Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
453
преобладающим увеличением энтропии остальной части изолированной системы.
Второе условие означает невозможность описания диссипативной структуры с помощью аппарата линейной термодинамики неравновесных процессов, а третье - утверждает качественное отличие диссипативной структуры от равновесного, как и любого другого близкого ему состояния. Четвертое и пятое условия характеризуют качественную новизну диссипативных систем с физической позиции, объясняя спонтанное возникновение высокоорганизованных пространственно-временных структур взаимообусловленностью макросостояния системы от конкретного строения молекулярных составляющих и согласованными кооперативными взаимодействиями последних в отличие от обычной склонности микрочастиц в термодинамических ансамблях к хаотическому поведению. Еще раз подчеркнем, что характер проявляющихся при определенных условиях специфических устойчивых взаимодействий обусловлен внутренним строением микроскопических частиц.
Таким образом, название "диссипативная структура” выходит за рамки чисто термодинамического понятия. Поэтому нелинейная термодинамика необратимых процессов представляет собой синтетический подход, объединяющий возможности термодинамики в описании макроскопического проявления множественных систем и физики в изучении свойств микроскопических частиц и их взаимодействий. Если общие заключения равновесной термодинамики и линейной неравновесной термодинамики не опираются на конкретные молекулярные модели, то выводы нелинейной неравновесной термодинамики не могут быть сделаны без учета физических особенностей микроскопических частиц.
Скачкообразное изменение свойств, получившее название бифуркации, означает резкое отклонение поведения системы от соответствующей термодинамической ветви или, другими словами, качественную перемену в поведении системы при кинетических значениях определяющих ее состояние параметров. Возникновение бифуркаций связано с флуктуациями, т.е. с беспорядочным, случайным явлением. В равновесных и линейных неравновесных системах флуктуации образуют сплошной фон, всегда неустойчивы, т.е. обратимы, и поэтому никаких бифуркаций не возникает. Совершенно иная ситуация имеет место в случае диссипативных структур. Хотя и здесь появление флуктуаций случайно, но не случайна их неодинаковая устойчивость, ведущая к специфической стабилизации некоторых из флуктуаций, определяемой природой микроскопических частиц, и детерминистическому механизму структурной самоорганизации. Можно сказать, что образование диссипативных структур - это бифуркационная эволюция флуктуаций, обусловленная в начале процесса внутренним строением и согласованными взаимодействиями микроскопических частиц, а затем вполне определенной структурой со специфическими, строго согласованными контактами между последовательно усложняющимися ансамблями, которые выступают как подсистемы формирующейся макроскопической диссипативной системы.
Таким образом, отдельные виды флуктуаций, спонтанно выделяю-
454
щиеся из сплошного спектра случайных отклонений и эволюционирующие при неравновесном процессе вдали от равновесия, предстают одновременно и как выразители индивидуальных свойств микроскопических частиц и их взаимодействий, и как накопители, усилители и интеграторы этих свойств, и тем самым как преобразователи и трансформаторы их в качественно новые макроскопические свойства диссипативной структуры. В равновесных и линейных неравновесных процессах флуктуации симметричны, их эволюция ограничена и в силу обратимости быстро затухает, в связи с чем они не играют существенной роли. Следовательно, общий характер этих процессов не зависит от особенностей тонкого строения и специфических взаимодействий микроскопических частиц. Именно благодаря данному обстоятельству равновесная термодинамика, как и линейная неравновесная термодинамика, обладает единым теоретическим базисом - универсальной теорией, не учитывающей внутренних свойств элементарных составляющих и справедливой для всех процессов такого порядка, и может строиться как наука исключительно на аксиоматической основе.
Нелинейная термодинамика неравновесных процессов в принципе не в состоянии быть совершенной по своему построению и завершенной наукой. При решении тех или иных вопросов она вынуждена учитывать уникальные микроскопические свойства изучаемой нелинейной системы. Ее теория должна включать, помимо общих термодинамических начал, также дополнительные, всегда специфические положения и модели, опирающиеся на конкретные результаты экспериментальных и теоретических исследований микроскопических свойств данной системы. Теория нелинейной термодинамики неравновесных процессов, очевидно, никогда не сможет стать в полной мере универсальной теорией диссипативных структур, обладающей единой, необходимой и достаточной термодинамической моделью. Теоретическое описание нелинейных процессов, т.е. расчет их количественных характеристик, предсказание структурной организации и свойств диссипативных структур, а также объяснение природы их устойчивости, всегда в той или иной мере уникально, поскольку включает особенности внутримолекулярных и межмолекулярных свойств микроскопических частиц. Невозможность создания единой нелинейной термодинамической модели, однако, не исключает наличия некоторых общих закономерностей в природе и, следовательно, в поведении неравновесных систем и не делает безнадежной разработку обобщенных математических и физических моделей, правильно описывающих характер протекания разнообразных, подчас далеко отстоящих друг от друга нелинейных термодинамических процессов. Теоретических моделей диссипативных структур создано немного. Наиболее детально разработаны уже упоминавшиеся периодическая модель Лотки-Вольтерра, описывающая процессы типа "хищник-жертва", и модель с предельным циклом При-гожина-Лефевра-Николиса (модель брюсселятора).
