2.10.2. Явления самоорганизации в химии

Описанное в предыдущем разделе явлтся. Вследствие этого, плотность жидкости в нижних слоях оказывается меньше плотности верхних слоев. Нетрудно понять, что такое состояние потенциально неустойчиво, так как более тяжелые верхние слои будут стремиться опуститься вн_ижние, наоборот, подняться вверх. В результате и возникает движение, изображенное на рисунке.

Возникновение течения кардинальным образом изменяет жидкость. Существовавшая ранее трансляционная симметрия исчезает. Это один из примеров, так называемого спонтанного нарушения симметрии. Одновременно с исчезновением симметрии в жидкости возникла структура — ячейки Бенара, которая по предложению И. Пригожина получила название диссипативной структуры. Последнее название отражает тот факт, что в рассматриваемых явлениях важную роль играют диссипативные процессы, такие как теплопроводность и вязкость.

Описываемой диссипативной стру­к­ту­ре присуще две черты. С одной стороны, она характеризуется прекрасной воспроизводимостью — как только разность температур превысит критическое значение, так сразу возникнет ячеистая структура. В этом смысле явление строго детерминировано. С другой стороны, направление вращения в ячейках непредсказуемо. Какое вращение реализуется в данной ячейке — левое или правое, зависит от мелких, неконтролируемых возмущений, реализующихся в момент проведения эксперимента, и в этом смысле явление непредсказуемо, случайно.

В данном примере мы встречаемся с существованием у системы нескольких решений при одних и тех же значениях параметров. Выбор того или иного решения случаен, но предопределен историей развития системы.

Рассмотренный пример демонстрирует, как в открытой системе из хаоса рождается порядок. Рождение этого порядка не противоречит законам физики, но является неизбежным следствием этих законов, для этого лишь необходимо создать определенные внешние условия. Естественно, остается вопрос, не уникально ли это явление? Для ответа на него необходимы дальнейшие исследования.

2.10.2. Явления самоорганизации в химии

Описанное в предыдущем разделе явление возникновения структуры оказывается можно реализовать и в химической системе. Пусть молекулы типа A взаимодействуют с молекулами типа B, в результате чего возникают молекулы типа C и D. Символически это записывается в виде

EMBED Equation.2 µ §

Двусторонняя стрелка подчеркивает, что реакция обратима, она может протекать в прямом и обратном направлениях. Опыт показывает, что по прошествии некоторого времени в системе устанавливается равновесие, характеризующееся определенным соотношением между концентрациями всех входящих в систему компонентов. Отношение произведения концентраций продуктов к произведению концентраций исходных веществ называется константой равновесия. В условиях равновесия реакции не прекращаются, но протекают с совершенно одинаковыми скоростями. Это явление называется детальным равновесием. Равновесное состояние химической системы является аналогом однородного состояния в опыте Бенара.

Открытую химическую систему можно реализовать путем удаления из реакционной смеси продуктов, когда их концентрация превышает некоторое заранее заданное значение, либо путем пропускания через реакционный объем смеси, обогащенной исходными веществами. Подбирая соответствующим образом скорости притока и отвода вещества, можно создать условия, при которых в системе установятся стационарные концентрации всех компонентов, причем их значения уже не удовлетворяют условиям детального равновесия.

Наиболее известным примером химической системы, в которой при определенных условиях возникает порядок, является реакция Белоусова-Жаботонского. Препарат, используемый в этой реакции включает сульфат церия, малоновую кислоту и бромат калия, растворенного в серной кислоте. Реакция легко наблюдается невооруженным глазом, так как она сопровождается изменением цвета раствора от ярко красного до голубого.

Представим теперь, что вещества подводятся и отводятся от системы достаточно медленно. Это соответствует большим временам пребывания веществ в реакционном объеме, что приводит по существу к реализации замкнутой системы, следоваспространения нервных импульсов.

Не вызывает сомнений, что поведение биологических систем чрезвычайно сложное, характеризующееся процессами самоорганизации. В настоящее время однако мы еще далеки от понимания того как удается живому существу так скоординировать протекающие в нем процессы, что каждая клетка выполняет совершенно определенную функцию в заданное время и в заданном месте. По этой причине рассматриваются существенно более простые вопросы, например: можно ли некоторые особенности развития биологических систем объяснить с точки зрения диссипативных структур типа тех, которые наблюдаются в реакциях Белоусова-Жаботинского.

Одним из ярких примеров, в котором, по-видимому, реализуется явление очень близкое к реакции Белоусова-Жаботинского, является развитие сообщества амеб вида Dictyostelium discoideum. Как известно, амебы это одноклеточные организмы, способные передвигаться в среде, питающиеся бактериями и размножающиеся путем клеточного деления. Если во внешней среде достаточно пищи, то распределение амеб будет однородным. Если же пищи становится недостаточно, то амебы начинают собираться к некоторому центру притяжения, другими словами агрегируются, нарушая тем самым однородное распределение. При этом возникает структура. Образовавшееся многоклеточное тело эволюционирует, в результате чего возникают споры, которые затем рассеиваются в среде обитания. При благоприятных условиях споры прорастают, превращаясь в амеб. Далее начинается новый жизненный цикл.

В данном примере нас интересует стадия агрегации амеб. Исследования показали, что вследствие нехватки пищи некоторые амебы начинают синтезировать и выделять во внешнюю среды специальное вещество — циклический аденозинмонофосфат, играющее роль сигнала к сбору. Синтез и выделение этого вещества происходит периодически. Диффундируя во внешней среде, это вещество достигает поверхности других амеб. Это вещество заставляет амеб направленно двигаться в область его повышенной концентрации, то есть в область, из которой оно начало распространяться. В результате возникает распределение плотности клеток, сильно напоминающее волновые картины в реакциях Белоусова-Жаботинского. Кроме этого процесс агрегации усиливается за счет того, что клетки получившие сигнал сами начинают выделять это вещество. Благодаря этому формируется тело, включающее до сотни тысяч клеток. Более детальный анализ описанного явления показывает его глубокую аналогию с реакциями Белоусова-Жаботинского.

Процессы, лежащие в основе агрегации амеб Dictyostelium discoideum, по-видимому, представляют собой замечательную модель для более сложных явлений самоорганизации в живой природе. Нарушение пространственной симметрии в распределении какого-либо биологически важного вещества, приводящее к неоднородному распределению клеток, может объяснить множество экспериментальных наблюдений, касающихся морфогенеза насекомых. Дело в том, что в развивающихся тканях, как правило, наблюдается градиент многих жизненно важных веществ. Естественно считать, что эти градиенты служат для отдельных клеток источником информации об их пространственном положении. Это дает возможность клеткам определять свое положение по отношению к другим клеткам-партнерам. Это рассуждение подводит нас к замечательной идеи, высказанной А. Тьюрингом в 1952 году, что “переходы опосредованные химическими веществами и приводящие к нарушению симметрии, являются одним из ключевых свойств жизни”.