無機(jī)化學(xué)中的自組織

無機(jī)化學(xué)中的自組織第一頁，共十一頁，2022年，8月28日1、圖靈的開創(chuàng)性工作

第一個考慮到這種可能性的人是英國科學(xué)家圖靈。他當(dāng)時的興趣是想為生物的形態(tài)來源找出一個化學(xué)基礎(chǔ)。圖靈在二十世紀(jì)五十年代初，寫出了能夠產(chǎn)生隨時間而有規(guī)律變化的化學(xué)鐘，和不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)圖案的數(shù)學(xué)配方?？上D靈隨后就自殺了，此后的十多年間他的成果沒有引進(jìn)注意。第二頁，共十一頁，2022年，8月28日2、BZ反應(yīng)

蘇聯(lián)科學(xué)家貝魯索夫(B)與此同時，在實(shí)驗(yàn)上取得突破性成果。他當(dāng)時的目的是想用化學(xué)反應(yīng)模仿生物學(xué)中的克雷布斯循環(huán)。貝魯索夫通過控制檸檬酸、硫酸和溴酸鉀的輸入和生成物的輸出，驚訝地發(fā)現(xiàn)溶液開始在無色和淡黃色兩種狀態(tài)之間有規(guī)律地變來變?nèi)ァ５恍业氖?，貝魯索夫的發(fā)現(xiàn)被當(dāng)時的科學(xué)界認(rèn)為是絕不可能的，拒絕予以承認(rèn)。六十年代，莫斯科大學(xué)的扎孛廷斯基(Z)對貝魯索夫的配方做了一些修改，使顏色更鮮明地由藍(lán)變紅。此后，化學(xué)自組織反應(yīng)開始引起科學(xué)界的興趣，他二人的化學(xué)自組織反應(yīng)被稱為BZ反應(yīng)。第三頁，共十一頁，2022年，8月28日3、布魯塞爾學(xué)派的成就

1）布魯塞爾振子布魯塞爾振子是一個理想化的模型，它涉及兩種化學(xué)物質(zhì)A和B，它們轉(zhuǎn)化為另外兩種物質(zhì)D和E，還有兩種中間物質(zhì)X和Y。具有的反應(yīng)方程如下：①A→X②B+X→Y+D③2X+Y→3X(正反饋反應(yīng))④X→E設(shè)反應(yīng)過程中A、B、D、E的濃度保持下變，X、Y的濃度隨時間變化，即可得到簡化的動力學(xué)方程如下：dX/dt=A+X2Y－BX－BdY/dt=BX－X2Y由此可見，這是一個非線性動力學(xué)方程，正是由于其具有非線性特征，所以才能產(chǎn)生出耗散的自組織結(jié)構(gòu)來。第四頁，共十一頁，2022年，8月28日2）化學(xué)圖案和化學(xué)波

如果把分子的擴(kuò)散系數(shù)和溶液的粘滯性考慮在內(nèi)，布魯塞爾振子還有可能演化出化學(xué)圖案和化學(xué)波。化學(xué)圖案是一種不隨時間變化的一個固定的空間圖案?；瘜W(xué)波則是一種隨時間變化的一種化學(xué)圖案，例如，一條一條的紅色和藍(lán)色波紋象波浪一樣運(yùn)動。

第五頁，共十一頁，2022年，8月28日

3）極限環(huán)這些顏色的變化可以用一種叫做“極限環(huán)”的吸引子來描述：當(dāng)化學(xué)劑從藍(lán)變紅時，它順著這個環(huán)滾動，每經(jīng)過一個極點(diǎn)，顏色從藍(lán)變紅，過另一個極點(diǎn)，顏色從紅變藍(lán)。即使加進(jìn)去的原料有少許改變，代表反應(yīng)的點(diǎn)仍然回到這個有規(guī)則的顏色循環(huán)中。X（化學(xué)反應(yīng)物X的濃度）YXλ定點(diǎn)吸引子（平衡態(tài)）分叉點(diǎn)離平衡態(tài)的距離（化學(xué)反應(yīng)物Y的濃度）第六頁，共十一頁，2022年，8月28日

4、分叉與選擇

非線性系統(tǒng)的動力學(xué)方程可以有多重解，其中一個是平衡態(tài)，其余為非平衡態(tài)。當(dāng)控制參數(shù)λ小于臨界值λc時，熱力學(xué)分支是穩(wěn)定的。當(dāng)λ>λc時，熱力學(xué)分支不再穩(wěn)定，出現(xiàn)了代表非平衡態(tài)解的分支。

λ系統(tǒng)的穩(wěn)定解λ系統(tǒng)的穩(wěn)定解λc

λc

第七頁，共十一頁，2022年，8月28日5、逐級分叉當(dāng)控制參數(shù)超過臨界值繼續(xù)增大時，還可能碰到新的分叉點(diǎn)，在那里將出現(xiàn)新的分叉點(diǎn)，叫做二級分叉現(xiàn)象。逐著與平衡態(tài)的距離進(jìn)一步增大，還會出現(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，即三級或更高級的分叉現(xiàn)象。

一級分叉點(diǎn)二級分叉點(diǎn)三級分叉點(diǎn)四級分叉點(diǎn)λc穩(wěn)定解第八頁，共十一頁，2022年，8月28日逐級分叉現(xiàn)象為自然界特別是生物界表現(xiàn)出來的復(fù)雜的時空進(jìn)化現(xiàn)象提供了一定的說明。每一個分叉都包含著它的歷史信息，指示它是通過怎樣的路線演化而來的。例如，m分支是經(jīng)a-b-d-i-m各個階段的歷史積累而來的。穩(wěn)定解abcdefghijklmλc第九頁，共十一頁，2022年，8月28日4、自然界演化的基本圖景

——分支樹