ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Лекция 4. Макроскопическая когерентность

Первые наблюдения осциллирующих режимов химических реакций стали уже достоянием истории; тогда осцилляции воспринимались скорее как экзотика, а не химическая закономерность. Осознание того, что макроскопическая когерентность является фундаментальным свойством, пришло недавно и стимулировало активно прогрессирующий интерес к химическим осцилляторам.

Реакция Белоусова-Жаботинского, осцилляции рН и электрохимического потенциала в гетерогенных системах типа вода- масло, кольца Лезинганга, волновое горение - всё это уже стало классикой. Ренессанс науки о химических осцилляторах стимулировали два важных обстоятельства.

Во-первых, стало ясно, что в когерентных режимах можно ожидать увеличения выходов реакции, селективности процессов, самоочистки поверхностей от каталитических ядов и т.д. И эти ожидания подтверждаются, особенно в химических осцилляторах с вынужденными, принудительными осцилляциями.

Во-вторых, интерес к химическим осцилляторам стимулируют биохимические осциллирующие процессы, наблюдающиеся в нервных клетках, мышцах, митохондриях. Начинается активное освоение систем осцилляторов, т.е. объединение нескольких химических осцилляторов в единую, общую систему; считается, что такая система является прологом, прообразом (пусть пока и примитивным) будущих моделей нейронных сетей и будущих необыкновенных реакторов. Однако уже сейчас исследуются пороги возбуждения осцилляторов в такой объединённой системе, влияние числа осцилляторов на возбуждение коллективных осцилляций, а также способа их связи, параметров связи (массообмен, управление электрохимическими потенциалами и токами), и т.д. Ясно, что это область больших возможностей и неожиданностей, и она вся устремлена в будущее.

Обнаруживаются новые химические осцилляторы. Так, в осцилляторе ClO2-I2-ацетон потенциал платинового электрода является периодической функцией времени. При окислении формальдегида и метанола в гальваностатических условиях наблюдается кратное удвоение частоты осцилляций, а в точках бифуркаций происходит срыв в хаос; такое поведение похоже на поведение некоторых ферментативных реакций и биологических систем. Окисление бромат-иона в щелочных растворах - осциллирующий процесс (рис.3), обусловленный концентрационными эффектами на электродной поверхности и потому осцилляции являются функцией геометрического фактора поверхности (шероховатость, островковость и т.д.).

Другой броматный осциллятор, катализируемый трис(бипиридил)рутением, является ещё и фотоуправляемым и обнаруживает под светом и в темноте разные бифуркационные диаграммы. Причудливое бифуркационное поведение режимов порядка и хаоса, удвоение частоты наблюдается также в окислении дигидро(никотинамид) адениндинуклеотида (НАДН), катализируемом пероксидазой.

Наиболее интригующим является поведение систем химических осцилляторов, связанных химически (две или более осциллирующие реакции происходят в одном сосуде и объединяются общим химическим реагентом) или физически (осцилляторы в разных сосудах, но связаны обменом реагентов за счёт диффузии или массопереноса или за счёт обмена электрохимическими токами или потенциалами).

В простейшей системе двух осцилляторов существуют три главных режима:

    1. смерть осцилляторов, когда они взаимно уничтожают собственные осцилляции;
    2. случайные, спонтанные и нерегулярные срывы между порядком и хаосом (бистабильность, биритмичность);
    3. синтез новой частоты или модуляция частот осцилляторов.

И если читатель снисходительно думает, что эти режимы далеки от него и от его интересов - он ошибается: когерентность каждый человек носит в себе. Здоровое сердце является идеальной когерентной системой; ритмические сокращения этого органа - это периодическое, когерентное распространение химических волн, результат упорядоченного взаимодействия огромного числа химических осцилляторов. Три сердечных патологии - инфаркт, фибрилляция и тахикардия - это точное соответствие трём режимам простейшей системы двух оцилляторов, о которых шла речь выше.

Как всякие нелинейные динамические системы химические осцилляторы демонстрируют три фундаментальных типа динамического поведения - стационарное, периодическое и хаос. Точки бифуркации, в которых происходит смена режимов, обнаруживают высокую чувствительность к условиям (концентрация, температура, малые добавки), так что даже бесконечно малые изменения этих параметров сопровождаются катастрофическими сменами режимов (особенно в биологических осцилляторах - сердце, мозг и др.).

Среди многих замечательных явлений, которые демонстрируют системы химических осцилляторов, особенно интересны химические волны. Самые разные явления - коррозия металлов, фронтальная полимеризация, самораспространяющееся "твёрдое" пламя, рост колоний микроорганизмов и моллюсков, клеточные циклы как осциллирующие процессы, высвобождение кальция из нервных клеток, калий-натриевый насос, волны кальция в цитоплазме, спиральные волны в сердце - имеют общее свойство: распространение химических волн. Именно это обстоятельство делает исследования химических осцилляторов и химической когерентности жизненно важной проблемой; в конечном счёте она адресована каждому из нас, нацелена на то, что происходит внутри нас - в клетках, митохондриях, в сердце, в мозгу и т.д.

В гетерогенно-каталитических осцилляторах источниками осцилляций могут быть нелинейная связь скоростей химических реакций и теплообмена, концентрационные градиенты и периодические модуляции состава "двумерного" реагента, "дыхание" поверхности при углублении и подъёме атомов (подобие волн в двумерной решётке) и др. Химически осциллирующим является восстановление NO водородом (при понижении давления Н2происходит кратное удвоение периода с "выпадением" в хаос), окисление СО кислородом на платине с образованием пространственно-временных спиральных волн и ряд других процессов. Окисление СО на Pt - особенно красивый пример осцилляций (см.рис.4); распространение спиральных волн сопровождается реконструкцией атомной поверхности монокристалла платины.

 

Отметим, что эти волны очень подобны химическим волнам в работающем сердце (рис.5); это наглядное свидетельство единой природы когерентности, независимо от химической природы осцилляторов.

Лекция 5. Мозг как когерентный макрореактор

Макрореактор колоссальной сложности и деликатности - мозг, в котором осуществляется огромное количество химических реакций, ответственных за синтез запоминающих молекулярных структур, формирующих память, эмоции и всю систему управления живым организмом. Мозг - реактор ключевого значения во всей химии живого, а химия мозга - это химия нового века

Главным элементом этой науки являются нейромедиаторы; они стимулируют ферментативный синтез в синаптических мембранах, коммуникацию между нейронами, формирование электрических потенциалов и передачу электрических сигналов через перезарядку мембран. Они управляют паутиной импульсов и потенциалов, руководящих всеми функциями живого организма. И механизмы их действия - химические.

Многие из нейромедиаторов уже известны; так, хорошо изучен дофамин и его химические функции, но лишь недавно было открыто, что его недостаток является причиной возрастного слабоумия; причиной падения уровня дофамина с возрастом является фермент моноаминоксидаза В, разрушающий нейромедиатор. Установлено также, что с возрастом снижается число нейронов, рецепторов дофамина (низкий уровень этих рецепторов характерен и для тех, кто страдает паркинсонизмом). Более того, стало известно, что некоторые наркотики захватывают нейроны - рецепторы дофамина, выключая дофамин из работы мозга. Это лишь частные примеры химии одного из нейромедиаторов; ясно, что понимание химических механизмов и функций открывает пути устранения нарушений в работе мозгового макрореактора; значимость их очевидна.

Известен ряд других нейромедиаторов; открываются новые, среди которых следует отметить универсальный, с широким спектром химического и физиологического действия оксид азота, а также семакс - нейропептид из семи аминокислот.

Деликатность мозга как макрореактора сильно ограничивает прямые эксперименты. Но они возможны и проводятся в рамках нейрофизиологии (конечно, в сочетании с медициной и клинической хирургией). В этих исследованиях микроэлектродная техника даёт поведение потенциалов и их ответ на химиотерапию и физиологические воздействия. И, наконец, приходит осознание того, что для понимания работы мозга следует широко использовать экспериментальное моделирование элементов этого макрореактора. Главная цель моделирования - ответ на вопрос, как мозг решает свою главную задачу: преобразование химии в электрические потенциалы. Это область с огромными ожиданиями и возможностями. Кстати, "побочным" результатом такого моделирования может стать создание молекулярных устройств с высоким коэффициентом преобразования химической энергии в электрическую (в рамках химической энергетики).

И всё-таки главное качество мозга - его когерентность; именно это свойство - ключ к главной функции мозга: запоминать, думать, рождать мысли, идеи, эмоции. Мозг - самый яркий и наверняка уникальный пример организованной и самоорганизующейся во времени и пространстве химической системы. В нём химическая активность ферментов и, как следствие, электрические потенциалы в системе синаптических мембран и нейронов великолепно синхронизованы, когерентны. Ясно также, что масштабы когерентности (т.е. размеры синхронизованных участков мозга) различны на разных уровнях функционирования мозга. Другими словами, имеются биохимические осцилляторы разного масштаба, имеется связь между ними, имеется объединение всех осцилляторов в единую управляющую систему - мозг. Уже есть прямые, экспериментальные доказательства когерентности нейронов.

В этой системе нормальным состоянием является порядок; хаос - это страшные патологии (типа болезни Альцгеймера). Идеальный порядок, идеальная когерентность - это генерация новых идей, мыслей, это способность размышлять и творить и это свойство талантливого и гениального ума. Не доказанная, но очень похожая на правду мысль: чем выше когерентность, тем ярче творческий потенциал ума и его гениальность.

Не всем нравится когерентность; маленький Эйнштейн заплакал от страха и отвращения, когда увидел солдат, марширующих на параде в Мюнхене. Можно согласиться с ним, что "милитаристская" когерентность пугает; но есть ведь и другая, божественная когерентность, которая внутри нас, с которой каждый из нас живёт…




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору