В БФУ им. И. Канта описали химическую систему, схожую с нервной

Исследование университетских ученых связано изучением свойств динамических систем, совершающих колебания - автоколебательных элементов, или осцилляторов. История изучения этого явления в науке насчитывает более трёх столетий - за начало отсчёта берутся классические работы Христиана Гюйгенса по изучению синхронизации маятниковых часов. Одним из характерных свойств динамических колебательных систем, является её самопроизвольная синхронизация под действием внутренних и внешних сил.

Гюйгенс обратил внимание, что двое маятниковых часов, подвешенных на деревянной стене со временем «согласовывали» свои колебания, начиная двигаться в противофазе — движению одного из маятников влево соответствует движение другого вправо. Поставив простой эксперимент, учёный предположил, что этот феномен имеет место быть по причине микроколебаний общего для пары часов подвеса, что впоследствии было подтверждено.

Известно, в роли осциллятора могут выступать не только маятниковые часы, а, вообще говоря, любая автоколебательная система. Например, в этой роли может выступать электрический контур, живая клетка, химическая реакция, популяция организмов и т.п. Характер автоколебаний, количество элементов в системе и способ связи между ними — всё это влияет на то, как происходит синхронизация.

Внимание научного сообщества к данной области исследований за последние десятилетия усилилось. Отчасти это объяснимо возрождением интереса к науке о мозге, или когнитивистике, на качественно новом уровне. Как отмечают исследователи БФУ им.И.Канта, научно-технический прогресс естественным образом создал запрос на объяснение наблюдаемых в нервных системах явлений, которые являются по своей сути сетью связанных нелинейных осцилляторов. Изучение моделей подобных систем может пролить свет на то, как функционируют их живые аналоги, что, весьма вероятно, в далёкой перспективе позволит создать теорию, объясняющую работу мозга, или создать вычислительное устройство, основанное на схожей парадигме.

В нервных системах сосуществование импульсной (синапсы) и диффузионной (щелевое соединение) связей вовсе не редкость. Ряд работ показывает, что совместное их участие в обмене сигналами между нейронами крайне важно. Для химических систем взаимодействие импульсной и диффузионной связей до сих пор остаётся мало изученным, и до сих пор не было работ, в которых бы этот вопрос изучался систематически. В экспериментальной практике такой тип связи также может быть обнаружен в ансамбле диффузионно связанных микрокапель со светочувствительной реакцией Белоусова-Жаботинского (химические реакции, протекающие в колебательном режиме, при котором некоторые её параметры, такие как цвет, концентрация компонентов, температура и др., изменяются периодически).

Исследователи БФУ им. И. Канта Дмитрий Сафонов и Владимир Ванаг предложили и изучили систему, состоящую из пары осцилляторов Белоусова-Жаботинского, связь между которыми осуществляется одновременно посредством диффузии и импульса. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

 Дмитрий Сафонов: “Реакция Белоусова-Жаботинского — это, пожалуй, самый известный класс колебательных химических реакций. Концентрация веществ в таких реакциях со временем меняется периодически. Она очень хорошо изучена, а потому удобна для изучения универсальных свойств нелинейных динамических систем. Это же обстоятельство позволяет свести исследование реальной, химической, системы к компьютерному эксперименту, а если возникнут какие-то сомнения, то не составит большого труда поставить химический эксперимент в лаборатории. Осциллятор в данном случае — элемент сети, который в отсутствие воздействий на него колеблется с заданным периодом. Качественно динамика такого химического осциллятора похожа на динамику биологического нейрона — и там, и там колебания релаксационные, т.е. за быстрым ростом концентрации одного из компонент реакции следует медленный её спад. В наших последних работах при компьютерном моделировании мы используем осцилляторы со слегка различными периодами собственных колебаний. Это продиктовано практикой: даже в аккуратно организованном химическом эксперименте осцилляторы имеют слегка разные периоды, и, как выяснилось, эта разница, даже совсем небольшая, в некоторых случаях может оказывать существенное влияние на синхронизацию системы».

В опубликованной работе исследуется взаимовлияние разных по сути и характеру типов связи: диффузионной и импульсной. С точки зрения связей система симметрична, однако каждая из них в отдельности (диффузинная, импульсная) может быть как возбуждающей (активирующей), так и тормозящей (ингибирующей), итого четыре комбинации.

«Оказалось, что в такой «смешанной» системе имеет место «конкуренция» между диффузионной и импульсной связями. В простейшем случае, при малой силе импульсной связи и достаточно большой силе диффузионной связи реализуются сценарии, свойственные для чисто диффузионной связи, и наоборот. Если разница в силах диффузионной и импульсной связей недостаточно велика, то поведение системы усложняется: наблюдаются переходы между уже известными модами, биоритмичность, возникают новые, характерные только для подобного типа связи моды. Наиболее богатой в смысле количества генерируемых мод оказалась комбинация ингибирующих диффузионной и импульсной связей. Помимо неожиданно большого количества разных колебательных мод, для неё была обнаружена принципиально новая динамическая мода, когда система как бы «балансирует» между колебательным режимом и неравновесным устойчивым состоянием — аналогом структуры Тьюринга. Если же обе связи возбуждающие, то при некоторых параметрах система оказывается в хаотическом режиме. Оставшиеся две комбинации (возбуждающая против тормозящей) демонстрируют только лишь легко объяснимые переходы от одной моды к другой», - сказал Дмитрий Сафонов.

По словам Дмитрия Сафонова, интерес научного коллектива Центра нелинейной химии к подобным системам в первую очередь мотивирован долгосрочной целью — созданием вычисляющего устройства, в основе которого будет лежать сеть связанных химических осцилляторов.

«Обнаружение новых феноменов и установление причин их появления в автоколебательных сетях может быть полезным для объяснения динамики самых разных по природе систем, схожих с исследуемой. Сначала мы должны понять механизмы, свойственные таким системам, понять, что можно от них ожидать. Без этого понимания дальнейшее движение к означенной цели невозможно. Наше исследование не только ответило на ряд вопросов, но и поставило новые. В частности, выяснилось, что даже небольшое различие периодов собственных колебаний осцилляторов в такой системе может приводить к изменению сценария синхронизации. Этот феномен мы намерены изучить подробнее в ближайшее время».

Ссылка на оригинал статьи