Достижения наук о жизни с позиции термодинамики

Дж. У. Гиббс — один из великих творцов термодинамики

Иерархическая термодинамика, созданная на фундаменте классической термодинамики, изучает явление жизни и ее эволюцию

Абстракт

Подводится итог исследований, выполненных в последние десятилетия в области квазиравновесной термодинамики применительно к наукам о жизни. Цель заметки ознакомить читателя с достижениями термодинамики для осознания явления жизни и ее эволюции. Статья представляет сжатую информацию об указанных достижениях. Она, прежде всего, преследует образовательную цель. Осознание статьи позволит подготовленному читателю легко разобраться в предмете, которому посвящены многочисленные исследования автора.


Исследования возникновения жизни, ее эволюции и развития организмов опираются на следующие положения и экспериментально обоснованные утверждения.

1. Изучение жизни, как явления, существенно упрощается, если рассматривать живые системы и их эволюцию с позиции структурообразования, приводящего к появлению хорошо известных иерархических систем, которые возникают вследствие цепной конденсации структур каждой низшей иерархии с образованием структур высших иерархий. Такая последовательная конденсация представляет собой «структурный коллапс живой материи», последовательно объединяющий молекулы, супрамолекулярные структуры, клетки, организмы, популяции и другие структуры, возникающие в результате самосборки. Структурный коллапс живой материи, развивается под действием иерархической термодинамики и представляет собой процесс, обратный цепной разветвленной реакции. В некотором ограниченном смысле он напоминает гравитационный коллапс (сжатие), протекающий под действием сил гравитации. Внутри каждой иерархии одна из стадий упомянутого коллапса аналогична кристаллизации вещества, сопровождающейся образованием новой фазы. С этой точки зрения развитие живой системы является процессом иерархического фазообразования.

Структурные иерархии

2. Выявлен закон временных´ (temporal) иерархий, утверждающий существование несоизмеримости времен жизни (времен разделенных сильными знаками неравенства) иерархических структур, существующих в живом мире.
Закон временных иерархий дает возможность использовать методы квазиравновесной термодинамики (термодинамики систем близких к равновесию) и в линейном приближении проводить термодинамические исследования в каждой индивидуальной иерархии, а также во взаимодействующих (смежных) иерархиях.

3. Сформулирован принцип стабильности вещества. Суть принципа состоит в том, что каждая «элементарная» частица или структура любой иерархии (атом, молекула, органелла, клетка, организм, популяция и т.д.) имеет потенциально термодинамически ограниченную возможность одновременно участвовать в контактах с подобными структурами своей иерархии и структурами смежных иерархий. Если рассмотреть молекулярную (химическую) и супрамолекулярную иерархии, то можно утверждать, что чем более стабильны внутримолекулярные химические связи в молекулах, тем менее стабильны супрамолекулярные связи между этими молекулами. И наоборот: чем менее стабильны внутримолекулярные химические связи в молекулах, тем более стабильны супрамолекулярные связи между этими молекулами. Принцип справедлив для структур всех смежных иерархических уровней. Он устанавливает динамические связи (контакты) между иерархиями и определяет обмен веществ в живых системах.

4. Известно, что живые системы являются открытыми на больших временах динамическими системами, химический и супрамолекулярный состав которых меняется в эволюции (филогенезе и онтогенезе) в квазиравновесных режимах. Подобно этому меняется состав высших иерархий. Указанный открытый характер систем не является препятствием для использования методов равновесной термодинамики.

Ржавчина в природе

В каждой иерархии можно выделять квазизакрытые квазиравновесные системы, поскольку они находятся в окружающей среде высших иерархий, являющихся термостатами для структур низших иерархий. Представлены многочисленные доказательства того, что изменение химического состава и состава других иерархий в эволюции, филогенезе и онтогенезе имеет термодинамическое происхождение.

5. Утверждается, что природа ищет минимумы удельных значений функции Гиббса (свободной энергии).

Удельная функция Гиббса образования супрамолекулярных (междумолекулярных) структур


Это наблюдается в эволюции, филогенезе и онтогенезе (при старении организмов). Показано, что движущей силой эволюции является термодинамика сложных систем (систем, в которых совершаются различные виды работы), самопроизвольных и несамопроизвольных процессов.

6. Взаимодействие иерархических структур определяется прямыми и обратными динамическими связями. Скорости передачи прямой и обратной информации (например, «ДНК → популяция» и обратно «Популяция → ДНК») существенно различается. Это позволяет сделать выводы о том, что Ч. Дарвин и Ж.Б. Ламарк правы оба, а «догма Крика» является грубым приближением.

7. При эволюции и развитии живых систем природа использует квазиравновесные хроматографические и другие методы разделения структур (молекул, клеток, организмов и т.д. ), которые участвуют в этих процессах.

8. Уравнения классической термодинамики в квазиприближении можно применять для оценки степени старения организмов, создания антистарительных диет, пищевых добавок и лекарств.

Диетическое питание

Утверждается, что явления тропизмов, поведение живых систем, как правило, могут быть термодинамически описаны на количественном уровне.

Эмбриональный тропизм


9. Представлено «символическое» уравнение для полного дифференциала функции Гиббса, которое может быть использовано при исследовании процессов, протекающих в  разных иерархиях при участии различных физических сил и полей, определяющих поведение и преобразования на выделенных независимых иерархических уровнях.


10. Иерархическая термодинамика позволяет изучать возникновение жизни (как процесс плавного перехода неживой материи в живую материю), определение которой можно давать с различных позиций. Однако общим в определениях жизни является появление супрамолекулярных и других высших иерархических структур. Одно из таких определений гласит: «Жизнь — явление существования пространственно выделенных обновляющихся полииерархических структур, образующихся при участии физических сил и полей в круговороте лабильного химического вещества в присутствии жидкой воды на планете».

Любовный тропизм

11. Иерархическая термодинамика должна оптимизировать сельское хозяйство, физиологию и, медицину.

P.S. Результаты оригинальных последних исследований (2008-2011) представлены в рецензированных журналах и в Интернете (например, в Knol: knol.google.com/k/georgi-gladyshev/термодинамика-и-возникновение-жизни/169m15f5ytneq/15 и др. ), а также в ранее изданных монографиях и обзорных работах:
1. Гладышев Г.П. Движущая сила биологической эволюции. // Вестник РАН, 1994. т. 64, N3, с. 221. (Gladyshev G.P. А Motive Force of Biological Evolution. // Herald of the Russian of Sci., 1964. v. 64, N 2, P. 118 ).
2. Гладышев Г.П. Термодинамика и макрокинетика природных иерархических процессов. М.: Наука,1988. – 287 с.
3. Гладышев Г.П. (1995). Термодинамика иерархических систем. М. : Химическая энциклопедия. т. 4, с. 1062. www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4371.html
4. Гладышев Г.П. Термодинамическая теория эволюции живых существ. М.: Луч, 1996
5. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.- 1997.
6. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика – Ключ к осознанию явления жизни. Издание второе – М — Ижевск. ISBN: 59397-21982. 2003.
7. Gladyshev G.P. Thermodynamic self-organization as a mechanism of hierarchical structures formation of biological matter // Progress in Reaction Kinetics and Mechanism (An International Review Journal. UK, USA ). 2003. Vol. 28. P. 157-188.
8. Gladyshev G.P. Macrothermodynamics of Biological Evolution: Aging of Living Beings // International Journal of Modern Physics B (World Scientific Publishing Company). Vol.18. No. 6. 2004. P. 801- 825.
9. Gladyshev G.P. Leonhard Euler’s methods and ideas live in the thermodynamic hierarchical theory of biological evolution // International Journal of Applied Mathematics and Statistics — (IJAMAS).- 2007.- Vol. 11.- N07, November.- P. 52-68.
10. Гладышев Г.П. О механизме влияния продуктов питания на продолжительность здоровой жизни, Успехи геронтологии, 2008, т. 21, № 1. C. 34-36.


Примечание

Основные недоразумения в понимании эволюции с позиции физики и физической химии, как правило, связаны с неверными представлениями об энтропии. Этот термин ввел Рудольф Клаузиус. Свое «модельное» представление о мире (Вселенной) он представил в виде высказывания: «Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремиться к максимуму». В дальнейшем это высказывание Дж. У. Гиббс выбрал в качестве эпиграфа к работе «О равновесии гетерогенных веществ» Упомянутые ученые сделали приведенное высказывание применительно к своей модели Вселенной. Эта модель соответствует простой изолированной системе идеального газа, т.е. изолированной системе идеального газа, энергия и объем которой постоянны и в которой не совершается никакой работы, кроме работы расширения. Энтропия такой системы может только возрастать! Однако любители науки и дилетанты распространили это утверждение на системы других типов, в которых имеет место взаимодействие между частицами (молекулами или объектами других иерархий) и которые (системы) взаимодействуют с окружающей средой. Подобных ошибок не избежали некоторые ученые, не являющиеся профессионалами в соответствующих областях знания. Это привело к невообразимой путанице и затормозило, более чем на столетие, развитие науки. Появились сотни тысяч публикаций в научных журналах и популярной литературе, содержащие отмеченные недоразумения. К этим недоразумениям прибавились некорректные представления о негоэнтропии и «диссипативных структурах в живом мире».
Возникновение жизни и ее эволюция легко объяснимы с позиции иерархической термодинамики близких к равновесию динамических систем. Эта термодинамика создана на прочном фундаменте классической (равновесной) термодинамики – термодинамики Рудольфа Клаузиуса, Дж. У. Гиббса и других великих творцов.



Открыта самая маленькая в мире лягушка

14 декабря 2011

Биологи причислили креветок к шелкопрядам

15 ноября 2011

Учёный пообещал вырастить гамбургер в пробирке

15 ноября 2011

Учёные отсканировали клеща, сидящего на пауке

9 ноября 2011

Биологи открыли смертельный стресс у стрекоз

1 ноября 2011