Raft Master » Научная библиотека » Биоэкология » "Поведение" химических систем


  • 5-01-2013, 05:42
  • | Views: 765


"Поведение" химических систем

Фундаментальное сходство структур и процессов в природе стало одной из отправных точек в развитии современного системного мышления. В сороковые годы XX века Людвиг Берталанфи, Эрвин Шредингер, Илья Пригожин и другие стали, каждый в своей области знаний, разрабатывать теорию открытых динамических систем. Одной из исходных посылок стало то, что в живых организмах как бы не соблюдается второй закон термодинамики, предполагающий обязательный переход закрытых систем (напомним, что это понятие является только абстрактной моделью, методологическим приемом, позволяющим, временно отойди от реальности, в которой условия закрытости и открытости совмещены) в неупорядоченное состояние. Иными словами, в живых системах не действует, как казалось, закон нарастающей негэнтро-пии (упорядоченность в эволюции и в первой части онтогенеза явно увеличивается). Это можно выразить еще и другими словами: чтобы организованность живого тела возрастала, оно должно "питаться неэнтропией" окружающей среды, т.е. увеличивать ее неупорядоченность, разрушать ее природную организованность.

Поведение упорядоченных систем, в том числе и химических, характеризуется особого рода неустойчивостью. Вот как профессионалы-химики её описывают на одном из примеров: "Она (упорядоченность - авторы) возникает в горизонтальном слое жидкости с вертикальным градиентом температуры. При пороговом значении градиента жидкость перестает быть гомогенной и в ней возникает конвекция, порождающая сложную пространственную организацию в форме, например, правильных шестиугольников. Это результат кооперирования колоссального числа молекул" (Баблоянц, 1988, с. 169).

В конце 50-х годов XX века российский химик Белоусов проводил реакцию окисления лимонной кислоты в присутствии ионов церия Се+3 - катализатора, который одновременно был окрашенным индикатором реакции. Гомогенный раствор в реакционном сосуде периодически изменял окраску с бледно-желтой на бесцветную. Через несколько лет Жаботинский этот опыт повторил и подтвердил. С 60-х годов колебательные реакции вошли в химическую литературу. В экологической же литературе были описаны колебательные процессы в цепях хищник-жертва с самыми разными живыми участниками.

В колебательных "химических часах" каяедая стадия процесса начинается при очень узких границах концентрации компонентов, что имеет аналогию в экологических процессах. Колебания прекращаются при недостатке энергии. Если проводить реакцию в тонком слое раствора, налитого в чашку Петри, то с течением времени на поверхности раствора начинают появляться геометрическая упорядоченность -узкие диффузные зоны, волновой фронт (как при распространении эпидемий). Геометрический рисунок инициируется, например, вкраплениями твердых частиц, или какими-то внутренними причинами.

В химических системах неопределенные внешние факторы (шумы) могут вызывать не только флуктуации внутренних характеристик, но и качественную перестройку режима работы системы, приводить к незатухающим осцилляциям и к новым стационарным состояниям. Весь этот класс явлений обобщается понятием индуцированных шумом переходов (Хорстхемке, Лефевр, 1987).

Случайный, шумовой фактор среды может индуцировать в химической системе более организованное (тоньше структурированное) состояние и сложное поведение. Индуцированные шумом переходы возможны только при условии, если окружающая среда в той или иной степени случайна. В контексте этого курса лекций уместно сказать, что в дискретных обитаемых пространствах, например, внутри древесных крон, в пологах леса и других растений, среда изменена обитателями и даже определенным образом организована и защищена, по крайней мере, от некоторых случайных колебаний. В упомянутой выше книге об индуцированных шумом переходах, читаем: "В отличие от широко распространенного взгляда на порядок и случайность, как на взаимоисключающие противоположности, они в действительности находятся в состоянии симбиоза" (там же, с. 8 - 9).

Прежние представления о флуктуациях во внешней среде только как о помехах, опирались на изучение сравнительно узкого класса явлений. Поведение нелинейных систем в среде с шумом таким представлениям противоречит. Систематические экспериментальные и теоретические исследования второй половины XX века показали, что в общем случае поведение системы значительно отличается от известной ранее постой схемы. В широком классе явлений природы случайный характер среды способен индуцировать гораздо более богатое разнообразие режимов, чем те, которые возможны при соответствующих детерминированных условиях.

Приведем в заключение выдержку из обзора, посвященного без малого вековой истории "новой химии": "Реакция Белоусова-Жаботинского с ее необычными свойствами коренным образом изменила наши представления о динамике химических процессов. Химический процесс больше не представляется нам как смешение каких-то инертных компонент, из которых образуются "безжизненные" продукты. При удалении от состояния химического равновесия - непременного условия протекания процессов во всех живых организмах, химические реакции "оживают". Они "чувствуют" время, распространяют информацию, различают прошлое и будущее, правую и левую сторону. Реакция может проявлять различные формы самоорганизации, например, образовывать мозаичные структуры. Если же воздействия на них слишком сильны, то реакции начинают проявлять "нерешительность", их поведение становится хаотичным или "непредсказуемым" (с. 190-191, там же).




  • Вернуться



  • Еще по теме


    Условия, природные правила


    Модели распределения растений


    Кольцевые потоки в экосистемах


    Научно-историческое подобие "новой химии" и экологии


    Колебательные процессы и самоорганизация химических систем

     

    Последние новости



    Пользовательский поиск

    Партнеры