Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 117
Текст из файла (страница 117)
Было показано, что в идентичных условиях концентрационные колебания в реакции Белоусова — Жаботинского 15* 451 полностью воспроизводятся по амплитуде, форме и частоте. Период колебания здесь является однозначной фунгцней макроскопнческих переменных — концентрации и температуры.
К пространственно-временной организации реакции Белоусова-Жаботинского был проявлен огромный интерес, вызванный открывшейся возможностью подойти посредством изучения подобных реакций к пониманию принципов механизма действия "биологических часов" — периодических и синхронных реакций в живых системах. Примером временной структурной организации в биологии может служить периодически колеблющееся соотношение между популяциями хищников и их жертв, Представление о взаимозависимом изменении их численности ао времени впервые было получено благодаря систематическому учету на протяжении 90 лет количества ежегодно заготовляемых шкурок зайцев-беляков и рысей фирмой "Хадсон Бей" (Канада). Учет преследовал сугубо коммерческие цели, однако оказался полезным и для науки. Рыси, как известно, питаются травоядными зайцами.
Чем больше зайцев н, следовательно, пищи, тем рыси интенсивнее размножаются. Со временем рост популяции рысей начинает сдерживаться из-за уменьшения зайцев вследствие их быстрого уничтожения. Уменьшение численности рысей ведет к росту числа зайцев. Рыси снова начинают быстро размножаться и т.д. Это типичный процесс, известный под названием процесса "хищник-жертва", математически описываемой моделью Лотки — Вольтерра.
Состояние термодинамической системы, отвечающее такой модели, является промежуточным между устойчивым стационарным состоянием с минимальным производством энтропии и периодическим процессом с предельным циклом (брюсселятором), Для процесса Лотки-Вольтерра характерно состояние нейтральной устойчивости. Здесь отсутствует линейная связь потоков и сил, но, с другой стороны, нет механизма, обеспечивающего распад флуктуаций, поэтому и нет избранной траектории, к которой стремилась бы вся система. Реальная жизнь, конечно, сложнее,чем рассмотренная модель Лотки-Вольтерра, однако, как видно из рис.111.33, модель воспроизводит основные черты природных процессов — имеют место колебания численности популяций, численность рысей всегда отсгает по фазе от численности зайцев, а амплитуды колебаний взаимосвязаны.
Все состояния системы, которые могут быть получены нз равновесного путем непрерывной деформации равновесных структур, Пригожин назвал термодинамическими ветвями. Они имеют значительное сходство с равновесными состояниями, отвечают докритической области на соответствующих кривых, аналогичных представленной на рис, 11!.32, и описываются линейной термодинамикой неравновесных процессов. К термодинамическим ветвям относятся ламинарное течение жидкости и многие другие линейные потоки вещества и энергии. При переходе за критические значения градиентов термодинамических сил линейные потоки размываются и у систем возникают совершенно новые структуры, которые Пригожин назвал диссипативными.
К ним он отнес упорядоченные в пространстве, во 452 гдйд И уй гад ти жу ж (й)уХ М~ ~т жйу /лам Г и с. П!.33. Дииамика популяций зайцев (!) и рысей (3) времени или одновременно и в пространстве и во времени состояния, которые могут перейти в состояние термодинамического равновесия только путем скачка (в результате кинетического, неравновесного фазового перехода). Рассмотренные конвекция жидкости с образованием ячеек Бенара, лазерное когерентное излучение, химическая реакция Белоусова — Жаботинского и периодический процесс "хищник- жертва" в экологии — примеры диссипативных структур, т.е.
стационарных состояний вдали от положения равновесия. Непременными условиями возникновения диссипативных структур можно считать следующие: 1) система должна обмениваться с окружающей средой веществом и/илн энергией, т.е. быть термодинамически открытой; 2) динамические уравнения системы нелннейны, не работают соотношение взаимности Онсагера и принципы локального равновесия и минимума производства энтропии Пригожина; 3) отклонение системы от равновесного состояния не может быть представлено путем непрерывной деформации последнего, т.е. не может быть отнесено к той же термодинамической ветви. Значения градиентов соответствующих термодинамических параметров системы (температуры, давления, концентрации) превышают критические величины; 4) система должна состоять из взаимодействующих друг с другом микроскопических частиц; 5) организация упорядоченной макроскопической структуры есть результат как случайного, так и детерминистического (кооперативного, согласованного) взаимодействия микроскопических составляющих системы.
Днссипативные системы являются статнстико-детерминистическими образованиями. Материальный и энергетический обмен днссипативной системы со средой (первое условие) происходит без нарушения второго начала термодинамики. Оно проявляется лишь в более общем виде и относится к такой изолированной макроскопической системе, в которую открытая дисснпативная структура входит как подсистема. В отличие от самопроизвольных равновесных процессов, при которых все части системы хаотизируются н, следовательно, вносят вклад в общее увеличение энтропии, в нелинейных неравновесных процессах имеет место диспропорционирование энтропии, которое, однако, происходит без нарушения второго начала. Уменьшение энтропии при создании упорядоченной диссипативной структуры сопровождается одновременным 453 преобладающим увеличением энтропии остальной части изолированной системы.
Второе условие означает невозможность описания днссипативной структуры с помощью аппарата линейной термодинамики неравновесных процессов, а третье — утверждает качественное отличие диссипативной структуры от равновесного, как и любого другого близкого ему состояния. Четвертое и пятое условия характеризуют качественную новизну диссипативных систем с физической позиции, объясняя спонтанное возникновение высокоорганизованных пространственно-временных структур взаимообусловленностью макросостояния системы от конкретного строения молекулярных составляющих и согласованными кооперативными взаимодействиями последних в отличие от обычной склонности микрочастиц в термодинамических ансамблях к хаотическому поведению.
Еще раз подчеркнем, что характер проявляющихся при определенных условиях специфических устойчивых взаимодействий обусловлен внутренним строением микроскопических частиц. Таким образом, название "диссипативная структура" выходит за рамки чисто термодинамического понятия. Поэтому нелинейная термодинамика необратимых процессов представляет собой синтетический подход, объединяющий возможности термодинамики в описании макроскопического проявления множественных систем и физики в изучении свойств микроскопических частиц и их взаимодействий. Если общие заключения равновесной термодинамики и линейной неравновесной термодинамики не опираются на конкретные молекулярные модели, то выводы нелинейной неравновесной термодинамики не могут быть сделаны без учета физических особенностей микроскопических часпщ.
Скачкообразное изменение свойств, получившее название бифуркации, означает резкое отклонение поведения системы от соответствующей термодннамической ветви или. другими словами, качественную перемену в поведении системы прн кинетических значениях определяющих ее состояние параметров. Возникновение бифуркаций связано с флуктуациями, т.е, с беспорядочным, случайным явлением.
В равновесных и линейных неравновесных системах флуктуации образуют сплошной фон, всегда неустойчивы, т.е. обратимы, и поэтому никаких бифуркаций не возникает. Совершенно иная ситуация имеет место в случае диссипативных структур. Хотя и здесь появление флуктуаций случайно, но не случайна их неодинаковая устойчивость, ведущая к специфической стабилизации некоторых из флуктуаций, определяемой природой микроскопических частиц, и детерминистическому механизму структурной самоорганизации, Можно сказать, что образование диссипативных структур — это бифуркационная эволюция флуктуаций, обусловленная в начале процесса внутренним строением и согласованными взаимодействиями микроскопических частиц, а затем вполне определенной структурой со специфическими, строго согласованными контактами между последовательно усложняющимися ансамблями.
которые выступают как подсистемы формирующейся макроскопической дисснпативной системы. Таким образом, отдельные виды флуктуаций, спонтанно выделяю- 454 щиеся из сплошного спектра случайных отклонений и эволюционирующие при неравновесном процессе вдали от равновесия, предстают одновременно и как выразители индивидуальных свойств микроскопических частиц и их взаимодействий, и как накопители, усилители н интеграторы этих свойств, и тем самым как преобразователи и трансформаторы их в качественно новые макроскопические свойства диссипативной структуры.
В равновесных и линейных неравновесных процессах флуктуации симметричны, нх эволюция ограничена и в силу обратимости быстро затухает, в связи с чем они не играют существенной роли. Следовательно, общий характер этих процессов не зависит от особенностей тонкого строения и специфических взаимодействий микроскопических частиц, Именно благодаря данному обстоятельству равновесная термодинамика, как н линейная неравновесная термодинамика, обладает единым теоретическим базисом — универсальной теорией, не учитывающей внутренних свойств элементарных составляющих и справедливой для всех процессов такого порядка, и может строиться как наука исключительно на аксиоматической основе.
Нелинейная термодинамика неравновесных процессов в принципе не в состоянии быть совершенной по своему построению и завершенной наукой. При решении тех или иных вопросов она вынуждена учитывать уникальные микроскопические свойства изучаемой нелинейной системы. Ее теория должна включать, помимо общих термодинамических начал, также дополнительные, всегда специфические положения и модели, опирающиеся на конкретные результаты экспериментальных и теоретических исследований микроскопических свойств данной системы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
