Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Химический «марьяж»

Особенно яркими примерами самоорганизующихся структур располагает современная химия. Все мы знаем, что определенные химические вещества способны вступать друг с другом в реакции, образуя при этом новые вещества. Наиболее, пожалуй, известной такой реакцией является процесс горения, при котором какой-либо элемент (например, углерод) соединяется с кислородом. Эта и подобные ей химические реакции становятся возможны только при определенных условиях; в данном случае это некая минимальная температура, необходимая для возгорания. Химики обнаружили, что существует и другой способ запустить химическую реакцию или, по крайней мере, ускорить ее протекание. Реакция, которая прежде не шла вовсе или шла очень медленно, может быть «поддержана» введением в нее определенных веществ. Такими веществами могут быть металлы — например

пластинка платины; сами они в ходе химической реакции не изменяются, выступая в роли, чем-то похожей на роль свахи: они помогают партнерам соединиться, образовав при этом новое химическое вещество. Эти особые вещества, помогающие вступить в союз другим веществам, называются в химии «катализаторами» (рис. 6.1).

^{Рис. 6.1. Катализатор в роли химической свахи}

В ходе исследований химики столкнулись с явлением, которое поначалу воспринималось ими как некая случайная странность, но со временем приобрело довольно серьезное значение. Дело в том, что существуют химические вещества, которые в состоянии служить катализаторами в реакциях получения самих себя. Звучит это, конечно, довольно запутанно, но означает всего-навсего то, что молекулы такого вещества способны в некотором смысле самостоятельно размножаться. Им удается преобразовывать молекулы других веществ таким образом, что в результате возникают новые молекулы их собственного типа (рис. 6.2).

^{Рис. 6.2. Автокатализ: катализатор соединяет две молекулы таким образом, что получаемые в результате реакции молекулы оказываются идентичны молекуле самого катализатора}

В этом процессе уже присутствует нечто, явно схожее по своим свойствам с живой материей, а потому нет ничего удивительного в том, что мы еще столкнемся с этим явлением при рассмотрении теории эволюции. Процессы, подобные описанному, называются автокаталитическими. Что же происходит в ходе химической реакции? При этом нас интересует как микроскопический, так и макроскопический уровень. На микроскопическом уровне вещество состоит из отдельных молекул, а те, в свою очередь, — из атомов. Допустим, некие молекулы двух видов — назовем их вид 1 и вид 2 — вступают в химическую реакцию, в результате которой образуется молекула нового вида (скажем, вида 3). При этом новое вещество может обладать иными химическими и физическими свойствами — например другим цветом. В этом можно легко убедиться, проведя несколько опытов: смешав две жидкости разных цветов — голубую и бесцветную — мы вдруг получаем жидкость красного цвета (рис. 6.3).

^{Рис. 6.3. Соединение двух различных химических веществ обычно приводит к возникновению гомогенного конечного продукта}

Полученная жидкость обычно совершенно равномерно окрашена и не теряет свой цвет со временем. Впрочем, так случается «обычно» — но не всегда; тут мы подбираемся, собственно, к главной теме этой главы. Дело в том, что в XX веке учеными было обнаружено несколько довольно сложных химических реакций, в ходе которых образовывались макроскопические структуры, своими размерами в миллиарды раз превосходящие размеры молекул исходных веществ.

Химические часы

Начнем с самого известного примера: с реакции, открытой русским ученым Б. П. Белоусовым, а позднее систематически исследованной А. М. Жаботинским. Реакция эта весьма сложна, и мы не будем здесь останавливаться на подробностях ее проведения. Нас интересуют прежде всего образующиеся в ходе этой химической реакции структуры. С течением времени цвет жидкости, получаемой в результате описываемой реакции, изменяется с красного на голубой, затем с голубого снова на красный, и т.д. (рис. 6.4).

^{Рис. 6.4. Периодическая смена цвета жидкости с красного на голубой в реакции Белоусова — Жаботинского}

Химическую реакция такого рода можно рассматривать как своеобразные химические часы (ведь часы суть не что иное, как инструмент, непрерывно отмеряющий периоды определенной длительности). Здесь необходимо отметить, что в первоначальном эксперименте вещества, единожды соединившись, основательно и окончательно перемешиваются, а затем полученная однородная жидкость, предоставленная сама себе, демонстрирует периодическое изменение своего цвета. Еще одна подробность: смена цвета жидкости продолжается не бесконечно — спустя некоторое время система приходит в однородное равновесное состояние.

Однако условия эксперимента можно изменить таким образом, что система перестанет быть закрытой: для этого в сосуд, где протекает реакция, необходимо постоянно вводить исходные реагенты и выводить из него конечный продукт. В таких условиях реакция периодической смены цвета оказывается в состоянии непрерывно поддерживать собственное течение.

Обнаружение возможности такого рода флуктуаций исключительно значимо для биологии, ведь все физиологические процессы имеют химическую или электрохимическую природу, а многие из них еще и являются периодическими. Следовательно, стоит разобраться в принципах функционирования химических часов, и мы значительно приблизимся к пониманию таких ритмических процессов в организме, как, например, работа сердца. Здесь нам снова (как и в случае с лазером) придут на помощь концепция параметра порядка и принцип подчинения. При введении в систему исходных реагентов в определенных концентрациях течение реакции становится нестабильным и замещается периодическими изменениями, т. е. флуктуаци-ями, которые играют роль параметра порядка и подчиняют себе отдельные молекулы. Вследствие этих флуктуаций реакция приобретает вынужденно периодический характер, при котором молекулы в едином ритме образуют новые соединения, а затем разрушают их и т.д., так что на макроскопическом уровне мы наблюдаем периодическое изменение цвета жидкости с красного на голубой и обратно. Флуктуационные процессы такого рода можно обработать математически и определить точное значение параметра порядка.

Недавние исследования показали, что связанный с обменом энергией процесс обмена веществ в отдельной клетке протекает в определенном ритме и также является периодическим.

Химические волны и спирали

На свете существует множество еще более прекрасных и сложных явлений. Некоторые из них представлены на рис. 6.5.

^{Рис. 6.5. Химические структуры в форме кругов (данный рисунок) и спиралей (рис. 6.6). Круги распространяются наружу, а спирали закручиваются}

Мы снова возвращаемся к реакции Белоусова-Жаботинского. Сначала в центрах, случайным образом возникающих на общем красном фоне, образуются голубые точки; затем эти точки становятся голубыми кругами, в центрах которых появляются красные точки, быстро вырастающие в красные круги; в красных кругах образуются голубые точки, и все повторяется сначала. Таким образом, голубые концентрические кольца расходятся вширь. Условия эксперимента можно изменить, проведя по жидкости, скажем, ногтем; результатом станет возникновение спиралей (рис. 6.6).

^{Рис. 6.6. См. подпись к рис. 6.5}

На первый взгляд, понять причину образования подобных макроскопических структур весьма непросто; воспользуемся для облегчения этой задачи следующим нехитрым примером. Возникновение концентрических колец можно сравнить со степным пожаром. Красный фон станет в таком случае высохшей травой, а огонь в эпицентре пожара в безветренную погоду будет гореть равномерно, распространяя пламя по кругу одинаково во все стороны. Если горящую поверхность обозначить голубым цветом, то сложится следующая картина: небольшая голубая точка разрастается сначала до круглого пятна, а затем расходится все дальше и дальше от эпицентра, в котором уже снова успела вырасти и высохнуть трава, благодаря чему он на нашей картине вновь выглядит красным и продолжает разрастаться до тех пор, пока трава за линией расширяющегося фронта пожара не высохнет до степени самовозгорания. После этого вся история повторяется сначала. Описываемые здесь химические реакции не нуждаются во внешнем воздействии (для степного пожара таким воздействием является воспламеняющий траву жар солнца). Система сама по себе находится в состоянии, являющемся в известной степени надкритическим, и реакция, ведущая к возникновению голубых точек, начинается самопроизвольно, но в остальном это явление того же рода, что и степной пожар. Выгорание в случае с травой из нашего примера и появление кругов голубого цвета на красном фоне в реакции Белоусова-Жаботинского означает, что происходят определенные химические трансформации, однако затем наступает фаза обратной реакции, которая приводит к восстановлению прежнего состояния.

Для возникновения волн или спиралей в реакции Белоусова-Жаботинского молекулы реагентов должны сходиться друг с другом, а это означает, что они должны обладать способностью к движению. Они и в самом деле движутся, и происходит это благодаря диффузии — явлению, всем нам хорошо знакомому из повседневной жизни. Например, промокнем чернильное пятно на столе листом промокательной бумаги: чернила диффундируют в бумагу, в результате чего мы получим чернильное пятно уже на бумаге. Обсуждаемые здесь макроскопические процессы основаны, таким образом, на взаимопереходах между химическими реакциями с одной стороны, и диффузией — с другой. Такие процессы описываются уравнениями, которые на профессиональном языке называются уравнениями диффузии; здесь мы ими заниматься, естественно, не будем. Важно для нас только то, что математическая обработка и здесь доказывает существование параметра порядка, управляющего развитием пространственно-временных структур. Именно тип параметра порядка определяет возникновение в системе волновых или спиральных структур. В полном согласии с теорией экспериментально были обнаружены также полосатые и гексагональные структуры, аналогичные образующимся в нагреваемой снизу жидкости.

Новый универсальный принцип

На конкретных примерах, взятых из разных областей физики и из химии, мы убедились, что концепция параметра порядка и принцип подчинения встречаются повсюду. Эти понятия красной нитью пройдут через всю книгу. Наблюдая их проявления в химических реакциях, мы впервые осознаем некую новую общность. В основе химических флуктуаций и волн, с которыми мы познакомились, всегда лежат процессы автокатализа. Исходные молекулы своим присутствием и взаимодействием с молекулами другого типа способствуют получению новых молекул своего типа. Это проливает новый свет и на процессы, происходящие в лазере: некая световая волна одним фактом своего существования вынуждает электроны отдавать свою энергию для усиления именно этой волны — налицо не что иное, как процесс автокатализа (рис. 6.7).

^{Рис. 6.7. Аналогия между автокаталитической реакцией (вверху) и усилением (или мультипликацией) световых волн в лазере (внизу)}

Идея автокатализа — так же, как и понятие параметра порядка и принцип подчинения — приобретает значение, далеко выходящее за рамки химии. В некотором смысле и цилиндрическое движение в жидкости носит автокаталитический характер, усиливаясь за счет уже существующего в системе движения такого же типа — пусть минимального и возникшего по чистой случайности. Автокатализ и неустойчивость коллективных форм движения суть одно и то же. Именно здесь мы начинаем понимать, что Природа, по всей видимости, всегда использует для создания упорядоченных макроскопических структур одни и те же принципы.