Що таке життя з точки зору фізичної хімії

Георгій Гладишев, Міжнародна академія творчості, Москва, Росія, Сан-Дієго, США

Резюме

Інтеграційні процеси в науці сприяють створенню загальних теорій. Так, дієвість термодинамічної теорії біологічної еволюції і старіння живих істот підтверджує загальні закони природи, справедливі для будь-яких систем матеріального світу. Життя у Всесвіті виникає і розвивається відповідно до цих законами, зокрема, законом тимчасових ієрархій і другим початком термодинаміки. Теорія відкидає основні уявлення креаціонізму і відповідає світоглядним поглядам Г. Галілея, Дж.К.Максвелла, Дж.У.Гіббса, Ч. Дарвіна, інших класиків природознавства.

Епіграф до доповіді

"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

Одіна з принципових цілей теоретичного дослідження в будь-якій галузі знання полягає в тому, щоб знайти ту точку зору, з позиції якої досліджуваний об'єкт проявляється у своїй найбільшою простоті.

"Yet science seems to have driven us to accept that we all merely small parts of a world governed in full details (even if perhaps ultimately just probabilistically) by very precise mathematical laws. "

Roger Penrose

Наука, як здається, примушує нас повірити в те, що всі ми найдрібніші частинки світу, повністю керованого (нехай навіть тільки ймовірносно) дуже точними математичних законів.

Інтеграційні процеси в науці сприяють створенню загальних теорій і формування широкого світогляду у студентів і дослідників. Так, макротермодінаміческіе методи виявляють загальні закономірності еволюції і поведінки складних живих і неживих (синтетичних) систем.

Один з найбільш цікавих підходів до пізнання світу, очевидно, пов'язаний з створенням загальної теорії еволюції матерії, включаючи еволюцію і старіння живих систем, а також складних синтетичних систем, таких як композиційні матеріали та інші багатокомпонентні хімічні композиції.

Справжній доповідь присвячена макротермодінаміческой (або просто, термодинамічної) теорії біологічної еволюції. Зрозуміло, ця теорія також може бути застосована і до найпростіших окремих випадків - до вивчення формування структури і старіння біологічних та синтетичних полімерів.

Еволюція - Уявлення про зміни в навколишньому світі, їх спрямованості та закономірності. У самому загальному сенсі під терміном "еволюція" зазвичай розуміють процес зміни (розвитку) Всесвіту або будь-якої системи, незалежно від її складності та ієрархічності/2 /.

Особливе місце в науці займає вчення про біологічної еволюції, як про необоротний історичному розвитку живої природи, яке визначається мінливістю, спадковістю, природним відбором організмів. Біологічна еволюція пов'язана з пристосуванням організмів до умов існування, появою і вимиранням видів, трансформацією біогеоценозів і всієї біосфери.

Еволюційне вчення Ч. Дарвіна є загальною теорією, що вивчає причини, механізми і загальні закономірності еволюції живих організмів з позиції біології. Це вчення є теоретичною основою всіх розділів біології. Однак, теорія Ч. Дарвіна, яка завдала смертельного удару теології, є описової теорією і не виявляє фізичну суть спрямованості еволюції. Очевидно, необхідна фізична теорія, що на мові математики виявляла б спрямованість і рушійні сили еволюції на основі загальних законів Природи. У разі створення такої фізичної теорії суперечка між креаціонізм і еволюційною теорією, очевидно, вирішується на користь останньої.

Історія протистояння природничо-наукового підходу до виявлення рушійних сил еволюції і креаціонізму налічує багато століть/3,4 /.

Галілео Галілей, що заклав основи математичного природознавства, був переконаний, що закони природи повинні бути написані на мові математики. Створивши фундамент експериментального природознавства, Г. Галілей вірив "у можливість математичного осягнення світу ". Його прийнято вважати" батьком сучасного природознавства ".

В Надалі класики природознавства зміцнили впевненість багатьох натуралістів в тому, що дія загальних законів світобудови повинно поширюватися на всі ієрархії матерії. Особливо виділяються імена Джеймса Клерка Максвелла і Джозайя Уіларда Гіббса. Ці великі мислителі, як і інші класики, сприяли зміцненню віри у дієвість загальних законів Природи і математики як мови науки. Однак застосовувати ці закони до реальних природним системам здавалося скрутним. Зокрема, використовувати другий початок термодинаміки в його класичної формулюванні для виявлення спрямованості біологічної еволюції, а також старіння живих організмів, уявлялося неможливим. Справа в тому, що живі організми - біологічні системи (як і багато інших системи у світі) є відкритими і, як до того ж стверджувалося, нібито мимоволі, хто від стану рівноваги. До систем такого типу, зрозуміло, в загальному випадку, не можна застосовувати рівноважну (квазіравновесную) термодинаміку.

Використання нерівноважної термодинаміки систем далеких від стану рівноваги, а також інформаційної теорії, з метою виявлення спрямованості і рушійної сили біологічної еволюції не призвело до очікуваних результатів. Те ж саме можна сказати і про нову галузі дослідження - синергетики, яка спирається на нелінійне математичне моделювання складних процесів. Підходи синергетики, будучи досить привабливими, все ж таки видаляють нас від фізики, хімії та біології явищ. Звідси стало очевидним, що виявлення рушійних сил і спрямованості біологічної еволюції могло б істотно спроститися у разі створення моделей, які дозволили б представляти еволюційні процеси в рамках квазізакритих і квазіравновесних систем, досліджуваних методами класичної термодинаміки.

Після того, як автор цієї замітки сформулював закон тимчасових ієрархій (Gladyshev's law), стало очевидним, що світогляд Г. Галілея, Д. К. Максвела, Ч. Дарвіна стало реально відчутним і обгрунтованим при дослідженні еволюції біоміра/2,4-10 /. Методи Ж. Л. Лагранжа, Дж.У.Гіббса, інших великих творців виявилися застосовними до динамічних відкритим живих систем.

Одна з формулювань закону часу `их ієрархій, що припускає облік усіх супрамолекулярних взаємодій у тканинах організму, може бути представлена в вигляді/2 /:

Тут () - Середній час життя (існування у вільному стані) молекул (хімічних сполук) в організмі, що беруть участь у метаболізмі; () - середнє час життя будь-яких супрамолекулярних структур тканин організму, оновлюються в процесі зростання і розвитку; - середній час життя організму в популяції; -- середній час життя популяції. Ряд сильних нерівностей (1) не включає часи життя клітин (cell) та деяких інших супрамолекулярних структур. Однак, зрозуміло, цей ряд добре узгоджується з реальністю і відображає існування часу `их ієрархій в живих системах. Остання обставина, як раз, строго обгрунтовує можливість виділення (виокремлення) квазізакритих систем (підсистем) у відкритих біологічних системах.

Була створена ієрархічна термодинаміка - макротермодінаміка/2/або рівноважна (квазіравновесная) термодинаміка ієрархічних систем і показано, що лінійні моделі з досить гарним наближенням можуть використовуватися при описі еволюційних процесів і багатьох перетворень, що відбуваються на всіх ієрархічних рівнях живої матерії.

Дотримуючись дороговказною зірку Р. Клаузіуса, Дж. У. Гіббса, спираючись на один з найпотужніших методів пізнання світу - метод математичної дедукції, вдалося побудувати досить струнку фізико-хімічну теорію біологічної еволюції і старіння живих істот. Ця теорія спирається на уявлення про функції стану (тобто, функції, диференціали яких є повними) власне самих біологічних систем.

Виявлення закону часу `их ієрархій дозволило обгрунтувати, що переважна більшість супрамолекулярних та інших процесів структуроутворення (самозбірки) -- термодинамічної самоорганізації в Biomir, протікає в квазізакритих системах, у режимах, близьких до стану рівноваги. Звідси, наприклад, слідував висновок, що процеси утворення супрамолекулярних структур in vivo і in vitro однаково обгрунтовано можна досліджувати з позицій супрамолекулярної, і в цілому, ієрархічної термодинаміки.

Таким чином, макротермодінаміческая теорія біологічної еволюції і старіння живих істот "зняла" обмеження, пов'язані з "відкритим характером "біосистем і нібито існуючої" сильною " нерівноважних процесів структуроутворення в живих системах. Теорія узгоджується з досвідом класиків фізики, хімії та біології, а з практичної точки зору - з багатовіковим досвідом медицини, дієтології, соціології та інших розділів знання.

Як і слід було очікувати, формування і старіння складних полімерних систем, "органічно вписується в теорію еволюції ієрархічних систем/11 /. Освіта кластерної структури полімерних матеріалів підкоряється законам макротермодінамікі. Наприклад, встановлено, що рівняння Гіббса-Гельмгольца-Гладишева кількісно узгоджуються з експериментальними даними по дослідженню аморфного стану полімерів/11 /. Отримані результати є прямим підтвердженням дієвості макротермодінамікі стосовно до багатьох об'єктам, включаючи біологічні системи.

Стає очевидним, що новий "будинок науки" про пристрій Biomir, що будується на фундаменті класики, виявляється досить міцним. Ця будівля має встояти під тиском будь-яких вітрів, що зароджуються під впливом модних "скоростиглих одноденних" моделей всіляких еклектика і фантазерів, що створюють "постнекласичної науки" і нехтують знаннями, накопиченими багатовіковою історією Людства.

Список літератури

1. Наприкінці квітня 2003 виповнилося 100 років з дня смерті великого американського теоретика Дж. У. Гіббса.

2. Гладишев Г.П. Супрамолекулярна термодинаміка - ключ до усвідомлення явища життя. Що таке життя з точки зору фізико-хіміка. Видання друге. Москва - Ижевск: Інститут комп'ютерних досліджень. "Регулярна і хаотична динаміка ", 2003. 144 с.

3. Penrose Roger, The Emperor's New Mind. Concerning Computers, Minds and The Laws of Physics. 1999. Oxford University Press. Russian translation, 2003, Moscow, URSS, 382 p.

4. Web site in Internet: http://www. yahoo.com. Evolution vs. Thermodynamics - EvC Forum, pp. 4-5 and so on.

5. Gladyshev G.P. On the Thermodynamics, Entropy and Evolution of Biological Systems: What is Life from a Physical Chemist's Viewpoint// Entropy. 1999. V. 1. №. 2. P. 9-20. www.mdpi.org/entropy .

6. Gladyshev G.P. Thermodynamic Theory of Biological Evolution and Aging. Experimental Confirmations of Theory //Entropy. 1999. V. 1. №. 4. P. 55-68. www.mdpi.org/entropy.

7. Gladyshev G.P.. Рівноважна термодинаміка квазізакритих біологічних систем. Диференціація клітин і розвиток організмів. (The Thermodynamic Theory of Biological Evolution and Aging. On the Thermodynamic Direction of Cell Differentiation and Organism Development)// Усп. Геронтол. 2003. Вип. 11, С. 23-33.

8. Gladyshev G.P. The Hierarchical Equilibrium Thermodynamics of Living Systems in Action// SEED Journal. 2002. № 3. P. 42-59. (Toborsky E., co-editor SEED. Editorial, № 3. P. 1-2). http://www.library.utoronto.ca/see/pages.

9. Gladyshev G.P. Thermodynamics of biological evolution and aging.// Electron. J. Math. Phys. Sci. 2002. Sem. 2. P. 1-15. www.ejmaps.org.

10. Gladyshev, G.P. Thermodynamic self-organization as a mechanism of hierarchical structures formation of biological matter. Progress in Reaction Kinetics and Mechanism (An International Review Journal. UK, USA). 2003, Vol. 28, 157-188.

11. Козлов Г.В. і Новиков В.Н. Кластерна модель аморфного стану полімерів// Успіхи фізичних наук. 2001. 171, N. 7, с. 717.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://sdo.uni-dubna.ru/