7921506545

2.2 Układy samoorganizujące w chemii

Koronnym świadkiem występowania samoorganizacji w układach spotykanych w chemii stanowią tzw. reakcje oscylacyjne. Są one szczególnym przypadkiem uporządkowań struktur nierównowagowych znajdujących się w stanach dalekich od równowagi (struktury dys-sypatywne¹). Cechą charakterystyczną takich układów jest spójne zachowanie ich elementów. Oscylacyjne reakcje chemiczne są ważnym przykładem samoorganizacji w układach, ponieważ cykliczne zmiany stężeń różnych substancji są obserwowalne w wielu procesach zachodzących w organizmach żywych (przykładowo regulacji hormonalnej, cyklu komórkowym, glikozie, etc.). Nowo odkryte typy dynamiki reakcji chemicznych, w których manifestują się nieliniowości, z jednej strony istotnie poszerzają naszą wiedzę w dziedzinie kinetyki chemicznej, a z drugiej strony odkryte reakcje chemiczne wykazujące oscylacje czy też złożone zachowanie chaotyczne posiadają swoje głębokie analogie w innych układach biochemicznych, ważnych z biologicznego punktu widzenia.

Odkryte bogactwo dynamicznych zachowań nieliniowych układów daje podstawy wyjaśnienia zjawisk biologicznych na poziomie fizyko-chemicznym. Odkrycie przestrzennie niejednorodnego rozkładu stężeń otwiera możliwości badania na poziomie fizyko-chemicznym zróżnicowania komórkowego, a także informacji, którą posiada komórka o swoim przestrzennym położeniu w układach innych komórek (w tkance). W pewnym sensie można powiedzieć, że układy chemiczne mogą być użytecznymi kopiami układów biologicznych.

Najprostszym typem reakcji chemicznej, w której manifestują się efekty nieliniowości są tzw. reakcje oscylacyjne (oscylatory chemiczne). Układy te wykazują periodyczne zmiany stężeń produktów przejściowych. Są one przykładem układów dyssypatywnych w stanach dalekich od równowagi termodynamicznej, tj. stanach, w jakich rozgrywają się nieodwracalne przemiany fizyko-chemiczne.

Wzrost zainteresowania tego typu procesami jest całkowicie zrozumiały, jeśli uświadomimy sobie, że w naturalny sposób wszystkie organizmy żywe podlegają rytmom biologicznym. Rytmy te odgrywają ważną rolę w adaptacji istot żywych do warunków otoczenia oraz utrzymaniu tych organizmów w dopuszczalnych granicach homeostazy. Zegar biologiczny liczy czas odmierzany wewnętrzną dynamiką procesów cyklicznych. Biologicznymi oscylatorami w organizmach żywych są np. glikoza czy też reakcje enzymatyczne.

Pojawienie się okresowych w czasie stężeń czy też okresowych przestrzennie stężeń jest właśnie przykładem wyłonienia się pewnego porządku w układach samoorganizujących się. Oscylacje mogą pojawić się tylko w układach, w których zachodzą procesy nieodwracalne - dyssypacje [44].

Możliwe jest podanie ogólnych warunków takich, aby przebieg procesów fizykochemicznych przybrał charakter oscylatora:

1.    Parametry układu są odległe od stanu równowagi.

2.    Równania kinetyki reakcji są równaniami nieliniowymi, np. = /(x), / jest funkcją nieliniową x\ x jest wektorem określającym stan układu (powiedzmy zbiór stężeń

11

1

Szerzej w przyrodzie przykładami takich struktur są galaktyki, gromady galaktyk, a także organizmy żywe