Hierarchical thermodynamics establishes a common genetic code of life in the universe
Иерархическая термодинамика устанавливает единый код жизни во Вселенной
Г.П. Гладышев
В настоящей заметке автор дает возможный ответ на вопрос: Почему иерархическая термодинамика выбирает нуклеиновые кислоты для проявления и поддержания жизни как процесса?
Сделана также попытка представить ответ на расширенный вопрос - Почему иерархическая термодинамика выбирает нуклеооснования (пуриновые и пиримидиновые основания), сахара, аминокислоты, липиды и подобные сравнительно лабильные соединения в качестве основного исходного материала для процесса зарождения и поддержания жизни?
Общий ответ на поставленный вопрос связан с соизмеримостью (сравниваемых по значениям) термодинамической химической стабильности биологических молекул и стабильностью супрамолекулярных структур, возникающих в условиях существования жизни. В определенном смысле супрамолекулярная термодинамика является ключом к осознанию явления жизни [1]. Подобный ответ, в различных формах, был дан в ранних работах автора (1976-1977), а также в последних его публикациях [2]. В такой ситуации (существование химической и супрамолекулярной иерархий) квазиравновесная иерархическая термодинамика как бы выбирает (ваяет) оптимальные конформации молекул и, создаваемые ими, супрамолекулярные обрамления. Удельная функция Гиббса образования этих супрамолекулярных образований стремится к минимальным значениям.
Молекулы нуклеиновых кислот, как и многие природные соединения, содержат крайне нестабильные (лабильные – склонные к изменению) C-N, O-N и N-H химические связи [3]. Соединения, содержащие эти связи, имеют различные изомерные (таутомерные) формы, которые склонны к взаимному превращению в растворах. Существуют равновесия между этими формами. Эти равновесия весьма чувствительны к супрамолекулярному окружению и внешним условиям. Кроме того упомянутые соединения, содержащие C-N, O-N и N-H связи, будучи термодинамически мало стабильными или нестабильными, легко дают сравнительно стабильные супрамолекулярные структуры и превращаются в стабильные химические продукты такие как молекулярный азот (N2), двуокись углерода (CO2), вода (H2O) и другие стабильные молекулы [3].
На рисунке 1 http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleotide представлены формулы основных пуринов и пиримидинов – нуклеооснований нуклеиновых кислот. Беглый взгляд на эти молекулярные структуры сразу обращает внимание на сравнительно большое количество атомов азота и связей C-N в молекулах (особенно,- пуринов). Это однозначно указывает на сравнительно малую химическую стабильность представленных на рисунке соединений [3].
Сахара, фосфорные кислоты, пептиды, липиды также сравнительно легко принимают различные изомерные формы в растворах и на границах раздела фаз.
Указанные факты позволяют понять, почему природа, с точки зрения термодинамики, однозначно выбирает именно нуклеиновые кислоты для проявления процесса жизни, и поддержания этого процесса в существующих на земле (и других небесных телах) условиях. Нуклеооснования, будучи термодинамически химически нестабильными или малостабильными, в соответствии с принципом стабильности вещества, образуют сравнительно стабильные супрамолекулярные структуры внутри своей иерархии [4, 5]. Нуклеооснования и нуклеотиды, как и многие природные соединения, образуют правильные кристаллы. Нуклеиновые кислоты легко кристаллизуются из водных растворов, образуя биологические (жидкокристаллические) кристаллы при низких температурах.
Иерархическая термодинамика позволяет утверждать, что «генетическим материалом» жизни должны являться нуклеиновые кислоты (включая их модификации, содержащие различные изотопы или однотипные элементы) во всех областях Вселенной.
Кроме того становится ясным, что жизнь в условиях ее проявления, движимая термодинамикой, несомненно, существует во многих уголках Вселенной. Исходные «кирпичики» жизни, как и сама жизнь, появляются там, где это «разрешает иерархическая термодинамика». Таким образом, термодинамика отвечает на вопрос «почему возникает и существует жизнь на земле и во всей вселенной?»
На вопрос «где возникает жизнь?» можно ответить: «жизнь, в различных формах ее проявления, возникает и существует везде, где есть свойственные ей условия и «разрешение иерархической термодинамики».
P. S.
From a general point of view, we can make the statement. We can assume that the principle of substance stability is asymmetric. It sets the time axis for the development of hierarchical structures in the universe. The asymmetry of principle is similar to "the asymmetric action" of the second law, which also sets the time axis of evolution. It follows that the principle of substance stability respect to the pairing of complementary nucleobases requires the known chirality of ribose and deoxyribose in chains of nucleonic acids.
The origin of life can be explained through the study of thermodynamics of universe evolution!
Origin of life and its evolution are the result of action of laws of hierarchical thermodynamics of complex systems
Thermodynamics investigates systems which can be characterized by state functions. The separation of biological systems into individual hierarchies of structures allows us to study the processes in them independently of the processes that take place in other hierarchical structures.
Life as a phenomenon is a set of cyclic metabolic processes in ontogeny, phylogeny and evolution. From the perspective of the dynamics of evolutionary transformations of structure of living things life is characterized by the changing of the thermodynamic stability of supramolecular hierarchical structures. In other words, cyclic metabolic processes constantly are enriched by the addition of more stable supramolecular hierarchical structures that are adapting to the changing environment. The thermodynamic design defines adaptation of living objects.
I am sure that the hierarchical of thermodynamics and "the principle of substance stability" coordinate the formation of all structures in evolution. However, it is too difficult to describe all the successive steps of evolution. We should have the experimental data. Such data are now available only for the initial stages of the biological evolution. For example, I would argue that the genetic code must be the same (or - the like, the akin) in the universe. Why? The reason is related to the fact that purines and pyrimidines are the comparatively chemically unstable or low stable substances (in the chemical energy scale of transitions). However, their supramolecular interactions lead to the relatively stable supramolecular structures (in the energy scale of supramolecular interactions). This is a consequence of the principle of the stability of the substance. The same situation should be in the case of fragments of sugars and phosphoric acid in the formation of RNA and DNA chains. These data are very reliable, but they are qualitative data. Make exact calculations difficult, because the model is based on several assumptions.
Recently Douglas E. LaRowe and Pierre Regnier published interesting results, which are presented in summary [6]:
“The thermodynamic potential for the abiotic synthesis of the five common nucleobases (adenine, cytosine, guanine, thymine, and uracil) and two monosaccharides (ribose and deoxyribose) from formaldehyde and hydrogen cyanide has been quantified under temperature, pressure, and bulk composition conditions that are representative of hydrothermal systems. The activities of the precursor molecules (formaldehyde and hydrogen cyanide) required to evaluate the thermodynamics of biomolecule synthesis were computed using the concentrations of aqueous N2, CO, CO2 and H2 reported in the modern Rainbow hydrothermal system. The concentrations of precursor molecules that can be synthesized are strongly dependent on temperature with larger concentrations prevailing at lower temperatures. Similarly, the thermodynamic drive to synthesize nucleobases, ribose and deoxyribose varies considerably as a function of temperature: all of the biomolecules considered in this study are thermodynamically favored to be synthesized throughout the temperature range from 0°C to between 150°C and 250°C, depending on the biomolecule. Furthermore, activity diagrams have been generated to illustrate that activities in the range of 10−2 – 10−6 for nucleobases, ribose and deoxyribose can be in equilibrium with a range of precursor molecule activities at 150°C and 500 bars. The results presented here support the notion that hydrothermal systems could have played a fundamental role in the origin of life, and can be used to plan and constrain experimental investigation of the abiotic synthesis of nucleic-acid related biomolecules.”
According to these authors, in terms acceptable to life, the Gibbs energy of formation reactions of a number of biomolecules ( ΔGr) has negative value. However, this does not contradict the principle of substance stability. Presented values ( ΔGr) are coordinated with to the relatively low chemical stability of biomolecules at living conditions. Apparently this creates the conditions for the metabolism in living organisms.
Литература
1. Гладышев Г.П. 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. Gladyshev G. P. Supramolecular thermodynamics is a key to understanding phenomenon of life. What is Life from a Physical Chemist’s Viewpoint Second Ed. – Moscow-Izhevsk: “Regular and Chaotic Dynamics”, 2003. – 144 p.
2. Г.П. Гладышев. Термодинамическая теория эволюции и старения. Успехи геронтологии. 2012. Т. 25. № 3.. 373–385 http://www.fesmu.ru/elib/Article.aspx?id=270465 Переводнаанглийский:Advances in Gerontology, - 2013.
3. Stull, D.R.; Westrum, E.F.Jr.; Sinke, G.C. The Chemical Thermodynamics of Organic Compounds; John Wiley and Sons, Inc.: New York, 1969, p. 807.
4. Georgi P. Gladyshev. The Principle of Substance Stability Is Applicable to All Levels of Organization of Living Matter. Int. J. Mol. Sci. 2006, 7, 98-110. http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf
5. Georg iP. Gladyshev.Термодинамика и возникновение жизни Принцип стабильности вещества и возникновение жизни http://gladyshevevolution.wordpress.com/
6. LaRowe Douglas E. and Regnier Pierre. Thermodynamic Potential for the Abiotic Synthesis of Adenine, Cytosine, Guanine, Thymine, Uracil, Ribose, and Deoxyribose in Hydrothermal Systems. Orig Life Evol Biosph DOI 10.1007/s11084-008-9137-2.PREBIOTIC CHEMISTRY. Received: 6 March 2008 / Accepted: 16 April 2008.