Raft Master » Научная библиотека » Биоэкология » Колебательные процессы и самоорганизация химических систем


  • 5-01-2013, 05:45
  • | Views: 1212


Колебательные процессы и самоорганизация химических систем

Колебательные процессы и самоорганизация химических систем

С тех пор произошла глубокая концептуальная перестройка науки. Процессы диверсификации (увеличения разнообразия) и эволюции свойственны не только жизни. Они происходят и хорошо изучены в косных физических структурах Земли и в мире химии. Более того, в объектах, которые прежде казались жестко детерминированными, обнаружились вероятностные состояния и процессы. В совокупности это и многое другое привело к формированию так называемой "новой химии". Произошло не просто очередное добавление к классической химии, а появился принципиально новый лик всей этой науки. Химия постепенно (как и новая экология) формировалась не путем механического сложения фактов из разных наук - это бы ничего не дало, а путем синтеза идей и фактических данных, взятых из различных областей знания, в том числе из так называемых "трудных наук". Для этого пришлось отказаться от укоренившихся представлений о только лишь равновесном химическом процессе и перейти к идее саморазвития реакций и возникающих при этом совершенно новых структур. Оказалось, что химические реакции могут происходить неравномерно во времени, в колебательном режиме. Казавшееся ранее неизбежным термодинамическое равновесие не всегда наступает, его неизбежность отменяется. Но вот, что было самым неожиданным: в состоянии потоков и меняющихся градиентов концентраций молекулы начинают проявлять самоорганизованность, кооперируют между собой.

Кооперация на молекулярном уровне приводит к нескольким типам надмолекулярной организации (вспомним потребность экологии различать организменный и надорганизменный уровни). Такая организация двулика. С одной стороны, она проявляется самопроизвольно, без участия каких-либо организующих внешних факторов. Это самоорганизация. С другой стороны, для неё требуется постоянный приток и отток вещества и энергии, наличествуют так называемые диссипативные структуры.

Появление "новой химии" началось с наблюдений химиков-технологов, работавших с реакторами открытого, проточного типа, в которых требуется постоянный выход химического продукта. Неожиданное поведение химических систем наблюдалось в газовых реакторах, работающих в стационарном режиме, при постоянной температуре. На фоне такого режима стали обнаруживаться периодические температурные автоколебания. В еще в 30-е годы XX века Франк-Каменецкий дал математическое описание колебательного процесса, использовав модель Лотки-Вольтерра. Примечательно, что в экологи та же модель описывает поведение совсем другой системы - потока вещества в пищевой цепи сообщества, состоящей из хищников и их жертв, сосуществующих в течение длительного времени. Для двух видов живых существ, Nj и N2 (например, заяц и рысь), связанных отношениями "хищник-жертва" Модель Лотки-Вольтерра для пары видов записывается так:

dNj/dt = kiА N1 - s N0N2

dN2/dt = s N1 N2 - k2 N2

Решение двух этих сопряженных уравнений имеет временную зависимость (рис. 7.9). Период колебания зависит также от начальных условий, в данном случае от исходного количества зайцев и рысей. Решение нескольких сопряженных нелинейных дифференциальных уравнений, предложенное Пуанкаре, дает лучшее описание колебательных явлений. В отличие от модели Лотка-Вольтерра, в модели Пуанкаре конечный результат не зависит от начальных условий (рис. 7.10). Не зависящие от начальных условий устойчивые периодические колебания - характерная черта как химических, так и биоэкологических процессов (в живых и жизнеобитаемых объектах - на уровне организмов, сообществ, биосферы в целом).

Хрестоматийный пример из биологии - ритмика сердечной деятельности. Один из легко наблюдаемых внешних признаков осцилляций в химических реакциях - периодическая смена цвета раствора в реакторе. Биологам тоже широко известна способность некоторых животных быстро изменять, окраску покровов; известна также цветовая пятнистость с плавными переходами окраски у растений, полосатость у животных (зебры). На экологическом уровне всем знакома периодическая (сезонная) смена окраски растительности. Выяснилось, что все это повторяется и в химических процессах.




  • Вернуться



  • Еще по теме


    Сходство методологической революции в физике и в биоэкологии


    Научно-историческое подобие "новой химии" и экологии


    "Поведение" химических систем


    Экологический метаболизм


    Различие и сходство косного и живого миров

     

    Последние новости



    Пользовательский поиск

    Партнеры