Достижения наук о жизни с позиции термодинамики
Иерархическая термодинамика изучает явление жизни
(If you want, you can translate the text into English using Google translator. In any case, it will be apparent what I mean. http://translate.google.com/)
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. http://www.membrana.ru/particle/17265
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 процессы в живых системах 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, 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.
2. Выявлен закон временных ( временных ) 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 квазиравновесных режимах. Подобно этому меняется состав высших иерархий. Указанный открытый характер систем не является препятствием для использования методов равновесной термодинамики. 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) образования структур всех иерархий. 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. Утверждается, что явления тропизмов, поведение живых систем, как правило, могут быть термодинамически описаны на количественном уровне.
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, 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“.
11. Иерархическая термодинамика должна оптимизировать сельское хозяйство, физиологию и, медицину.
Термодинамическая теория возникновения жизни, её эволюции и старения живых существ объяснила и предсказала многие закономерности и факты. Ссылки на соответствующие предсказания представлены в последних статьях автора, размещенных в интернете в рецензируемых журналах открытого доступа в 2014 - 2017 годах.
Одним из интересных, но пока недоказанных предсказаний обсуждаемой термодинамической теории является положение о существовании единого общего «молекулярного кода жизни», а также,- генетического кода, в нашей вселенной. Однако это заключение иерархической термодинамики согласуются с идеями Professor Chandra Wickramasinghe.
Автору не известны какие-либо факты, которые не согласовывались, хотя бы, в принципе с его иерархической термодинамической теорией возникновения жизни, её эволюции и старения живых существ. Надежда на успех теории в будущем связана с ее опорой на безукоризненные труды Л. Эйлера, Дж. У. Гиббса, Н. Н. Боголюбова и других классиков естествознания.
Автор уверен, что созданная теория подтверждает известное утверждение о том, что, в меру своей применимости, термодинамика правит всем, что происходит в нашем мире.
http://www.membrana.ru/particle/17265
Примечание 1
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 негэнтропии 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.
Misunderstandings in ideas about entropy
Many misunderstandings in understanding the problems of life and evolution from the standpoint of physics and physical chemistry are typically associated with misconceptions in understanding entropy. The term "entropy" coined Rudolf Clausius. According to his model of the world (universe), he presented a statement: "The energy of the world is constant. The entropy of the world tends to the maximum". Later this statement was chosen by JW Gibbs as an epigraph to the paper "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances". These scientists have given this statement in relation to their model of the universe. This model corresponds to a simple isolated system of ideal gas, i.e. isolated system of ideal gas, energy and volume of this system are constant and in which only the work of expansion is performed. Entropy of such a system can only increase!
It should be noted that when we say on ideal model, which would correspond to the real universe, it would be necessary to accept the unreal assumption that any form of energy real universe will be transformed into thermal energy. Only in this case, also under additional unrealistic assumptions, the real universe "would turn" into the model of ideal system of Clausius - Gibbs.
However, lovers of science have applied representations on simple systems to systems of other types, in which the interactions takes place between particles of different nature (interactions of molecules or other objects of different hierarchies) and to systems which interact with the environment. Some scientists, who are not professionals in the relevant fields of knowledge, have not escaped such errors. This has led to unimaginable confusion. This has slowed down the development of science, more than on a century. There are thousands of publications in scientific journals and popular literature containing marked misunderstandings. To these were added incorrect ideas on the negentropy and on the dissipative structures in the living world, and the false identification of "the information entropy" with the thermodynamic entropy.
The origin of life and its evolution can be easily explained from the standpoint of hierarchical near equilibrium thermodynamics of complex dynamic systems. This thermodynamics is established on a solid foundation of equilibrium thermodynamics - thermodynamics of Rudolf Clausius, JW Gibbs and other great scientists.
Примечание 2
Четкое разделение термодинамической стабильности молекулярных (химических) и супрамолекулярных структур (как и структур высших иерархий) в живых системах в настоящее время не представляется возможным. В идеализированном случае следовало бы определять усредненную (отнесенную, например, к единице объема) стабильность молекул (химических связей), образующих ткань живого объекта. Аналогично этому, необходимо было бы определять супрамолекулярную (межмолекулярную) стабильность структур с участием молекул и ионов живой ткани, – структур, образующихся при переходе этих молекул и других компонентов живой системы из гипотетического состояния газа (молекул, находящихся в вакууме или инертном газе без существования межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий) в супрамолекулярные живые структуры. Делать это невозможно. Однако есть выход из указанной ситуации. Можно предположить, что существует корреляция между идеальной супрамолекулярной стабильностью структур ткани и изменением относительной супрамолекулярной стабильности этой ткани, которое (изменение) наблюдается при переходе живой биологической структуры при нагревании в денатурированное (расплавленное) состояние в стандартных условиях в водной среде. Оказалось, что такое предположение (основанное на известных количественных данных, например, полученных методом ДСК) оправдано. Сделанное предположение и используемые известные приближения позволили автору выявить термодинамическую направленность эволюции, филогенеза и онтогенеза. Удалось обосновать принцип стабильности вещества, применяемого к молекулярной и супрамолекулярной иерархиям, а также, впоследствии,- к высшим иерархиям живой материи. Замечу, что в ранних работах автор не упоминал все, сделанные им, предположения и приближения. Это, по-видимому, затрудняло восприятие его работ и сделанных выводов. Можно утверждать, что первая публикация «О термодинамике биологической эволюции» была написана в 1976-1977 годах на интуитивной основе с использованием качественных физико-химических закономерностей. Успех применения методов термодинамики в науках о жизни, как я полагаю, связан с моим стремлением согласовывать закономерности, существующие в мире живого, с общими законами природы (законами сохранения и началами термодинамики) и выявлением возможности использования аппарата полных дифференциалов при исследовании квазиравновесных полииерархических динамических систем.
Примечание 3 - Пояснение
The short resume about the foundation of extended Darwinism from the viewpoint of hierarchical thermodynamics..
However, in order to avoid confusion, it should be noted that this resume shows the individual results concerning the hierarchical thermodynamics. This thermodynamics is the quasi-equilibrium linear dynamic thermodynamics created by author. The hierarchical thermodynamics of author has nothing to do with thermodynamics of systems of far from equilibrium of Prigogine which (the theory) does not apply to the origin and the evolutionary development of the living world, and which, in my opinion, is a misguided theory. This theory has only historical significance.
The hierarchic thermodynamic theory of evolution - New Way – to extend Darwinism
10.13140/RG.2.2.20588.56967
It is a brief explanation for the third way's evolutionists. I hope that submitted a brief explanation will help the biologists to assess the possibility of thermodynamics for the development of theory of evolution (and aging). See: The Third Way web http://www.thethirdwayofevolution.com
Modern thermodynamics investigates the spontaneous and also the nonspontaneous evolutionary processes in biological systems. The hierarchical thermodynamics is the foundation of extended Darwinism. http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.73013
Spontaneous transformation of structures within each hierarchy systems proceeds according to the second law of thermodynamics. These processes are predictable.
Nonspontaneous transformation of structures within the framework of each hierarchy is initiated by actions of environmental. These transformations as result of changing environmental influences can be unpredictable.
Environment of systems of each hierarchy it is structures of other hierarchies. However, in the absence of revolutionary changes and with relatively small fluctuations of environmental conditions that occur in the adaptive area, the general evolutional trend of second law takes place. In this case, the driving force of evolution processes, first of all, is the thermodynamics of spontaneous transformations in biological systems: nature searches the minimums of the specific free energies of formation of structures at all hierarchical levels.
It is very important to draw the attention that any theory of biological evolution (and also the theory of aging of living organisms) should be based on thermodynamics phenomena.
According to my hierarchical thermodynamic theory of evolution, the origin of life and evolution proceeds in accordance with the second law (the spontaneous processes in chemical and biological systems) on the background of a changing environment (the nonspontaneous processes in systems that are initiated by the environment). All processes of evolution are taken into account by the advanced hierarchical generalized Gibbs equation (the generalized equation of the first and second laws of thermodynamics). If the action of the environment are outside the area of adaptive existence of organisms (living systems), there is a gap evolutionary spiral. This may lead to the disappearance of life. For example, such a revolutionary (a non-evolutionary) phenomenon was observed in the extinction of the dinosaurs.
The thermodynamic theory of evolution claims that Darwin and Lamarck both right.
How to develop the theory of Darwin
Darwin's theory is a general descriptive theory. It is based, first of all, on the common notions of "a variation and a selection", which, incidentally, act at all hierarchical levels of living systems. To describe the evolution from the viewpoint of these positions it is necessary to apply this Darwinian approach separately only to the individual structural hierarchy of living systems and organisms. In other words we need to study the evolution of objects of the same type (molecules, organelles, cells, organisms, populations, and so on.) The investigation of behavior of no identical objects with scientific position has no physical meaning. Darwin's theory is not an exact theory. This theory may only indicate "the general thermodynamic mechanism" (the thermodynamic tendency) of the individual processes. The application of demands which we use to the study of simple systems to the Darwin's theory does not make sense. General concepts on "a variation and a selection" have proven themselves in their application to the study of similar systems and processes, for example, in relation to the chemical evolution. The discussion of Darwin's theory only from the viewpoint of generalized biology position, in my opinion, cannot contribute to the development of the theory. The hierarchical thermodynamics is the foundation of expanded theory of Darwin.
Without dissection of complex phenomena into simple components we cannot use the scientific methods. The scientists of exact physical sciences know about this circumstance.
P.S. Please have a look at my latest English works:
1. Georgi P. Gladyshev (2015). Natural Selection and Thermodynamics of Biological Evolution . Natural Science, 7, No 5 117-126. Published Online March 2015 DOI: 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. http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.75031
3. Georgi Gladyshev. Thermodynamics optimizes the physiology of life. http://ispcjournal.org/journals/2014/gladyshev.pdf
4. СайтRG- https://www.researchgate.net/profile/Georgi_Gladyshev/contributions
Note: The Prigogine's thermodynamic theory of systems far from equilibrium is incorrect. This theory has only of historical interest.
Have a look at please also https://www.youtube.com/watch?v=CYr1G5TZO50 and
Shu-Kun Lin. Diversity and Entropy Editorial, Entropy 1999, 1(1), 1-3; http://www.mdpi.com/1099-4300/1/1/1/htm
I believe that the hierarchical thermodynamics will help biologists understand the Darwinian’s theory. http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.73013 “Darwinism is not broken”.
Георгий Гладышев Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.