Content uploaded by Georgi Gladyshev
Author content
All content in this area was uploaded by Georgi Gladyshev on Feb 25, 2016
Content may be subject to copyright.
Биологическая эволюция. Круговорот вещества и энергии
с позиции иерархической термодинамики
По материалам лекции, прочитанной в Казахском Национальном Техническом Университете им.
К.И.Сатпаева, 4 ноября 2015 г., а также докладов в Российской Академии художеств
Г. П. Гладышев
http :// endeav . net / president . html
http :// www . rah . ru / the _ academy _ today / the _ members _ of _ the _ academie / member . php ? ID =17768
Представлена уточненная схема круговорота вещества и энергии в биологическом мире с
позиции иерархической термодинамики. Схема учитывает несамопроизвольные и
самопроизвольные процессы в биологических структурах всех иерархий. Она принимает
во внимания превращения в квазизакрытых биосистемах, которые (превращения)
учитываются обобщенным уравнением первого и второго начал термодинамики –
иерархически обобщенным уравнением Гиббса. Схема применима для описания
круговорота вещества и энергии на разных этапах биологической эволюции, филогенеза,
онтогенеза и старения живых существ. Заметка рассчитана на подготовленного читателя,
знакомого с общими положениями термодинамической теорией эволюции живых существ.
Ключевые слова: эволюция, термодинамика, круговорот вещества и энергия, принцип
стабильности вещества, самопроизвольные процессы, несамопроизвольные процессы
Biological evolution. Circulation of matter and energy from the viewpoint
of hierarchical thermodynamics
The author presented improved scheme of the cycle of matter and energy in the biological world
with the position of hierarchical thermodynamics. The scheme takes into account non-
spontaneous and spontaneous processes in biological structures of all hierarchies. It takes into
account the different conversions into quasi-closed biological systems, which are investigated the
generalized equation of the first and the second laws of thermodynamics - the hierarchical
generalized Gibbs equation. The scheme is applicable to describe the cycle of matter and energy
at various stages of biological evolution, phylogeny and aging of living beings. The article
designed for the reader who is familiar with the general provisions of the thermodynamic theory
of evolution of living beings.
Цель настоящей заметки представить простую схему круговорота вещества и энергии в
биомире с позиции иерархической термодинамики. Схема учитывает основные положения
термодинамической теории биологической эволюции, филогенеза, онтогенеза,
включающего старение живых организмов. Ранее не все важные утверждения теории
отражались на простых подобных схемах. Эти утверждения представлялись в виде
математических выражений, словесных формулировок и подобных недостаточно
детализированных схем [1 - 6]. Можно полагать, что новая уточненная схема поможет
заинтересованным читателям осознать модель автора с позиции представлений о
«вариации и селекции».
Принцип «вариации и селекции» лежит в основе Дарвинизма [3 - 4]. Этот принцип может
быть расширен и применен к химической эволюции и ко всем иерархическим
преобразованиям, имеющим место в биологической эволюции, включающей
социологическую и все другие составляющие. Фундаментом расширенной теории
Ч.Дарвина и А.Уоллеса является иерархическая термодинамика сложных систем,
опирающаяся на иерархически обобщенное уравнение Гиббса и принцип стабильности
вещества – принцип обратных связей [1, 2, 4]. Автор убежден, что теорию Дарвина –
Уоллеса не следует опровергать, как это делают некоторые исследователи. Эту
величайшую теорию следует уточнять, расширять применительно к биологической
эволюции и другим составляющим эволюции вселенной. Иерархическая термодинамика,
опираясь на общие законы природы, позволяет это делать. Другими словами,
иерархическая термодинамика, шаги за шагом, должна превращать Дарвинизм из «науки в
картинках» в науку, построенную на физической основе. Заметим, что на длительных
этапах эволюции, когда пригодные для жизни условия окружающей среды можно считать
примерно постоянными, должна наблюдаться направленная тенденция изменения
химического, супрамолекулярного состава живых тел, а также, - структур других иерархий
биосферы. Такие изменения, действительно наблюдаются в живой природе.
На рис.1 представлена уточненная схема круговорота вещества и энергии с позиции
иерархической термодинамики в биологическом мире.
Рис.1. Круговорот вещества и энергии в биосфере
Левая вертикальная стрелка показывает увеличение свободной энергии Гиббса
образования сложной системы (или удельной её величины), ∆G*j .
Наличие верхнего индекса * у G подчеркивает, что система является сложной, т.е. в ней и
над ней совершается не только работа расширения. Верхний индекс j обозначает один из
видов иерархии (ch – химической или молекулярной, im – межмолекулярной или
супрамолекулярной, org – организменной, pop – популяционной, …). В этом случае
величина ∆G*j системы (соответствующей иерархии) возрастает вследствие притока
энергии в систему из окружающей среды. Энергия из окружающей среды может
поглощаться различными структурными иерархиями. Эти процессы отражаются
маленькими (красными пунктирными) направленными вверх стрелками (↑) внутри
областей на чертеже, принадлежащих указанному иерархическому уровню. Так, структуры
молекулярной и супрамолекулярной иерархий, прежде всего, поглощают свет солнца. Это
запускает хорошо известные процессы фотосинтеза. Действие гравитации, механических
сил и некоторых электромагнитных воздействий проявляется (в виде тропизмов) на уровне
достаточно крупных структур, например, организмов. Эти и подобные им воздействия
формируют дизайн организмов и других иерархических структур. Пища – источник
внешней энергии поглощается различными иерархическими структурами организмов.
Далее она перерабатывается и используется структурами организма для его
жизнедеятельности, например, роста биотканей или для эпигенетического воздействия
«пищевых молекул» на генетический аппарат организма [4, 7] и т. п.
Сравнительно большие направленные вниз стрелки внутри, выделенных на рисунке
областей, разных иерархий показывают процессы самосборки: биомолекулы →
супрамолекулярные структуры → организмы → популяции → экосистемы и т. д. Эти
процессы являются самопроизвольными и согласно второму началу термодинамики
характеризуются уменьшением величин ∆G*j систем.
Маленькие направленные вверх стрелки (первые слева из двух направленных вверх
стрелок) показывают увеличение со временем величин ∆G*j соответствующей иерархии
системы как результат действия принципа стабильности вещества, который проявляется в
обогащении структур j-той (например, супрамолекулярной) иерархии сравнительно мало-
стабильными структурами (j-1) –той (например, молекулярной) иерархии.
Большая направленная вниз стрелка в правой части рисунка указывает, что процессы
самосборки (термодинамической самоорганизации), а также процессы распада
метаболитов – молекулярных структур, как и структур всех других иерархических
уровней, согласно второму началу характеризуются падением величин ∆G*j системы.
Таким образом, представленная схема круговорота вещества и энергии в биосфере
отражает все известные превращения, учитываемые иерархически обобщенным
уравнением Гиббса, которое позволяет оценивать изменения свободной энергии - функции
Гиббса биосистем, а также величины изменения всех членов этого уравнения в заданные
промежутки времени в течение эволюции, филогенеза и онтогенеза живых объектов [1 -
6]. Иерархически обобщенное уравнение Гиббса представлено в приложении к настоящей
заметке.
В заключение заметим, что явление жизни является сложным полииерархическим
процессом, определение которого зависит от точки зрения, с которой этот процесс
рассматривается. Математика не в состоянии описать этот процесс как «единое целое», то
есть как единую совокупность всех его составляющих, и осознать явление жизни, говоря
словами Дмитрия Менделеева, «единым порывом мысли». Однако все выделяемые
составляющие (стадии) этого процесса поддаются термодинамическому описанию. Такое
описание показывает, что жизнь и ее эволюция протекают в соответствии с общими
известными законами природы. Жизнь является одной из составляющих стадий эволюции
Вселенной.
Литература
1. G. P. Gladyshev. Thermodynamic Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York:
Nova Science Publishers, Inc.- 1997.- 142 P. Russian: Г.П. Гладышев. Термодинамическая теория
эволюции живых существ. М.: Луч, 1996. - 86с.
http://www.statemaster.com/encyclopedia/Thermodynamic-evolution
2. Г. П. Гладышев. Супрамолекулярная термодинамика –
ключ к осознанию явления жизни. Издание второе – М – Ижевск. ISBN: 59397-21982. 2003.
3. Georgi P. Gladyshev (2015). Natural Selection and Thermodynamics of Biological Evolution. Natural
Science, 7, No 5 117-126 Published Online March 2015 Pub. Date: March 9, 2015 DOI:
10.4236/ns.2015.73013 http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.73013
4. Georgi P. Gladyshev (2015). Thermodynamics of Aging and Heredity. Natural Science, 7, No 5 270-
286. Published Online May 2015 http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.75031 http://www.scirp.org/journal/ns
5. G. P. Gladyshev. Thermodynamics of the origin of life, evolution, and aging. Advances in Gerontology,
April 2015, Volume 5, Issue 2, pp 55-58. http://link.springer.com/journal/13329/5/2/page/1
6. Georgi Gladyshev. https://www.researchgate.net/profile/Georgi_Gladyshev
7. Mohammad Tauqeer Alam, Aleksej Zelezniak, Michael Mülleder, Pavel Shliaha, Roland Schwarz,
Floriana Capuano, Jakob Vowinckel, Elahe Radmaneshfar, Antje Krüger, Enrica Calvani, Steve Michel,
Stefan Börno, Stefan Christen, Kiran Raosaheb Patil, Bernd Timmermann, Kathryn S. Lilley, Markus
Ralser. The metabolic background is a global player in Saccharomyces gene expression epistasis. Nature
Microbiology, 2016; 15030 DOI: 10.1038/nmicrobiol.2015.30.
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/02/160211111503.htm
Приложение
Иерархически обобщенное уравнение Гиббса в дифференциальной форме можно представить в
виде:
Это уравнение учитывает все самопроизвольные и несамопроизвольные процессы образования
структур в выделенных системах***.
***where: G-Gibbs free energy; T-temperature; S-entropy; V-volume; p-pressure; X-any generalized
force except pressure; x-any generalized coordinate except volume; µ - chemical (evolutionary) potential;
m – mass of k-substance; work realized by the system is negative. Index i pertains to the specific
evolution, k – to the component i evolution. The upper asterisk (*) is used here to mean that free energies
are being calculated under consideration that the behavior of the system is complex. The presented
equation is a generalized equation since in principle all interactions (inside and outside) of all structures
of every hierarchical level are taken into consideration independently of the scale of these interactions. It
is logical to consider this equation as one with considerably divided parameters, symbolic, or speculative,
that can be efficiently used only in relation to everyone or adjacent hierarchies of structures. In this case,
the Gibbs equation is considerably simplified in connection with negligibly small values of the majority
of its isolated or individual members. Symbolism or speculation consists in the fact that it is difficult to
take into consideration simultaneously all multi-scale effects determining the behavior of complex
heterogeneous poly-hierarchical system at once.
25 февраля 2016