(PDF) Явление жизни и современная физическая органическая химия

Современная термодинамика

и явление жизни

(Явление жизни и современная физическая органическая химия)

Г. П. Гладышев

Международная академия творчества (наука - культура)

Институт химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Достижения наук о жизни

Цель лекции - обратить внимание химиков,

прежде всего, работающих в области

физической органической химии, на

достижения наук о жизни, связанных с

успехами иерархической термодинамики, в

частности супрамолекулярной термодинамики,

изучающей возникновение жизни,

биологическую эволюцию и старение живых

существ.

Для наглядности я буду показывать картинки и рисунки. Однако это не

значит, что речь идет о «науках в картинках». За каждой иллюстрацией стоят

цифры – количественные оценки и вычисления.

Почему мне приятно прочитать эту лекцию для

коллег- органиков, владеющих основами физической

химии?

Жизнь – «органическая химия вокруг нас». Ощутить ее дыхание, на мой взгляд,

может исследователь воспринимающий мир «своими руками», а не энтузиаст,

осмысливающий явления природы только путем чтения книг и фантазий. Другими

словами, как мне кажется, это может сделать человек, освоивший, прежде всего,

многочисленные экспериментальные методы синтетической химической науки.

Недостаточно информированные математики, инженеры - химики, представители

технических наук предлагают многочисленные теории происхождения жизни и ее

эволюции. Однако эти теории, вследствие особенностей образования и характера

мышления их авторов, как правило, обречены на неуспех.

Истоки иерархической

термодинамики

Анри Пуанкаре Дж. Уиллард Гиббс

Математика - язык науки

Фундамент науки

“…простота – единственная

почва, на которой возможно

воздвигать здание

обобщений”.

“… истинная, единственная

цель науки –

раскрытие не механизма, а

единства”.

Анри Пуанкаре

Теория

“Одина из основных

целей теоретического

исследования в любой

области знания состоит

в том, чтобы найти ту

точку зрения, с позиции

которой изучаемый

объект проявляется в

своей величайшей

простоте”.

Уиллард Гиббс

“A mathematician may

say anything he

pleases—but a

physicist must be a

least partially sane.”

J.W. Gibbs

Законы природы и жизнь

Жизнь во Вселенной возникает и развивается при определенных

условиях в соответствии с общими законами природы, в частности,

законом временных иерархий, вторым началом термодинамики и

принципом стабильности вещества. Биологическая эволюция

сопровождается изменением химического и супрамолекулярного состава

живых тел, а также состава высших иерархических структур живой

материи. Это хорошо известное изменение, как впервые показал автор,

имеет термодинамическое происхождение.

История

Илья Пригожин создал теорию

диссипативных структур и

развил концепцию Л.

Больцмана о производстве

энтропии живыми системами.

Ячейки Бенара - модель

биологическая эволюция.

Илья Пригожин отрицал

применимость теории Дж.

У. Гиббса для описания

эволюции.

Открытые системы

Возможно, понятный, с

количественной точки зрения, пример

образования ржавчины в повседневной

жизни и в природе убедит многих

исследователей серьезно отнестись к

иерархической термодинамической

теории возникновения и развития

жизни.

Свободная энергия Гиббса (функция

Гиббса) образования при 25О С

(Δ f о) ḠFe2 O3 (тв)

равна - 177, 1 ккал/моль или - 1.11 ккал/г .

Свободная энергия Гиббса (функция

Гиббса) образования при 25О С

(Δ f о) ḠFe3 O4 (тв)

равна - 242, 4 ккал/моль или - 1.05 ккал/г .

Видно, что процессы образования

оксидов железа существенно

самопроизвольны.

Хроматография

Хроматография в колонках Фитиль – «разделительная колонка»

Возникновение жизни

Жизнь возникает в результате плавного перехода

химической эволюции в биологическую

С точки зрения термодинамики все живые

организмы и протекающие в них процессы –

однотипны. Эта однотипность связана со

стремлением удельной функции Гиббса

образования структур к минимуму.

Движущая сила эволюции и старения организмов

(Это происходит в химически активной хроматографической колонке)

В целом супрамолекулярные взаимодействия (как и химические - молекулярные реакции) в живых системах,

разумеется, не являются однотипными. Корреляции между молекулярной и супрамолекулярной стабильностью

подобных систем могут быть только усредненными – интегральными. Общая корреляция – принцип стабильности

вещества. Заметим, что уравнения Гаммета и Тафта (используемые в физической органической химии)

применимы к частным случаям - однотипным реакциям.

N ≡ N

Соотношение энергий (стабильностей)

химических и супрамолекулярных

связей

H – O – O – H

Тв. , 103–105 °C (разл.)

Т пл = 1 °C,

Т кип = 114 °C

Т пл = 144

°С

Т кип = 150,2 °C

Т пл =

63,29 К

Т кип = 77,4

К

Известны эмпирических уравнения. Например, правило Трутона позволяет оценить энтальпию испарения в точке кипения: ΔH кип

= 88 Т кип

Chemical Composition of Embryo

Variation of the

amount of water and fat

in a developing human

embryo (Widdowson E.M. Body

Composition in Animals and Man, 1967).

1 - water in tissue;

2 - fat in tissue.

m (fat) and m (water) - the

amount of fat and water

(weight %); M - mass of

embryo.

Принцип стабильности

вещества

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.

Эволюция

Онтогенез Эволюция человека

Старение

Долгожитель Земли Обезвоживание организма

Иерархическая

термодинамика

Феноменологическая термодинамика, близких к равновесию

квазизакрытых систем, позволяет объяснять и предсказывать

эволюционные превращения в живом мире. С точки зрения

энергоемкости вещества биологических объектов, жизнь, прежде

всего, - борьба за энергоемкое химическое вещество.

Накопление этого вещества в живых организмах в филогенезе и

онтогенезе связано со стремлением удельной функции Гиббса

образования супрамолекулярной структуры живых объектов к

минимуму.

Теория профессора И. Пригожина –

эклектическая теория

Теория оперирует функциями , которые не имеют полного дифференциала

Уместно вспомнить

слова Дмитрия Ивановича

Менделеева о том, что

при познании мира надо

бы избегать “утопий

мечтательности,

желающих постичь все

одним порывом мысли

".

Закон временных иерархий позволил

применять методы иерархической

термодинамики

Закон может быть представлен

в виде:

… << t(m) << t(im) << t(organism)

<< t(pop) << t(eco) …

Этот закон открывает путь

обоснованного применения

термодинамики к эволюции

нашей Вселенной.

Общий “закон временных’ иерархий” –

перекрывающиеся последовательности триад

Николая Николаевича Боголюбова

Простая формулировка

закона

•Закон временных иерархий может быть сформулирован в виде утверждения:

•Any living system of any temporal hierarchical level in a normal state has a thermostat - a

surrounding medium that is characterized by slightly changing average values of

thermodynamic parameter.

•Закон позволил строго обосновать общие положения иерархической термодинамики,

как термодинамики «совокупностей моноиерархических квазизакрытых

квазиравновесных систем». Этот закон - является общим законом природы. Иногда его

называют именем автора настоящего доклада.

Принцип Ле Шателье -

Брауна

Принцип Ле Шателье — Брауна —

если на систему, находящуюся в

состоянии устойчивого равновесия,

воздействовать извне, изменяя какое-

либо из условий равновесия

(температура, давление, концентрация

веществ, внешние физические поля

или силы), то в системе усиливаются

процессы, направленные на

компенсацию внешнего воздействия.

Известно много попыток использовать принцип в

естественных и социальных науках.

,

C O

2

H

2

O,S

H

2

,

,N ,

2

t h e r m o d y n a m i c a l l y s t a b l e p r o d u c t s

-

S p o n t a n e o u s d e g r a d a t i o n

o f m o l e c u l e s

N o o s p h e r e

S e l f - a s s e m b l y o f p o p u l a t i o n s , c o m m u n i t i e s , e t c .

E c o s y s t e m s

S e l f - a s s e m b l y o f s t r u c t u r e o f n o o s p h e r e

P o p u l a t i o n s

S e l f - a s s e m b l y o f o r g a n i s m s

O r g a n i s m s

S e l f - a s s e m b l y o f c e l l s

S e l f - a s s e m b l y :

t h e r m o d y n a m i c s e l f - o r g a n i z i n g

S u p r a m o l e c u l a r s t r u c t u r e s , c e l l s

B i o m o l e c u l e s

S p o n t a n e o u s “ d a r k r e a c t i o n s ”

P r o d u c t s o f t h e p h o t o s y n t h e s i s l i g h t s t a g e

a n d o t h e r n o n - s p o n t a n e o u s p r o c e s s e s

N o n - s p o n t a n e o u s p r o c e s s e s

S p o n t a n e o u s p r o c e s s e s

c h

. . .

КРУГОВОРОТ

Жизнь сложный процесс

С позиции квазиравновесной термодинамики

сложных систем жизнь на Земле можно

определить как последовательную совокупность

материально-энергетических круговоротов

лабильного органического вещества на всех

биологических иерархических уровнях в условиях

планеты. При наличии подобных условий жизнь, в

разнообразных формах ее проявления, возможна

на других небесных телах.

Символическое уравнение для

сложной системы

Упрощение общего

уравнения

При изучении отдельных иерархий, приведенное

уравнение значительно упрощается в связи с пренебрежимо

малыми величинами отдельных его членов. Для каждой

иерархии структур значимыми являются различные силы и

факторы. В каждой иерархии существенны различные

взаимодействия.

Так, если рассматривать иерархии популяций,

значения энтропийной составляющей сводятся

практически к нулю.

Говорить о влиянии энтропийного фактора в этом случае

не имеет смысла. Совокупность действия всех

возможных факторов во всех иерархических структурах

определяет облик и форму живых организмов, их состав

и строение. Действие многочисленных факторов

определяет биологическое разнообразие.

Тропизмы

Взаимодействие рецепторов

Тропизм лейкоцитов Фототропизм

Жизнь представляет собой цепи чередующихся превращений - спонтанных и неспонтанных

процессов. Это утверждение согласуется с определением явления жизни:

“In the compressed general formulation, life can be defined as the phenomenon of existence of the

energy-dependent dynamic hierarchic structures, mandated by thermodynamics”

Тропизмы организмов

Взаимодействие рецепторов

Тропизм молодежи Тропизм насекомых

Когда нужна математика

Для того чтобы убедиться, что явление жизни протекает в соответствии с общими

законами природы, его (явление) необходимо разделять (расчленить) на отдельные

стадии, проявляющиеся на всех иерархических уровнях существования живой материи.

Только в этом случае можно рационально использовать математику, которая любит

простоту и однотипность изучаемых структур и процессов. Описание живых систем и

процессов должно быть представлено в терминах, соответствующих общим законам,

которые сформулированы для адекватных миру простых моделей. Исходя из осознания

реальности, можно полагать, что нелинейные модели и синергетические подходы вряд ли

могут быть полезны для определения явления жизни на физической основе.

Супрамолекулярная термодинамика,

прежде всего, исследует открытые

(квазизакрытые) квазиравновесные

гетерогенные системы с использованием

методов равновесной термодинамики

(термостатики) и квазиравновесной

кинетической термодинамики. Такая

термодинамика может изучать

образование мерцающих

кластеров, ансамблей молекул,

супрамолекулярных агрегатов, органелл,

клеток, биотканей, а также других

биологических структур высших

иерархий, взаимодействующих

посредством

химических веществ (например,

запахов), физических полей и сил.

Супрамолекулярная

термодинамика – ключ к осознанию

явления жизни

В отличие от химической

термодинамики и супрамолекулярн

ой химии,

исследующих взаимодействия

индивидуальных

молекул или частиц

и вычисляющих

термодинамические

параметры, отнесенные к молю

веществ, единая гетерогенная

супрамолекулярная

термодинамика

оперирует усредненными

(удельными) параметрами,

отнесенными к единицам объема

или массы.

Движущая сила эволюции и старения организмов

(Это происходит в химически активной хроматографической колонке)

Осознание теории

Danielli, J. F. and Davson, H. 1935. A

contribution to the theory of permeability

of thin films. J. Cell Comp.

Physiol. 5:495.

After receiving his B.Sc.

degree in chemistry at

University College, London, in

1931, he continued his study

there, earning his Ph.D. in

physical chemistry in 1933 and

his D.Sc. in 1938. In 1942, he

received his third doctoral

degree, this time from

Cambridge University in

biochemistry and physiology.

Член Английского Королевского Общества,

профессор Кеннет Денбиг (F.R.S.) – один из

создателей неравновесной термодинамики и

кинетики открытых систем.

Осознание теории

The Gladyshev's monograph is short in length (100 pages),

which should be the case with any outstanding discovery - in the

reviewer's opinion. This reviewer feels that the book should enjoy a

level of esteem in world scientific opinion equal to that enjoyed by

the work of I. Prigogine, K. Denbigh and others. In summary, the

approach to evolution proposed by Gladyshev is a new,

outstanding and important theoretical model, which should have a

major impact on the way people think about evolution. (However,

the author is astute enough not to treat the origins of humans,

probably due to the many unsuccessful attempts to do so).

Yu. S. Lipatov

Осознание теории

Валерий Петрович Казаков и Юрий Борисович Монаков