající mládež jsou dle mého názoru právě tou skupinou, která by před pavědou měla být alespoň trochu chráněna. Nemohou-li tuto ochranu poskytnout rodiče, pak je to úloha školy a sdělovacích prostředků. Mám dojem, že pavěda ve stále větší míře proniká i do pohádek a dětských seriálů. Magie, jasnovidnost a uvolňování psychických sil se v nich navíc často objevuje jako výsledek činnosti vědců, čímž se již v raném dětství fixuje mylná představa o předmětu a metodách vědy. Vědci jsou představováni jako pološílená a nebezpečná nebo naopak směšná stvoření – proč tolik skryté nenávisti a otevřeného zesměšňování? Co asi vyvolá v dospívajícím mozku i jen náhodná četba o škodlivosti mléka, astrálních tělech, léčbě močí či vzývání satana. Nebylo by na místě k těmto záležitostem přistupovat podobně jako k pornografii? Sedmá velmoc na závěr
Dnešní masmediální konzument si musí uvědomit, že svoboda slova, která u nás vládne od konce roku 1989, do značné míry relativizuje objektivnost a pravdivost informací o čemkoliv. Připusťme, že redaktor s mnoha lety praxe se může docela dobře stát člověkem, který obstojně rozumí politice a ekonomii, případně může říci hodně i k otázkám umění a kultury. Především pro tyto oblasti jsou také žurnalisté připravováni na svých fakultách. Ani dlouhá novinářská praxe však nemůže suplovat technické, přírodovědné či medicínské vzdělání. Nelze se proto divit, že redakční články týkající se
185
vědeckých problémů – od ekologie a medicíny až po techniku či zemědělství – se často hemží nesmysly. Část tohoto informačního šumu vzniká při přebírání, překládání a redakčních úpravách informací z jiných zdrojů. Nelze se ani příliš spoléhat na informace obsažené v rozhovorech se skutečnými odborníky na nějaký problém, protože i tyto texty bývají často redakčně upravovány. Nespornou výhodou je však v tomto případě možnost ověření, co vlastně dotyčný odborník řekl a jak to myslel.
VĚŠTĚNÍ Z RUKY devítistá čtyřicátá sedmá metoda (dle Mimbleshawova třídění), kterak se falešným tvrzením domoci peněz. Spočívá v ,čtení povahy‘ z vrásek, jež vznikají svíráním pěstí. Ono předstírání není zcela falešné; povahu lze tímto způsobem přečíst velice přesně, neboť vrásky v každé předložené dlani jasně tvoří slovo ,pitomec‘. Podvod spočívá v tom, že se nečte nahlas. Ambrose G. Bierce Ďáblův slovník (1911) české vydání z roku 1996, s. 171. Kritická literatura zásadního významu
Heřt J. a kol. (1997): Homeopatie, clusterová medicína, anthroposofická medicína. Lidové noviny, Praha. Hoggart S., Hutchinson M. (1997): Podivné události. Dialog, Liberec. Hoggart S., Hutchinson M. (1997): Divné události. Dialog, Liberec. Hora L. (1995): Problematika tzv. alternativní religiozity a jejího podílu na formování životní orientace mládeže. Skriptum Univerzity Karlovy, Karolinum, Praha. Kolektiv autorů (1995): Alternativní medicína: Možnosti a rizika. Grada Publishing, Praha. Kukal Z. (1986): Záhada bermudského trojúhelníku. Horizont, Praha. Malina J., Pavel P. (1994): Jak vznikly největší monumenty dávnověku: Mají pravdu Malina a Pavel, nebo Däniken. Nakladatelství Svoboda, Praha. Malinovi R. a J. (1988): Zasáhli mimozemšťané a katastrofy do vývoje lidstva? Profil, Ostrava. Mornstein V. (2003): Alternativní medicína a onkologie. In Adam Z., Vorlíček J., Kostíková J. (Eds.), Obecná onkologie a podpůrná léčba. Grada Publishing, Praha. Mornstein V. (2005): Alternativní medicína. Postgraduální medicína 7/3, 2005, 277-281 Mornstein V. (2003): Utopený Archimédes – Malý alternativní výkladový slovník, Nakladatelství V. Noskové, Praha Prokop Otto a kol. (1984): Lékařské vědy proti pověrám a šarlatánství. Avicenum, Praha. Škrabánek, Petr – McCormick, James (1995): Pošetilosti a omyly v medicíně. Lidové noviny, Praha. Heřt J., Hnízdil J., Klener P.(2002): Akupunktura – mýty a realita. Galén, Praha.
186
CHEMICKÉ METODY RECYKLACE ELEKTROODPADU Ing. Václav GRUBER,CSc Ústav chemických procesů AV ČR ,Rozvojová 135, 165 02 Praha 6
[email protected] Úvod
Přepracování a likvidace elektroodpadů představuje velmi rozsáhlý soubor činností aplikovaných na neobyčejně rozmanitou třídu materiálů, která zahrnuje předměty od velikosti mobilního telefonu až po mnohatunové průmyslové soubory jako velíny se souvisejícími systémy čidel, telefonní ústředny nebo velkokapacitní chladící zařízení. Konstrukční prvky těchto zařízení obsahují širokou škálu použitých materiálů-plasty, sklo, ale hlavně neobyčejně pestrou směs kovů a polovodičových materiálů a to od těch nejběžnějších až po zlato,stříbro, platinu anebo takové prvky jako Ta, Co, Nd, Eu nebo Sm. Aspekty recyklace
a) Ochrana prostředí Na výše zmíněné odpady je, vzhledem k možným interakcím s okolním prostředím, nutno pohlížet jako na nebezpečný odpad. Hlavní zátěž a riziko přináší přítomnost mnoha těžkých kovů, jejich sloučenin, elektrolytů, ale i komponent vymývajících se z plastů anebo vznikajících jejich případným hořením. Zvláštní kapitolou jsou freony používané v chladících zařízeních. Přestože jejich užití je v současnosti výrazně omezeno, při recyklaci elektrických zařízení se s nimi setkáváme zcela běžně a manipulace s nimi je značně náročná. b) Získání cenné suroviny Naproti tomu mnoho elektrotechnických zařízení obsahuje cenné materiály, jejichž opětovné využití může proces recyklace učinit ekonomicky soběstačným nebo dokonce vyloženě ziskovým. Rentabilnímu získání obecných a barevných kovů (Fe, Al, Cu, Pb….) většinou brání to, že jednotlivé součástky elektrotechnických zařízení s obsahem kovů jsou obyčejně drobné a s mnoha propojeními a jejich segregace je náročná. Oba tyto zásadní přístupy k problematice likvidace elektrošrotu-ekonomický a environmentální - většinou splývají a recyklační procedura by měla splňovat obě kritéria. Nepochybně ale musí dominovat požadavek zneškodnění odpadu. Opětovné využití cenných složek šrotu může recyklační proces zlevnit nebo dokonce zaplatit a zároveň tím lze minimalizovat objem odpadů, které je nutno deponovat. c) Legislativní rámec Podle zákona 7/2005 Sb., kterým se pozměňuje dosavadní zákon o zacházení s odpady, přechází povinnost likvidovat elektrotechnické a elektronické výrobky na jejich výrobce, případně dovozce a distributory. Jak bude organizace sběru, třídění a recyklace elektroodpadů u nás v praxi probíhat,zatím není příliš jasné. Sběr je zatím většinou prováděn systémem sběrných dvorů organizovaných lokálními správami, síť sběru použitých výrobků přímo u prodejců zatím příliš nefunguje. Právě tak neexistuje žádná velká firma, která by se na recyklaci elektrošrotu specializovala, přepracování je
187
roztříštěno do mnoha malých subjektů a ne všechny z nich splňují všechny kvalifikační a environmentální požadavky.
Průmyslové metody recyklace elektronických a elektrotechnických odpadů
Vzhledem k rozsáhlosti problematiky s dále omezíme jen na rámcový popis stávajícího stavu techniky s jeho výhodami a nevýhodami. Hlavní důraz bude přitom kladen na možné technologie získávání drahých a speciálních kovů z některých typů elektrošrotu . Jako příklad skutečně průmyslového způsobu přepracování elektrotechnických odpadů popišme společný závod dvou velkých japonských elektronických koncernů. Zařízení pracuje již od roku 1996 ve městě Mitó v prefektuře Miyagi , asi 100 km severně od Tokia. Provoz zpracovává kolem 7.000 tun použitých elektrotechnických výrobků měsíčně. Nejprve jsou mechanicky demontovány obrazovky z televizních přijímačů a z PC monitorů, které se dále zpracovávají na oddělené lince,jejíž schéma bude popsáno později. Veškeré další materiály (počítače,televizory,tiskárny,telefonní přístroje,audio a videozařízení – ne však chladicí systémy) se již zpracovávají společně. Šrot se hrubě drtí na čelisťových drtičích a na třídícím pásu se odstraní velké části plastových skříní,transformátorů,železných rámů a pod. Zbytek se přivede do kulového mlýna,do kterého je současně vstřikován kapalný dusík. Šrot se ve stavu zkřehnutí šetrně rozemele,drť se třídí magnetickou separací a dále aerací a separací v cyklónech na frakce plastů,keramiky,hliníku a mědi. Frakce plastů se ještě dále dělí na lehký podíl určený k recyklaci a těžký podíl,který je ještě přepracováván chemicky. Frakce keramiky a těžkých plastů se chemicky louží a z výluhů se získávají drahé kovy.Zbytek se skládkuje,odloužením těžkých kovů je však jeho toxicita částečně snížena. Výtěžnost drahých kovů se při tomto procesu pohybuje kolem 80-90% původního obsahu ve vstupní surovině v případě stříbra a zlata, výtěžnosti rhodia a paladia jsou horší,kolem 60-70%. Bilance se ještě trochu navýší po provedení rafinace frakce surové mědi,kde se také získá určité množství drahých kovů. Podobně i získané podíly obecných kovů nejsou čisté a vyžadují další hutnické úpravy,je však dosaženo hlavního cíle – odpad je znovu použit a ne skládkován. Dosti nízká účinnost izolace cenných kovů je v tomto případě kompenzována vysokou kapacitou provozu,kdy při vysokém stupni automatizace jsou nízké nároky na pracovní sílu,což je v tamních ekonomických podmínkách klíčové. Podle neoficiální informace je provoz dokonce hospodářsky soběstačný prodejem druhotných kovů,pokud množství přepracovaného materiálu neklesne pod 4.000 tun měsíčně. Tento údaj se samozřejmě s časem značně mění tak jak kolísá obsah cenných složek v surovině i ceny získaných produktů. Zcela jiná je situace ve středoevropském regionu.Specializovaný závod o podobné kapacitě se zatím zdá utopií,takže i metody recyklace jsou diametrálně odlišné. Při doposud stále poměrně levné pracovní síle se u nás přepracování elektrotechnických odpadů tříští do mnoha drobných zpracovatelských subjektů orientovaných na kvalifikované mechanické demontáže přístrojů a zařízení,při kterém se dosahuje vyšších čistot získaných druhotných surovin a mnohem vyšší účinnosti při dobývání drahých kovů. Vyšší zisky z prodeje recyklovaných surovin přitom kompenzují vyšší nároky na pracovní sílu. Mnoho našich firem navíc využívá systém chráněných dílen a zaměstnává osoby se změněnou pracovní schopností,což je pro ně ekonomicky i sociálně výhodné.
188
Chemické procesy izolace drahých kovů z elektrotechnických odpadů
(1) Extrakce drahých kovů v tavenině olova Elektrotechnické součástky jako konektory, tištěné spoje nebo integrované obvody se mísí v peci s roztaveným olovem.Plasty vyhoří, železo a část barevných kovů plavou na povrchu taveniny a odtud se stahují. Do roztaveného olova přechází většina ušlechtilých kovů. Tavenina se následně prohání vzduchem, většina olova a obecných kovů se zoxiduje a odstraní jako struska. Zbylá část olova obohacená o drahé kovy se podrobí rafinaci. Výhodou procesu je malá náročnost na pracovní sílu a univerzálnost vůči vstupní surovině, nevýhodou pak nepříliš dobrá ekologická šetrnost – odplyny z hoření plastů, struska s obsahem těžkých kovů. (2) Kyanidové loužení Nejvíce zastoupený a také nejžádanější kov přítomný v elektroodpadech – zlato – je možno selektivně a snadno izolovat loužením zředěnými roztoky alkalických kyanidů. Podmínkou je, aby pozlacený materiál byl obnažen, tedy jeho povrch byl přístupný kontaktu s loužícím roztokem. To bývá splněno při ručním rozebírání odpadu. Loužení má vysokou účinnost a jeho výhodou je fakt, že ostatní kovy nejsou dotčeny. Nejčastěji používané slitiny na bázi Cu, Zn, Ni tak mohou být dále metalurgicky rafinovány, aniž by tyto kovy přecházely do roztoků a z nich musely být složitě izolovány. Nevýhodou je samozřejmě vysoká toxicita použitého činidla, paradoxně ale při správném chemickém zacházení s výluhy je odpadů minimální množství a jsou neškodné – CN- se rozpadne na uhličitanové a amonné ionty . Provozní rizika a potencionální možnost havárie však tento proces činí problematickým. (3) Separace paladia Paladium se v elektroodpadech vyskytuje ve třech hlavních aplikacích – v nejiskřících kontaktech ( relé, stykače ), jako náhražka zlata na povrchu mechanických kontaktů anebo v deskových keramických kondenzátorech. Vzhledem k značné chemické příbuznosti k mědi je jeho elektrochemická izolace málo účinná, srážení některých málo rozpustných komplexních sloučenin paladia rovněž nedává uspokojivé výsledky. Pokud se ale surovina s obsahem paladia zpracovává sulfáto – nitrátovou cestou, vzniklé roztoky lze po denitraci velmi snadno redukovat formaldehydem a získat s vysokou účinností paladium. Procesu vadí přítomnost halogenidových iontů. (4) Permanentní magnety V harddiscích počítačů, ale i např. v reproduktorech audiosoustav se stále více nacházejí místo klasických magnetů nebo feritů kompozitní materiály s velmi vysokou magnetickou susceptibilitou na báze Sm Co5 nebo Nd -B -Fe. Izolace těchto elementů není ani tak ekonomickým přínosem, ale hlavně technologickým požadavkem. Obsah lanthanoidů silně zhoršuje kvalitu železné složky šrotu a navíc způsobuje potencionální riziko vzhledem k pyroforičnosti a jiskřivosti těchto slitin. Při kvalitní mechanické demontáži mohou být tyto komponenty snadno odstraněny a navíc poměrně jednoduchým chemickým procesem mohou být cenné složky ( Co, Sm, Nd ) recyklovány.
189
(5) Elektrolýza Pokud se při procesu recyklace elektrošrotu získá frakce barevných kovů anebo výluh z některého podílu odpadu, někdy se zpracovává elektrolyticky. Roztok ale obvykle obsahuje velké množství kovů ( Cu, Zn, Ni, Cd, Ag, Pd, Fe… ) a izolace všech složek není ekonomicky možná ani žádoucí. Většinou se elektrolýzou získá podíl mědi případně niklu a drahé kovy z většiny zůstávají v anodických kalech. Pro složitost odpadních roztoků a ekologickou náročnost likvidace zbytků je elektrolýza používána ve světě pro přepracovávání elektroodpadů poměrně zřídka .
(6) Recyklace luminoforů Recyklace televizních obrazovek a PC monitorů je objemově dosti významnou součástí procesu přepracování elektroodpadů. Specifická je přitom právě přítomnost skleněné obrazovky. Sklo je masivní z důvodů podtlaku v obraz ovce, takže tvoří 1/3 až ½ hmotnosti celého přístroje. Stínítko obrazovky je vyráběno z barnatého nebo strontnatého skla, kónus z olovnatého skla. Pro opětovné využití skla je nezbytné zbavit obrazovky luminiscenční vrstvy nanesené na vnitřní straně. Luminofor je jednak toxickým odpadem pro obsah těžkých kovů a S, ale navíc znemožňuje opětovné využití skla tím, že významně mění optické vlastnosti skla. Obrazovkové sklo je tedy čištěno mokrou nebo suchou cestou, při obou vzniká kal či prach luminoforu. Ten je dosud deponován jako toxický odpad bez přepracování, přestože obsahuje přes 10 % yttria a kolem 2 – 3 % europia, jejichž cena se pohybuje v řádu tisíců , respektive desetitisíců Kč / kg. V současnosti probíhá poloprovozní ověřování metody recyklace těchto kovů, čímž by se ČR zařadila mezi nejpokročilejší státy v této oblasti. Závěr
Závěrem lze konstatovat, že recyklace elektrošrotu představuje perspektivní obor , který v budoucnu, vzhledem k rostoucí ceně kovů na světových trzích, zcela zřejmě poroste. Základní technologické postupy – pyrometalurgie a hydrometalurgie –poskytují recepty pro řešení jednotlivých problémů. Nicméně, podobně jako je tomu prakticky u všech technologických procesů zabývajících se ochranou životního prostředí, je třeba jednotlivé aplikace „šít na míru.“ Často se přitom jedná o malé, kilogramové, technologie, které je možno bez problémů řešit jako procesy vsádkové, a tak je učinit dostupné i v rámci podniků nespecializovaných na technickou chemii. Dalším důležitým poznatkem z praxe zpracování elektrošrotu je fakt, že jádro problému v navrhovaných procesech nejčastěji spočívá v mechanických operacích vedoucích k demontáži suroviny. Zde se nabízí speciálně pro české firmy možnost spolupráce se zahraničními zpracovateli, kteří jsou v řešení těchto problémů pokročilejší (např. zmiňované Japonsko).
190
