Kémiai eredmények


Katalízis


Berzelius, aki megalkotta a kémiai sztöchiometria végleges formáját, 1835-ben felfedezte a katalízis jelenségét, de a folyamatot nem tudta sztöchiometriailag tárgyalni. Ez másfél évszázadon keresztül másoknak sem sikerült. A körfolyamati sztöchiometria segítségével ez természetes módon válik lehetővé rámutatva, hogy a katalizátor nem más, mint egy kémiai körfolyamat egy belső komponense.

Kétszintű katalízis

Szent-Györgyi Albert a C-vitaminnal kapcsolatos vizsgálataiért és a „fumársav katalízis” felfedezéséért kapott Nobel-dijat 1937-ben. Miután kiderült, hogy a folyamatrendszer egyes lépéseit enzimek katalizálják, a szakma e megállapítást csendben úgy kezelte, mint a Nobel bizottság egy értelmezési tévedését mondván, hogy nem a fumársav, hanem az enzimek a katalizátorok. A körfolyamati sztöchiometria azonban egyértelműen bizonyítja, hogy a Nobel bizottság nem tévedett, a „fumársav katalízis” létezik. A Krebs ciklus (Nobel-dij 1953) ugyanis, mint körfolyamat, a maga egészében is katalizátorként viselkedik függetlenül attól, hogy az egyes elemi lépéseit enzimek katalizálják-e vagy sem. E kétszintű katalizis folyamatai a körfolyamati sztöchiometria segítségével kvantitatíve tárgyalhatók.

Autokatalízis

Eigen és Gánti az 1960-as években lényegében egyidőben egymástól függetlenül ismerték fel, hogy az autokatalízis nem más, mint önreprodukáló kémiai körfolyamat. Felismerésüket egyikük sem publikálta külön kémiai eredményként, hanem Eigen a hyperciklus elméletébe, Gánti a chemoton elméletbe beépítve hozták nyílvánoságra 1971-ben. Gánti a későbbiekben a körfolyamati sztöchiometriára alapozva kidolgozta az autokatalitikus folyamatok sztöchiometriáját is.

Koenzimek

Fél évszázaddal ezelött úgy tanították, hogy hogy az enzimek két részből állnak, a fehérjetermészetű apoenzimből és a kismolekulasúlyú koenzimből. A koenzim fogalom a mai napig használatos. A körfolyamati sztöchiometria segítségével egyértelműen bebizonyítható, hogy a régi értelemben vett koenzim nem létezik, a koenzimek éppúgy sztöchiometrikus reakciópartnerek, mint bármely más reakciópartner. Létezik viszont úgynevezett koenzim kapcsolás, amely két enzimes körfolyamatot ugyanazon vegyület két állapotának oda-vissza alakulásával köt össze, amely vegyület az adott rendszerben ílymódon katalizátorként viselkedik. A koenzim kapcsolás a körfolyamati sztöchiometriával kvantitatíve tárgyalható.

Kémiai reakcióhálózatok

A kémia az elmúlt közel két évszázad alatt főként az egyes kémiai reakciókat vizsgálta, néhány esetben a kapcsolt kémiai reakciókat. Reakcióhálózatokkal csak a biokémia foglalkozott, de az is csak kvalitatív módon, mert a kémiai sztöchiometria a kémiai visszacsatolásokat, a körfolyamatokat, az összetettebb reakcióhálózatokat nem volt képes kezelni, ugyanis a hagyományos sztöchiometriával csak a lineárisan kapcsolt reakciókból képezhetők bruttóegyenletek. A körfolyamati sztöchiometriával, amennyiben a rendszer un. vagy elágazásokat nem tartalmaz, tetszőleges bonyolultságú reakciórendszer bruttóegyenlete elkészíthető. (Az ún. vagy elágazások sztöchiometriailag elvileg határozatlanok, de kinetikailag kezelhetők és fontos szerepük lehet a fluid automaták kívülről történő szabályozásában.)

Fluid (kémiai) masinák

A bevezetőben (lásd fluid (kémiai) automaták) említettük, hogy az emberi technika az energia manipulálására a masinériáiban csak a mechanikai és az elektromos eszközöket alkalmazza, jóllehet az élővilág a maga konstrukcióiban ez energia manipulálását alapvetően kémiai úton végzi. A manipuláció ez esetben oldatokban, fluid állapotban történik, bármiféle szilárd konstrukció igénybevétele nélkül, a konstrukciók lényegét ezeknél a különböző reakcióhálózatok organizációs módja adja. A manipuláció eredménye azonban megfelelő szilárd vagy félszilárd konstrukciók felhasználásával mechanikai vagy elektromos energiaváltozásokká transzformálhatók (lágy automaták). Ezzel a módszerrel az élővilág minden számára szükséges feladatot megoldott a különböző kémiai anyagok programozott termelésétől a repülésig, az információs műveletektől az önvédelemig.

A módszer titka a reakcióhálózatok lehetséges organizációs módjában rejlik. E hálózatoknak a chemoton elméleten belül kifejlesztett ábrázolási módja (az és/vagy elágazások elkülönítése) valamint a körfolyamati sztöchiometria lehetővé teszi e hálózatok íróasztal melletti kvantitatív tervezését, azaz fluid automaták konstruálását hasonló módon, mint ahogy a mérnökök ma a mechanikai gépeket vagy az elektromos készülékeket szerkesztik. A chemoton elmélet ezzel a mechanikai és az elektromos technika mellett egy új, harmadik fajta technika kifejlesztésének lehetőségét alapozza meg az emberiség számára.

Önreprodukáló automaták

J. von Neumann fél évszázaddal ezelőtt bebizonyította, hogy elvileg készíthetők önreprodukáló automaták, de az emberi technikának ilyent azóta sem sikerült létrehoznia. Pedig a kémiában az önreprodukció jelensége egy évszázada ismert (autokatalízis). Azt pedig, hogy a fluid (kémiai) automaták világában az önreprodukáló masinériák ténylegesen megvalósíthatók, az élővilág több, mint tízmillió faja külön-külön is kézzelfoghatóan bizonyítja.
A fluid automaták tervezésére kifejlesztett módszerek segítségével önreprodukáló, sőt térben elkülönülő, szaporodó fluid automaták is szerkeszthetők. A legegyszerűbb, programvezérelten működő szaporodó fluid automatát nevezzük chemoton-nak, az egész elmélet erről kapta a nevét. A chemoton három autokatalitikus kémiai rendszer speciális sztöchiometriai összekapcsolásával létrejövő kémiai szuperrendszer, amelynek jelképe, a chemoton szimbólum, a sztöchiometriai és hálózati alapokat tartalmazó chemoton coupling, valamint a chemoton mennyiségi viszonyait megadó chemoton bruttóegyenlet.
A chemoton kapcsolású fluid automatákról egyrészt bizonyítható, hogy úgy viselkednek, mint az élő rendszerek, másrészt az élő rendszerek is alapjaikban mind chemoton kapcsolású rendszerek.