Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 118
Текст из файла (страница 118)
Теория нелинейной термодинамики неравновесных процессов, очевидно, никогда не сможет стать в полной мере универсальной теорией диссипативных структур, обладающей единой, необходимой и достаточной термодинамической моделью. Теоретическое описание нелинейных процессов, т.е. расчет их количественных характеристик, предсказание структурной организации и свойств диссипативных структур, а также объяснение природы их устойчивости, всегда в той или иной мере уникально, поскольку включает особенности внутримолекулярных и межмолекулярных свойств микроскопических частиц. Невозможность создания единой нелинейной термодинамической модели, однако, не исключает наличия некоторых общих закономерностей в природе и, следовательно, в поведении неравновесных систем и не делает безнадежной разработку обобщенных математических и физических моделей, правильно описывающих характер протекания разнообразных, подчас далеко отстоящих друг от друга нелинейных термодинамических процессов.
Теоретических моделей диссипативных структур создано немного. Наиболее детально разработаны уже упоминавшиеся периодическая модель Лотки — Вольтерра, описывающая процессы типа "хищник-жертва", н модель с предельным циклом Пригожина-Лефевра-Николиса (модель брюсселятора). Эволнщия неустойчивой динамической системы к высокоорганизованной диссипативной структуре посредством бифуркациониых скачков включает как детерминистические, так и вероятностные этапы 455 спонтанного развития. В окрестностях точек бифуркаций существенную роль играют флуктуации, вызывающие отклонение от термодинамической ветви н определяющие направление, которому будет следовать система. Почему в данном случае флуктуации приобретают решающее значение? Из классической термодинамики известно, что флуктуации составляют столь небольшие изменения, что нми до.
пустимо пренебречь, если система достаточно велика. Вблизи же бифуркаций этого делать нельзя, поскольку здесь нарушается закон больших чисел. Более того, можно утверждать, что самопроизвольное структурообразование в неустойчивых динамических системах осуществляется благодаря флуктуациям н только через них. Если в равновесных процессах все флуктуации обратимы, и поэтому пропадают, не успев оказать заметного воздействия на развитие макроскопической системы, то в нелинейных неравновесных процессах, некоторые из флуктуаций (далеко не все!) оказываются необратимыми, и при соответствующих условиях они могут накапливаться, приобретать значительную величину и становиться устойчивыми.
Неравновесные флуктуации порождаются как самой системой, так и окружающей средой. И те и другие могут формировать бифуркации и приводить к новым неравновесным переходам, не предсказываемым феноменологическими законами эволюции. Для того чтобы образовалась высокоорганизованная днсснпативная структура, необходимо не только нахождение системы вдали от равновесия, но и наличие взаимодействий множества частиц или степеней свободы. Возникновение бифуркаций существенно зависит от размера системы и возможно только, если он достигает определенного, критического значения. Например, фазовый переход парамагнитного вещества в ферромагнитное требует не только достижения точки Кюри, но и превышения характерного для этого явления размера ферромагнетика.
Масштабность системы здесь необходима для того, чтобы образовавшийся на пути к созданию днссипативной структуры локальный бифуркационный активный центр имел возможность эволюционировать и распространяться на всю систему. Положение в этом отношении аналогично ситуации с каплей жидкости в пересы- щенном паре. Если ее размеры меныпе критических, то она неустойчива, а если диаметр капли превышает критическое значение, она начинает расти, н пар превращается в жидкость. Тот факт, что спонтанный процесс структурной организации наблюдается только у систем, размеры которых превышают критические величины, свидетельствует о том, что формирование диссипативной структуры начинается с возникновения зародышевых активных центров и далее развивается подобно цепным химическим реакциям. флуктуации, самопроизвольно порождаемые самой системой, т.е, внутренние флуктуации, малы и обратимы до тех пор, пока система не окажется вблизи точек бифуркации, или областей сосуществования нескольких, одновременно устойчивых состояний.
Глубокое воздействие на открытые системы оказывает окружающая среда, причем не только благодаря своему влиянию на ее макроскопнческие функции 456 состояния, но и посредством собственных флуктуаций, которым она также подвержена. Внешние флуктуации могут взаимодействовать с внутренними флуктуациями, размывать бифуркации данной системы или, напротив, усиливать их, а также создавать новые, и таким образом, управлять поведением диссипативной структуры и порождать другие неравновесные переходы.
Участие среды в формировании у открытых систем диссипативных структур имеет принципиальное значение. В противном случае произошло бы нарушение второго начала термодинамики — закона увеличения энтропии изолированной системы. Процессы спонганного образования высокоупорядоченных пространственных и временных структур всегда сопровождается диспропорционированием энтропии, т.е.
резким уменыпением энтропии в открытой системе за счет превалирующего увеличения энтропии окружающей среды. В начале второй половины нашего столетия стала очевидной невозможность описания возникновения в макроскопических системах когерентных структур на основе известных законов, применимых, подобно закону возрастания энтропии, к множеству частиц, не говоря уже о невозможности понимания этого явления. Классическая термодинамика, как и другие теории "среднего поля", оказались неподготовленными для выяснения причин спонтанного образования порядка из беспорядка за счет болыпей хаотизации окружающей среды.
Возникшая в середине ХХ в. ситуация в принципе аналогична той, которая имела место в первой половине Х1Х в. когда выяснилась несостоятельность классической физики в описании поведения макроскопических систем, Теории бифуркаций диссипативных структур, а в общем плане— нелинейная термодинамика неравновесных процессов, по существу, представляют собой отход от унифицированных моделей теорий "среднего поля" и признание невозможности непротиворечивого объяснения эволюции (физической, химической и биологической) в рамках исключительно макроскопического описания, иными словами, является отказом от чисто вероятностных представлений классической и линейной термодинамики. Становление нелинейной термодинамики — это рождение обобщенной физики, включающей и одновременно использующей в изучении одного явления как детерминистический подход и возможности классической физики и квантовой механики, так и вероятностный подход и возможности статистической физики и термодинамики.
И. Пригожин в своей замечательной книге тОт существующего к возникающему" по поводу чисто классического термодинамического описания замечает: "С самого зарождения ... науки мы свято верим в "простоту" всего микроскопического: молекул, атомов, элементарных частиц. Необратимость и эволюция входили в нашу картину мира как иллюзии, связанные со сложностью коллективного поведения внутренне простых объектов. Этой концепции ... вряд ли можно придерживатъся сегодня, Элементарные частицы, как мы теперь знаем, представляют собой сложные объекты, способные рождаться и претерпевать распады. Если в физике и химии где-то и существует простота. то заведомо нс в 457 микроскопических моделях.
Она скорее кроется в идеализированных макроскопических представлениях, например, в простых движениях типа гармонического осциллятора или задач двух тел. Но стоит воспользоваться такими моделями для описания поведения болыпих илн очень маленьких систем, как простота оказывается безвозвратно утерянной. А коль скоро мы утрачиваем веру в простоту микроскопического, у нас не остается иного выхода, как должным образом вновь включить время" )318.
С. 93]. Качественные скачки в развитии физики непременно сопровождались изменениями в представлении о пространстве и времени, кардинальным образом расширяющими и углубляющими эти понятия. Так было при создании физики Галилея и Ньютона, физики Эйнштейна и Бора. Так произошло и при создании физики Пригожина. Непреходящее значение теории диссипативных структур и бифуркаций Пригожина, а также теории гиперцикла Эйгена, катастроф Тома и т.д., иными словами, всего того, что составляет сейчас нелинейную термодинамику, заключается не только в объяснении совместимости физической и биологической концепций эволюции, но и понимании взаимной дополнительности этих концепций, их внутреннего единства.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
