автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.18, диссертация на тему:Неравновесность и динамические явления в мембранных системах

Государственный Научный Центр Российской Федерации Научно- исследовательский физико-химический институт им. Л.Я.Карпова

На правах рукописи УДК 541

РГБ ОД

3 С ш 2JG3

хМАКСИМЫЧЕВ Александр Витальевич

НЕРАВНОВЕСНОСТЬ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В МЕМБРАННЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.17.18 - мембраны и мембранная технология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Государственном Научном Центре РФ Научно-исследовательском физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова

Официальные оппоненты

Доктор хим. наук, профессор

Доктор физ.-мат. паук, профессор

Доктор физ.-мат. наук, профессор

Бобрешова О.В. Баграташвили В.Н. Кузнецов А.М.

Ведущая организация:

Химический факультет Московского Гоударствепного Университета им. М.В. Ломоносова

2000 г. в ¡5 Ъъ(- .

Защита диссертации состоится « $ « часов на заседании Специализированного совета Д.138.02.06 при Государственном Научном Центре РФ Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова по адресу: 103064 Москва ул Воронцово Поле, 10.

С диссертацией можно рознакомитъся в библиотеке ГНЦ РФ НИФХИ им. Л.Я. Карпова по адресу: 103064 Москва ул Воронцово Поле, 10.

Авторефереат разослан« Ч « ^АД 2000 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат химических наук

7

Воробьев Анатолий Валентинович

А ЛАГК с\А ~А Г)

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Применение мембранных процессов для решения разнообразных аучно-технических задач демонстрирует экономическую выгоду и экологическую чистоту ембранных производств. Всестороннее научное исследование мембранного разделения, еленаправленный научный поиск новых мембранных материалов с установлением связи ежду химическим составом и морфологической структурой мембранных полимеров, с дной стороны, и физико-химическими параметрами (селективность, проницаемость) ембран, с другой, несомненно позволит повысить технологические характеристики ембран и будет способствовать широкому внедрению мембранных процессов в различные трасли экономики.

К настоящему времени достаточно полно изучены процессы мембранного разделения относительно мягких условиях (режимы малых плотностей токов, перепадов давлений и радиентов концентраций), когда массо- и электромассоперенос в мембранах происходят в вазиравновесных режимах, т.е. в условиях установления в системе мембрана - среда авновесия по компонентам смесей. При таких режимах эффективная концентрация ереносимых компонентов в матрице мембраны определяется термодинамическими араметрами распределения. Существенное расширение области применения ысокоэффективной мембранной технологии может быть достигнуто путем интенсификации ембранных процессов и повышения их селективности.

Переход к интенсивным режимам переноса приводит к тому, что представление роцессов в рамках линейной термодинамики необратимых процессов становится еадекватным. В этих условиях продуктивным оказывается рассмотрение мембранной истемы как открытой нелинейной диссипативной системы, в которой возможны процессы амоорганизации. Явления самоорганизации в нелинейных системах обусловливают резвычайно широкий спектр наблюдаемых типов поведения - от стационарных состояний и ериодических колебаний до динамического хаоса, включая разнообразные промежуточные ежимы (квазипериодические колебания, явления перемежаемости).

Изучение нелинейных динамических систем стало в последние годы одним из сновных направлений исследований в математике, физике, химии, биологии, экологии, кономике и др. науках. Среди наиболее интересных направлений отметим в математике -овые результаты в эргодической теории (в теории фракталов применительно к ачественной теории дифференциальных уравнений), в теории самоорганизованной ритичности, в информатике; в физике - нелинейные колебания, теория флуктуаций, урбулентность; в химии - колебательные химические реакции, диссипативные структуры в аспределенных средах; в биологии - надмолекулярная самоорганизация, функционирование озбудимых тканей и многие другие области.

В мембранных системах неравновесность проявляется в нестационарном характере ротекания процессов, в нелинейных эффектах взаимодействия потоков переносимых убстратов, в определяющей роли кинетических факторов переноса, зависящих, в частности, т структурных особенностей системы, в нелинейном взаимодействии на микро- и акроуровнях различных каналов диссипации энергии - диффузии, дрейфа ионов, имических реакций (растворение, диссоциация), гидродинамических потоков и др. Однако, синергетический» подход к исследованию мембранных процессов в настоящее время элько начинает входить в научный обиход, хотя работы, в которых наблюдается влияние оверхностной модификации на селективность мембранного транспорта, колебательные ежимы переноса, нестационарные режимы при сопряжении электрического дрейфа и имической реакции становятся все более многочисленными. Исследования в этом

направлении приобретают особую актуальность при переходе к сильно неравновесные режимам переноса.

Одним из свойств нелинейных динамических систем является их аномально высокая (с точки зрения линейных представлений) чувствительность к слабым внешний воздействиям. Представляется интересным рассмотреть возможность управляющю воздействий на неравновесные мембранные системы. Среди различных вариантов управляемых систем одними из наиболее привлекательных представляют« фоточувствительные устройства. Сопряжение, обусловленное слабым взаимодействием идентичных динамических систем, может приводить к их синхронизации и возникновению разнообразных автоволновых явлений и процессов самоорганизации.

Возникшие в последнее время теоретические подходы к описанию нелинейно-динамических систем, среди которых выделим концепцию фликкер-шумовой спектроскопии [Тимашев С.Ф. // Российский хим. журнал (1997) 4Jj_17] и теорию детерминироваппогс хаоса, формируют современную парадигму сложных систем и позволяют по-новому ставил задачу предсказания в ряде областей. Внедрение в практику новых методов обработю данных (например, вейвлет-анализа, методов определения фрактальной размерности и др.^ существенно расширяет возможности получения информации о внутренней динамике сложных систем.

В условиях сильной неравновесности эффективность мембранного разделенш оказывается в сильной степени зависимой от особенностей структуры мембран на различны? пространственных масштабах, подобно тому, как это имеет место в самых эффективных -биологических мембранах. Актуальным оказывается поиск новых подходов к формированию селективных мембранных слоев, к поверхностной модификации мембран. Речь должна идти о конструировании мембран на молекулярном уровне с использованием методо! «молекулярного дизайна».

Физико-химия элементарных процессов в нативных и синтетических мембранах едина, несмотря на большую сложность биологических систем; на пути тесногс взаимодействия наук, исследующих транспортные процессы in vivo и в искусственны} мембранах видится их успех - понимание принципов функционирования живых систем \ новые практические достижения в мембранной технологии. Дальнейшее исследование основных принципов функционирования транспортных систем in vivo может привнеси новые идеи в основы мембранного разделения с использованием синтетических мембран преже всего, относящихся к инициированию процессов разделения при внешни* воздействиях. Как одно из наиболее перспективных направлений следует отметит! возможность фотоинициирования процессов разделения компонентов в полимерны? мембранах, содержащих специфические фотосенсибилизаторы.

В биологических системах реализуется принцип самосборки, когда последователык синтезируемые фрагменты макромолекул организуются в пространственную структуру заданной конформацией, а на более высоком уровне организации макромолекулярпьк комплексы занимают свое место в структуре клеточной мембраны или другой биологического образования. Использование принципа самосборки в нативных система? является наиболее ярким примером молекулярного дизайна и представляется весьм! привлекательным с точки зрения возможности создания интегрированных устройств, По,! интегрированными мембранными устройствами понимаются организованные н: молекулярном уровне системы, в которых протекает несколько сопряженных процессов например, химическая реакция и процесс разделения компонентов. Широкие возможное« может открыть создание гибридных интегрированных устройств, которые совмещали бы j

себе биологические молекулы с полупроводниковыми или полимерными мембранными материалами. Такие устройства, как предполагается, могут найти применение в различного рода информационных системах - сенсорных или вычислительных устройствах.

При переходе к сильно неравновесным режимам мембранного переноса и при использовании мембранных систем, обладающих тонкой структурной организацией на различных пространственных масштабах, ключевую роль приобретает вопрос о динамическом поведении исследуемых систем. Начиная с классических работ И.Р. Пригожина известно, что достаточно сильная перавновесность в дисипативной системе является эволюционным фактором, определяющим изменения характера динамики системы и процессы структурообразования. Реализуемые для системы возможности и сложность поведения возрастают при увеличении степени неравновесности, с одной стороны, а с другой - должны зависеть от организации системы как целого, от характера связей между входящими в систему компонентами.

В силу сказанного весьма актуальным представляется выработка общего подхода к анализу динамики разнообразных мембранных систем, основанного на рассмотрении мембранной системы как неравновесной диссипативной системы, особенности динамики которой определяются степенью неравновесности протекающих процессов, а также структурными особенностями системы. Такое понимание создает фундамент для целенаправленного совершенствования мембранных материалов и мембранной технологии в целом.

Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы является экспериментальное изучение динамических особенностей процессов газоразделения, электродиализа с применением катионообменных мембран, активного фотозависимого мембранного транспорта протонов в биологических мембранах, а также фотозависимых автоволновых процессов с целью установления влияния степени неравновесности процессов на их динамику и выявления возможностей целенаправленного воздействия на характер протекающих мембранных процессов.

Методы исследования. Для решения поставленной задач применялись физические методы экспериментального исследования, а также теоретические методы и компьютерная обработка данных.

Для приготовления упорядоченных молекулярных структур использовались методы Ленгмюра-Блоджет, Ленгмюра-Шефера, а также электрофоретическое осаждение. Спектральные свойства образцов изучались методами импульсной и стационарной абсорбционной спектрофотометрии в видимой и ультрафиолетовой областях. Структурные характристики препаратов изучались методами спектроскопии кругового дихроизма, малоуглового рентгеновского рассеяния, туннельной сканирующей микроскопии. Структурно-динамические свойства молекул воды и связанных в мембранах ионов исследовали методами ядерного магнитного резонанса в вариантах высокого разрешения и импульсном, методами электронного парамагнитного резонанса и мессбауэровской спектроскопии. Фотоэлектрические отклики изучали методом электрометрии. Для анаиза шумов в электромембранных системах применяли элетрохимческие методики измерения мембранного потенциала в гальваностатическом и гальванодинамическом режимах. Видеосъемка использована для исследования динамики процессов в возбудимой химической системе типа Белоусова-Жаботинского.

Контроль чистоты используемых препаратов проводили с использованием методов абсорбционной спскгрофотометрии, кондуктометрии, тонкослойной хроматографии.

Теоретические методы включали использование обыкновенных дифференциальных уравнений, преобразования Лапласа, разложения Фурье и вейвлет-анализа.

Компьютерная обработка включала управление экспериментом, сбор и хранение данных, построение на основе полученных данных вейвлетных и Фурье-спектров, фазовых портретов, структурных функций и расчет фрактальных размерностей временных рядов.

Научпая новизна.

1. С помощью разработанной установки, позволяющей проводить локальные неразрушаюгцие измерения газопроницаемости мембранных материалов, экспериментально показано наличие вариации проницаемости по поверхности промышленно выпускаемых мембран и поверхностно модифицированных мембран.

2. Обнаружено влияние диффузионного барьерного слоя толщиной порядка 50 нм, сформированного методом Ленгмюра-Блоджет из диацетилеповой кислоты, на проницаемость мембраны "Карбосил" для простых газов и увеличение селективной проницаемости модифицированной мембраны для кислорода.

3. Показана эффективность шумового анализа для исследования механизма электромассопереноса в электродиализной системе с катионообменной мембраной. Установлена неравновесная динамическая природа наблюдаемых флуктуации мембранной разности потенциалов. Обнаружено существенное влияние на характер электрических шумов таких факторов ках плотность протекающего через мембрану тока, концентрации и вязкости раствора электролита, размеров и формы исследуемой мембраны.

4. Обнаружен переход динамики элекромембранной системы от квазипериодического режима к хаотическому при достижении достаточно высокого уровня дисипации энергии в системе. Неравновесный переход отражает изменение характера конвекции электролита впримембранной области от ламинарной при малой плотности тока к турбулентной при плотности тока, превышающей предельную.

5. Отработаны методы получения высокоупорядоченных препаратов пурпурных мембран, выделяемых из бактериальных клеток На1оЪас1епит БаИпапит. Впервые фотоактивные высокоупорядоченные препараты бактериородопсина получены на электропроводных подложках различных типов - полупроводниках, металлах, полимерных пленках.

6. Исследовано влияние метода формирования организованных молекулярных ансамблей из мембранных комплексов бактериородопсина на упорядоченность получаемых структур и их фотоактивность. Выявлены ключевые физико- химические факторы, влияющие на фотоэлектрическую активность иммобилизованных на подложках пурпурных мембран.

7. Достижение высокой степени ориентации пурупурпых мембран позволило впервые наблюдать векторный характер изменения спектральных свойств препаратов бактериородопсина под действием внешнего электрического поля, впервые обнаружить влияние упорядоченности на кинетику фотохимических процессов бактериородопсина, а также впервые для пленок зарегистрировать микросекундные кинетические компоненты фотопотенциала при импульсном возбуждении пурпурных мембран лазерной вспышкой.

8. Показана возможность создания гибридной фотопереключаемой структуры как основы ряда сенсорных и информационных устройств. Структура представляет собой упорядоченную пленку пурпурных мембран, нанесенную на затвор полевого транзистора, в

которй генерируемый бактериородопсином фотопотенциал используется для модуляции проводимости канала.

9. Впервые исследовано состояние воды, связанной с пурпурными мембранами, что позволило обосновать разработанную динамическую модель функционирования протонной помпы БР, учитывающую влияние внешнего электрического поля, степени гидратации, температуры, природы связанных с БР катионов и др. факторов на функционирование БР.

10. Установлены некоторые операции преобразования изображений, которые могут быть выполнены фоточувствительной автоколебательной средой типа Белоусова-Жаботинского с иммобилизованными в мембранах компонентами. Обнаружено, что новая информация из анализируемых изображений может быть получена при функционировании среды в существенно нелинейном режиме.

11. Путем оценки локального производства энтропии, получены данные, позволяющие сравнивать между собой различные мембранные системы с точки зрения их удаленности от положения равновесия.

Научная и практическая значимость работы.

В работе исследована неоднородность промышленно выпускаемых газнроницаемых мембран, разработанный метод локального неразрушающего контроля проницаемости мембран может стать основой для тестирования материалов и создания новых способов технологического контроля. Показаны возможности повышения селективной газопроницаемости мембран путем создания поверхностных барьерных слоев с толщинами порядка десятка нанометров. Раскрыт механизм повышения проницаемости мембран при поверхностной обработке. Показана информативность описания поверхностной неоднородности мембранных материалов с использованием аппарата пространственных разностных моментов.

Показана эффективность применения концепции фликкер-шумовой спектроскопии к анализу электрических шумов в электродиализной системе с катионообменной мембраной для выяснения механизма электромассопереноса. Предлагаемый подход к анализу флуктуации динамических переменных может использоваться для изучения характера протеакания процессов переноса (режим течения, масштаб перемешивания, наличие застойных зон и т.п.) в различных мембранных системах и химических превращений в реакторах, а также для анализа откликов, получаемых на выходе сенсорных устройств.

Результаты исследования свойств пурпурных мембран в составе иммобилизованных на различных подложках упорядоченных структур могут быть использованы при создании новых материалов в микроэлектронике, новых фото- и электрохромных материалов. На основе модифицированных пленками бактериородопсина полимерных мембран возможна разработка новых типов химических сенсоров. Намечены пути к созданию фотоуправляемых устройств обработки информации как дискретного типа, так и использующих автоволновые алгоритмы обработки сигналов.

Разработанные методы радиоспектроскопических и мессбауэровских исследований могут быть использованы для исследования эффектов гидратации и связывания ионов в различных биологических объектах. Полученные экспериментальные данные позволяют углубить представления о роли связанной воды в механизме мембранного транспорта, а также строить динамические модели функционирования нативных систем активного транспорта.

Особенности динамики различных мембранных процессов соотносятся с уровнем неравновесности и особенностями структуры мембранных систем, что дает основание

рассматривать степень отклонения от равновесия как фактор, позволяющий регулировать характер протекания мембранных процессов.

Полученные результаты могут быть использованы в университетах, институтах и предприятиях:

В Государственном Научном Центре РФ Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, в Московском Государственном университете им. М.В. Ломоносова - на физическом, химическом и биологическом факультетах, в Московском Физико-Техническом Институте, в Институте химической физики им. H.H. Семенова РАН, в Физическом институте им. Лебедева РАН, в Институте кристаллографии им. Шубникова РАН, в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино), в Институте биофизики клетки РАН (Пущино), в Международном НИИ Проблем Управления, в Российском университете дружбы народов, в институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород), в Архангельском техническом университете, в Тверском государственном техническом университете, в Томском государственном университете, в Ярославском государственном университете, в Уральском государственном техническом университете, в Гематологическом Научном Центре РАМН (Москва).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ описания поверхностной неоднородности газоразделительных мембранных материалов с привлечением аппарата пространственных разностных моментов, основанный результатах неразрушающих локальных измерений проницаемости с пространственным разрешением 5 мм.

2. Возможность увеличения селективной проницаемости мембран то кислороду без уменьшения общей газопроницаемости в результате нанесения на поверхность мембраны упорядоченной мультимолекулярной плешей полидиацетиленовой кислоты.

3. Применение методики Ленгмюра формирования монослоев поверхностно-активаных веществ на границе раздела фаз для создания нанометровых диффузионных барьеров на поверхности мембран, а также для формирования фотоэлектроактивных упорядоченных молекулярных структур из пурпурных мембран.

4. Механизм электромассопереноса в электродиализной системе с катионообменной мембраной при плотности тока, превышающей предельное диффузионное значение. Предлагаемая модель переноса базируется на результатах экспериментального исследования электрических шумов в электродиализной системе и использовании концепции фликкер-шумовой спектроскопии.

5. Хаотизация динамики электромембранной системы при превышении диссипирующей энергией некоторого определенного уровня, отражающая перестройку пространственно-временной диссипативной структуры, формируемой потоками раствора электролита у поверхности мембраны.

6. Динамическая модель функционирования протонного насоса бактериородонсина и механизм фотозависимого активного транспорта протонов в пурпурных мембранах.

7. Адекватность линейного приближения при описании процесса диффузии газов через полимерные мембрапы в обычных условиях и существенная пелинейность моделей, пригодных для описания электромассопереноса в электродиализных системах при плотности тока, превышающей предельную, а также описывающих процессы энергозависимого активного транспорта в пурпурных мембранах галобактерий.

8. Способность фоточувствительной автоволновой системы на основе химической реакции Белоусова-Жаботинского выполнять некоторые операции обработки изображений, основанная на сильной неравновесности и нелинейном режиме протекания процесса.

9. Степень неравновесности процессов в мембранной системе определяет сложность ее динамического поведения, при этом возможности динамических пространственно-временных перестроек в системе определяются лабильностью или жесткостью связей между структурными элементами системы. Уровень неравновесности режима трансмембранного переноса может играть роль регулирующего фактора по отношению к процессам разделения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 1 Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982), на международной конференции «Биоконверсия солнечной энергии» (Пущино, 1983), на конференции «Биологические фоточувствительные комплексы и возможность их примененияв фоторегистрирующих системах технических устройств (Пущино, 1984), на совещании «Физика поверхностных явлений в полупроводниках» (Киев, 1984), на Всесоюзной конференции «Возобновляемые источники энергии» (Ереван, 1985), на 37 конференции международного электрохимического общества (Вильнюс, 1986), на конгрессе ИЮПАК по макромолекулам (Мерзебург, 1987), на 4 международном Фрумкинском симпозиуме «Биоэлектрохимия сегодня и завтра» (Суздаль, 1988), на международной конференции «Молекулярная электроника и биокомпьютеры» (Москва, 1989), на международном симпозиуме «Биомолекулярная биоинженерия и биоэлектроника (Москва, 1991), на 6 международном совещании по ядерным спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (Ужгород, 1991), на всесоюзной конференции «Мембранные методы разделения смесей» (Владимир, 1991), на международной конференции «Критерии самоорганизации в физических, химических и биологических системах» (Москва - Суздаль, 1995), на международном совещании по электроактивным полимерным пленкам (Москва, 1995), на Всероссийских научных конференциях «Мембраны-95» (Москва, 1995) «Мембраны-98» (Москва, 1998) на международной конференции «Евромембраны-95» (Bath, 1995), на международном научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999 гг.), на международном симпозиуме «Самоорганизованные системы» (Дубна, 1998), на ежегодных научных конверенциях ГНЦ РФ НИФХИ им. Л.Я. Карпова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 работ, в том числе 34 статьи в журналах Биологические мембраны, Доклады АН СССР, Журнач аналитической химии, Журнал физической химии, Измерительная техника, Нейрокомпьютер, Успехи химии, Электрохимия, Advanced Materials for Optics and Electronics, Biochimica et biophysica acta, BioSystems, Optical Memory and Newral Networks, Thin Solid Films, тезисы докладов и статьи в сборниках (32). Список публикаций приведен в конце автореферата.

Личное участие автора. Все эксперименты и теоретические построения проводились лично диссертантом или с его непосредственным участием, это отражается в том, что в 33 из 66 публикаций диссертант является первым из соавторов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, сгруппированных в 2 части, заключения, основных выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 203 страницах и содержи 104 рисунка и 9 таблиц, список цитируемой литературы включает 324 наименования.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Введение. Во введении с точки зрения совершенствования мембранной технологии обосновывается необходимость перехода к интенсивным режимам переноса. В этих условиях представление процессов в рамках линейной термодинамики необратимых процессов становится неадекватным и продуктивным оказывается рассмотрение мембранной системы как открытой нелинейной диссипативной системы, в которой возможны процессы самоорганизации, введенные в рассмотрение И.Р. Пригожиным.

Явления самоорганизации в нелинейных системах обусловливают чрезвычайно широкий спектр наблюдаемых типов поведения — от стационарных состояний и периодических колебаний до динамического хаоса. В мембранных системах неравновесность проявляется в нестационарном (колебательном) характере протекания процессов, в нелинейных эффектах взаимодействия потоков переносимых субстратов, в определяющей рож кинетических факторов переноса, в нелинейном взаимодействии на микро- и макроуровнях различных каналов диссипации энергии - диффузии, дрейфа ионов, химических реакций, гидродинамических потоков.

При переходе к сильно неравновесным режимам мембранного переноса ключевую роль приобретает вопрос о динамическом поведении исследуемых систем, поскольку неравновесность является эволюционным фактором, определяющим процессы динамического структурообразования. Новые достижения в мембранной технологии должно обеспечить понимание принципов функционирования наиболее совершенных биологических систем, поскольку физико-химия элементарных процессов в нативных и синтетических мембранах едина. Представляет интерес сопоставить особенности динамического поведения различных мембранных систем, в разной степени удаленных от положения равновесия.

Отклонение системы от состояния равновесия может быть охарактеризовано величиной производства энтропии ст. Согласно положениям неравновесной термодинамики, локальное производство энтропии в неравновесном процессе определяется произведением потока на сопряженную термодинамическую силу X, (градиент температуры, концентрации компонентов или их химических потенциалов):

«г^АГАЬО

(1)

где п - число независимых действующих термодинамических сил.

Возникшие в последнее время теоретические подходы к описанию нелинейно-динамических систем, такие как фликкер-шумовая спектроскопия, теория детерминированного хаоса формируют современную парадигму сложных систем и в комбинации с современными методами обработки данных (например, вейвлет-анализа) существенно расширяют возможности получения информации о внутренней динамике сложных систем.

В данной работе предпринимается попытка сопоставить динамику мембранных систем со степенью неравновесности протекающих процессов. В качестве объектов исследования выбраны синтетические и фотозависимые биологические мембраны, содержащие бактериородопсин. В первой части исследуются процессы газоразделения с помощью мембран, поверхностно модифицированных упорядоченными молекулярными слоями, а также процессы диссипации энергии и механизм электромассопереноса в мембранной системе с катионообменными мембранами. Во второй части исследуются две фотозависимые системы: бактериородопсин в составе пурпурных мембран, реализующий активный трансмембранный перенос протонов, и иммобилизованная на мембране колебательная фоточувствительная среда типа Белоусова-Жаботинского.

Во введении сформулированы основные задачи исследования:

1. Разработать установку, пригодную для проведения неразрушающих измерений газопроницаемости на небольших участках поверхности промышленно выпускаемых мембранных материлов. Экспериментально исследовать разброс параметров по поверхности газоразделительных материалов и отработать подход к количественному описанию поверхностной неоднородности.

2. Отработать методы "молекулярного дизайна", позволяющие формировать диффузионные барьерные слои нанометровой толщины на газоразделительных материалах и исследовать их влияние на мембранный перенос простых газов.

3. Исследовать характер электрических шумов в электродиализных системах с катионообменными мембранми. Реализовать разработанную ранее концепцию фликкер-шумовой спектроскопии применительно к анализу неравновесных электрических флуктуаций мембранной разности потенциалов. Комбинируя фликкер-шумовую спектроскопию как феноменологический подход с различными методами обработки динамических переменных, исследовать возможности получения данных для построения физико-химических моделей. Использовать полученные данные для установления механизма электромассопереноса в системе с катионообменной мембраной при плотности тока, превышающей предельную диффузионную.

4. Для изучения принципов функционирования биологических мембранных систем исследовать влияние температуры, влажности, электрического поля на функциональные свойства пурпурных мембран из клеток НаЬЬайепию БаНпапиш с помощью набора различных физических методов. Исследовать состояние молекул воды, входящих в сферу гидратации пурпурного мембранного комплекса. Разработать модель функционирования бактериородопсина и механизм фотозависимого активного транспорта протонов в пурпурных мембранах.

5. Отработать методики формирования молекулярно-упорядоченных гибридных структур из пурпурных мембран на подложках с различными типами электропроводности. Сравнить структурные свойства и фотоэлектрическую активность препаратов, сформированных различными методами.

6. Изучить возможность создания фоточувствительной мембранной системы на основе колебательной химической реакции Белоусова-Жаботинского с катализатором, иммобилизованным на катионообменной мембране или в пленках геля. Исследовать возможности системы, характеризуемой сложной реакционно-диффузионной динамикой, применительно к процессам обработки изображений.

7. Используя количественный критерий для оценки степени удаленности мембранной системы от положения равновесия, сопоставить характерные особенности динамики различных систем со степенью неравновесноста протекающих процессов.

Часть I. Процессы газоразделения и электродиализа с применением синтетических полимерных мембран.

Глава 1. Полимерная мультислойная ленгмюровская пленка в качестве селективного слоя композитной газоразделительной мембраны.

1.1. Введение. Современные газоразделительные мембраны, как правило, представляют собой неоднородные по толщине структуры, состоящие из

высокопроницаемой полимерной подложки, на которой сформирован тонкий слой, обладающий селективной проницаемостью по отношению к определенным молекулам. Одним из возможных подходов к созданию топких барьерных слоев является перенесение мономолекулярных слоев амфифильных молекул с поверхности раздела фаз воздух/вода на поверхность мембраны (метод Ленгмюра-Блоджет (ЛБ)). Несомненное достоинство этого метода в решении проблем мембранной технологии - возможность получения ультратонких барьерных слоев большой площади с упорядоченным расположением молекул внутри слоя при реальном контроле толщины наносимой пленки наряду с варьированием ее структуры путем использования смесей наносимых веществ или чередования слоев различного химического состава (формирование "сверхрешеток").

Известны попытки использовать методику ЛБ для модификации обратноосмотических мембран, для создания ионого затвора в электрохимических системах, для модификации газоразделительных мембран. Нанесение фторорганических молекул в виде мультислоев на поверхность пористой поликарбонатной подложки приводило к появлению избирательной проницаемости по кислороду у полученной композитной структуры, нанесение ЛБ-слоев из акриловых производных улучшало селективность полимерных мембран по отношению к диоксиду углерода и сульфиду водорода.

Использованию ЛБ-структур в мембранной технологии препятствует недостаточно высокая стабильность низкомолекулярных пленок ЛБ, особенно в условиях высоких температур или вакуума. Существенно более стабильны полимерные слои ЛБ, для получения которых могут быть использованы различные классы химических соединений. Полимерные ЛБ-пленки, состоящие всего из нескольких монослоев, могут играть роль высокоэффективных диффузионных барьерных слоев в композиционных мембранных структурах, поскольку в ряде случаев создают для низкомолекулярных соединений барьер, уменьшающий их диффузионную проницаемость в 20-30 раз.

Поверхностная обработка мембран будет эффективной, если достигается режим неравновесного транспорта в области межфазных границ. Использование материалов с высокой газопроницаемостью способствует реализации неравновесного режима переноса и эффективности поверхностных модификаций. Силоксансодержащие мембраны представляют собой удобный объект для экспериментов по изменению проницаемости и селективности путем поверхностных модификаций, поскольку при рекордно высоком для полимерных материалов значении констант проницаемостей они характеризуются относительно небольшими селективностями.

В данной работе исследованы газоразделительные свойства композитных мембран, полученных путем нанесения полимерных ЛБ-пленок из диацетиленовых кислот на поверхность подложек из блок-сополимера полидиметилсилоксана с поликарбонатом (материал «Карбосил») и газоразделительную мембрану «Лестосил», материал которой представляет собой сополимер полифенилсилсесквиоксана с полиметилсилоксаном.

1.2. Методика проведения экспериментов. Диацетиленовые кислоты (ДАК) как основа для создания барьерного мембранного слоя выбраны потому, что легко полимеризуются под воздействием ультрафиолетового облучения, структуру полимера можно варьировать, меняя экспозицию. Особенности формирования полимерных ЛБ-пленок из ДАК были предварительно исследованы с применением кремниевых подложек.

Использовали ДАК следующего состава: СНз-(СН2)ц-(С=С)2-(СН2)8-СООН (п=15 (ДАК-1) или п=11 (ДАК-2)). Монослои ДАК-1 или ДАК-2 формировали на поверхности раздела фаз воздух/вода из растворов ДАК с концентрацией 0,5 мг/мл в хлороформе. Субфаза представляла собой деионизованную воду (рН 5,8), содержащую 0,25

мМ CdCl2-2,5H20. Для формирования моносяоев ДАК и перенесения их на подложку использовали установку Joyce Loeble (Великобритания). Сравнение методов Шефера («горизонтальный лифт») и Влоджет («вертикальный лифт») переноса монослоев показало, что метод ЛБ обеспечивает хорошую воспроизводимость коэффициента переноса, который равен единице. В дальнейшем перенос монослоев на образцы, предназначенные для измерений газопроницаемости, осуществляли методом вертикального лифта при скорости подъема 5 мм/мин; поверхностное давление при этом поддерживали равным 28 мН/м. Нанесение ДАК методом ЛБ приводит к формированию бислойной структуры: число нанесенных бислоев составляло от 2 до 20. Полимеризацию ДАК в нанесенных пленках инициировали УФ-облучением от ртутной лампы мощностью 250 Вт, время облучения варьировали от 15 с до 30 мин. Структуру полученных ЛБ-пленок изучали методами абсорбционной спектрофотометрии и малоуглового рентгеновского рассеяния. ЛБ слои формировали на одной из поверхностен полимерных пленок из "Карбосила" толщиной ~80 мкм или "Лестосила" толщиной 100 мкм.

Проницаемость П, индивидуального газа i через исследуемые мембраны исследовали в двух режимах - интегральном и локальном. В интегральном режиме для определения коэффициента проницаемости П| использовали всю поверхность образца мембраны диаметром 60 мм, величины П, в этом режиме определяли газохроматографическим методом, используя гелий в качестве газа-носителя. Исследуемый газ поступал как со стороны подложки, так и со стороны нанесенной ЛБ-пленки. Парциальное давление анализируемого газа в смеси с гелием варьировали от 5 до 750 торр. Локальные измерения газопроницаемости проводили с помощью специально сконструированного прибора, позволяющего исследовать выбранные участки мембраны площадью 0,2 см2, что соответствует линейному разрешению 5 мм вдоль поверхности мембранного листа. Измерения проводятся волюметрическим методом по скорости натекания исследуемого газа через тестируемую мембрану в калиброванную балластную емкость объемом 5 см3. Давление, создаваемое проникающим через мембрану газом в балластной емкости, регистрируется катарометром, при этом анализируемый участок мембраны изолируется с помощью вакуумного уплотнения. Скорость изменения давления в балластном объеме в условиях стационарного натекания является характеристикой проницаемости мембраны Ц для данного газа. Исследуемый газ при локальных измерениях поступал со стороны поверхности мембраны, модифицированной ЛБ-пленкой.

Проницаемость исходных и модифицированных мембран измеряли при комнатной температуре для следующих индивидуальных газов: гелий, азот, кислород и диоксид углерода. Селективность мембран a(i/j) вычисляли как отношение коэффициентов проницаемости индивидуальных компонентов a(i/j)= П/Ц-.

1.3. Анализ неоднородности газоразделительной мембраны методом локального измерения проницаемости. Экспериментально измеряемая на исследуемом участке мембраны площадью сто величина имеет смысл среднего значения по этой площади для локальных величин Щх,у):

п,. = — \ui{x,y)da

х,у - координаты в плоскости мембраны. Уменьшение рабочей площади при измерении проницаемости позволяет получать более детальную информацию о вариациях разделительной способности мембран в пределах одного образца.

З&ет

Рис.1. Зависимость коэффициентов проницаемости и П11е от линейной

координаты х вдоль поверхности ацетатцеллюлозной мембраны (1 у.е.=25,2 л/(м2-час-атм).

Рис.2. Структурная функция второго порядка (2) для зависимостей коэффициентов проницаемости Пк2(л:) и ПНе(*), приведенных на рис.1.

На рис. 1 представлены результаты локальных измерений коэффициентов проницаемости для N2 и Не с пространственным разрешением 5 мм вдоль поверхности промьшшенно выпускаемой асимметричной ацетатцеллюлозной мембраны. Усреднение результатов локальных измерений по всем точкам дает величины: <nN2> = 245 л/(м2-час-атм), <Пне> = 550 л/(м2'час-атм). Наибольшие абсолютные отклонения от средних величин Iii для обоих газов примерно одинаковы и составляют ~170 л/(м2-час-атм), дисперсия результатов по отношению к средней измеряемой величине составляет 36% в случае N2 и 19% в случае Не. Усредненное значение селективности <x(He/N2) составляет 2,3. Для описания пространственных вариаций величин nN2 и Пне применим метод разностных моментов, используемый для анализа корреляционных связей в иследованиях турбулентных явлений. Пространственным разностным моментом порядкар будем называть функцию Ф(р/А):

Фм{А) = {\П.1(х)-П.Хх + А)\Р)

(2)

где х-пространственная координата вдоль поверхности мембраны, 5-пространственный сдвиг, символ <...> означает усреднение по всему набору координат х, при этом величины Пыг и Пне рассматриваются как динамические переменные пространственной координаты х. На рис. 2 представлены структурные функции Ф2(А) для коэффициентов проницаемости N2 и Не, рассчитанные согласно (2) на основании данных, представленных на рис. 1.

Несмотря на ограниченный объем данных, можно заключить, что значения коэффициентов проницаемости газов N2 и Не коррелировапы в разных точках поверхности мембраны. Характер корреляции различен в случае Пмг и Пне, что отражается в различном наклоне зависимостей fyfA) в случае N2 и Не. Зависимости 02(Л) имеют достоверно различные наклоны, которые равны 0,62 ± 0,05 в случае ПнЕ(х) и 1,12 ± 0,05 в случае П^гСх). Длина пространственной корреляции величин П; в обоих случаях превышает исследованный пространственный диапазон ~10 см. Полученные результаты представляют собой первую попытку анализа макроскопических пространственных корреляций в мембранной системе и демонстрируют применимость этого метода для анализа свойств мембранных материалов.

1.4. Влияние барьерной ленгмюровской пленки на газопроницаемость полимерных подложек. В предварительных экспериментах был исследован процесс УФ-индуцированной

полимеризации ДАК. Период повторяемости в ЛБ-структурах ДАК, определенный методом рентгенострукткрного анализа, составляет 5,8 нм, присходит образование бислойных структур У-типа, длина корреляции при этом равна 65 нм. УФ-облучение не вызывает изменения периода повторяемости ЛБ-слоев ДАК в пределах точности измерений (0,2 нм).

Измерения проницаемости в интегральном режиме показывают, что нанесение мультислойных ЛБ-пленок ДАК на поверхность подложки из «Лестосила» приводит к увеличению коэффициентов проницаемости для СОг и О2 на 10-40% и в общем не коррелирует с числом слоев ЛБ-пленки. Селективность о(С02/02) модифицированной мембраны не изменяется по сравнению с исходной. Время УФ-облучения ЛБ-пленки ДАК практически не влияет на величину газопроницаемости: при изменении времени экспозиции от нуля до 30 мин. величина Псог возрастает на ~10%.

Композитные мембраны, получаемые путем нанесения ЛБ-пленок ДАК на «Лестосил», проявляют вентильные свойства: наблюдается отличие коэффициентов проницаемости, измеренных при подаче СО2 со стороны подложки и со стороны модифицирующей ЛБ-пленки. При подаче со стороны ЛБ -пленки Псо2 оказывается выше примерно на 20%.

Сопоставление данных, полученных при локальном и интегральном режимах измерения, позволяет выявить потенциальные возможности ЛБ-модификации в создании композитных мембран, а также факторы, ограничивающие газоразделительные характеристики таких мембран.

Результаты исследования газопроницаемости мембраны «Карбосил» интегральным и локальным методами приведены в таблице 1. Сопоставление показывает, что величины коэффициентов газопроницаемости для N2 и О2, полученные путем усреднения локальных измерений по трем произвольным точкам на поверхности мембраны, не отличаются от результатов интегральных измерений более чем на 30%.

Модификация подложки из «Карбосила» путем нанесения на ее поверхность мультислойной ЛБ-пленки поли-ДАК приводит к изменению распределения коэффициентов проницаемостей, измеренных в локальном режиме. Сравнение величин, полученных путем усреденния результатов локальных измерений на исходной и модифицированной мембранах, показывает, что нанесение ЛБ-пленки поли-ДАК приводит к увеличению проницаемости «Карбосила» для О2 и Не на 50% и 20% соответственно, при этом величины Пш и проницаемости СОг остаются практически неизменными. Таким образом, нанесение ЛБ-пленки на поверхность подложки из «Карбосила» приводит к увеличению селективности получаемой композитной мембраны для систем 02/М2 и Не/]^.

Возрастание усредненных коэффициентов проницаемости для Ог и Не в случае модифицированных мембран сопровождается значительным увеличением разброса этих величин, измеряемых в различных точках поверхности (табл. 1). Этот фактуказывает на существенную неоднородность наносимой ЛБ-пленки. Модифицированная мембрана содержит участки, проницаемость которых для Ог и Не значительно превышает средние значения, но наряду с этим присутствуют участки поверхности, свойства которых практически не отличаются от свойств немодифицированной подложки. Можно предполагать, что повышенная проницаемость для Ог и Не имеет место в бездефектных участках ЛБ-пленки. Структурные дефекты в ЛБ-пленке уменьшают селективность модифицированной мембраны и приводят к значительной дисперсии результатов локальных измерений. Наличие достаточно крупных дефектных участков в ЛБ-пленке затрудняет наблюдение эффектов ЛБ-модификации в интегральном режиме.

Весьма важным представляется тот факт, что увеличение селективности с^Ог/Иг) и а(Не/К2) в ЛБ-модифицированных системах не сопровождается уменьшением потока ни одного из исследованных газов (табл. 1).

Таблица 1. Свойства исходной мембраны из блок-сополимера поликарбоната с полидиметилсилоксаном («Карбосил») и мембраны, модифицированной путем нанесения на одну поверхность 4 0 монослоев полидиацетиленовой кислоты методом Ленгмюра-Блоджет.

Немодифицированная I Модифицированная

Газ мембрана |Мембрана

<п1ос> ст а п1пь <Пюс> ст а

о2 230 220 10 1,6 260 330 17 2,4

Не - 360 6 2,6 - 430 22 3,1

N2 110 140 26 1,0 120 140 18 1,0

С02 1390 4100 9 12,6 | 1580 4390 33 13,2

Д^ ~ коэффициент поницаемости, измеренный в интегральном режиме, баррер (Ю~10 см3 см/ (см2 с см Нд) ; <П1ос> - эффективный коэффициент проницаемости, полученный путем усреднения результатов локальных измерений в различных участках мембраны, баррер; о - дисперсия результатов локальных измерений, выполненных на различных участках мембраны, %; а - селективность по отношению к азоту, а = П1/ПЫ2-

1.5. Механизм увеличения селективности и анизотропии проницаемости. Основные наблюдаемые закономерности качественно могут быть поняты в рамках феноменологического рассмотрения процесса мембранного переноса. Процесс переноса молекул газа рассматриваем состоящим из трех последовательных стадий: сорбция/десорбция на левой границе мембраны, диффузионный перенос через мембрану, сорбция/десорбция на правой границе мембраны. Кинетику сорбции и десорбции молекул на границах мембраны будем характеризовать соответствующими константами скоростей, диффузионный поток через мембрану полагаем пропорциональным разности поверхностных концентраций молекул, сорбированных на противоположных поверхностях мембраны. Рассмотрение материального баланса для поверхностных концентраций сорбированных молекул позволяет получить выражения для коэффициентов проницаемости, измеряемых локальным и интегральным методами. В интегральном режиме измерения коэффициент проницаемости П равен:

1кл1 - с2)

г,-... ' С. _

{1 -£1-х»+ _1_+ _!_, С, Д к.г

(3)

где 1 - тощина мембраны, К1 = кг/к К2 = к2/к_2, кг и к2 константы скорости сорбции на левой и на правой границах мембраны соответственно, к _1 и к .2 константы скорости

десорбции газа на левой и на правой границах соответственно, С] и С2 -концентрации проникающего компонента в газовой фазе слева и справа от мембраны соответственно, Ь -толщина сорбционного слоя молекул, В - коэффициент диффузии пенетранта.

В локальном режиме измерения на начальной стадии процесса натекания через мембрану коэффициент проницаемости равен:

1К ,

п =

D + k., k.

(4)

Полученпые выражения позволяют качественно анализировать эффекты изменения проницаемости при поверхностной модификации мембран молекулярными ЛБ-слоями.

Анизотропия проницаемости. Из выражения (3) следует, что в асимметричной мембране отношение проницаемости, измеряемой при подаче проникающего газа слева П) к проницаемости, измеренной при подаче газа справа Д> равно:

Ц|__Лх к, с, _ с,

к2' с, с2 кг

(5)

Из (5) следует, что измеряемое значения коэффициента проницаемости будет выше в случае поступления компонента со стороны, характеризуемой более высоким значением кинетического фактора К. Сопоставляя этот факт с экспериментальными результатами, можно заключить, что модификация поверхности Лестосила ЛБ-пленкой ДАК приводит к увеличению кинетического фактора для С02. В рамках данного феноменологического подхода это может означать увеличение стационарной поверхностной концентрации сорбированного компонента за счет уменьшения скорости десорбции или/и за счет увеличения скорости сорбции.

Влияние поверхностной модификации на коэффициент проницаемости. Из выражения (4) следует, что отношение коэффициента проницаемости поверхностно модифицированной мембраны ГГ к аналогичной величине для немодифицированной мембраны Пв условиях натекания в вакуум равно:

п" _*го+ ?*.,)

>1

П k{(\ + qkn,)

(б)

где q = (hl/D) + (1/к.г). Согласно (5) увеличение коэффициента проницаемости в результате поверхностной модификации является результатом возрастания кинетического фактора K=ki/k _i, что означает увеличение стационарной поверхностной концентрации транспортируемых через мембрану молекул. Это изменение можно интерпретировать как возрастание эффективной растворимости проникающих компонентов (Ог, Не или СО2) в результатет поверхностной ЛБ-модификации.

При анализе даных предполагалось, что поверхностная модификация мембраны не оказывает влияния на время диффузии проникающей молекулы через мембрану. Нанесенные ЛБ-пленки имеют толщину по крайней мере на три порядка меньшую, чем подложка, а поскольку время диффузии t~12/D, то увеличение толщины мембраны при нанесении не должно сказываться сколько-нибудь заметно на времени диффузии транспортируемых молекул через композитную систему.

1.6. Заключительные замечания. Достоинствами разработанного прибора для локальных измерений являются простота конструкции, неразрушающий характер измерений, малое (~ см3) количество газа, необходимого для проведения единичного измерения. Неразрушающие измерения могут быть выполены на образцах полимерных материалов, диаметр которых составляет 10 мм, устройство пригодно также для исследования промышленно выпускаемых полос мембранных материалов шириной до 350 мм. Экспериментально показано непостоянство газоразделительных характеристик вдоль поверхности мембраны. Представляется целесообразным включать разброс основных параметров мембраны в перечень показателей, характеризующих качество мембранного материала, используя для описания неоднородности аппарат пространственных разностных моментов.

Нанесение диацетиленовых ЛБ-пленок в качестве селективного барьерного слоя на поверхность газоразделительных полимерных мембран позволяет увеличить селективную проницаемость кислорода через получаемую композитную систему без уменьшения потока газа,что может представлять интерес для соответствующих технологических процессов. Ключевой проблемой в создании сверхтонких барьерных структур для мембранных систем является формирование совершенных ЛБ-пленок на поверхности полимерных подложек.

Для оценки производства энтропии в рассматриваемой газоразделительной мембранной системе воспользуемся соотношением (1). В качестве потокового члена возьмем диффузионный поток молекул газа через мембрану I, сопряженная обобщенная сила выражается как X, = -У(ц,/7), где Т - абсолютная температура, Ц) - химический потенциал, связанный с давлением газа р известным соотношением + кТЪдо (к -

постоянная Больцмана). Считая процесс переноса изотермическим и заменяя градиент конечной разностью Дц/1, получим из (В.1) сг = Лс1л.(р2/р0/1. Поток N2 через мембрану примем для оценки равным З'Ю'9 моль/см2-с, отношение давлений газа по обе стороны мембраны примем равным 10, толщину мембраны будем считать 1 я 100 мкм. Подстановка указанных величин дает ст ~ (б-Ю)-Ю"6 Дж/(К- с-см ). Проницаемость СО2 через мембраны примерно на порядок превышает проницаемость азота, поэтому при расчете производства энтропии для диоксида углерода получится величина, примерно на порядок превышающая полученную для N2. В силу этого можно считать, что уровень производства энтропии газоразделительными мембранными системами находится в пределах ст ~ 10"6-10^ Дж/(Кс-см3).

По-видимому, данный уровень отклонения от равновесия не выводит систему за пределы применимости линейных соотношений, связывающих потоки и силы. Простая кинетическая модель, основанная на предположении о линейном характере неравновесного процесса газоразделения, позволяет объяснить основные наблюдаемые закономерности.

Глава 2. Флуктуационный анализ диссипативных структур в электродиализной системе с катионообменной мембраной.

2.1. Введение. В электродиализных процессах деминерализации разбавленных растворов электролитов с применением электромембранных систем (ЭМС) известен феномен «критического состояния». Он проявляется в достижении плотностью протекающего тока предельного значения, когда плотность тока лимитируется процессом молекулярной диффузии ионов из объема раствора к поверхности мембраны через

обедненный носителями йгслой Нернста. Достигаемая при этом плотность токау'и получила название предельной диффузионной плотности тока.

При увеличении прикладываемого к ЭМС напряжения выделяемая на мембране электрическая мощность возрастает и происходит переход в закритическое состояние, для которого характерно увеличение падения потенциала К на мембране по степенному закону V ~ Г (р~1/2>1/3). При более высоких плотностях тока наблюдается примерная пропорциональность плотности тока и мембранного потенциала, причем электрическое сопротивление оказывается в 2-3 раза больше сопротивления при малых токах. Квазиравновесные модели электродиффузионного транспорта, например, известное уравнение Нернста-Планка, применимы для описания переноса в ЭМС в докритической области. Эти модели неприменимы в сильно неравновесных режимах переноса, реализующихся в закритическом диапазоне плотности тока.

Механизм электромассопереноса при закритической плотности тока представляется естественным связать с развитием гидродинамической неустойчивости в примембранной области электролита. На наличие таких неустойчивостей в ЭМС указывают литературные данные, свидетельствующие о резком увеличении светорассеяния, а также о возникновении значительных электрических шумов при у > j|¿. Работы, опубликованные к началу данного исследования и посвященные исследованию флуктуации мембранного потенциала V в ЭМС при протекании постоянного тока показали, что спектральная плотность Буф (/ - частота), представляющая собой Фурье- образ регистрируемого в эксперименте временного ряда У(1) -время), имеет характерную «фликкер-шумовую» зависимость вида где п~ 1-г2.

Было известно, что спектр шума существенно зависит от величины тока, типа ионообменных мембран, природы переносимых ионов.

Анализ низкочастотных электрических шумов в ЭМС и в других электрохимических системах в настоящее время почти не используется для получения информации о динамике протекающих процессов. Одной из причин этого является недостаточная разработанность теоретических моделей, пригодных для интерпретации получаемых экспериментальных данных. Однако новые концептуальные подходы к анализу динаимики нелинейных диссипативных систем («фликкер- шумовая спектроскопия»), а также развитие новых спектральных методов (в частности, вейвлет-анализа) значительно расширяют возможности обработки флуктуационных сигналов и получения количественной информации о состоянии и эволюции сложных систем.

Целью данной работы является исследование механизма электромассопереноса в запредельной области токов на основании изучения флуктуаций мембранного потенциала, возникающих в гальваностатическом режиме в ЭМС с катионообменной мембраной и получение количественных характеристик процесса.

2.2. Методы исследования и обработки данных. Для регистрации электрических шумов в ЭМС применяли четырехкамерную электродиализную ячейку без принудительного перемешивания раствора. Каждая из камер представляет собой стеклянный цилиндр длиной 25 мм с внутренним диаметром 15 мм. Ячейку заполняли раствором №С1 с концентрацией от 10 до 100 мМ. Вязкость среды варьировали путем добавления в воду от 5% до 60% глицерина, концентрация №С1 во всех экспериментах с варьируемой вязкостью составляла 10 мМ. Катионообменная мембрана толщиной 55 мкм располагалась вертикально и разделяла две внутренние камеры, снабженные измерительными А^А^'Скэлектродами. Исследуемые мембраны из ароматического полиамида состава

50,!Ма

характеризуемые статической ионообменной емкостью 1,3 мг-экв/г и числом переноса катионов 0,97, были любезно предоставлены в наше распоряжение Киршом Ю.Э. Исследуемый участок мембраны представлял собой круг диаметром от 1 до 6 мм. Все измерения выполнены при температуре 295К.

При исследовании шумов гальваностатический режим задавался аккумуляторной батареей или специальным стабшшзировапныму источником, снабженному высокоомным потенциометром для регулирования величины протекающего тока. Временой ряд падения потенциала па мембране V(tJ длиной от 500 до 16000 отсчетов записывался после оцифровки на жесткий диск ЭВМ. Частоту регистрации варьировали от 1 Гц до 10 кГц.

Фурье- спектр зарегистрированного временного ряда получали с помощью специального пакета программ статистической обработки данных. Вейвлетное разложение сигнала V(t) по выбранному базису осуществляется сверткой сигнала с анализирующей функцией <p(t), при этом полнота базиса достигается путем включения сдвижек <p(t) по оси времени и изменения ее масштаба:

t — h

Wy(a,b) = \a\'V2 f V(t)(p(— )dt J a

-oo

(7)

где Wy(a,b)- вейвлетный коэффициент, a - масштабный коэффициент, b - параметр сдвига. В результате получается трехмерный массив коэффициентов разложения Wy, зависящих от параметров а и Ъ. В качестве базисных функций tp(t) использованы так называемый МНАТ-вейвлет, основу которого составляет вторая производная функции Гаусса:

<p(t) = (1 - f) exp (-t2/2)

а также вейвлет Морле:

<Pm(t) = exp (ik0t) exp (-t2/2) где k0 - параметр разложения, имеющий смысл характерной частоты.

Временной сдвиг b принято откладывать по горизонтальной оси, масштабный фактор а откладывается по вертикальной оси, величина коэффициента Wy, откладываемого по третьей оси, передается оттенками серого тона. Локальные экстремумы коэффициентов Wy принято соединять линиями, которые образуют так называемый скелетон, форма которого характеризует свойства самоподобия сигнала.

Фрактальная размерность d (хаусдорфова) временного ряда V(t) определяется измерением длины кривой V(t) путем наложения мерного отрезка заданной длины. Длина измеряющего отрезка варьируется и строится зависимость измеряемой длины от длины измеряющего отрезка. Линейный характер этой зависимости в двойных логарифмических координатах с тангенсом угла наклона / указывает на постоянство фрактальной размерности кривой V(t) для всех масштабов. В нашем случае, когда 1 < d < 2, а размерность мерного отрезка равна единице, определяемая фрактальная размерность d = 1 - у, (у<0).

2.3. Результаты измерений Флуктуапий мембранного потенциала. Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) исследованных катионообменных мембран приведена на рис. 3. Зависимость у'и от концентрации электролита с хорошей точностью описывается приближенным выражением:

. cDF

разности потенциалов V от плотности тока / для катионообменной мембраны в 10 мМ растворе №01. На вставке: зависимость плотности предельного диффузионного тока от концентрации КаС].

........... ........... > I ■ Ч11| ■ I-ГГТ

10* 10"' 10' ^ Гц

Рис.4. Спектральная плотность мощности флуктуаций мембранного потенциала в 50 мМ №С1 при различной плотности тока: (1>1,3; (2)-2,5; (3>5,0; (4)-7,5; (5)-10; (6)-12,5; (7)-15 мА/см2. Предельная плотность тока составляет 3,2 мА/см2.

где с - концентрация раствора электролита, £>- коэффициент диффузии ионов в растворе, -число Фарадея, /г - толщина (Згслоя Нернста, и £ - числа переноса катионов в фазе мембраны и в растворе соответственно. Примерная пропорциональность между величинами /и и с указывает на постоянство толщины ¿ь^слоя в растворах различной концентрации: Ь = 8-10"3 см.

Флуктуации мембранной разности потенциалов резко увеличиваются при достижении предельного тока. Вид спектров флуктуаций мембранного потенциала зависит от плотности тока (рис. 4): при) ~-у'н спектр 8уф имеет пик при частоте/* ~ 0,15+0,19 Гц, ширина которого составляет 0,1 Гц. Положение пика /* не зависит от плотности тока и концентрации электролита. По мере увеличения плотности тока спектры приобретают «фликкер-шумовой» вид, частотная зависимость шума при у ~ 7-_/'и может быть аппроксимирована выражением :

/о + /

где А = 4,8-106 мВ2/Гц,/<, = 0,44 Гц, п = 2,4, Яо = 10 мВ2/Гц (собственный шум АЦП).

Увеличение плотности тока приводит к возрастанию показателя п в выражении (9) до предельного значения п = 3. Характерный масштаб флуктуаций увеличивается с возрастанием вязкости электролита, увеличение вязкости приводит к более резкой зависимости показателя п от плотности тока.

Эволюция спектров Зу ф при увеличении плотности тока указывает па переход системы от регулярного квазипериодического движения к стохастическому, ключевыми для понимания механизма протекающих процессов являются вопросы о природе резонансных пиков и о сценарии возникновения хаоса в детерминированной системе.

2.4. Использование вейвлетного разложения для анализа флуктуаций мембранного потенциала. Карты коэффициентов Ж»/в проекции на плоскость (а, в) для временных рядов

Рис.5. Вейвлетное разложение временных рядов флуктуации мембранного потенциала, зарегистрированных при плотности тока 0,5 уи (слева) и 7 j,d (справа) с использованием вейвлетов Морле (слева) и AfZ£4 7" (справа).

V(t), зарегистрированных при различных плотностях тока, приведены на рис. 5. Вейвдет Морле имеет преимущество в выявлении периодичности рада V(t), тогда как разложение сигнала по МНАТ-вейвлетам позволяет в большей степени выявить локальные особенности сигнала. В случае временного ряда, характеризуемого спектром типа 1/f, на вейвлетной картине выделенный временной масштаб отсутствует (рис. 5). Наибольший граничный масштаб, определяющий поведение на низких частотах, задается только длиной ряда V(t). Отсутствие характерного масштаба позволяет характеризовать наблюдаемые флуктуации как временной фрактал. На всех масштабах воспроизводится характерная фигура «развилки» вейвлетной картины, которая указывает на то, что флуктуации мембранного потенциала во всех случаях обнаруживают черты детерминированного хаоса - сочетания элементов упорядоченности и стохастичности. Большая упорядоченность сигнала с линейчатым спектром проявляется в том, что точки ветвления вейвлетного разложения «привязаны» к фиксированным значениям масштаба, тогда как в случае фликкер-шума выделенные масштабы отсутствуют.

Наиболее отчетливо самоподобие временного ряда V(t) характеризует фрактальная размерность d. Для сигнала со спектром 1/f -типа d = 1,32 (рис. 6), для ряда V(t), имеющего линейчатый спектр, на больших масштабах фрактальная размерность совпадает с топологической и равна единице, на малых масштабах проявляется сложная зависимость величины d от масштаба, что не позволяет ввести масштабно универсальную фрактальную размерность.

Изменение вейвлетной карты при возрастании плотности тока в ЭМС позволяет представить сценарий перехода от упорядоченной квазипериодической динамики к фликкер-шуму. При этом переходе уровни, на которых происходят ветвления размываются, точки ветвления смещаются и оказываются равномерно распределенными по шкале масштабов а. Этот процесс отвечает перемешиванию в частотном пространстве, приводящему к бсконечному уширеюпо и перекрыванию индивидуальных пиков в спектрах Фурье.

Рис.6. Фрактальная размерность временного ряда: зависимость длины Р от длины измерительног отрезка I для флуктуаций, характеризуемых линейчатым спектром (1) и гладким спектром типа 1/Т11 (2).

2.5. Физические предпосылки возникновения и развития конвективной неустойчивости в предельном состоянии и закритическом режиме. Наиболее существенным фактом для понимания механизма электромассопереноса в закритическрой области является возникновение при у =Уы флуктуаций, характеризуемых линейчатыми спектрами. Для понимания природы наблюдаемых пульсаций необходимо учитывать образование вблизи поверхности избирательно проницаемой мембраны д/гслоя Нернста, обедненного носителями заряда. В этом слое с высоким омическим сопротивлением происходит преимущественное выделение джоулева тепла. Локальный нагрев раствора приводит к конвективной неустойчивости жидкости и возникновению гидродинамических потоков, периодическое движение которых формирует линейчатые Фурье-спектры. Простейшие оценки по порядку величины показывают возможность развития конвекции в примембранном слое электролита.

Рассмотрим свободную конвекцию жидкости вблизи нагретой вертикальной стенки. Условием развития конвекции является превышение числом Рэлея Яа некоторой критической величины Яас > 1, где

(10)

(I -характерный вертикальный размер, g -ускорение свободного падения, ¡3= (1ГУ)-(6У/йТ)р -температурный коэффициент объемного изобарического расширения жидкости, ЛТ -разность температур между нагретой поверхностью и объемом жидкости, V - коэффициент кинематической вязкости, а - коэффициент температуропроводности среды).

Величина АТ может быть оценена из условия теплового баланса, если предположить, что все джоулево тепло выделяется в ¿¡м-слое, вся электрическая мощность превращается в тепло и все падение мембранного потенциала приходится на <5^слой. В качестве времени г нагрева З^-споя примем время его формирования, определяемое скоростью «откачки» ионов из объема ¿к-слоя протекающим током: г~сей/У /и (е - элементарный заряд, 5 - площадь поверхности мембраны). Используя связь между предельной плотностью тока и концентрацией электролита (8), получим:

т=к2(^*-фЮ (11)

Последнее выражение показывает, что время формирования <5м-сдоя при предельной плотности тока не зависит от концентрации электролита и с учетом независимости величины к от концентрации время т оказывается постоянной величиной для данной мембраны, помещенной в данный электролит. Подстановка в (11) Л ~ 10"2см, (%* - ф ~ 0,5, Оцаа = 1,5-10"5 см^с дает х ~ 3 сек. Использование этой величины в условии теплового баланса ёц-

слоя дает ЛТ~ 1 К. Этой разности температур отвечает согласно (10) значение числа Рэлея Ra ~ 10 для мембраны диаметром 1 мм (использованы табличпые величины: /?= 10"4 К"1, g = 103 см/с2, v = 10'2 см2/с, а ~1 О"3 см2/с). Таким образом, предположение о возможности возникновении конвекции при плотности тока порядка ju подтверждается полученными оценками. Оценки получены для мембран минимального используемого диаметра, для мембран диаметром 6 мм Ra ~ 2000, что создает еще более благоприятные условия для развития конвекции. Конвекция может рассматриваться как механизм переноса зарядов в электролите, дополняющий молекулярную диффузию.

Из полученных оценок следует, что при плотности тока j ~ ju возможно зарождение конвективного вихря, который должен проявляться в виде пика в Фурье-спектрах. Характерная частота этого пика 1/т согласно (11) не должна существенно зависеть от концентрации электролита. Переход к запредельному режиму переноса должен начинаться с образования единичного конвективного вихря с характерной частотой ~ 0,1 - 0,4 Гц, которая характеризует скорость формирования <5/гслоя На анодно поляризованной поверхности катионообменной мембраны. Сравнение с экспериментом показывает, что Фурье-спектры флуктуаций при j ~ ju обнаруживают один (в случае мембраны прямоугольной формы) или небольшое число резонансов (в случае круглой мембраны) в указанной частотной области независимо от концентрации электролита и диаметра мембраны.

Скорость вертикального перемещения жидкости в конвективном вихре v2 можно оценить vz ~ Uz ~ 0,1 см/с для мембраны диаметром 1 мм. Более аккуратные оценки на основании уравнений теплопроводности и Навье-Стокса [Крайнее Б.П. Качественные методы в физической кинетике и гидрогазодинамике. М., Высшая школа. 1989. 224 е.] приводят к соотношению:

vz ~ v(Ra)"-3/L (12)

что дает vz г 0,3 см/с. Таким образом, величину 0,1 см/с можно считать разумной оценкой для vz. Характерную скорость горизонтального перемещения раствора vx вблизи нагретого ¿л-слоя можно оценить из условия несжимаемости жидкости: \г/Ь ~ vJh, откуда vx = vz -(h/I.) ~ 10"2 см/с. Движение жидкости в конвективном вихре представляет собой относительно быстрое (0,1 см/с) «всплытие» с одновременным медленным (~ 10~2 см/с)отклонением в горизонтальном направлении.

Для понимания структуры линейчатых спектров флуктуаций, наблюдаемых в области j ~ ju, значительный интерес представляет вопрос о числе конвективных мод, наблюдаемых как дискретные пики. Для мембраны диаметром L число вихрей можно оценить как L/1, где I - характерная ширина конвективного вихря. По соображениям размерности из параметров, которые могут определять режим конвективного переноса (плотность, вязкость, скорость), составим комбинацию размерности длины. В результате имеем / ~ v/v, подставляя v = 10'2 см2/с и в качестве v скорость vz ~ ОД - 0,3 см/с, получим / ~ 0,1 - 0,3 см. Это означает, что в случае минимальной используемой нами мембраны диаметром 1 мм при j ~ju спектр будет содержать один - два низкочастотных пика, что вполне согласуется с экспериментальными наблюдениями. В случае максимального диаметра 6 мм число конвективных мод уже при их зарождении (/' ~ ju) должно быть порядка десяти. Можно предположить, что варьируя форму и пространственную ориентацию исследуемой мембраны удастся упростить флуктуационные спектры на стадии зарождения конвекции.

Величина I должна характеризовать также пространственную корреляцию в диссипативной структуре конвективных вихрей, формирующихся в растворе вблизи поверхности мембраны. На расстояниях меньших I следует предполагать значительную согласованность в движениях жидкости, тогда на больших расстояниях потока должны бьгть

независимы. Отсутствие линейчатых спектров при малых плотностях тока для мембран диаметром 6 мм, по-видимому, связано с наличием большого числа независимых генераторов флуктуаций, усреднение которых в процессе измерения приводит к наблюдению гладких спектров 1/р - типа во всем диапазоне доступных плотностей тока. Полученные оценки величины I и числа регулярных конвективных мод для мембран заданного диаметра находятся в согласии в этим предположением.

Длину пространственной корреляции I можно оценить иначе, исходя из величины/в, используемой в соотношении (9). Обратная частоте /о величина характеризует максимальное время корреляции между событиями в исследуемой мембранной системе. Соответствующую этому промежутку времени длину корреляции I можно оценить, используя скорость течения жидкости в конвективном вихре. Из двух величин уг и V, следует выбрать у2, поскольку, по смыслу /о, оцениваемая величина / должна характеризовать максимальную длину пространственной корреляции в системе. Подстановка дает / ~ \г //0 ~ 0,2 см. Полученная таким образом величина / вполне согласуется с длиной корреляции, полученной выше из соображений размерности.

Рассматриваемый механизм переноса заряда при высокой плотности тока состоит в доставке концентрированного электролита из объема к поверхности мембраны через обедненный ¿5у-слой конвективными потоками жидкости. Эффективность такого механизма можно характеризовать величиной коэффициента «конвективной диффузии» Д., который оценим из соображений размерности. В качестве характерного линейного размера можно взять толщину 5дгслоя Нернста й, характерное время представляет собой время миграции заряда, движущегося горизонтально со скоростью ух, через слой Нернста, отсюда Д. ~ /¡у„ ~ 10"4 см2/с. Эта величина превышает коэффициент молекулярной диффузии КаС1 (1,5-Ю5 см2 /с) примерно на порядок, что указывает на высокую эффективность конвективного механизма переноса.

Экспериментальная проверка предлагаемой модели переноса в запредельной области может состоять в изучении ВАХ мембранной системы при паличии затруднений для развития конвекции. Затруднения для развития конвекции создавались путем приведения катиолообменной мембраны в контакт с пористым трековым фильтром (диаметр пор 0,2 мкм). При направлении тока, отвечающем формированию ¿¡\-слоя внутри пористого фильтра, происходит многократное возрастание падения потенциала в предельном состоянии по сравнению со случаем формирования ¿>л^слоя в свободном растворе. Затруднение конвекции в примембранном слое электролита препятствует переходу ЭМС в закритическое состояние,что экспериментально подтверждает участие конвекции в процессе электромассопереноса в запредельной области.

2.6. Омическое сопротивление электромембранной системы. Предположение о конвективном механизме переноса электролита позволяет оценить электрическое сопротивление ЭМС рассчитанного для различных участков ВАХ (1, 3 и 4 на рис. 3). Измеряемое экспериментально значение Д активного сопротивление ЭМС можно представить в виде суммы + Ят, где Д, и Нт - сопротивления раствора и мембраны соответственно. Количественное сопоставление будем проводить для мембраны диаметром 1=1 мм, находящейся в растворе №С1 с концентрацией с= 10 мМ.

Экспериментально определенные величины для допредельной области 1 составляют: К £ 30 кОм, Д, г 20 кОм, откуда следует К„~ ЮкОм. Будем считать, что сопротивление собственно мембраны кт остается постоянным при изменении величины тока и режима переноса.

Общее соотношение для плотности тока j имеет вид:

У = ?су (13)

где v - дрейфовая скорость носителей, q - заряд носителя (в нашем случае \q\=e, где е -элементарный заряд). Для области 3 запредельного тока (рис. 3) характерна зависимость дифференциального омического сопротивления Я = йУЩ от плотности тока. Общее соотношение (13) в этой области справедливо, в качестве дрейфовой скорости следует рассматривать горизонтальную компоненту V* конвективного потока жидкости. Подставляя величину ух = у2 •(%/£) в (13) и выражая V, согласно (12), а также используя определение числа Рэлея (10), получим:

] = еск{уёрАТ/Ьа)"2 (14)

Величину ЛТ определим из условия теплового баланса для нернстовского ¿5услоя, при этом в качестве характерного времени г примем, как и ранее, время формирования обедненного слоя вследствие «откачки» зарядов протекающим током: т ~ сеЫ]. Отличие последнего выражепия от соотношения (11) состоит в том, что в данном случае плотность тока не предполагается равной предельной диффузионной величинеи может быть произвольной. Использование определенной таким образом величины г и подстановка полученного выражения для АТв (14) дают:

1мХР (15)

Сравнение полученного соотношения с экспериментально определяемой зависимостью ](У) для мембранной системы (рис. 3) показывает хорошее соответствие рассчитанной согласно (15) зависимости с участком ВАХ, отвечающим плотности тока в диапазоне ~/и < 2/и-

При высокой плотности тока (область 4 на рис. 3) в условиях развитой конвекции электролита общее соотношение, основанное на зависимости скорости дрейфа носителей заряда от числа Рэлея, остается справедливым. Поэтому выражение для плотности тока в этой области по аналогии с (15) при подстановке АТ из соотношения (14) может быть записано:

у = (ес)'.

ЬаХр (16)

Соотношение (16) означает, что в этих условиях выполняется закон Ома, а сопротивление электролита выражается через введенные ранее величины:

к _ V _ . Ъахр ' ]5~ {се)г^рШ (17)

Экспериментальное значение величины Я* определенное из ВАХ в области 4 на рис. 3 = Я-Яш) составляет ~34 кОм. При сопоставлении этой величины с рассчитанной согласно (17) необходимо принять во внимание следующее. Особенностью процесса электомассопереноса в «далекой» закритической области является наличие развитой конвекции. Предполагается, что конвективные потоки интенсивно перемешивают раствор электролита в примембранной области и, тем самым, препятствуют формированию обедненного носителями заряда 5х-слоя. По этой причине физический смысл некоторых параметров (например, Ь, с, А, т), формально используемых в соотношении (17) нуждается в уточнении.

Характерный линейный размер Ь в данном случае не является диаметром мембраны, поскольку при большом тепловыделении в формирование конвективных потоков оказываются вовлеченными структурные элементы различных масштабов, в силу чего Ь представляет собой некоторую усредненную эффективную величину. Интенсивное разрушение ¿^-слоя делает бессмысленным использование толщины этого слоя А как

самостоятельного расчетного параметра. В отличие от ситуации «малых» запредельных токов, когда в качестве характерного времени г предлагалось рассматривать время образования <?у~слоя вследствие откачки зарядов протекающим током, в случае интенсивной конвекции величина г приобретает смысл усредненного времени контакта электролита с поверхностью мембраны.

Выражение (17) содержит комбинацию величин Щ^ИБг), которая может быть представлена как \rJcN ,где \с = Ь/х - характерная скорость конвективного потока, а N = cQ представляет собой число зарядов в объеме 0 ~ который является характерным объемом, вовлеченным в процесс конвективного перемешивания. При этом концентрация с, которую следует использовать для расчетов согласно (17), может не совпадать с объемной концентрацией зарядов (для последней здесь введем обозначение со), поскольку следует предположить возможность своеобразного расслоения электролита, когда конвективные потоки перемешивают главным образом прилегающий к мембране слой раствора с пониженной концентрацией ионов с-сссд, (а< 1), тогда как поступление в этот слой носителей заряда из объема обусловливается сравнительно медленным процессом молекулярной диффузии.

Величина а может быть оценена из сравнения экспериментальной величины с рассчитанной согласно (17) с учетом высказанных замечаний. Оценку характерного времени т получим из спектров флуктуации мембранного потенциала, характерных для «далекой» закритической области (рис. 4). Фрактальный характер временных рядов флуктуации мембранного потенциала (рис. 6) указывает на отсутствие выделенных временных масштабов, поэтому в качестве г следует брать величину, полученную усреднением по всему частотному спектру (рис. 4). Обращая выражение (9) для спектратьной плотности флуктуаций мембранного потенциала, можно рассмотреть частоту как функцию спектральной плотности /=/(5у) и получить среднее по спектру значение частоты </>:

Оценки согласно (18) для экспериментального спектра (рис. 2.5) дают т- 1/<[>~ 0,1 с. Предполагая, что эффективная величина £ совпадает по порядку величины с диаметром мембраны, получим vc=lJ^~\ см/с. Величину характерного объема Q, в котором в основном сосредоточены конвективные потоки, оценим как 0=Ь(\с-г)2, что дает 2~10"3 см3. Подстановка найденных таким образом величин в соотношение (17) и сравнение с экспериментальным значением #¡«15 кОм позволяет получить оценку для величины а, характеризующей эффективную концентрацию электролита в перемешиваемом конвективном объеме: а =0,3.

2.7. Заключительные замечания. Оценки, получаемые «из соображений размерности» позволяют на полуколичественном уровне описать ВАХ мембранной системы в широком диапазоне плотностей тока. Это позволяет считать, что механизм переноса зарядов в ЭМС, основанный на результатах анализа электрических флуктуаций, па качественном уровне правильно отражает суть происходящих явлений.

Можно заключить, что с точки зрения эффективности электродиаоизных процессов целесообразно использовать устройства с вертикально расположенными мембранами,

(18)

поскольку при этом создаются наилучшие условия для развития конвекции в растворе. Использование более вязких растворов электролита приводит к увеличению эффективного времени контакта электролита с мембраной, что должно сопровождаться возрастанием эффективности электродиализа. Разумеется, при оптимизации электродиализных процессов должны приниматься во внимание различные характеристики системы, в частности, селективность процесса.

Степень неравновесности исследованных электродиализных систем оценим величиной производства энтропии ст. Будем, как и в случае газоразделительных мембран, рассматривать лищь перенос через мембрану, отвлекаясь от диссипативных процессов в объеме электролита, на токозадающих электродах и т.п. В случае переноса заряженных частиц общее соотношение (1) принимает вид ст где j - поток иопов, ц* -

электрохимический потенциал, равный сумме химического потенциала иона ц и электрической компоненты: ц* = ц + ге<р (г - заряд иона, е - элементарный заряд, <р -электрический потенциал). Химический потенциал ц выражается через активность а ионов в растворе: ц = + кТ 1па. Градиент химического потенциала можно считать равным нулю, поскольку исходно по обе стороны мембраны находился раствор КаС1 одинаковой концентрации, которая не изменялась существенно за время эксперимента. Считая процес изотермическим и заменяя градиент потенциала конечной разностью ДфМ (б. - толщина мембраны), для ъ= 1 получим с-^еДср/М. Подставляя в это выражение величины, характеризующие предельную плотность тока в 10 мМ растворе №С1 (рис. 3), получим <т~3-10"3Дж/(К-с-см3). Учитывая, что величина ^ примерно пропорциональна концентрации электролита и то, что эксперименты проводились при плотностях тока в 5-10 раз превышающих предельное значение, для производства энтропии, реализуемого в наших электромембранных системах, можно указать диапазон ст ~ 10"3 -10"1 Дж/(К-с-см3).

Часть II. Динамика фотозависимых процессов в препаратах биологических мембран и модельных системах.

Глава 3. Структурные свойства ориентированных препаратов пурпурных мембран и функциональные свойства бактериородопсина.

3.1. Введение. Развитие мембранной технологии диктует необходимость исследования структурно-функциональных свойств биологических мембран, как наиболее эффективных и совершенных из известных мембранных систем. Среди биологических мембран особое внимание привлекают так называемые пурпурные мембраны (ПМ), синтезируемые бактериями НаЬЪаЛепит БаНпапит. Белковым компонентом ПМ является бактериородопсин (БР), осуществляющий фотозависимый активный перенос Н+ через клеточную мембрану во внешнюю среду. Неослабевающий интерес к БР на протяжении последних 25 лет объясняется тем,что БР является простейшим фотоэлектрическим молекулярным генератором и одним из наиболее изученных в настоящее время биологических объектов, кроме того, БР обладает уникальной для биомолекул функциональной устойчивостью к воздействию разнообразных физических и химических факторов, что дает широкие возможности для создания на его основе комбинированных структур в сочетании с синтетическими полимерами и мембранными материалами.

3.1.1. Бактериородопсин как компонент пурпурных мембран. В 1971 г. при электронно-микроскопическом исследовании архебактерий НаЫзайепит 11а1оЬтт

(современное название Halobacterium salinarium) В. Стоккениус обнаружил ПМ - участки клеточных стенок, отличающиеся необычайно высокой структурной упорядоченностью. Единственным белковым компонентом ПМ является хромопротеид с молекулярной массой 26534 Д, состоящий из 248 аминокислотных остатков, в котором ретиналь (альдегидная группа витамина А или ретинола) связан с остатком Lys, образуя основание Шиффа. БР составе ПМ образует двумерную кристаллическую решетку, в которой выделяются два периода: -26 А° характеризует расстояние между ближайшими молекулами БР, период ~63 А0 характризует гексагональную решетку в плоскости ПМ, сформированную из тримолекулярных кластеров БР.

Молекула БР представляет собой семь а-спиральных сегментов длиной около 40 Ао каждый, проходящих сквозь липидный бислой ПМ. С-конец белка расположен на цитоплазматической стороне ПМ, тогда как N-конец БР расположен на внеклеточной стороне мембраны. Продольная ось группировки ретиналя составляет угол 20-25° с плоскостью ПМ составляет, однако неясно, в какую сторону наклонена молекула ретиналя.

3.1.2. Спектральные свойства и фотоэлектрохимический цикл бактериородопсина. БР имеет широкий максимум поглощения при 560-570 нм (а-полоса) и минорную полосу поглощения около 400 нм (Р-полоса). Молярный коэффициент экстинкции БР в а-полосе составляет (62700±700) (М-см)"1, для Р-полосы эта величина равна 300-450 (М-см)"1. Квазикристаллическая структура ПМ проявляется в экситонном взаимодействии хромофорных групп, обнаруживаемом в спектрах кругового и линейного дихроизма.

Исследования методами флеш-фотолиза показали, что свет индуцирует в БР цикл превращений, в процессе которого БР проходит через ряд промежуточных состояний, различающихся длиной волны ЯгтХ, на которой имеется максимум оптического поглощения. Фотоцикл БР при физиологических условиях завершается за 10 мс и сопровождается переносом одного протона из клетки во внешнюю среду. Характерные времена жизни интермедиатов фотоцикла БР составляют от субпикосекунд на ранних стадиях фотоцикла до миллисекунд на конечных. Полный оборот фотоцикла БР возможет при температуре не ниже 220 К, при более низких температурах фотоцикл блокируется на одной из промежуточных стадий.

Разность потенциалов на ПМ, обусловленная транспортом протонов из клетки и достигаемая при стационарном освещении, составляет ~100—200 мВ.

Кинетические исследования показали, что в ответ на вспышку света вначале наблюдается быстрая фаза фотопотенциала, знак которой противоположен знаку потенциала при стационарном освещении системы («отрицательная» фаза фотопотенциала).

3.1.3. Влияние влажности. рН и природы связанных катионов металлов на функционирование бактериородопсина. Наиболее существенные_функциональные свойства БР сохраняются в препаратах с малым влагосодержанием и при криогенных температурах. Для полностадийного трансмембранного протонного переноса достаточно гидратировать лишь часть поверхности ПМ, по-видимому, функционально наиболее значимые участки ПМ. Вода необходима для функционирования БР как среда, донирующая и акцептирующая протон на цитоплазматической и внеклеточной поверхностях ПМ, как элемент протон транспортного канала; как полярная среда, поддерживающая необходимую конфигурацию белково-липидного комплекса ПМ.

Свойства БР критическим образом зависят от присутствия связанных ионов Mg2+ и Са2+, удаление которых переводит БР в функционально неактивную форму, Хтах которой смещена в длинноволновую область. Фотоэлектрическая активность деионизованного БР может быть восстановлена при добавлении в среду инкубации ионов щелочноземельных металлов, а также Zn2+, Pb2+, Mn2+, Ni2+, Co2+, Tl+, тогда как Al3+, Ga3+, In3+, Sc3+, Y3+, Th4+,

Сг3+, Ре3+, Си3+, а также ионы лантанидов существенно приводят к замедлению фотоцикла БР вплоть до полного блокирования.

Поскольку функциональная активность БР непосредственно зависит от влагосодержания и ионной формы препарата, вопрос о функциональной роли, месте локализации связанных с БР катионов металлов, а также о состоянии связанных с ПМ молекул воды приобретает принципиальное значение для понимания механизма протонного переноса в БР.

3.1.4. Препараты бактериородопсина в технических устройствах. Возможности упорядоченной иммобилизации. Высокая стабильность БР и возможности удобной регистрации изменения состояния хромофор-белкового комплекса с использованием спектральных или электрических методов измерения позволяют рассматривать БР как основу для рада устройств технического назначения. Продвижение в создании базирующихся на БР фотоэлектрических регистрирующих устройств зависят от препаративных возможностей получения упорядоченных пленок БР, в которых молекулы БР обладают унитарной ориентацией.

Обзор методов получения упорядоченных препаратов ПМ показывает, что наиболее перспективными являются электрофоретическое осаждение суспензии ПМ на электропроводные подложки, поскольку ПМ обладают значительным постоянным дипольным моментом ~6'10"24Кл-м, а также осаждение на подложки мономолекулярных пленок ПМ, сформированных методом Ленгмюра на гарнице раздела фаз. Фиксация ориентированных ПМ может достигаться путем полимеризации препарата в полиакрил&мидном геле.

Одна из проблем, возникающих при сопряжении изолированных биологических молекул с материалами технического назначения состоит в оценке влияния микроокружения па свойства получаемых образцов и выявлении ключевых физико-химических факторов, определяющих активность и стабильность биопрепаратов. Вопрос о структурно-динамическом состоянии связанных с ПМ молекул воды до настоящего времени оставался практически без внимания, хотя именно эта вода непосредственно вовлечена в процессы протонного обмена между БР и внешней средой и, в силу этого, ее свойства должны существенно влиять на протон-транспортную активность БР. В силу этого исследование структуры и динамики молекул воды, связанной с ПМ, является весьма актуальной проблемой с точки зрения понимания механизма функционирования фотозависимого протонного насоса БР.

Теоретические исследования молекулярных механизмов функционирования БР позволяют судить об общих принципах организации активного транспорта и открывают возможности применения этих принципов в технических устройствах, а также целенаправленного воздействия на свойства иммобилизованных биомолекул. К настоящему времени, несмотря на обилие теоретических исследований, механизм функционирования БР нельзя считать окончательно установленным. В частности, нет однозначного ответа на два принципиальных вопроса: 1)Какие процессы протекают за время <10~" с, в течение которого происходит запасание энергии поглощенного фотона; 2)Каковы механизмы стабилизации неравновесного состояния, обусловливающие постепенное выделение запасенной энергии в течение ~10"2 с лишь на определенных степенях свободы, вовлеченных в активный транспорт.

3.2. Организованные молекулярные ансамбли па основе пурпурных мембран, полученные путем электроосаждения и методом Ленгмюра. В работе исследованы свойства ориентированных препаратов БР двух типов: полученных методом электрофоретического

(ЭФ) осаждения суспензии ПМ и сформированных путем переноса монослоев ПМ с границы раздела фаз воздух/вода на подложки методом Ленгмюра-Блоджет (ЛБ) или Ленгмюра-Шефера.

3.2.1. Приготовление образцов и методы исследования. Водная суспензия ПМ любезно предоставлялась в наше распоряжение сотрудником Института теоретической в экспериментальной биофизики РАН Л.Н. Чекулаевой. Исходная суспензия ПМ содержала 58 мг белка в 1 см3. Для приготовления ориентированных пленок ПМ исходную суспензию подвергали дополнительной очистке, которая состояла трехкратном повторении цикла «осаждение-ресуспендирование» ПМ в дважды дистиллированной воде. После дополнительной очистки суспензия ПМ имела рН от 5,9-6,3, удельную электропроводность -КГ4 (Ом см)"1 , концентрация БР составляла -15 мг/мл.

ЭФ-осажденные препараты ПМ получали при напряженности электрического поля от 30 до 60 В/см, полученные образцы ПМ имели оптическую плотность от 0,8 до 3,0 на длине волны 560 им. ЛБ-пленкн БР получали из суспепзии ПМ в гексане. Для этого водную суспензшо ПМ обрабатывали ультразвуком и добавляли хромато графически чистый гексан в соотношении 1:1 по объему. После ультраззвуковой обработки смеси и добавления раствора СаСЬ смесь механически перемешивали и разделяли путем центрифугирования. При этом образовывались три различные фазы, одна из которых представляла собой суспензию ПМ в гексане. Обычная концентрация ПМ в гексане состаляла 3-10"5М. Для формирования монослоя ПМ от 100-700 мкл суспензии ПМ в гексане наносили на поверхность воды (рН 7,0; удельное сопротивление 18МОм-см). Для формирования монослоев ПМ использовали установку Joyce Loeble.

В качестве подложек для пленок ПМ использовали следующие материалы: стекло с прозрачным электропроводящим покрытием SnOj, металлы, целлофан ОБ-20 толщиной 18 мкм, трековые мембраны из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной 6 мкм с порами диаметром пор 0,25 мкм, полиакриламидный гель (ПААГ), перфторированные катионообменные мембраны МФ-4СК толщиной 200 мкм, фторсодержащие анионообменные мембраны MAC-10 толщиной 250 мкм.

Оптическое поглощение образцов измеряли с помощью спектрофотометров "Specord М-40" и СФ-46. Спектры кругового дихроизма регистрировали на приборе "JASCO-40-AS". Кинетические спектральные и электрические измерения проводили на специально сконструированной установке (Биологический факультет МГУ), источником активирующего света в которой служил импульсный лазер на неодиме ОГМ-40 (ЛОМО). Длина волны генерируемого лазером излучения - 530 нм, длительность импульса 15 нс. В качестве фотоприемника применяли ФЭУ-115 или ФЭУ-39, сигнал от которого поступал на сопряженный с ЭВМ аналогово-цифровой преобразователь DL-912 с частотой дискретизации 20 МГц. Для стационарного освещения препаратов использовали галогеновую лампу КГМ 30x300 мощностью 300 Вт, снабженную системой фокусировки И тепловым фильтром. Плотность потока излучения составляла 700 Вт/м2 для белого света. Для регистрации генерируемых БР фототоков использовалась разборная двухкамерная ячейка из тефлона. С помощью защищенных от света Ag/AgCl-электродов измеряли разность потенциалов в ответ на включение света. Фототок вычислялся как отношение измеряемой разности потенциалов к измеренному предварительно сопротивлению образца.

Структуру слоев в препаратах ПМ изучали методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, используя для этой цели автоматический малоугловой дифрактометр с линейным позиционно-чувствительным детектором АМУР-К и рентгеновской трубкой БСВ-22, снабженной медным анодом и никелевым фильтром. Рабочее напряжение составляло 30 кВ, угловое разрешение 0,02°.

Светорассеяние па монослоях, расположенных на границе раздела фаз вода/воздух исследовали с помощью установки, позволяющей проводить ХУ-сканирование поверхности ленгмюровской ванны. Лазерный луч (длина волны 632,8 нм) фокусировали на монослое в пятпо диаметром 100 мкм и с помощью электромеханического дефлектора создавали линейную развертку по координате X с базой сканирования 23 мм. Зеркально отраженный луч отводился в ловушку, а рассеянный свет регистрируется с помощью ФЭУ. Перемещение по координате У задавалось смещением тележки, на которой крепилась вся оптическая система.

Образцы для исследования методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) получали путем нанесения мономолекулярной пленки ПМ на свежесколотую атомно-гладкую поверхность пиролитического графита. В качестве зондирующего острия использовалась РМг-проволока. Сканируемые профили регистрировались в условиях постоянного туннельного тока 0,5 нА. Скорость сканирования не превышала 40 им/с.

Быстрые фотохимические процессы изучались методом лазерной никосекундной абсорбционной спектроскопии. Основной частью используемой установки является пикосекундный лазер на калий-гадолиниевом вольфрамате, генерирующий импульсы длительностью 5 пс на длине волны 1066 нм с энергией до ЮмДж. Для измерений использовалась вторая гармоника основного импульса. Используемая установка позволяет измерять фотоиндуцированные изменения поглощения с точностью до 103 единицы с интервалом задержки 0-й ,5 не в спектральном диапазоне 0,4+1,7 мкм.

3.2.2. Суспензия пурпурных мембран в гексане. Спектр поглощения суспензии ПМ в гексане совпадает со спектром поглощения темноадаптированной формы БР, имеющей Лгаал при 560 нм. Совпадение спектров поглощения БР в водной и органической фазах указывает на неизменность локального окружения хромофорной группы БР при инкубации мембран в гексане. Упорядоченное расположение хромофорных групп БР в квазикристаллической структуре ПМ отражается в спектрах кругового дихроизма в виде характерного экситонного дублета в области основной полосы поглощения белка. При суспендировании ПМ в гексане экситонное расщепление пиков в практически не изменяется по сравнению с наблюдаемым для водных препаратов, но соотношение шггенсивностей положительного и отрицательного экстремумов уменьшается. Спектральные изменспия при переводе ПМ из воды в гексан могут интерпретироваться как нарушение строго упорядоченного расположения хромофорных групп в гексагональной решетке тримеров БР из-за увеличения подвижности белка в разрыхленной мембране.

Методом кинетической абсорбционной спектроскопии показало, что при инкубации ПМ в гексане БР сохраняет фотоактивность, но изменение поглощения в полосе состояния М (ДМ412) при этом меньше по сравнению с водной суспензией ПМ. Скорость релаксации продукта М412 в исходную форму БР уменьшается при переводе ПМ в гексановую фазу по крайней мере на порядок величины, что типично для других дегидратированных препаратов ПМ, например, воздушно-сухих пленок.

Данные, полученные различными спектральными методами, указывают на то, что при инкубации ПМ в гексане не изменяется локальное окружение хромофорной группы БР и не происходит разрушения упорядоченной двумерной структуры ПМ.

3.2.3. Монослои на границе раздела фаз воздух/вода. Изотерма поверхностное давление (я)-площадь (А) для монослоя ПМ на поверхности воды в области давлений 510 мН/м обнаруживает изменение модуля сжимаемости монослоя ПМ (1 /А) • (сЬАУётг) от 0,1 до ~0,01 мН/м. Экстраполяция к нулевому поверхностному давлению дает для величины Ао, характеризующей площадь, приходящуюся на одну молекулу БР в монослое, значение 3300 А°2. Коллапс монослоя ПМ наблюдается при давлении пс = 49 мН/м. Критическая

площадь, приходящаяся на одну молекулу БР в монослое ПМ в условиях коллапса, составляет примерно 650 А02. Эта величина существенно меньше площади 1150 А°2, которая приходится на одну молекулу БР в иативной ПМ. По-видимому, столь малые значения определяемой экспериментально величины Ао указывают на внеплоскостное расположение ПМ в монослое.

Добавление фосфатидилэтаноламина в суспензию ПМ приводит к смещению я-А диаграмм монослоя в сторону больших площадей по сравнению с чистыми ПМ, причем наблюдается аддитивность величин А0 для молекул БР и фосфатидилэтаноламина. Монослой смеси ПМ/фосфатидилэтаноламин обладает такой же сжимаемостью, как и монослой чистых ПМ. Коллапс смешанного монослоя ПМ/фосфатидилэтаноламин наблюдался нами при давлении 54 мН/м, которое несколько превышает величину лс для чистых ПМ. При давлениях, близких к точке коллапса, в смешанном монослое ПМ/фосфатидилэтаноламин наблюдаются значительные отклонения от аддитивности молекулярных площадей. Можно предположить, что присутствие молекул фосфатидилэтаноламина на поверхности субфазы в промежутках между ПМ прпятствует слипанию ПМ и образованию агрегатов в условиях сильного поверхностного сжатия, что приводит к увеличению лс и отклонению от аддитивности в смешанном монослое.

Весьма информативным для понимания свойств монослоя ПМ на поверхности водной фазы оказались исследования методом рассеяния света. Обнаружено, что при увеличении поверхностной плотности фрагментов ПМ интенсивность рассеянного света увеличивается монотонно по всей длине сканирования. При достижении поверхностной концентрацией БР величины ~5-10п см'2 на профиле рассеяния появляются "аномальные" участки с пониженной интенсивностью рассеяния. Дальнейшее увеличение концентрации БР в монослое приводит к тому, что эти аномальные области занимают все большую долю сканируемой поверхности, при этом на остальной области сканирования рост интенсивности рассеяния продолжается. Необходимо подчеркнуть, что все приведенные данные относятся к диапазону поверхностных концентраций БР от 7-Ю10 до 7-10й см"2, когда ПМ не образуют еще сплошного покрытия на поверхности воды (для сравнения укажем: заметный рост поверхностного давления на я-А диаграмме начинается при концентрации 1012см"2, а концентрация БР в точке коллапса составляет 1,5-Ю13 см"2). Изменение характера светорассеяния при изменении поверхностной концентрации БР указывают на возможность агрегации ПМ внутри поверхностного монослоя. В работе обсуждаются возможные типы образующихся агрегатов в зависимости от полярности среды инкубации ПМ.

3.2.4. Формирование ориентированных препаратов мультисяоев пурпурных мембран методами Ленгмюра-Блоджет и электрофоретического осаждения. Установлено, что перенос монослоев ПМ на твердые подложки может быть осуществлен методом Шефера, однако метод Ленгмюра-Блоджет позволяет лучше контролировать процесс переноса. Заметный перенос монослоя ПМ происходит при движении подложки вверх через границу раздела фаз воздух/вода со скоростью 5 мм/мин., что при повторении процедуры должно приводить к формированию мультислойных структур Z-типа. Исследованные структуры содержат от 15 до 75 монослоев ПМ. В качестве рабочей точки выбрано давление 38 мН/м, поскольку при этом давлении А0 = 1150 А02, что совпадает с молекулярной площадью БР в нативных ПМ. Факторами, существенно влияющими на перенос монослоев ПМ, являются направление и скорость вертикального движения образца, время «высушивания» образца перед нанесением следующего монослоя. Коэффициент переноса монослоя в наших экспериментах составлял к я 0,7-0,8. Обнаружено ухудшение переноса монослоев ПМ с межфазной в присутствие в них фосфатидилэтаноламина.

При формировании ЭФ-упорядоченных препаратов ПМ типичные воздушно-сухие образцы имеют площадь ~0,5 см2, оптическое поглощение от 1 до 2,5 единиц в максимуме при 570 нм, толщину ~10мкм. Эти величины указывают на то, что метод ЭФ-осаждения позволяет получать образцы с числом слоев ПМ от нескольких сот до нескольких тысяч.

3.2.5. Анализ структуры ориентированных мультислойных препаратов пурпурных мембран. Спектры оптического поглощения ЛБ-пленок из ПМ соответствуют спектрам поглощения нативного БР, поглощение в полосе 560-570 нм пропорционально числу монослоев в образце. Для ЛБ-плепок на стеклянных подложках, покрытых слоем БпОг, наблюдался эффект просветлепия в области длин волн >700 нм. Эффект просветления позволяет приближенно оценивать толщину монослоя /. Граница области просветления изменяется в зависимости от числа нанесенных монослоев и и, считая, что на границе выполняется условие п1 ~ АУ4, получаем для толщины монослоя оценку / ~5 0 А0.

Измерение периода повторяемости методом малоуглового рентгеновского анализа в мультислойных структурах ПМ, полученных методами ЛБ и ЭФ-осаждения, показало, что в ЛБ-пленках наблюдается максимум, отвечающий периоду повторяемости 36-38 А0. Эта величина несколько меньше значения, характерного для толщины ПМ. Область дальнего порядка, вычисленная из полуширины максимума, характеризуется величиной 120-150 А0 (34 периода повторяемости). На рентгенограммах ЭФ-осажденных пленок обнаруживается узкий пик, отвечающий периоду повторяемости 46,4±0,2А°. Дальний порядок структуры характеризуется длиной корреляции 400 А0 (8-10 периодов повторяемости). Указанный период повторяемости хорошо согласуется с толщиной нативных ПМ. Данные малоуглового рентгеновского анализа позволяют заключить, что при ЭФ способе формирования мультислоев нативная структура ПМ искажается в меньшей степени, чем при использовании методики ЛБ с применением суспендирования ПМ в органическом растворителе.

В данной работе метод СТМ использовался для детального исследования ленгмюровских монослоев ПМ и для сопоставления получаемых результатов с данными рентгеноструктурного анализа. Методом СТМ исследованы препараты двух типов. Препараты А представляют собой мономолекулярные пленки ПМ, полученные путем переноса мопослоя с поверхности раздела воздух/вода на графитовую подложку методом Блоджет при давлении 40 мН/м. В получаемых таким методом препаратах ПМ ориентированы преимущественно цитоплазматической поверхностью к подложке. Препараты В. в которых ПМ ориентированы внеклеточной поверхностью к подложке, получали путем переноса мопослоя ПМ с межфазной границы на подложку методом Шефера при давлении 24 мН/м. Подложка представляла собой атомно гладкий скол графита, на который предварительно методом ЛБ был нанесен монослой стеариновой кислоты. Структура образцов типов А иВ приведена на рис. 7.

Типичные туннельные изображения цитоплазматической и внеклеточной поверхностей монослоя ПМ приведены на рис. 7. Топография различных поверхностей монослоя ПМ не обнаруживает существенных различий. Монослои ПМ гомогенны в масштабе нескольких сотен нанометров, нарушения целостности пленки встречаются как исключение. Вариации барьера туннелирования вдоль поверхности пленки эквивалентны изменению толщины в пределах 0,3 нм. На туннельных изображениях монослоев ПМ проявляется гексагональная структура, формируемая, по-видимому, тримолекулярными кластерами БР. Расстояние между центрами кластеров составляет ~10нм, что несколько больше значений, получаемых из дифракционных экспериментов.

Изображение краевого участка ПМ позволяет оценить толщину монослоя ПМ, которая оказалась равной 3,6-3,8 нм, что находится в полном соответствии с периодом повторяемости, определенным методом рентгеноструктурного анализа Возможные отличия

Рис.7, препаратов мембран, методом

Изображения пурпурных полученные сканирующей

туннельной микроскопии. 1-подложка, 2-пурпурная мембрана (выделена

цитоплазматическая поверхность), 3-монослой стеариновой кислоты.

толщины монослоя ПМ на подложке от толщины нативной ПМ могут быть связаны: 1)с влиянием гидрофобного органического растворителя на липидный бислой ПМ; 2) с зависимостью туннельного тока не только от геометрии рельефа поверхности, но и от распределения плотности заряда т.е. от химической структуры молекулярных фрагментов; 3) с "растеканием" ПМ по подложке вследствие Ван-дер-Ваальсового взаимодействия.

В препаратах типа В методом СТМ обнаружено присутствие специфических структурных образований - "кратеров", которые представляют собой овальные структуры с латеральными размерами ~60х50 нм. Изображение кратера состоит из 4-6 симметрично расположенных фрагментов диаметром ~20 нм каждый. Латеральные размеры фрагментов, организованных в "кратеры", находятся в хорошем соответствии с размерами минимальных структурных единиц, наблюдаемых методом СТМ. Можно предположить, что образование кратерообразных структур представляет собой процесс самоорганизации, в основе которого лежит высокая подвижность небольших мембранных фрагментов, обладающих значительным постоянным дипольным моментом. Диполь-дипольное взаимодействие стремится ориентировать векторы постоянных дипольиых моментов соседних фрагментов ПМ анттшараплельно. Некоторые фрагменты при этом приобретают ориентацию, энергетически невыгодную с точки зрения ион-дипольного взаимодействия с заряженной подложкой. Зависимость энергии электростатического взаимодействия от латерального размера фрагментов й показывает, что ион-дипольный вклад является доминирующим для больших фрагментов. Баланс между энергией диполь-дипольного и ион-дипольного взаимодействий позволяет оценить максимальный диаметр й фрагмента ПМ, способного участвовать в формировании "кратера

<1~[(^А 0)г-Ъ.-а1&т-Ъ)]т (19)

где ц0-постоянный собственный дипольный момент одной молекулы БР (ц0 = 140 О), А,, -площадь поверхности ПМ, занимаемая одной молекулой БР (А0~ 15 нм2), Ь-эффективное расстояние между диполем БР и заряженной поверхностью подложки, а характеризует влияние окружающего распределения зарядов на рассматриваемое электростатическое взаимодействие и является аналогом макроскопической диэлектрической проницаемости, ^т-и - поверхностные плотности зарядов в ПМ и на подложке соответственно. Согласно \EhrenbergB., Вегегт У. Шорку*. 1 (1984) 45± 663], §„,■= 5-Ю"2 е/нм2 (е-элементарный заряд). Поверхностная плотность заряда в монослое стеарата кадмия (Сс^г) в образце типа В может быть оценена как равновесная концентрация заряженных дефектов (СсШ*). Принимая во внимание, что избыточная энергия дефекта (С<181+) составляет 0,10-0,13 эВ, а молекулярная площадь стеариновой кислоты ~0,5 нм2, получим ~10"2 е/нм2. Используя полученные величины для оценки согласно (19), получим с! ~ 10 нм, что по порядку величины совпадает с размерами фрагментов, экспериментально наблюдаемыми в составе "кратерных" структур.

3.2.6. Степень упорядоченности ориентированных молекулярных структур и функциональные свойства бактериородопсина. Полярность фотоэлектрических откликов БР в ориентированных пленках ПМ, полученных методами ЛБ и ЭФ-осаждения указывает на примуществснную ориентацию ПМ в образцах обоих типов ПМ цитоплазматической поверхностью в сторону подложки. Фотолектрические данные могут быть использованы для оценки степени ориентации молекул БР препаратах, поскольку известно, что в нативных мембранах амплитуда "отрицательной" фазы составляет 1-5 мВ. Для амплитуды "отрицательной" фазы в ЛБ-пленках получена величина 1,8 мВ/монослой, что соответствует 70-95% мембран, расположенных цитоплазматической стороной в направлении подложки. ,

Электрическое сопротивление электрофорстически осажденных препаратов и ЛБ-пленок из ПМ составляет 10"-г1013 Ом-см2 и 107+108 Ом-см2 соответственно, что в расчете на монослой дает 2-105 - 2-106 Ом-см2/слой для ЛБ-пленок и 5-107 - Ю10 Ом-см2/елой для ЭФ-осажденных препаратов. Сопоставляя эти данные с результатами структурных исследований (§ 3.2.5), можно заключить, что ЛБ-пленки обладают большим количеством дефектов по сравнению с ЭФ-образцами. Одной из причин высокой дефектности ЛБ-плепок ПМ является, по-видимому, использование гексана в качестве среды инкубации ПМ, поскольку под влиянием короткоцепочечных углеводородов может происходить замыкание плоских мембранных фрагментов в структуры типа сфер и полусфер.

Основные характеристики ориентированных препаратов ПМ, получаемых методами ЭФ-осаждения и ЛБ, сопоставлены в таблице 2.

Таблица 2. Свойства мультислойных препаратов ПМ, полученных методами ЛБ и ЭФ-осаждения. _ _

Параметр ЛБ ЭФ

Число слоев 50 1000

Нормированный фотоэлектрический потенциал, мВ/слой 0,4 5

Электрическое сопротивление в расчете на монослой, Ом-см2/слой 10ь-106 5-107-Ю10

Период повторяемости структуры, А° 36-38 46, 4

Длина корреляции, А° 120-150 400

3.3. Анизотропные молекулярные структуры бактериородопсина во внешнем электрическом поле. Нелинейность ориентированных структур. Проведенные ранее исследования на неориентированных препаратах БР не выявили зависимости электроиндуцированных эффектов от направления приложенного поля. В частности, для неупорядоченных препаратов наблюдался квадратичный электрохромный эффект. Вместе с тем обнаружение анизотропии полевого воздействия могло бы существенно помочь пониманию механизма активного протонного переноса в БР, имеющего векторный характер. Для изучения электроиндуцированных процессов в БР были выбраны ориентированные препараты ПМ, полученные методом ЭФ-осаждения суспезии, поскольку предыдущий анализ показал, что получаемые при этом структуры обладают наибольшей степенью упорядоченности.

3.3.1. Анизотропный электрохромный эффект. Одним из наиболее убедительных свидетельств в пользу высокой степени ориентации молекул БР в ЭФ-препаратах ПМ является 100-кратное возрастание фотопотенциала по сравнению с неориентированными препаратами при стационарном освещении (рис. 8). Воздушно-сухие препараты ПМ не обнаруживают заметного снижения фотоэлектрической активности на воздухе в течение по крайней мере нескольких месяцев после приготовления.

Спектральные характеристики электрооптических переходов в упорядоченных пленках ПМ обнаруживают существенную анизотропию по отношению к направлению приложенного электрического поля. Разностные спектры электрохромного эффекта в БР при различных направлениях приложенного поля приведены на рис. 8. Зависимость изменения оптической плотности в максимуме дифференциального спектра ААвзо от напряженности электрического поля является линейной.

Показано, что основные наблюдаемые экспериментально закономерности электрохромных превращений в неупорядоченных и ориентироавнных препаратах БР могут быть описаны в рамках подхода, предполагающего, что изменение частоты поглощения Ду в приложенном электрическом поле напряженностью Е обусловлены различием постоянных дипольных моментов ц и поляризуемости а молекулы в основном и возбужденном состояниях (индексы £ не соответственно):

Ь Ду = -(Не -Цв)-Е- 1/2-(ае - сд-Е2 (20)

(Ъ - постоянная Планка). Оценки на основании литературных данных о величине и ориентации рс и ^показывают, что смещение длины волны поглощения БР в поле ~107 В/м, обусловленное первым слагаемым в (20) составляло бы ~1нм. Наблюдаемые изменения (рис. 8) значительно превышают полученную величину, это указывает на то, что основным механизмом электрохромизма является взаимодействие поля с индуцированным дипольным моментом.

Различия в электрохромных откликах упорядоченных и неориентированных препаратов БР объясняются при учете собственной постоянной поляризации ПМ, обусловленной наличием большого постоянного дипольного момента у молекулы БР. Взаимная компенсация локальных электрических полей, создаваемых дипольными моментами отдельных молекул БР в неупорядоченных препаратах, приводит к тому, что электрохромный эффект квадратично зависит от нпаряженности внешнего приложенного поля. В ориентрованных препаратах ПМ электрохромные отклики представляют собой суперпозицию квадратичного и псевдолинейного эффектов. Зависимость величины и знака электрохромного от направления приложенного электрического поля позволяют судить о геометрии расположения хромофорной группы БР относительно ПМ. В рамках

*

ЛА 400

-/

3

2

О

1

700

А . НН!

Рис.8. Влияние ориентации препаратов пурпурных мембран на величину фотопотенциала (слева; 1-неупорядоченные препараты, 2-электрофоретически ориентированные) и анизотропия электрохромных переходов в упорядоченных прапаратах пурпурных мембран (справа; спектры 1 и 2 отвечают различным направлениям внешнего электрического поля).

общепринятой модели "внешнего точечного заряда" батохромный сдвиг региналь-белкового комплекса должен происходить в электрическом поле, направленном в сторону р-иононового кольца ретипаля. Зная характер расположения ПМ в исследуемых ориентированных препаратах БР, можно заключить, что (5-иононовое кольцо ретиналя расположено ближе к цитоплазматической поверхности ПМ, чем группировка -С=КН+ основания Шиффа.

3.3.2. Влияние электрического поля на фотоцикл бактериородопсина и нелинейные эффекты ориентации. Электрическое поле влияет не только на темновое состояние БР, но и на протекание фотоцикла. Эксперименты с упорядоченными молекулярными структурами БР показали, что фотостациопарная концентрация интермедиата Мш увеличивается под действием электрического поля, направленного от цитоплазматической к внеклеточной поверхности ПМ. Электрическое поле противоположного направления незначительно уменьшает стационарный уровень состояния М.

Изменение скорости распада интермедиата М412 можно понять, считая, что электрическое поле влияет на расположение ближайших к основанию Шиффа протон-донорных и протон-акцепторных групп, между которыми происходит локальный локальный перенос Н" в дегидратированных пленках ПМ. Такими группами являются две СОСГ-группы остатков аспарагиновой кислоты и группировка -С=М.

Нелинейные свойства упорядоченных молекулярных структур БР проявляются при при исследовании кинетики фотоиндуцированного процесса БР570 —У ЬС^зо методом пикосекундной лазерной спектрофотометрии. Время формирования состояния К измеряли для неупорядоченных препаратов ПМ и для ориентированных структур, полученных методом электрофоретического осаждения ПМ из водпой суспензии. Измерения, выполненные на различных длинах волн и при различной поляризации зондирующих импульсов относительно поляризации возбуждающего импульса показали, что поляризация зондирующих импульсов относительно возбуждающего импульса не влияет на результаты измерений. Время формирования интермедиата Кбзо дм неупорядоченных препаратов ПМ составляет 11 пс, эта величина практически не отличается от времени образования

интермедиата К в суспензии ПМ. Для ориентированных образцов БР наблюдается замедление кинетики образования состояния К6зо в 6-8 раз.

Влияние упорядоченности на кинетику фотохимического превращения БР можно понять, приняв во внимание, что внешнее электрическое поле, стимулирующее образование батохромной формы БРЕыо, приводит к "выключению" части молекул БР из фотоцикла ['Chamorovsky S.K. et al. Biochim. Bpphys. Acta (1983) 725: 403]. В иследуемых нами образцах фотохимически неактивное состояние БР должно формироваться в электрическом поле, направленном к цитоплазматической поверхности ПМ. Электрическое поле, создаваемое диполями соседних молекул БР внутри монослоя ПМ, имеет направление, приводящее к формированию фотохимически неактивного состояния БРЕбзо-. поэтому взаимовлияние молекул в упорядоченных препаратах ПМ приводит к замедлениею начальной стадии фотоцикла.

Полученные результаты показывают, что электрическое поле может рассматриваться как механизм регуляции активности БР в ПМ, функционирующий по принципу отрицательной обратной связи. Можно предполагать, что наличие отрицательной обратной связи в системе фотоактивируемого переноса Н1" позволяет избежать повреждения клеточной мембраны. Имеется по крайней мере два процесса, вовлеченных в механизм электрозависимой регуляции фотоцикла: превращение БР570 -> Кбзо и распад интермедиата М412.

Таким образом, электростатическое взаимодействие является важным фактором, определяющим процессы структурной самоорганизации в системе фрагментов ПМ, а также их функциональной взаимозависимости. Наличие значительного дипольного момента у фрагментов ПМ необходимо учитывать при рассмотрении процессов структурообразования и нелинейных функциональных свойств упорядоченных мембранных ансамблей БР.

3.4. Фотоэлектрические процессы в упорядоченных препаратах пурпурных мембран, иммобилизованных на подложках с различным типом проводимости. Использование упорядоченных препаратов БР в сочетании с импульсными методами фотоактивации позволяет детально исследовать кинетику быстрых фотоэлектрических процессов, что представляет наибольшую ценность для понимания механизма функционирования БР.

3.4.1. Температурная зависимость кинетики генерации быстрых Фаз фотопотенциала бактериородопсина. Образец для импульсных фотоэлектрических измерений представляет собой воздушно сухую пленку упорядоченных ПМ (~1000 слоев), нанесенных электрофоретическим методом на никелевую пластину. При комнатной температуре в ответ на лазерную вспышку вначале наблюдается «отрицательная» фаза с временем нарастания менее 300 не. Быстрая "отрицательная" фаза сменяется противоположным по направлению изменением разности потенциалов, в кинетике которого можно выделить по крайней мере два компонента первого порядка, характерные времена \\п которых при комнатной температуре составляю =2-3 мке и =12-15 мкс. При более низкой температуре качественный характер кинетики сохраняется, причем, быстрая отрицательная фаза остается кинетически неразрешенной вплоть до самой низкой исследованпой нами температуры 113 К. «Медленный» микросекундный кинетический компонент характеризуется аррениусовской температурной зависимостью с энергией активации 48+4 кДж/моль,

Скорость формирования состояния М412 была непосредственно измерена для тех же образцов, в которых регистрироватась кинетика фотопотенциала. Характерное время образования спектральной формы М412 при комнатной температуре составляет ~24мкс. Близкие значения кинетических параметров позволяют соотнести медленный микросекундный компонент фотопотенциала с процессом образования спектральной формы

М412, то есть с депротонированием основания Шиффа. Отрицательная фаза фотопотенциала может, по-видимому, коррелировать с процессом образования спектрального интермедиата Кбзо. Быстрая кинетика и значительная амплитуда этого компонента даже при криогенных температурах указывают на то, что этот процесс обусловлен смещением электронной плотности в молекуле БР.

3.4,2. Упорядоченные препараты пурпурных мембран в контакте с электрон-проводяшими материалами. Значительное повышение фотоэлектрической активности упорядоченных препаратов БР по сравнению с неупорядоченными позволяет исследовать влияние физико-химических свойств материалов, находящихся в контакте с пленкой ПМ, на фотоэлектрические процессы в системе. Данные такого рода представляют значительный интерес при разработке технических устройств с использованием препаратов БР.

При контакте пленки ПМ с электродами из материалов, обладающих электронным типом проводимости, наблюдается темновая разность потенциалов между электродами, знак и величина которой зависят от природы электродных материалов и от влажности пленки ПМ. Обнаружено, что темновая разность электрических потенциалов в системе БпОг/ПМ/Ме (Ме - металлический электрод) тем выше, чем меньше работа выхода электрона из металла. Темновая разность потенциалов интерпретируется как стационарный коррозионный или адсорбционный потенциал.

Стационарная разность потенциалов при непрерывном освещении упорядоченных препаратов зависит от химической природы электродных материалов, влажности, электрических параметров измерительной цепи. Характер переходных процессов при включении освещения указывает на присутствие в препаратах ПМ носителей зарядов двух типов: связанных и свободных. Увеличение влажности приводит к возрастанию вклада свободных носителей в фотоэлектрические процессы. Регистрируемый в системе SnO^/nM/Me фотопотенциал зависит от природы металла, по величине фотопотенциала для исследованных материалов (Ме) получен следующий ряд: Pt ~ Ni > Fe > AI ~ Си » SnÜ2 .

Наблюдаемые закономерности объясняются протеканием на измерительном электроде (Ме) процесса катодного восстановления ионов водорода, переносимых протонной помпой БР. Показано, что полученный ряд фотоэлектрической активности материалов коррелирует с величиной тока обмена для этих материалов в электрохимическом процессе восстановления Н+.

Исследование закономерностей, определяющих характер генерируемых БР фотоэлектрических сигналов, позволило сконструировать фотопереключаемое устройство на основе полевого транзистора. Автор признателен A.B. Братову (университет Санкт-Петербурга) за помощь в проведении экспериментов с МДП-структурами. За основ) была взята кремниевая структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), используема* при создании ион-селективных электродов. В данной структуре используется легированный фосфором кремний с n-типом проводимости.

Упорядоченный методом ЭФ-осаждения препарат ПМ наносили на металлический затвор МДП-структуры, электродом сравнения служил прозрачный слой S11O2, нанесенный на кварцевую пластину. Методика проведения измерений и фотоэлектрические отклики системы представлен на рис. 9. Варьируя разность потенциалов между истоком и стоком, а также потенциал затвора, устанавливали темновой ток канала в пределах 0,5-5 мА. Обнаружено, что освещение препарата ПМ белым светом приводит к модуляции проводимости канала, кинетика фотоиндуцированных процессов переключения транзистора приведена на рис. 9. Смещение потенциала электрода SnOj относительно земли в широких пределах, а также изменение величины исходного темнового тока в канале практически не

Рис.9. Схема измерения и кинетика изменения тока в канале МДП-структуры под действием фотопотенциала, генерируемого пленкой ориентированных пурпурных мембран. Две кривые получены при различном исходном смещении электрода 3п02.

влияют на регистрируемый фотоэлектрический отклик транзистора. Модуляция проводимости канала происходит вследствие изменения потенциала затвора, обусловленного фотоэлектрической активностью БР. Наблюдаемые изменения тока через проводящий канал указывают на изменение потенциала затвора в положительном направлении и составляют несколько вольт. Приведенные данные демонстрируют возможность создания фотоуправляемых структур гибридного типа, интегрирующих в себе полупроводниковые и биологические мембранные компоненты.

3.4.3. Фотоактивированный перенос заряда в упорядоченных препаратах пурпурных мембран, иммобилизованных на проницаемых для ионов полимерных мембранах. Известно, что дегидратация существенно подавляет фотоэлектрическую активность БР; увеличение влажности сопровождается ускорением кинетики, увеличением квантового выхода фотоцикла БР и приводит к тому, что фототоки в препаратах ПМ начинают лимитироваться окислительно-восстановительными процессами па грапице металлического электрода с пленкой ПМ. Исходя из этого, можно ожидать значительного увеличения плотности фототока в упорядоченных мембранных препаратах, в которых отсутствует контакт протонной помпы БР с электронными проводниками. Данный контакт исключается при нанесении препаратов БР на проницаемые для иопов подложки. В качестве подложек для упорядоченных препаратов ПМ использовали целлофан, трековые мембраны из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), полиакриламидный гель (ПЛАГ), анионо- и катионообменные мембраны на основе фторуглеродных полимеров. Исследованные материалы различаются электропроводностью, ионной селективностью, гидрофильностью.

Наибольшие фототоки плотностью до 20 мкА/см2 зарегистрированы для образцов, в которых препараты БР нанесены на поверхность фторсодержащих ионообменных мембран, эти же системы демонстрируют наибольшую стабильность. Фотоактивность и коррелирующая с ней стабильность иммобилизованных препаратов БР отражают прочность адгезионного контакта ПМ с полимерными мембранами. Высокая адгезия ПМ к фторсодержащим ионоообменным мембранам обусловливается оптимальным сочетанием гидрофобных фрагментов с полярными.

Прямое подтверждение высказанного предположения получено в экспериментах по определению теплоты сорбции ПМ на некоторых полимерных мембранах. Для калориметрических опытов были выбраны мембраны из целлофана и МФ-4СК, поскольку

иммобилизация ПМ на данной катионообменной мембране дает наиболее стабильные препараты, а осаждение ПМ на целлофан дает наименее фотоактивные и устойчивые образцы. Выбранные материалы измельчали до образования порошка с характерным размером частиц порядка микрона. Навеску полученного порошка выдерживали в эксикаторе при 100%-ной влажности, а затем смешивали с суспензией ПМ в прецизионном калориметре, обеспечивающем регистрацию изменения температуры с точностью до 10"4 К. Тепловыделение в этих условиях обусловлено сорбцией ПМ на полимерных частицах, поскольку контрольные опыты показали отсутствие тепловых эффектов гидратации. Теплота сорбции ПМ на ионообменной мембране МФ-4СК составляет 1,8±0,5Дж/г. В случае целлофана тепловые эффекты сорбции оказались ниже инструментального предела обнаружения -0,5 Дж/г. Полученный результат качественно подтверждает предположение о том, время функционирования и фотоактивность препаратов ПМ, иммобилизованных на проницаемых для ионов полимерных подложках, критическим образом зависит от прочности адгезионного контакта ПМ/мембрана.

Плотность фототока в экспериментах с ионообменнмыи подложками достигает 20 мкА/см2 при разности потенциалов на мембране примерно 3 мВ. Оценивая электрическую мощность и сравнивая ее с плотностью потока излучения, которая в наших опытах составляла 700 Вт/м , можно заключить, что коэффициент преобразования световой энергии в электрическую ("кпд" системы) составляет в наших опытах ~2-10"7, примерно такой же эффективностью обладает фотоэлектрическая система на основе воздушно-сухих препаратов ПМ, нанесенных па металлические или полупроводниковые подложки (§ 3.4.2). В интакшых мембранах НаЬЬайепит ваНпапит стационарный мембранный потенциал Ац/ на клеточной мембране составляет 100-200 мВ, максимум поглощения в спектре БР приходится на 570 нм, что соответствует энергии кванта 2 эВ, квантовый выход транспорта зарядов ф в БР равен 0,3-0,5, время оборота фотоцикла БР составляет ~10 мс. В этом случае "кпд" нативных ПМ составляет ~ (2-^5)10"2, что на пять порядков превышает уровень, достигнутый для иммобилизованных препаратов изолированных ПМ.

3.5. Состояние воды и молекулярная подвижность в гидратированных пурпурных мембранах по данным структурно-динамических методов исследования. Исследования упорядоченных препаратов ПМ, иммобилизованных на синтетических полимерных мембранах, показывают, что для понимания электрогенных процессов в такого рода системах принципиальным является вопрос о состоянии воды в гидратированной пленке ПМ и на границе соприкосновения ПМ с подложкой. Связывание воды с БР изучалось ранее в условиях, вызывающих практически полную денатурацию пигмент-белкового комплекса, в то время как роль воды в "нормальном" функционировании БР практически не обсуждалась.

Предыдущие исследования полимерных мембран показали, что радиоспектроскопия на ядрах 'Н и мессбауэровская спектроскопия на ядрах 57Ре являются эффективными и взаимодополняющими методами изучения структурно-динамических особенностей поведения полимерных матриц и их гидратных оболочек. В настоящей работе методы протонной магнитной релаксации, 'Н-ЯМР высокого разрешения и мессбауэровской спектроскопии использованы для изучения динамики белково-липидной матрицы ПМ, связанных с ней ионов металлов и молекул гидратной воды, определяющих функциональные свойства БР.

3.5.1. Особенности состояния воды в пурпурных мембранах по данным протонного магнитного резонанса высокого разрешения. Спектры 'Н-ЯМР высокого разрешения регистрировали на спектрометре ТеБ1а В8-497 на частоте 100 МГц. Спектры высокого разрешения 'Н-ЯМР для воды в порошкообразных образцах ПМ и в гексановой суспензии

Рис.10. Спектры протонного магнитного резонанса высокого разрешения, полученные для гидратированного порошка (а) и суспензии пурупрных мембран в гексане (б) при различной температуре.

»С

6 4 2 О 8, м. д.

ИМ приведены на рис. 10. Уравновешенные с насыщенными парами воды ПМ связывают воду в количестве 1,9 мг НгО/мг ПМ, что соответствует ~2600 молекулам воды на молекулу белка. При переводе в гексановую фазу на каждую молекулу БР приходится (6,5+0,7)-104 молекул НгО в случае нейтральной пурпурной формы и (2,6±0,5)104 НгО/БР в случае синей деионизованной формы мембранной суспензии.

Суспендирование ПМ в гексане приводит к сужению линии ЯМР в 4-5 раз при неизменности химического сдвига протонов воды. На рис. 10 приведена температурная зависимость интенсивности сигналов ЯМР, нормированной как число молекул НгО, приходящихся на одну молекулу БР. Полученные данные показывают, чтов деионизованной форме БР вся связанная вода теряет подвижность при 273 К, в то время как в пурпурной форме мембран примерно 20% связанной воды сохраняют высокую подвижность вплоть до

Анализ температурных зависимостей интенсивности сигната, химического сдвига 5 и ширины линии свидетельствует о наличии двух форм связанной связанной с ПМ воды, различающихся молекулярной подвижностью. Одна из них - "слабосвязанная" - практически не отличается от объемной фазы воды. Эта форма воды является единственной, присутствующей в гексановой суспензии деионизованной формы. Вторая я форма -"сильносвязанная вода", подвижность которой меньше подвижности молекул в объемной фазе воды при комнатной температуре, однако, подвижность этой формы воды сохраняется достаточно высокой вплоть до 220 К. Доля сильносвязаппой воды в ПМ составляет примерно 20%.

Высокая подвижность сильпосвязанной воды вплоть до 220 К, типичная для воды с нарушенной структурой водородных связей, например, принадлежащей гидратным оболочкам заряженных групп и ионов, а также отсутствие подвижной ниже 273 К формы воды в деионизованной форме мембран позволяет считать силыюсвязанную воду принадлежащей гидратным одболочкам заряженных групп ПМ и/или связанных с ПМ ионов.

3.5.2. Молекулярная подвижность в гидратированных пурпурных мембранах, исследованная методом протонной магнитной релаксации. В экспериментах по импульсному ЯМР времена продольной (Т]) и поперечной (Тг) магнитной релаксации ядер измеряли с

223 К.

использованием импульсных последовательностей 180°-т-90° и 90°-т-180° соответственно на приборе SXP-4-100 "Bruker" на частоте 90 МГц.

Отличительной особенностью релаксационных процессов в ПМ является неаррениусовская температурная зависимость времен Ti и Т2. Вблизи 273 К и -223 К наблюдается резкое изменение скоростей релаксации. При 273 К происходит скачкообразное уменьшение величины Тг, дальнейшее понижение температуры ведет к возрастанию скорости спин-спиновой релаксации. Амплитуда сигнала спин-эха резко уменьшается примерно на 80% при 273 К, дальнейшее понижение температуры приводит к плавному уменьшению амплитуды сигнала. Низкотемпературный скачок величины Тг не сопровождается появлением каких-либо особенностей на температурной зависимости амплитуды сигнала спинового эха.

Сложная кинетика релаксационных процессов в ПМ указывает на присутствие в исследуемой системе трех типов регистрируемых протонов, отличающихся по своей подвижности. Отнесение регистрируемых протонов проведено путем сопоставления релаксационных кривых для ПМ, уравновешенных с НгО и аналогичной 020-замещенной системой.

Обнаружено аномальное изменении скорости поперечной релаксации вблизи температур 273 К и 223 К, причем, аномалия при 273 К, сопровождающаяся резким уменьшением амплитуды сигнала спин-эха. Причиной наблюдаемых аномалий является переход -80% содержащейся в образце воды ("слабосвязанная вода") в фазу льда. Примерно 20% воды сохраняют достаточно высокую подвижность вплоть до 223 К ("сильносвязанная вода"). Сделан вывод, что сильносвязанная вода образует ближайшее гидратное окружение функциональных групп ПМ. При пороговой температуре -220 К, выше которой возможно протекание полного функционального цикла БР, происходит существенное изменением характера подвижности связанной с ПМ воды. По-видимому, наличие определенного типа подвижности сильносвязанной воды, размораживающейся при температуре >223 К, является необходимым условием переноса протона со стороны цитоплазмы на шиффово основание БР.

3.5.3. Характер взаимодействия ионов металлов с пурпурными мембранами по данным мессбауэровской спектроскопии. В нативных ПМ с каждой молекулой БР связаны 4-5 ионов Са2+ и Mg2+. В настоящей работе методом мессбауэровской спектроскопии исследовано взаимодействие ионов Fe3+ с ПМ с целью выяснения роли катионов металлов в механизме трансмембранного переноса БР. Получаемые данные необходимы для разработки модели функционирования протонной помпы БР.

Эндогенные двухвалентные ионы удаляли отмывкой ПМв среде рН 2,4, к деионизованным ПМ добавляли раствор FeCb, исходя из требуемого стехиометрического отношения Fe3+/BP, после чего мембранную суспензию титровали раствором NaOH до значения рН 6,8-7,0. Мессбауэровские спектры в диапазоне температуры 5-293 К регистрировали в режиме постоянного ускорения. Проведение измерений в двух диапазонах скоростей-±10 мм/с и ±1,5 мм/с позволяло детально изучать структуру центральной части спектра, а также исследовать температурные зависимости среднеквадратичных сдвигов <х2> ядер 57Fe в ПМ. Для более надежной интерпретации результатов ряд образцов исследовали методом ЭПР.

Типичные низкотемпературные мессбауэровские спектры образцов Fe-ПМ приведены на рис.11, параметры, полученные в результате обработки спектров, содержатся в табл. 3.

Мессбауэровские спектры отвечают различным формам Fe3+ в октаэдрической координации с кислородсодержащими лигандами. При стехиометрическом соотношении

"1"о5' "^"¿у'^'.'^а " "¿.'¿а''" у.до

&~> Г./ВГ-1

— >:й<5 "" г>:до ......*:оо

¿д ," у ла—

. у- > **"'1 ™оо

тп-./« >

-¿"ЛЬ" ¿.о о

Рис. 11. Мессбаузровские спектры препаратов пурпурных мембран с различной стехиометрией "ре/бактериородопсин. Соотноше1ше и температура измерения указаны на рисунках.

Ре3+/БР < 2 при 5 К спектры представляют собой суперпозицию двух квадрупольпых дублетов с квадрупольными расщеплением (38-0,3-0,4 мм/с и -0,8-0,9 мм/с соответственно. При соотношениях, превышающих 2Ре/БР, типичные спектры представляют собой интенсивную центральную линию на фоне более слабого квадрупольного дублета <38-0,8-0,9 мм/с. При понижении температуры до 5 К (рис. 11(д)) в спектрах появляется дополнительная магнитная компонента в виде зеемановского секстета, что является характерной особенностью спектров суперпарамагнетиков. Таким образом, в зависимости от соотношения Ре3+/БР наблюдаются три основные спектральные формы ассоциатов железа. Основной формой прн малых концентрациях железа является дублет (^Б ~0,3 мм/с, во всем диапазоне стехиометрических соотношений проявляется квадрупольпый дублет (38-0,7-0,9 мм/с, третья форма -суперпарамагнитное состояние железа.

Присутствие дублета (28-0,3 мм/с позволяет сделать вывод о наличии связанных с ПМ изолированных ионов железа, расстояние между которыми не должно превышать 12 А0, так как в противном случае из-за малости диполь-дипольного взаимодействия мессбауэровский спектр представлял бы собой секстет от двух крамерсовских дублетов. Существование изолированных ионов железа в комплексах с ПМ при малом относительном содержании Ре3+ подтверждается также данными ЭПР. Спектральная компонента в виде дублета с расщеплением (38-0,7-0,9 мм/с соответствует гидроксодимерам железа [Ре-(0Н)2-Ре]4+»8Н20, присутствующим в исходном растворе

Таблица 3. Параметры мессбауэровских спектров препаратов пурпурных мембран, регенерированных ионами Бе3+.

Г^/БР 1Б! ОЭх 1Э2 ОЭг Эх/Бг Нь£

0, 6 0,45 0,7 0,5 0,3 0,15 -

1,5* 0,4 0,8 0,5 0,3 0,15 -

1,5** 0,5 0,9 0,5 0,3 0, 65 440

3,5 0,6 1,2 0,5 0,4 0, 62 440

*Образец исследован непосредственно после приготовления. **Образец исследован после трех месяцев хранения при комнатных условиях. 13 - изомерный сдвиг относительно нержавеющей стали, мм/с; ОЭ - квадрупольное расщепление, мм/с; Ньг - величина эффективного сверхтонкого поля, кЭ.

при рН 2. Зеемановский секстет, наблюдаемый при высоких соотношениях Ре3+/БР при 5. К овечает кластерам железа размером не более 20 А°.

Температурные зависимости среднеквадратичных смещений ядер 57Ре получены из температурной зависимости площади пика поглощения. Характерной особенностью полученных зависимостей является отклонение от линейности и быстрое возрастание подвижности Ре3+ в температурной области Т > 220 К. Возрастание подвижности для препаратов, содержащих преимущественно мономерные комплексы Ре3+/БР наблюдается при более низкой температуре, чем для препаратов, содержащих многоядерные комплексы.

3.5.4. Локализация мест связывания катионов металлов на поверхности пурпурных мембран. Анализируя взаимодействие катионов с БР, необходимо включать в рассмотрение гидратные оболочки катионов и ГШ и процессы гидролиза, поскольку ПМ содержат значительное количество связанной воды. Для водных растворов Гс3т характерно образование димерных оксо- и дигидроксо- мостиковых структур, включающее процессы гидролиза и полимеризации: [Ре(Н20)6]3+ еН'-[Ре(Н20)30Н]2+

онч

2[Ре(Н20)50Н]2+ о [(НгО^е Ре(Н20)4]4+ хОН/

Результаты спектральных исследований указывают на высококое сродство мест связывания к катионов в ПМ к двухвалентным катионам, поскольку при ассоциации Ре3+ с ПМ равновесие мономер-димер существенно смещается в сторону мономерной формы при стехиометрии Ре/БР < 2, при этом Ре(Ш) взаимодействует с функциональными группами ПМ как формально двухзарядный катион независимо от того, входит ли он в состав моно- или димерных комплексов.

Принципиальным для понимания функциональной роли связанных с ПМ катионов двухзарядных металлов является вопрос о локализации мест связывания. Цитоплазматическая поверхность ПМ более предпочтительна для связывания катионов, т.к. имеет более высокую поверхностную плотность отрицательного заряда. Катионы Ре3+ относятся к классу "жестких", как и ионы Mg2+ и Са2+ нативных ПМ. Жесткие ионы

металлов предпочитают координировать жесткие лиганды, причем эта тенденция усиливается, если наряду с рассматриваемым лигандом катиоп координирован с другими жесткими лигандами, например, гидратирован. Наиболее жесткими лигандными группами в ПМ являются СОСГ-группы БР, фосфатные и сульфатные группы липидов, поэтому именно они должны прежде всего участвовать в связывании катионов.

Анализ вторичной структуры БР с учетом жесткости катионов позволяет локализовать места связывания катионов в ПМ. На рис. 12 воспроизведены фрагменты полипептидной цепи БР, находящиеся в непосредственном контакте с водной фазой. На этих фрагментах отмечены аминокислотные остатки, способные связывать ионы Fe3+ и другие жесткие катионы: Asp и Glu на С-концевом участке БР и на петлях, соединяющих a-спиральные сегменты БР на цитоплазматической стороне ПМ. Количество аминокислотных остатков, координирующих жесткие катионы, на цитоплазматической стороне ПМ в несколько раз больше, чем на внеклеточной поверхности. Привлекают внимание фрагменты полипепгидпой цепи БР с компактным расположением лигандов жестких катионов: Asp36-Pro-Asp38, Asp102-Ala-Asp104, Glu161-...-Glu166, Glu232-...-Asp242, координирующая способность которых повышена вследствие присутствия в кластерах полярных остатков Pro37, 1б5, 236' 23 и Ser35, 162, 239. Можно предположить, что места связывания катионов в БР, обладающие наибольшим сродством к жестким катионам, включают остатки Ser35-Asp38, Asp102-Asp104, Glu161-Glu166. Это предположение согласуется с видом мессбаузровских спектров при низких соотношениях Fe3+/BP. Анализ геометрии расположения этих фрагментов на поверхности ПМ в рамках общепринятых в настоящее время структурных моделей БР и ПМ показывает, что расстояние между карбоксильными группами, принадлежащими различным кластерам, составляет ~10 А0, что и приводит к отсутствию сверхтонкой магнитной структуры в спектрах мономерной формы железа (рис. 11(а,б,г)) в результате сшш-спщювых взаимодействий ионов Fe3+.

При стехиометрии связывания Fe3+/BP > 2 специфичность связывания катионов менее выражена, при такой стехиометрии связывания железо на поверхности ПМ присутствует, главным образом, в виде мелких (~20 А°) суперпарамагнитных кластеров. Этот результат можно интерпретировать как сорбцию железа на поверхности ПМ в форме нейтральных (не связанных с функциональными группами ПМ) кластеров. Таким образом, при соотношении Fe37BP < 2 практически все железо специфически связывается с жесткими лигандными группами вблизи протонного канала, а при более высоких концентрациях железо сорбируется на поверхности ПМ преимущественно в виде кластеров.

3.5.5. Влияние температуры на молекулярную подвижность в гидратированных пурпурных мембранах и на фотоцикл бактериородопсина. В температурной области ниже -200 К динамика гидратированных ПМ определяется в основном твердотельными колебаниями. Зависимости величин <х2> от температуры для различпых форм ассоциатов Fe3+/BP показывают, что по отношению к твердотельньм колебаниям кластерные структуры являются несколько более жесткими (©в~220-230 К) по сравнению с мояо- и димерными комплексами (0р~2ОО К). По-видимому, динамика моно- и димерных комплексов Fe3+ в большей степени отражает подвижность фрагментов БР, тогда как динамика кластерных образований, слабо связанных с поверхностью ПМ, отражает характер движения интерфазы в препаратах ПМ.

Величина 0d~2OO К, полученная для моно- и димерных комплексов Fe3+, является типичной для размораживания конформациопяой гибкости белков. Значение ®с~220-230 К, полученное нами для кластерных структур Fe3+, коррелирует с пороговой температурой =220 К, ниже которой трансмембранный перенос протонов в БР блокируется на стадии захвата Н+ на цитоплазматической стороне ПМ. Для понимания механизма

Рис.12. Схема расположения внемембранных фрагментов полипептидной цепи бактериородопсина. Штриховой линией выделены участки компактного расположения аминокислотных остатков, являющихся предпочтительными лигавдами для «жестких» катионов

низкотемпературного блокирования протонного переноса в БР информативным оказывается сопоставление температурных зависимостей, наблюдаемых в мессбауэровских экспериментах и в ЯМР.

Модели расположения БР внутри ПМ показывают, что молекула БР содержит примерно 90 групп, способных связывать жесткие двухвалентные катионы, кроме того, связанные с каждой молекулой БР 10-14 молекул липидов содержат от 10 до 20 мест связывания жестких катионов. Соотнося число мест связывания жестких катионов с колическтвом сильносвязашюй воды, обнаруживаемой в ЯМР-спектрах, получаем, чтс влияние каждого связанного с ПМ жесткого катиона металла (например, Са2+) распространяется на область, включающую около 100 молекул НгО.

При исследовании магнитной релаксации протонов в гидратированных препаратах ПМ наблюдается корреляция между особенностями движения протонов, принадлежащих ПМ и ее гидратной оболочке. Образование фазы льда в воде при 273 К сопровождается скачком на температурной зависимости Т2, характеризующей движения молекул воды, и резкими особенностями на температурных зависимостях кинетических компонентов величины Т1, характеризующих процессы с участием протонов мембран. Вблизи 223 К аномалии также наблюдаются для зависимостей величин Т2 и Т) от температуры.

В диапазоне температур порядка комнатных механизм движения молекул воды включает в себя обмен между молекулами сильно- и слабосвязанной воды, а также диффузию в жидкой фазе. Образование фазы льда в слабосвязанной воде ниже 273 К приводит к резкому замедлению процессов обмена и диффузии, а также может создавать препятствия конформационным движениям поверхностных функциональных групп ПМ, что приводит к появлению скачков на температурных зависимостях скоростей поперечной релаксации протонов воды и продольной релаксации протонов матрицы. При температуре <273 К необходимым условием обмена молекул воды является сближение гидратных оболочек полярных групп на расстояние, при котором становится возможным образование между ними водородной связи. Данные о расположении полипептидногй цепи БР

относительно мембраны позволяют оценить расстояния между заряженными группами, выступающими в качестве центров гидратации. На цитоплазматической поверхности ПМ расположено 18 заряженных аминокислотных остатков молекулы БР (А^-З, А5р-5, Ии-б, Ьуэ-З, 8ег-1), на внеклеточной стороне расположены три заряжепных остатка (А^-1, ети-2), кроме того, на каждой из поверхностей ПМ должны находиться 8-10 отрицательно заряженных групп, принаблежащих ассоциированным с БР фосфолипидпым молекулам. Таким образом, на цитоплазматической поверхности ПМ на каждую молекулу БР приходится около 30 заряженных групп, что соответствует поверхностной плотности заряженных групп а на цитоплазматической стороне ПМ с~0,02 А°~2 и среднему расстоянию г между ними г ~ ст-"2 ~ 7-10 А0.

Сорбция воды из паровой фазы в количестве 1,9 мг/мг ПМ соответствует связыванию -2600 молекул Н20 на молекулу БР. Ниже 273 К сохраняют подвижность 15-20% воды, что соответствует 400-500 молекулам сильносвязапной воды на молекулу белка. Полагая, что сильносвязанная вода локализована только вблизи заряженных групп и что все заряженные группы гидратированы в равной степени, получим 13-17 молекул силыюсвязанной воды на каждую заряженную группу. Молекулярный объем Н20 составляет -30 А°3, отсюда средний радиус гидратной оболочки гь~5 А°. Соотношение между величинами г и п таково, что вблизи 273 К гидратные оболочки могут перекрываться, что обеспечивает высокую трансляционную подвижность молекул воды между соседними функциональными группами. С этим предположением согласуется величина энергии активации 29 КДж/моль для величины Т2, типичная для поступательной диффузии молекул воды, входящей в гидратные оболочки иопогепных групп.

По мере понижения температуры доля структурированной вблизи функциональных групп и сохраняющей высокую подвижность воды монотонно уменьшается, что проявляется в уменьшении амплитуды сигнала спинового эха. При некоторой температуре эффективный радиус гидратации окажется меньше расстояния между центрами гидратации, что приведет к резкому уменьшению скорости обмена молекул воды. По-видимому, именно это обстоятельство приводит к скачкообразному изменению скорости поперечной релаксации вблизи -223 К. Ниже 223 К поперечная магнитная релаксация происходит в результате внутрисферных движений молекул воды, локализованных в гидратных оболочках функциональных групп.

Мессбауэровские эксперименты выявили близкие значения пороговых температур, при которых размораживается квазидиффузионная подвижность Бе3+ в кластерных структурах и резко изменяется подвижность молекул Н20 в ближайшем гидратном окружении функциональных групп ПМ. Этот факт указывает на сильную скоррелированность движений молекул воды и функциональных групп в гадратированной белково-липидной матрице ПМ.

3.5.6. Роль связанных катионов металлов в механизме транспорта протонов пурпурными мембранами. При обсуждении возможного механизма участия связанных катионов в протонном транспорте БР наибольший интерес представляет случай соотношений Ре3+/БР < 2, отвечающий протеканию нормального фотоцикла БР. В этих условиях ионы железа связываются с ПМ в виде формально двухзарядных мономеров [Ре(Н20)5ОН]2+, каждый из которых способен связываться с двумя СОСГ-группами БР, если расстояние между ними составляет около 10А°. Анализ пространственной структуры БР показывает, что такие условия реализуются в кластерах карбоксил-содержащих аминокислотных остатков А5р36-Рго-А5Р38, А5р,02-А1а-А5р104, 01и161-...-01и166, 01и232-...-А5р242 (рис. 3.52), при этом расстояния между ядрами Бе, связанными с парами СОО -групп Авр^/Азр38, А8р102/А5р'04, Яи^'/Ии166 как потенциальными лигандами, находилось бы в интервате

6-16 А0. Диполь-дипольные взаимодействия ядер Ре на таких расстояниях должны приводить к отсутствию сверхтонкой магнитной структуры в мессбауэровских спектрах, что и наблюдалось экспериментально.

Влияние жестких двухвалентных ионов на структуру воды приводит к возникновению дефектов в сетке межмолекулярных водородных связей воды. Возникающая при этом поляризация валентных связей в молекулах воды приводит к их ослаблению, предельным случаем поляризации такого рода является диссоциация молекул воды с образованием частиц ОН- и Н+. Наблюдаемый нами сдвиг сигналов ПМР сильносвязанной воды в слабое поле указывает на превалирование вклада поляризационных эффектов над вкладом, обусловленным дефектностью сетки водородных связей. Изложенные представления о механизме слабопольного сдвига сигналов ПМР, согласуются с результатами изучения роли ионов Са2+, Mg2+ и других катионов слабодиссоциирующих оснований в процессах диссоциации воды на катионообменных мембранах.

Необходимость увеличения степени диссоциации воды, обменивающейся Н+ с протонным насосом БР, может быть показана с помощью простейших оценок. При "физиологических" условиях скорость протонного переноса в молекуле БР составляет ~1Н+/10 мс. С учетом площади 1540 А02, приходящейся в ПМ на молекулу БР, для потока Н4", обусловленного активной транслокацией БР, получим величину = 6,5 ■ 1014 Н*7(с-см2). Этот поток через мембрану должен компенсироваться диффузионным переносом Н+ из объема раствора к поверхности ПМ. Используя закон Фика и оценивая градиент концентрации Н+ как Э[Н+]/Эх ~ су/Ь, где х - координата в направлении нормали к ПМ, су -объемная концентрация Н+, Ь - характерная диффузионная длина, получим: ]ц+ = -Оо[Нт]/дх ~ И су/Ь, где Б - коэффициент диффузии Н+, равный 9,3-Ю"5 см2/с. Полагая Ь ~ ф-т)1/2, где т - характерное время переноса Н+ (х = 10"2 с) и находя величину Су, получим су = 10" М. Эта оценка показывает, что в среде, имеющей рН выше 5, активный протонный перенос в БР с наблюдаемой скоростью был бы невозможен из-за лимитирования доставки к устью транспортного канала. В действительности же БР функционирует при концентрации Н+ в среде по крайней мере на три порядка меньшей 10 5 М. Можно предполагать, что связанные с нативными ПМ ионы Са2+ и М§2+ являются центрами поляризации, функциональная роль которых состоит в следующем: а) увеличение степени диссоциации молекул воды вблизи поверхности ПМ и, тем самым, повышение локальной концентрации Н+ вблизи устья протон- транспортного канала БР, б) образование гидратных комплексов Н50г+, в которых протон обладает высокой подвижностью исключающей кинетические затруднения при доставке Н+ к каналу переноса.

Совпадение температуры блокирования протонного переноса в БР с температурой 223 К, при которой наблюдается резкое уменьшение подвижности протонов связанной с ПМ воды, позволяет заключить, что функциональные свойства БР при низких температурах определяются структурно-динамическими характеристиками молекул воды, образующих гидратные оболочки связанных с ПМ двухвалентных катионов металлов.

Применительно к ионам Ре3возможный механизм увеличения активности Н+ вблизи поверхности ПМ может состоять в следующем. Двухзарядный мономерный комплекс [Ре(Н20)50Н12+, связываясь с карбоксильными группами, образует нейтральный ассоциат [Ре(Н20)з0Н] +(-СОО)2. Расположение карбоксильных групп на поверхности ПМ таково, что образующиеся ассоциаты будут окружать устье протон-транспортного канала, расположенного между сегментами А-О молекулы БР. Присутствие жестких анионных групп катализирует дальнейший гидролиз иона железа:

[Ре(Н20)50Н]2+(-С0СГ)2 о [Ре(Н20)4(0Н2)]+(-С0СГ)2 + Н+Т

При этом однозарядная частица |Ге(Н20)4(0Н2)]+(-С00~)2 взаимодействует с одной из СОО~ -групп, тогда как вторая может быть нейтрализовала высвободившимся протоном. Функционирование протонной помпы БР должно приводить к тому, что высвободившийся Н+ будет захвачен в протонный канал, а стационарность неравновесного состояния, возникшего из-за нарушения указанного равновесия, будет достигаться путем диффузии протона из окружающей водной среды.

Блокирование фотоцикла БР наблюдается при соотношении Рс/ВР > 2, когда ионы Ре3+ связываются с ПМ в виде димеров [(Ре0Н)2«8Н20]4+ и кластеров. Блокирование фотоцикла при этом, вероятно, связано с сильным поляризующим влиянием дигидроксодимеров и кластеров как на лигандные группы БР, так и на гидратные оболочки комплексов. Склонность этих форм к образованию ассоциатов с несколькими функциональными группами ПМ должна приводить к значительным возмущениям конформации БР и увеличению структурной жесткости, блокирующей копформациониые изменения БР. Кроме того, сильное кулоновское отталкивание препятствует в этом случае внедрению Н+ в протон-транспортный канал. Можно заключить, что влияние катионов на протонный транспорт в БР определяется балансом процессов гидролиза и комплексообразования, в которых участвуют анионы среды и карбоксильные группы БР.

3.6. Динамическая модель активного фотозависимого переноса протонов в бактериородопсине. Развитые в предыдущем разделе представления о роли связанных катионов в процессе трансмембранного переноса протонов в ПМ относятся к "поздним" стадиям фотохимического цикла БР и включают процессы Н+-обмена между периферическими группами протонного канала БР и впешпей средой, временные масштабы этих процессов составляют 1-10 мс. Принципиальной проблемой для мембранных исследований является механизм использования энергии света, запасаемой за время "Ю"11 с, для сравнительно медленной активной транслокации протона в БР.

3.6.1. Основные предпосылки. Малое время первичной фотохимической реакции БР570 -> Кео и независимость скорости этого процесса от температуры дают основание считать, что процесс запасания энергии поглощенпого фотона происходит вследствие перераспределению электронной плотности между электрон-донорным (В) и электрон-акцепторным (А) центрами, которые локализованы в молекуле БР. По-видимому, перераспределение представляет собой частичный перенос электронной плотности неподеленной пары, поскольку при протекании фотоцикла БР образование радикалов не происходит. При возбуждении системы группы В и А приобретают заряды (+2е) и (-5е) соответственно (5 < 1 - величина перераспределенного заряда, е - элементарный заряд). Локализация О и А групп в молекуле должна быть такой, чтобы направление электрического поля возникших разделенных зарядов было направлено противоположно направлению электрического поля, существующего внутри ПМ в месте локализации протона, и превышало последнее в некоторой ограниченной области включающей канал направленного переноса протона. Образовавшееся неравновесное состояние (С+8с,А^е)-системы должно быть достаточно стабильным для того, чтобы запасенная энергия могла расходоваться порциями, необходимыми для активации отдельных стадий переноса Н+. Стабилизация сильно неравновесного состояния (0+6е,А"ге)-пары может осуществляться путем информационных перестроек системы, в частпости, при смещении мостикового фрагмента.

Цепочка сопряженных тс-связей в полиеновой структуре ретиналя представляет собой лабильную электронную систему, непосредственно вовлеченную в поглощение кванта света, что дает основание с читать ретипаль компонентом (1},А)-системы перераспределения электронной плотности.

Ранее [Тимашев С.Ф., Максимычев A.B., Соловьева А.Б. //ДАН СССР (1981) 256:42' мы проанализировали две возможные ситуации, различающиеся взаимным расположение (П+гс,А_6с)-пары и основания Шиффа -C=NH+, на котором исходно локализова транспортируемый протон. Результаты изучения электрохромных явлений высокоупорядоченных препаратах ПМ (§3.3.1) показывают, что ß-ионовое кольцо ретинал расположено ближе к цитоплазматической поверхности ПМ, чем группировка -C=NI; шиффова основания. Исходя из этого, будем считать, что основание Шиффа расположено центральной области мембраны, а ß-ионовое кольцо находится на расстоянии 1-2 нм о цитоплазматической поверхности ПМ.

3.6.2. Активный фотоиндуцированный перенос протона. Гипотетический одномерны профиль свободной энергии протона в канале и его изменение в результат перераспределения электронной плотности (D°,A°) (D^A"^) приведены на рис. 1: Исходное положение протона на групп -C=NH+ отвечает локальному минимуму энерпп глубина которого соответствует энергии связывания протона на группе с рКа s 10 при pH' Фотоиндуцированный электронный переход (D°,A°) -> (D+5c,A"s=) изменяет энергетически профиль так, что состояние протона на группе -C=NH+ становится метастабильным возникает термоактивационный дрейф Н+ в сторону внеклеточной поверхности I1.V Величины барьеров AG* оценены, исходя из кинетики отдельных стадий фотоциклг характеризуемых константами скорости к, - (кьТ/Ь)-ехр(-ДО */квТ), где к -констант скорости, кв -постоянная Больцмана, h - постоянная Планка. Электрическое поле (D+5e,A"Se) пары обусловливает векторный характер перескоков Н* между соседними центрам локализации, приводя к понижению активационных барьеров в сторону внеклеточно поверхности ПМ и повышению их для переходов в противоположном направлении. В это: смысле можно говорить об изменении величины рКа протон-связываюгцих групп в величину ДрКа = геЕ/(квТ), где г- характерное расстояния между центрами локализации Н\ - напряженность электрического поля (D+8e,A"Se)-napii в рассматриваемой точке. Изменени профиля энергии Н4 происходят локально - в цилиндрической области радиусом 0,4-0,5 hn включающей канал переноса Н+ в одной молекуле БР.

Существенным для данного рассмотрения является то, что при выбранной нами н основании собственных экспериментальных данных геометрии расположения ретинал относительно ПМ электронная плотность в результате фотовозбуждения должна смещаться сторону внеклеточной стороны ПМ, результатом чего станет уменьшение электронно плотности в области ß-иононового кольца ретиналя. Согласно модели "внешнего точечног заряда" такое изменение распределения заряда в хромофорной группе приводит батохромному сдвигу полосы поглощения БР, что соответствует наблюдаемы спектральным изменениям на стадии БР570 -> iCsio фотоцикла. Кроме того, смещени электронной плотности за время, не превышающее времени образования интермедиата К, направлении, совпадающем с направлением трансмембранного переноса протона, може объяснить наличие в фотоэлектрическом ответе БР быстрой "отрицательной" фазь (см. §3.4.1).

Неравновесное состояние (ТУ^.А"81) должно стабилизироваться за счет существовани канала быстрой безизлучательной релаксации электронного и колебательного возбуждена Дополнительная стабилизация состояния (D+Se,A"{':) может достигаться за счет возрастали активационного барьера для обратного термоактивационного электронного переход (D+5e,A"&) -> (D°,A°) вследствие изменения конформации мостиковой частицы. В рамка изложенных представлений интермедиату К соответствует состояние, в котором произошл перераспределение электронной плотности, стабилизированное поворотом мостикового

Рис.13. Предполагаемый профиль потенциальной энергии протона в пурпурной мембране в темновом (А°,В°) и неравновесном (А+!,В"8) состояниях. Барьеры между промежуточными состояниям

отвечают кинетике фотоцикла бакгериородопсина при

«физиологических» условиях

фрагмента. Электрическое поле ф+8е,А~8е)-пары стимулирует депротонизацию шифова основания (стадии фотоцикла К М, протекающие за время ~50 мкс). Время жизни неравновесного состяния (В45е,А"5е) составляет 103 с по порядку величины. В состоянии М происходит релаксационный термоактивационный переход (П+8е,А"8е) (0°,А°), после чего становится возможным репротонирование основания Шиффа (стадия М412 БР570) протоном, захваченным со стороны цитоплазматической поверхности.

Расположение термов состояний и (О0,А0) (рис. 13) выбрано так, чтобы

энергия, запасаемая при образовании пары ф+8е,А"8|:) составляла -0,4 эВ, поскольку протонная помпа БР способна перекачивать протоны против ДрН « 4-5 и создавать при этом мембранную разность потенциалов -50-100 мВ, что соответствует запасаемой разности электрохимических потенциалов Дцн+ к 0,4 эВ.

3.6.3. Мостиковая частица. Мостиковая частица должна иметь возможность существенно изменять свое конформационное состояние за время -10"11 с (образование интермедиата К). Динамическая модель функциониррования БР должна включать самосогласованное электронно-конформационного взаимодействия, в котором быстрый процесс перераспределения электронной плотности стимулирует изменение конформации тяжелой мостиковой частицы. Можно предположить, что согласование информационных перестроек мостикового фрагмента с изменением зарядового состояния (В, А)-пары может достигаться за счет электростатического взаимодействия, если в качестве мостиковой частицы будет выступать полярный аминокислотный остаток - аргинин, гистидин, лизин, дипояьные моменты которых составляют -4 О. Напряженность электрического поля на расстоянии -0,3 нм от одной из групп (Б486, А^-пары может достигать 107-108 В/см. Предположим, что мостиковая частица может находиться в двух конформационных состояниях а и р. Если устойчивым состоянием мостиковой частицы является состояние а, то появление электрического поля (ГУ^А^-пары может привести к тому, что энергия диполя в этом состоянии увеличится и более выгодной станет конформация р. Изменение

энергии диполя 4 D при изменении его ориентации в электрическом поле указанной вып нпаряженности может достигать 1 эВ. Можно предположить, что возвращение в исходно состояние будет происходить термоактивационно, минимальная высота барье[ релаксационного перехода составит в этом случае ~1 эВ. Для оценки частотного факто] воспользуемся соотношением: l/2-Jco2 = 1/2-kT, (J - момент инерции, со - частота колебани. приводящих к изменению конформации). Будем считать, что мостиковая частица имсс массу -120 Дальтон (средняя величина для аминокислотных остатков), а масса £ сосредоточена на расстоянии 0,3 нм от оси вращения. При комнатной температуре да характерного времени одного колебания т получим оценку т = 1/(2яш) -10"11 с, за это вре\ мостиковая частица может изменить свою конформацию при появлении электрического по;

пары зарядов. Полученная величина г совпадает с временем образован! состояния К в фотоцикле БР при комнатной температуре.

Время существования системы в неравновесном состоянии (D^A"8*) можс регулироваться кинетическими причинами. Например, барьер для релаксационног электронного перехода (D+6c,A"6e) —у (D°,A°), происходящего без участия мостиково частицы, таков, что этот переход происходит спустя ~10"3 с после образовали неравновесного состояния, а исчезновение электрического поля (D+Se,A"i4)-napbi приводит тому, что конформация а становится для мостиковой частицы энергетически более выгодно и она переходит в нее за время -10"11 с.

3.7. Перспективы создания мембранных и сенсорных устройств на ochoi бактериродопсина. Высокая стабильность БР и возможности удобной регистраци изменения состояния хромофор-белкового комплекса с использованием спектральных ил электрических методов измерения позволяют рассматривать БР как основу для ря; устройств технического назначения.

3.7.1. Детектирование в газовой Фазе. Спектральные свойства препаратов БР могу быть использованы для создания сенсорных устройств, позволяющих детектировать НгО другие полярные молекулы (HCl, H2S, NH3) в газовой фазе. Вакуумная откачка вызыва гипсохромный сдвиг в спектре поглощения, который обращается в присутствии полярны молекул, при этом неполярные молекулы (N2, Ог, С02) не влияют на положение Дг измерения влажности могло бы использоваться устройство, в котором иммобилизованные I прозрачной подложке ПМ помещены между светоизлучающим диодом с максимуме испускания при 580 нм и фотодиодом. При уменьшении влажности в такой системе буд< наблюдаться увеличение оптического сигнала.

Влагосодержание влияет также на величину стационарного фотопотенциала (га §3.4.2.) от влажности, что может быть использовано как основа для конструирован! фотоэлектрического датчика паров НгО.

Исследование примерно 70 алифатических, ароматических и др. органически соединений показало, что взаимодействие с некоторыми из них приводит к обратимы смещениям Х^ БР, тогда как в присутствии других происходит необратимс обесцвечивание ретиналь-белкового комплекса из-за диссоциации группировки -C=NH+ основании Шиффа. Обратимое взаимодействие БР с органическими соединениями мож( составить основу спектрального метода детектирования органических соединений.

3.7.2. Катионная чувствительность пурпурных мембран. БР облада чувствительностью к лантанидам, ионам AI, Ga, In, Sc,Y, Сг(Ш), Th(IV), Fe(II), Си, которь могут быть обнаружены методами динамической спектрофотометрии по уменынени скорости релаксации интермедиата М412. Влияние, в частности, солей La(III) на фотоцш

носит обратимый характер, динамический диапазон составляет примерно от 5 до 100 мМ La(III).

Спектр поглощения БР чувствителен к изменению рН среды инкубации. В интервале рН 3,5-10 БР имеет пурпурную окраску (Х™* = 560-570 нм), при рН^З,5 БР приобретает синий цвет (Хтм = 605-610 нм), этот переход обратим. При рН< 1 БР вновь приобретает пурпурную окраску. В среде рН > 10 образуется форма БР оранжевого цвета (Хтах = 460-500 нм), при рН 13 БР окрашивается в желтый цвет. Величина рН влияет также и на кинетику электрооптических переходов БР.

3.7.3. Фотосенсорные свойства пурпурных мембран и фоторегуляция. Первичные процессы поляризации в молекуле БР развиваются в субпикосекундном масштабе времени и могли бы быть использованы для создания фотодетекторов с временем переключения на уровне единиц пикосекунд. Наши эксперименты (§3.4.1) показывают, что при температуре жидкого азота быстрый (<0,3 мкс) процесс поляризации становится единственным кинетическим компонентом, при этом образовавшееся поляризованное состояние стабильно неограниченно долгое время. Такое устройство может быть использовано для быстрой оптической записи и длительного хранения информации при низкой температуре.

Более совершенные фотодетекторы могут быть изготовлены с использованием полевых транзисторов, в этом случае для достижения высокого быстродействия необходимы высокочастотные МДП-структуры. Наши попытки конструирования фотопереключаемого элемента на основе упорядоченного препарата ПМ и полевой МДП-структуры (§3.4.2) показывают реальность создания подобных устройств. рН-селективный полевой транзистор, используемый для детектирования переносимого БР протона, может рассматриваться как альтернативный вариант гибридного фоторегистрирующего устройства.

Фотосенсорные свойства БР могут быть использованы для создания оптической реверсивной памяти с малым (~4 ис) временем доступа для устройств обработки информации. Топографический принцип хранения информации реализуется с использованием материала "Биохром".

3.7.4. Модифицированные препараты пурпурных мембран в организованных молекулярных ансамблях. Молекулы БР модифицировали с целью выяснения механизма функционирования и получения материалов с необходимыми свойствами. Структуру БР видоизменяли методами генной инженерии и химическими методами, включающими манипуляци с хромофорной группой, отдельными аминокислотными остатками, протеолиз полипептидной цепи и сшивание отдельных ее участков посредством буфункциональных реагентов. Модификация существенно расширяет возможную сферу приложения получаемых материалов для создания мембранных сенсорных устройств, например, путем встраивания синтетической хромофорной группы вместо альдимина ретиналя. Реконструированные аналоги имеют Л,^ в диапазоне от 412 до 662 нм. Сохранение БР функциональных свойств после значительных химических модификаций позволяет рассмотреть гипотетическую возможность создания па его основе высокоспецифических химических сенсоров путем ковалентного присоединения к БР биомолекул, проявляющих высокую специфичность в процессах связывания фермент-субстрат или антиген-антитело.

Поляризация второй гармоники (длина волны 532 нм) лазерного излучения, генерируемого упорядоченными препаратами БР при облучении светом 1064 нм, зависит от ориентации ретиналя. Поляризационные эффекты, как правило, весьма чувствительными к воздействиям, изменяющим пространственную структуру хромофорного центра. Можно предполагать, что нелинейные оптические свойства препаратов ПМ могут составить основу нового класса высокочувствительных сенсоров, реагирующих на изменение конфигурацию хромофорной группы.

Отработанные способы получения высокоупорядоченных препаратов ПМ позволяю рассматривать возможности использования их как активных компонентов мембранны систем, выполняющих регуляторные функции. Протон-транспортная функция БР може быть использована для регулирования проницаемости мембран из поливинил полипептидного сополимера, поскольку конформационное состояния полимер; определяющее его проницаемость для ряда органических субстратов, изменяется пр. протонировании полипептидного компонента. Проницаемость некоторых мембран и жидкокристаллических амфифилов зависит от приложенного к мембране электрическог поля (латерального либо трансмембранного). В этом случае фотоэлектрическая активност БР может Выть использована для регулиролвания проницаемости жидкокристаллически пленок.

Электрическое поле способно влиять на кажущуюся активность биокатализатор; например, алкогольдегидрогеназы, стимулируя переход к сильно неравновесному режим переноса и преодоление диффузионных ограничений для продуктов и субстрато] Использование фотоэлектрогенных свойств БР в системах такого рода может оказатьс весьма эффективным, поскольку легко достигаемые в упорядоченных препаратах Щ потенциалы ~1 В (§3.3.1) более чем на порядок увеличивают кажущуюся активност фермента.

3.8 Заключительные замечания. Комплекс ПМ является удобным объекта исследования принципов организации мембранного транспорта в биологических система? Отработка приемов получения высокоупорядоченных препаратов ПМ и изучение с помощы набора физических методов влияния на БР температуры, влагосодержания, внешнег электрического поля позволило разработать динамическую модель функционирования Б1 Существенной особенностью предложенного механизма является нестационарны циклический характер процессов.

Оценим степень неравновесности функционирующего мембранного комплекса ГО» Брутто производство энтропии а можно оценить по диссипации поглощенных системо фотонов. Считая, что процесс диссиапции не сопровождается совершением механическо работы, можем записать: а = ¿Эу/Л = (Ш1(с1Еу1/Т), где сйу и с!Еу - приращения энтропии внутренней энергии соответственно, отнесенные к единице объема, I - время, Т температура. Считая процесс диссипации изотермическим, последнее соотношение можн переписать а = 11у-и-п/(Т-хрь), где И - постоянная Планка, V - частота, отвечающая максимум в спектре поглощения БР, ю - квантовый выход фотоцикла БР, п - плотность поглощающи молекул БР в структуре ПМ, тр'„ - время оборота фотоцикла БР. Для оценки положи Ьу = 2 эВ = 105 кДж/моль, са ~ 0,5, п 1019 ~ см'3, Т = 300 К, хрь ~ Ю"2 с. Подстановка эти величин дает ст ~ 0,5 Дж/(К-с-см3). Полученная величина включает в себя вкла & ~ 0,1 Дж/(К-с-см3), обусловленный трансмембранным переносом протонов. Оцененнс таким образом производство энтропии представляет собой величину, усредненную г времени, превышающему время оборота фотоцикла.

Имеющиеся данные характеризуют широкие возможности использован! мембранных препаратов БР для детектированния полярных и заряженных неорганически субстратов, а также различных органических соединений в газовой фазе и в водной сред По-видимому, весьма перспективной является область, в которой задачи создан! фотоактивируемых сенсоров соприкасаются с проблемами ввода и вывода данных системах обработки информации. Перспективными представляются исследован! гибридных структур, сочетающих упорядоченные препараты ПМ с полупроводниковыми и

жидкокристаллическими материалами, а также комплексов ПМ с синтетическими или биомолекулами.

Глава 4 . Нелинейная динамическая система на основе фотоуправляемой реакции Белоусова-Жаботинского

4.1. Введение. Препараты БР могут составить основу биомолекулярных элементов, пригодных для использования в дискретных цифровых устройствах обработки информации. Использование оптического вода/вывода информации создает основу для реализации параллельной обработки информации. Зачительный интерес в также представляют атгоритмы волновой обработки информации, реатизуемые нелинейными динамическими системами (биологическими и искусственными).

4.1.1 Особенности обработки информации нейронными системами. В разработке вычислительных устройств и алгоритмов в настоящее время существуют две фундаментальные парадигмы: 1) Фон Неймана, используемая в цифровых компьютерах; 2) автоволновая, реализуемая нейронными сетями и клеточными автоматами. Наиболее ярким примером нейронпой сети является человеческий мозг, состоящий из Ю10-10п нейронов, каждый из которых образует контакты примерно с 104 других нейронов.

Особенностью обработки зрительной информации в мозге является существенно динамический характер хранения информации. В сенсорной и двигательной коре сохраняется запись нервной активности, имевшей место при взаимодействии с объектом -своего рода «паспортные данные», достаточные для воспроизведения некоторого набора характерных отличительных особенностей образа. Большой интерес представляет изучение реатизусмого мозгом алгоритма «паспортизации» образа, который должен быть экономен, но содержать достаточное количество информации для воспроизведения исходных данных с требуемым приближением.

Простейшими элементами, использующимися при анализе изображения, являются линии максимального градиента яркости и линии границы объекта; связанные области постоянной яркости, цвета или текстуры; элементарные фигуры - прямоугольники, окружности, треугольники и т.п. Отметим, что выделение линий максимального градиента яркости эквивалентно свертке изображения с второй производной от функции Гаусса (с вейвлетом МНАТ (см. §§2.2, 2.4), широко используемым в операциях «сжатия информации»).

Восприятие зрительного образа, помимо анализа изображения, включает процессы синтеза - например, достройки границы (при наличии разрывов) и заполнения фигуры, образованной граничной линией. Активность процесса восприятия проявляется также в переключении «деталь-целое» - подчеркивание либо игнорирование деталей.

Простейшие нейронные сети [Ilopfield J.J. //Troc. Natl. Acad. Sei. USA (1982) 79: 2554] пригодны для реализации кратковременной памяти, способны увеличивать или уменьшать отношение «сигнал/шум», обострять или уширять подаваемый на вход прямоугольный импульс, выделять контур изображения, выделять наиболее яркие фрагменты изображения.

Использование традиционной полупроводниковой базы при создании нейронных устройств встречает сложные конструктивные проблемы, поэтому попытки реализации нейронной сети на основе нетрадиционных материальных носителей представляют значительный интерес.

4.1.2 Колебательная химическая реакция Белоусова-Жаботинского. В настоящей работе фоточувствительная колебательная химическая система Белоусова-Жаботинского

(БЖ) исследуется в качестве физической основы нейронной сети, используемой д обработки изображений.

В классической БЖ реакции роль катализатора играют ионы цери Светочувствительность БЖ реакции достигается применением в качестве катализато] рутенийбипиридилового комплекса. Фотохимия процесса, кратко, заключается следующем:

11и(Ъру)з3+ + е" -> 11и(Ьру)з2+ (+1,26)

11и(Ьру)з3+ + е" +Ьу -> Яи*(Ьру)32+ (-0,84)

(В скобках указан редокс—потенциал в вольтах). При поглощении кванта света редок потенциал реакции практически инвертируется, в результате чего возбужденный компле: рутения реагирует с броматом согласно брутто-формуле:

ВгОз" + 6Ли*(Ьру)32+ + 6Н+ -> 6Яи(Ьру)33+ + Вг + ЗН20 (2

В результате этой реакции образуются бромид-ионы, ингибирующие БЖ реакцию; таи образом освещение воздействует на режим автоколебаний.

При использовании в качестве катализатора комплекса рутения можно видеть в ере; распространяющиеся голубые автоволны окисления на общем оранжевом фоне. Основные компонентами, за счет диффузии которых распространяется волна, являютс преимущественно, НВг02 и В Г.

Тонкий цеперемешиваемый слой среды БЖ представляет собой распределенну систему, которую можно рассматривать как своеобразную нейронную сеть, состоящую : виртуальных ячеек, в каждой из которых происходит химический колебательный процес Сопряжение между ячейками осуществляется за счет диффузии компонентов. Характернь размер «элементарной ячейки» в этой сети будет определяться корреляционной длиной 1 химической реакции: 1сог ~ (тл-О)"2, где тсь - характерное время колебания, О - характерш величина коэффициента диффузии компонентов. Управление режимами функционировал] системы может достигаться путем изменения химического состава и температуры среда Проецируемое изображение задает исходное распределение концентрации ВГ, моду лир; колебательный процесс БЖ, что является физико-химической основой автоволновь алгоритмов обработки изображений.

4.2. Методика проведения эксперимента,

4.2.1. Получение и анализ изображений. Фоточувствительная БЖ среда для обрабоп изображений представляет собой расположенный горизонтально слой жидкости толщине 0,5+2 мм или пленку с иммобилизованным катализатором, оптическая плотность которь составляет ~1-1,8 в области 450-500 нм. Реакционный слой наблюдается в проходяще диффузном свете, спектральный состав которого задается светофильтром СЗС-7. Для вво; анализируемого изображения служит проектор для слайдов. Изображение реакционш кюветы регистрировали с помощью видеокамеры, полный телевизионный сигнал видеокамеры (512x512 элементов изображения) направляется на черно-белый монитор и буферную видеопамять, в которой для передачи видеосигнала используется 256 градащ яркости. Отобранные кадры телевизионного изображения хранились на жестком дна компьютера.

4.2.2. Приготовление образцов. Рабочий раствор для реакции БЖ включал в се( СН2(С00Н)2 (0,2 М), СНВг(СООН)2 (0,1 М), КВЮз (0,3 М), Н2504 в концентрации от 0 до0,6 М, а также катализатор Яи(Ьру)зС12 1 мМ. БЖ реакция исследовались в системах иммобилизованным катализатором. Катализатор иммобилизовали в катионообменнс мембране МФ-4СК или в пленках геля (силикагель либо ПААГ). Для проведеш экспериментов пленки с иммобилизованным катализатором заливали рабочим растворс

указанного состава. Помимо систем с иммобилизованным катализатором в экспериментах использовалась реакционная среда БЖ в виде неперемешиваемого слоя жидкости толщиной 0,5-1 мм.

4.3. Результаты.

4.3.1. Выбор режима функционирования. Неперемешиваемый слой реагентов БЖ ведет себя как распределенная система, состояние которой различно в различных точках пространства и в различные моменты времени. В отсутствие внешних воздействий, например, засветки, в среде наблюдается периодическое возбуждение бегущих волн окисления-восстановления. Температурный интервал, в котором возможен колебательный процесс, зависит от кислотности среды: низший предел температуры изменяется от 17°С до 13°С при увеличении концентрации H2SO4 от 0,3 до 0,6 М. Период колебания БЖ реакции зависит от температуры, измепяясь в пределах от 15 до 60 секунд.

При освещении слоя фоточувствительной автоколебательной среды БЖ согласно (21) происходит выделение бромид-ионов, ингибирующих БЖ процесс. Увеличение концентрации Вг" приводит к запаздыванию следующего цикла автоколебания и сдвигу фазы колебания, тем большему, чем большая доза излучения поглотилась в данной точке пространства. В результате в слое раствора получается распределение сдвига фазы колебаний Дф, соответствующее распределению освещенности Е(х,у): Дф=Дф(Е)= Дф(х,у).

В определенной области значений параметров среды колебания БЖ системы носят практически линейный характер. Линейным колебаниям отвечает периодическое превращение анализируемого изображения (позитив) в негативное и возвращение к позитиву (рис. 14а). Таким образом, одним из основных свойств фоточувствительной автоволновой среды является способность «запоминать» введепное в пее изображение. Процесс запоминания в этом случае имеет существенно динамический характер, поскольку изображение хранится в виде колебательного процесса.

Экспериментально определенное пространственное разрешение БЖ среды составляет 1,5-3 линии/мм, будучи слабо зависимым от температуры. Сопоставление этой величины с диффузионной длиной корреляции (§4.1.2) 1сог ~ (D-Td,)"2 ~ 0,15 мм (D ~ 10"5 см2/с, xch ~ 30 с) показывает, что пространственное разрешение автоволновой среды БЖ лимитируется диффузией компонентов в жидкой фазе. Диффузия лимитирует также время хранения изображения. Считая, что воспроизведение является «удовлетворительным», если размытие Д1 не превышает толщины слоя реакционной среды (0,5-1 мм), получим оценку для времени At хранения записанной светом информации: At~(Al)2/D ~250 - 1000 с. Оцененная таким образом величина по порядку величины совпадает с экспериментально наблюдаемой.

4.3.2. Двухуровневые изображения свет/темнота. Уменьшение кислотности реакционной среды и/или увеличение экспозиции приводит к тому, что колебания БЖ системы становятся существенно нелинейными. Это проявляется в виде «высвечивания» контуров замкнутых частей изображения после фазы негативного изображения. Далее происходит эволюция контура на фоне чередования «позитив-негатив» (рис. 14А). Контур возникает на границе освещенного и неосвещенного участков анализируемого изображения, выявляя линии максимального градиента освещенности. Эволюция возникшего контура состоит в смещении каждой его точки в направлении нормали к линии контура в сторону освещенной области изображения. При достаточно низкой кислотности и при больших экспозициях позитивное изображение не возникает вообще. Нелинейнойсть исследуемой БЖ системы проявляется в том, что от экспозиции зависит не только фаза колебания в данной пространственной точке, но и скорость распространения волны. По этой причине время эволюции проявленного контура может оказаться больше периода основного колебательного

А Б В Г

Рис.14. Примеры некоторых операций обработки изображений, выполняем! фоточувствительной средой Белоусова-Жабсггинского.

процесса «негатив-позитив».

Операции обработки двухуровневых (свет/темнота) изображений, основанные ] эффекте выделения контура, состоят в следующем: а) разложение сложных геометричесю образов на простые составляющие (рис. 14А); б) сглаживание контура с последующ! выделением «скелета» изображения (рис. 14Б); в) удаление относительно магп особенностей (рис. 14В). Эта операция представляет собой фильтрацию высокочастотно; пространственного шума. Принципиальное отличие этого процесса в нелинейш колебательной системе от аналогичного процесса в традиционных фотографичесю материалах состоит в том, что в случае динамической колебательной системы удалять-могут детали, значительно превышающие предел пространственного разрешения сред Рассмотренные операции представляют собой примеры анализа изображения - выявлен! его главных формообразующих элементов. Однако, с помощью нелинейной динамическс БЖ среды возможно выполнение некоторых операций «синтеза» картины, достройки ; целого, например, синтез общего вида изображения из отдельных частей (рис. 14Г).

4.3.3. Изображения с различными уровнями освещенности. Эволюция изображен« имеющего четыре уровня яркости, зависит от экспозиции, но при этом имеют место обпр черты процесса: а) фрагменты с различными уровнями яркости выявляются на разнь стадиях колебательного процесса; б) при недостатке динамического диапазона среды д;

одновременного выделения всех фрагментов они проявляются последовательно в ходе нелинейного колебательного процесса; в) наблюдается выделение контуров наиболее ярких фрагментов изображения.

В случае полутоновых изображений отклик среды представляет собой сложную комбинацию чередования негативного-позитивного изображений и выделения контуров с последующей эволюцией контурных линий. Фрагменты, обладающие различной яркостью, проявляются на различных фазах колебательного процесса, обусловливая возможность управления контрастом изображения.

4.3.4. Обсуждение результатов. Полученные экспериментальные результаты позволяют заключить, что основные возможности молекулярной возбудимой среды БЖ как инструмента обработки визуальной информации аналогичны свойствам нейронных сетей. Обе названные системы способны выполнять роль кратковременной памяти, обострять входной сигнал (выделение контура в случае БЖ), удалять или подчеркивать мелкомасштабные особенности изображения. Причем, имеется хорошая корреляция между динамическими особенностями возбудимой среды БЖ и нейронными сетями, в которых каждый нейрон соединен с нейронами лишь в ближайшем окружении.

Оценки информационной емкости автоволновой среды БЖ показывают, что принимая величину 1сог~0,15мм (§4.3.1), для размера одного "пикселя" изображения в среде БЖ, получаем оценку Дх-Ду ~ 1СОг2 ~ 2Т0"2 мм2. Экспериментальноустановлено, что телевизионный сигнал с 256 уровнями яркости адекватно передает эволюцию изображений в БЖ среде. Это означает, что информационная емкость одного пикселя составляет приблизительно 1 байт. Таким образом, емкость автоволновой БЖ среды может достигать 5-103 байт/см2, что при используемой нами площади поверхности ~100см2 соответствует полной емкости системы ~500 килобайт. Полученная величина сопоставима с количеством информации, представляемой на экране монитора персонального компьютера.

Автоволновая фотовозбудимая среда БЖ демонстрирует особенности поведения, которые можно интерпретировать как «переключение внимания с деталей на изображение в целом». Режиму акцентирования общего вида изображения отвечают обнаруженные экспериментально операции: а) выделение контура, б) достройка до целого, в) удаление малых особенностей изображения, г) скелетизация изображения. Режиму переключения на детали изображения отвечают выполняемые БЖ средой операции: а) разбиение изображения на простые части, б) выделение малых деталей. Указанные операции очень близки к основным операциям, рассматриваемым как элементарные стадии восприятия зрительной информации мозгом.

Очень простые по своей структуре динамические среды оказатись способны моделировать некоторые простейшие операции, выполняемые мозгом в процессе анатиза визуальной информации. Можно предположить натичие некоторой основополагающей общности в динамике двух систем. В основе этой общности, несмотря на несопоставимо различные уровни сложности структурной организации, могут лежать волновые алгоритмы обработки информации, осуществляемой мозгом и химической возбудимой БЖ средой, рассматриваемой как виртуальная нейронная сеть.

4.4. Заключительные замечания. Степень удаленности колебательной БЖ системы от положения равновесия характеризуется производством энтропии в системе. В линейной области производство энтропии сг можно разложить на две независимые части: ст = ась + одг, где ось - производство энтропии в необратимых химических процессах, о^ - производство энтропии в диффузионных процессах. В случае диффузии роль обобщенного потока играет диффузионный поток вещества ^ =-Ц-Ус| ф - коэффициент диффузии ¡-того компонента, с.

- его концентрация), роль сопряженной обощенной силы играет деленный на температур) градиент химического потенциала V|i¡, так что в соответствии с (1) можно записать:

к 1

В случае химического превращения роль потока выполняет скорость химическ реакции аз, а роль обобщенной сопряженной силы - сродство реакции А. Для одностадийн химической реакции 1L <-» mM (1 и m - стехиометрические коэфициенты), характеризуем константой скорости прямой реакции к] и константой скорости обратной реакции величины ш и А выражаются: со = kicL'- k2cMm; А = kT'ln(k1CLl/k2cMnl) (k - постоят; Больцмана). Отсюда для величины ось в соответствии с (1) получим:

V Ар

С си = 2Ä-f р 1

Расчет производства энтропии <тл в рамках модели «орегопатора» [Field R.J., Koros T., Noi R.M. HJ. Amer. Chem. Soc. (1972) 94¿ 8649.] дает величину ~ 107 Дж/(К-с-см3).

Основной диффузионный вклад в производство энтропии в колебательной Е системе обусловлен НВг02 и В Г, диффузия которых обусловливает распространен автоволн. Примем для оценок время колебания в БЖ системе равным ~30 с, а коэффициен-диффузии компонентов в водном растворе ~10'5 см2/с. Для градиентов концентрации прим оценку Vcí ~сДюг, где lc0r ~ (Tch-D)1'2 ~ 0,2 мм -"диффузионная длина". Для конценграц НВг02 и Bf, равных 0,1 M (§4.2.2), в рамках сделанных предположений получ] ödif~ Ю"4 Дж/(К-с-см3). Таким образом, основную роль в поддержании неравновесно состояния БЖ системы играют химические реакциии, а роль процессов диффузии в эт( пренебрежимо мала.

Квазилинейное поведение динамической БЖ системы (чередование позитивного негативного изображения) не приводит к появлению новой информации. Изменен количества информации в динамической системе по сравнению с количеством информант исходном изображении (выделение контура, фильтрация шума или акцентрирован деталей, скелетизация изображения и т.п.) происходит лишь в условиях существен нелинейных диссипативных колебаний БЖ системы.

Иммобилизация катализатора БЖ системы на ионоообменной мембране или фиксац компонентов реакции в силикагеле или ПААГ позволяет существенно увеличить вре: работы среды БЖ при подпитке свежим рабочим раствором, а также использовать препара' рутения многократно.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.

Существенной особенностью исследованных в настоящей работе мембранных сист является их термодинамическая открытость. Нетривиальное содержание этого утвержден состоит в том, что для понимания наиболее важных наблюдаемых закономерност мембранного переноса необходимо рассмотрение неравновесных условий протекай

процессов. Влияние поверхностной ЛБ модификации на коэффициент газопроницаемое

мембран и наличие вентильного эффекта указывают на существенно неравновесн] характер трансмембранного переноса молекул газа. Достижение предельной плотности то

в электродиализных системах с катионообменными мембранами сопровождает возникновением дополнительного канала диссипации энергии в виде конвективных поток раствора электролита. Сопряжение потока световой энергии с трансмембранным переносов

прогонов , осуществляемое молекулами БР, требует для своего объяснения нестационарных динамических моделей, заведомо далеких от равповесных.

Удаленность системы от положения равновесия характеризуется производством энтропии. Оценки показывают, что в исследованных нами системах уровень производства энтропии варьирует от ~10"6 Дж/(К-с-см3) в случае диффузии через газоразделительные мембраны до ~107 Дж/(К-с-см3) в системе с колебательной фоточувствительной БЖ средой. Представляет интерес сопоставить особенности поведения различных систем с их удаленностью от положения равновесия.

Локальное производство энтропии в системе с газоразделительной мембраной составляет по порядку величины от 10"6 до 10"4 Дж/(К-с-см3) в зависимости от типа мембраны и химической природы диффундирующего газа, будучи минимальным в случае диффузии N2 и максимальным при диффузии СОг. При диффузии газов наблюдаются вентильный эффект (зависимость коэффициента переноса от направления диффузионного потока в асимметричной мембране), а также влияние поверхностной модификации на приницаемость мембраны. Оба этих эффекта находят свое объяснение в рамках простой кинетической модели (§ 1.5), предполагающей линейную связь между потоками и термодинамическими силами и отсутствие перекрестных эффектов.

Дрейфовый перенос заряженных частиц под действием электрического поля происходит в условиях, значительно более далеких от равновесных по сравнению с диффузионным переносом газов. Производство энтропии в исследованной нами электродиализной системе с катионообмешюй мембраной характеризуется величиной ~(10'3-10"') Дж/(К-с-см3) в зависимости от плотности тока. При таком уровне диссипации процесс электромассопереноса приобретает нестационарный характер, проявляющийся в значительных флуктуациях мембранной разности потенциалов при фиксированном токе.При достижении предельной плотности тока система понижает свою симметрию, а также теряет пространственную однородность вследствие возникновения конвекции и формирования определенной пространственной структуры конвективных потоков. При этом электродиализная система становится нелинейной, поскольку стимулированный электрическим полем перенос катионов в этих условиях оказывается связанным с конвективным потоком раствора электролита. Конвекция по отношению мембранному переносу ионов играет роль отрицательной обратной связи, стабилизирующей систему.

Явления нестационарности и/или пространственного расслоения являются типичными примерами самоорганизации, возникающей в диссипативиых системах, достаточно удаленных от положения равновесия. Можно предположить, что подобные явления будут наблюдаться в случае мембранной диффузии газов при высоких степенях неравновесности. Движущая сила диффузии определяется разностью химических потенциалов Др молекул по обеим сторонам мембраны; сравнивая эту величину с тепловой энергией кТ (к - постоянная Больцмана) при температуре Т, получим: Др/кТ = кТ-1п(рг/р1)/кТ = 1п(р2/р0 ~ 5-10 при обычных газоразделительных режимах (р2 и р1 - давления газа по разные стороны мембраны). Аналогичное отношение для ^-зарядного иона, переносимого через электродиализную мембрану с разностью потенциалов Дер, составляет q•Дcp/kT ~ 102-103 при разности потенциалов порядка нескольких вольт (Т- компатная). Производство энтропии, реализуемое в электродиализных системах, может быть достигнуто в газоразделительных установках вследствие возрастания потока газа при перепаде давления в несколько десятков яли сотен раз больше атмосферного. При таких условиях следовало бы ожидать возникновения явлений нестационарности или пространственной неоднородности потока диффузанта как проявления нелинейных явлений самоорганизации.

В ПМ локальное производство энтропии, усредненное по времени, значителы превышающем время фотохимического цикла БР, составляет ~0,5 Дж/(К-с-см3). Эта величш определяется процессом диссипации поглощенного излучения и включает в се( производство энтропии в ходе трансмембранного переноса Н+ (а' ~ 0,1 Дж/(К-с-см3, Несмотря на высокую степень неравновесности по сравнению, например, электродиализным мембранными системами, функционирование БР в нативных ПМ ш исследованных в настоящей работе изолированных препаратах не сопровождает! сколь-нибудь заметными проявлениями кооперативности. По-видимому, препятствием да развития динамической самоорганизации при столь высокой неравновесности являет< известная структурная жесткость ПМ. Жесткая структурная организация БР обеспечива ему «динамический» режим функционирования, высокую резистентность к вненпп воздействиям и практически исключает возможность внешних управляющих воздействи: Столь высокая устойчивость динамики БР обеспечивает выполнение узкоспециально функциональной задачи этого комплекса в бактериальной клетке.

Оценки показывают, что вклад химической составляющей ach в полное произволен энтропии в случае колебательной реакции БЖ составляет ась ~ 107 Дж/(К-С'См3), тогда к: диффузионный вклад в производство энтропии для этой системы оценивается величине CTdif ~ 10"4 Дж/(К- с см). Таким образом, неравновесность колебательной БЖ систем обусловливается протеканием химических процессов, вклад диффузии в производил энтропии пренебрежимо мал. Отметим, что величина tTdif, полученная для жидкофазнс системы БЖ находится в согласии с производством энтропии в диффузионно газоразделительном процессе (Ю^-Ю"4 Дж/(К-ссм3)). Таким образом, протекаю химических процессов должно обеспечивать значительно более высокую степе! неравновесности по сравнению с диффузионными процессами. По-видимому, весы высокая степень нервновесности обусловливает возможность использования относитель» слабых световых воздействий для существенной модуляции колебательного режима среды. Новая информация, ради получения которой проводится обработка изображени генерируется только неравновесными нелинейными системами.

Значительное влияние химических реакций на степень неравновесности систем следует иметь в виду при обсуждении возможных режимов проведения мембраннь процессов. Сильное взаимодействие пенетранта с материалом мембраны, а такя стимулирование переноса, например, за счет использования электрического пол способствует удалению процесса транспорта от положения равновесия, возникновени явлений нестационарности и пространственного расслоения, возрастанию восприимчиво« системы к внешним управляющим воздействиям. Приводимые соображения подтверждай высокую перспективность мембранных реакторов, сочетающих химические реакции процессами диффузионного разделения.

Проблема совершенствования мембранных процессов традиционно связывается созданием новых мембранных материалов с заданными свойствами. Возможны два подхо; к решению этой проблемы. Первый состоит в формировании жесткой мембранной матриц! структура которой строго фиксирована на различных пространственных масштабах, начин; с нанометрового, с использованием технологий молекулярного дизайна и других подходо Мембранная структура в этом случае оптимизируется для какого-то ограниченно) диапазона условий проведения процесса и должна обладать достаточно высокой жесткосты чтобы не изменяться под воздействием факторов, сопровождающих процессы транспорт (тепловыделение, локальные электрические поля, осмотические силы и т.п.). Этот подход формированию мембранных структур можно назвать статическим.

Второй (динамический) подход может состоять в использовании лабильных мембран, пространственная структура которых формируется и/или изменяется в зависимости от режима проведения процесса. Для этих целей могут оказаться пригодными гибкие несшитые полимеры или жидкие мембраны, исходно структурированные путем включения их в полимерные матрицы. Подстройка лабильных систем под условия переноса должна носить характер процесса самоорганизации в направлении минимального производства энтропии в стационарном состоянии, при этом одновременно оптимизируется энергопотребление.

Можно предположить, что существенные динамические перестройки системы могут происходить, если выполняется соотношение: оТ £ Wv/т, где Т - абсолютная температура, Wv -объемная плотность характерной энергии взаимодействия структурообразующих единиц, х- время релаксации в заданном пространственном масштабе. Под энергией Wv следует понимать силу вязкого трения в жидкости или (в полимерной матрице) энергию, необходимую для смещепия фрагментов определенного масштаба друг относительно друга.

Рассмотрение фликкер-шума как нелинейного явления, присущего неравновесным динамическим системам, позволяет наметить подход к оценке надежности таких систем. Эти оценки могут быть актуальны для систем, имеющих сложную структурную организацию на молекулярном уровне, в частности, биологических. Следуя Шредингеру [Schrodinger Е. What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. Cambridge, Univ. Press (1944) 92 p.], при обсуждении минимальных размеров живых систем принято рассматривать броуновское движение с характерным масштабом энергии ~кТ как фактор, ограничивающий минимальные размеры живой системы. Однако, в диссипативных системах мощность фликкер-шума зачастую значительно превышает мощность частотно-независимого равновесного шума. Следовательно, при обсуждении надежности во внимание должны приниматься динамические флуктуации, возникающие в термодинамически открытых неравновесных системах. Плотность диссипирующей энергии не должна, по-видимому, превышать уровень, обусловливающий такую мощность фликкер-шума, при которой за время порядка времени существования биологической системы могла случиться флуктуация с амплитудой, имеющей фатальные для системы последствия. Это условие может ограничивать допустимую плотность энергетических и массовых потоков внутри клеток и через поверхность биомембран. Это же условие может оказаться важным для оценок долговечности синтетических мембранных структур, сформированных на микроскопическом уровне и функционирующих в сильно неравновесных режимах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика контроля неоднородности промышленно выпускаемых листовых газоразделительных мембранных материлов шириной до 30 см с помощью установки, осуществляющей неразрушающие локальные измерения па площади 0,2 см2, что позволяет проводить исследования с использованием малых объемов газа. Впервые показано, что корреляционный анализ на основе пространственных разностных моментов второго порядка, применешшый к результатам локальных измерений газопроницаемости, позволяет охарактеризовать поверхностную неоднородность промышленно изготавливаемых мембранных материалов.

2. Установлено, что нанесение упорядоченных на молекулярном уровне полидиацетиленовых пленок толщиной в несколько десятков нанометров в качестве селективного барьерного слоя на поверхность газоразделительных полимерных мембран приводит к увеличению селективной проницаемости получаемой композитной системы по кислороду на 50% без уменьшения потока газа, а также к анизотропии (зависимости от направления диффузионного потока) коэффициентов газопроницаемости. Показано, что

наблюдаемые явления являются следствием неравновесного режима протекания процесса мембранного газоразделения.

3. Показана эффективность концепции фликкер-шумовой спектроскопии выяснении механизма электромассопереноса в электродиализной системе катионообменной мембраной в запредельной области плотности тока. Методами анали: электрических флуктуаций установлены величины, характеризующие пространственные временные корреляции в диссипативной структуре, формируемой конвективными потокам электролита вблизи поверхности катионообменной мембраны. Модель конвективно неустойчивости электролита дает качественное описание вольт-амперной характеристик электромембранной системы с катионообменной мембраной в области запредельно плотности тока.

4. На основании анализа электрических флуктуаций в электромембранной систем установлено, что происходит изменение динамики системы от квазипериодическог режима, отражающего регулярный характер потоков электролита у поверхност катионообменной мембраны при малой плотности тока, к хаотическому, отражающем турбулизацию конвективных вихрей при плотности тока, в 5-7 раз превышающе предельную диффузионную.

5. Показано, что методы Ленгмюра-Блоджет и электрофоретического осаждени суспензии позволяют формировать молекулярно упорядоченные структуры пурпурнь мембран галобактерий на подложках различных типов - металлически? полупроводниковых, полимерных. Высокая фотоэлектрическая активность получаемы препаратов позволяет рассматривать их как перспективную основу фотопереключаемых оптоэлсктрических устройств.

6. Обнаружено, что в высокоупорядоченных препаратах пурпурных мембран имее место образование специфических пространственных агрегатов из фрагментов мембран зависимость кинетики фотохимических процессов бактериородопсина от ориентаци: мембранных фрагментов, что объясняется взаимодействием мембранных фрагментов з счет диполь-дипольного взаимодействия.

7. Разработана динамическая модель функционирования бактериородопсина фотозависимого активного транспорта протонов в пурпурных мембранах, учитывающа кинетику генерации быстрых фаз фотопотенциала бактериородопсином и анизотропш фотохромного эффекта в молекулярно упорядоченных препаратах бактериородопсина.

8. Установлено, что блокирование функиональных биологических свойст пурпурных мембран при низких температрах обусловлено структурно-динамическим свойствами молекул воды, входящих в состав гидратных оболочек катионов металлм связанных с бактериородопсином. Исследования методами оптической, ядерной магнитно: и мессбауэровской спектроскопии выявили места связывания катионов металлов в молекул бактериородопсина и их функциональную роль, состоящую в увеличении концентрации подвижности протонов вблизи устья протонного канала бактериородопсина.

9. Показано, что фоточувствительная система на основе колебательной химическо реакции Белоусова-Жаботинского с катализатором, иммобилизованным в катионообменно мембране или пленках геля, способна выполнять определенные операции обработк изображений (основу которых составляет процесс выделения линий максимальног градиента яркости) с использованием автоволновых алгоритмов, аналогичные простейшш операциям, выполняемым нейронными сетями. Установлено, что новая информация и анализируемого изображения извлекается при функционировании среды в режиме сильн нелинейных автоколебаний.

10. Из сопоставления диффузионных, электро- и фотоиндуцированных, а также химических дисснпативных процессов в мембранных системах установлено, что существенно нелинейное поведение неравновесной системы, проявляющееся в эффектах пространственного расслоения или нестационарном характере протекания процессов, обусловливается степенью неравновесности, характеризуемой скоростью удельного производства энтропии, а также структурной жесткостью системы. Сопряжение процессов мембранного переноса с химическими превращениями приводит к возрастанию степени неравновесности системы, что расширяет возможности выбора режимов функционирования и влияния на них с помощью управляющих воздействий.

4. ПУБЛИКАЦИИ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Тимашев С.Ф., Максимычев A.B., Соловьева А.Б. «О механизме переноса протонов в бактериородопсине» IIДоклады АН СССР, 1981, Т.256, №2, С.424-428.

2. Чаморовский С.К., Пикуленко А.Я., Максимычев A.B., Лукашев Е.П., Пащенко

B.З., Кононенко A.A., Рубин А.Б. «Температурная зависимость кинетики быстрых фаз генерации фотоиндуцированного электрического потенциала в пленках пурпурных мембран Halobacterium halobium» 1/Доклады АН СССР, 1984, Т.2674, №3, С.73 8-741

3.Максимычев A.B., Лукашев Е.П., Кононенко A.A., Чекулаева Л.Н., Тимашев С.Ф. «Фотопотенциалы и регуляция фотоцикла бактериородопсина электрическим полем в высокоориентированных пленках пурпурных мембран» IIБиологические мембраны, 1984, Т.1, №3, С.294-304.

4. Максимычев A.B., Чаморовский С.К., Тимашев С.Ф., Кононенко A.A., Чекулаева Л.Н., «Фотоэлектрические процессы в пленках ориентированных пурпурных мембран, нанесенных на проводящие поверхности» НБиологические мембраны, 1984, Т.1, №12,

C.129-1300

5. Максимычев A.B., Лукашев Е.П., Кононенко A.A., Тимашев С.Ф., Чекулаева Л.Н., «Анизотропия спектральных электроиндуцированпых изменений в ориентированных пленках пурпурных мембран» /Светочувствительные биологические комплексы и оптическая регистрация информации (Ред. Г.Р. Иваницкий) Пущино, 1985. С.152-156.

6. Kononenko A.A., Lukashev Е.Р., Maximychev A.V., Chamorovsky S.K., Rubin A.B., Chekulaeva L.N. «Oriented Purple Membrane Films as a Probe for Studies of the Mechanism of Bacteriorhodopsin Funcioning. l.The Vectorial Character of the External Electrical Field Effect on the Dark State and Photocycle of Bacteriorhodopsin» IIBiochimica et biophysica acta, 1986, V.850, P. 162-169.

7. Kononenko A.A., Lukashev E.P., Chamorovsky S.K., Maximychev A.V., Timashev. S.F., Chekulaeva L.N. Rubin A.B., Paschcnko V.Z. «Oriented Purple Membrane Films as a Probe for Studies of the Mechanism of Bacteriorhodopsin Funcioning. 2.Photoelectric processes» IIBiochimica et biophysica acta, 1987, V.892, P.56-67.

8. Максимычев A.B., Чаморовский C.K. «Бактериородопсин как возможный элемент мембранных биореакторов» //Успехи химии, 1988 Т.57, №б, С. 1042-1063.

9. Максимычев A.B., Кононенко A.A., Лукашев Е.П., Тимашев С.Ф., Чаморовский С.К., Чекулаева Л.Н., «Фотохромные, электрохромпые и фотоэлектрические свойства ориентированных пленок бактериородопсина. Возможные прикладные аспекты» //Журнал физической химии, 1988, Т.62, №10, С.2753-2769.

10. Максимычев A.B., Тимашев С.Ф., «О некоторых возможностях использования препаратов бактериородопсина в технических устройствах» /Биомолекулярная электроника и

проблема самосборки надмолекулярных структур (Ред. П.И. Лазарев). Пущино, 19! С.37-45.

11. Максимычев А.В., Тимашев С.Ф., «О возможности создания сенсорных устрой< на основе бактериородопсина» //Журнал аналитической химии, 1990, Т.45, №7, С. 1456-146'

12. Максимычев А.В., Чаморовский С.К., Холманский А.С„ Ерохин В.В., Левин Е. Чекулаева Л.Н., Кононенко А.А., Рамбиди Н.Г. «Мультислои ориентированных пурнурн мембран галобактерий, полученные методами Ленгмюра-Блоджет и злектроосаждени //Биологические мембраны, 1991, Т.8, №1, С.15-29.

13. Максимычев А.В., Волков В.И., Левин Е.В., Гасюк О.В. Муромцев В.И., Тимаи С.Ф., Чекулаева Л.Н «Молекулярная подвижность в гидратированных пурпурных мембран галобактерий, исследованная методом протонной магнитной релаксации» //Биологическ мембраны, 1991, Т.8, №12, С.1260-1268.

14. Емельянов С.В., Рамбиди Н.Г., Максимычев А.В. Тенденции и пути развит средств переработки информации на молекулярном уровне. Сер. «Биомолекулярн информатика», вып.1. М.: Международный НИИ Проблем Управления. 1991. 114 с.

15. Maximychev A.V., Rambidi N.G., Shirshov Yu.M., Nabok A.V., Maznichenk a.] Zhurakh V.V., Matsas E.P., Nesterenko B.A. «Investigation of Bacteriorhodopsin Layers on Liquid Surface with Light Scattering» // Thin Solid Films, 1992 V.210/211, N1-2, P.89.

16. Maximychev A.V., Kholmansky A.S., Levin E.V., Rambidi N.G., Chamorovsky S.l Kononenko A.A.,Erokhin V.V., Chekulaeva L.N. «Oriented Purple Membrane Multilayers Halobacteria Fabricated by Langmuir-Blodgett and Elelctrophoretic Sedimentation Techniques» Advanced Materials for Optics and Electronics, 1992 V.l, N3, P.105-115.

17. Рамбиди Н.Г., Максимычев A.B„ Никаноров B.A., Усатов А.В. «Перспектш создания нейрокомпьютеров на молекулярных системах» //Нейрокомпьютер, 1992 № С.62-70.

18. Maximychev A.V., Chamorovsky S.K., Panov V.L, Fedorov E.A., Rambidi N.' «Purple Membrane Multilayers: Detailed Structure and Photoelectric Characteristics Bacteriorhodopsin» 1/BioSystems 1992 V.27, P.195-201.

19. Rambidi N.G., Maximychev A.V., Usatov A.V. 'Nonlinear Dynamics in a Nondiscre Molecular System for Neural Pattern Recognition Devices» I'/Optical Memory and Neural Networ 1992 V.l, N3, P.177-187.

20. Максимычев A.B., Волков В.И., Левин E.B., Хуцишвили В.Г., Чекулаева Л.1 Тимашев С.Ф., «Особенности состояния воды в пурпурных мембранах галобактерий i данным протонного магнитного резонанса» //Журнал физической химии, 1994, Т.68, № С.1701-1708.

21. Rambidi N.G., Maximychev A.V., Usatov A.V. «Molecular Image-Processing Devic Based on Chemical Reaction Systems. 1.General Principles for implementation» // Advana Materials for Optics and Electronics, 1994 V.4, P.179-190.

22. Rambidi N.G., Maximychev A.V., Usatov A.V. «Molecular Image-Processing Devic Based on Chemical Reaction Systems. 2.Implementation of Blum-type algorithms» // Advana Materials for Optics and Electronics, 1994 V.4, P.191-201.

23. Rambidi N.G., Maximychev A.V., Usatov A.V. «Molecular Neural Devices Based < Non-Linear Dynamic Media» /I BioSystems, 1994 V.33, P.125-137.

24. Rambidi N.G., Maximychev A.V. «Molecular Image-Processing Devices Based < Chemical Reaction Systems, 3.Some Operational Characteristics of Excitable Light-Scnsiti' Media Used for Image Processing» // Advanced Materials for Optics and Electronics, 1995 V. P.223-231.

25. Rambidi N.G., Maximychev A.V. «Molecular Image-Processing Devices Based on Chemical Reaction Systems. 4. Image Processing Operations Performed by Active Media Functioning in the Oscillatory Mode» II Advanced Materials for Optics and Electronics, 1995 V.5, P.233-241.

26. Rambidi N.G., Maximychev A.V. «Molecular Neural Network Devices Based on NonLinear Dynamic Media: Basic Primitive Information Processing Operations» IIBioSystems, 1995 V.36, P.87-99.

27. Rambidi N.G., Maximychev A.V., Usatov A.V. «Implementation of Iamge Processing operations Using Light-Sensitive Chrmical Dynamic Media» IIOptical Memory and Neural Networks 1995 V.4, N2, P.99-109.

28. Колюбин A.B., Максимычев A.B., Тимашев С.Ф. «Использование фликкер-шумовой спектроскопии для изучения механизма запредельного тока в системе с катионообменной мембраной» IIЭлектрохимия 1996 Т.32, №2, С.227-234.

29. Максимычев А.В., Костюченко И.Г., Чибирова Ф.Х., Жилинская Е.А., Чекулаева Л.Н., Тимашев С.Ф. «Характер взаимодействия ионов Fe3+ с пурупрными мембранами галобактерий по данным мессбауэровской спектроскопии» IIБиологические мембраны, 1996, Т. 13, №5, С.453-467.

30. Maximychev A.V., Matyukhin V.D., Stepina N.D., Yanusova L.G. «Composite Gas Separating Membranes with Polymerized LB Films» II Thin Solid Films, 1996 V.284/285, P.866-869.

31. Максимычев A.B., Степина Н.Д., Матюхин В.Д., Воробьев А.В., Тимашев С.Ф. "Полимерная мультислойная ленгмюровская пленка в качестве селективного слоя газоразделительпой мембраны" //Журнал физ. Химии, 1997 Т.71, №12. С.2216-2221.

32. Rambidi N.G., Maximychev A.V. «Molecular Image-Processing Devices Based on Chemical Reaction Systems. 5. Processing Images with Several Levels of Brightness and Some App;ication Potentialities» II Advanced Materials for Optics and Electronics, 1997 V.7, P.161-170.

33. Rambidi N.G., Maximychev A.V. «Molecular Image-Processing Devices Based on Chemical Reaction Systems. 6. Processing Half-Tone Images and Neural Network Architecture of Excitable Media» II Advanced Materials for Optics and Electronics, 1997 V.7, P.171-182.

34. Rambidi N.G., Maximychev A.V. «Towards a Biomolecular Computer. Information Processing Capabilities of Biomolecular Nonlinear Dynamic Media» // BioSystems, 1997 V.41, P.195-211.

35. Тимашев С.Ф., Кручештцкий P.M., Будников Е.Ю., Костюченко И.Г., Лакеев С.Г., Максимычев А.В., Перов С.П., Diedericks G.P.J., Mocke G.P., Smith G., Bloom I. «Методология анализа временных рядов на основе теории детерминированного хаоса» /Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Т. 2. Циклическая динамика в природе и обществе. (Ред. С.И. Александров, А.Г. Гамбурцев) М. Научный мир, 1998. Гл.38. С.386-397.

36. Будников Е.Ю., Максимычев А.В., Колюбин А.В., Меркин В.Г., Тимашев С.Ф. "Вейвлет-анализ в приложении к исследованию природы запредельного тока в электрохимической системе с катионообменной мембраной" // Журнал физ. Химии, 1999 Т.73, №2. С.198-213.

37. Будников Е.Ю., Кукосв И.Ю., Максимычев А.В., Мирошникова И.Н., Тимашев С.Ф., Гуляев A.M. "Вейвлет- и Фурье-анализ электрических флуктуаций в полупроводниковых и электрохимических системах" // Измерительная техника 1999, №11 С. 40-44.

38. Timashev S.F., Budnikov Е. Yu., Klochikhin V.I., Kostuchenko I.G., LakeevS.G., Maximychev A.V. "Evolution of dynamic dissipative systems as a temopral "colour" fractal"

/Mathematical models of the non-linear excitations, transfer, dynamics and control in conden systems and other media. (Ed. Uvarova L.) Plenum Publishing, New York 1999 P. 17-50.

39. Будников Е.Ю., Максимычев A.B., Колюбин A.B., Тимашев С.Ф. "Пространственно-временные корреляции в диссипативной структуре, возникающей электрохимической системе с катионообменногй мембраной" //Электрохимия 2000 (прин в печать)

40. Тимашев С.Ф., Максимычев А.В., Соловьева А.Б. «О роли локалы электрических полей в кинетике биологических процессов» / Первый всесоюзь биофизический съезд. Тез. докл. М. 1982 T.l, С.262.

41. Максимычев А.В. «Свйоства высокоориентированных пленок бакериородопсж адсорбированных на полупроводниковых и ионообменных подложках» /Вторая Всесоюз, конференция молодых ученых по физической химии. Тез. докл. М., 1983. С.145-146.

42. Максимычев А.В., Чаморовский С.К., Тимашев С.Ф., Кононенко А «Фотоэлектрические ответы ориентированных пленок бактериородопсина, адсорбирована на полупроводниковой подложке из Sn02» /Физика поверхностных явлений полупроводниках. Тез докл. 8 всесоюзного совещания. Киев, 1984. Т.2. С.39.

43. Максимычев А.В., Левин Е.В., Тимашев С.Ф. «Фототоки в ориентирован!; пленках бактериородопсина, нанесенных на синтетические мембраны» / Возобновляем источники энергии. Тез. докл. 2 всесоюзной конференции. Ереван, 1985. Т.1. С.169.

44. Maximychev A.V., Levin E.V, «Oriented Halobacteria Purple Membrane Films: Role of Phase Boundaries in Bacteriorhodopsin Generated Photocurrent Formation» lint. Soc. Electrochemistry. Abstr. of 37-th meeting. Vilnius, 1986. V.4. P.461-463.

45. Максимычев A.B., Левин E.B. «Фотоки, генерируемые пленк< бактериородопсина, нанесенными на проницаемые для ионов синтетические мембран /Третья Всесоюзная конференция молодых ученых по физической хшши:1ез. докл. М., 19 С.140-141.

46. Левин Е.В., Максимычев А.В. «Генерация фототока ориентированными пленк£ бактериородопсина, нанесенными на полимерные мембраны» /Материалы 15 науч! конференции молодых ученых ИХФ АН СССР. //Депонировано ВИНИТИ от 15.02.1988. 1226-В-88. С. 148-182.

47. Максимычев А.В., Тимашев С.Ф. «О фотоэлектрических сенсорах на оси ориентированных пленок бактериородопсина» / Химические сенсоры-89. Тез. до всесоюзной конференции. Ленинград, 1989. С.241.

48. Maximychev A.V., Chamorovsky S.K., Kholmansky A.S., Erokhin V.V., Chekulai L.N. «Molecular Photoelectric Transducer Based on Purple Membrane Multilayers fr Halobacteria» / Molecular Electronics and Biocomputers. Abstr. of 2-nd Int. Conf. .Moscow, 19 P.80-81.

49. Maximychev A.V., Chamorovsky S.K., Panov V.I., Fedorov E.A., Rambidi N «Purple Membrane Multilayers: Detailed Structure and Photoelectric Characteristics Bacteriorhodopsin» /Biomolecular Engineering and bioelectronics. Abstr. of Int. Symposh Moscow 1991, P.26.

50. Костюченко И.Г., Максимычев A.B., Чибирова Ф.Х., Жилинская Е.А., Коваль" О.В., Рамбиди Н.Г., Рейман С.И., Тимашев С.Ф. «Изучение характера связывания катио; железа и молекулярной подвижности пурпурных мембран галобактерий» /Ядер} спектроскопические исследования сверхтонких взаимодействий. Тез. 6 международна совещания. Ужгород, 1991.

51. Воробьев A.B., Максимычев A.B., Тимашев С.Ф. «О влиянии поверхностной модификации силоксансодержащей мембраны на ее газопроницаемость» /Мембранные методы разделения смесей. Тез. докл. всесоюзной конф. Владимир, 1991. С.148.

52. Максимычев A.B. «Материалы молекулярной электроники» /Биомолекулярный компьютинг. Тез. докл. всесоюзной школы-семинара. М.: 1991, С.26.

53. Timashev S.F., Kolyubin A.N., Maximychev A.V. «Flickcr-Noise Spectroscopy in the Study of Mechanism of Ion Transport in Electromembrane Systems» /Proc. of the Conference Euromembrane'95, Univ. ofBath 18-20 Sept. 1995. Bath UK, 1995 V.l. P.213-216.

54. Колюбин A.B., Максимычев A.B., Тимашев С.Ф. «Анализ флуктуаций мембранного потенциала в исследовании механизма перепоса тонов в катионообменных мембранах» /Мембраны-95. Тез. докл. российской конф. по мембранам и мембранным технологиям. М., 1995, С.130.

55. Maximychev A.V., Kolyubin A.V., Timashev S.F. «Flicker- Noise Analysis of Electromembrane Systems» /Criteria of Selforganization in Physical, Chemical, and Biological Systems. Abstr. oflnt. Conf., Moscow-Suzdal, 1995, P.147.

56. Максимычев A.B., Степина Н.Д., Янусова Л.Г., Манохин В.Д., Воробьев A.B., Тимашев С.Ф. «Композитные газоразделительные мембраны на основе полимеризуемых пленок Лепгмюра-Блоджет» /Мембраны-95. Тез. докл. российской конф. по мембранам и мембранным технологиям. М., 1995, С.40.

57. Ли K.M., Максимычев A.B., Манохин В.Д., Муравьев В.Ф., Новиков A.A. «Физико-химические аспекты мембранной технологии в процессах газовой переработки» /Нефтегазовые ресурсы. Сб. научных трудов межвузовской научно-технической программы. М.: ГАНГ им. И.М. Губкина, 1995, Вып.2. С.175-180.

58. Максимычев A.B., Будников Е.Ю., Колюбин A.B. "Механизм электромассопереноса через катионообменную мембрану, иследованпый методами спектратьного анализа флуктуаций мембранного потенциала" /Всероссийская научная конференция "Мембраны-98 " 5-10 октября 1998. Тезисы докладов М., 1998 С.174.

59. Максимычев A.B., Костюченко И.Г., Чибирова Ф.Х., Жилинская Е.А., Чекулаева Л.Н., Тимашев С.Ф. "Характер взаимодействия ионов Fe3+ с пурпурными мембранами галобактерий по данным мессбауэровской спектроскопии» / Всероссийская научная конференция "Мембраны-98 " 5-10 октября 1998. Тезисы докладов М., 1998 С.179.

60. Maximychev A.V., Budnikov Ye. Yu., Kolyubin A.V. "Wavelet analysis in the study of cation transport mechanism within electromembrane system" /Тез. Докл. 3 Межд. Научной конференции «Математические модели нелинейных возбуждений переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах» Тверь 29 июня-3 толя 1998, Тверь, 1998. С.167.

61. Максимычев A.B., Колюбин A.B., Тимашев С.Ф. «Изучение механизма генерации фликкер-шума в электромембранных системах»/ Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. Материалы докладов научно-технического семинара. М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1996 С.60-65.

62. Максимычев A.B., Колюбин A.B., Тимашев С.Ф. «Природа низкочастотных шумов в электромембранных системах»/ Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. Материалы докладов международного научно-технического семинара М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1997 С.46-49.

63. Кукоев И.Ю., Будников Е.Ю., Максимычев A.B., Мирошникова И.Н., Тиашев С.Ф., Гуляев A.M. «Применение вейвлет-анализа к исследованию шумовых процессов в полупроводниковых приборах» / Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых

приборах. Материалы докладов международного научно-технического семинара. МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1997 С.273-280

64. Будников Е.Ю., Максимычев A.B., Колюбин A.B., Тимашев С.Ф. "Вейвлет-ана флуктуаций мембранного потенциала в электрохимической системе в катионообмен: мембраной" / Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых прибор Материалы докладов международного научно-технического семинара. М.: МНТОРЭС A.C. Попова, 1998 С.225-231.

65. Максимычев A.B., Будников Е.Ю., Колюбин A.B., Тимашев С.Ф. "Конвектив неустойчивость раствора электролита как источник низкочастотного шума электромембранной системе" » / Шумовые и деградационные процессы в полупроводника< приборах. Материалы докладов международного научно-технического семинара. МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1999 С.36-40.

66. Будников Е.Ю., Максимычев A.B., Колюбин A.B., Тимашев С "Пространственно-временные корреляции в электромембранной системе, иследоваш методом многоэлектродного анализа шума" / Шумовые и деградационные процессъ полупроводниковых приборах. Материалы докладов международного научно-техническ семинара. М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2000 С.70-76.

Автор признателен Международному Научному Фонду и Российскому Фо Фундаментальных Исследований за финансовую поддержку исследований.

Содержание.

1. Общая характеристика работы .......................................................3

2. Содержание диссертации..............................................................10

Введение.............................................................................10

Часть I. Процессы газоразделения и электродиализа с применением

синтетических полимерных мембран..........................................11

Глава 1. Полимерная мультислойная ленгмюровская пленка в качестве селективного слоя комозитной газоразделительной

мембраны.............................................................................11

Глава 2. Флуктуационный анализ диссипативных структур в электродиализной .системе с катионообменной мембраной............18

Часть II. Динамика фотозависимых процессов в препаратах

биологических мембран и модельных системах..............................28

Глава 3. Структурные свойства ориентированных препаратов пурпурных мембран и функциональные свойства

бактериородопсина.................................................................28

Глава 4. Нелинейная динамическая система на основе фотоуправляемой реакции Белоусова-Жаботинского......................57

3. Заключение и выводы....................................................................62

4. Публикации................................................................................67

Введение

Часть I. Процессы газоразделения и электродиализа с применением синтетических полимерных мембран

Глава 1. Полимерная мультислойная ленгмюровская пленка в качестве селективного слоя комозитной газоразделительной мембраны

1.1. Введение

1.2. Методика проведения экспериментов

1.3. Анализ неоднородности газоразделительной мембраны методом локального измерения проницаемости

1.4. Влияние барьерной ленгмюровской пленки на газопроницаемость полимерных подложек

1.5. Механизм увеличения селективности и анизотропии проницаемости

1.6. Заключительные замечания

Глава 2. Флуктуационный анализ диссипативных структур в электродиализной системе с катионообменной мембраной

2.1. Введение

2.2. Методы исследования и обработки данных

2.3. Результаты измерений флуктуаций мембранного потенциала

2.4. Использование вейвлетного разложения для анализа флуктуаций мембранного потенциала

2.5. Физические предпосылки возникновения и развития конвективной неустойчивости в предельном состоянии и закритическом режиме

2.6. Омическое сопротивление электромембранной системы

2.7. Заключительные замечания

Часть II. Динамика фотозависимых процессов в препаратах биологических мембран и модельных системах

Глава 3. Структурные свойства ориентированных препаратов пурпурнгых мембран и функциональные свойства бактериородопсина

3.1. Введение

3.1.1. Бактериородопсин как компонент пурпурных мембран

3.1.2. Спектральные свойства и фотоэлектрохимический цикл бактериородопсина

3.1.3. Влияние влажности, рН и природы связанных катионов металлов на функционирование бактериородопсина

3.1.4. Препараты бактериородопсина в технических устройствах.

Возможности упорядоченной иммобилизации

3.2. Организованные молекулярные ансамбли на основе пурпурных мембран, полученные путем электроосаждения и методом Ленгмюра

3.2.1. Приготовление образцов и методы исследования

3.2.2. Суспензия пурпурных мембран в гексане

3.2.3. Монослои на границе раздела фаз воздух/вода

3.2.4. Формирование ориентированных препаратов мультислоев пурпурных мембран методами Ленгмюра-Блоджет и электрофоретического осаждения

3.2.5. Анализ структуры ориентированных мультислойных препаратов пурпурных мембран

3.2.6. Степень упорядоченности ориентированных молекулярных структур и функциональные свойства бактериородопсина

3.3. Анизотропные молекулярные структуры бактериородопсина во внешнем электрическом поле. Нелинейность ориентированных структур

3.3.1. Анизотропный электрохромный эффект

3.3.2. Влияние электрического поля на фотоцикл бактериородопсина и нелинейные эффекты ориентации

3.4. Фотоэлектрические процессы в упорядоченных препаратах пурпурных мембран, иммобилизованных на подложках с различным типом проводимости

3.4.1. Температурная зависимость кинетики генерации быстрых фаз фотопотенциала бактериородопсина

3.4.2. Упорядоченные препараты пурпурных мембран в контакте с электрон-проводящими материалами

3.4.3. Фотоактивированный перенос заряда в упорядоченных препаратах пурпурных мембран, иммобилизованных на проницаемых для ионов полимерных мембранах

3.5. Состояние воды и молекулярная подвижность в гидратированных пурпурных мембранах по данным структурно-динамических методов исследования

3.5.1. Особенности состояния воды в пурпурных мембранах по данным протонного магнитного резонанса высокого разрешения

3.5.2. Молекулярная подвижность в гидратированных пурпурных мембранах, исследованная методом протонной магнитной релаксации

3.5.3. Характер взаимодействия ионов металлов с пурпурными мембранами по данным мессбауэровской спектроскопии

3.5.4. Локализация мест связывания катионов металлов на поверхности пурпурных мембран

3.5.5. Влияние температуры на молекулярную подвижность в гидратированных пурпурных мембранах и на фотоцикл бактериородопсина

5.6. Роль связанных катионов металлов в механизме транспорта протонов пурпурными мембранами

3.6. Динамическая модель активного фотозависимого переноса протонов в бактериородопсине

3.6.1. Основные предпосылки

3.6.2. Активный фотоиндуцированный перенос протона

3.6.3. Мостиковая частица

3.7. Перспективы создания мембранных и сенсорных устройств на основе бактериродопсина.

3.7.1. Детектирование в газовой фазе

3.7.2. Катионная чувствительность пурпурных мембран

3.7.3. Фотосенсорные свойства пурпурных мембран и фоторегуляция

3.7.4. Модифицированные препараты пурпурных мембран в организованных молекулярных ансамблях

3.8 Заключительные замечания

Глава 4. Нелинейная динамическая система на основе фотоуправляемой реакции Белоусова-Жаботинского

4.1. Введение

4.1.1 Особенности обработки информации нейронными системами

4.1.2 Колебательная химическая реакция Белоусова-Жаботинского

4.2. Методика проведения эксперимента

4.2.1. Получение и анализ изображений

4.2.2. Приготовление образцов

4.3. Результаты

4.3.1. Выбор режима функционирования

4.3.2. Двухуровневые изображения свет/темнота

4.3.3. Изображения с различными уровнями освещенности

4.3.4. Обсуждение результатов

4.4. Заключительные замечания

Применение мембранных процессов для решения разнообразных научно-технических задач демонстрирует экономическую выгоду и экологическую чистоту мембранных производств. Всестороннее научное исследование мембранного разделения, целенаправленный научный поиск новых мембранных материалов с установлением связи между химическим составом и морфологической структурой мембранных полимеров, с одной стороны, и физико-химическими параметрами (селективность, проницаемость) мембран, с другой, несомненно позволит повысить технологические характеристики мембран и будет способствовать широкому внедрению мембранных процессов в различные отрасли экономики [ 1 ].

Внедрение мембранных технологий способствует обеспечению населения экологически чистыми продуктами питания и питьевой водой, решению проблем безопасного проживания, нахождению баланса между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды, без чего невозможно устойчивое развитие общества. Подтверждением возрастающей роли мембранной технологии является отнесение ее к категории критических (решение Правительственной комиссии по научно-технической политике от 21.07.1996 г.[2]), определяющих место экономики в мировом научно-техническом сообществе.

К настоящему времени достаточно полно изучены процессы мембранного разделения в относительно мягких условиях (режимы малых плотностей токов, перепадов давлений и градиентов концентраций), когда массо- и электромассоперенос в мембранах происходят в квазиравновесных режимах, т.е. в условиях установления в системе мембрана - среда равновесия по компонентам смесей. При таких режимах эффективная концентрация переносимых компонентов в матрице мембраны определяется термодинамическими параметрами распределения [1]. Существенное расширение области применения высокоэффективной мембранной технологии может быть достигнуто путем интенсификации мембранных процессов и повышения их селективности.

В правительственных документах (09.10.1998 г.) разработаны основные направления развития мембранной техники и технологических процессов, в которых особо выделяются проблемы исследования и разработки катионпроводящих полимерных мембран, мембранных сенсоров и биосенсоров для систем управления, а также методы исследования проницаемости и дефектности мембранных систем [2].

Основная задача предлагаемой программы состоит в разработке мембран новых поколений с целенаправленно формируемой структурой, что позволяет при выборе определенных режимов разделения повысить проницаемость и избирательность мембран цо целевым компонентам с достижением стабильности функциональных характеристик мембран. Концептуальную основу научной программы составляет выход на сильно неравновесные режимы массо- и электромасоопереноса через селективные мембранные слои с усилением роли внешних управляющих физических факторов [2].

Переход к интенсивным режимам электромассопереноса приводит к тому, что представление процессов в рамках линейной термодинамики необратимых процессов становится неадекватным. В этих условиях продуктивным оказывается рассмотрение мембранной системы как открытой нелинейной диссипативной системы, в которой возможны процессы самоорганизации [1]. Явления самоорганизации в нелинейных системах обусловливают чрезвычайно широкий спектр наблюдаемых типов поведения -от стационарных состояний и периодических колебаний до динамического хаоса, включая разнообразные промежуточные режимы (квазиперйодические колебания, явления перемежаемости).

Изучение нелинейных динамических систем стало в последние годы одним из основных направлений исследований в математике, физике, химии, биологии, экологии, экономике и др. науках. Среди наиболее интересных направлений отметим в математике новые результаты в эргодической теории (в теории фракталов применительно к качественной теории дифференциальных уравнений), в теории самоорганизованной критичности, в информатике; в физике - нелинейные колебания, теория флуктуаций, турбулентность; в химии - колебательные химические реакции, диссипативные структуры в распределенных средах; в биологии - надмолекулярная самоорганизация, функционирование возбудимых тканей и многие другие области.

В мембранных системах неравновесность проявляется в нестационарном характере протекания процессов, в нелинейных эффектах взаимодействия потоков переносимых субстратов, в определяющей роли кинетических факторов переноса, зависящих, в частности, от структурных особенностей системы, в нелинейном взаимодействии на микро- и макроуровнях различных каналов диссипации энергии - диффузии, дрейфа ионов, химических реакций (растворение, диссоциация), гидродинамических потоков и др. Однако, «синергетический» подход к исследованию мембранных процессов в настоящее время только начинает входить в научный обиход [1], хотя работы, в которых наблюдается влияние поверхностной модификации на селективность мембранного транспорта, колебательные режимы переноса, нестационарные режимы при сопряжении электрического дрейфа и химической реакции становятся все более многочисленными.

Упомянутая выше возможность управляющих воздействий на неравновесные мембранные системы базируется на известных свойствах нелинейных динамических систем, в частности, на их аномально высокой чувствительности к слабым внешним воздействиям, которые могут играть роль управляющих сигналов. Среди различных вариантов управляемых систем одними из наиболее привлекательных представляются фоточувствительные устройства. Сопряжение, обусловленное слабым взаимодействием идентичных динамических систем, может приводить к их синхронизации и возникновению разнообразных автоволновых явлений и процессов самоорганизации. Изучение этих явлений в мембранных системах становится все более интенсивным, исследования в этом направлении приобретают особую актуальность при переходе к сильно неравновесным режимам переноса.

Возникшие в последнее время теоретические подходы к описанию нелинейно-динамических систем, среди которых выделим концепцию фликкер-шумовой спектроскопии [3] и теорию детерминированного хаоса [4, 5, 6], формируют современную парадигму сложных систем и позволяют по-новому ставить задачу предсказания в ряде областей. Внедрение в практику новых методов обработки данных (например, вейвлет-анализа [7]) существенно расширяет возможности получения информации о внутренней динамике сложных систем. Кроме того, динамические методы анализа могут оказаться эффективным средством повышения чувствительности и стабильности химических мембранных сенсоров.

В условиях сильной неравновесности эффективность мембранного разделения оказывается в сильной степени зависимой от особенностей структуры мембран на различных пространственных масштабах, подобно тому, как это имеет место в самых эффективных - биологических мембранах [2]. Актуальным оказывается поиск новых подходов к формированию селективных мембранных слоев, к поверхностной модификации мембран. Речь должна идти о конструировании мембран на молекулярном уровне с использованием методов «молекулярного дизайна». В этой связи весьма логичным выглядит предоставление подходам молекулярного дизайна статуса критической технологии Федерального уровня [2].

Физико-химия элементарных процессов в нативных и синтетических мембранах едина, несмотря на большую сложность биологических систем; на пути тесного взаимодействия наук, исследующих транспортные процессы in vivo и в искусственных мембранах видится их успех - понимание принципов функционирования живых систем и новые практические достижения в мембранной технологии [1]. Анализ транспортных явлений в синтетических мембранах разного типа (ионообменных, газоразделительных, обратноосмотических и ультрафильтрационных) показывает, что по мере возрастания интенсивности процессов перенос молекул через синтетические мембраны приобретает черты, свойственные транспорту через биологические мембраны как по типу организации процессов переноса (по каналам), так и по кинетическим закономерностям (определяющая роль субмикроструктуры, нестационарность переноса, неаррениусовская кинетика процессов) [1]. При этом степень неравновесности режима трансмембранного переноса играет роль регулирующего фактора по отношению к процессам разделения [8].

Дальнейшее исследование основных принципов функционирования транспортных систем in vivo может привнести новые идеи в основы мембранного разделения с использованием синтетических мембран, преже всего, относящихся к инициированию процессов разделения при внешних воздействиях. Как одно из наиболее перспективных направлений следует отметить возможность фотоинициирования процессов разделения компонентов в полимерных мембранах при введении в матрицу специфических фотоактиваторов (фотосенсибилизаторов), которые способны утилизировать энергию фотовозбуждения и трансформировать ее для активации процесса переноса целевого компонента.

В биологических системах реализуется принцип самосборки, когда последовательно синтезируемые фрагменты макромолекул организуются в пространственную структуру с заданной конформацией, а на более высоком уровне организации макромолекулярные комплексы занимают свое место в структуре клеточной мембраны или другого биологического образования. Использование принципа самосборки в нативных системах является наиболее ярким примером молекулярного дизайна и представляется весьма привлекательным с точки зрения возможности создания интегрированных устройств. Под интегрированными мембранными устройствами понимаются организованные на молекулярном уровне системы, в которых протекает несколько сопряженных процессов, например, химическая реакция и процесс разделения компонентов. Широкие возможности может открыть создание гибридных интегрированных устройств, которые совмещали бы в себе биологические молекулы с полупроводниковыми или полимерными мембранными материалами. Такие устройства, как предполагается, могут найти применение в различного рода информационных системах - сенсорных или вычислительных устройствах.

При переходе к сильно неравновесным режимам мембранного переноса и при использовании мембранных систем, обладающих тонкой структурной организацией на различных пространственных масштабах, ключевую роль приобретает вопрос о динамическом поведении исследуемых систем. Начиная с классических работ И.Р. Пригожина [9] известно, что достаточно сильная неравновесность в дисипативной системе является эволюционным фактором, определяющим изменения характера динамики системы и процессы структурообразования. Реализуемые для системы возможности и сложность поведения возрастают при увеличении степени неравновесности, с одной стороны, а с другой - должны зависеть от организации системы как целого, от характера связей между входящими в систему компонентами. Естественной мерой степени неравновесности того или иного процесса является скорость производства энтропии. На наш взгляд, представляет интерес сопоставить особенности динамического поведения различных мембранных систем, в разной степени удаленных от положения равновесия.

Отклонение той или иной системы от состояния равновесия может быть количественно охарактеризовано величиной производства энтропии <72 [9]. Величина Gv представляет собой прирост энтропии в физической системе за единицу времени в результате протекающих неравновесных процессов. Удобной характеристикой является локальное производство энтропии а, представляющее собой удельное производство энтропии, отнесенное к единице объема (размерность Дж/(К-с-см3)). Производство энтропии отлично от нуля и положительно для необратимых процесов.

Согласно положениям линейной неравновесной термодинамики [10], если термодинамически силы Х{ (градиенты температуры, концентраций компонентов или их химических потенциалов, а в гетерогенных системах - конечные разности термодинамических параметров) создают в системе сопряженные им потоки ( теплоты, вещества, импульса), то локальное производство энтропии в такой неравновесной системе выражается где п - число независимых действующих термодинамических сил. Предполагается [10], что потоки /г- связаны с вызывающими их термодинамическими силами Х\ линейными соотношениями где Ьгк - онсагеровские кинетические коэффициенты. Согласно теореме Пригожина, величина а достигает минимума в стационарном состоянии. Однако, строго это утверждение доказано для систем, описываемых линейными неравновесными со отношениями Онсагера [10].

Величина а тесно связана с диссипативной функцией Ф (функцией рассеяния), вводимой для учета перехода энергии упорядоченного движения в энергию неупорядоченного, в конечном счете - в тепловую. Диссипативная функция, деленная на абсолютную температуру, определяет производство энтропии:

Величина Ф имеет размерность мощности.

В данной работе предпринимается попытка сопоставить динамику мембранных систем со степенью неравновесности протекающих процессов. В качестве объектов исследования выбраны как синтетические газоразделительные и электродиализные мембраны, так и фотозависимые биологические мембраны, содержащие бактериородопсин. В первой части исследуются процессы газоразделения с помощью мембран, поверхностно модифицированных молекулярными слоями, а также процессы диссипации энергии и механизм электромассопереноса в мембранной системе с катионообменными мембранами. Во второй части исследуются две фотозависимые системы: бактериородопсин в составе пурпурных мембран, реализующий активный трансмембранный перенос протонов, и иммобилизованная на мембране колебательная фоточувствительная среда типа Белоусова-Жаботинского.

В работе ставились следующие основные задачи.

1. Разработать установку, пригодную для проведения неразрушающих измерений газопроницаемости на небольших участках поверхности промышленно выпускаемых мембранных материлов. Экспериментально исследовать разброс параметров по поверхности газоразделительных материалов и отработать подход к количественному описанию поверхностной неоднородности.

2. Отработать методы "молекулярного дизайна", позволяющие формировать диффузионные барьерные слои нанометровой толщины на газоразделительных материалах и исследовать их влияние на мембранный перенос простых газов.

3. Исследовать характер электрических шумов в электродиализных системах с катионообменными мембранми. Реализовать разработанную ранее концепцию фликкер-шумовой спектроскопии применительно к анализу неравновесных электрических флуктуаций мембранной разности потенциалов. Комбинируя фликкер-шумовую

В.1) агТ = Ф спектроскопию как феноменологический подход с различными методами обработки динамических переменных, исследовать возможности получения данных для построения физико-химических моделей. Использовать полученные данные для установления механизма электромассопереноса в системе с катионообменной мембраной при плотности тока, превышающей предельную диффузионную.

4. Для изучения принципов функционирования биологических мембранных систем исследовать влияние температуры, влажности, электрического поля на функциональные свойства пурпурных мембран из клеток На1оЬас1епит эаНпапит с помощью набора различных физических методов. Исследовать состояние молекул воды, входящих в сферу гидратации пурпурного мембранного комплекса. Разработать модель функционирования бактериородопсина и механизм фотозависимого активного транспорта протонов в пурпурных мембранах.

5. Отработать методики формирования молекулярно-упорядоченных гибридных структур из пурпурных мембран на подложках с различными типами электропроводности. Сравнить структурные свойства и фотоэлектрическую активность препаратов, сформированных различными методами.

6. Изучить возможность создания фоточувствительной мембранной системы на основе колебательной химической реакции Белоусова-Жаботинского с катализатором, иммобилизованным на катионообменной мембране или в пленках геля. Исследовать возможности системы, характеризуемой сложной реакционно-диффузионной динамикой, применительно к процессам обработки изображений.

7. Используя количественный критерий для оценки степени удаленности мембранной системы от положения равновесия, сопоставить характерные особенности динамики различных систем со степенью неравновесности протекающих процессов.

ЧАСТЬ I. Процессы газоразделения и электродиализа с применением синтетических полимерных мембран.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика контроля неоднородности промышленно выпускаемых листовых мембранных материлов шириной до 30 см с помощью установки, осуществляющей неразрушающие локальные измерения на площади 0,2 см2, что позволяет проводить исследования с использованием малых объемов газа. Впервые корреляционный анализ на основе пространственных разностных моментов второго порядка, примененнный к результатам локальных измерений газопроницаемости, использован для получения количественных данных, характеризующих поверхностную неоднородность промышленно изготавливаемых мембранных материалов.

2. Установлено, что нанесение упорядоченных на молекулярном уровне полидиацетиленовых пленок толщиной в несколько десятков нанометров в качестве селективного барьерного слоя на поверхность газоразделительных полимерных приводит к анизотропии (зависимости от направления диффузионного потока) коэффициентов газопроницаемости, а также к увеличению селективной проницаемости получаемой композитной системы по кислороду на 50% без уменьшения потока газа Показано, что наблюдаемые явления объясняются в рамках линейных кинетических соотношений.

3. Показана эффективность концепции фликкер-шумовой спектроскопии в выяснении механизма электромассопереноса в электродиализной системе с катионообменной мембраной в запредельной области плотности тока. Методами анализа электрических флуктуаций установлены величины, характеризующие пространственные и временные корреляции в диссипативной структуре, формируемой конвективными потоками электролита вблизи поверхности катионообменной мембраны. Модель конвективной неустойчивости электролита в запредельной области токов позволяет качественно описать вольт-амперную характеристику катионообменной мембраны.

4. На основании анализа электрических флуктуаций в электродиализной системе установлено, что происходит изменение динамики системы от квазипериодического режима, отражающего ламинарный характер потоков электролита у поверхности катионообменной мембраны при малой плотности тока, к хаотическому, отражающему турбулизацию конвективных вихрей при плотности тока, в 5-7 раз превышающей предельную.

5. Показано, что методы Ленгмюра-Блоджет и электрофоретического осаждения позволяют формировать молекулярно упорядоченные структуры пурпурных мембран галобактерий на подложках различных типов - металлических, полупроводниковых, полимерных. Высокая фотоэлектрическая активность получаемых препаратов позволяет рассматривать их как основу различных фотопереключаемых и оптоэлектрических устройств.

6. Обнаружено, что в высокоупорядоченных препаратах пурпурных мембран имеют место кооперативные эффекты, обусловливающие образование специфических пространственных структур и зависимость кинетики фотохимических процессов от ориентации мембранныъ фрагментов. Наблюдаемые явления объясняются взаимным влиянием мембранных фрагментов вследствие диполь-дпольного взаимодействия.

7. Разработана динамическую модель функционирования бактериородопсина и фотозависимого активного транспорта протонов в пурпурных мембранах, основанная на результатах исследования фотохромного эффекта и кинетики генерации быстрых фаз фотопотенциала бактериородопсином.

8. Установлено, что блокирование функиональных свойств биологических пурпурных мембран при низких температрах обусловлено структурнодинамическими свойствами молекул воды, образующих гидратные оболочки катионов металлов, связанных с бактериородопсином. Исследования методами оптической, ядерной мгнитной и мессбауэровской спектроскопии выявили места связывания катионов металлов в молекуле бактериородопсина и их функциональную роль.

9. Показано, что фоточувствительная система на основе колебательной химической реакции Белоусова-Жаботинского с катализатором, иммобилизованным на катионообменной мембране или в пленках геля, способна выполнять определенные операции обработки изображений с использованием автоволновых алгоритмов, аналогичные простейшим операциям, выполняемым нейронными сетями. Установлено, что новая информация из анализируемого изображения извлекается при функционировании среды в режиме сильно нелинейных автоколебаний.

10. Из сопоставления диффузионных, электро- и фото-индуцированных, а также химических диссипативных процессов в мембранных системах установлено, что существенно нелинейное поведение неравновесной системы, проявляющееся в эффектах пространственного расслоения или в нестационарном характере протекания процессов, обусловливается степенью неравновесности, характеризуемой скоростью удельного производства энтропии, а также структурной жесткостью системы. Сопряжение процессов мембранного переноса с химическими превращениями приводит к возрастанию степени неравновесности системы, что расширяет возможности выбора режимов функционирования и влияния на них с помощью управляющих воздействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Существенной особенностью исследованных в настоящей работе мембранных систем является их термодинамическая открытость. Нетривиальное содержание этого утверждения состоит в том, что для понимания наиболее важных наблюдаемых закономерностей мембранного переноса необходимо' рассмотрение неравновесных условий протекания процессов. Влияние поверхностной ЛБ модификации на коэффициент газопроницаемости мембран и наличие--;вентильного, эффекта указывают на существенно неравновесный характер трансмембранного переноса молекул газа. Достижение предельной плотности тока в электродиализных системах с катионообменными мембранами сопровождается возникновением дополнительного канала диссипации энергии в виде конвективных потоков раствора электролита. Сопряжение потока световой энергии с трансмембранным переносом протонов, осуществляемое молекулами БР, требует для своего объяснения нестационарных динамических моделей, заведомо далеких от равновесных.

Удаленность системы от положения равновесия характеризуется производством энтропии или диссипативной функцией. Оценки показывают, что в исследованных нами системах уровень производства энтропии варьирует от ~10"6 Дж/(К- с-см ) в случае диффузии через газоразделительные мембраны до -10'Дж/(К- с-см ) в системе с колебательной фоточувствительной средой типа Белоусова-Жаботинского. На наш взгляд, представляет интерес сопоставить особенности поведения различных систем с их удаленностью от положения равновесия. Отметим, что оценки производства энтропии получены при ограничении рассматриваемой системы только собственно мембранами (или мембраной с тонким прилегающим слоем, как в случае электродиализной системы). Эти оценки не учитывают диссипативные процессы на «периферии» системы, например, диффузионные и объемные потоки газа в объеме газоразделительной ячейки или диссипацию электрического тока в растворе электродиализной камеры.

Локальное производство энтропии в системе с газоразделительной мембраной, рассчитанное на единицу объема мембраны, составляет по порядку величины от 10~6 до 10"4 Дж/(К-с-см3) в зависимости от типа мембраны и химической природы диффундирующего газа, будучи минимальным в случае диффузии N2 и максимальным при диффузии СОг- При диффузии газов наблюдаются вентильный эффект (зависимость коэффициента переноса от направления диффузионного потока в асимметричной мембране), а также влияние поверхностной модификации на приницаемость мембраны. Оба этих эффекта находят свое объяснение в рамках простой кинетической модели (§ 1.5), предполагающей линейную связь между потоками и термодинамическими силами и отсутствие перекрестных эффектов.

Дрейфовый перенос заряженных частиц под действием электрического поля происходит в условиях, значительно более далеких от равновесных по сравнению с диффузионным переносом газов. Производство энтропии в исследованной нами электродиализной системе с катионообменной мембраной характеризуется величиной ~(10"3-10"1) Дж/(К-с-см3) в зависимости от плотности тока. При таком уровне диссипации процесс электромассопереноса приобретает нестационарный характер, проявляющийся в значительных флуктуациях мембранной разности потенциалов при фиксированном токе. Кроме того, при достижении предельной плотности тока система понижает свою симметрию, а также теряет пространственную однородность вследствие возникновения конвекции в примембранном слое электролита и формирования определенной пространственной структуры конвективных потоков. При этом электродиализная система становится нелинейной, поскольку стимулированный электрическим полем перенос катионов в этих условиях оказывается связанным с конвективным потоком раствора электролита. Конвекция по отношению мембранному переносу ионов играет роль отрицательной обратной .связи, стабилизирующей систему в целом. *

Наличие отрицательной обратной связи в системе является стабилизирующим фактором, обеспечивающим устойчивое поведение системы, согласующимся с теоремой Пригожина о минимальном производстве энтропии в стационарном состоянии [9].

Явления нестационарности и/или пространственного расслоения являются типичными примерами самоорганизации, возникающей в диссипативных системах, достаточно удаленных от положения равновесия [9]. Можно предположить, что пространственно-временная неоднородность, наблюдаемая в электродиализных системах и не обнаруженная нами в случае мембранной диффузии газов, не является спецификой ионного переноса, а определяется более высокой степенью неравновесности электромембранной системы. В пользу этого предположения свидетельствует отсутствие пространственно-временных неоднородностй в электродиализной системе при плотности тока ниже предельной, а также сопоставление движущих сил переноса в случае электродиализа и диффузии газов.

Движущая сила диффузии определяется разностью химических потенциалов Ар молекул по обеим сторонам мембраны; сравнивая эту величину с тепловой энергией кТ (к - постоянная Больцмана) при температуре Т, получим: Дц/кТ = кТ-1п(р2/р1)/кТ = 1п(р2/р0 ~ 5-10 при обычных газоразделительных режимах (р2 и р1 - давления газа по разные стороны мембраны). Аналогичное отношение иона с зарядом q, переносимого через электродиализную мембрану, на которой имеется

У о падение потенциала Дер, составляет q•Дф/kT ~ 10 -10 при разности потенциалов порядка нескольких вольт (температура предполагается комнатной). Производство энтропии, реализуемое в электродиализных системах, может быть достигнуто в газоразделительных установках вследствие возрастания потока газа при перепаде давления в несколько десятков или сотен раз больше атмосферного. При таких условиях следовало бы ожидать возникновения явлений нестационарности или пространственной неоднородности потока диффузанта как проявления нелинейных явлений самоорганизации. Интересно отметить, что в работе [318] обнаружены эффекты существенного изменения режима мембранной газопроницаемости при рабочих давлениях ~ 100 атмосфер, для объяснения которых [319] привлекаются представления о кластеризации проникающих молекул в материале мембраны и возникновении кооперативных эффектов транспорта.

В ПМ локальное производство энтропии, усредненное по времени, значительно превышающем время фотохимического цикла БР, составляет ~0,5 Дж/(К-с-см3). Эта величина определяется процессом диссипации поглощенного излучения и включает в себя производство энтропии в ходе трансмембранного переноса Н+ (су' ~ 0,1 Дж/(К-с-см3)). Несмотря на высокую степень неравновесности по сравнению, например, с электродиализным мембранными системами, функционирование БР в нативных ПМ или исследованных в настоящей работе изолированных препаратах не сопровождается сколь-нибудь заметными проявлениями кооперативности. Наблюдаемая агрегация фрагментов ПМ в растворе (§ 3.2.3), формирование «кратеров» в монослоях ПМ (§ 3.2.5), зависимость скорости образования интермедиата К в фотоцикле БР от взаимного расположения молекул пигмента в пленочных препаратах (§ 3.3.2) объясняется диполь-дипольным взаимодействием молекул. Указанные явления имеют статическую природу, в отличие от диссипативных структур, образующихся в примембранной области электролита в электродиализной системе. По-видимому, препятствием для релаксации в развития динамической самоорганизации при столь высокой неравновесности является структурная жесткость ПМ, отмечаемая в большом числе работ. Жесткая структурная организация БР обеспечивает ему «динамический» режим функционирования, высокую резистентность к внешним воздействиям и практически исключает возможность внешних управляющих воздействий. Показательно, что при дегидратации препаратов ПМ скорость фотоцикла БР может уменьшиться в 103 и более раз, но при этом никаких альтернативных путей фотоцикла не возникает. Фотоактивация интермедиатов БР, детально исследованная в работе [88] методами низкотемпературной спектроскопии, инициирует процессы, имеющие выраженный характер релаксации в исходное состояние БР570. Столь высокая устойчивость динамики БР обеспечивает выполнение узкоспециальной функциональной задачи этого комплекса в бактериальной клетке. Жесткость структуры предполагает, что система не нуждается в «подстройке», т.е. зафиксированная структура оптимальна с точки зрения выполнения ею своей функции. Интересно отметить, что жесткая структура БР представляет собой своего рода мгновенную картинку динамического процесса самоорганизации, протекающего в ходе сильно неравновесного биологического процесса «отбор-наследование», реализующегося в масштабе больших времен.

Оценки, выполненные в рамках приближения Филда-Нойеса-Кореша (ФКН [305], §4.1.2) показывают, что вклад химической составляющей стС1, в полное производство энтропии в случае колебательной реакции БЖ составляет

7 Ч аси ~ Ю Дж/(К-с-см ). Диффузионный вклад а^г в производство энтропии для этой системы оценивается величинои ст^ ~ 10"4Дж/(К- с-см). Таким образом, неравновесность колебательной БЖ системы обусловливается протеканием химических процессов, вклад диффузии в производство энтропии пренебрежимо мал. Основной вклад в величину ась дают наиболее быстропротекающие химические процессы Ш и Я5 в модели ФКН, причем вклад процесса 115 имеет характер малой поправки (-1%) к вкладу реакции Ш; роль остальных процессов в производстве энтропии мала.

Отметим, что величина а^, полученная для жидкофазной системы БЖ находится в согласии с производством энтропии в диффузионном газоразделительном процессе (10"6-10"4 Дж/(К- с-см)). Согласие между собой величин а, оцененных для диффузионных процессов в различных системах и их сравнение с производством энтропии в ходе химических реакций позволяет заключить, что протекание химических процессов должно обеспечивать значительно более высокую степень неравновесности по сравнению с диффузионными процессами. Это замечание справедливо для широкого диапазона значений констант скоростей химических превращений и «обычных» концентраций реагентов; исключение составляют очень медленные химические процессы. На нелинейный характер большинства химических систем, обусловленный выполнением соотношения АГк.Т» 1 (А -сродство реакции) указывал Пригожин [9]. Малость величины а для процессов диффузии и электроиндуцированной миграции по сравнению с производством энтропии в химических реакциях позволяет считать указанные процессы переноса в некотором смысле «медленными» по сравнению с «быстрыми» химическими превращениями. По-видимому, весьма высокая степень нервновесности обусловливает возможность использования относительно слабых световых воздействий для существенного изменения колебательного режима БЖ среды. Аномально высокая фоточувствительность БЖ системы отмечалась ранее в работе [320]. Именно эта лабильность фотохимической системы, имеющая существенно неравновесный динамический характер, позволяет использовать ее в процессах обработки информации.

Результатом обработки изображений является изменение количества доступной информации. Анализ процессов генерации новой информации, выполненный в работе [314] показывает, что создание новой информации возможно в неравновесных системах, находящихся за пределами применимости линейных соотношений. С этой точки зрения применение для обработки визуальной информации химически активной среды, характеризуемой самым высоким уровнем производства энтропии, представляется оправданным.

Значительное влияние химических реакций на степень неравновесности системы следует иметь в виду при обсуждении возможных режимов проведения мембранных процессов. Сильное взаимодействие пенетранта с' материалом мембраны способствует удалению процесса транспорта от положения равновесия. Яркой иллюстрацией этого положения является возникновение автоколебательного режима первапорационного переноса низкомолекулярных поверхностно-активных веществ через мембраны из поливинилтриметилсилана вследствие взаимодействия транспортируемого компонента с полимерной мембраной и изменения вследствие этого микроструктуры последней [321, 322].

Весьма интересным с точки зрения реализации сильно неравновесных режимов переноса и, вследствие этого, восприимчивости к внешним управляющим воздействиям является процесс электропервапорации [323]. Механизм переноса нейтральных молекул в этом процессе включает в себя образование заряженных промежуточных частиц и их миграцию в приложенном электрическом поле. Электропервапорация вплотную соприкасается с мембранными реакторами, в которых осуществляются одновременно химические превращения и операции разделения компонентов. Электроиндуцированный характер транспорта, а также протекание химических реакций должно приводить к сильной неравновесности процесса, что находит свое проявление в колебательном характере переноса, при котором проницаемость электропервапорационной системы при фиксированных граничных условиях испытывает сильные флуктуации [323].

Проблема совершенствования мембранных процессов традиционно связывается с созданием новых мембранных материалов с заданными свойствами. В общем можно указать два возможных подхода к решению этой проблемы. Первый состоит в формировании жесткой мембранной матрицы, структура которой была бы строго определенной на различных пространственных масштабах, начиная с нонометрового, с использованием технологий молекулярного дизайна и других подходов. Достижения, основные проблемы и перспективные подходы в этом направлении обсуждаются в работе [8]. Мембранная структура в этом случае оптимизируется для какого-то ограниченного диапазона условий проведения процесса и должна обладать достаточно высокой жесткостью, чтобы не изменяться под воздействием факторов, сопровождающих процессы транспорта (тепловыделение, локальные электрические поля, осмотические силы и т.п.). Этот подход к формированию мембранных структур можно назвать статическим.

Второй (динамический) подход может состоять в использовании лабильных мембран, пространственная структура которых может формироваться и/или изменяться в зависимости от режима проведения процесса. Для этих целей могут оказаться пригодными гибкие несшитые полимеры или жидкие мембраны, последние могут быть исходно структурированы в разной мере путем включения их в полимерные матрицы. Формирование пространственно-временных диссипативных структур в системах такого рода исследовалось в работе [36], посвященной анализу переноса молекул С02 через импрегнированные пористые фильтры, используемые как квазижидкие мембраны. Подстройка лабильных систем под условия переноса должна носить характер процесса самоорганизации в направлении, указываемом теоремой Пригожина о минимальном производстве энтропии в стационарном состоянии. Если структура системы имеет возможность перестраиваться в этом направлении, то стремление производства энтропии к минимуму обеспечивает оптимизацию системы с точки зрения эрнергопотребления, так как минимальное производство энтропии означает наименьшие затраты энергии на проведение процесса при заданных граничных условиях.

Можно предположить, что существенные динамические перестройки системы могут происходить, если выполняется соотношение: аТ > "\Уу/т, где Т - абсолютная температура, -объемная плотность характерной энергии взаимодействия структурообразующих единиц, т- время релаксации в заданном пространственном масштабе. Под энергией следует понимать силу вязкого трения в жидкости или (в полимерной матрице) энергию, необходимую для смещения фрагментов определенного масштаба друг относительно друга. Фрагментами могут быть какие-то внутримолекулярные группировки, полимерные цепи или какие-либо надмолекулярные образования, соразмерные масштабу формирующейся диссипативной структуры.

Отметим, что оба обсуждаемых способа формирования мембранных структур являлись бы воплощением биологических принципов организации мембран. О жесткой структуре исследованных нами ПМ уже упоминалось выше. Динамический подход к формированию структуры мембран, по-видимому, реализуется в клеточных мембранах. Во всяком случае, взгляд на липидный бислой как на динамическую систему, структура которой существенно зависит от присутствия тех или иных белков и изменяется при переносе различных субстратов [162], становится распространенным все более широко.

Рассмотрение фликкер-шума как нелинейного явления, присущего неравновесным динамическим системам [3], позволяет наметить подход к оценке надежности таких систем. Эти оценки могут быть актуальны для систем, имеющих сложную структурную организацию на молекулярном уровне, прежде всего, биологических. Начиная с работы Шредингера [324], при обсуждении минимальных размеров живых систем принято рассматривать броуновское движение с характерным масштабом энергии ~кТ как фактор, ограничивающий минимальные размеры живой системы. Опыт показывает, что мощность фликкер-шума зачастую значительно превышает мощность частотно-независимого равновесного шума. Это означает, что при обсуждении надежности во внимание должны приниматься динамические флуктуации, возникающие в термодинамически открытых неравновесных системах. Плотность диссипирующей энергии не должна, по-видимому, превышать уровень, обусловливающий такую мощность фликкер-шума, при которой за время порядка времени существования биологической системы могла случиться флуктуация с амплитудой, имеющей фатальные для системы последствия. Это условие может ограничивать допустимую плотность энергетических и массовых потоков внутри клеток и через поверхность биомембран. Это же условие может оказаться важным для оценок долговечности мембранных структур, сформированных на микроскопическом уровне и функционирующих в сильно неравновесных режимах.

1. Тимашев С.Ф. Физико-химия мембранных процессов. М., Химия. 1988.237 с.

2. Платэ H.A. Мембранная технология авангардное направление развития науки и техники XXI века. //Мембраны. Информ. - аналитич. Журнал, 1999. № 1. С. 1-13. М., ВИНИТИ. Сер. Критические технологии.

3. Тимашев С.Ф. Методология анализа временных рядов на основе теории детерминированного хаоса// Российский химический журнал. 1997. Т. 4L С. 17-29. "

4. Хакен Г. Синергетика. Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах . М., Мир. 1985. 419 с.

5. Шустер Г. Детерминированный хаос. Введение. М., Мир. 1988. 240 с.

6. Берже П., Помо И., Видаль К. Порядок в хаосе. О детеминистском подходе к турбулентности. М., Мир 1991. 367 с.

7. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения //Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 11. С.1145-1170.

8. Кирш. Ю.Э., Тимашев С.Ф. Полимерные мембраны как химически гетерогенные канальные наноструктуры // Мембраны. Информ. аналитич. Журнал, 1999. № 1. С. 15-46. М., ВИНИТИ. Сер. Критические технологии.

9. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. М., Мир. 1979. 513 с.

10. Де Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М., Мир. 1964.456 с.

11. Heckmann К., Strobl С., Bawer S.//Thin Solid Films (1983) V. 99. P.265.

12. Vanderveen R.G., Barnes G.T. .//Thin Solid Films (1985) V.134. P.227.

13. Gaines G.L. .//Thin Solid Films (1983) V. 99. P.243.

14. Fujihira M. //Proc. Int. Congr. on Membrans and Membrane Processes. Tokyo (1987) P.683.

15. Niva M., Matsuyoshi E., Higashi N.//Langmuir (1989) V.5. P.1256.

16. Kunitake T., Higashi N., Kajiyama T.//Chem. Phys, Lett. (1984) V.27. P.717.

17. Higashi N., Kunitake T., Kajiyama T.// Proc. Int. Congr. on Membrans and Membrane Processes. Tokyo (1987) P.675.

18. Bruinsma P.J., Spooner G.L., Coleman L.B. et al.// Thin Solid Films (1992) V.210/211 P.440.

19. Kobayashi K., TakaokaK., Ochiai S.// Thin Solid Films (1989) V.178 P.453.

20. Арсланов В.В.//Успехи химии (1994) T.63. C.l 155.

21. Kuan S.W.J., Frank C.W., Fu C.C. et al.//J. Vac. Sei. Technol. (1988) V.6.1. P.1174.

22. Hagenhoff В., Diemel M., Benninghoven A. et al.//Phys. D. Appl. Phys. (1992) У.25.Р.818.

23. Дургарьян С.Г., Ямпольский Ю.П., Платэ Н.А.//Успехи химии (1988) Т.57. №6. С.974.

24. Tieke В., Lieser G., Wegner G.//J. Polym. Sei. Polym. Chem. Ed. (1979) V.17.1. P.1631.

25. Yanusova L., Klechkovskaya V., Sveshnikova L. et al.//Liguid Cryst. (1993) V.14. P.1615.

26. Воробьев A.B., Крыкин M.А., Попков Ю.М., Тимашев С.Ф.//Теор. основы хим. технологии (1985) Т.19. №5. С.675.

27. Максимычев A.B., Степина Н.Д., Янусова Л.Г. и др.//Тез. Российской конф. по мембранам и мембранным технологиям "Мембраны-95". М., 1995. С.40.

28. Тимашев С.Ф. //Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева) (1996) Т.40. №2. С.113-124.

29. Тимашев С.Ф. //Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева) (1998) Т.42. №3. С.18-35.

30. Rhodes D.G., Xu Z., Bittman R. //Biochim. et Biophys. Acta (1992) V.1128. P.93-104.

31. Эмануэль H.M., Кнорре Д.Г. /Курс химической кинетики. М., Высшая школа. 1984. 463 с.

32. Хванг С.-Т., Каммермейер К. /Мембранные процессы разделения. М. Химия. 1981. 646 с.

33. Rubinstein I., Shtilman L. /Я. Chem. Soc. Faraday Trans. II. V.75. No.2. P. 213-246.

34. Rubinstein I. //Reactive Polymers. 1984, V.2 P.l 17-131. Л

35. Тимашев С.Ф.//Успехи химии. 1991 Т.60. №3. С.610-619.

36. Воробьев A.B. и др. //Теор. осн. хим. технол. 1985. Т.19. №4. С.544-545.

37. Li Q., Fang Y., Green M.E. //J. Colloid Interface Sei. (1983) V.91, No.2, P.412417.

38. Green M.E., Yafuso M. Iß. Phys. Chemistry (1968) V.72, No. 12, P.4072-4077.

39. Fang Y., Li Q., Green M.E. //J. Colloid Interface Sei. (1982) V.86, No.l, P.185190.

40. Тягай B.A., Колбасов Г.Я., Петрова H.A. //Электрохимия (1979) T.15. №6. С.866-872.

41. Малинецкий Г.Г., Митин H.A. /Новое в синергетике. Загадки мира неравновесных структур. М., Наука. 1996. С. 191.

42. HeggerR., Kantz H. Practical implementation of nonlinear series methods: The TISEAN package //Chaos (1999) V.9. No 2. P.413-435.

43. Колюбин A.B., Максимычев A.B., Тимашев С.Ф. //Электрохимия (1996) Т.32. №2. С.227-234.

44. Будников Е.Ю. Максимычев A.B., Колюбин A.B., Тимашев С.Ф. //Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. Тез. докл. научно-технического семинара. M МНТОРЭС им A.C. Попова. 1998. С.225-231.

45. Кирш Ю.Э., Малкина И.М., Федотов Ю.А., Януль H.A., Гитис С.С., Смирнов С.А., Тимашев С.Ф. //Высокомолек. соед. 1993 Т.35. № 3. С.320.

46. Олемский А.И., Флат А.Я. // Успехи физических наук. 1993. Т. 163. № 12.1. С.1-50.

47. Крайнов В.П. /Качественные методы в физической кинетике и гидрогазодинамике. М. Высшая школа. 1989. 224 с.

48. Краткий справочник физико-химических величин. Ред. A.A. Равдель, A.M. Пономарева. Л. Химия 1983. С.117.

49. Физические величины: справочник. Ред. И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихов. М. Энергоатомиздат. 1991. 1232 с.

50. Графов Б.М., Хомченко Т.Н., Некрасов Л.Н., Алексеев В.Н., Мартемьянов С.А. Автомодельность турбулентного электрохимического 1/f 3-шума //Электрохимия (1999) Т.35. №6. СП62-161.

51. Климонтович Ю.Л. /Турбулентное движение и структура хаоса: Новый подход к статистической теории открытых систем. М. Наука 1990. 320 с.

52. Чеголя А.С. //Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева (1987) Т.32. №6. С.603

53. Oesterhelt D., Stoeckenius W. //Methods in Enzymol. (1974) V.31. P.667-678.

54. Skulachev V.P. //FEBS Lett., (1976) V.64, No.l, P.23-25.

55. Oesterhelt D. //FEBS Lett., (1976) V.64, No.l, P.20-22.

56. Макеимычев A.B., Тимашев С.Ф. О возможности создания сенсорных устройств на основе бактериородопсина //Ж., аналит. химии, (1990) Т.45, №7, С.1456-1464.

57. Trissl H.-W. Primary electrogenic processes in bacteriorhodopsin probed by photoelectric measurements with capacitive metal electrodes. //Biochim. Biophys. Acta. (1985) V.806. No 1. P.124-135.

58. Haronian D., Lewis A. //Appi. Phys. Lett., (1992) V.61. No.18. P.2237-2239.

59. Oesterhelt D., Brauchle C., Hampp N. //Quart. Rev. Biophys, (1991) V.24. P.425-478.

60. Всеволодов H.H. /Биопигменты фоторегистраторы. Фотоматериал на бактериородопсине. М., Наука, 1988. 222 с.

61. Пири А., Ван Гейнинген Р./ Биохимия глаза М. Медицина. 1968 400 с.

62. Blaurock А.Е., Stoeckenius W. Structure of the purple membrane. //Nature. New Biology (1971) V.233. No 39. P.152-155.

63. Unwin P.N.T., Henderson R. Molecular structure determination by electron microscopy of unstained cpystalline speciments. // J. Mol. Biol. (1975) V.94. No 3. P.425-440.

64. Henderson R., Unwin P.N.T. Structure of the purple membrane from Halobacterium halobium. //Nature (1975) V.257. No 5521 P.28-32.

65. Hayward S.R., Stroud R.M. Projected structure of purple membrane determined to 3.7 A resolution by low temperature electron microscopy. //J. Mol. Biol. (1981) V.151. No 2. P.491-517.

66. Baldwin J.M., Henderson R., Beckman E., Zemlin F. Images of purple membrane at 2.8 A0 resolution obtained by cryoelectron microscopy. //J. Mol. Biol. (1988) V.202. No 3. P.585-591.

67. Khorana H.G., Gerber G.E., Herlihy W., Gray C.P., Anderecc R.J., Nihei K., Biemann K. Amino asid sequence of bacteriorhodopsin. // Proc. Natl Acad Sci USA (1979) V.76. No 10. P.5046-5050.

68. Ovchinnikov Yu. A. Rhodopsin and bacteriorhodopsin: structure -function relashionship. //FEBS Lett. (1982) V.148. No 2. P.179-191.

69. Lemke H.-D., Oesterhelt D. Lysine 216 is a binding site of the retinyl moiety in bacteriorhodopsin. //FEBS Lett. (1981) V.128. No 2. P.255-260.

70. Heyn M.P., Cherry R.J., Muller U. Transition and linear dichroism in bacteriorhodopsin: determinaiton of the all-trans retinal orientation at 568 nm. //J. Mol. Biol. (1977) V.l 17. No 3. P.607-620.

71. Korenstein R., Hess B. Immobilization of bacteriorhodopsin and orientation of its transition moment in purple membrane //FEBS Lett. (1978) V.89. No 1. P. 15-20.

72. Kriebel A.N., Albrecht A.C. Exciton interaction between three chromophores: application to the purple membranes of Halobacterium halobium. //J. Chem. Phys. (1976) V.65. No 11. P.4575-4583.

73. Stoeckenius W., Lozier R.H., Bogomolni R.A. Bacteriorhodopsin and purple membranes of Halobacteria. //Biochim. Biophys. Acta. (1979) V.505. No 3/4. P.215-278.

74. Urabe H., Otomo J., Ikegami A. Orientation of retinal in purple membrane determined by polarized Raman spectroscopy. //Biophys J. (1989) V. 56. No 6. P. 12251228.

75. Earnest T.N., Roepe P., Braiman M.S., Gillespie J., Rothschild K.J. Orientation of the bacteriorhodopsin chromophore probed by polarized Fourier transform infrared spectroscopy. //Biochemistry (1986) V.25. No 20. P.7793-7798.

76. Lin S.W., Mathies R.A. Orientation of the protonated retinal Shiff base group in bacteriorhodopsin from absorption linear dichroism. //Biophys J. (1989) V.56. No 4. P.653-660.

77. Rehorck M., Heyn M. Binding of all-trans retinal with purple membrane. Evidence for cooperativity and extinction coefficient determination. //Biochemistry (1979) V.18. No 22.1. P.4977-4983.

78. Honig В., Greenberg A.D., Dinur U., Ebrey T. Visual -pigment spectra: implicaitons of the protonation of retinal Shiff base. //Biochemistry (1976) V.15. No 21. P.4593-4599.

79. Schreckenbach Т., Walkhoff В., Oesterhelt D. Specificity of the retinal binding site of bacteriorhodopsin: chemical and stereochemical requirements for the binding of retinol and retinal. //Biochemistry (1978) V.17. No 25. P.5353-5359.

80. Sheves M., Nakanishi K. Factors affecting the absorption maxima of polyene iminium systems: a model study for rhodopsin and bacteriorhodopsin. //J. Amer. Chem. Soc. (1983) V.105. No 12. P.4033-4039.

81. Ebrey T.G., Kilbride P., Becher В., Мао В. Exciton interaction and chromophore orientation in the purple membrane. //J. Mol. Biol. (1977) V.112. No 3. P.377-397.

82. Heyn M.P., Bauer P.-J., Dencher N.A. A natural CD label to probe the structure of the purple membrane from Halobacterium halobium by means of exciton coupling effects. //Biochim. Biophys. Res. Communs. (1975) V.67. No 3. P.897-903.

83. Oesterhelt D., Stoeckenius W. Function of a new photoreceptor membrane. //Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1973) V.70. No 10. P.2853-2857.

84. Lozier R.H., Bogomolni R.A., Stoeckenius W. Bacteriorhoodpsin: a light driven proton pump in Halobacterium halobium. //Biophys. J. (1975) V.15. No 9. P.955-962.

85. Sherman W.V., Korenstein R., Caplan R. Energetics and chronology of phototransients in the light response of the purple membrane of Halobacterium halobium. //Biochim. Biophys. Acta. (1976) V.430. No 3. P.454-458.

86. Gillbro T. Flash kinetic study of the last steps in the photoinduced reaciton cycle of bacteriorhodopsin. //Biochim. Biophys. Acta (1978) V.504. No 1. P.175-186.

87. Зубов Б.В., Сулинов Н.А., Чернавская Н.М., Чернавский Д.С., Чижов Н.В. Кинетика первичных стадий фотоцикла бактериородопсина при низких температурах. //Биофизика (1982) Т.27. №3. С.357-361.

88. Балашов С.П., Литвин Ф.Ф. /Фотохимические превращения бактериородопсина. М. МГУ. 1985. 163 с.

89. Kayushin L.P., Skulachev V.P. Bacteriorhodopsin as an electrogenic proton pump: reconstitution of bacteriorhodopsin proteoliposomes generating A\j/ and ДрН. //FEBS Lett. (1974) V.39. No 1. P.39-42.

90. Drachev L.A., Kaulen A.D., Ostroumov S.A., Skulachev V.P. Electrogenesis by bacteriorhodopsin incorporated in planar phospholipid membrane. //FEBS Lett. (1974) V.39. No 1. P.43-45.

91. Drachev L.A., Kaulen A.D., Slulachev V.P. Time resolution of the intermediate steps in the bacteriorhodopsin -linked electrogenesis. //FEBS Lett. (1978) V.87. No 1. P.161-167.

92. Drachev L.A., Kaulen A.D., Khitrina L.V., Slulachev V.P. Fast stages of photoelectric processes in biological membranes. 1. Bacteriorhodopsin. //Eur. J. Biochem. (1981) V.l 17. No 3. P.461- 470.

93. Korenstein R., Hess B. Hydration effects on cis- trans isomerization of bacteriorhodopsin. //FEBS Lett. 1977 V.82. No 1. P.7-11.

94. Lazarev Y.A., Terpugov E.L. Effect of water on the structure of bacteriorhodopsin and photochemical processes in purple membrane. //Stud. Biophys. (1981) V.84. No 1. P.9-10.

95. Kovacs I., Varo G. Charge motion in vacuum- dried bacteriorhodopsin. //Photochem. Photobiol. (Biol.) (1988) V.l. P.469-474.

96. Максимычев A.B., Кононенко A.A., Лукашев Е.П., Тимашев С.Ф., Чаморовский С.К. Фотохромные, электрохромные и фотоэлектрические свойства ориентированных пленок бактериородопсина. Возможные прикладные аспекты. //Ж. физ. химии (1988) Т.62. 40. С.2753-2769.

97. Chamorovsky S.K., Lukashev Е.Р., Kononenko А.А., Rubin A.B. Effects of electric field on the photocycle of bacteriorhodopsin. //Biochim. Biophys. Acta (1983) V.725. No 2. P.403-406.

98. Korenstein R., Hess B. Hydration effects on the photocycle of bacteriorhodopsin in thin layers of purple membranes. //Nature (1977) V.270. No 5633. P.184-186.

99. Varo G., Keszthelyi L. Photoelectric signal from dried oriented purple memnranes of Halobacterium halobium. //Biophys J. (1983) V.43. No 1. P.47-51.

100. Keszthelyi L. Charge motion inside the bacteriorhodopsin molecule. //Bioelectrochem. Bioenerg. (1986) V.15. No 3. P.437-445.

101. Varo G., Eisenstein L. Infrared studies of water induced conformational changes in bacttriorhodopsin. //Eur. Biophys. J. (1987) V.14. No 3. P.163-168.

102. DencherN.A., Papadopoulos G., Dresselhaus D., Buldt G. Localization of the chromophore retinal and of a possible pathway for protons in bacteriorhodopsin by diffraction methods. //Biochim. Biophys. Acta (1990) V.1026. No 1. P.51-56.

103. Papadopoulos G., Dencher N.A., Zaccai G., Buldt G. Water molecules and exchangable hydrogen ions at the active center of bacteriorhodopsin localized by neutron diffraction: Elements of the proton pathway? //J. Mol. Biol. (1990) V.214. No 1. P.15-22.

104. Rupley J.A., Siemankowski L., Carrei G., Bruni F. Two- dimensional protonic percolation on slightly hydrated purple membrane. //Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1988) V.85. No 27. P.9022-9025.

105. Draheim J.E., Gibson N.J., Cassim J.Y. Dehydration- induced molecular structural changes of purple membrane of Halobacterium halobium. //Biophys. J. (1988) V.54. No 3.P.931-944.

106. Oesterhelt D, Stoeckenius W. Rhodopsin- like protein from the purple membrane of Halobacterium halobium. //Nature. New Biol. (1971) V.233. No 39. P. 149152.

107. Mowery P.C., Lozier R.H., Chae Q., Tseng Y.-W., Taylor M., Stoeckenius W. Effect of acid pH on the absorption spectra and photoreactions of bacteriorhodopsin. //Biochemistry (1979) V.18. No 19. P.4100-4107.

108. Chang C.-H., Chen J.-G., Govindjee R., Ebrey T. Cation binding by bacteriorhodopsin. //Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1985) V.82. No 2. P.396-400.

109. Hrabeta-Robinson E., Semadeni M., Packer L. Role of carboxyl residues and membrane lipids in cation binding to bacteriorhodopsin. // Arch. Biochem. Bophys. (1989) V.269. No 2. P.476-484.

110. Albeck A., Friedman N., Sheves M., Ottolenthi M. Factors affecting the absorpiton of acidic forms of bacteriorhodopsin. //Biophys. J. (1989) V.56. No 6. P.1259-1266.

111. Heyn M.P., Dudda C., Otto.H., Seif F., Wallat I. The purple to blue transition of bacteriorhodopsin is accompained by a loss of the hexagonal lattice and a conformational change. //Biochemistry (1989) V.28. No 23. P.9166-9172.

112. Zhang Y.N., Sweetman L.L., Award E.S., El-Sayed M.A. Nature of the individual Ca binding sites in Ca -regenerated bacteriorhodopsin. //Biophys. J. (1992) V.61. No 5. P.1201-1206.

113. Шкроб A.M., Родионов A.B. Множественность форм релаксирующих молекул ретиналя. //Биоорган, химия (1978) Т.4. №4. С.500-513.

114. Хитрина JI.B., Драчев JI.A., Каулен А.Д., Чекулаева Л.Н. Ингибирование бактериородопсина формалином и лантаном. //Биохимия (1982) Т.47. №11. С.1763-1772.

115. Engelhard М., Kohl K.D., Muller К.Н., Hess В., Heidemeier J., Fischer M., Parak F. The photocycle and the structure of iron containing bacteriorhodopsin a kinetic and Mossbauer spectroscopy. //Eur. Biophys. J. (1991) V.19. No 1. P.11-18.

116. Tsuji K., Muller S.C. Electric field induced conformational changes of bacteriorhodopsin in purple membrane films. //Stud. Biophys. (1989) V.130. No 1-3. P.145-150.

117. Engelhard M., Pevec В., Hess B. Two peptides of bacteriorhodopsin are labeled with a (pentamino)-cobalt-III complex: An example of specific cation binding to purple membrane. //Biochemistry (1989) V.28. No 13. P.5432-5438.

118. Чаморовский C.K., Кононенко А.А., Лукашев Е.П. Светочувствительные биосенсоры /Итоги науки и техники (Биотехнология) М., ВИНИТИ (1990) Т.26. С.76-133.

119. Всеволодов Н.Н. Биопигменты- фоторегистраторы. /Фотоматериал на бактериородопсине. М. Наука 1988 222 с.

120. Symposium on molecular electronics. Biosensors and Biocomputers. Santa Clara, California. 1988.

121. Second International Conference on Molecular Electronics and Biocomputers. Moscow. 1989.

122. The 5th International Symposium on Bioelectronic and Molecular Electronic Devices. Okinawa, Japan. 1995.

123. Lee I.-J., Gillie J.K., Jonson C.K. Photochemical hole burning in bacteriorhodopsin. //Chem. Phys. Lett. (1989) V.156. P.227- 232.

124. Birge R.R. Optical random access memory based on bacteriorhodopsin. //Bull. Amer. Phys. Soc. (1989) V.34. P.483-487.

125. Margalit R., Yu J. Optical processing in bacteriorhodopsin films. //IEEE EMBS (1990) V.12. P.1717-1718.

126. Hampp N., Popp A., Brauchle C., Oesterhelt D. Diffraction efficiency of bacteriorhodopsin films for holography containing bacteriorhodopsin wildtype BR and its variants. //J. Phys. Chem. (1992) V.96. No 11. P.4679-5685.

127. Барменков Ю.О., Кожевников H.M. Динамические амплитудно- фазовые решетки в бактериородопсине. //Письма в ЖТФ (1990) Т. 16. №1. С.65-66.

128. Всеволодов Н.Н., Иваницкий Г.Р., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Пленки «Биохром» реверсивная среда для оптической записи. //Автометрия (1986) №12. С.41-48.

129. Werner O., Fischer В., Lewis A., Nebenzahl I. Saturable absorption, wave mixing and phase conjugation with bacteriorhodopsin. //Opt. Lett. (1990) V.15. P.1117-1119.

130. Eisenbach M., Weissmann G., Tanny G., Caplan S.R. Bacteriorhodopsin-loaded charged synthetic membranes. //FEBS Lett. (1977) V.81. No 1. P.77-80.

131. Wovcester D.L., Neugebauer D.-C., Blaurock A.E. Magnetic orientation of the purple membranes. //FEBS Lett. (1977) V.78. No 1. P.31-35.

132. Fisher K.A., Yanagimoto K., Stoeckenius W. Oriented adsorption of purple membrane to cationic surfaces. //J. Cell. Biol. (1978) V.77. No 2. P.611-621.

133. Vara G. Dried oriented purple membrane samples. //Acta Biol. Acad. Sci. Hung. (1981) V.32. No 3-4. P.301-310.

134. Taneva S.G., Jordanova N., Petkanchin I.B. Electro- optical investigation of lipid- depleted purple membranes. //Biophys. Chemitsry (1992) V.44. No 1. P.91-97.

135. Kimura Y., Ikegami A., Ohno K., Saito S., Takeuchi Y. Electric dichroism of purple membrane suspensions. //Photochem. Photobiol. (1981) V.33. No 4. P.435-439.

136. Nagy K. Photoelectric activity of dried oriented layers of purple membrane from Halobacterium halobium. //Biochem. Biophys. Res. Communs. (1978) V.81. No 2. P.383-390.

137. Kantcheva M.R., Popdimitrova N., Stoylov S. Electrophoretic mobility of purple membrane from Halobacterium halobium. //Stud. Biophys. (1982) V.90. P. 125-126.

138. Singh K., Korenstein R., L'ebedeva H., Caplan S.R. Photoelectric conversion by bacteriorhodopsin in charged synthetic membranes. //Biophys. J. (1980) V.31. No 3. P.393-401.

139. Liu S.Y., Ebrey T.G. Photocurrent measurements of the purple membrane oriented in polyacrilamide gel. //Biophys. J. (1988) V.54. No 2. P.321-329.

140. Varo G., Keszthely L. Purple membrane samples oriented by electrical field. //Biophys. J. (1983) V.43. No 1. P.47-51.

141. Nagle J.F., Mille M. Molecular models of proton pumps. //J. Chem. Phys. (1981) V.74. No 2. P.1367- 1372.

142. Kalisky O., Ottolenghi M., Honig В., Korenstein R. Environmental effects on formation and photoreaction of the M4i2 photoproduct of bacteriorhodopsin: implications for the mechanism of proton pumping. //Biochemistry (1981) V.20. No 3. P.649-655.

143. Всеволодов H.H., Чекулаева JI.H. Спектральные превращения фотопродуктов в клетках Halobacterium halobium //Биофизика (1978) Т.23. №1. С.99-103.

144. Oesterhelt D., Stoeckenius W. Isolation of the cell membrane of Halobacterium halobium and its fractionation into red and purple membrane. //Methods in Enzymol. (1974) V.31. P.667-678.

145. Остерман Л.А. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот. Электрофорез и ультрацентрифугирование (практическое пособие). М., Наука. 1981. 286 с.

146. Тевлина А.С., Акулова Т.П. Сополимеры гексафтор- пропилена с винилиденфторидом как материалы для электродиализных анионообменных мембран. //Пласт, массы (1985). №4. С.10-12.

147. Фалькович Р.А. Скоростной метод измерения краевого угла смачивания //Текстильная промышленность (1954) №4. С.36-37.

148. Могилевский Л.Ю., Дембо А.Т., Свергун Д.И., Фейгин JI.A. Особенности исследования ленгмюровских слоев методом малоуглового рентгенструктурного анализа. //Кристаллография. (1984) Т.29. №3. С.587-591.

149. Hwang S.-R., Korenbrot J.I., Stoeckenius W. Charge displacement in bacteriorhodopsin and its intemediates. //Biochim. Biophys. Acta (1978) V.509. No 2. P.300-317.

150. Hwang S.-R., Korenbrot J.I., Stoeckenius W. Structural and spectroscopic characteristics of bacteriorhodopsin in air- water interface film. //J. Membr. Biol. (1977) V.36. No 3-4. P.115- 135.

151. Eisenbach M., Caplan S.R., Tanny G. Interaction of purple membrane with solvents: 1. Applicability of solubility parameter mapping. //Bichim. Biphys. Acta (1979) V.554. No 2. P.269-280.

152. Eisenbach M., Caplan S.R. Interaction of purple membrane with solvents: 2. Mode of interaction //Bichim. Biphys. Acta (1979) V.554. No 2. P.281-292.

153. Korenstein R., Hess В., Markus M. Cooperativity in the photocycle of purple membrane of Halobacterium halobium with a mechanism of free energy transduction. //FEBS Lett. (1979) V.102. No 1. P.155-161.

154. Schildkrant J., Lewis A. Purple membrane and purple membrane -phospholipid Langmuir- Blodgett films. //Thin Solid Films (1985) V.134. No 1-3. P. 13-26.

155. Vivino A., Berns D.S., Brody S.S. Light and pH induced cnanges in surface pressure- area isotherms of bacteriorhodopsin. //Photochem. Photobiol. (1980) V.31. No 4. P.363-366.

156. Зайцев С.Ю., Дзехцер C.B., Зубов В.П. Полимеризованные монослои с иммобилизованным бактериородопсином. //Биоорган, химия (1988) Т. 14. №6. С.850-852.

157. Лукашев Е.П., Зайцев С.Ю., Кононенко А.А., Зубов В.П. Фотоэлектрические свойства мономолекулярных пленок бактериородопсина. //Докл. АН СССР 1989. Т.308. №1. С.225-230.

158. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н./ Динамическая структура липидного бислоя. М. Наука, 1981. С.48.

159. Львов Ю.М., Фейгин Л.А. //Кристаллография. (1987) Т.32. №3. С.800815.

160. Flanagan Н.Т. The deposition of Langmuir- Blodgett films containing purple membrane on lipid- and papfm- impregnated filters. //Thin Solid Films (1983) V.99. No.l. P.133-138.

161. Korenbrot J.I., Hwang S.-B. Proton transport by bacteriorhodopsin in planar membranes assembled from air-water interface films. //J. Gen. Physiol. (1980) V.76. No 3. P.649-682.

162. Ерохин B.B., Сабо Я., Захарова Н.И., Каюшина Р.Л., Кононенко А.А., Львов Ю.М., Лукашев Е.П., Нокс П.П. //Биол. мембраны. (1989) Т.6. №11. С.1125-1132.

163. Driscoll R.L., Youngquist M.G., Baldeschwieler J.D. //Nature (1990) V.346.1. P.294

164. Fisher K.A. et al. //Biochim. Biophys. Acta (1990) V.1023. P.325

165. Кононенко А.А., Лукашев Е.П., Панов В.И., Федоров Е.А. //Докл. АН СССР (1990) Т.315. №5. С.1252-1255.

166. Kimura Y., Ikegami A., Ohno К. //Photochem. Photobiol. (1981) V.33. Р.435.

167. Henderson R„ Schertber G.F.X. //Phil. Trans. R. Soc. Lond. (1990) V.B 326.1. P.379

168. Ehrenberg В., Berezin Y. //Biophys. J. (1984) V.45. P.663.

169. Каулен А.Д. Бактериородопсин: сопряжение фотохимических превращений с трансмембранным транспортом протонов /Дис. . д-ра биол. наук М.: МГУ, 1989.

170. Sasabe Н., Furuno Т., Takimoto К. Photovoltaics of photoactive protein/polypeptide Langmuir- Blodgett films. //Synthetic Metals (1989) V.28. No 1/2. P.787-792.

171. Боровягин В.Л. /Светочувствительные биологические комплексы и оптическая регистрация информации (Ред. Иваницкий Г.Р.) Пущино, 1985. С.89-97.

172. Борисевич Г.П., Лукашев Е.П., Кононенко А.А., Рубин А.Б. Батохромный сдвиг полосы поглощения бактериородопсина во внешнем электрическом поле. //Докл. АН СССР (1978) Т.241. № 4. С.959-962.

173. Лукашев Е.П., Возари Э., Кононенко А.А., Рубин А.Б. Влияние температуры и влажности на электроиндуцированный сдвиг полосы поглощения бактериородопсина (БР 570). //Биофизика (1980) Т.25. № 2. С.351-353.

174. Borisevich G.P., Lukashev Е.Р., Kononenko А.А., Rubin A.B. Bathpchromic shift of the bacteriorhodopsin in the external electrical field. //Biochim. Biophys. Acta (1979) V.549. No 1. P.171-174.

175. Lukashev E.P., Vozary E., Kononenko A.A., Rubin A.B. Electrical field promotion of the bacteriorhodopsin BR570 to BR^o photoconvertion in films of Halobacterium halobium purple membranes. //Biochim. Biophys. Acta (1980) V.592. No 2. P.258-266.

176. Липтэй В. /Современная квантовая химия (Ред. A.M. Бродский, В.В. Толмачев) М., Мир 1968. С.274.

177. Ottolenghi М. //Adv. in Photochemistry (1980) V.12. Р.97.

178. Tsuji К., Hess В. //Eur. Biophys. J. (1986) V.13. P.273.

179. Reich R. Light-induced charge separation in biology and chemisrty (Eds. H. Gericher, J.J. Katz) Berlin, Dahlem Konferenzen, 1979. P.361.

180. Tsuji K., Neumann E. //Int. J. Biol. Macromol. (1981) V.3. P.231.

181. Engelahrd H., Hess B. /Struct. Dyn. and Funct. Biomol.: 1st EBSA Workshop MarcusWallenberg Symp., Saltsjobaden Stockholm, July 6-10, 1986. Berlin e.a. 1987. P.137.

182. Sullivan P.D., Quintanilha A.T., Tristram S., Packer L. Isotope effects and activation parameters for chemically modified bacteriorhodopsin //FEBS Lett. (1980) V.117.No 1. P.359-362.

183. Honig В., Ebrey Т., Callemder R.H., Dinur U., Ottolenghi M. Photoisomerization energy storage and charge separation: model of light energy conversion in visual pigment and bacteriorhodopsin. //Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1979. V.76. No 6. P.2503-2507.

184. Всеволодов Н.Н., Иваницкий Г.Р., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Пленки «Биохром»: реверсивная среда для оптической записи. //Автометрия (1986) №12. С.41-48.

185. Zaitsev S.Yu., Kozhevnikov N.M., Barmenkov Yu.O., Lipovskaya M.Yu. Kinetic of dynamic hologram recording in polymer films with immobilized bacteriorhodopsin. //Photochem. Photobiol. (1992) V.55. No 6. P.851-856.

186. Бельчинский Г.Я., Богатов П.Н., Гресько А.П., Кононенко А.А., Чаморовский С.К., Лукашев Е.П. Применение пигмент- белковых комплексов в качестве носителей оптической информации. //Биофизика (1991) Т.36. №2. С.248-251.

187. Takei Н., Lewis A., Chen Z., Nebenzahl I. Implemenenting receptive fields with excitatory and inhibitory optoelectrical responses of bacteriorhodopsin films. //Appl. Opt. 1991. V.30. P.500-509.

188. Hampp N., Thoma R., Oesterhelt D., Brauchle C. The biological photochrome bacteriorhodopsin and its genetic variant Asp-96 -» Asn as a media for optical pattern recogniiton. //Appl. Opt. (1992) V.31. No 11. P.1834-1841.

189. Iwasa Т., Tokunaga F., Yoshizawa T. Photoreaction of trans-bactreiorhodopsin at liquid helium temperature. //FEBS Lett. (1979) V.101. No 1. P.121-124.

190. Birge R.R. Photophysics and molecular electronics applications of the rhodopsins. //Annu. Rev. Phys. Chem. (1990) V.41. P.683-733.

191. Haronian D., Lewis A. Elements of unique bacteriorhodopsin neural network architecture. //Appl. Opt. (1991) V.30. P.597-608.

192. Акципетров A.O., Ахмедиев H.H., Всеволодов H.H., Есиков Д.А., Шутов Д.А. Фотохромизм в нелинейной оптике: фотоуправляемая генерация второй гармоники молекулами бактериородопсина. //Докл. АН СССР (1987) Т.293. №3. С.592-594.

193. Wild U.P., Renn A., De Саго C., Bernet S. Spectral hole burning and molecular computing. //Appl. Opt. (1990) V.29. P.4329-4331.

194. Кэй Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. Гос. изд. физ.-мат. лит. М., 1962. 247с.

195. Мищенко К.П., Равдель А.А. Краткий справочник физико-химических величин. Химия, М.-Л., 1965. 160 с.

196. Равдель А.А., Пономарева A.M. Краткий справочник физико-химических величин. Химия, Л., 1983. 231 с.

197. Гуревич Ю.Я., Плесков Ю.В. Фотоэлектрохимия полупроводников. М., Наука, 1983. 312 с.

198. Сухотин A.M. справочник по электрохимии. Л., Химия 1981. 488 с.

199. Феттер К. Электрохимическая кинетика . М., Химия. 1967. 856 с.

200. Иваницкий Г.Р. Биологические микроустройства //Вестник АН СССР (1984) №3. С.118-128.

201. Renard М., Delmelle М. Quantum efficiency of light driven proton extrusion in Halobacterium halobium. pH dependence. //Biophys J. (1980) V.32. No 3. P.993-1006.

202. Ort D.R., Parson W.W. The quantum yeid of flash- induced proton release by bacteriorhodopsin- containing membrane fragments. //Biophys J. (1979) V.31. No 2. P.341-354.

203. Bogomolni R.A., Baker R.A., Lozier R.H., Stoeckenius W. Quantum efficiency of proton translocation in whole cells of Halobacterium halobium. //Biochemistry (1980) V.19. No.10. P.2152- 2159.

204. Rupley J.A., Siemankowski L., Careri G., Bruni F. Two- dimensional protonic percolation on lightly hydrated purple membrane. //Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1988) V.85. P.9022-9025.

205. Волков В.И., Тимашев С.Ф. //Ж. физ. химии 1989. Т.63. №1. С.209-220.

206. Фаррар Т., Беккер Э. Импульсная и Фурье-спектроскопия ЯМР. М., Мир. 1973. С.43-47.

207. Гасюк О.В., Дудков В.Н., Муромцев В.И. Способ измерения зависимости радиоспектроскопических и релаксационных характеристик парамагнитных центров от температуры / А. с. Т 1140018 СССР// Б.И. 1985 №6 С. 18.

208. Блюменфельд J1.A. Проблемы биологической физики. М., Наука. 1977.336 с.

209. Sternberg В., L'Hostis С., Whiteway С.A., Watts АЛ Biochim. Biophys. Acta (1992) V.1108. P.21-30.

210. Chang C.-H., Chen J.-G., Govindje R., Ebrey T.G.// Proc. Natl. Acad. Sci USA (1985) V.82. No.2. P.396-400.

211. Szundi I., Stoeckenius W. //Biophys. J. (1989) V.56. P.369-383.

212. Dunach M., Padros E., Muga A., Arrondo J.L.R. //Biochem. (1989) V.28. P.8940-8945.

213. Roux M., Seigneuret M., Pigaud J.-L. //Biochem. (1988) V.27. No. 18. P.70097015.

214. Engelhard M., Kohl K.D., Muller K.H., Hess В., Heidemeier J., Fischer M., Parak F. //Eur. Biophys. J. (1991) V.19. No.l. P.ll-18.

215. Parak F., Finck P., Kucheida D., Mossbauer R.L. //Hyperfine Interactions (1981) V.10. P. 1075-1078.

216. ParakF., Knapp E.W., KucheidaD. //J. Mol. Biol. (1982) V.161. P.177-194.

217. ParakF., Reinisch L. //Meth. Enzym. (1986) V.131. P.568-607.

218. Суздалев И.П. //Хим. физика (1993) Т. 12. №6. С.803-810.

219. Чибирова Ф.Х., Захарьин Д.С., Седов В.Е., Тимашев С.Ф., Попков Ю.М., Рейман С.И. //Хим. физика (1987) Т.6. №8. С.1137-1145.

220. Тимашев С.Ф., Максимычев А.В., Соловьева А.Б. //Доклады АН СССР (1981) Т.256. №2. С.424-428.

221. Rodmacq В., Pineri М., Coey J.M.D., Meagher A. //J. Polym. Sci.: Polym. Phys. Edition (1982) V.20. P.603-621.

222. Tsuji Т., Naito K., Ishigure K. //Phys. Stat. Sol. (A) (1984) V.82. K.57-61.

223. Tsymbal E.Yu., Chibirova F.Kh., Kostyuchenko I.G. //J. Magn. Mater. (1994) V.136. P.197-203.

224. Zhilinskaya E.A., Lazukin V.N., Bychkov E.A., Likholit I.L. //J. Non-Crystalline Solids (1990) V.119. P.263-268.

225. Хитрина Л.В., Каулен А.Д. //Биол. мембраны (1992) Т.9. №3. С.259-262.

226. Неорганическая биохимия/Ред. Г. Эйхгорн. М., Мир, 1978. Т. 1. 711 с.

227. Jaffe J.S., Glasser R.M. //Ultramicroscopy (1987) V.23. No.l. P. 17-28.

228. Ariki M., Lanyi J.K. //J. Biol. Chem. (1986) V.261. No.18. P.8167-8174.

229. Mitra A.K., Stroud R.M. //Biophys. J. (1990) V.57. No.2. P.301-311.

230. Di CeraE. //J. Chem. Phys. (1992) V.96. No.9. P.6515-6522.

231. Renthal R., Shuler K., Regalado R. //Biochim. Biophys. Acta (1990) V.1016. No.3. P.378-384.

232. Khorana H.G. Bacteriorhodopsin, a membrane protein that uses light to translocate protons. //J. Biol. Chem. (1988) V.263. No.16. P.7439-7442.

233. Henderson R., Baldwin J.M., Ceska T.A., Zemlin F., Beckmann E., Downing K.H. //J. Mol. Biol. (1990) V.213. P.899-929.

234. Bashford D., Gerwert K. //J. Mol. Biol. (1992) V.224. P.473-486.

235. Лук В. Влияние электролитов на структуру водных растворов. /Вода в полимерах (ред. С.Роуланд). М. Мир, 1984. С.70.

236. Заболоцкий В.И., Шельдешов Н.В., Гнусин Н.П. Диссоциация молекул воды в системах с ионообменными мембранами. //Успехи химии. (1988) Т.57. №6. С.1063-1084.

237. Koch M.H.J., Dencher N.A., Oesterhelt D., Plohn H.-J., Rapp G., Buldt G. //EMBO J. (1991) V.10. No.3. P.521-526.

238. Тимашев С.Ф. Влияние электрических полей на кинетику биологических процессов //Биофизика (1981) Т.26 №4 С. 642-646.

239. Oesterhelt D., Krippahl G. Light ingibition of respiration in Halobacterium halobium. //FEBS Lett. (1973) V.36. No 1. P.72-76.

240. Marthies R.A., Lugtenburg J., Shank V.S. Fror femtosesonds to biology: Mechanism of the ligth- driven proton pump in bacteriorhodopsin. //SPIE Biomol. Spectr. (1989) V.1057. P.138-145.

241. Van der Berg R., Jang D.-J., Bitting H.C., El-Sayed M.A. Subpicosecond resonance Raman spectra of the early intermediates in the photocycle of bacteriorhodopsin. //Biophys J. (1990) V.58. No 1. P.135-142.

242. Atkinson G.H., Brack t.L., Blanchard D., Rumbles G. Picosecond time-resolved resonsnce Raman spectroscopy of the initial trans to cis isomerization in the bacteriorhodopsin photocycle. //Chem. Phys. (1989) V.131. No 1. P.1-15.

243. Тимашев С.Ф. О роли температурных и энтропийных факторов в кинетике мембранных процессов //Доклады АН СССР (1985) Т.285 №6 С. 1419-1423.

244. Петров Э.Г. Физика переноса заряда в биосистемах . Киев, Наукова Думка, 1984. 368 с.

245. Rosenfeld t., Honig В., Ottolengi М., Hurey J., Ebrey T.G., Cis-trans isomerization in vision photochemistry. //Pure Appl. Chemistry (1977) V.49. No 3. P.341-351.

246. Warshel A. Bicycle-pedal model for the first step in vision process. //Nature (1976) V.260. No 5553. P.679-683.

247. Zubov B.V., Murina T.M., Prokhorov A.M., Sulimov N.A., Chernavskaya N.M., Chernavskii D.S., Chizhov I.V. Investigation of bacteriorhodopsin intermediate relaxation by means of temperature pulse. //Biochim. Biophys. Acta (1983) V.725. No 1. P.162-167.

248. Ефремов Р.Г., Чернавский Д.С. О возможности возникновения двухсолитонного состояния в молекуле полностью-транс ретиналя. //Биофизика. (1989) Т.34. №4. С.533-535.

249. Appleburay M.L., Peters K.S., Rentzepis P.M. Primary intermediates in the photochemical cycle of bacteriorhodopsin. //Biophys J. (1978) V.23. No 3. P.375-382.

250. Sandorfy C. The photochemical primary step and the potential in the proton bridge of the chromophore of visual pigments and bacteriorhodopsin. //Int. J. Quant. Chem. (1984) V.26. No 5. P.907-915.

251. Warshel A. Mechanism of the stabilization by charge in visual and purple membrane pigments. //Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1978) V.75. No 6. P.2558-2562.

252. Warshel A. Conversion of light energy to electrostatic energy in the proton pump of Halobacterium halobium. //Photochem. Photobiol. (1979) V.30. No 2. P.285-290.

253. Sharkov A.V., Pakulev A.V., Chekalin S.V., Matveetz Yu.A. Subpicosecond and femtosecond processes in molecules of bacteriorhodopsin. //Biochim. Biophys. Acta (1985) V.808. No l.P.94-102.

254. Dobler J., Zinth W., Kaiser W. Oesterhelt D. Excited state reaction dynamics of bacteriorhodopsin studied by femtosecond spectroscopy. //Chem. Phys. Lett. (1988) V.144. No 2. P.215-220.

255. Mathies R.A., Cruz C.H.B., Pollard W.T., Shank C.V. Direct observation of the femtosecond excited state cis-trans isomerization in bacteriorhodopsin. //Science (1988) V.240. No 4853. P.777-779.

256. Ort D.R., Parson W.W. Enthalpy changes during the photochemical cycle of bacteriorhodopsin // Biophys. J. (1979) V.25. No 2. P.355-364.

257. Grossjean M.F., Tavan P., Schulten K., Can normal mode analysis reveal the geometry of L550 chromophore of bacteriorhodopsin. //Eur. Biophys. J. (1989) V.16. No 6. P.341-349.

258. Hildebrandt P., Stockburger M. Role of water in bacteriorhodopsin chromophore resonance Raman study. //Biochemistry (1984) V.23. No 23. P.5539-5548.

259. Родионов A.B., Шкроб A.M. Гидролиз альдимина ретиналя в бактериородоисине, индуцированный ионами серебра. //Биоорган, химия (1979) Т.5. №3. С.376-394.

260. Moore N.F., Edgerton М.Е. Parr G. //Biochem. J. (1987) V.171. P.469-476.

261. Овчинников Ю.А., Шкроб A.M., Родионов A.B. //Биоорган, химия (1980) T.6. №10. С.483-491.

262. Tokunaga F. /Chemomeasuring by high performance chemical sensor systems (Ed. S. Tanaka), Tokyo. 1989. P.37.

263. Groma G.L., Szabo G., Varo G. Direct measurement of picosecond charge separation in bacteriorhodopsin. //Nature (1984) V.308. No 5959. P.557-558.

264. Simmeth R., Rayfield G.W. Evidence that the photoelectric response of bacteriorhodopsin occures in less than 5 picoseconds. //Biophys. J. (1990) V.57. No 5. P.1099-1101.

265. Chamorovsky S.K., Dergachev D.I. //Second Int. Conf. Molecular Electronics and Biocomputers. Moscow, 1989. P.24.

266. Мицнер Б.И., Ходонов A.A., Звонкова E.H., Евстигнеева Р.П. Аналоги ретиналя: синтез и взаимодействие с бактериоопсином. //Биоорган, химия (1986) Т.12. №1. С.5-53.

267. Максимычев А.В., Чаморовский С.К. Бактериородопсин как возможный элемент мембранных биореакторов //Успехи химии (1988) Т.57. №6. С.1042-1063.

268. Sumper М., Reitmeier Н., Oesterhelt D. //Angew. Chem. Int. Ed. Engl. (1976)V.15. P.187-192.

269. Nakamoto S., Kimura J., Kuriuama T. /The 1987 Int. Congress on Membranes and Membrane Processes. Tokyo. 1987. P.605.

270. Takizawa A .J.// Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. (1986) V.24. P.665-671.

271. Нейман Дж. фон Теория самовоспроизводящихся автоматов. М., Мир.1971.

272. TrelevenP. Neurocomputers. Univ. College London, London. 1988. 43 p.

273. Weimar J.R., Tyson J.J., Watson L.T. Third Generation Cellular Automation for Modelling Excitable Media. //PhysicaD, 1992. V. 55. P. 328-339.

274. Эйген M., Винклер P. Игра жизни. M., Наука. 1979.

275. Wolfram S. Universality and Complexity in Cellular Automata // Physica D, 1984. V. 10. No.1/2. P. 1-35.

276. Shepherd G. Synaptic Organisation of the Brain, John Wiley & Sons,

277. Marr D., Hildreth E. Theory of edge detectiom. //Proc. R. Soc. London. 1980. V. B207. P. 187-217.

278. Marr D. Vision. A Computational Investigation into the Human Representation and Processing of Visual Information. Freeman, N-Y, 1982.

279. Левкович-Маслюк Л. Дайджест вейвлет-анализа. //Компьютерра, 1998. № 8(236). С.31-37.

280. Тимашев С.Ф. О проблемах прогнозирования изменений состояний динамических систем /Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. Тез. докл. научно-технического семинар (Ред. A.M. Гуляев). М. МНТОРЭС им А.С. Попова. 1997. С. 232-243.

281. Bossaletti S., Giaquinta A., Arecchi F.T. Adapting Recognition and Fitering of Noise using Wavelets //Phys. Rev. E 1997. V. 55.No. 5. P. 5393-5397.

282. Pratt W.K. Digital Image Procesing. New York, Wiley 1978.

283. Balkarey Yu.I., Evtikhov M.G., Elinson M.I. Autowave media and neural networks //Proc. SPIE, 1991. V. 1621. P. 238-249.

284. McCulloch W.J., Pitts W. A Logical Calculus of the Ideas Immanent in Nervous Activity //Bull. Math. Biophys. 1943. V. 5. P. 115-133.

285. Позин H.B. Моделирование нейронных сетевых структур. 1970. М.1. Наука.

286. Grossberg S. Nonlinear Neural Networks: Principles, Mechanisms, and Architectures //Neural Networks, 1988. V. 1. P. 17-61.

287. Hopfield J.J. Neural Networks and Physical Systems with Emergent Collective Computational Abilities //Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1982. V. 79. P. 2554-2558.

288. Grossberg S. Contour Enhancement, Short Term Memory, and Constancies in Reverberating Neural Networks //Stud, in Applied Math. 1973. V. 52. P. 217-257.

289. Elias S.A., Grossberg S. Pattern Formation, Contrast Control, and Oscillations in the Short Term Memory of Shunting On-Center Off-Surround Networks //Biol. Cybern. 1975. V. 20. P. 69-98.

290. Grossberg S. On the Developemnt of Future Detectors in the Visual Cortex with Application in learning and Reaction-Diffusion Systems // Biol. Cybern. 1976. V. 21. P.145-159.

291. Grossberg S., Mingolla E. Neural Dynamics of Form Perception: Boundary Comletion, Illusory Figures, and Neon Color Spreading //Physiol. Rev. 1985. V. 92. P. 173-211.

292. Балкарей Ю.И., Евтихов М.Г., Елинсон М.И. /Автоволновые среды -распределенные аналоги нейронных сетей. Препринт ИРЭ АН СССР №1 (530) М. 1990.

293. Жаботинский A.M. Концентрационные колебания. М., Наука. 1974.180 с.

294. Field R.J., Koros Т., Noues R.M. Oscillations in Chemical Systems. 2. Thorough Analysis of Temporal Oscillation in the Bromate-Cerium-Malonic Asid System //J. Amer. Chem. Soc., 1972. V. 94. No. 25. P. 8649-8664.

295. Колебания и бегущие волны в химических системах. /(Ред. Р. Филд, М. Бургер) М., Мир. 1988. 720 с.

296. Kunert L. A New Optical Photochemical Memory Device in a Light-Sensitive Chemical Active Medium. //Nature, 1986. V. 319. P. 393-394.

297. Ванаг B.K., Вирченко А.Ю., Ванаг K.B. Моделирование эффекта перемешивания в автокаталитической реакции при помощи вероятностного клеточного автомата. //Прикладная нелинейная динамика, 1996. Т. 4. С. 87-96.

298. Field R.J., Noues R.M. Oscillations in Chemical Systems. 5.Quantitative Explanation of Band Migration in the Belousov-Zhabotinsky Reaction //J. Amer. Chem. Soc., 1979. V. 101. P. 1063-1071.

299. Vanag V.K., Hanazaki I. Frequency Multiplying Bifurcations in the Oscillatory Belousov-Zhabotinskii Reaction Proceeding in Interacting Water Droplets of Reverse Microemulsion of Aerosol ОТ in Octane. // J. Phys. Chem., 1995. V. 99. P. 6944-6950.

300. Vanag V.K., Hanazaki I. The pH Dependence of the Belousov-Zhabotinsky Reaction in Water-in-Oil Microemulsion of AOT in Octane. // J. Phys. Chem., 1995. V. 100. P. 10609-10614.

301. Gierer A., Meinhardt H. A Theoiy of Biological Pattern Forraation.//Kybernetik, 1972. V. 12. P. 30-39.

302. Романовский Ю.М., Степанова Н.В., Чернавский Д.С. Математическая биофизика. М., Наука. 1984. 304 с.

303. Kuhnert L., Agladze K.I., Krinsky V.I. Image Procesing Using Light-Sensitive Chemical Waves. //Nature, 1989.V. 337. P. 244-247.

304. Price C.B. Wambacq P., Oosterlinck A. Image Enhancement and Analysis with Reaction-Diffusion Paradigm. //Proc. IEE, 1990 V. 137. P. 136-145.

305. Зудин С.В., Воробьев А.В., Угрозов В.В., Тимашев С.Ф. Особенности трансмембранного переноса азота, кислорода и их смесей через мембраны на основе поликарбоната при высоких давлениях.// Журнал физ. Химии (1998) Т.72. № 11. С.2077-2080.

306. Крыкин М.А., Тимашев С.Ф., Ломакин В.В. Обэффекте аномального роста газопроницаемости полимерных мембран в условиях сканирования по давлению// Доклады АН СССР (1983) Т.270 №5. С.1148-1153.

307. Vanag V.K., Hanazaki I. The Effect of Light on the Belousov-Zhabotinsky Reaction in Water-in-Oil Microemulsion of AOT in Octane //J. Phys. Chem.

308. Ageev E.P., Vershubski A. Oscillatory Mode of the Operation of an Asymmetrical PVTMS Membrane. //J/ Membr. Sei. 1991. V.60. P.l-11.

309. Timashev S.F., Valuev V.V., Salem R.R., Strugatckaja A.A. Pervaporation induced by electric current //J. Membr. Sei. (1994) V. 93. No 3. P.249-258.

310. Schrodinger E. What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. Cambridge, Univ. Press, 1944. 92 p.