Content uploaded by Georgi Gladyshev
Author content
All content in this area was uploaded by Georgi Gladyshev on Apr 15, 2020
Content may be subject to copyright.
THE PRINCIPLE OF SUBSTANCE STABILITY FOR SYSTEMS OF
CONSTANT CHEMICAL COMPOSITION
Gladyshev G.
Doctor of chemical sciences, professor of physical chemistry
Principal scientist, N. N. Semenov Institute of Chemical Physics Russian
Academy of Sciences; Department of design, Russian Academy of Arts
Moscow
ПРИНЦИП СТАБИЛЬНОСТИ ВЕЩЕСТВА ДЛЯ СИСТЕМ
ПОСТОЯННОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
Гладышев Г.П.
Доктор химических наук, профессор физической химии
Главный научный сотрудник
Институт химической физики им. Н. Н.Семенова
Российская Академия наук;
Отделение дизайна, Российская Академия Художеств
Москва
Abstract
Examples of strict implementation of the principle of substance stability
for molecules of the same chemical composition are presented. The obtained
results confirm the validity of the physical substantiation of the principle and the
reasonableness of its application to the problem of the origin of life and its
evolution.
Аннотация
Представлены примеры строгого выполнения принципа
стабильности вещества для молекул одинакового химического состава.
Полученные результаты подтверждают физическое обоснование принципа
и разумность его применения к проблеме возникновения жизни и ее
эволюции.
Keywords: stability, principle of substance stability, thermodynamics,
hierarchy, hierarchical thermodynamics, biological evolution.
Ключевые слова: стабильность, принцип стабильности вещества,
термодинамика, иерархия, иерархическая термодинамика, биологическая
эволюция
Epigraph
“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
Многие десятилетия в науке существовало ошибочное мнение, что
живые существа, нарушая второе начало термодинамики, обогащаются
энергоемким веществом и удаляются от равновесия с окружающей средой.
Однако обычно не уточнялось, о каком равновесии идет речь. Если
говорить о химическом равновесии то и здесь есть ряд неопределенностей,
связанных с иерархическим строением самого организма и окружающей
среды. Во всяком случае, если иметь в виду только химический состав, то
он зависит от природы образования супрамолекулярных
(межмолекулярных) структур организма. Оказалось, что
супрамолекулярные структуры в организме образуются в соответствии со
вторым началом термодинамики, что и является основной движущей силой
эволюции. В этом случае супрамолекулярной термодинамике выгодно
использовать энергоемкие химические вещества при образовании
межмолекулярных образований. Указанное представление о жизни
требовало формулировки некого постулата или принципа, объясняющего
эволюционную тенденцию развития мира.
Такой постулат был сформулирован автором [1-6] и назван
принципом стабильности вещества или принципом стабильности Г.П.
Гладышева. Первоначальное расширенное определение принципа дано в
приложении 2 в монографии [3]. В основе принципа лежит положение о
том, что любой атом, молекула (или другая иерархическая структура)
имеет вполне ограниченную определенную потенциальную
энергетическую возможность взаимодействовать со структурами своей и
смежных иерархий. Для молекул и их супрамолекулярных структур можно
утверждать, что чем более стабильны молекулы, тем менее стабильны
супрамолекулярные их образования. И наоборот, чем менее стабильны
молекулы, тем более стабильны их супрамолекулярные структуры.
Применительно к проблемам биологической эволюции, для систем
переменного состава принцип был сформулирован следующим образом
[2]: «Природа при формировании или самосборке наиболее близких к
термодинамическому равновесию структур высшего иерархического
уровня (j), например, супрамолекулярного уровня, самопроизвольно в
соответствии со вторым законом спонтанно использует преимущественно
наименее близкие к термодинамическому равновесию структуры
(доступные в данной локальной области системы), принадлежащие к
низшему уровню, т.е. молекулярному уровню (j-1). Эти неустойчивые
структуры внедряются в следующий более высокий уровень, то есть
надмолекулярный уровень (j)».
Применение принципа было продемонстрировано для некоторых
рядов органических гомологических соединений [4], аминокислот,
липидов, белков, а также для нуклеиновых кислот, молекулярный состав
которых меняется незначительно в эволюционных изменениях [7, 8].
Однако, поскольку принцип строго сформулирован для веществ
постоянного химического состава (другими словами,- для идеальных
систем) весьма желательно представить доказательства его строгого
выполнения для соединений постоянного химического состава.
В настоящей работе приводятся примеры справедливости принципа
стабильности вещества применительно к некоторым изомерам
ароматических веществ постоянного химического состава. При этом
обращается внимание, что должна существовать корреляция между
стандартными энергиями Гиббса образования молекул различного
строения, но постоянного химического состава (∆Gf0), и температурами
плавления соответствующих веществ (Tm), характеризующими
сравнительную стабильность твердой (супрамолекулярной) фазы,
образующейся при замерзании (конденсации) этих веществ.
Существование указанной корреляции следует из хорошо известного
уравнения [3, 4]:
∆G im = (∆Him/Tm) . (Tm – T0), (1)
где ∆G im – изменение свободной энергии Гиббса при образовании
межмолекулярной - im (супрамолекулярной) структуры, ∆Him – изменение
энтальпии при кристаллизации (образовании твердой фазы), Tm –
температура плавления, T0 – стандартная температура равная 2980 К.
Заметим, что уравнение (1) является приближенным, оно преобразуется в
более точное выражение при учете изменения теплоемкости систем.
В целом, автор настоящей статьи хотел бы дать убедительное
обоснование принципа стабильности вещества, который с приемлемым
приближением используется для выявления термодинамической
направленности возникновения и эволюции живых существ – объектов
переменного химического состава.
Крезолы (C7H8O, Мол. вес 108,134) являются примерами
«идеальных» молекул, т. е. молекул постоянного химического состава для
демонстрации справедливости принципа стабильности вещества.
Ниже приведены величины характеризующие относительную
стабильность химических структур молекул крезолов (∆Gf0) и их
температуры плавления (Тm) [9].
м - Крезол
∆Gf0 = - 9,69 ккал/моль Тm = 284,70 К
о - Крезол
∆Gf0 = - 8,86 ккал/моль Тm = 303,20 K
п - Крезол
∆Gf0 = - 7,38 ккал/моль Тm = 307, 90 К
При сравнении представленных величин ∆Gf0 и Тm для молекул
крезолов видно, что чем менее отрицательна величина стандартной
свободной энергии Гиббса образования молекулы (т.е., чем менее
стабильна химическая структура молекулы), тем выше температура
плавления вещества, т.е. более стабильна супрамолекулярная структура
(твердая фаза) этого вещества.
Для полной ясности приведем сравнение для двух изомеров Крезола.
Так, сравнивая м - Крезол и п – Крезол, действительно, видно: значение
∆Gf0 = - 7,38 ккал/моль для п – Крезола менее отрицательно по сравнению
с более отрицательным значением ∆Gf0 = - 9,69 ккал/моль для м -
Крезола; при этом, Тm = 307, 90 К для п – Крезола выше, по сравнению с
Тm = 284,70 К для м - Крезола.
Таким образом, принцип стабильности вещества в данном случае
хорошо выполняется. Следует заметить, что могут возникнуть некоторые
неясности при обсуждении рассматриваемого вопроса. Однако все они, как
полагает автор, по-видимому, могут быть прояснены.
Подобные корреляции выявляются для изомеров ксилолов и других
аналогичных случаев [9].
Таким образом, представленные примеры подтверждают
действенность принципа стабильности вещества и разумность его
применения для эволюции биологических иерархических систем, когда их
состав меняется сравнительно медленно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gladyshev Georgi P. (1978). “On the Thermodynamics of Biological
Evolution“, Journal of Theoretical Biology, Vol. 75, Issue 4, Dec 21, pp. 425-
441 (Preprint, Chernogolovka, Institute of Chem. Phys. Academy of Science of
USSR, May, 1977, p. 46).
2. Gladyshev Georgi P. The Principle of Substance Stability Is Applicable to
All Levels of Organization of Living Matter Int. J. Mol. Sci. 2006; 7, 98-110
(PDF format, 130 K) http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf
3. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics 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.
4. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика –
Ключ к осознанию явления жизни. Издание второе – М – Ижевск. ISBN:
59397-21982. 2003.
5. El-Diasty, F. (2011) Origin of Order: Emergence and Evolution of
Biological Organization as a Problem in Thermal Physics. Advances in Life
Sciences, 1, 30-39.http://article.sapub.org/10.5923.j.als.20110101.06.html
6. Spyros G Tzafestas. Energy, Information, Feedback, Adaptation, and Self-
organization: The Fundamental Elements of Life and Society. Springer
International Publishing, Jan 29, 2019 -Technology & Engineering,
https://www.springer.com/gp/book/9783319669984
7. Gladyshev G.P, Thermodynamics of nucleic acids as Source of life,
Norwegian Journal of development of the International Science, №29/2019, Vol.
1, pp. 23-27 ISSN 3453-9875 http://www.njd-iscience.com/njdis/
https://mail.nic.ru/roundcubemail/?
_task=mail&_action=get&_mbox=INBOX&_uid=64746&_part=4&_frame=1&
_extwin=1
8. Gladyshev G. P. Thermodynamics of the origin of life, evolution, and
aging // International Journal of Natural Science and Reviews. 2017. P. 2-7.
http://escipub.com/ijnsr-2018-01-1001/
9. Stull D. R., Westrum E. F. Jr., Sinke, G. C. (1969). The Chemical
Thermodynamics of Organic Compounds, John Wiley and Sons, Inc., New York.
Русский перевод: М., Мир, 1971.
Комментарий к статье THE PRINCIPLE OF SUBSTANCE STABILITY
FOR SYSTEMS OF CONSTANT CHEMICAL COMPOSITION
(“Norwegian Journal of development of the International Science”, № 41,
042020)
Рассматриваемая в статье корреляция между стандартной свободной
энергией Гиббса образования и температурной плавления вещества хорошо
выполняется при сравнении дезоксирибозы и рибозы, которые несколько
отличаются по химическому составу [MetaCyc: 2-deoxy-D-ribose
https://metacyc.org/compound?orgid=META&id=2-DEOXYRIBOSE; D-ribose
https://metacyc.org/compound?orgid=META&id=RIBOSE ]. Этот факт
подтверждает разумность и правомерность сравнения стабильности
веществ близкого химического состава возникающего при эволюционных
изменениях. Заметим, что 2-дезоксирибоза и рибоза (как и многие
метаболиты) имеют различные формы (изомеры) в растворе, но это
заметно не искажает усредненную корреляцию.
Однако в ряде случаев рассматриваемая корреляция в настоящее время не
может быть выявлена в связи с отсутствием надежных данных о
температурах плавления метаболитов. Например, это имеет место при
сравнении цитозина (cytosine) и 5-метилцитозиа (5-methylcytosine). Так, в
справочной литературе температуры плавления 5-метилцитозина
различаются на десятки градусов. [Справочная литература на сайте
MetaCyc Unification Links https :// metacyc . org / compound ?
orgid = META & id = CPD 0-2018]. Это, по-видимому, связано со значительной
нестабильностью 5-метилцитозина, его высокой гигроскопичностью и
другими факторами. Указанные обстоятельства приводят к снижению,
некорректно определяемой температуры плавления вещества.