Автоволны

АВТОВОЛНЫ, волновые процессы, сохраняющие свои характеристики постоянными за счёт распределённого в активной среде источника энергии.

Характеристики автоволн: период, длина волны (или длительность импульса), скорость и форма зависят только от локальных свойств среды и в определённых пределах не зависят от начальных условий. Термин «автоволны» предложен Р. В. Хохловым по аналогии с термином «автоколебания».

Автоволны подразделяются на следующие основные классы: 1) бегущие фронты (распространение пламени и фронтов переключения фазовых переходов, таких, как «проводник - полупроводник», «проводник - сверхпроводник» и тому подобное);

2) бегущие импульсы (распространение электрических импульсов по нервным волокнам);

3) спиральные автоволны (распространение электрических возбуждений в нервной сети на поверхности сердца);

4) круговые автоволны от ведущих центров;

5) синхронные автоколебания во всей среде;

6) стационарные, или диссипативные структуры.

Большинство типов автоволн можно наблюдать в химически активной среде, представляющей собой тонкий слой раствора, в котором идёт автоколебательная реакция окисления малоновой кислоты броматом калия при участии катализатора - комплексных ионов железа (реакция Белоусова - Жаботинского).

Начало теоретических исследований автоволновых структур и процессов восходит к работам А. Н. Колмогорова, И. Г. Петровского, Н. С. Пискунова, Я. Б. Зельдовича, Д. А. Франк-Каменецкого и английского учёного Р. Фишера. Теория стационарных автоволн (диссипативных структур) впервые предложена А. М. Тьюрингом (1952 год). В открытии и исследовании автоволновых процессов в химических средах и в миокарде важное место принадлежит работам Б. П. Белоусова, А. М. Жаботинского, А. Н. Заикина, Г. Р. Иваницкого и В. И. Кринского. Дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования выявили определяющую роль автоволн в некоторых атмосферных явлениях, в динамике фазовых переходов, в работе тепловыделяющих элементов, в функционировании и взаимодействии популяций, в жизненно опасных нарушениях ритма сердца, в функционировании кровеносных сосудов, в движении цитоплазмы, в морфогенезе, где автоволны ответственны за образование структур, предшествующих формированию многоклеточных организмов. Примерами автоволн могут служить распространение возбуждения по нервным и мышечным клеткам, распространение насекомых-вредителей по полю, засеянному сельскохозяйственной культурой (популяционные волны). Автоволновые процессы лежат в основе многих процессов управления и передачи информации в биологических системах и играют важную роль в динамике экологических систем (например, в сообществах типа «хищник-жертва»).

Для математического описания и теоретического анализа автоволновых процессов обычно используются нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных, например, нелинейные параболические уравнения (типа «реакция-диффузия»), учитывающие как локальные взаимодействия в активной среде, так и диффузионные процессы, поддерживающие распространение автоволн и формирование диссипативных структур. Обычно это системы дифференциальных уравнений с нелинейными источниками и стоками, искомыми функциями в которых являются концентрации взаимодействующих веществ, электрические потенциалы, количество теплоты, число живых объектов на единицу площади и тому подобное

Лит.: Жаботинский А. М. Концентрационные колебания. М., 1974; Васильев В. А.. Романовский Ю. М., Яхно В. Г. Автоволновые процессы. М., 1987.