Dalam medium yang berpendapatan hidup, terdapat peralihan fasa khas • Igor Ivanov • Berita sains mengenai "Unsur" • Fizik, Ekologi

Terdapat peralihan fasa khas dalam bahan pekat hidup.

Rajah. 1. Pemendakan tajam "benda pekat hidup" dengan penurunan tahap aktiviti di bawah nilai kritikal. Bar individu menunjukkan mata yang berbeza dalam masa, kepekatan zarah adalah berkod warna. Bahagian bawah 5% dari kedalaman takungan tidak ditunjukkan untuk kemudahan pengkodan warna. Rajah. dari artikel yang dipersoalkanSurat Pemeriksaan Fizikal

Ahli fizik British, setelah membina dan mengkaji model "medium kental hidup", mendapati peralihan fasa sifat di dalamnya. Pembinaan teori ini boleh berguna apabila menggambarkan koloni mikroorganisma dalam ekosistem semulajadi sebenar.

Sifatnya, sering terdapat sistem yang terdiri daripada sebilangan besar objek serupa yang berinteraksi antara satu sama lain mengikut beberapa undang-undang sederhana. Oleh kerana interaksi antara objek, seluruh sistem mula bertindak dengan cara yang menarik, kadang-kadang tidak dijangka. Sistem sedemikian (mereka dipanggil media terkondensasi) boleh menjadi sangat berbeza: mereka adalah perkara biasa (iaitu, satu set molekul), dan media mengalir, dan arus trafik, dan juga orang ramai yang panik. Tetapi mereka semua mempunyai satu sifat universal: terdapat peralihan fasa di dalamnya – transformasi dramatik sistem secara keseluruhan, disebabkan oleh perubahan lancar dalam keadaan luaran.

Dalam artikel oleh ahli fizik Inggeris baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Surat Pemeriksaan Fizikal, menerangkan satu lagi medium yang terkondensasi dan peralihan fasa jenis baru di dalamnya. Ia adalah "Hidup yang dipendekkan sederhana"terdiri daripada zarah (contohnya bakteria) yang boleh berlipat ganda dan mati. Pengiraan teori dari British menunjukkan bahawa "kebidjaran" sistem sedemikian boleh dianggap sebagai parameter fizikal yang baru, dan kemudian tingkah lakunya dapat digambarkan dengan kaedah fisika benda terkondensasi.

Dalam model tertentu yang dianggap oleh penulis, penggantungan zarah dalam air dikaji. Setiap zarah (bakteria) di bawah tindakan Brownian boleh secara rawak meletus dalam cecair. Walau bagaimanapun, pergerakan ini sepatutnya menjadi lebih intensif untuk zarah "hidup" daripada untuk "mati" yang satu (eksperimen mengamati bakteria sebenar mengesahkan ini). Di samping itu, keupayaan zarah untuk berpecah atau mati diambil kira. Kebarangkalian peristiwa-peristiwa ini diandaikan bergantung kepada kepekatan zarah di tempat tertentu: semakin tinggi kepekatan, semakin kecil kemungkinannya pembagian dan kematian yang lebih besar.Akhirnya, seluruh sistem berada dalam medan graviti yang seragam, sehingga pergerakan menurun selalu lebih tinggi daripada pergerakan ke atas.

Evolusi model yang dihasilkan dianalisis langkah demi langkah pada kisi spatial diskret. Pertama, langkah langkah itu dilakukan, dan kemudian, dengan kebarangkalian, peringkat pembahagian atau kematian berlaku. Kebarangkalian kejadian divisi / kematian dalam satu pergerakan adalah tepat pada parameter fizikal yang mencirikan "kegunaan" media yang terkondensasi.

Simulasi berangka telah menunjukkan bahawa jika "parameter liveness" adalah kecil, maka sistem itu bertindak seperti penggantungan zarah-zarah biasa dan tidak aktif. Dalam keadaan ini, zarah-zarah di bawah tindakan graviti cenderung menetap di bahagian bawah dan hanya sedikit berubah-ubah berhampiran dengannya kerana gerakan Brownian. Pengagihan zarah secara mendalam dalam kes ini ditunjukkan dalam Rajah. 2, di sebelah kiri. (Dengan cara ini, undang-undang pengedaran zarah tidak hidup secara mendalam mula-mula diperoleh oleh Albert Einstein.)

Rajah. 2 Pengagihan kepekatan zarah secara mendalam ("0" pada paksi mendatar – bawah, "1" – permukaan). Di sebelah kiri: zarah rendah aktif diselesaikan ke bawah di bawah tindakan graviti; di sebelah kanan: zarah yang cukup aktif disebarkan secara seragam hampir di seluruh takungan. Rajah. dari artikel yang dipersoalkanSurat Pemeriksaan Fizikal

Dengan peningkatan secara beransur-ansur dalam "kegembiraan," gambaran keseluruhan tidak banyak berubah pada mulanya, walaupun bahagian bawah penuh dengan zarah perlahan-lahan meningkat. Bagaimanapun, apabila "keceriaan" melebihi nilai kritikal, sistem penstrukturan semula yang tajam berlaku. Satu koloni zarah "tumbuh" dari kawasan bawah dan sama rata hampir seluruh badan air (Rajah 2, kanan). Perkara sebenar berlaku dalam sistem. peralihan fasa yang disebabkan oleh "kegunaan" alam sekitar. Perlu ditekankan ketajaman peralihan ini: sama ada bahagian bawah sempit diisi, atau – seluruh badan air; tidak ada keadaan "separuh" yang stabil.

Untuk lebih jelas memahami transformasi ini, penulis berpindah dari pemodelan berangka ke persamaan analisis. Menyelesaikan mereka, mereka mendapati bahawa punca fenomena terletak pada konfrontasi antara dua kelajuan – kelajuan pembiakan koloni depan (atas) dan kadar pemendapan zarah (bawah) di bawah tindakan graviti. Untuk persekitaran yang tidak aktif, gelombang pembiakan perlahan dan hanya tidak mempunyai masa untuk bangkit.Dalam persekitaran hidup yang aktif, gelombang pembiakan, sebaliknya, secara senyap-senyap naik terhadap graviti di seluruh ketebalan keseluruhan takungan. Dalam ara. Rajah 1 menunjukkan perkembangan pada masa proses terbalik – pemendakan yang tajam dalam medium yang berpendapatan hidup, "daya hidup" yang mana di bawah nilai ambang.

Peralihan fasa yang mendadak seperti ini boleh diuji dalam eksperimen lapangan. "Daya tarik" koloni bakteria dapat dikawal dengan mengubah, sebagai contoh, suhu atau kepekatan nutrien. Pada masa yang sama, dapat dijangkakan pertumbuhan koloni yang meletup akan kelihatan dengan tidak diduga oleh pengamat luar, walaupun dengan perubahan lancar dalam keadaan luaran. Mungkin fenomena yang sama berlaku dalam ekosistem semulajadi yang sebenar.

Penulis kerja secara kasar menyebut arahan untuk penyelidikan lanjut. Bahan pemeliharaan yang hidup memerlukan nutrien dan tenaga untuk pergerakan dan pembiakan aktif. Oleh itu, anda boleh cuba membina termodinamik persekitaran yang luar biasa ini. Anda juga boleh mempertimbangkan aspek hidrodinamik – kerana dengan penumpukan bakteria yang tinggi dalam cecair, mikroskop tidak teratur akan berlaku, yang akan memberi kesan yang bertentangan terhadap bakteria.Oleh itu, satu model menarik baru muncul dalam fizik keadaan pekat materi, yang akan berguna untuk belajar dari pelbagai pihak.

Sumber: C. Barrett-Freeman et al. Peralihan Fasa Tiadakilibrium dalam Pemendapan Semula Berpetak // Surat Pemeriksaan Fizikal 101, 100602 (5 September 2008). Teks penuh artikel ini tersedia secara bebas dalam arkib e-print (arXiv: 0805.4742).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: