State trajectory approach to the interpretation of self-organization in the Belousov-Zhabotinsky reaction

Abstract

Reakce Bělousova-Žabotinskyho je dobře známý model pro zkoumání projevů samoorganizace v přírodě. Kaskádu chemické reakce je snadné ovládat a měřit v laboratorních podmínkách, což umožňuje zkoumání různých scénářů chování systému. Cílem této disertační práce bylo zhodnotit průběh reakce za předpokladu multifractality sledovaných chemických vzorců. Pro zhodnocení viditelných změn v průběhu oscilace BZ reakce během analýzy obrazu byly použity přístupy teorie informační entropie a byly zavedeny nové charakteristiky: informační příspěvek jednoho bodu a entropie informačního příspěvku. Konečným výsledkem navrhovaného přístupu je vytvoření trajektorie stavů komplexního systému s unikátním zaznamenáním oscilačních stavů, které bylo dosaženo pomocí multivariační stochastické analýzy dat. Spolehlivost vyvinutého algoritmu byla testována prostřednictvím rozmanitých experimentů včetně nedostatečně prozkoumané tvorby vln v BZ reakci v rámci prostorové konstrikce a narušení efektem opětovného otřesu. Byla potvrzená hypotéza, že každý ze stavů systému má své charakteristické spektrum informační entropie. Získané trajektorie stavů BZ reakce umožňují posuzovat měnící se chování systému v návaznosti na změnu počátečních podmínek a předpovídat o evoluci trajektorií stavů v blízké budoucnosti. Bylo prokázáno, že výpočet informační entropie jé účinný a levný nástroj pro neinvazivní analýzu širokého spektra samoorganizovaných systémů a může být použitý pro automatizaci laboratorních analýz například při identifikaci různých buněčných stavů v medicíně a biologii.