Badania naukowe

Wiadomo, że jeśli dobrze poznamy mechanizm danego procesu, będziemy mogli
lepiej wpływać na jego przebieg. Rezultaty niektórych badań prowadzonych
przez Instytut Podstawowych Problemów Techniki mogą zatem stanowić
dobry punkt wyjścia dla badaczy innych dziedzin nauki.

Bartłomiej Guz

 Działający od ponad 40 lat Instytut Podstawowych Problemów Techniki, w którym jest zatrudnionych ponad 170 naukowców, stanowi największą instytucję badawczą w strukturach Polskiej Akademii Nauk. Instytut przynależy do IV Wydziału Nauk Technicznych, który koordynuje działalność komitetów naukowych, przyczynia się do rozwoju współpracy naukowej z zagranicą i ma również swój udział w organizowaniu konferencji i zjazdów naukowych. Wydział przyznaje każdego roku nagrody polskim naukowcom za ich wybitne publikacje z dziedziny nauk technicznych. Jednym z sześciu laureatów nagrody przyznanej w 2000 roku był pracownik Instytutu dr Tomasz Lipniacki, który prowadzi swą działalność w Zakładzie Mechaniki i Fizyki Płynów. Nagrodę zdobył w dziedzinie mechaniki za pracę Dynamika i statyka łańcucha DNA.

DYNAMIKA I STATYKA

Artykuły referujące części tej pracy były publikowane w międzynarodowych pismach naukowych, wydawanych m.in. we Włoszech, Singapurze i Stanach Zjednoczonych. – Jedna z nich, zamieszczona w „International Journal of Bifurcation and Chaos”, dotyczyła statyki, ale nie DNA, lecz polipeptydu, a raczej pewnego matematycznego problemu – mówi dr Lipniacki. Problem ów opiera się na tym, że polipeptyd stanowi ciąg jednakowych segmentów (peptydów), które oddziałują ze sobą momentami siły, uzależnionymi od względnego kąta pomiędzy osiami sąsiednich segmentów. Można przyjąć, że zna się położenie dwóch pierwszych segmentów, a następnie obliczać położenie trzeciego segmentu tak, aby drugi był w równowadze, a następnie czwartego tak, aby trzeci był w równowadze itd. Pozwala to obliczyć, jak jest położony dowolny segment. Okazuje się jednak, że ów układ stanowi chaos deterministyczny. Ten dość paradoksalnie brzmiący termin mówi nam, że minimalna (dowolnie mała) zmiana warunków początkowych, czyli modyfikacja położenia dwóch pierwszych segmentów, powoduje nieobliczalne zmiany ustawienia dalekiego segmentu. – W gruncie rzeczy nie można zatem przewidzieć ustawienia dalszych segmentów, gdyż położenie tych dwóch pierwszych zawsze jest wyznaczane ze skończoną dokładnością – podsumowuje problem dr Lipniacki.

Wynikiem innej pracy z nagrodzonego cyklu była konstrukcja modelu dynamiki DNA, który został wykorzystany do analizy lokalnego otwierania się molekuły DNA. Jak wiadomo, cząsteczka kwasu dezoksyrybonukleinowego składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych, które poprzez komplementarne zasady azotowe wiążą się ze sobą wiązaniami wodorowymi, tworząc podwójną spiralę (helisę). W procesie otwierania się molekuły DNA dwie nici lokalnie się rozkręcają (na długości ok. 20-30 zasad, gubiąc przy tym od dwóch do trzech skręceń), co umożliwia ich rozseparowanie. Następnie rozkręcony obszar przesuwa się wzdłuż molekuły DNA. Proces ten jest niezwykle ważny, gdyż lokalnie oswobodzona pojedyncza nić DNA, zgodnie z regułą komplementarności zasad, służy jako wzorzec do budowy RNA podczas tzw. transkrypcji. Informacja genetyczna jest tu wykorzystywana do uszeregowania sekwencji nukleotydów w cząsteczkach RNA. Kolejny etap stanowi natomiast translacja genetyczna, kiedy to kod genetyczny zawarty w sekwencji nukleotydów informacyjnego RNA zostaje przetłumaczony na sekwencję aminokwasów. Każdy z dwudziestu różnych aminokwasów jest tu określany odpowiednią trójką nukleotydów zwaną kodonem.

Dr Lipniacki, w odróżnieniu od genetyków, nie bada jednak, jaka informacja jest przekazywana, lecz zajmuje się ruchem DNA umożliwiającym proces transkrypcji. Zaproponowany przez niego model pozwala opisać przesuwanie się „rozkręconego bąbla”. Zjawisko to zostaje wymuszone poprzez polimerazę RNA – enzym odpowiedzialny za budowę informacyjnego RNA. Dr Lipniacki od strony matematycznej dowodzi istnienia specyficznej klasy rozwiązań układu równań opisującego dynamikę molekuły DNA. Rozwiązania te opisują falę rozkręceniową przebiegającą wzdłuż molekuły. – Badanie tej kwestii jest istotną rzeczą, gdyż wiadomo, że jeśli dobrze poznamy mechanizm danego procesu, wtedy będziemy mogli lepiej wpływać na jego przebieg, na przykład cenne byłoby zatrzymanie tego procesu w komórkach rakowych, co powodowałoby ich śmierć – tłumaczy dr Lipniacki, który obecnie zajmuje się termodynamiką DNA, to znaczy wpływem drgań termicznych otoczenia (np. wody albo roztworu wodnego) na ruch DNA. Zachowanie molekuły zmienia się bowiem wraz z temperaturą. Jeśli jest ona zbyt wysoka, helisa może ulec rozpadowi, a jeśli zbyt niska, to nie może na przykład zachodzić proces transkrypcji. Odpowiednia temperatura jest zatem jednym z warunków właściwego działania DNA.

LEKKI GAZ O DONIOSŁEJ WADZE

Tematyka pracy doktorskiej dr. Lipniackiego nie była jednak związana z omawianymi zagadnieniami, lecz dotyczyła dynamiki nadciekłego helu. Niewątpliwie, hel jest jednym z pierwiastków o zdumiewających własnościach fizycznych. To jedyny pierwiastek, którego nie można zamienić w ciało stałe poprzez obniżanie temperatury pod ciśnieniem atmosferycznym. W temperaturze ok. 2 stopni Kelvina ciekły hel (hel I) przechodzi w stan nadciekły (hel II), który wykazuje szereg anomalnych własności fizycznych. Nadciekły hel ma dwa komponenty, normalny i nadciekły, który w odróżnieniu od pierwszego jest pozbawiony lepkości (właściwości polegającej na powstawaniu naprężeń stycznych). Poprzez przeciwbieżny ruch komponentów można wywołać turbulencję – stan, jaki się pojawia, gdy liczba Reynoldsa (mówiąca o stosunku sił bezwładności do sił lepkości) przekroczy wartość krytyczną, przy której przepływ laminarny (gdy elementy płynu poruszają się po torach równoległych) traci swą stateczność. W przepływie turbulentnym, który wtedy się pojawia, tory poszczególnych elementów przecinają się ze sobą w chaotyczny sposób.

W jaki sposób możemy wywołać taki stan w nadciekłym helu? Jak wywołać przeciwstawny ruch komponentów? – Jeżeli na końcu rurki z nadciekłym helem umieścimy grzejnik, to wtedy komponent normalny będzie płynął od grzejnika i unosił ciepło, natomiast komponent nadciekły, mający zerową energię, będzie płynąć do grzejnika i tam – ogólnie rzecz biorąc – będzie się zamieniać w komponent normalny. To właśnie wywołuje przeciwbieżny ruch komponentów, który sprawia, że nadciekły hel jest takim rewelacyjnym przewodnikiem. Poza tym, ów proces powoduje wydłużanie się wirów kwantowych i zwiększanie się ich gęstości – wyjaśnia dr Lipniacki. Wiry kwantowe – bardzo cienkie nici wirowe, wokół których krąży ciecz – są niezwykle interesującymi obiektami w helu II. Gęstość owych wirów może dochodzić do 100 km linii wirowej w jednym centymetrze sześciennym cieczy. Cyrkulacja jej prędkości wokół wiru kwantowego jest stała, co powoduje, że wiry te (w odróżnieniu od wirów w klasycznych cieczach, takich jak woda) mogą się skracać lub wydłużać, lecz nie rozmywają się. – Możliwe jest uzyskanie stanu, w którym nadciekły komponent znajdzie się w stanie turbulentnym, a normalny komponent będzie przepływać laminarnie i ten reżim jest relatywnie prosty. To znaczy, jest prostszy od klasycznej turbulencji, właśnie poprzez to, że wiry nie rozmywają się, nie dyfundują – mówi dr Lipniacki. Turbulencja jest problemem bardzo złożonym i jeszcze przez długi czas nie da się go numerycznie przeanalizować. Rozpracowywanie turbulencji kwantowej w nadciekłym helu może być jednak dobrym wstępem do dalszych, jeszcze bardziej skomplikowanych badań w tej dziedzinie.

ROZPIĘTOŚĆ BADAŃ

Działalność naukowa Instytutu jest wspierana finansowo przez Komitet Badań Naukowych, który przyznaje granty. – Są one konieczne, np. do finansowania uczestnictwa w zagranicznych konferencjach, zakupu aparatury itp. – mówi dr Lipniacki, który stara się wyjeżdżać na konferencje trzy, cztery razy w roku, co – jak sam przyznaje – stanowi pewne rozsądne minimum. Właśnie w ramach grantu KBN są prowadzone badania z zakresu termodynamiki DNA oraz turbulencji kwantowej w nadciekłym helu.

Kierownikiem pierwszego z wymienionych grantów jest prof. Henryk Zorski, natomiast drugiego – dr Lipniacki. Kierownikiem pracowni, w której rozwija swą działalność dr Lipniacki, jest natomiast prof. Peradzyński. – W naszej pracowni zajmujemy się również silnikami plazmowymi do francuskich satelitów. Pewien francuski naukowiec robi tu nawet doktorat – oznajmia prof. Peradzyński. W silnikach plazmowych wykorzystywany jest odrzut odpowiednio przyspieszonej plazmy, czyli bardzo silnie zjonizowanego gazu. Dzięki możliwości przyspieszenia jonów polem magnetycznym, wypływ plazmy może osiągać bardzo dużą prędkość, przez co zwiększa się siła ciągu silnika na jednostkę masy traconej plazmy. Jak widać, tematyka badań już w samej pracowni wykazuje dość dużą rozpiętość. Z drugiej jednak strony, naukowcy specjalizują się zazwyczaj tylko w niektórych aspektach podejmowanych zagadnień, co przy ich złożoności jest rzeczą najzupełniej zrozumiałą. Naturalnie, otrzymywane rezultaty badań wydają się być niezwykle cenną rzeczą przede wszystkim dla samych badaczy. Jednak efekty, do których się one przyczyniają, mogą przynieść globalne korzyści.

Komentarze