автоволны

АВТОВОЛНЫ - разновидность самоподдерживающихся волн в активных, т. е. содержащих источники энергии, средах (распределённых системах). Первоначально термин "А." предназначался для любых видов автоколебат. процессов в системах с распределёнными параметрами, но затем стал применяться гл. обр. к таким процессам, где с волной переносятся лишь относительно малые порции энергии, необходимые для синхронизации, последоват. запуска или переключения элементов активной среды. В той же степени, как и в обычных автоколебаниях ,характер установившегося движения в целом определяется (с точностью до фазы) свойствами системы и не зависит от нач. условий, локальная структура А. "оторвана" и от начальных, и от граничных условий. В простейших случаях А. описываются нелинейным параболич. (диффузионным) ур-нием

(*),

где f(и) - нелинейная ф-ция, характеризующая, в частности, локальные источники энергии в среде, - время релаксации, D - коэфф. диффузии. Значения и, обращающие f в нуль, отвечают состояниям равновесия (устойчивым или неустойчивым). Если таких значений несколько, то в системе возможны А. переброса из одного состояния в другое. Скорость таких волн имеет порядок а длительность - порядок .

В системах из двух или более компонент А. описываются неск. связанными ур-ниями вида (*) с различными, вообще говоря, параметрами и D. В них А. могут иметь более сложный вид, напр. одиночных импульсов (импульс возбуждения в нервном волокне и др.) или периодич. волн (плоских, круговых, спиральных).

Химически активная среда, представляющая собой тонкий слой водного раствора, в к-ром идёт автоколебат. реакция окисления малоновой к-ты броматом, катализируемая комплексными ионами железа, является весьма удобным объектом, где наблюдалось наиб. число разл. типов А. (рис. 1 и 2). Простые А. (квазиплоские, с пост. скоростью) являются нормальным режимом в важных биол. системах и в ряде тех-нол. процессов: горении всех видов, гетерогенном катализе, передаче информации в активных линиях и т. д. Во всех этих случаях сложные А. (вращающиеся, спиральные, пульсирующие) - причина срыва нормального режима или возникновения шумов, не-устойчивостей и помех. Теория А. активно развивается, однако ещё далека от завершения.

Важнейший пример А.- импульсы возбуждения в биол. мембранных системах (нервных волокнах, мышцах, миокарде), где компонентами являются трансмембранная разность потенциалов и ионная проводимость мембраны.

Рис. 1. Концентрические автоволны в химически активной среде, исходящие из точечного источника - ведущего центра. Период следования волн с, длина волны см, интервалы между кадрами 45 с, скорость волн см/с.

Рис. 2. Спиральные волны в химически активной среде, образующиеся после разрыва фронта концентрической волны. В установившемся режиме с, см, интервалы между кадрами 30 с, скорость волн см/с.

В частности, в сердце имеется т. н. водитель ритма - небольшая область, где мембрана находится в автоколебат. режиме. В норме А., распространяющаяся от водителя ритма, имеет длину много большую, чем линейные размеры сердца , что обеспечивает одноврем. сокращение всей массы миокарда. Однако при ряде патологий возникают разрывы фронта нормальной А., из последних образуются спиральные А. с очень малой длиной (~ 0,1-1 см), что ведёт к смертельно опасным нарушениям режима сокращения сердца. Теория А. позволяет выделить параметры, ответственные за устойчивость нормальных и паразитных А.

К А. часто относят и стационарные упорядоченные распределения (т. н. диссипативные структуры), возникающие в активных средах, описываемых диффузионными ур-ниями. А. играют также важную роль в морфогенезе, образуя структуры, предшествующие окончат. установлению формы многоклеточных организмов.

Лит.: Жаботинский А. М., Концентрационные автоколебания, М., 1974; Скотт Э., Волны в активных и нелинейных средах в приложении к электронике, пер с англ., М., 1977; Автоволновые процессы в системах с диффузией, Г., 1981, Field R. J., Burger M., Oscillations and travelling waves in chemical systems, N.Y.- [a.o.], 1984.

А. М. Жаботинский.

   <<      Предметный указатель      >>