Content uploaded by Georgi Gladyshev
Author content
All content in this area was uploaded by Georgi Gladyshev on Apr 24, 2018
Content may be subject to copyright.
Gladyshev G.P. Hierarchical thermodynamics explains the origin of life and its evolution,
Norwegian Journal of development of the International Science, No 17/2018, pp. 27-
35. ISSN 3453-9875 http://www.njd-iscience.com/archive/
BIOLOGICAL SCIENCES
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА ОБЪЯСНЯЕТ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЮ
Гладышев Г. П.
Доктор химических наук, профессор
Главный научный сотрудник
Институт химической физики им. Н. Н.Семенова
Российская Академия наук,
Отделение дизайна, Российская Академия Художеств,
Москва
HIERARCHICAL THERMODYNAMICS EXPLAINS THE
ORIGIN OF LIFE AND ITS EVOLUTION
Gladyshev G. P.
Doctor of chemical sciences, professor
Principal scientist
N. N. Semenov Institute of Chemical Physics
Russian Academy of Sciences,
Department of Design, Russian Academy of Arts,
Moscow
Аннотация
Существование структурной иерархии в живой природе является
следствием закона временных иерархий, который позволил обосновать
иерархическую динамическую квазиравновесную термодинамику,
созданную на фундаменте расширенной термодинамической теории
Гиббса. Иерархическая термодинамика природных систем опирается на
принцип стабильности вещества, который можно считать движущей силой
эволюции и рассматривать как один из общих законов природы,
объясняющих зарождение жизни и ее эволюцию с позиции термодинамики
и физической химии. Принцип стабильности вещества является основой
расширенного Дарвинизма, который (принцип) отражает
термодинамический механизм взаимодействия и развития иерархических
структур в химическом и биологическом мире.
Abstracts
The existence of a structural hierarchy in living nature is a consequence of
the law of temporal hierarchies, which allowed substantiating the hierarchical
dynamic quasi-equilibrium thermodynamics created on the basis of the extended
Gibbs thermodynamic theory. Hierarchical thermodynamics of natural systems
is based on the principle of substance stability, which can be considered the
driving force of evolution and regarded as one of the general laws of nature that
explain the origin of life and its evolution from the position of thermodynamics
and physical chemistry. The principle of substance stability is the basis of
expanded Darwinism, which reflects the thermodynamic mechanism of
interaction and development of hierarchical structures in the chemical and
biological world.
Ключевые слова: жизнь, возникновение жизни, биологическая
эволюция, Дарвинизм, иерархическая термодинамика, закон временных
иерархий, принцип стабильности вещества, второе начало, свободная
энергия Гиббса, старение .
Key words: life, the emergence of life, biological evolution, Darwinism,
hierarchical thermodynamics, the law of temporal hierarchies, the principle of
substance stability, the second principle, Gibbs free energy, aging.
Epigraphs
“The simplicity - the only ground on which it is possible to erect a
building of generalizations”
Henri Poincare
“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
“One general law, leading to the advancement of all organic beings,
namely, multiply, vary, let the strongest live and the weakest die.”
Charles Darwin
Введение
Иерархическая структура мира известно давно. С точки зрения
явления жизни иерархическое строение живой материи представляет
особый интерес. Установлено, что живые системы можно рассматривать
как нестационарные близкие к равновесию квазизакрытые системы [1-10].
Иерархия живых структур существует в результате действия общего
законам природы - закона временных иерархий. Этот закон утверждает,
что существуют однонаправленные ряды сильных неравенств времен
жизни иерархических структур - видов, идентичных объектов - организмов
и их популяций [1-3, 5, 11-17]. Обратим внимание, что каждый вид
организмов характеризуется своим индивидуальным рядом. В общем
случае закон может быть представлен в виде:
t j << t j+1 . (1)
Здесь t j – среднее время жизни структуры j низшего иерархического
уровня, t j+1 – среднее время жизни структуры (j+1) высшего
иерархического уровня.
Если рассматривать основные иерархические уровни конкретного
вида организмов, то можно написать:
… << t m << t im << t organelle << t cell << t organisms << t pop << t soc << … (2)
Здесь t – среднее время жизни «свободных» молекул метаболитов
(m); «свободных» супрамолекулярных структур (im); органелл (organelle);
клеток (cell); организмов (org); популяций (pop); сообществ (soc ).
Обмен иерархических структур в организмах и высших иерархиях
является следствием существования ряда (1): структуры низших иерархий,
например клетки, живут значительно меньше структур высших иерархий,
например, организмов. Разумеется, что без обмена веществ жизнь не могла
бы существовать.
Ряды (1) и (2) представляет перекрывающеюся последовательность
триад Николая Боголюбова [18]. Это означает, что процессы внутри каждой
иерархии с определенным приближением можно считать независимыми от
процессов, протекающих в других иерархиях. Однако смежные иерархии
все же ощутимо взаимодействуют между собой. Эти взаимодействия
можно рассматривать в терминах «вариации и селекции» дарвинизма.
Другими словами принципы теория Ч. Дарвина и А. Уоллеса могут быть
распространенны на химическую, геологическую и другие составляющие
общей эволюции материи.
Закон временных иерархий является обоснованием иерархической
термодинамики, математический формализм которой всецело подобен
математическому формализму классической термодинамики К.
Каратеодори и других классиков [19].
Одним из важных положений термодинамической теории эволюции
является утверждение о том, что природа ищет максимальную
стабильность на всех иерархических уровнях [20]. Указанный поиск
стабильности эволюционирующих систем согласно второму началу
является самопроизвольным процессом, который протекает на фоне
несамопроизвольных процессов в этих системах, процессов инициируемых
окружающей средой. Химическая эволюция протекает при различных
температура, давлениях и других физических воздействиях в космосе, а
также на небесных телах, где она сопровождается геологической
эволюцией [21]. В результате многочисленных химических превращений
образуются первичные «кирпичики жизни», которые при наличии условий
для возникновения и развития жизни участвуют в появлении организмов.
Химическая эволюция плавно переходит в биологическую эволюцию.
Одним из важных процессов этого перехода является образование
постоянно обновляющихся супрамолекулярных структур, которые в
результате действия принципа стабильности вещества обогащаются
энергоемкими супрамолекулярными структурами. Далее действие
принципа стабильности вещества распространяется на высшие иерархии,
что означает появление высших форм живой материи.
По-видимому, надо сделать пояснение относительно точности
иерархической термодинамической теории, которая построена на
фундаменте точной теории Гиббса. Точность модели иерархической
термодинамики определяется сильными неравенствами (1) и (2). Чем более
сильны эти неравенства, тем ближе модель приближается к точной модели
Гиббса. Однако для точных оценок необходимо было бы знать абсолютные
значения свободной энергии Гиббса образования химических элементов
(простых веществ). В настоящее время нет такой информации. Это
обстоятельство заставляет нас использовать грубое представление о
термодинамической однотипности биогенных элементов [22] для
объяснения и предсказания природных явлений. Используемое
приближение позволяет выявлять направленную тенденцию развития
химической и биологической эволюции.
Автор настоящей работы описывал представленный
термодинамический механизм возникновения жизни, ее эволюции и
старения живых существ в монографиях и многочисленных
рецензируемых журналах в течение десятков лет. Однако мало кто из
исследователей обращал внимание на эти публикации. Причина такой
ситуации, как можно полагать, связана с неумеренной пропагандой модной
теории Ильи Пригожина. Эта теория «далеких от равновесия живых
диссипативных структур» буквально заполонила научные журналы и
системы массовой информации. И. Пригожин утверждал, что
термодинамическая теория Дж. У. Гиббса не может быть применена для
объяснения биологической эволюции и осознания явления жизни. Только в
последние годы исследователи стали обращать внимание на достижения
термодинамической теории возникновения жизни, ее эволюции, созданной
автором настоящей статьи на фундаменте расширенной теории Дж. У.
Гиббса [11-13, 15, 23]. Создается впечатление, что мода меняется в
перспективном направлении. Иерархическая термодинамика, опирающаяся
на принцип стабильности вещества, который постулирован в 1977-1978
годах [1], была подтверждена многими наблюдениями и
экспериментальными данными. Можно полагать, что принцип
стабильности вещества является общим законом природы. Одной из
формулировок принципа является утверждение [2-5, 7, 13, 24-29]:
«During the formation or self-assembly of the most thermodynamically
stable structures at the highest hierarchical level (j), e.g., the supramolecular
level, Nature, in accordance with the second law, spontaneously uses
predominantly the least thermodynamically stable structures available from a
given local part of the biological system, belonging to a lower level, i.e.
molecular level (j-1), and incorporates these unstable structures into next higher
level, i.e. supramolecular level (j) ».
Принцип стабильности вещества первоначально четко был
сформулирован применительно к химическим и супрамолекулярным
взаимодействиям и назван «принципом стабильности химического
вещества». В дальнейшем он был расширен применительно ко всем
иерархиям живой материи. Первая формулировка принципа была основана
на следующем простом положении [2]: каждый атом, молекула или
выделенная супрамолекулярная структура имеют потенциально
ограниченную возможность участвовать во взаимодействиях с другими
атомами, молекулами или супрамолекулярными структурами.
Предполагалось, что если частица i некой иерархии j (или подиерархии j)
истратила много энергии на образование связи с другой частицей этой же
иерархии j, то у этой i частицы остается сравнительно мало энергии для
образования связей с другими частицами своей иерархии или частицами
высшей иерархий (j+1). Например, если молекула (образованная прочными
химическими связями) является сравнительно термодинамически
стабильной, у нее нет возможности образовывать сравнительно
стабильные структуры, возникающие при образовании супрамолекулярных
агрегатов. Подобно этому выделенные супрамолекулярные структуры
низшей иерархии j (состоящие из малого числа молекул) могут
участвовать в образовании супрамолекулярных структур j+1 (состоящих из
большого числа частиц) в соответствии со своими ограниченными
энергетическими возможностями. Сейчас установлено, что принцип
стабильности вещества действует на всех иерархических уровнях и
подуровнях систем всех иерархий живой материи [8, 28]. Как уже
отмечалось, принцип стабильности вещества играет определенную роль на
отдельных этапах химической эволюции. Он является движущей силой
процесса зарождения жизни, биологической эволюции, филогенеза и
онтогенеза.
Ранее автор постулировал [10], что существует дискретная цепочка
прямых и обратных связей между конформационными структурами генов и
дизайном морфологических структур, а также других высших структур
организмов и экологических систем. Этой цепочка проявляется в виде
структурной (конформационной) корреляции между определенными
генами ДНК и дизайном высших иерархических структур [10].
Взаимодействия иерархий происходит в соответствии с принципом
стабильности вещества. Можно полагать, что эти взаимодействия являются
квантовыми взаимодействиями на макроуровне и происходят в виде
импульсов физических полей, которые (импульсы) подобны сигналам,
передающимся по нервным волокнам. Указанная дискретная цепочка
является совокупностью самопроизвольных процессов, которые действуют
на фоне несамопроизвольных процессов, инициируемых окружающей
средой.
Все биохимические циклы в живых системах связаны с действием
принципа стабильности вещества. Важно отметить, что принцип не
противоречит известным механизмам сопряженных эндергоническиих и
экзергонических реакций, широко распространенных в живой природе.
Химическая эволюция плавно переходит в биологическую
эволюцию. Этот переход характеризуется появлением
самовоспроизводящихся супрамолекулярных структур в результате
действия принципа стабильности вещества. Простота этого принципа в
определенной мере обвораживает и ошеломляет. Чтобы понять движущие
силы возникновения жизни, ее эволюции, филогенеза и онтогенеза не
требуется искать некие неизвестные силы и выявлять принципиально
новые принцип физики. Просто достаточно применить простые
представления о термодинамическом взаимодействии иерархических
структур химической и биологической материи. Простота является залогом
успеха. Это утверждение соответствует высказыванию Анри Пуанкаре,
представленному в качестве эпиграфа к настоящей статье.
Принципа стабильности вещества – движущая сила
возникновения жизни и эволюции
Общие объяснения, предсказания и доказательства
Автор данного короткого обзора считает целесообразным в начале
этого общего раздела напомнить читателям о ранее представленных
объяснениях и доказательствах справедливости принципа стабильности
вещества [30].
Прежде всего, следует еще раз отметить, что указанный принцип
является утверждением, которое отражает направленную тенденцию
поиска природой максимальной стабильности всех иерархических систем.
Однако строго оценивать эту стабильность в общем случае невозможно в
связи с отсутствием данных об абсолютных величинах стандартных
значений свободной энергии Гиббса образования химических веществ, а,
следовательно,- данных об абсолютной стабильности эволюционирующих
систем, состав которых постоянно меняется. Тем не менее, применение
принципа для сравнительной оценки близких по составу систем и веществ
позволяет с приемлемой точностью оценивать изменение стабильности
систем и соединений, состав которых меняется незначительно. В этом
случае сравниваемые молекулы или другие иерархические структуры
можно считать однотипными.
Прежде всего, удалось показать, что эволюционные направленные
вариации атомного, химического и супрамолекулярного состава, а также
состава высших иерархий, имеют термодинамическое происхождение [1-
3]. Показано, что тенденция уменьшения количества воды в живых
организмах в онтогенезе, филогенезе, а также в структурах высших
иерархий, прежде всего, связана с действием супрамолекулярной
термодинамики. Теория объяснила причины существенной разницы в
химическом элементном составе между растениями и животными [7, 30].
Обосновано, что при переходе от растений к животным, последние должны
значительно обогащаться азотом и фосфором, а также немного серой. Из
теории следует, что должна наблюдаться тенденция увеличения
концентрации низко стабильных энергоемких химических соединений,
которые имеют связи C - N, O - N, H - N, а также аналогичные химические
связи P и S, в тканях живых организмов во время эволюции. Кроме того,
была предсказана тенденция обогащения живых организмов тяжелыми
элементами и изотопами во время эволюции. Также удалось объяснить
действие принципа стабильности вещества при регенерации АТФ и других
энергоемких химически нестабильные метаболитов, в тканях организмов.
Интересны объяснения и предсказания в сфере социологической
термодинамики. Так, теория обосновала действие многовекового принципа
«разделяй и властвуй» и подтвердила, что история в больших шкалах
времени (на больших временах) предсказуема. С позиции принципа
стабильности вещества Л. Симсом (Libb Thims) были обоснованы
известные наблюдения появления богатых людей преимущественно из
бедных слоев населения [25]. Высказано обоснованное утверждение, что
Дарвин и Ламарк правы оба: теории этих ученых описывают
эволюционные процессы в разных шкалах времени.
Термодинамическая теория предсказала состав ряда диет для
поддержания здорового образа жизни и увеличения общей
продолжительность жизни человека [2, 3, 6, 27]. Это предсказание
подтверждается в опытах на животных и широко используется в
современной диетологии.
Наиболее весомым и физически обоснованным утверждением
теории, по-видимому, является утверждение, что иерархическая
термодинамика является фундаментом расширенного Дарвинизма [30].
Интересным, но пока неподтвержденным предсказанием
иерархической термодинамики является утверждение о том, что «код
жизни», включающий генетический код, является общим в нашей
вселенной. [10, 30]
Теперь остановимся более подробно на новых проанализированных
автором примерах применения принципа стабильности вещества для
объяснения термодинамической направленности некоторых химических и
супрамолекулярных эволюционных превращений в живой природе.
Нуклеиновые кислоты
По-видимому, наглядным примером, подтверждающим
выполнимость принципа стабильности вещества, является сравнение
структуры ДНК и РНК в физиологических условиях [31]. Этот пример был
рассмотрен автором в ряде публикаций [9, 10].
Было отмечено, что дезоксирибоза менее стабильна, нежели рибоза,
а тимин является менее стабильным, чем урацил. Это означает, что цепи
РНК, содержащая фрагменты рибозы и урацила химически более
стабильны, по сравнению с цепями ДНК, которые содержат фрагменты
дезоксирибозы и тимина. Менее стабильные цепи ДНК согласно принципу
стабильности вещества имеют предпочтение к комплементарному
спариванию по сравнению с цепями РНК, которые образуют
супрамолекулярные структуры не только между фрагментами своих цепей,
но и с молекулами окружающей среды. Таким образом, принцип
стабильности вещества способствует существованию ДНК в живых
системах предпочтительно в форме двойных спиралей, а РНК в форме
конформаций с участием одиночных цепей.
ДНК и протамины
Действие принципа стабильности вещества легко наблюдать также
при стабилизации ДНК в сперматозоидах [10] .
Согласно указанному принципу метаболиты со сравнительно
большим содержанием азота во многих случаях имеют низкую
химическую (молекулярную) стабильность, но образуют сравнительно
стабильные супрамолекулярные структуры [32].
Одним из богатых азотом метаболитов является аргинин,
фрагменты которого входят в состав протаминов – белков
сперматозоидов. Это позволяет объяснить высокую стабильность
комплексов богатых аргинином ядерных белков и ДНК в
сперматозоидах. При образовании спермы протамины связываются с
фосфатными фрагментами ДНК, используя богатый аргинином домен в
качестве якоря. Супрамолекулярные структуры протаминов и ДНК
оказываются более стабильными, нежели чем сама супрамолекулярная
структура ДНК. С позиции химии объяснение указного эффекта понятно
с точки зрения существования кислотно-основных взаимодействий
фрагментов протаминов с анкерными фосфатными фрагментами ДНК.
Таким образом, протамины практически защищают и консервируют
ДНК в онтогенезе [10]. Это способствует сохранению ДНК для
дальнейшей эволюции в филогенезе.
Представленное объяснение стабилизации ДНК в сперматозоидах
подтверждает утверждение: «Наличие атомов азота в органических
молекулах удаляет эти молекулы от химической стабильности» [32].
Высказанные соображения подтверждают известное мнение, что
богатые азотом метаболиты, такие как метформин, гуанидин и NAD
должны проявлять заметное антистарительное действие.
ДНК и Гистоны
Принцип стабильности вещества позволяет понять способность
гистонов влиять на конформационные перестройки ДНК – участвовать в
упаковке цепей ДНК и в эпигенетической регуляции процессов
транскрипции, репликации и репарации. Гистоны обогащены
аминокислотными остатками аргинина, лизина и гистидина. Эти
аминокислоты характеризуются положительной величиной энергии Гиббса
их образования в физиологических условиях [31], что указывает на их
химическую термодинамическую нестабильность. Химически
нестабильные структуры способствуют образованию стабильных
супрамолекулярных структур, которые образуются при взаимодействии
молекул гистонов и ДНК Можно полагать, что супрамолекулярная
стабильность этих структур соизмерима с супрамолекулярной
стабильностью самой ДНК. Это позволяет ДНК сравнительно легко
участвовать в процессе считывании информации РНК и синтезе белков. На
рис. 1 представлено схематическое изображение сборки гистонов в
нуклеосому.
Рис.1. Схематическое представление сборки основных гистонов в
нуклеосому [33].
Жирные кислоты
Принцип стабильности вещества соблюдается для жиров, масел и
жирных кислот. Например, существует корреляция (проявляющаяся в
направленной тенденции) между термодинамической химической
стабильностью предельных жирных кислот в физиологических условиях и
стабильностью супрамолекулярной структуры этих кислот при их
затвердевании. Этот факт доказывает сравнение стандартной свободной
энергии Гиббса образования ионизированных кислот, находящихся в
стандартных физиологических условиях, с изменением свободной
энергией Гиббса при затвердевании этих кислот при 25 0С. В Таблице 1
приведены некоторые результаты указанного сравнения.
Таблица 1.
Некоторые жирные кислоты, остатки которых входят в состав
природных жиров. Данные из монографии [2] и Банка данных [31].
Кислота Мол.
вес
Т пл. ,
0С
∆Ḡ25im,
cal/mol
Δf G'° ,
kcal/mol
Лауриновая 200,3 43,2 -503 165,37
Миристиновая 228,4 54,0 -964 209,70
Пальмитиновая 256,4 61,8 -1428 256,10
Стеариновая 284,5 68,8 -1917 298,35
Из Таблицы 1 видно, что уменьшение свободной энергии Гиббса
при затвердевании предельных кислот при 25 0С , ∆Ḡ25im (что соответствует
увеличению стабильности их супрамолекулярной структуры)
пропорционально увеличению свободной энергии Гиббса образования
этих ионизированных кислот в физиологических условиях, ΔfG'° (что
соответствует уменьшению химической стабильности ионизированных
остатков указанных кислот). Таким образом, все происходит в
соответствии с принципом стабильности вещества. Более 20 лет назад
автор и его коллеги продемонстрировали действенность принципа
стабильности вещества на примере н-алканолов и других углеводородов [2,
3, 34]. Сам принцип автору удалось осознать и сформулировать для
химических и супрамолекулярных превращений в конце 70-х годов ХХ
века. Формулировка принципа чрезвычайно проста и ясно обоснована.
Следует заметить, что действие принципа проявляется, несмотря на ряд
сделанных допущений термодинамической модели возникновения жизни,
ее эволюции и старения живых существ. Это позволяет утверждать, что
используемые допущения являются вполне оправданными.
Интересно сопоставление стандартной свободной энергии Гиббса
образования в физиологических условиях стеарата и стеаринада [31]:
Стеарат - C18H35O2 , 283.47 Дальтон, ΔfG'°= 298.35 kcal/mol
Стеаринад - C18H27O2 , 275.41 Дальтон, ΔfG'°= 305.62 kcal/mol
Сопоставление структурных формул рассматриваемых веществ
показывает, что наличие двойных связей в молекуле стеаринада
сопровождается ростом ΔfG'°, что означает снижение химической
стабильности этой молекулярной структуры. С позиции
термодинамической теории этот факт указывает на то, что стеаринад
должен обладать несколько повышенной антистарительной активностью,
по сравнению со стеаратом. Сделанное заключение согласуется с
термодинамическими диетологическими рекомендациями, а также с
рекомендациями практической диетологии [2, 3, 27].
Можно привести еще много примеров подтверждающих теорию.
Например, с позиции супрамолекулярной термодинамики легко понять,
почему trans жиры, образующие высокоплавкие стабильные
супрамолекулярные структуры (по сравнению с cis жирами) оказывают
отрицательное действие на здоровье и увеличивают риск
сердечнососудистых заболеваний и других болезней пожилого возраста.
Сложные природные процессы невозможно понять «одним
порывом мысли»
Все процессы эволюции учитываются расширенным иерархическим
обобщенным уравнением Гиббса, уравнением первого и второго законов
термодинамики [2, 3, 10, 30]:
(3)
Здесь: T – температура; S – энтропия; V- объем; p – давление; X –
любая обобщенная сила, за исключением давления; x - любая обобщенная
координата, за исключением объема; µ - эволюционный (в частном случае,-
химический) потенциал; m – масса k-го вещества; работа, совершенная
системой, отрицательна. Индекс i относится к частной эволюции, а k – к
компоненту i – ой эволюции. Верхний индекс * означает, что
рассматривается поведение сложной термодинамической системы.
Представленное уравнение является обобщающим соотношением,
поскольку, в принципе, учитывает внешние и внутренние взаимодействия
всех структур каждого иерархического уровня объекта, независимо от
масштаба этих взаимодействий. Однако это уравнение целесообразно
считать “символическим”, “умозрительным” (“speculative”) или
“уравнением с существенно разделенными параметрами”, поскольку оно
может быть эффективно использовано только применительно к каждой –
одной или смежным иерархиям структур. Приведенное уравнение
учитывает все виды «внутренних и внешних работ и энергий»,
характеризующих систему. С этой точки зрения оно отражает первое
начало термодинамики, являющимся законом сохранения энергии
применительно к сложной термодинамической системе. Важно сделать еще
одно пояснение относительно нецелесообразности использования
уравнения (3) как единого целого. Дело в том, что невозможно, как
подчеркивал Д.И. Менделеев, понять сложное явление «одним порывом
мысли». Необходимо расчленять сложные системы и процессы на
отдельные составляющие и проводить исследования однотипных объектов
и их преобразования в выделенных объемах пространства, в определенных
шкалах энергии и времени.
Если действие окружающей среды выходит за пределы адаптивного
существования организмов (живых систем), в эволюционной спирали
возникает разрыв. Это может привести к исчезновению жизни. Например,
такое революционное (неэволюционное) явление, по-видимому,
наблюдалось при исчезновении динозавров.
Успешное использование уравнения (3) для исследования различных
процессов в иерархических системах всех уровней подтверждает
удивительную действенную силу термодинамического подхода,
основанного на расширенной термодинамической теории Дж. У. Гиббса [1-
3, 35-36].
Заключение
Иерархическая термодинамика природных систем опирается на
принцип стабильности вещества, который можно рассматривать как один
из общих законов природы, объясняющий зарождение жизни и ее
эволюцию с позиции физики. Принцип стабильности вещества является
принципом, отражающим термодинамический механизм взаимодействия
иерархических структур в химическом и биологическом мире. Принцип
стабильности вещества является движущей силой возникновения жизни и
ее эволюции. Он олицетворяет простоту, без которой невозможно
серьезное обобщение и познание явления жизни. Хотя указанный принцип
применяется к природным процессам с известным приближением, он
позволяет объяснять и предсказывать направленность эволюционных
процессов в живом мире. Иерархическая термодинамика, является
физическим фундаментом расширенного Дарвинизма.
Отсутствие данных об «абсолютной» или «абсолютно-условной»
химической стабильности веществ позволяет нам выявлять только
тенденцию направленности химической и биологической эволюции. В
связи с этим, в настоящее время с позиции «точной термодинамики» мы
можем руководствоваться постулатом: Первичные молекулы жизни
(кирпичики жизни) образуются в областях пространства (в космосе и
на небесных телах), где они оказываются термодинамически
стабильными, т.е. в областях их химической стабильности. Далее эти
молекулы или продукты их превращения в результате внутренних и
внешних воздействий перемещаются в «зоны жизни», где в водных
средах образуются сравнительно стабильные супрамолекулярные
фрагменты ДНК, РНК, а также пептидов (белков) и некоторых других
соединений. Во всяком случае, можно утверждать, что «зоны жизни»
оказываются зонами максимальной супрамолекулярной стабильности
ДНК – носителя жизни. Все эти эволюционные превращения происходят в
соответствии с принципом стабильности вещества. В зонах
супрамолекулярной стабильности накапливаются химически нестабильные
вещества и их фрагменты.
Рис. 2. Первичные молекулы жизни могут возникать в космосе и в
зонах сейсмической, электрической и радиационной активности на
небесных телах
Далее химическая эволюция плавно переходит в биологическую
эволюцию, направляемую принципом стабильности вещества.
Credit: U.S. Geological Survey Department of the Interior/USGS
U.S. Geological Survey/photo by Jane Doe
Рис. 3. Спираль эволюции. Иерархическая термодинамика в меру
своей применимости способствует преобразованию биологии из «науки в
картинках» в точную науку.
Если не будет создана «абсолютная шкала» (или пропорционально-
эквивалентная ей шкала) термодинамической стабильности химических
элементов (простых веществ) мы будем вынуждены руководствоваться
представлениями, хотя и надежной, но существенно приближенной
модели, которая основана на утверждении о том, что основные биогенные
элементы можно считать термодинамически однотипными.
Автору не известны какие-либо факты, которые не могли бы, по
крайней мере, в принципе, поняты и объяснены с позиции иерархической
термодинамической теории происхождения жизни, ее эволюции и старения
живых существ. Можно утверждать, что иерархическая
термодинамическая теория, опирающиеся на принцип стабильности
вещества, согласуется с известным утверждением Альберта Эйнштейна о
том, что «термодинамика в меру ее применимости не может быть
опровергнута».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gladyshev Georgi P., On the Thermodynamics of Biological Evolution,
Journal of Theoretical Biology, Vol. 75, Issue 4, Dec 21, 1978, pp. 425-441
(Preprint, Chernogolovka, Institute of Chem. Phys. Academy of Science of
USSR, May, 1977, p. 46).
2. 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
http://www.statemaster.com/encyclopedia/History-of-thermodynamics
3. Гладышев Г.П., Супрамолекулярная термодинамика – Ключ к
осознанию явления жизни. Что такое жизнь с точки зрения физико-
химика. Издание второе, М – Ижевск, 2003, ISBN: 59397-21982.
4. Gladyshev G.P., Natural Selection and Thermodynamics of Biological
Evolution, Natural Science, 2015, 7, pp. 117-126.
http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.73013
5. Gladyshev Georgi P., Thermodynamics of Aging and Heredity, Natural
Science, 2015, 7, No 5, pp. 270-286.
http://www.scirp.org/Journal/PaperInformation.aspx?PaperID=56613
6. Gladyshev G.P., The Thermodynamic Theory of Evolution and Ageing,
Advances in Gerontology, 2014, 4, 109-118.
http :// dx . doi . org /10.1134/ S 2079057014020064
7. Гладышев Г.П., Иерархическая термодинамика и эволюция
химической и биологической материи. (Gladyshev G.P., Hierarchical
thermodynamics and evolution of chemical and biological matter). The scientific
heritage: Budapest, Hungary. 2016, Vol. 1, № 3 (3), pp. 102-121.
https://www.researchgate.net/publication/309533110_Hierarchical_thermodyna
mics_and_evolution_of_chemical_and_biological_matter
8. Gladyshev G.P., On General Physical Principles of Biological Evolution,
International Journal of Research Studies in Biosciences. 2017, Volume 5, Issue
3, Page No: 5-10. https://www.arcjournals.org/pdfs/ijrsb/v5-i3/2.pdf и
https://www.researchgate.net/publication/314187646_On_General_Physical_Pri
nciples_of_Biological_Evolution
9. Gladyshev G.P., Thermodynamics of the origin of life, evolution, and
aging, International Journal of Natural Science and Reviews. 2017. pp. 2-7.
http://escipub.com/ijnsr-2018-01-1001/
10. Gladyshev G.P., The principle substance stability creates the design of
living beings and systems, Norwegian Journal of development of the
International Science, No 16/2018, Vol. 2, pp. 19-28, ISSN 3453-9875.
http://www.njd-iscience.com/wp-content/uploads/2018/03/NJD_16_2.pdf
11. Encyclopedia Nation Master (USA):
http://www.statemaster.com/encyclopedia/Georgi-Pavlovich-Gladyshev
12. Encyclopedia Nation Master (USA): History of thermodynamics:
http://www.statemaster.com/encyclopedia/History-of-thermodynamics
13. Encyclopedia Nation Master (USA): Thermodynamic evolution
http://www.statemaster.com/encyclopedia/Thermodynamic-evolution
14. Lipatov Yuri S., Book Review “G.P. Gladyshev, Thermodynamic Theory
of the Evolution of Life Forms”, J Biol Phys . 1997 г .; 23 (2), pp. 129-131.
doi: 10.1023 / A: 1004904703383
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3456072/pdf/10867_2004_Arti
cle_129260.pdf
15. Харитонов Ю. Я., Физическая химия, Министерство образования и
науки РФ, Москва, издательская группа "ГЭОТАР - Медиа", 2013 г. Гл. 4.
Универсальные законы. Неравновесная термодинамика. Закон временных
иерархий Гладышева, . 118 http://artlib.osu.ru/web/books/content_all/3042.pdf
16. Encyclopedia – EoHT, Hierarchical thermodynamics:
http://www.eoht.info/page/Hierarchical+thermodynamics
17. Encyclopedia – EoHT, Law of temporal hierarchies:
http://www.eoht.info/page/Law+of+temporal+hierarchies
18. Bogolubov N.N., Selected works. Part 1. Dynamical Theory. - New York:
Gordon and Breach Science Publishers, 1990.
19. Элошвили C.А., О математических основах иерархической
термодинамики. http://ispcjournal.org/journals/2008/2008-1-9.pdf
Международное философско-космологическое общество.
http :// www . bazaluk . com / conference / o - matematiceskih - osnobah - ierarhiceskoy -
termodinamiki . html
20. Gladyshev G.P., Nature Tends to Maximum Stability of Objects in all
Matter Hierarchies. Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR) Vol-3,
Issue-3, 2017, ISSN: 2454-1362.
https://www.researchgate.net/publication/315701799_Nature_Tends_to_Maxim
um_Stability_of_Objects_in_all_Matter_Hierarchies
21. Gladyshev Georgi P., Thermodynamics of biological evolution and aging:
Supramolecular thermodynamics is a key to understanding phenomena of life.
What is life from a physical chemist’s viewpoint, Electron. J. Math. Phys. Sci.,
2002, Sem. 2, pp. 1-15. www.ejmaps.org
22. Gladyshev G.P., On changes in chemical stability of components in
chemical and biological evolution, No 4/2017, p. 66-69, Norwegian Journal of
development of the International Science ISSN 3453-9875
http://www.njd-iscience.com/formatting-requirements/
https://mail.nic.ru/Session/518-LROfMvHDJkNEt577BefK-
aoddquz/MessagePart/INBOX/46720-02-B/NJD_4_1.pdf
23. El-Diasty F., Origin of Order: Emergence and Evolution of Biological
Organization as a Problem in Thermal Physics. Advances in Life Sciences, 2011,
1, pp. 30-39. http://article.sapub.org/10.5923.j.als.20110101.06.html
24. Gladyshev G.P., The principle of substance stability is the driving force of
evolution. http :// escipub . com / Articles / IJNSR / IJNSR -2017-11-1201
http :// escipub . com / ijnsr -2017-11-1201/
https :// www . researchgate . net / publication /321146047_ The _ principle _ of _ substan
ce _ stability _ is _ the _ driving _ force _ of _ evolution
25. Encyclopedia – EoHT, Principle of substance stability.
http://www.eoht.info/page/Principle+of+substance+stability
26. Gladyshev G.P., Thermodynamic Self-Organization as a Mechanism of
Hierarchical Structures Formation of Biological Matter. Progress in Reaction
Kinetics and Mechanism, 2003, 28, pp. 157-188.
http://dx.doi.org/10.3184/007967403103165495
27. Gladyshev G.P., Macrothermodynamics of Biological Evolution: Aging of
Living Beings. International Journal of Modern Physics, 2004, B, 18, pp. 801-
825. http://dx.doi.org/10.1142/S0217979204023970
28. Gladyshev Georgi P., The Principle of Substance Stability Is Applicable to
All Levels of Organization of Living Matter Int. J. Mol. Sci. 2006; 7, pp. 98-
110 (PDF format, 130 K) http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf
29. Gladyshev G.P., Leonhard Euler’s Methods and Ideas Live in the
Thermodynamic Hierarchical Theory of Biological Evolution. International
Journal of Applied Mathematics and Statistics, 2007, 11, pp. 52-68.
30. Gladyshev G. P., Hierarchical Thermodynamics: Foundation of Extended
Darwinism. Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR), 2017, Vol-3,
Issue-2, ISSN: 2454-1362.
https://www.researchgate.net/publication/314082150_Hierarchical_Thermodyna
mics_Foundation_of_Extended_Darwinism
http://imperialjournals.com/index.php/IJIR/article/view/4265/4085
31. MetaCyc: https://metacyc.org/ [ Latendresse13 ] .
32. Gladyshev G.P., Gladysheva E.G., On the chemical composition and
geroprotective properties of food and metabolites. Norwegian Journal of
development of the International Science, No 16/2018, pp. 5-11. ISSN 3453-
9875 http://www.njd-iscience.com/wp-content/uploads/2018/03/NJD_16_1.pdf
33. Wikipedia English, Richard Wheeler (Zephyris).
https :// en . wikipedia . org / wiki / Histone
34. Гладышев Г.П., Китаева Д.Х., О термодинамической направленности
эволюционных процессов, Известия Академии наук, Сер. Биол., 1995, № 6,
С. 645 -649.
35. Gibbs, J.W., The Scientific Papers of J. Willard Gibbs: “On the
Equilibrium of Heterogeneous Substances”, 1876, Vol. 1, Thermodynamics,
Ox Bow Press, Connecticut.
36. Сычев В.В., Сложные термодинамические системы. М.: Изд. дом
МЭИ, 2009.