Диссипативных структур

Теорию диссипативных структур можно считать современным развитием термодинамики – её эффективным обобщением на широкие классы систем, которые устойчиво существуют и поступательно развиваются вдали от термодинамического равновесия благодаря постоянному обмену веществом со своим окружением. Такие системы традиционно называют открытыми, хотя это не совсем корректно, ибо помимо открытости в смысле обмена веществ системы могут быть открытыми для энергообмена и для обмена информацией. Вещественный обмен при этом может отсутствовать. Но в конце ХХ века сама теория диссипативных структур всё более ориентируется на то, чтобы изучать системы, одновременно открытые и по веществу, и по энергии, и по информации. Подобно термодинамике ХIХ в., теория диссипативных структур «расслаивается» на феноменологическую, изучающую макроскопическое поведение своих объектов, и на статистическую, изучающую их поведение на микроскопическом уровне дискретных структурных единиц. Как и в ХIХ в., концепции феноменологического уровня направляют формирование концепций микроскопического уровня глубины. Но если к концу ХIХ в. кинетическая теория тепла вполне сложилась, то к началу ХХI в. микроскопическая теория диссипативных структур далека от этого. Она поднимает и ставит по-новому наиболее фундаментальные и открытые проблемы современной физики. В частности, проблему природы времени и его органической неотделимости от природы физических процессов.

Феноменологическая теория диссипативных структур конструктивно преодолевает слабости классической термодинамики, которая ограничивала себя изучением линейных процессов в замкнутых системах. В отличие от популяризаторов ХIХ в., многие специалисты и тогда отчётливо понимали эту ограниченность, видя её причину в недостаточном разнообразии используемых понятий и математических методов анализа. Однако реальное обогащение и обновление понятийного аппарата термодинамики произошло только в первой половине ХХ в. на базе теории нелинейных динамических систем. Пионером в этом деле явился И. Пригожин, с именем которого связываются первые эпохальные открытия теории диссипативных структур. Важнейшим её открытием стало доказательное объяснение того, как и почему второй закон термодинамики имеет ограниченную область действия – только для си- стем, которые не обмениваются веществом со своим окружением. Благодаря же обмену веществ и, в частности, пополнению химическими реагентами извне диссипативные структуры могут не только устойчиво существовать вдали от термодинамического равновесия, но и поступательно наращивать свою организованную сложность.

Особенно важную роль в теории диссипативных структур играют кооперативные механизмы усиления флуктуаций. Кинетическая теория тепла в ХIХ в. показала, что вблизи термодинамического равновесия флуктуации – местные и кратковременные отклонения параметров от средних значений – хотя и постоянно возникают, но обречены на быстрое исчезновение ¹. Однако вдали от термодинамического равновесия, в условиях постоянного обмена веществом между системой и её окружением флуктуации могут усиливаться, стремительно разрастаться и превращаться в новое, более организованное макроскопическое состояние всей системы.

____________________

¹ Так, в комнате со средней температурой воздуха +20^О С постоянно «мерцают» небольшие участки с бо́льшими и меньшими температурами. Это в некотором роде похоже на зеркально гладкую поверхность озера под редким дождём, когда каждая капля порождает местное и кратковременное отклонение поверхности воды от среднего уровня. Но при полном штиле сила тяготения на поверхности воды уравновешивается силами поверхностного натяжения, и поэтому в целом поверхность озера остаётся в термодинамическом равновесии. Эта аналогия достаточно продуктивна для формирования интуитивно ясного стереотипа понятия «флуктуация», но и достаточно условна, ибо флуктуации в системах порождаются спонтанно, т. е. их внутренней динамикой, а не превносятся извне, как в случае дождя над озером.

Илл. 28. На рисунках показана типичная картина диссипативного процесса, в котором безраздельно господствует второй закон термодинамики. Конкретным примером может служить некий процесс диффузионного взаимодействия растворённых в воде химических веществ красного и синего цвета. Илл. 28.1 демонстрирует диффузионное разрушение крупных структур из двух химических веществ. Структуры со временем «расплываются» в сплошную зону смешанного цвета (цвет получившегося бесструктурного раствора зависит от преобладания вещества красного или синего цвета). Ещё быстрее «расплывается» хаотическая система небольших отклонений концентраций обоих веществ от среднего уровня – флуктуаций. Эта картина на илл. 28.2 наглядно демонстрирует, что в равновесной термодинамической системе флуктуации обречены на «рассасывание» и не могут положить начало образованию крупных структур.

В сериях иллюстраций 28, 29, 30 и 32 использованы стоп-кадры из интерактивного учебного фильма серии «Лаборатория синергетики», выпущенного Центром изучения сложных систем СИП РИА в 2004 г. (Диск 1).

28.1

28.2

Илл. 29. Положение может в корне измениться, когда система с диссипацией удерживается вдали от термодинамического равновесия, в частности, благодаря интенсивному притоку новых порций химических реагентов, дающих продукты красного и синего цвета. В результате в системе может уменьшаться количество молекул, как в случае реакции N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Тем самым в системе постоянно присутствует фактор, изменяющий исходные условия действия второго начала термодинамики. Этот фактор может пересилить диффузионный процесс, разрушающий больши́е, макроскопические структуры. Диффузионный процесс не то-лько продолжает действовать, но играет также свою важную роль в подвижном балансе поступления химических реагентов в зону реакции и распределении её продуктов красного и синего цвета по объёму зоны. Но результирующим итогом становится не диффузионное разрушение крупных структур, но наоборот – их образование и устойчивое существование при непрерывном поступлении химических реагентов и диффузионном перемещении продуктов химической реакции. Хорошей образной моделью такого квазистатичного существования диссипативных структур могут служить два симметричных вихря в потоке воды, обтекающей камень: течение всё время приносит в зону вихрей и уносит из неё новые и новые порции воды, но два вихря устойчиво вращаются на своих местах.

На серии илл. 29.1 изображёны этапы колебательного процесса возникновения крупных, макроскопических структур в среде с непрерывным распределением реагентов и продуктов химической реакции. На серии илл. 29.2 изображён аналогичный колебательный процесс структурообразования в среде с флуктуационно-случайным распределением компонентов. Наглядно видно, что флуктуации при этом получают возможность усиливаться, конкурировать друг с другом и класть начало колебательному образованию крупных структур, т. е. образованию более высокоорганизованных форм вещества из менее организованных, возникновению порядка из хаоса.

29.1

29.2

Илл. 30. Автоволновые процессы – это автоколебательные процессы на двумерных поверхностях или в трёхмерных объёмах. Редким исключением является одномерный автоволновой процесс распространения импульса по нервному волокну. Процессы такого рода могут иметь разную физическую, химическую или биологическую природу. В частности, они могут осуществляться в сплошных средах с такими химическими реакциями, продукты которых выступают то в роли катализаторов, то в роли ингибиторов. На этой серии иллюстраций представлена компьютерная математическая модель автоволновых процессов. Зоны красного цвета соответствуют зоне активного протекания автоволнового процесса. Зоны синего цвета соответствуют зонам рефрактерности, т. е. условиям, в которых результаты этого процесса временно делают его невозможным.

Серия 30.1 демонстрирует уничтожение автоволн на протяжённых препятствиях – вместо их отражения, как это имеет место в случае линейных волн. Серия 30.2.1 демонстрирует взаимное уничтожение (аннигиляцию) двух встречных автоволн – вместо их прохождения друг через друга, как в случае линейных волн. На серии 30.2.2 показана аннигиляция четырёх автоволн, фронты которых начинают распространяться из четырёх углов автоволновой среды. Серия 30.3 демонстрирует хаотизацию волнового процесса в случае взаимодействия двух несинхронных источников автоволн (пейсмейкеров) – вместо интерференционных явлений, как в случае линейных волн. В плоских автоволновых процессах можно так подобрать условия генерации автоволн пейсмейкерами и их распространения, что между пейсмейкерами начнётся наглядная конкуренция, в результате которой один из них вытеснит или подавит остальных и займёт господствующее положение.

В сердечной мышце (см. илл. 31) патологический очаг возбуждения может возникнуть по разным причинам: ишемия, инфарктный процесс или процессы в постинфарктном рубце, очаг инфекционного поражения и др. Может он возникнуть и в здоровой сердечной мышце рефлекторно: от больного желудка, от лицевых нервов при нырянии в холодную воду (особенно, после долгого загорания или в нетрезвом состоянии) и т. п. Такой патологический пейсмейкер особенно опасен, когда он располагается в желудочках сердца и когда он включается в момент их общей рефрактерности (наложение зубца R электрокардиограммы на зубец Т). Серия 30.3 иллюстрирует дополнительный очаг возбуждения именно такого типа. В результате на этой модели ритмичность автоволновых процессов наглядно расстраивается, и в автоволновой срезе воцаряются хаотические автоколебания. Если сходный автоволновой процесс развивается в сердечной мышце желудочков, то это чревато роковой катастрофой внезапной остановки даже здорового сердца. В частности, некоторые физически здоровые жертвы катастрофы «Титаника» погибли именно таким образом, когда вынуждены были прыгать в спасательных жилетах в ледяную воду.

30.1

30.2.1

30.2.2

30.3

Илл. 31. Автоволновые процессы лежат в основе деятельности сердца животных и людей. Сердечная мышца (миокард) – это не просто мышца, но сплошная нервно-волоконная среда. Как механический насос для перекачки крови, сердце должно осуществлять весьма сложную работу, в которой его основные подсистемы – предсердия (сверху) и желудочки (снизу) – сжимаются согласованно, но не одновременно. Сначала работают предсердия, а затем, когда через митральные клапаны порция крови заполнит полости желудочков, сокращаются желудочки, выталкивая кровь в аорту. Но в любом случае механические сокращения миокарда запускаются автоволнами его электрического возбуждения. Несколько проекций результирующего вектора меняющегося электрического поля этой автоволны регистрируются несколькими отведениями электрокардиографа. В сумме эти проекции, выписанные пером электрокардиографа, позволяют врачам составить адекватную картину деятельности сердца в норме, а также при разнообразных патологиях. (Этапы формирования цикла электрокардиограммы на одном из главных отведений электрокардиографа сопровождают серию рисунков.)

Цикл сердечной деятельности начинается с генерации автоволны электрического возбуждения миокарда т. н. водителем ритма (пейсмейкером), который называется также синусовым узлом и располагается в правом предсердии. Распространяясь по предсердию, автоволна электрического возбуждения ведёт за собой волну механического сжатия миокарда предсердий. Но прохождение порции крови из предсердий в желудочки через митральные клапаны требует времени, поэтому желудочки должны сжиматься несколько позднее предсердий. В конструкции миокарда для этого используется блестящее инженерное решение (природы или Бога – кому как угодно). Между миокардом предсердий и желудочком располагается изолирующая перегородка, на которой автоволна возбуждения гибнет. Её распространение на желудочки осуществляется по особым нервным волокнам проводящей системы с пониженной скоростью распространения. Эта своеобразная линия задержки – так называемый пучок Гиса в межжелудочковой перегородке с правой и левой ножками, соответственно, для правого и левого желудочков. Пока мышца предсердий расслабляется после сокращения (и электрически реполяризируется), автоволна электрического возбуждения идёт по проводящей системе и охватывает желудочки снизу вверх. Приведя миокард желудочков в механическое сокращение, она гибнет на той же изолирующей перегородке между предсердиями и желудочками. Затем следует расслабление миокарда желудочков и их электрическая реполяризация, а затем цикл повторяется.

В миокарде предсердий и желудочков могут возникать дополнительные очаги электрического возбуждения – патологические пейсмейкеры, в частности, в зонах инфекционного поражения, в зонах поражения желудочков инфарктами, на постинфарктных рубцах и др. Это ведёт к разнообразным нарушениям сердечного ритма вплоть до хаотического трепетания (фибрилляции) желудочков и внезапной смерти животных и (несравненно чаще) человека от остановки сердца. Раскрытие автоволновой природы процессов, управляющих сердечным ритмом, позволило кардиологам добиться в последние десятилетия выдающихся успехов в предотвращении сердечно-сосудистых катастроф, связанных с нарушениями сердечного ритма.