О пользе термодинамической теории старения для продления жизни
On the use of thermodynamic theory of aging for prolonging life
О пользе термодинамической теории старения для продления жизни
Annotation
Aging of living beings from the position of hierarchical thermodynamics guided by the principle of substance stability is considered. It is noted that hierarchical thermodynamics, through inverse thermodynamic connections between hierarchical structures, has a different influence on the development of life in ontogeny, phylogeny and evolution. The author believes that gerontological recommendations, to the extent possible, should be optimally consistent with the basic provisions of the thermodynamic theory of aging.
Аннотация
Рассмотрено старение живых существ с позиции иерархической термодинамики, направляемой принципом стабильности вещества. Отмечается, что иерархическая термодинамика, благодаря обратным термодинамическим связям между иерархическими структурами, оказывает разнонаправленное влияние на развитие жизни в онтогенезе, филогенезе и эволюции. Автор полагает, что геронтологические рекомендации, в меру возможного, должны быть оптимально согласованными с основными положениями термодинамической теории старения.
Цель заметки – попытаться в сжатой форме описать явление старения с точки зрения термодинамики и в общих чертах ответить на вопрос, что может дать термодинамическая теория для практической геронтологии и гериатрии с позиции сегодняшних знаний. Теория старения должна быть единой теорией, опирающейся на общие законы природы. Многочисленные изменения в организме при старении, которые принято возводить в ранг «теорий» таковыми в действительности не являются, поскольку отражают только отдельные закономерности, связанные со старением.
Для осознания развития и старения организма представим простую схему изменений его состава и строения в онтогенезе с позиции термодинамики.
Развитие эмбриона направляется, прежде всего, действием супрамолекулярной термодинамики образования и обновления его структуры. В соответствии со вторым началом термодинамики удельная свободная энергия Гиббса образования супрамолекулярной структуры зародившегося организма стремится к минимуму, или, что эквивалентно, - к максимальной стабильности указанной структуры.
В результате притока энергии и вещества извне, который сопровождается обогащением организма сравнительно нестабильными (энергоемкими) химическими соединениями, а также действия принципа стабильности вещества растущий организм пополняется энергоемким химическим веществом. Это вещество, будучи химически малостабильным, в соответствии со вторым началом термодинамики превращается в сравнительно стабильные химические соединения. Присутствие кислорода в системе резко ускоряет эти превращения. Действие принципа стабильности вещества, как и действие внешних источников энергии, постоянно способствует восполнению убытка малостабильного химического вещества до тех пор, пока существует жизнь. Пополнение этого энергетического вещества в тканях прекращается, когда супрамолекулярные структуры организма становятся слишком стабильными и не в состоянии поддерживать обмен веществ, что приводит к смерти организма.
Таким образом, постоянный приток энергии (пищи) и принцип стабильности вещества (обогащающий систему энергоемкими соединениями) не дают системе (молекулярному составу организма) прийти к химическому равновесию с окружающей средой. Это равновесие достигается только после прекращения жизни, когда органические вещества в результате гниения полностью превращаются в стабильные соединения – воду, углекислый газ, азот и другие. Остается скелет организма, состоящий, практически, только из стабильных неорганических соединений.
Появление нового организма в онтогенезе возможно при взаимодействии «не состарившейся» ДНК, сохраненной особями (особью) в сперматозоидах и яйцеклетке для использования в филогенезе.
До тех пор, пока теплится жизнь в организме, он находится в близком к внутреннему супрамолекулярному равновесию состоянии, которого он никогда при жизни не достигает. Подобный термодинамический подход распространяется на все иерархии живой материи.
Представленная с точки зрения иерархической термодинамики картина онтогенеза (старения) организма позволяет, с позиции современных знаний, сделать следующие общие рекомендации, направленные на увеличение продолжительности его жизни.
Целесообразно снижать обогащение организма веществом, участвующим в образовании стабильных супрамолекулярных структур, старящих организм. Это означает, что снижение калорийности пищи, ее «термодинамически оптимальный состав» и оптимальные условия проживания должны способствовать увеличению продолжительности жизни.
В целом, разумно использовать общие рекомендации, представленные в многочисленных работах автора. Например, надо принимать во внимание, что «диеты включающие ‘термодинамически эволюционно молодые’ продукты растительного и животного происхождения, способствуют долголетию и улучшают качество жизни человека». Показатель степени эволюционной молодости натурального пищевого продукта определяется его химическим составом и надмолекулярной структурой. Химический состав и надмолекулярная (супрамолекулярная) структура продукта в свою очередь зависят от его онтогенетического и филогенетического возрастов, а также среды обитания организма – источника этого продукта. Важной количественной характеристикой «геронтологической полезности» натурального пищевого продукта является величина удельной энергии Гиббса (удельной функции Гиббса) образования его супрамолекулярной структуры.
Целесообразно проживать в условиях пониженной, но адаптивно приемлемой, концентрации кислорода в атмосфере и оптимальной влажности воздуха.
Целесообразно использовать «молодую» геронтологически ценную пищу, содержащую вещества - метаболиты с геропротекторными свойствами. Такими веществами, обычно являются соединения с относительно повышенным содержанием известных азот - содержащих групп и относительно пониженным содержанием кислород - содержащих группировок. Эти соображения должны быть полезны при выявлении геропротекторных свойств пищевых добавок и лекарств.
Иерархическая термодинамика, благодаря обратным термодинамическим связям между разными иерархиями, согласно принципу стабильности вещества, оказывает разнонаправленное влияние на развитие жизни в онтогенезе, филогенезе и эволюции. Другими словами, старение организма протекает при действии двух разнонаправленных факторов: увеличения супрамолекулярной стабильности тканей (на фоне постоянного притока энергии от внешних источников) и отбора химически малостабильных метаболитов в результате действия принципа стабильности вещества. На уровне смежных иерархий, например, молекулярной и супрамолекулярной иерархий, живые системы (согласно Второму началу) стремятся к супрамолекулярному и химическому равновесию. Однако принцип стабильности вещества способствует удалению живой системы от химического равновесия, т. е. препятствует его достижению. Отсюда, по-видимому, следует, что увеличение продолжительности жизни организмов требуется оптимального подхода. Возможно, целесообразно использовать индивидуальные рекомендации для разных групп пациентов.
Для ясности заметим, что живой организм находится вдали от химического равновесия с окружающей средой в результате постоянного притока энергии и вещества извне. Однако это не означает, что организм самопроизвольно удаляется от химического равновесия с окружающей средой вследствие притока энергии и вещества из окружающей среды. Организм удаляется от химического равновесия с окружающей средой в результате обогащения малостабильным (энергоемким) веществом, что является результатом действия второго начала при формировании его супрамолекулярной структуры в соответствии с принципом стабильности вещества.
Сделаем более детальное пояснение:
1. В результате постоянного притока энергии и вещества извне организм «поддерживает» состоянии химического «неравновесия» с окружающей средой. Это процесс несамопроизвольный с точки зрения внутренней среды организма.
2. Далее, поглощенное организмом малостабильное (энергоемкое) вещество вместе с малостабильным (энергоемким) веществом, синтезированным в организме под действием внешнего источника энергии (например, света), в соответствии со Вторым началом шаг за шагом преобразуется в более стабильное (менее энергоемкое) вещество. Кислород значительно ускоряет этот процесс.
3. Однако принцип стабильности вещества, не нарушая Второго начала термодинамики, приводит к обратному процессу – обогащению тканей организма малостабильными (энергоемкими) химическими соединениями. Это способствует постоянному увеличению энергоемкости тканей организма в онтогенезе, что согласуется с известными данными. Представленные ниже рисунки иллюстрируют сделанное заключение.
Рис. 1. Изменение удельной энергии Гиббса образования супрамолекулярных структур тканей организма в онтогенезе и при старении .Стабильность супрамолекулярных структур увеличивается в результате действия Второго начала термодинамики.
Рис. 2. Супрамолекулярный и химический состав организма в онтогенезе и при старении меняется в результате направленного действия Второго начала термодинамики. Количество воды в тканях организма уменьшается, а количество энергоемкого вещества растет. http://escipub.com/ijnsr-2018-01-1001/
Дальнейшее осознание явления старения с позиции иерархической термодинамики, требует договоренности относительно использования соответствующей терминологии. Так, следует принять, что стабильность противоположна энергоемкости. Чем выше стабильность, тем меньше энергоемкость. И наоборот: чем меньше стабильность, тем выше энергоемкость.
Общая литература
1. Gladyshev G.P., Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings, Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc., 1997. 142 P. In Russian: Гладышев Г.П., Термодинамическая теория эволюции живых существ, М.: ”Луч”, 1996.-86с. http://creatacad.org/?id=58&lng=eng
2. Gladyshev G. P. Thermodynamics of the origin of life, evolution, and aging. International Journal of Natural Science and Reviews, 2017; 2:7. http://escipub.com/ijnsr-2018-01-1001/
3. Статьи на сайте RG: https://www.researchgate.net/profile/Georgi_Gladyshev
Георгий Гладышев
Примечание
Представленная краткая заметка написана для исследователей - геронтологов, желающих применять термодинамические подходы для разработки практических рекомендаций.