Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
полностью воспроизводятся по амплитуде, форме и частоте. Период колебания здесь является однозначной функцией макроскопических переменных - концентрации и температуры. К пространственно-временной организации реакции Белоусова-Жаботинского был проявлен огромный интерес, вызванный открывшейся возможностью подойти посредством изучения подобных реакций к пониманию принципов механизма действия "биологических часов" - периодических и синхронных реакций в живых системах.
Примером временной структурной организации в биологии может служить периодически колеблющееся соотношение между популяциями хищников и их жертв. Представление о взаимозависимом изменении их численности во времени впервые было получено благодаря систематическому учету на протяжении 90 лет количества ежегодно заготовляемых шкурок зайцев-беляков и рысей фирмой "Хадсон Бей" (Канада). Учет преследовал сугубо коммерческие цели, однако оказался полезным и для науки. Рыси, как известно, питаются травоядными зайцами. Чем больше зайцев и, следовательно, пищи, тем рыси интенсивнее размножаются. Со временем рост популяции рысей начинает сдерживаться из-за уменьшения зайцев вследствие их быстрого уничтожения. Уменьшение численности рысей ведет к росту числа зайцев. Рыси снова начинают быстро размножаться и т.д. Это типичный процесс, известный под названием процесса "хищник-жертва", математически описываемой моделью Лотки-Вольтерра. Состояние термодинамической системы, отвечающее такой модели, является промежуточным между устойчивым стационарным состоянием с минимальным производством энтропии и периодическим процессом с предельным циклом (брюс-селятором). Для процесса Лотки-Вольтерра характерно состояние нейтральной устойчивости. Здесь отсутствует линейная связь потоков и сил, но, с другой стороны, нет механизма, обеспечивающего распад флуктуаций, поэтому и нет избранной траектории, к которой стремилась бы вся система. Реальная жизнь, конечно, сложнее, чем рассмотренная модель Лотки-Вольтерра, однако, как видно из рис. III.33, модель воспроизводит основные черты природных процессов - имеют место колебания численности популяций, численность рысей всегда отстает по фазе от численности зайцев, а амплитуды колебаний взаимосвязаны.
Все состояния системы, которые могут быть получены из равновесного путем непрерывной деформации равновесных структур, Пригожин назвал термодинамическими ветвями. Они имеют значительное сходство с равновесными состояниями, отвечают докри-тической области на соответствующих кривых, аналогичных представленной на рис. III.32, и описываются линейной термодинамикой неравновесных процессов. К термодинамическим ветвям относятся ламинарное течение жидкости и многие другие линейные потоки вещества и энергии. При переходе за критические значения градиентов термодинамических сил линейные потоки размываются и у систем возникают совершенно новые структуры, которые Пригожин назвал диссипативными. К ним он отнес упорядоченные в пространстве, во
452
Гпды
Рис. Ш.ЗЗ. Динамика популяций зайцев (I) и рысей (2)
времени или одновременно и в пространстве и во времени состояния, которые могут перейти в состояние термодинамического равновесия только путем скачка (в результате кинетического, неравновесного фазового перехода). Рассмотренные конвекция жидкости с образованием ячеек Бенара, лазерное когерентное излучение, химическая реакция Белоусова-Жаботинского и периодический процесс "хищник-жертва" в экологии - примеры диссипативных структур, т.е. стационарных состояний вдали от положения равновесия.
Непременными условиями возникновения диссипативных структур можно считать следующие: 1) система должна обмениваться с окружающей средой веществом и/или энергией, т.е. быть термодинамически открытой; 2) динамические уравнения системы нелинейны, не работают соотношение взаимности Онсагера и принципы локального равновесия и минимума производства энтропии Пригожина; 3) отклонение системы от равновесного состояния не может быть представлено путем непрерывной деформации последнего, т.е. не может быть отнесено к той же термодинамической ветви. Значения градиентов соответствующих термодинамических параметров системы (температуры, давления, концентрации) превышают критические величины; 4) система должна состоять из взаимодействующих друг с другом микроскопических частиц; 5) организация упорядоченной макроскопической структуры есть результат как случайного, так и детерминистического (кооперативного, согласованного) взаимодействия микроскопических составляющих системы. Диссипативные системы являются статистико-детермини-стическими образованиями.
Материальный и энергетический обмен диссипативной системы со средой (первое условие) происходит без нарушения второго начала термодинамики. Оно проявляется лишь в более общем виде и относится к такой изолированной макроскопической системе, в которую открытая диссипативная структура входит как подсистема. В отличие от самопроизвольных равновесных процессов, при которых все части системы хаотизируются и, следовательно, вносят вклад в общее увеличение энтропии, в нелинейных неравновесных процессах имеет место диспропорционирование энтропии, которое, однако, происходит без нарушения второго начала. Уменьшение энтропии при создании упорядоченной диссипативной структуры сопровождается одновременным
