Exchange of matter in nature

Use  the translator from Russian into English: http://translate.google.com/#ru/en/

Обмен веществ в природе

Цель настоящей заметки на простейших примерах показать, как периодические воздействия могут влиять на жизнь на Земли и подобных ей планетах.

Причиной обмена веществ в неживой и живой природе (метаболизма), как правило, являются периодические (циклические) воздействия окружающей среды. Вращение Земли периодически меняет освещенность, температуру и другие характеристики различных зон и объектов планеты. Периодические извержения наземных и подводных вулканов, гейзеров и другие циклические процессы также оказывают подобное воздействие. Все циклические изменения в окружающей среде проявляются через действие термодинамики. Их следует изучать с помощью обобщенного уравнения Гиббса сложных систем. Представление Дарвина о «вариации и селекции» в живом мире может быть расширено применительно к эволюции материи: «вариация и селекция сравнительно стабильных иерархических структур».

При обсуждении проблем возникновения жизни, биологической эволюции, филогенеза и онтогенеза автор часто обращал внимание на то обстоятельство, что эти природные процессы происходят на фоне колебаний параметров физических термостатов – окружающих сред, выделяемых квазизакрытых квазиравновесных живых систем [1-4].

В заметке [5], как и во многих ранних работах, автор отметил что «Existing of appropriate structures in nature is associated with cyclical changes of environmental parameters».

Хорошо известно существование геологических циклов в истории Земли и других планет и их спутников. Эти циклы связаны как с внутренними процессами, происходящими внутри указанных небесных тел, так и космическими воздействиями. В качестве примеров таких циклов можно упомянуть рекристаллизацию различных минералов и солей вследствие изменения условий внутри земной коры и на её поверхности. Циклическое изменение температуры приводит к образованию кристаллов воды (снежинок) и их таянию. Появление инея на холодных предметах в ночное время также известно каждому.

Снежинки могут объединяться в хлопья снега, которые захватывают органические и неорганические вещества, практически, всегда присутствующие в атмосфере. После плавления указанных хлопьев и испарения воды, от хлопьев остаются мелкие частицы, содержащие нелетучий материал. В этих частицах возможно появление новых веществ, например, под действием света. Образующиеся частички могут разноситься ветром и становиться центрами кристаллизации воды в различных областях атмосферы. Далее все повторяется снова и снова и локальные круговороты воды с участием других веществ развиваются как бы по спирали. *  

Подобно этому возникают первичные структуры, аналогичные нанобам и вирусам, по-видимому, даже на современной Земле. Однако эти структуры не могут развиваться и эволюционировать и при возможности должны быть съедены высшими структурами - организмами, поскольку сформировавшиеся организмы обладают усовершенствованной системой метаболизма и иммунной системой.  Это обстоятельство хорошо осознавал Чарльз Дарвин. Замечу, что похожая ситуация сложилась в эволюции с появлением в атмосфере кислорода, который окисляет малостабильные  вещества, необходимые для развития простейших форм жизни.

Огромное количество простых примеров влияния циклических изменений температуры и влажности на эволюцию и развитие живых организмов описано в научной и учебной литературе. Так, зерно пшеницы формируется в условиях сравнительно высокой температуры и пониженной влажности. Однако, попав во влажную почву, при сравнительно умеренной температуре, оно прорастает и развивается, превращаясь в колос растения.

Влияние окружающей среды на природные объекты можно рассматривать как действие тропизмов, которые создают огромное разнообразие этих объектов [7].

Таким образом, вращение Земли вокруг своей оси и вокруг горячего Солнца, по-видимому, следует считать одной из важных причин, которая привела к современной жизни на планете. В связи с этим возникает вопрос о возможности существования сравнительно ранних форм жизни на спутниках планет, несмотря на их сейсмическую активность. Дело в том, что появление жизни в этих случаях должно быть затруднено из-за отсутствия притока энергии от холодных планет, а также отсутствием «дня и ночи» на этих небесных телах.

Много интересных ссылок представлено в обстоятельном исследовании [8] и работе [9]. 

*Приложение. Простейшие формы жизни могут возникать в круговоротах воды на планете.

Можно утверждать, что в процессе эволюции круговоротов воды, вследствие химических и супрамолекулярных превращений, на первичной Земле в качестве «побочного продукта» возникали пребиотические жидкокристаллические иерархические структуры. Эти структуры с каждым «удачным циклом» круговорота превращались в абиогенные и далее в «простейшие живые структуры». Отдельные химически нестабильные или малостабильные молекулы (например, пурины) сохранялись вследствие действия «принципа стабильности вещества», который предотвращал распад фрагментов этих молекул в коротких цепях нуклеиновых кислот, благодаря сравнительно прочным супрамолекулярным водородным связям между нуклеооснованиями. Можно полагать, что начальные стадии подобных циклических процессов зарождения жизни на Земле наблюдаются и сейчас. Хотя эволюционное развитие этих процессов ограничено в связи с наличием свободного кислорода и малой концентрацией «кирпичиков жизни» в атмосфере. Кроме того существующие живые организмы быстро съедают рассматриваемые простейшие структуры. 

Это заключение автор сделал на основании выводов иерархической термодинамики и того факта, что вода дождевых и снеговых осадков всегда содержит микропримеси веществ, с которыми эти осадки соприкасаются. Кроме того в атмосферах молодых планет и их спутников должны присутствовать сравнительно нестабильные молекулы, например, цианистый водород и нитрилы. Недавно этот факт подтвердил аппарат "Кассини" при исследовании Титана - спутника Сатурна.  

Литература

 

1. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.- 1997.- 142 P.

2. Gladyshev, G.P. Thermodynamics, Entropy and Evolution of Biological Systems: What Is Life from a Physical Chemist’s Viewpoint.Entropy, 1999, 1[2], 9.

3. Gladyshev G.P. Supramolecular thermodynamics is a key to understanding phenomenon of life. What is Life from a Physical Chemist’s Viewpoint - Second Ed., Regular and Chaotic Dynamics, Moscow – Izhevsk, - 2003, 144 P. (In Russian).

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. Г.П.Гладышев. Термодинамика и происхождение жизни. http://gladyshevevolution.wordpress.com/article/thermodynamics-of-origin-of-life/

6. Georgi P. Gladyshev. Thermodynamic optimizes physiology of life http://ru.scribd.com/doc/87069230/Report-Ok-16-11-2011

7. Georgi P. Gladyshev. Thermodynamic optimizes physiology of lifehttp://ru.scribd.com/doc/87069230/Report-Ok-16-11-2011

8. The Drive to Life on Wet and Icy Worlds Michael J. Russell, ASTROBIOLOGY Volume 14, Number 4, 2014 ª Mary Ann Liebert, Inc. DOI: 10.1089/ast.2013.1110

9. Г. П. Гладышев. Термодинамика круговорота биологической материи. Вестник Международной Академии наук, №1, 2006.

See: Gerald H. Pollack http://vk.com/video1617917_167889761