научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

ДАВАЙТЕ РАБОТАТЬ ВМЕСТЕ!

Фронтальная полимеризация

На днях мы провели переговоры с немецкими коллегами, возникла необходимость встретиться и более конкретно обсудить пути сотрудничества по междисциплинарной теме с вовлечением биологов, физхимиков и математиков. И вдруг подумалось, а почему бы по аналогии с общепризнанным международным опытом - Call for papers, Call for collaboration (Призыв к публикациям, Призыв к сотрудничеству) не использовать возможности отечественных изданий - газеты "Голос Армении" и ее научно-популярного приложения "Мост", всегда готовых активно поддержать все позитивные начинания в сфере науки, технологий, образования? Попытаемся это сделать. Очень надеюсь, что наш призыв будет способствовать налаживанию перспективных профессиональных контактов.

Для начала кратко остановимся на тех закономерностях, которые характерны для механизма фронтальной полимеризации, а затем попытаемся использовать их для биологических процессов, протекающий в режиме нелинейного распространения волны.

НА СТРАНИЦАХ "МОСТА" МЫ УЖЕ НЕОДНОКРАТНО РАССКАЗЫВАЛИ о нестандартном фронтальном методе полимеризации, происходящем в автоволновом режиме распространения тепловой волны экзотермического процесса, поэтому не будем в подробностях снова останавливаться на этом методе, подчеркнем только те особенности, которые аналогичны биологическим закономерностям процессов, происходящих в человеческом организме, и сформулируем возможности использования моделей потери стабильности фронтального процесса с биологическими.

Посмотрим, какой механизм действует в автоволновом процессе фронтального режима, как происходит распространение тепловой волны полимеризации в реакционном сосуде трубчатой геометрии. Сосуд заполнен реакционной смесью. Для того, чтоб пошел процесс, изначально надо его разогреть до температуры распада инициатора. Затем уже пойдет полимеризация с ростом активных радикалов с выделением тепла. Обычно при традиционных методах разогревается реакционная ампула, начинается полимеризация, в процессе которой выделяется достаточно большое тепло (реакция полимеризации – экзотермический процесс, идет с выделением тепла). В предложенном методе фронтальной полимеризации разогревается не вся ампула, а только к одному из концов реакционной ампулы кратковременно прикладывается тепло и быстро удаляется. Локально начинается полимеризация в разогреваемом слое, тепло, выделенное в процессе, передается в соседний слой, вызывая там новый виток полимеризации. В слое, куда прикладывалось тепло, процесс уже завершен, образовался полимер, тепло передалось на соседний, пока в этом слое исходное вещество полностью не превратилось в полимер. Затем тепло передается в соседний слой, там идет повторение этого явления. Таким образом, при стационарном протекании процесса кривые, характеризующие скорость полимеризации, называемые профилями скорости фронта по направлению реакции (в данном случае вдоль ампулы), полностью аналогичны и совпадают друг с другом,т.е. имеет место стационарное распространение волны фронта полимеризации.

Если в каком-либо отрезке реакционной ампулы произвести теплоотвод (приложить холод или в локальном месте при загрузке исходной смеси в каком-либо отрезке реактора добавить нейтральное вещество, отбирающее на себя тепло), стационарность процесса нарушится, скорость в месте теплоотвода уменьшится, могут появиться пульсирующие режимы, а при значительном теплоотводе, поскольку основным импульсом процесса является выделяемое тепло, если его недостаточно или почему-либо оно уходит в окружающую среду через стенки реакционного сосуда, появятся нестационарные амплитуды или спиновые режимы, вплоть до полной остановки реакции, соответственно затуханию волны.Чтобы было понятно, почему мы об этом сейчас рассказываем, еще раз отметим, что согласно нашим исследованиям, автоволновой механизм распространения многих процессов в биологии аналогичен процессам, происходящим при фронтальной полимеризации. Поэтому остановимся на стационарных (линейных) и нестационарных (нелинейных) моделях процессов во фронте, а затем попробуем смоделировать их на некоторых важных биологических процессах.

Фронтальная полимеризацияКАКИМ ОБРАЗОМ СОЗДАВАЛИСЬ МОДЕЛИ ФРОНТАЛЬНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ? Решалась общая схема уравнений по полимеризации совместно с уравнением теплопроводности. Решение позволяло определить граничные условия потери стабильности для конкретного случая. Не вдаваясь в подробности отметим, что нами созданы модели по потере стабильности волны полимеризации в зависимости от разных параметров – концентрации исходных веществ и макрокинетических параметров, т.е. основного фактора – температуры, далее давления, скорости подачи исходной смеси и т.д. Установлены граничные условия потери стабильности в разных пульсирующих режимах, вплоть до затухания процесса полимеризации.

Имея эти условия, мы уже можем варьировать исходные параметры и температуру окружающей среды, чтобы не дать системе выйти из стационарного состояния. Это важно не только для технологического осуществления, но и для конечных свойств получаемого продукта. А вот подход и модели сами по себе интересны для биологических автоволновых процессов, протекающих по механизму Белоусова-Жаботинского. С самого начала отметим важнейшую деталь, в разнице процессов во фронте и в биологии. В обоих случаях процесс автоколебательный, в обоих случаях возможен выход из устойчивого состояния в неустойчивое. В обоих случаях опасность для процесса - затухание волны. Но вот если причиной потери устойчивости в фронтальном режиме является потеря тепла (ведь движущей силой процесса является выделяемое реакцией тепло), то в биологических системах важную роль играет потеря концентрации реагирующего вещества. Поэтому для создания моделей биологических реакций необходимо, в отличие от фронтального режима, решать систему не с уравнением теплопроводности (определение пределов потери тепла), а с уравнением диффузии (определение пределов потери концентрации активного вещества).

Рассмотрим наше видение аналогий в биологических процессах. Это относится к колебательным осциллирующим процессам, или процессам с пространственным распространением волны реакции. К примеру, в упрощенной форме рассмотрим две биологические модели. Осциллирующие волны при расщеплении и восстановлении АТФ (Аденозинтрифосфорная кислота) в организме и распространение нервного импульса.

Поскольку мы входим в область биологии, не являющуюся нашей специальностью, просим биологов простить нас, если будут допущены некоторые упрощения или неточности. Именно в этом и заключается наша попытка объединить усилия физхимиков, математиков и биологов для создания моделей устойчивости важнейших реакций, протекающих в человеческом организме.

КАК ИЗВЕСТНО, АТФ ИГРАЕТ ВЫДАЮЩУЮСЯ РОЛЬ В ЭНЕРГЕТИКЕ КЛЕТКИ. Cистеме АТФ принадлежит центральное место в процессах переноса химической энергии. Каким же образом происходит реакция выделения этой энергии и каким образом она снова восстанавливается?

В упрощенном виде рассмотрим расщепление и восстановление этого важнейшего для организма вещества. Дело в том, что связи между фосфатными группировками в молекуле АТФ легко разрываются с выделением большого количества энергии (около 7 ккал). Выделяющаяся энергия используется на нужды клетки: на активный перенос химических веществ через мембраны, синтез органических соединений, сокращение мышечного волокна и т. д. Затем организму необходимо восстановить количество расщепленного АТФ. Это происходит за счет обратной реакции восстановления АТФ из метаболитов. В этом процессе важнейшую роль играет процесс расщепления глюкозы, происходящий с выделением тепла, которое и используется для обратимой реакции восстановления количества АТФ. Получается, что расщепление АТФ и его восстановление происходит по автоволновому механизму, где модели фронтальной полимеризации могут быть легко использованы, но с той лишь разницей, что для данного процесса важнейшим фактором является концентрационный фактор, то есть уравнение диффузии (в отличие от фронтального, где решающим является уравнение теплопроводности). Если происходит нарушение концентрации какого-либо из веществ, играющих решающую роль в реакциях восстановления АТФ, то и здесь по аналогии с фронтальными процессами, могут появиться затухающие осцилляции, вплоть до состояния коллапса в организме.

ФизхимияВ чем же мы нуждаемся? В какой коллаборации? Скажем, что мы имеем определенный опыт по поведению АТФ в открытом реакторе, куда подавались с разной скоростью разные количества дрожжей (глюкозы). Наша аспирантка защитила кандидатскую диссертацию на кафедре биофизики Магдебургского Университета (Германия). Ею совместно с профессором Томасом Майером были получены интересные результаты по обнаружению осциллирующих окружностей при проведении реакции АТФ с разными количествами добавок дрожжей. При резком уменьшении количества дрожжей происходили затухающие осцилляции, с полным их вырождением. К сожалению, сейчас у нас нет возможности продолжения данных опытов из-за несчастного случая с нашим коллегой Томасом Майером из Магдебурга.

Мы отметили, что очень интересные результаты получены также для модели ФитсГуг-Нагоуми для распространения нервного импульса в организме. В теоретическую модель ФитсГуг-Нагоуми мы ввели условие потери информации в процессе распространения нервного импульса и опять же получили разнохарактерные колебания, вплоть до состояния их затухания. Очень хотелось бы продолжить эти исследования в Ереване совместно с местными биологами.

МЫ УВЕРЕНЫ, ЧТО ЭТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЯГУТ В ОСНОВУ НОВЫХ ВЗГЛЯДОВ И ПОДХОДОВ как в биологии, так и медицине. Что здесь необходимо сделать? Продолжить экспериментальные исследования, проведенные в Магдебурге по расщеплению и восстановлению АТФ. Далее, используя известную схему основных реакций для АТФ в присутствии сахара и инсулина, добавить уравнение диффузии и определить границы по потере устойчивости реакции, сопоставить экспериментальные данные с теоретическими расчетами. Решение этой системы позволит определить четкую картину, например, при каких потерях концентрации инсулина, энергии от расщепления сахара будет недостаточно для восстановления количества АТФ, и сахар вместо того, что расщепиться, будет проникать в кровь. При каких значениях потерь концентраций метаболитов, сахара или инсулина возникнет опасность полного затухания осциллирующего колебательного процесса и таким образом полного коллапса всех функций жизнедеятельности организма.

Анаит ТОНОЯН, доктор химических наук, профессор,

Севан ДАВТЯН, доктор химических наук, член-корреспондент НАН РА

 

Опубликовано в Лаборатория
Прочитано 1366 раз

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх