Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
15. Проблема белка, т. 2 449
выборочно усиливаться, в результате чего возникает новый молекулярный порядок, что по существу означает стабилизацию одной гигантской флуктуации.
Флуктуации будут играть важную роль в последующем изложении. Поэтому поясним понятие флуктуации на известном примере хаотического движения коллоидной частицы в жидкости, открытого Р. Бро-уном в 1827 г. Лишь спустя 80 лет А. Эйнштейном и независимо М. Смолуховским была разработана теория броуновского движения, согласно которой перемещение частицы является результатом возникновения по разные ее стороны областей неодинаковой плотности жидкости, что приводит к мгновенной разности соударений окружающих ее частиц. Ситуация полностью описывается в рамках теории случайных процессов. Броуновское движение не прекращается во времени и это означает, что области неравномерной плотности вещества существуют всегда и при установившемся стационарном распределении жидкости или газа в объеме. Такие статистические все время возникающие и исчезающие области с большим или меньшим, чем в среднем, числом частиц в малом объеме и являются в данном примере флуктуациями. Следовательно, множество частиц обладает, и это является опытным фактом, еще одним важным свойством - иметь флуктуации - небольшие случайные отклонения от средних значений температуры, плотности, энергии, скорости движения частиц, положений атомных групп в молекуле и т.д. Во многих случаях флуктуации не приводят к заметному макроскопическому эффекту, ими вообще пренебрегают, например, в равновесной и линейной неравновесной термодинамике, кинетической теории газов и жидкостей и т.д. Вернемся, однако, к рассмотрению примеров самоорганизации системы вдали от положения равновесия, где они играют определяющую роль.
На том же, как при образовании ячеек Бенара, принципе кооперативного поведения микроскопических частиц, приводящего к макроскопическому структурообразованию, основаны усиление и генерация электромагнитного излучения в квантовых устройствах - лазерах. Активные атомы (молекулы) лазерного стержня под действием излучения накачки переходят в возбужденное состояние и начинают излучать. При малой мощности накачки атомы излучают свет независимо друг от друга; лазер в докритической области работает в режиме лампы накаливания. При достижении пороговой мощности лазерной генерации режим "обычной лампы" становится нестабильным и возникает качественно новое явление - индуцированное излучение, при котором все атомы начинают осциллировать в одной фазе и испускать один гигантский цуг когерентного лазерного излучения. Характер зависимости интенсивности излучения от мощности накачки т^кой же, как при образовании конвекционных ячеек Бенара в жидкости (рис. III.32). Аналогичны причины возникновения устойчивых вихрей, водоворотов и т.д.
Рассмотренные неравновесные процессы в открытых системах обнаруживают между собой очевидное сходство. Они обладают общими закономерностями, характерными для процессов, получивших 450
название неравновесных фазовых переходов. Последние близки, если не идентичны, фазовым переходам второго рода, таким, как переход парамагнетик ^ ферромагнетик, переход металла из обычного состояния в сверхпроводящее и т.д. В каждом из этих процессов скачкообразно меняется какой-то определенный физический фактор, представляющий собой меру упорядоченности микроскопических единиц данной макроскопической системы. Этот фактор обычно называют параметром порядка фазового перехода.
Классическим примером временной и пространственной упорядоченности в химических реакциях стала реакция Белоусова-Жабо-тинского. В 1958 г. Б.П. Белоусов опубликовал сообщение об открытии им еще в 1951 г. принципиально нового явления в химии - периодически действующей химической реакции окисления лимонной кислоты бро-матом калия в присутствии катализатора - ионов трехвалентного и четырехвалентного церия [322]. Существенный прогресс в понимании механизма реакции Б.П. Белоусова начался с появлением в 1964 г. работ А.М. Жаботинского [323, 324]. Если в раствор, содержащий серную и малоновую кислоты, сульфат церия и бромид калия, добавить индикатор окислительно-восстановительных реакций (ферроин), станет возможным визуальное наблюдение по изменению цвета за происходящими в смеси реакциями Се3+ —» Се4+ и Се4+ —» Се3+. Необычность наблюдаемого явления заключается в том, что цвет раствора строго периодически меняется от красного (избытка ионов Се3+) до синего (избыток Се4+). По-видимому, главную роль в ходе реакции Белоусова-Жаботинского играют следующие ее стадии:
а) ВгСН(СООН)2 + 4Се4+ + 2НгО -» 2С02 + НСООН + 4Се3+ + 5Н+ +
+ Вг-;
(восстановление ионов церия)
б) 4Се3+ + ВгОз + 5Н+ + СН2(СООН)2 -> 4Се4+ + НСООН + 2СОг +
+ 6Н+;
(окисление ионов церия)
в) ЗСН2(СООН)2 + 2ВГ + BrOj+ ЗН+ -» ЗВгСН(СООН)2 + ЗН20. (синтез броммалоновой кислоты)
Эти реакции связаны между собой автокаталитическим механизмом, в котором первая реакция производит ионы Се3+, вторая, используя Се3+, поставляет Се4+, а третья реакция восстанавливает концентрацию броммалоновой кислоты, исходной для получения Се3+ из С4+. Таким образом, реакция Белоусова-Жаботинского ведет себя подобно так называемому брюсселятору - модели Пригожина-Ле-февра-Николиса с единым предельным циклом, в которой при различных начальных данных всегда реализуется одна и та же периодическая траектория в фазовом пространстве (в данном случае - в пространстве концентраций). Было показано, что в идентичных условиях концентрационные колебания в реакции Белоусова-Жаботинского 15* 451
