Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Эволюция неустойчивой динамической системы к высокоорганизованной диссипативной структуре посредством бифуркационных скачков включает как детерминистические, так и вероятностные этапы
455
спонтанного развития. В окрестностях точек бифуркаций существенную роль играют флуктуации, вызывающие отклонение от термодинамической ветви и определяющие направление, которому будет следовать система. Почему в данном случае флуктуации приобретают решающее значение? Из классической термодинамики известно, что флуктуации составляют столь небольшие изменения, что ими допустимо пренебречь, если система достаточно велика. Вблизи же бифуркаций этого делать нельзя, поскольку здесь нарушается закон больших чисел. Более того, можно утверждать, что самопроизвольное структурообразование в неустойчивых динамических системах осуществляется благодаря флуктуациям и только через них. Если в равновесных процессах все флуктуации обратимы, и поэтому пропадают, не успев оказать заметного воздействия на развитие макроскопической системы, то в нелинейных неравновесных процессах, некоторые из флуктуаций (далеко не все!) оказываются необратимыми, и при соответствующих условиях они могут накапливаться, приобретать значительную величину и становиться устойчивыми. Неравновесные флуктуации порождаются как самой системой, так и окружающей средой. И те и другие могут формировать бифуркации и приводить к новым неравновесным переходам, не предсказываемым феноменологическими законами эволюции.
Для того чтобы образовалась высокоорганизованная диссипативная структура, необходимо не только нахождение системы вдали от равновесия, но и наличие взаимодействий множества частиц или степеней свободы. Возникновение бифуркаций существенно зависит от размера системы и возможно только, если он достигает определенного, критического значения. Например, фазовый переход парамагнитного вещества в ферромагнитное требует не только достижения точки Кюри, но и превышения характерного для этого явления размера ферромагнетика. Масштабность системы здесь необходима для того, чтобы образовавшийся на пути к созданию диссипативной структуры локальный бифуркационный активный центр имел возможность эволюционировать и распространяться на всю систему. Положение в этом отношении аналогично ситуации с каплей жидкости в пересыщенном паре. Если ее размеры меньше критических, то она неустойчива, а если диаметр капли превышает критическое значение, она начинает расти, и пар превращается в жидкость. Тот факт, что спонтанный процесс структурной организации наблюдается только у систем, размеры которых превышают критические величины, свидетельствует о том, что формирование диссипативной структуры начинается с возникновения зародышевых активных центров и далее развивается подобно цепным химическим реакциям.
Флуктуации, самопроизвольно порождаемые самой системой, т.е. внутренние флуктуации, малы и обратимы до тех пор, пока система не окажется вблизи точек бифуркации, или областей сосуществования нескольких, одновременно устойчивых состояний. Глубокое воздействие на открытые системы оказывает окружающая среда, причем не только благодаря своему влиянию на ее макроскопические функции 456
состояния, но и посредством собственных флуктуаций, которым она также подвержена. Внешние флуктуации могут взаимодействовать с внутренними флуктуациями, размывать бифуркации данной системы или, напротив, усиливать их, а также создавать новые, и таким образом, управлять поведением диссипативной структуры и порождать другие неравновесные переходы. Участие среды в формировании у открытых систем диссипативных структур имеет принципиальное значение. В противном случае произошло бы нарушение второго начала термодинамики - закона увеличения энтропии изолированной системы. Процессы спонтанного образования высокоупорядоченных пространственных и временных структур всегда сопровождается диспропор-ционированием энтропии, т.е. резким уменьшением энтропии в открытой системе за счет превалирующего увеличения энтропии окружающей среды.
В начале второй половины нашего столетия стала очевидной невозможность описания возникновения в макроскопических системах когерентных структур на основе известных законов, применимых, подобно закону возрастания энтропии, к множеству частиц, не говоря уже о невозможности понимания этого явления. Классическая термодинамика, как и другие теории "среднего поля", оказались неподготовленными для выяснения причин спонтанного образования порядка из беспорядка за счет большей хаотизации окружающей среды. Возникшая в середине XX в. ситуация в принципе аналогична той, которая имела место в первой половине XIX в. когда выяснилась несостоятельность классической физики в описании поведения макроскопических систем. Теории бифуркаций диссипативных структур, а в общем плане -нелинейная термодинамика неравновесных процессов, по существу, представляют собой отход от унифицированных моделей теорий "среднего поля" и признание невозможности непротиворечивого объяснения эволюции (физической, химической и биологической) в рамках исключительно макроскопического описания, иными словами, является отказом от чисто вероятностных представлений классической и линейной термодинамики.
