O stopniowym zaniku granic pomiędzy wytworami współczesnej techniki, a żywym organizmem pisaliśmy już kilkukrotnie. Elektroniczne implanty, bioniczne protezy, czy technologie optogenetyczne – nie są już marzeniem pisarzy science-fiction, ale rzeczywistością. Najnowsze odkrycie naukowców z amerykańskiego rządowego laboratorium w Oak Ridge pokazuje, że integracja elektroniki z biologią może mieć znacznie bardziej dosłowny charakter.

Oak Ridge jest niespełna 30-tysięcznym miasteczkiem na wschodzie USA. Choć jest niewielkie, to w historii ludzkości zapisało się bardzo mocno – i to niekoniecznie „złotymi zgłoskami”. Miejscowość powstała bowiem specjalnie na potrzeby pracowników biorących udział w niesławnym Projekcie Manhattan, który zakończył się pierwszym bojowym użyciem bomby atomowej.

Bomby atomowe w Oak Ridge są już przeszłością, ale to właśnie tutaj działa Oag Ridge National Laboratory podlegające pod Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Ostatnie odkrycia pracujących w nim naukowców mogą mieć natomiast równie doniosłe skutki, co Projekt Manhattan.

O zjawiskach elektrycznych słów kilka

Żeby dobrze zrozumieć cały sens odkrycia, trzeba najpierw zapoznać się z kilkoma podstawowymi zjawiskami dotyczącymi elektryczności. Pierwszym z nich jest polaryzacja elektryczna.

Z fizycznego punktu widzenia jest to pojawienie się na powierzchni dielektryka ładunków o przeciwnych znakach, gdy zostanie on umieszczony w polu elektrycznym. Wewnątrz delektryka powstaje wtedy pole elektryczne skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego. Brzmi to wprawdzie dość skomplikowanie, ale w praktyce najprościej wytłumaczyć to w ten sposób: to właśnie dzięki wykorzystaniu tego efektu typowa bateria – którą na przykład wkładamy do aparatu fotograficznego – posiada „plus” i „minus”.

To samo zjawisko jest podstawą kolejnego: ferroelektryczności. Ferroelektryczność polega na tym, że określone kryształy posiadają stałą polaryzację  - ogólnie mówiąc, „plus” i „minus” zawsze jest w tym samym miejscu – ale można ją zmieniać poddając je działaniu zewnętrznego pola elektrycznego. Warto zwrócić uwagę, że wszystkie elementy ferroelektryczne mają mniejsze lub większe właściwości piezoelektryczne, ale nie wszystkie piezoelektryki wykazują efekt ferroelektryczny.

Wspomniane przed chwilą piezoelektryki, to natomiast takie materiały, które generują potencjał elektryczny w wyniku działania siły. Czyli – mówiąc krótko – ściśnięty piezoelektryk wytwarza (zwykle dość słaby) prąd.

Wszystko to może wydawać się na pierwszy rzut oka mało związane z biotechnologią, okazuje się jednak niezmiernie istotne dla bioelektroniki, która coraz szybciej staje się najbardziej realną z futurystycznych dziedzin nauki.

Glicyna, nauka i komputery

Glicyna, czyli najprostszy z 20 standardowych aminokwasów wchodzących w skład białek, funkcjonuje przede wszystkim jako przekaźnik w ośrodkowym układzie nerwowym. Występuje przede wszystkim w rdzeniu przedłużonym oraz w rdzeniu kręgowym, a także – w nieco mniejszym stężeniu – w półkulach mózgowych oraz móżdżku. Hamuje receptory glicynowe oraz jest kluczowym koagonistą do aktywacji receptorów NMDA.

Receptory NMDA (kwasu N-metylo-D-asparginowego) to natomiast miejsca w których łączą się dwa rodzaje bodźców: chemicznych (kwas glutaminowy) oraz elektrycznych. Dzięki receptorom NMDA mózg potrafi te bodźce ze sobą powiązać, co prawdopodobnie pozwala mu się uczyć. Sam kwas NMDA jest bezpośrednio powiązany mechanizmami powstawania pamięci oraz zapamiętywania i zapominania informacji.

Podobnie jak w powyższych procesach, tak i w procesie działania pamięci komputerowej biorą udział bodźce (impulsy) elektryczne. Jednym z rodzajów takiej pamięci jest FRAM (ang. Ferroelectric Random Access Memory), czyli rodzaj pamięci wykorzystującej opisane wcześniej zjawisko ferroelektryczności. Zastosowane w niej kryształy reagują na napięcie o odpowiedniej polaryzacji. Pamięć taka jest bardzo szybka, bardzo trwała i wyjątkowo efektywna energetycznie.

Ferroelektryczny mózg

Od dawna wiadomo było, że część aminokwasów posiada własności piezoelektryczne – a więc mogą wytwarzać potencjał elektryczny poddane mechanicznemu działaniu. Naukowcom z Oak Ridge National Laboratory udało się jednak właśnie odkryć w glicynie zjawisko ferroelektryczności. Okazuje się, że ten aminokwas… zmienia swoją polaryzację po znalezieniu się w zasięgu oddziaływania odpowiednio ukształtowanego pola elektrycznego! Pod tym względem zachowuje się zadziwiająco podobnie do wspomnianej pamięci FRAM.

Mówiąc najprościej – okazuje się zatem, że funkcjonująca w mózgu ludzkim i biorąca udział w procesach pamięciowych glicyna zarówno emituje słabe pole elektryczne, jak i bezpośrednio na nie reaguje. To oznacza, że – przynajmniej teoretycznie – możliwe wydaje się sterowanie procesami pamięciowymi bezpośrednio za pomocą specjalnie przygotowanych impulsów elektrycznych, i to bez żadnej fizycznej ingerencji w mózg. Bez elektrod, operacji, czy implantów można będzie w przyszłości prawdopodobnie wpłynąć na zachowanie ludzkiej pamięci. Biorąc pod uwagę błyskawiczne postępy w zakresie genetyki i funkcjonowania mózgu, można nawet pokusić się o stwierdzenie, że prawdopodobne jest poznanie określonych wzorców oraz wzajemnego oddziaływania wytwarzanego w organizmie pola elektrycznego z dostarczanym z zewnątrz do tego stopnia, że manipulacja pamięcią lub zachowaniem człowieka – zdalna i bez jego wiedzy – stanie się rzeczywistością.

Brzmi to oczywiście bardzo nierealnie, ale kolejne doniesienia naukowe wskazują, że ta perspektywa staje się coraz mniej fantastyczna.

Zwolennicy „wiedzy tajemnej” w odkryciu badaczy z Oak Ridge mogą dopatrywać się potwierdzenia i fizyczno-biologicznego wytłumaczenia rzekomego fenomenu telepatii. Naukowcy nie posuwają się jednak tak daleko.

„Te badania pomagają przecierać ścieżki do budowy nowych urządzeń pamięciowych z molekuł, które już znajdują się w naszych ciałach” – twierdzi Andrei Kholkin z portugalskiego Uniwersytetu w Aveiro, szef amerykańskich badań.

Siergiej Kalinin z ORNL dodaje, że to odkrycie może także pomóc w budowie nowoczesnych nanorobotów, które dzięki wykorzystaniu ferroelektrycznej glicyny będą mogły swobodnie pływać w naszej krwi.

Jakby na to nie patrzeć – implikacje odkrycia są olbrzymie. Oczywiście do jego praktycznego wykorzystania potrzebnych jest jeszcze wiele długotrwałych badań, ale nowe perspektywy – zdaniem naukowców – są tego warte.

Granica pomiędzy biologią i elektroniką zaczyna natomiast powoli znikać całkowicie…

Adam Czajczyk

foto: Ferroelektryczna glicyna - OakRidge National Laboratory