Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 116
Текст из файла (страница 116)
Перед обсуждением теоретических основ этой новой, важной для биологии и, в частности, проблемы белка, области знаний рассмотрим несколько примеров стационарных неравновесных физических, химических и биологических процессов, протекание которых приводит к формированию структур вдали от положения равновесия. Основные черты структурной самоорганизации открытой системы в условиях стационарного режима наглядно проявляются в образовании в тонком слое жидкости стоячих сравнительно стабильных структур 1рис. 11!.31).
4Г лт Р и с.!1131, Образование ячеек Бенара в слое жидкости, нагреваемоа снизу (Тг >Тз) Р и с. 111.32. Поток тепла О в жидкости в зависимости от градиента температур При небольшой разности температур нижней Т, и верхней Тз поверхностей слоя тепло в такой системе передается за счет теплопроводности. При повышении температуры Т, и достижении температурным градиентом своего критического значения ЬТ„р (рис. 111.32) покоящаяся теплопроводящая жидкость перестает справляться с переносом большого количества тепла, и устанавливается более благоприятный для процесса конвекционный режим перемещения жидкости с нижнсй нагретой поверхности в сторону холодной верхней поверхности слоя и обратно.
Конвекционный поток циркулярного кооперативного движения молекул жидкости прибретает высокоорганизованную пространственную структуру в виде многочисленных цилиндрических или шестиугольных ячеек 1ячеек Бенара), напоминающих пчелиные соты. Таким образом, из совершенно однородного состояния спонтанно возникает динамическая хорошо упорядоченная структура. Поскольку система при этом обменивается со средой только теплом 1Ч) и получает, находясь в стационарном режиме, столько же тепла, сколько отдает, полный поток энтропии через нижнюю и верхнюю поверхности жидкости определяется выражением б,К Ч Ч Т Т, =Ч г)1 Тг Тз Т~Т2 Так как по определению Т1 > Тз, выражение имеет отрицательный знак и система, действительно, отдает энтропию, причем в стационарных условиях ровно столько, сколько производит.
Потеря системой энтропии означает возникновение более высокой организации. Если следовать статистической термодинамике Больцмана, то упорядоченная конвекция Бенара должна иметь практически нулевую вероятность. В действительности же она оказалась самой предпочтительной. Поскольку высокоорганизованное когерентное состояние системы возникло далеко от положения равновесия, остается сделать вывод о неприменимости лежащей в основе больцмановской статистики теории вероятностей для описания неравновесных процессов открытых систем вдали от равновесия, Причина неприменимости, как будет показано далее, связана с флуктуациями, которые неустойчивы и размываются только в положении равновесия и в близкой к нему области.
Вдали от него некоторые из флуктуаций или их определенные сочетания могут 15. Проблема белка, т. 2 449 выборочно усиливаться, в результате чего возникает новый молекулярный порядок, что по существу означает стабилизацию одной гигантской флуктуации. Флуктуации будут играть важную роль в последующем изложении Поэтому поясним понятие флуктуации на известном примере хаотического движения коллондной частицы в жидкости, открытого Р, Броуном в 1827 г. Лищь спустя 80 лет А.
эйнштейном и независимо М Смолуховским была разработана теория броуновского движения, согласно которой перемещение частицы является результатом возникновения по разные ее стороны областей неодинаковой плотности жидкости, что приводит к мгновенной разности соударений окружающих ее частиц. Ситуация полностью описывается в рамках теории случайных процессов.
Броуновское движение не прекращается во времени и это означает, что области неравномерной плотности вещества существуют всегда и при установившемся стационарном распределении жидкости или газа в объеме. Такие статистические все время возникающие и исчезающие области с большим или меньшим, чем в среднем, числом частиц в малом объеме и являются в данном примере флуктуациямн. Следовательно, множество частиц обладает, и это является опытным фактом, еще одним важным свойством — иметь флуктуации — небольшие случайные отклонения от средних значений температуры, плотности, энергии, скорости движения частиц, положений атомных групп в молекуле и т.д.
Во многих случаях флуктуации не приводят к заметному макроскопическому эффекту, ими вообще пренебрегают, например, в равновесной и линейной неравновесной термодинамике, кинетической теории газов и жидкостей и т.д. Вернемся, однако, к рассмотрению примеров самоорганизации системы вдали от положения равновесия, где они играют определяющую роль. На том же, как при образовании ячеек Бенара, принципе кооперативного поведения микроскопических частиц, приводящего к макроскопнческому структурообразованию, основаны усиление и генерация электромагнитного излучения в квантовых устройствах — лазерах. Активные атомы (молекулы) лазерного стержня под действием излучения накачки переходят в возбужденное состояние и начинают излучать.
При малой мощности накачки атомы излучают свет независимо друг от друга; лазер в докритической области работает в режиме лампы накаливания. При достижении пороговой мощности лазерной генерации режим "обычной лампы" становится нестабильным н возникает качественно новое явление — индуцированное излучение, при котором все атомы начинают осциллировать в одной фазе н испускать один гигантский цуг когерентного лазерного излучения.
Характер зависимости ннтенсивносги излучения от мощности накачки такой же, как при образовании конвекционных ячеек Бенара в жидкости (рис. Ш.32). Аналогичны причины возникновения устойчивых вихрей, водоворотов и т.д. Рассмотренные неравновесные процессы в открытых системах обнаруживают между собой очевидное сходство.
Они обладают общимн закономерностями, характерными для процессов, получивших 450 название неравновесных фазовых переходов. Последние близки, если не идентичны, фазовым переходам второго рода, таким, как переход парамагнетик < ферромагнетик, переход металла из обычного сос-э тояния в сверхпроводящее и т.д. В каждом из этих процессов скачкообразно меняется какой-то определенный физический фактор, представляющий собой меру упорядоченностимикроскопических единиц данной макроскопической системы. Этот фактор обычно называют параметром порядка фазового перехода.
Классическим примером временной и пространственной упорядоченности в химических реакциях стала реакция Белоусова — Жаботинского. В 1958 г. Б.П. Белоусов опубликовал сообщение об открытии им еще в 195! г. принципиально нового явления в химии — периодически действующей химической реакции окисления лимонной кислоты броматом калия в присутствии катализатора — ионов трехвалентного и четырехвалентного церия 1322). Существенный прогресс в понимании механизма реакции Б.П. Белоусова начался с появлением в 1964 г.
работ А.М. Жаботинского (323, 324). Если в раствор, содержащий серную и малоновую кислоты, сульфат церия и бромид калия, добавить индикатор окислительно-восстановительных реакций (феррони), станет возможным визуальное наблюдение по изменению цвета за происходящими в смеси реакциями Сез" -э Се4+ и Сея+ — ~ Сез+. Необычность наблюдаемого явления заключается в том, что цвет раствора строго периодически меняется от красного (избытка ионов Сез') до синего (избыток Сея+). По-видимому, главную роль в ходе реакции Белоусова- Жаботинского играют следующие ее стадии: а) ВгСН(СООН)э+ 4Се""+ 2НзΠ— ~ 2СОз+ НСООН+ 4Сем+ 5Н'+ + Вг; (восстановление ионов церна) б) 4Сез+ + ВгОз + 5Н+ + СНз(СООН)з — > 4Сеа+ + НСООН + 2СОз + + бН; (окисление ионов церна) в) ЗСНз(СООН)г + 2Вг + ВгО, + ЗН' — > ЗВгСН(СООН)з + ЗНзО. (синтез броммалоновой кислоты) Эти реакции связаны между собой автокаталитическим механизмом, в котором первая реакция производит ионы Се", вторая, используя Сез', поставляет Се4', а третья реакция восстанавливает концентрацию броммалоновой кислоты, исходной для получения Сез+ из С~+, Таким образом, реакция Белоусова — Жаботинского ведет себя подобно так называемому брюсселятору — модели Пригожина — Лефевра — Николиса с единым предельным циклом, в которой при различных начальных данных всегда реализуется одна и та же периодическая траектория в фазовом пространстве (в данном случае — в пространстве концентраций).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
