Самоорганизация как элементарный процесс эволюции
Согласно современным представлениям, элементарным процессом эволюции является самоорганизация. Можно сказать, что в сущности эволюция состоит из бесконечной последовательности процессов самоорганизации. В широком смысле слова под самоорганизацией понимают тенденцию развития природы от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи. В более узком понимании самоорганизация есть спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Самоорганизующиеся системы должны отвечать определенным требованиям: 1) они должны быть неравновесными или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия; 2) они должны быть открытыми и получать приток энергии, вещества и информации извне. По Г. Хакену, систему можно назвать самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием понимается такое, которое навязывает системе структуру или функционирование.
В последнее время сущность самоорганизации в открытых системах изучается в новой области естествознания - синергетике, которая охватывает все проблемы, связанные с образованием упорядоченных структур в сложных системах в результате скоррелированного поведения подсистем. Ее основные идеи восходят к Э. Шрёдингеру, A.M. Тьюрингу, Л. фон Берталанфи, И. Пригожину, М. Эйгену и Г. Хакену. Считается, что решающее значение для создания синергетики имели разработка и развитие методологии следующих дисциплин: термодинамики необратимых процессов в открытых системах; нелинейной механики, электрофизики и физики лазеров; химической кинетики сильно неравновесных процессов; эволюции популяций в экологии; нелинейной теории регулирования, кибернетики и системного анализа. Приведенный перечень подтверждает междисциплинарный характер синергетики. Для того чтобы понять сущность самоорганизующихся систем, которые рассматривает синергетика, напомним, что выделяют закрытые системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Рассмотрим несколько простых примеров упорядочения (самоорганизации) в открытых системах.
Пример1. Конвективная неустойчивость, или неустойчивость Бенара. Пусть слой жидкости подогревается снизу, а сверху температура поддерживается постоянной. При малой разности температур теплота переносится благодаря теплопроводности и жидкость остается в покое. Так как нагретые области жидкости расширяются, они имеют более низкую плотность и всплывают наверх, охлаждаются и опускаются снова на дно. Это движение происходит упорядоченно. При этом формируются либо цилиндрические, либо гексагональные ячейки.
Пример 2. В реакции Белоусова — Жаботинского также образуются пространственные, временные или пространственно-временные структуры. Для ее осуществления смешивают Ce2(SO4)3, КВгО3, СН2(СООН)2, H2SO4 и добавляют несколько капель ферроина (окислительно-восстановительного индикатора). Получающуюся однородную смесь переливают в пробирку, где сразу начинаются временные осцилляции. Раствор периодически меняет цвет - с красного, указывающего на избыток Се3+, на голубой, соответствующий избытку Се4+. Так как реакция идет в замкнутой системе, она в конце концов приходит в однородное равновесное состояние.
Пример 3. Спиральные волны
Реакция Белоусова - Жаботинского
Автоколебательная реакция Белоусова-Жаботинского очень широко известна не только в научном мире. Ее знают как школьники и студенты, так и просто любознательные люди. Стакан с красно-лиловой жидкостью вдруг становится ярко-синим, а потом снова красно-лиловым. И снова синим. А когда жидкость налита тонким слоем, в ней распространяются волны изменения окраски. Образуются сложные узоры, круги, спирали, вихри, или все приобретает совершенно хаотический вид.
Эта реакция известна уже более 40 лет. Ее открыл в 1951 году Борис Павлович Белоусов.
Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова — Жаботинского с ферроином. В показанной системе (пробирке) колебания быстро затухают.
При малом времени пребывания, не допускается выравнивания скоростей прямой и обратной реакций. При этом поведение системы будет неравновесным.
При большом времени пребывания в системе достигается однородное стационарное состояние – концентрации остаются постоянными во времени. Это - состояние химического равновесия -аналог режима теплопроводности (∆Т<Тс) в системе Бенара.
Эксперимент
В замкнутом сосуде при интенсивном перемешивании после короткого индуктивного периода возникают колебания концентраций [Br -] и [Ce4+ ]. Типичные эксперементальные кривые представлены на рис.1. Начало колебаний имеет характер «жесткого возбуждения». В системе проходит через субкритическую бифуркациюАндрионова-Хопфа. Колебания концентрации ионов[Ce4+ ], регистрируемые на плптиновом электроде, имеют постоянную амплитуду. Бромидный электрод фиксирует увеличение ампитуды, максимальное значение ее соответствует разнице концентраций ионов[Br -] на два порядка, форма колебаний несколько меняется с течением времени, период увеличивается до 2 мин через 1,5 часа. После этого асплитуда колебаий постепенно уменьшается, они становятся нерегулярными, и очень медленно исчезают.
1.Эксперементально наблюдаемые показания, снятие с платинового электрода [Ce4+ ], (а) и электрода, регистрирующего ток ионов бродида [Br -] (б)
Первая модель наблюдаемых процессов была предложена А.М.Жаботинским. Рассмотренный им цикл реакции состоит из двух стадий (I) – окисление трехвалетного церия броматом: Ce3+ BrO3 Ce4+ (I)
Вторая стадия (II) – восстановление четырехвалентного церия малоновой кислотой:
Ce4+ + CHBr(COOH)2 Ce3+ + Br- + другие продукты (II)
Продукты восстановления бромата, образующиеся на стадии I,бромируют. Получающиеся бромопроизводные разрушаются с выделением [Br -]. Бромид является сильным ингибитором реакции. Схема автоколебательной реакции может быть качественно описана следующим образом. Пусти в системе имеются ионы [Ce4+ ]. Они катализируют образование [Br-] стадия (II), который взаимодействует с частицами Y реакции Iи выводится из стстемы. Если коцентрация [Br-] достаточно велика, реакция I полностью заблокирована. Когда концентрация ионов [Ce4+ ] в результате реакции II уменьшится до порогового значения, концентрация [Br-] падает, тем самым снимается блокировка реакции I. Скорость реакции I возрастает, и возрастает концентрация[Ce4+].При достижении верхнего порогового значения[Ce4+] коцентрация[Br-]также достигает больших значений, и это приводит к блокировке реакции. И так далее.
Ячейки Бенара
Рассмотрим пример возникновения пространственой структурыпод названием «»ячейки Бенара» (рис. 2).
Ячейки Бенара возникают при критической разности температур, возникающий между верхними и нижними слоями жидкости при ее нагревании (жидкость находится в кювете).
Пока разность температур не достиигла критического значения, тепло распространяется путем теплопроводности, поверхность жидкости неподвижна.
Рис. 2.Правильные шестиугольные Рис. 3. Зависимости полного
Ячейки на поверхности жижкости теплового потока J в единицу
(ячейки Бенара) времени от разности температур
По мере приближения к критическому значению разности температур возникает конвекция (круговорот) и на поверхности жидкости появляются щестеугольные ячейки. Внутри ячейки жидкости движется вверх, а по краям – вниз (рис.3). Появление ячеек является самоорганизованным процессом.
Примером временной структуры является реакция Белоусова – Жаботинского. Реакция наблюдается в реакционной смеси, состоящей из бромата (KBr), броммалоновой кислоты, сульфата цезия (Ce).
Смесь нужно растворить либо в лимонной, либо в серной кислоте. Через 4 минуты окраска раствора изменится с синего на красный (и наоборот). Это происходит в связи с восстановлением ионов церия.
Чередование окраски раствора является самоорганизованным, развивающимся во времени процессом.
Примером пространственно – временой структуры является гликолитический цикл усвоение сахара живым организмом.
Спиральные волны
В лаборатории была разработана техника, позволяющая «выводить» кончик одной из волн за границу чашки Петри, и в дальнейшем наблюдать эволюцию единственной спиральной волны, «кончик» (tip) которой совершает сложные пространственные перемещения, траектория зависит от режима освещения (Grill et al., 1995).
При постоянном освещении кончик описывает циклоиду с четырьмя «Лепестками» (рис. 4). Изучалось воздействие световых импульсов на траекторию кончика спиральной волны. Импульсы подавались в тот момент, когда фронт волны достигал некоторой точки (на рис. Помечена крестом),или с некоторой заданной задержкой.
Рис. 4 Два типа траекторий кончика спиральной волны, полученных в эксперименте для светочувствительной BZ - реакции.
Наблюдали два типа режимов. В случает, когда «точка измерения» находилась близко от центра невозмущенной траектории, через некоторое время движение кончика приходило на асимптотическую траекторию с центром в «точке измерения», при этом расстояние между положением кончика и точкой измерения не превышало размеров петли циклоиды (рис. 4 а) Наличие обратной связи приводило к синхронизации – период импульсного светового воздействия устанавливался равным времени, в течении которого кончик спиральной волны описывал одну петлю циклоиды.
В случае, когда точка измерения находилась относительно далеко от центра невозмущенной траектории, кончик спирали описывал траекторию, по форме напоминающую дрейф 4-ех лепестковой циклоиды вдоль круга большого радиуса, центр которого, опять находился в «точке измерения». Оба режима оказались устойчивы по отношению к малым смещениям точки измерения, то есть представляют собой аттракционы. Сходный результат получается, если световой импульс подается с некоторым запаздыванием по отношению к моменту прохождения волны через точку измерения. Радиус «большого круга», по которому перемещается циклоида, растет с увеличением времени запаздывания.
Примеры самоорганизации в простейших системах: ячейки Бенара, реакция Белоусова – Жаботинского. Спиральные волны.
Согласно современным представлениям, элементарным процессом эволюции является самоорганизация. Можно сказать, что в сущности эволюция состоит из бесконечной последовательности процессов самоорганизации. В широком смысле слова под самоорганизацией понимают тенденцию развития природы от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи. В последнее время сущность самоорганизации в открытых системах изучается в новой области естествознания - синергетике, которая охватывает все проблемы, связанные с образованием упорядоченных структур в сложных системах в результате скоррелированного поведения подсистем.
Для того чтобы понять сущность самоорганизующихся систем, которые рассматривает синергетика, рассмотрим несколько простых примеров упорядочения (самоорганизации) в открытых системах.
Примеры самоорганизации в простейших системах: пример 1 Конвективная неустойчивость Бернара. Ячейки Бенара возникают при критической разности температур, возникающий между верхними и нижними слоями жидкости при ее нагревании (жидкость находится в кювете).
По мере приближения к критическому значению разности температур возникает конвекция (круговорот) и на поверхности жидкости появляются щестеугольные ячейки. Пример 2 Реакция Белоусова Жаботинского. Для ее осуществления смешивают Ce2(SO4)3, КВгО3, СН2(СООН)2, H2SO4 и добавляют несколько капель ферроина (окислительно-восстановительного индикатора). Раствор периодически меняет цвет - с красного, на голубой.
Пример 3 В лаборатории была разработана техника, позволяющая «выводить» кончик одной из волн за границу чашки Петри, и в дальнейшем наблюдать эволюцию единственной спиральной волны, «кончик» которой совершает сложные пространственные перемещения, траектория зависит от режима освещения. При постоянном освещении кончик описывает циклоиду с четырьмя «Лепестками». Изучалось воздействие световых импульсов на траекторию кончика спиральной волны. Импульсы подавались в тот момент, когда фронт волны достигал некоторой точки, или с некоторой заданной задержкой.
Недосекова Елена Сергеевна ИБ – 12
2013 г
