Самоорганизация в неживой природе

Лекция 11. Самоорганизация природы и универсальный эволюционизм

В последние годы работами ряда авторов, и прежде всего И. Пригожина и П. Гленсдорфа, была развита термодинамика сильно неравновесных систем, в которых связь между термодинамическими потоками и силами перестает быть линейной, а также не выполняются соотношения взаимности Онсагера. Это новое, далеко еще не завершенное физическое учение, получившее название нелинейной, неравновесной термодинамики, приводит к возможности спонтанного возникновения упорядоченных структур в различных сильно неравновесных открытых системах, т.е. к процессу их самоорганизации. Отдельные примеры подобных процессов были известны сравнительно давно: образование ячеистых структур Бенара в неоднородно нагретом горизонтальном слое жидкости, возникновение турбулентности, вихрей и т.д.

Общим во всех явлениях образования упорядоченных структур при необратимых процессах в сильно неравновесных открытых систе­мах является совместное (кооперативное) движение больших групп молекул. Немецкий ученый Г. Хакен предложил для таких процессов самоорганизации общий термин «синергетика» (от греч. – совместное, или кооперативное, действие). Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния система теряет устойчивость и малые флуктуации, возрастающие до больших масштабов, приводят к новому режиму – совокупному движению многих частиц.

Установление факта самоорганизации в сильно неравновесных системах имеет важнейшее значение для физики, химии и особенно для биологии. Дело в том, что живые организмы и их различные органы представляют собой весьма неравновесные макросистемы, в которых существуют большие градиенты концентраций химических веществ, температур, давлений, электрических потенциалов.

Это также имеет большое мировоззренческое значение, поскольку позволяет объяснить стройную организацию окружающего нас мира природы. Синергетика показывает, как законы природы приводят к появлению определенного порядка в неупорядоченных системах, «порядка из хаоса», а затем – к усложнению и развитию образовавшихся упорядоченных структур.

Немецкий физико-химик М. Эйген показал, как в сложных, сильно неравновесных системах может реализоваться механизм управ­ления самовоспроизведением образовавшихся структур. Развитие нелинейной термодинамики позволяет высказать весьма правдопо­добную гипотезу о том, как с точки зрения физики могла возникнуть жизнь.

Нелинейная термодинамика коренным образом изменяет статус второго закона (начала) термодинамики. Действительно, этот закон определяет не только разрушение структур при необратимых про–цессах вблизи равновесного состояния, но и возникновение структур при необратимых процессах открытой системы вдали от равновесия. Отражая необратимость всех реальных процессов, второе начало, та­ким образом, выражает закон развития природы. Подобное понима­ние второго начала термодинамики снимает кажущееся противоречие между законом возрастания энтропии и беспорядка в замкнутой системе и теорией эволюции Дарвина о возникновении все более сложных самовоспроизводящихся структур в живой природе.

Живая система является открытой, поскольку вместе с внешней средой она образует замкнутую систему, энтропия которой также воз­растает при усложнении живой природы. В данном случае речь идет об установленном П. Гленсдорфом и И. Пригожиным универсальном критерии эволюции, который является обобщением принципа мини­мального производства энтропии. Рассматривая зависимость скоро­сти производства энтропии от двух факторов: изменения термодина­мических сил и изменения потоков, Гленсдорф и Пригожин обобщили принцип минимального производства энтропии, который называется универсальным критерием эволюции Гленсдорфа – Пригожина.

Согласно данному критерию, в любой неравновесной систе­ме с фиксированными граничными условиями процессы идут так, что скорость изменения производства энтропии, обусловленная из­менением термодинамических сил, уменьшается и стремится к нулю. Это приводит к возникновению упорядоченных структур

Упорядоченные структуры, возникающие, согласно критерию Гленсдорфа – Пригожина, при необратимых процессах в открытых системах вдали от равновесия в нелинейной области, когда параметры систем превышают определенные критические значения, И. Пригожин назвал диссипативными структурами.

Существуют пространственные, временные и пространственно-временные диссипативные структуры.

Пространственные диссипативные структуры. Простейшим примером пространственныx структур являются ячейки Бенара, обнаруженные им в 1900 г. Если горизонтальный слой жидкости сильно подогреть снизу, то между нижней и верхней поверхностями возникнет разность температур ΔТ= Т₁ – Т₂ > 0. При малой разности температур ниже некоторого критического значения подводимое снизу количество теплоты распространяется вверх путем теплопроводности и жидкость остается неподвижной. Однако при разности температур выше критического значения в жидкости начинается кон­векция: холодная жидкость опускается вниз, а нагретая поднимается вверх. Распределение двух противоположно направленных потоков оказывается самоорганизованным, в результате чего возникает систе­ма правильных шестиугольных ячеек.

По краям каждой ячейки жидкость опускается вниз, а в центре – поднимается вверх. Зависимость полного теплового потока в единицу времени от нижней поверхности к верхней от разности температур имеет вид ячеек Бенара.

При ΔТ > ΔТ_кр, состояние неподвижной теплопроводящей жидкости становится неустойчивым, и вместо него наступает устойчивый режим в виде конвекционных ячеек Бенара. Обусловлено это тем, что при большой разности температур покоящаяся жидкость уже не обеспечивает перенос возросшего количества теплоты, и поэтому устанавливается новый, конвекционный режим. При переходе от до-критического к сверхкритическому режиму спонтанно меняется сим­метрия системы, что аналогично термодинамическим фазовым пере­ходам. Поэтому переходы в неравновесных системах часто называют кинетическими фазовыми переходами.

Временные диссипативные структуры. Примером временной дисси-пативной структуры является химическая система, в которой протека­ет так называемая реакция Белоусова – Жаботинского. Если система отклонилась от равновесия, но остается к нему близкой, то возвраще­ние к равновесию происходит плавно, без колебаний по экспоненци­альному закону. Если речь идет о стационарном состоянии, близком к равновесному, то отклонившаяся от стационарного состояния систе­ма возвращается в равновесное состояние по тому же закону. Но вдали от равновесия, как мы видели, возникают диссипативные пространственные и временные структуры, т.е. неравновесный порядок. В ряде случаев неравновесный порядок может состоять в появлении колебаний и волн. Это особенно эффектно выглядит в химических диссипативных системах.

В 1910 г. А. Лотка выполнил важную теоретическую работу, в которой показал, что в открытой химической системе, далекой от равновесия, возможны колебания концентраций реагентов. В 1921 г. Брей впервые наблюдал периодическую химическую реакцию в растворе перекиси водорода Н₂О₂, йодноватой кислоты НIO₃ и серной кислоты H₂SO₄. В реакции происходило периодическое выделение и поглощение йода (соответственно в восстановительной и окислительной реакциях):

5Н₂О₂ + 2НIO₃ > 5О₂ + I₂ + 6Н₂О;

5Н₂О₂ + I₂ > 2НIO₃ + 4Н₂О.

Но наиболее удивительное явление – возникновение периодического изменения окраски химического раствора – наблюдал Б. Н. Белоусов в 1951 г. В смеси лимонной кислоты, бромата калия КВrO₃ и сульфата церия Ce (SO₄)₂, растворенной в разбавленной серной кислоте, наблю­далось строго периодическое изменение цвета жидкости с красного на синий. Колебания окраски происходили с периодом около 4 мин и продолжались до тех пор, пока не израсходовались все реагенты, т.е. пока система далека от термодинамического равновесия. В указанном явлении, по сути, проявлялось существование химических часов.

Исследования Б. Н. Белоусова вследствие принципиальной новизны своевременно не были поняты. Его статьи не принимались к опубликованию «ввиду теоретической невозможности» описываемых в них реакций. Исследования Б. Н. Белоусова были продолжены и детально развиты А. М. Жаботинским. В 1980 г. группе авторов – Б. Н. Белоусову (посмертно) и А. М. Жаботинскому с сотрудниками – была при­суждена Ленинская премия «за открытие нового класса автоволновых и автоколебательных явлений».

Суть описываемого явления заключается в том, что изменение окраски определяется периодическими изменениями концентраций трехвалентного и четырехвалентного ионов церия. В упрощенной схеме реакция Белоусова – Жаботинского состоит из двух стадий. На первой стадии трехвалентный ион церия окисляется бромноватой кислотой и превращается в четырехвалентный ион: Се³⁺ -> (НВrO₃) -> Се⁴⁺, а на второй – Се⁴⁺ восстанавливается органическим соединением малоновой кислотой (МК) и снова превращается в трехвалентный ион: Се⁴⁺ —>(МК) —>Се³⁺. В результате изменения концентраций ионов церия Се³⁺, Се⁴⁺ наблюдается либо синий (избыток Се⁴⁺), либо крас­ный (избыток Се³⁺) цвет. Колебания концентрации Се⁴⁺ в реакции Белоусова – Жаботинского имеют вид пилообразной зависимости.

Существуют также другие нелинейные химические реакции, идущие в тонких слоях, которые приводят к образованию пространственно-временных структур, имеющих вид кольцевых или спиральных волн. Возникновение подобных структур в нелинейных химических реакциях связано с локальными флуктуациями концентраций и диффузией реагентов.

Очевидно, что в живой природе процессы самоорганизации проте­кают значительно сложнее, чем в неживой. Сегодня ясно, что в основе многих биологических явлений находится физика открытых систем, далеких от равновесия.

Дата добавления: 2014-01-03