Автоволны - разновидность самоподдерживающихся волн в активных, т. е. содержащих источники энергии, средах (распределенных
системах). Первоначально термин автоволны предназначался для любых видов автоколебательных процессов в системах с
распределенными
параметрами, но затем стал применяться главным образом к таким процессам, где с волной переносятся лишь относительно малые порции энергии,
необходимые
для синхронизации, последовательного запуска или переключения элементов активной среды. В той же степени, как и в обычных
автоколебаниях,
характер установившегося движения в целом определяется (с точностью до фазы) свойствами системы и не зависит от начальных
условий,
локальная структура автоволн "оторвана" и от начальных, и от граничных условий. В простейших случаях автоволны описываются нелинейным
параболическим
(диффузионным) уравнением
, |
(*) |
где
- нелинейная функция, характеризующая, в частности, локальные источники энергии в среде,
-
время релаксации,
D - коэффициент
диффузии. Значения
u, обращающие
f в нуль, отвечают состояниям равновесия (устойчивым или неустойчивым). Если
таких
значений несколько, то в системе возможны автоволны переброса из одного состояния в другое.
Скорость таких волн имеет порядок
,
а
длительность - порядок
.
В системах из двух или более компонент автоволны описываются несколькими связанными уравнениями вида (*) с различными, вообще говоря, параметрами
и
D.
В них автоволны могут иметь более сложный вид, например одиночных импульсов (импульс возбуждения в нервном волокне и др.)
или
периодических
волн (плоских, круговых, спиральных).
Химически активная среда, представляющая собой тонкий слой водного раствора, в котором идет автоколебательная
реакция окисления малоновой кислоты броматом, катализируемая комплексными
ионами железа, является весьма удобным объектом, где наблюдалось
наибольшее число различных типов автоволн (рис. 1 и 2). Простые автоволны
(квазиплоские, с постоянной скоростью) являются нормальным режимом в важных биологических системах и в ряде технологических процессов: горении
всех видов, гетерогенном катализе, передаче информации в активных линиях и т. д. Во всех этих случаях
сложные
автоволны (вращающиеся,
спиральные, пульсирующие) - причина срыва нормального режима или возникновения шумов, неустойчивостей и помех.
Теория автоволн активно развивается, однако еще далека от завершения.
Важнейший пример автоволн - импульсы возбуждения
в биологических мембранных системах (нервных волокнах,
мышцах, миокарде), где компонентами являются трансмембранная разность потенциалов и ионная
проводимость мембраны. В частности, в сердце имеется т. н. водитель ритма - небольшая область, где мембрана
находится в автоколебательном режиме. В норме автоволна, распространяющаяся от водителя ритма, имеет длину ( 1 м) много большую, чем линейные
размеры
сердца
( 5 см), что обеспечивает одновременное сокращение всей массы миокарда. Однако при ряде патологий возникают разрывы фронта
нормальной автоволны, из последних
образуются спиральные автоволны с очень малой длиной ( см), что ведет к смертельно опасным нарушениям режима сокращения сердца. Теория автоволн
позволяет
выделить параметры, ответственные за устойчивость нормальных и паразитных автоволн.
К автоволнам часто относят и стационарные упорядоченные распределения (т. н. диссипативные структуры), возникающие в активных средах, описываемых
диффузионными уравнениями. Автоволны играют также важную роль в морфогенезе, образуя структуры, предшествующие окончательному
установлению
формы многоклеточных организмов.