无机化学中的自组织

无机化学中的自组织•由层次系统的近可分解性我们知道，研究上层系统的规律可以不考虑下层系统机制，这就是所谓现象学的办法。因此，要描述一个化学自组织系统，无须从量子力学或经典物理学的角度考虑系统微观组分的状态。1、图灵的开创性工作•第一个考虑到这种可能性的人是英国科学家图灵。他当时的兴趣是想为生物的形态来源找出一个化学基础。图灵在二十世纪五十年代初，写出了能够产生随时间而有规律变化的化学钟，和不随时间变化的稳态图案的数学配方。可惜图灵随后就自杀了，此后的十多年间他的成果没有引进注意。2、BZ反应•苏联科学家贝鲁索夫(B)与此同时，在实验上取得突破性成果。他当时的目的是想用化学反应模仿生物学中的克雷布斯循环。贝鲁索夫通过控制柠檬酸、硫酸和溴酸钾的输入和生成物的输出，惊讶地发现溶液开始在无色和淡黄色两种状态之间有规律地变来变去。但不幸的事，贝鲁索夫的发现被当时的科学界认为是绝不可能的，拒绝予以承认。•六十年代，莫斯科大学的扎孛廷斯基(Z)对贝鲁索夫的配方做了一些修改，使颜色更鲜明地由蓝变红。此后，化学自组织反应开始引起科学界的兴趣，他二人的化学自组织反应被称为BZ反应。3、布鲁塞尔学派的成就1）布鲁塞尔振子布鲁塞尔振子是一个理想化的模型，它涉及两种化学物质A和B，它们转化为另外两种物质D和E，还有两种中间物质X和Y。具有的反应方程如下：①A→X②B+X→Y+D③2X+Y→3X(正反馈反应)④X→E设反应过程中A、B、D、E的浓度保持下变，X、Y的浓度随时间变化，即可得到简化的动力学方程如下：dX/dt=A+X2Y－BX－BdY/dt=BX－X2Y由此可见，这是一个非线性动力学方程，正是由于其具有非线性特征，所以才能产生出耗散的自组织结构来。2）化学图案和化学波•如果把分子的扩散系数和溶液的粘滞性考虑在内，布鲁塞尔振子还有可能演化出化学图案和化学波。•化学图案是一种不随时间变化的一个固定的空间图案。•化学波则是一种随时间变化的一种化学图案，例如，一条一条的红色和蓝色波纹象波浪一样运动。•3）极限环•这些颜色的变化可以用一种叫做“极限环”的吸引子来描述：当化学剂从蓝变红时，它顺着这个环滚动，每经过一个极点，颜色从蓝变红，过另一个极点，颜色从红变蓝。即使加进去的原料有少许改变，代表反应的点仍然回到这个有规则的颜色循环中。X（化学反应物X的浓度）YXλ定点吸引子（平衡态）分叉点离平衡态的距离（化学反应物Y的浓度）4、分叉与选择非线性系统的动力学方程可以有多重解，其中一个是平衡态，其余为非平衡态。当控制参数λ小于临界值λc时，热力学分支是稳定的。当λλc时，热力学分支不再稳定，出现了代表非平衡态解的分支。λ系统的稳定解λ系统的稳定解λcλc5、逐级分叉当控制参数超过临界值继续增大时，还可能碰到新的分叉点，在那里将出现新的分叉点，叫做二级分叉现象。逐着与平衡态的距离进一步增大，还会出现更复杂的结构，即三级或更高级的分叉现象。一级分叉点二级分叉点三级分叉点四级分叉点λc稳定解逐级分叉现象为自然界特别是生物界表现出来的复杂的时空进化现象提供了一定的说明。每一个分叉都包含着它的历史信息，指示它是通过怎样的路线演化而来的。例如，m分支是经a-b-d-i-m各个阶段的历史积累而来的。稳定解abcdefghijklmλc4、自然界演化的基本图景——分支树状•生物进化图谱•——分支树状•人类产生的必然性和偶然性•科学家猜想恐龙可能会进化成“恐龙人”