Позволяет ли иерархическая термодинамика воспроизвести начальные этапы возникновения жизни в лаборатории?
Ответ на поставленный в заголовке статьи вопрос является, несомненно, положительным
Переход между неживой и живой материей является плавным. Он предопределен действием термодинамического принципа стабильности вещества, описывающего прямые и обратные связи при передаче термодинамической структурной информации между временными (temporal) и структурными иерархиями в ходе химической, «промежуточной» и биологической эволюции.
В зависимости от точки зрения на процесс жизни можно дать различные её определения. Однако общим в этих определениях должно быть упоминание об иерархической структуре живой материи. Например, одно из определений явления жизни с точки зрения термодинамики звучит так: «Жизнь – существование пространственно выделенных обновляющихся полииерархических структур в круговороте лабильного (склонного к изменению) химического вещества в присутствии жидкой воды на планетах».
На основании термодинамических данных показано, что малая химическая стабильность нуклеооснований обуславливает сравнительно высокую стабильность супрамолекулярных связей между этими нуклеооснованиями. Сравнительно высокая химическая стабильность основных цепей нуклеиновых кислот, структура которых формируется при участии матриц минералов, обеспечивает межмолекулярные подвижные контакты с молекулами воды. Супрамолекулярная термодинамика, стремясь к минимизации удельной функции Гиббса (свободной энергии Гиббса) образования структур, подбирает максимальные комплементарные соответствия между фрагментами макромолекулярных соединений, молекулами воды и других низкомолекулярных веществ.
Принимая во внимание отмеченные факты, есть все основания полагать, что при определенных концентрациях нуклеооснований, сахаров, фосфорной кислоты в растворе (соответствующему солевому составу океана) и при существовании матриц минералов, можно в лабораторных условиях, обеспечивающих конденсацию (химическую) исходных молекул, наблюдать один из начальных этапов возникновения жизни. Можно думать, что существенную роль должны играть условия, при которых возможны периодические фазовые превращения в исследуемых водных растворах (гетерогенных системах). Этот этап зарождения жизни представляет собой термодинамическую молекулярную самоорганизацию (самосборку), которая приводит к образованию олигомеров (полимерных фрагментов) нуклеиновых кислот. Не исключено, что для увеличения размера указанных олигомеров требуется присутствие пептидов (аминокислот), которые могут образовывать «супрамолекулярную рубашку обрамления» этих олигомеров. С позиции супрамолекулярной термодинамики вряд ли целесообразно задавать вопрос, какие биологические молекулы (например, аминокислоты, пептиды, липиды, рибонуклеиновая или дезоксирибонуклеиновая кислоты возникали первыми). Все «вторичные» кирпичики зарождающейся жизни (олигомеры и сравнительно большие фрагменты биологических полимерных молекул) возникают (в эволюционной шкале времени) практически одновременно в любых местах во Вселенной, где присутствует вода, а также появляются малостабильные фрагменты нуклеиновых кислот. Эти малостабильные фрагменты (молекулы нуклеооснований) могут возникать вследствие притока энергии извне, в независимости от вида энергии, обеспечивающей синтез упомянутых фрагментов нуклеиновых кислот и других компонентов. Присутствие липидов в системах приводит к возникновению мембран и появлению «коацерватов А. Опарина» и, в конечном итоге, простейших клеток. В целом все на этом этапе происходит в соответствии с требованиями иерархической супрамолекулярной термодинамики сложных систем (т.е. квазизакрытых систем в которых и над которыми совершаются различные виды работы).
В дальнейшем эволюция организмов, их сообществ и экологических систем развивается в сравнительно длительных шкалах времени, приводя к образованию сложных полииерархических структур под действием внешних сил окружающей среды и внутренних сил, действующих в самих живых системах. Иерархическая термодинамика ваяет (конструирует) природные объекты, придавая им оптимальные формы, востребованные вторым началом, применяемым к выделяемым сложным квазиравновесным квазизакрытым системам. Она (иерархическая термодинамика) определяет облики живых существ и предопределяет огромное биологическое разнообразие вследствие наличия многообразных, локально существующих, сред обитания, которые играют роль «физических термостатов». Следует напомнить, что уравнения иерархической термодинамики (обобщенные уравнения Гиббса) учитывают воздействие внутренних и внешних сил и воздействий, влияющих на живые системы. Многообразие иерархических структур обеспечивается термодинамическими цепями адаптации, охватывающими огромное количество пространственно выделяемых молекулярных, супрамолекулярных и высших структурных объектов живого мира.
Для создания простейших переходных форм жизни (например, нанобов или других подобных структур) необходимо в лабораториях сконструировать установки для создания круговоротов соответствующих химических веществ и супрамолекулярных структур.
Представленная модель возникновения жизни и ее эволюции создана на основе иерархической термодинамики без привлечения концепции о диссипативных структурах И.Пригожина и представлениях о негоэнтропии.
Литература – последние публикации, посвященные детализации термодинамической теории происхождения жизни и ее эволюции
1. Г.П. Гладышев. Термодинамическая теория эволюции и старения. Успехи геронтологии. 2012. Т. 25. № 3. С. 373–385 http://www.fesmu.ru/elib/Article.aspx?id=270465 Перевод на английский: AdvancesinGerontology, - 2013.
G. P. Gladyshev Thermodynamic theory of biological evolution and aging of living organismsAdvances in Gerontology. 2011.1/2,pp.130-133. Русский вариант: http://www.gerontology.ru/PDF_YG/AG_2010-23-02.pdf
3.Термодинамика и возникновение жизни. Принцип стабильности вещества и возникновение жизни http://gladyshevevolution.wordpress.com/
3. Иерархическая термодинамика формирует дизайн окружающего мираhttp://endeav.6te.net/news/10-novaya-publikatsiya.html
4. Термодинамические механизмы образования и эволюции живых систем http://endeav.6te.net/news/17-thermodynamic-mechanisms-sculpting-living-organisms.html
5. Georgi P. Gladyshev. The Principle of Substance Stability Is Applicable to All Levels of Organization of Living Matter http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf
6. Г.П. Гладышев. Супрамолекулярная термодинамика – ключ к осознанию явления жизни. Что такое жизнь с точки зрения физикохимика. Издание второе. – Москва – Ижевск: Институт компьютерных исследований. «Регулярная и хаотическая динамика». 2003. 144 с.
Жизнь в лаборатории 2013-03-24