Исследование автокаталитических реакций
Становлению нелинейной динамики в большой степени способствовали экспериментальные исследования процессов самоорганизации. А развитие нелинейной динамики стимулировало изучение неравновесных состояний во многих других системах, не только в химических. Эти процессы протекают сообразно фундаментальным законам природы, таким как:
- закон сохранения энергии,
- второе начало термодинамики,
- закон сохранения энтропии и т.д.
Отправной точкой исследования процессов самоорганизации стали работы российских ученых Б. Б. Белоусова и А. М. Жаботинского по изучению автокаталитических реакций, которые были опубликованы в 1960-х годах. На сегодняшний момент эти работы считаются классическими.
Ученые изучали процесс окисления некоторых органических кислот – малоновой, лимонной и т.д. – броматом калия. Роль катализатора играли ионы церия. Реакция протекала при температуре 298 К в сернокислом растворе. В начальной стадии при хорошее перемешивании среды происходили периодические колебания концентраций реагентов. При отсутствии поступления извне исходных реагентов в замкнутой системе процесс автоколебания продолжался примерно час. После колебания начинали постепенно затухать. Система из состояния сильного неравновесия переходит в состояние термодинамического равновесия.
В 1970-х годах была предложена модель процесса, которая содержала более одиннадцати промежуточных стадий.
Исследование кинетики таких процессов в условиях лаборатории имеет важное значение для практических целей ввиду того, что раскрывает процессы самоорганизации и эволюции большого количества технологических систем и дает возможность грамотного управления ими. В то же время, эти исследования помогают раскрыть механизмы химической эволюции геосферы, а также учитывать эти данные в процессе разработки новых химических технологий и применять только те циклы, которые не будут нарушать биогеохимические циклы.
В макросистемах при достижении определенного уровня развития наблюдаются автокаталитические процессы, которые способствуют повышению уровня обратных связей и качества информации. Молекула катализатора, появившаяся случайно, начинает управлять ходом протекания химического процесса и воспроизводить подобные себе молекулы. Данный процесс имеет упорядоченный характер и происходит под влиянием информации, возникшей ранее. Однозначно, в ходе воспроизводства вещества в результате действия меняющихся внешних факторов возможны какие-либо сбои и случайные искажения структур, вследствие чего появляются вещества – мутанты. Благодаря этому автокаталитический процесс может протекать и по другому пути или даже появится множество автокаталитических процессом, конечным результатом которого является одно и то же вещество.
Эволюция геосферы
Так же, как и в случае с простейшими химическими реакциями, в этом случае наблюдается конкуренция разного рода автокаталитических процессов, завершение которых определяет энергетика и синтез. В ходе химической эволюции геосферы таким образом происходило формирование сначала неорганических соединений – оксидов, солей и т.д., а затем органических. В ходе стратификации вещества геосферы в процессе отвердевания расплавов, выпаривания перенасыщенных растворов солей либо под влиянием высоких давлений в недрах земной коры осуществлялась упаковка ряда неорганических соединений в низкоэнтропийные, правильной геометрической формы, упорядоченные структуры. Такие структуры называются кристаллами. Органические кристаллы, к которым относится основная масса биополимеров, сформировались в результате эволюции органических молекул.
На сегодняшний день существует примерно 300 тысяч неорганических и около шести миллионов органических соединений, которые созданы природой. Элементов, составляющих основу органики, всего шесть. Это углерод, азот, кислород, фосфор, водород, сера. В структуре органических соединений доля этих веществ – органогенов составляет примерно 97%. Природой в основу органики заложен углерод, химические связи углерода образуют основу молекул. По сравнению с другими химическими элементами углерод обладает уникальными возможностями. Он образует как ионные, так и ковалентные связи. Способностью углерода к образованию одно-, двух-, трех-, четырех- и шестиэлектронных связей обусловливает разнообразие классов органических соединений.
Современной химией создано большое число кремниевоорганических, германийорганических и оловоорганических аналог, однако по сравнению с углеродными, они менее лабильны и уступаю по ряду показателей. С появлением автокаталитических реакций и повышением уровня информационных связей увеличилась скорость упорядочения материи и образования более сложных соединений, информационно насыщенных. Но в процессе синтеза таких образований, как нуклеиновые кислоты, ферменты, белки природой использовались не все имеющиеся простые органические соединения. К примеру, для построения белков используется двадцать аминокислот из имеющихся ста.
Со временем, автокаталитические системы становятся основой самоорганизующихся биохимических систем. Формируется циклическая организация процессов. В результате первичной химической реакции появляется продукт, становящийся исходным для следующей реакции и одновременно катализатором для первой реакции, и осуществляет управление ее развитием.
Аналогичный процесс происходит с реакцией второго уровня. Второй как бы надстраивается над первым циклом и осуществляет управление им. Конечный продукт, получившийся во втором цикле, становится исходным для третьего процесса и т.д.
Таким образом, процессы, которые протекают на вышележащем уровне, управляют процессами, лежащими уровнем ниже. При этом нижерасположенные уровни оказывают влияние на уровни, лежащие выше. Формируется иерархия циклов, где управление происходит по принципу обратной связи. Такая структура получила название гиперцикла. В нем, как и в одиночной автокаталитической реакции, возможно образование мутантов, но из-за конкуренции выживают наиболее оптимальные с точки зрения основополагающих законов природы. Они являются биохимической основой наиболее сложных структур. Большинство химических реакций развивается по этому принципу.
