The principle of substance stability reveals the direction of development of chemical and biological evolution

Abstract

The aim of numerous works of author is the creation of simplified thermodynamic model the origin of life, its evolution and the aging of living beings. During the creation of this model the author has used a variety of approximation and postulates. These approximations and postulates were justified from the standpoint of dynamic quasi-equilibrium hierarchical thermodynamics, which relies on the laws of classical thermodynamics of complex systems and the principle of substance stability. In this paper the author presented the some known evidences of action of the principle of substance stability in chemical and biological systems. The author presented also a new evidence for reaffirmation of this principle when changing the elemental composition of living organisms in the course of biological evolution. There is the local thermodynamic optimization of structures of all hierarchical levels. The variations of habitat and the searches of optimal thermodynamic structures in nature can be comprehended from the perspective of the enlarged understanding of "the variation and the selection" of Ch. Darwin.  

Keywords: evolution, thermodynamics, principle of substance stability, selection, life, Darwinism.

Epigraphs   

The author systematically remembered the statements of famous creators during the creation of theory:

 “… the simplicity - the only ground on which it is possible to erect a building of generalizations”.

Henri Poincare

 

 “If you can’t make a physical model of it, you don’t understand it well enough.”

James Maxwell

 

“One of the principal objects of theoretical research in any department of knowledge is to find the point of view from which the subject appears in its greatest simplicity.”

J. Willard Gibbs

 

“… the true and only goal of science is to reveal unity rather than mechanism.”

Henri Poincare

 

“Hierarchical thermodynamics in accordance with the laws of nature creates and optimizes forms and functions of living systems in their habitat. This optimization is connected with the search for minimums of specific Gibbs free energy formation of dynamic structures of all hierarchies.”  

Author

Принцип стабильности вещества выявляет направление развития химической и биологической эволюции

Абстракт

Целью многочисленных работ автораявляется создание максимально упрощенной непротиворечивой термодинамической модели возникновения жизни, её эволюции и старения живых существ. При создании модели автор использовал различные приближения и постулаты. Эти приближения и постулаты оказались оправданы с позиции динамической квазиравновесной иерархической термодинамики, которая опирается на законы классической термодинамики сложных систем и принцип стабильности вещества. В настоящей работе отмечены некоторые известные доказательства действия принципа стабильности вещества в химических и биологических системах. Представлено также новое подтверждение действие этого принципа при изменении элементного состава живых организмов в ходе биологической эволюции. Утверждается, что в ходе эволюции происходит, своего рода, локальная «термодинамическая оптимизация» структур всех иерархических уровней. Изменение сред обитания и поиск термодинамически оптимальных структур в живой природе могут быть осознаны с позиции расширенного представления о «вариации и селекции» Ч. Дарвина и А. Уоллеса.

 

О принципе стабильности вещества

Существует ли корреляция между молекулярной (химической) стабильностью молекул и стабильностью  супрамолекулярных структур, образующихся при взаимодействии этих молекул? Принцип стабильности вещества предполагает, что такая корреляция существует: Чем менее стабильна (устойчива) молекулярная структура биологической ткани (связанная с усредненной прочностью химических связей), тем более стабильна (устойчива) супрамолекулярная структура этих тканей (связанная с усредненной прочностью межмолекулярных контактов при образовании супрамолекулярной структуры).

Согласно второму началу в эволюции и при старении организмов происходит отбор наиболее стабильных супрамолекулярных (жидкокристаллических) структур, которые образуют биоткани организмов. Такой супрамолекулярный отбор сопровождается молекулярным отбором наиболее малостабильных молекулярных структур, что является проявлением вторичного эффекта.   В целом, биоткани (образуемые жидкокристаллическими структурами) организма стремятся к супрамолекулярной стабильности, но удаляются от молекулярной стабильности. Такая картина не противоречит второму началу, поскольку (еще раз отмечу) удаление от молекулярной стабильности является вторичным эффектом. Рисунок 1 является иллюстрацией принципа стабильности вещества относительно химической и сурамолекулярной иерархиям. Подобный рисунок был опубликован автором в мае 1977 года. В этой публикации обоснованно утверждалось, что методы феноменологической термодинамики Дж. У. Гиббса могут быть расширены и использоваться в квазиприближении при изучении превращений на всех иерархических уровнях живого мира, включая явление зарождения жизни,  ее эволюцию и старение живых существ.

  Рис. 1. Тенденции изменения относительной усредненной стабильности структуры живых тел в процессе эволюции и старении. ∆G (с двумя линиями сверху) – удельная функция Гиббса образования молекулярной (ch) и сурамолекулярной (im) структур живых тел. Пилообразный характер кривых обращает внимание на то обстоятельство, что эволюция и старение биологических систем (организмов) протекают на фоне переменных параметров окружающей среды, действие которых проявляется через тропизмы различной природы. 

 К тому же надо иметь в виду, что появление химически нестабильных структур (как и нестабильных структур всех иерархий) в круговороте вещества связано с действием факторов окружающей среды, например, действием света и других физико-химических и физических воздействий (тропизмов), которые вызывают несамопроизвольные (неспонтанные) процессы. Все эти положения многократно обсуждались в работах автора [1-5]. Однако до сих пор из-за терминологической неточности ряда понятий и определений может существовать непонимание некоторых положений теории читателями.

Следует также иметь в виду, что химическая эволюция образования абиогенных молекул (кирпичиков жизни) развивалась при «переменных параметрах» окружающей среды, включая температуру и давление. Эти процессы происходили, как на небесных телах, так и космосе. Так, молекулы (CN)2 , HCN, аденин – C5N5H5 и другие нуклеооснования (нуклеотиды) образовывались в зонах температур, достигающих тысяч градусов, где эти соединения являются достаточно термодинамически устойчивыми (стабильны).  В зонах более низких температур (и соответствующих давлениях) появлялись аминокислоты, далее,- сахара, липиды и другие ингредиенты живых систем. В результате перемешивания (периодического действия физических факторов - тропизмов) все молекулярные компоненты жизни образовывали супрамолекулярные структуры и далее агрегаты, проявляющие признаки жизни, связанные с появлением обмена веществ. Все эти преобразования отвечали требованиям принципа стабильности вещества. Так, мало стабильные молекулы нуклеотидов при пониженных температурах в водной среде объединялись, образуя фрагменты нуклеиновых кислот, и сохранялись – выживали при пониженных температурах в соответствии с принципом стабильности вещества. Подобное наблюдалось в случае аминокислот и липидов. Таким образом, принцип стабильности вещества требовал появление живых структур – клеток и далее организмов. Если говорить об общей тенденции в биологической эволюции, то в условиях существования жизни справедливо следующее качественное утверждение: "Преобладание атомов кислорода в молекулах способствует их стабильности (устойчивости), тогда как присутствие атомов азота удаляет эти молекулы от стабильности (устойчивости)".  Общая стабильность (устойчивость) сложных органических молекул, содержащих атомы кислорода и азота, зависит от вклада этих факторов.

Известно много доказательств справедливости принципа стабильности вещества. При этом, по-видимому, существует два основных аспекта при осознании принципа.

1. К упомянутым доказательствам относятся выявленные корреляции между удельными функциями Гиббса образования (удельными свободными энергиями Гиббса образования) химических веществ и аналогичными величинами, характеризующими стабильность супрамолекулярных структур, образуемыми этими веществами [1-3]. В этом случае сопоставление химической и супрамолекулярной стабильности вполне корректно, поскольку сопоставляются термодинамические величины для систем одинакового элементного состава.

2. Кроме того, возникает также вопрос: насколько оправдано сравнение относительной стабильности путем сопоставления стандартной энергии Гиббса образование химических веществ различного химического состава? Подобный вопрос касается сопоставления супрамолекулярной стабильности структур различного состава. Дело в том, что термодинамика не оперирует абсолютными значениями функций состояния, знание которых необходимо для строгой оценки стабильности  веществ различного состава.  Однако рассмотренные нами сопоставления (правила и корреляции) показывают, что постулированные принципом стабильности вещества взаимосвязи систем переменного состава (эволюционирующего состава) также существуют, по крайней мере, для биологических молекул и их супрамолекулярных структур, а также для смежных других структур высших биологических иерархий  [1-5].  

Целесообразно также отметить, что ранее автор допускал, что для выявления тенденции термодинамической направленности эволюции и старения живых существ вполне достаточно изучать изменение состава в живой системе «вода - органическое вещество». Такой подход себя оправдал. Однако уточненная оценка должна учитывать вариацию концентраций ряда неорганических компонентов, например солей, которые присутствуют в тканях организмов в ощутимо заметных количествах.

В следующем разделе приведем еще одно подтверждение действия принципа стабильности вещества (на уровнях молекулярной и супрамолекулярных иерархий) при эволюции элементарного состава живых организмов.

 

Эволюция элементарного состава живых организмов

Некоторые сформулированные ранее правила  и корреляции [2, 4, 7-10], как уже отмечалось, является приближенным. Однако во многих случаях они полезны для выявления термодинамической направленности процессов эволюции и старения живых существ. Например, хорошо известно, что химические вещества в обычных условиях, содержащие C-N, O-N, H-N связи, являются весьма нестабильными. Это объясняется тем, что указанные соединения легко перегруппировываются с образованием стабильных молекул азота – N2, двуокиси углерода – CO2, воды – H2и других подобных продуктов. Примерами таких нестабильных энергоемких веществ являются нитроглицерин, гексоген и тринитротолуол. Эти и другие аналогичные  азотсодержащие соединения образуют сравнительно стабильные супрамолекулярные структуры и применяются в качестве реактивных топлив и взрывчатых веществ.  

В ряде случаев «многоэлементных» по составу молекул (молекул содержащих  H, C, N, O и другие элементы) они (эти молекулы) содержат не только указанные выше связи. Так, мочевина, CO(NH), глицин, NH2 CH2 COOH, другие аминокислоты являются весьма стабильными, хотя содержат не только кислород, но и азот (NH2 - группы). Таким образом, представленные правила  можно (целесообразно) использовать, рассматривая органические молекулы, содержащие структуры, образованные из трех элементов: «H, C, N»  и «H, C, O» или принимать во внимание наличие в молекулах упомянутых связей . Однако, еще раз отметим, что иногда удобно руководствоваться качественным утверждением:  атомы кислорода (особенно кислород, участвующие в образовании  связей C=O, C-OH) в молекулах способствует их стабильности, тогда как присутствие атомов азота удаляет эти молекулы от стабильности".  Более точные оценки стабильности химических веществ (устойчивости по отношению к элементам их образующих) можно делать с помощью методов учитывающих вклады валентных связей и (или) групповые вклады. Групповые вклады удельной функции Гиббса образовании соответствуют стабильности этих групп относительно элементов их образующих.

Доказательством направленного действия «принципа стабильности вещества» является сравнительное повышенное накопление атомов азота, фосфора, а также серы организмами при развитии биологической эволюции.  Рассмотрим данные Таблицы 1, в которой проведено сопоставление содержания химических элементов – органогенов (% масс.) в растениях и  животных (по А.П.Виноградову).

Таблица 1.

 Содержание органогенов (% масс.) в растениях и животных (по А.П.Виноградову) [11].

Элемент

Растения

Животные

H

10

9.7

C

18

21

N

0.3

3.1

O

70

62.4

P

0.07

0.95

S

0.05

0.16

 

Если опираться на эти данные, из Таблицы 1 следует, что содержание водорода, углерода, кислорода изменяется в эволюции (переход от растений к животным) сравнительно незначительно. Количество азота и фосфора существенно увеличивается,- более чем в 10 раз. Содержание серы возрастает в 3 раза. Содержащие азот - молекулярные группы образует прочные межмолекулярные связи.  Подобно этому содержащие кислород и фосфор фрагменты молекул также образует прочные водородные связи. Это означает, удельная функция Гиббса образования этих структур характеризуется повышенной отрицательной величиной, что указывает на повышенную относительную стабильность данных структур. Другими словами, принцип стабильности вещества, в соответствии со вторым началом, делает отбор на супрамолекулярном уровне, увеличивая супрамолекулярную стабильность тканей и сравнительно существенно уменьшая их молекулярную (химическую стабильность). Таким образом, супрамолекулярная стабильность тканей при переходе от растений к животным растет, а молекулярная стабильность падает.  Обогащение организмов животных серой также приводит к снижению молекулярной стабильности их тканей, но в меньшей степени, нежели это делают азот и фосфор.

Важно также отметить, что давно известно, что количество азота и фосфора, а также углерода и водорода ворганизме человека во много раз больше, чем содержание этих элементов в земной коре [12].

Все сказанное относительно термодинамической направленности эволюции предсказывалось принципом стабильности вещества, который был представлен автором в форме рисунка в работе [10] в 1977 году. В дальнейшем принцип был сформулирован в расширенной форме в монографии [4] и других работах. Представленные доказательства тенденций действия «принципа стабильности вещества» подтверждают обоснованность сравнения стабильности химических и биологических структур, делаемой на основании сопоставления удельной функции Гиббса (удельной свободной энергии Гиббса) образования эволюционирующих биологических систем.

Выявление описанных закономерностей изменения количества химических элементов  в эволюции, как неживых, так и живых структур, становится возможным благодаря глобальному усреднению параметров окружающей среды на продолжительных этапах эволюции. Однако выявлять подобные закономерности в онтогенезе живых существ в общем случае становится часто затруднительным, или даже невозможным, вследствие сравнительного быстрого изменения параметров окружающей среды. Так, при онтогенезе грибов и злаков, вследствие быстрого высыхания верхних слоев почвы («рост грибов после дождя») поступление азота в биоткани из почвы резко сокращается. Это приводит к снижению аккумуляции азота. Это есть следствие резкого изменения параметров окружающей среды, что существенно меняет азотный обмен, но мало отражается на углеводном обмене, который в большой степени зависит от атмосферных условий.

Интересно отметить, что человеческое общество (входящее в состав общей экологической системы Земли) в ходе социальной эволюции обогащается (обрамляет себя) конструкциями, содержащими тяжелые элементы (например, металлы). Тем самым  появляются технические и энергетические возможности, способствующие устойчивости (стабильности) общества.

Таким образом, используемые нами ранее допущения и выявленные качественные правила [1-5] являются оправданными при выявлении термодинамической направленности биологической эволюции, характеризующейся изменением состава и функций живых организмовВ будущем при изучении термодинамически направленной вариации химического состава живых тел в эволюции и при старении необходимо учитывать не только изменение количества воды и органических веществ в организмах, но и ряда неорганических компонентов, например, солей, присутствующих в заметных количествах.  

 

Заключение

Полагаю, что с позиции иерархической термодинамики можно понять многие аспекты эволюции и старения на всех иерархических уровнях, включая генетический аппарат.

Природа, руководствуясь законами иерархической термодинамики сложных систем (т.е. систем, в  которых и над которыми совершается не только работа расширения) и принципом стабильности вещества, во всех локальных зонах и на всех иерархических уровнях, ищет минимальные значения удельной функции  Гиббса (удельной свободной энергии) образования структур. Этот поиск протекает при воздействии переменных (периодически меняющихся) параметров сред, окружающих структуры каждой иерархии. Происходит, своего рода, локальная «термодинамическая оптимизация» организации структур всех иерархических уровней. Изменение сред обитания и поиск термодинамически оптимальных структур в живой природе могут быть осознаны с позиции расширенного представления о «вариации и селекции» Ч. Дарвина и А. Уоллеса.

Nature, guided by the laws of thermodynamics of complex hierarchical systems (i.e., systems in which and over which is performed not only the work of expansion) and the principle of substance stability in all local zones and at all hierarchical levels, seeks the minimum value of the specific Gibbs function (the specific free energy) formation of structures. This search takes place during the action of variable mediums parameters which surround objects (structures) of each hierarchy.There is the local thermodynamic optimization of structures of all hierarchical levels. The variations of habitat and the searches of optimal thermodynamic structures in nature can be comprehended from the perspective of the enlarged understanding of "the variation and the selection" of Ch. Darwin.

Литература

1.Georgi P. Gladyshev (2015). Natural Selection and Thermodynamics of Biological Evolution. Natural Science, 7, No 5 117-126 Published Online March 2015 Pub. Date:  March 9, 2015 DOI:10.4236/ns.2015.73013 http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.73013

2. Georgi P. Gladyshev (2015). Thermodynamics of Aging and Heredity . Natural Science, 7, No 5 270-286. Published Online May 2015 http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.75031 http://www.scirp.org/journal/ns

(Typo: Figure 1 (page 272) in the center of the upper part of the figure (A) in the inequality instead of “<” should be “>”, as in other articles and monographers (see for example [28]. - http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf ).

3. G. P. Gladyshev. Thermodynamics of the origin of life, evolution, and aging . Advances in Gerontology, April 2015, Volume 5, Issue 2, pp 55-58. http://link.springer.com/journal/13329/5/2/page/1

 4. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.- 1997.- 142 P. Russian: ГПГладышев.  Термодинамическая теория эволюции живых существ. М.: Луч, 1996. -86с. http://www.statemaster.com/encyclopedia/Thermodynamic-evolution 

5. Г. П. Гладышев. Супрамолекулярная термодинамика – ключ к осознанию явления жизни. Издание второе. М. - Ижевск. ISBN: 59397-21982. 2003.

6. Г. П. Гладышев. Новое правило в химии. http://endeav.net/news/44-stabilnost-molekul.html    

7. Г. П. Гладышев. Динамит: Принцип стабильности вещества в действии http://endeav.net/news/35-dinamit-printsip-stabilnosti-veshchestva-v-dejstvii.html

8. Г. П. Гладышев. О приближениях иерархической термодинамики  http://endeav.net/news/31-o-priblizheniyakh-ierarkhicheskoj-termodinamiki.html

9. Г. П. Гладышев. Супрамолекулярные связи в живом мире. Термодинамика водородных связей как движущая сила биологической эволюции https://gladyshevevolution.wordpress.com/

10. Gladyshev, Georgi, P. (1978). On the Thermodynamics of Biological Evolution“, Journal of Theoretical Biology, Vol. 75, Issue 4, Dec 21, pp. 425-441 (Preprint, Chernogolovka, Institute of Chem. Phys. Academy of Science of USSR, May, 1977, p. 46.

11. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин; под ред. В. А. Попкова, А. В. Жолнина. – 2012, 400с. Химические элементы в окружающей среде. Таблица 10.10.

12. Lotka, Alfred J. (1925). Elements of Physical Biology (republished (Ѻ) as: Elements of Mathematical Biology Dover, 1956). https://en.wikipedia.org/wiki/Alfred_J._Lotka   http://www.eoht.info/page/Alfred+Lotka  http://www.eoht.info/page/Elements+of+Physical+Biology

 

See also: http://www.eoht.info/page/Principle+of+substance+stability