Abstract
Статья с исправленными опечатками слова «простота» на сайте http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/математическая-физика-и-эволюция-живой/3hr52gyju6t3d/15
Иерархическая термодинамика живых систем создавалась и развивается на основе представлений о единстве природы и простоте. Теория предполагает расчленение сложных живых систем и явлений на простые составляющие. Кроме того, она выявляет общности между этими выделенными составляющими. Другими словами, сначала выявляется простота, а затем из совокупности простоты выявляется общность. Если существует совокупность общностей, она вновь может привести к простоте. Это позволяет расширить возможности математической физики применительно к эволюции. Установлено, что термодинамическая сила – движущая сила возникновения жизни и эволюции живой материи.
Математическая физика и теория эволюции живой материи. История и современность
(Из доклада на конференции по синергетике, Москва. 2005)
Г.П. Гладышев – профессор физической химии, Почетный академик Международной АН ВШ , Российской АН ВШ, Российской Академии художеств
Международная академия творчества, Москва, Россия. Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, 117977 Москва, ул. Косыгина, 4, тел.:7-(495)-685-53-95
А. Пуанкаре
”… простота – единственная почва, на которой
возможно воздвигать здание обобщений.”
Анри Пуанкаре 1
1. Чему нас учит опыт истории науки
Сначала хотелось бы взглянуть на мою термодинамическую теорию происхождения жизни, биологической эволюции и старения живых существ с общих позиций истории философии науки. Высказываемые мысли, несомненно, имеют отношение ко всей науке, а не только к учению, касающемуся живой материи. Однако, сформулированные ниже соображения, в первую очередь, относятся к феномену жизни, который является неотъемлемой составляющей эволюции материального мира. Для ясности, сразу же замечу, что обсуждаемая эволюционная физическая теория создана и развивается, в основном, на основе линейных моделей – краеугольном камне математической физики. Нелинейные модели сложных систем, или синергетики, опирающиеся, прежде всего, на математическое моделирование явлений, в обсуждаемой эволюционной физической теории, практически, не используются. Дело в том, что синергетика, в принципе, не в состоянии глубоко выявить научную сущность каких-либо явлений. Она только находит определенные закономерности, не вникая в физику явлений. После создания основной термодинамической концепции, я обнаружил, что способ построения теории, как впрочем, и других моих научных концепций, соответствовал философским взглядам таких великих творцов, как А.Пуанкаре1, Дж.У.Гиббс2, Н.Н.Боголюбов3, Л.И.Седов4, К.Поппер5, А.А.Логунов6, К.Г.Денбиг7-8, и ряда других. Общие мировоззренческие взгляды этих ученых ранее были известны мне только в общих чертах из источников, доступных в годы моей молодости.
Меня всегда окрыляло общеизвестное высказывание Дж.У.Гиббса: “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.”
Возможно, именно это соображение (которое я часто приводил в качестве эпиграфа к работам в области эволюционной термодинамики) заметным образом повлияло на характер моих поисков в науке. Замечу, что подобные утверждения делали многие знаменитые предшественники Дж.У.Гиббса и другие великие мыслители. Перечислить их имена просто не представляется возможным. В этой заметке я упомянул имена творцов, философские труды и мировоззренческие взгляды которых, по-видимому, существенно повлияли на развитие моей эволюционной термодинамической теории7-16 . Сейчас, как и ранее, я продолжаю уточнять терминологию и совершенствовать теорию, пытаясь добиться понимания ее сущности специалистами различных областей науки.
Веками укоренилось мнение, что всякое весомое обобщение, как правило, предполагает веру в единство и простоту природы. Что касается единства природы, то вряд ли найдутся исследователи, которые, в принципе, не согласились бы с этим утверждением. Относительно простоты, дело обстоит сложнее. В зависимости от точки зрения на исследуемый объект или процесс, явление может казаться либо простым, либо – сложным. За простотой может стоять сложность. Либо, наоборот, за сложностью, при возможном упрощении задачи, можно выявить простоту. История подлинной науки показывает, что простота – единственная почва, на которой возможно воздвигать здание обобщений1 . Хотя это утверждение кажется очевидным, на самом деле, оно требует тщательного рассмотрения. Простота может оказаться только кажущейся. Разумеется, понятия “простота” и “сложность” являются относительными. Этому вопросу посвящены многие мысли А.Пуанкаре о науке1.
2. О целях математической физики
Следуя А.Пуанкаре1, отмечу, что усилия ученых всегда были направлены на то, чтобы разложить наблюдаемые сложные явления на большое число элементарных явлений. Обычно, это осуществляется несколькими способами.
Часто сложное явление в системе целесообразно разложить во времени. Изменение параметров различных элементарных составляющих явления (процесса) может наблюдаться с различными скоростями. Подобный подход используется и в случае системы, изучаемой, в уже выбранной, шкале времени. Здесь также часто можно пренебрегать многими очень быстрыми и очень медленными процессами. Такой подход при изучении выделенной системы, в которой имеют место взаимосвязанные превращения, часто характеризующиеся “близкой или соизмеримой энергетикой”, позволяет получать достоверную информацию. Примером такой системы является химический реактор, в котором протекает сложный химический процесс.
Кроме того, важно выделить область пространства, в которой наблюдается интересующее нас явление. Это относится, как к механическим системам, так и химическим и многим другим объектам. Упомяну пример с диффузией и эффузией. В зависимости от объема исследуемого пространства перемещение молекул (атомов) газа может протекать либо по диффузионному механизму, либо в режиме эффузии.
Далее, чтобы свести сложное явление к простым явлениям, необходимо решить вопрос о том, в какой иерархии структур нас интересуют исследуемые превращения. Другими словами, часто необходимо выделить изучаемую иерархию структур, иерархию энергии или времени. Без такого выделения, обычно невозможно, создавать простые модели явлений. Не случайно, исследователи отдельно изучают ядерные превращения, химические реакции, явления молекулярной конденсации, взаимодействия организмов в популяции и другие.
Изучение системы в целом, сразу с позиций разнообразных “несоизмеримых превращений”, с физической точки зрения, как правило, следует считать “эклектическим”. Такое исследование вряд ли может иметь серьезный физический научный смысл! К сожалению, эклектические подходы в наше время широко (неумеренно) пропагандируются многими “синергетиками” в научной, и даже,- в учебной литературе. Авторы подобных работ на свой лад перефразируют сомнительные чужие соображения и высказывания фантазеров. Некоторые из них даже заявляют, что ”современное естествознание – нелинейное” и что простота была свойственна только классике. Я даже не берусь комментировать эти необдуманные высказывания! На самом деле, современная наука изучает как линейные, так и нелинейные системы, причем линейные подходы, все же существенно, преобладают. Замечу, что упомянутые исследователи сами, как правило, не являются профессиональными учеными и даже мало знакомы с образовательными журналами, издаваемыми в развитых странах. Они, обычно, “говорят о том, что они делали или делают в науке” 4, но не могут сказать, что они лично сделали. Эти фантазеры часто не придают различия между собственно самой математической физикой и математическим моделированием,- хотя и мощным методом познания внешнего мира (а также прогнозирования и управления), но обычно, не позволяющим делать выводы о физической сути явлений. Я намерено не делаю ссылки на многочисленные некачественные учебники и учебные пособия, посвященные современным концепциям естествознания. Авторы этих публикаций хорошо известны научной общественности, однако я полагаю, что они не заслуживают того, чтобы их имена были бы где-нибудь упомянуты.
Таким образом, строя простые физические модели, можно делать обобщения на основе общих подходов. При этом необходимо выделять шкалу времени, область пространства, размер элементарных структур, участвующих в процессах, шкалу энергии и, возможно, шкалы других параметров и характеристик систем. Все это имеет существенный смысл для любых областей знаний. С указанными замечаниями связан ответ на вопрос: почему при физическом подходе к исследованию обобщение, говоря словами А.Пуанкаре1, “так охотно принимает математическую форму?” Причина кроется не только в том, что приходится формулировать числовые законы, но и в том, что исследуемое явление есть результат суперпозиции большого числа элементарных подобных друг другу явлений. В такой ситуации становится разумным появление дифференциальных уравнений.
Далее, еще недостаточно, чтобы элементарное явление подчинялось простым законам. Все сочетающиеся явления, т.е. явления подлежащие суперпозиции, должны подчиняться одному и тому же закону. А.Пуанкаре подчеркивает, что только в этом случае, “математика может принести пользу, потому что она научит нас сочетать подобное с подобным”. Это обстоятельство чрезвычайно важно! К сожалению, как я уже сделал замечание по этому поводу, многие исследователи, занимающиеся проблемами синергетики и “термодинамики” сложных систем, далеких от состояния равновесия, пренебрегают этим соображением.
Очевидно, что появление математической физики было обусловлено “приблизительной однородностью изучаемых объектов”. Как продолжает А.Пуанкаре “это условие не выполняется в биологических науках: здесь мы не имеем ни однородности, ни относительной независимости разнородных частей, ни простоты элементарного явления.”
3. Жизнь и иерархическая термодинамика. Направленность эволюции
Прошло более ста лет, после того как упомянутые соображения А.Пуанкаре были представлены научной общественности1 . Все его основные рассуждения, имеющие многовековые корни, несомненно, остаются в силе.
Однако в области биологии, на мой взгляд, наметился определенный прогресс, который позволяет расширить возможности математической физики, применительно к науке о жизни. Я, прежде всего, имею в виду возможность применения квазиравновесной иерархической термодинамики квазизакрытых гетерогенных систем7-15 для осмысливания жизни, как явления. Хотя замечу, что сформулированные принципы, несомненно, также могут быть использованы при описании эволюции материи в целом!
Успехи в области эволюционной биологии, безусловно, связаны с осознанием необходимости выделения (вычленения), не только давно известных структурных (пространственных) иерархий, но и – временн`ых иерархий в живой природе. Закон временн`ых иерархий (Gladyshev’s law)7-15 позволил выделять в биологических объектах квазизакрытые термодинамические системы и распространить на эволюцию живого вещества модели математической физики, используемые Ж.Л.Лагранжем, Дж.У.Гиббсом и другими классиками науки. Можно заметить, что известные структурные иерархии биомира не всегда совпадают с временны΄ми. Это следует принимать во внимание при создании эволюционных физических моделей.
Иерархическая термодинамика, как я полагаю, является “упорядоченной или организованной” теорией, построенной при использовании физических аналогий, заимствованных из учений о газах и конденсированной материи. Большинство законов физической химии, с некоторыми оговорками, интерполируется на все иерархии живой материи: молекулярную (m), супрамолекулярную (supra) или межмолекулярную (im – intermolecular), клеточную (cell), организменную (organism) иерархии, иерархии популяций (pop), сообществ (com, или soc), экосистем (eco) и т.д.
В качестве элементарных структур в неживых химических системах (газы, конденсированные тела) обычно можно считать атомы, ионы, молекулы или их кинетически независимые фрагменты. Выделение таких фрагментов – элементарных структур может представлять определенные трудности. Однако в живых системах выделение химических элементарных структур, с некоторой точки зрения, упрощается, поскольку в этом случае к таковым целесообразно относить только химические структуры, участвующие в обмене веществ. Омертвевшие структурные части организмов могут не приниматься во внимание. В живых супрамолекулярных системах элементарными структурами следует считать различные супрамолекулярные образования, участвующие в обмене веществ (в обмене этих образований), в – тканях – клетки, либо их обновляющиеся фрагменты, в популяциях – организмы и т.д. Замечу, что выделение разных, как бы независимых иерархий, связано с соизмеримыми временами жизни изучаемых элементарных структур внутри рассматриваемой высшей иерархии, а также с их соизмеримой термодинамической стабильностью. Эволюционная модель предполагает, что внутри каждой структурной или временной иерархии их элементарные структуры, в той или иной мере, взаимодействуют друг с другом. Эти взаимодействия, связанные с разнообразными механизмами, приводят к образованию высших иерархий – конденсированных фаз. Последние (фазы) принадлежат к высшим соответствующим иерархическим уровням. Еще раз подчеркну, что взаимодействие выделяемых элементарных структур внутри каждой высшей иерархии наблюдается в своем энергетическом диапазоне, т.е. в своей шкале энергий. Превращения на каждом иерархическом уровне живой материи, как стало очевидным, могут быть с хорошим приближением описаны в рамках квазиравновесной термодинамики квазизакрытых систем. Точность такого приближения определяется степенью допущения о том, что функции состояния, относящиеся к независимым иерархиям структур, исследуемых эволюционирующих живых систем, в любой момент времени имеют реальный физический смысл. Другими словами, эти функции с достаточным приближением имеют полные дифференциалы!
В последнем абзаце я делал ряд оговорок, касающихся выделения независимых структур различных иерархических уровней. Здесь может показаться, что такое выделение, в некоторой степени, произвольно. Однако это не так! Разделение на иерархии, используемое при создании моделей термодинамики живых систем, строго опирается на закон времен`ых иерархий, который с известным приближением, позволяет выделять, независимые термодинамические системы и изучать их эволюцию в рамках термодинамики (кинетической, или – слабо неравновесной, термодинамики) систем близких к состоянию равновесия.
В связи с использованием термина “кинетическая термодинамика” систем близких к состоянию равновесия, хотелось бы высказать соображение относительно одной из причин, позволяющей понять “легкость поддержания” квазиравновесных состояний в химических и супрамолекулярных подсистемах живых организмов. Так, в достаточно больших областях живого тела (да и во всем организме) возможно быстрое установление электрохимических равновесий за счет компенсационных токов, способствующих поддержанию примерно постоянной разности потенциалов между различными областями тканей7-8. Это явление должно наблюдаться вследствие действия принципа Ле Шателье – Брауна.
В конечном итоге, только наблюдения природных явлений и лабораторный эксперимент могут подтвердить представляемую теорию. Лично я, опираясь на известные многочисленные наблюдения и экспериментальные данные, не нашел ни единого факта, не согласующегося с теорией7-16 .
Если мысленно выделенная нами система (подсистема) состоит из элементарных частиц какого-либо одного иерархического уровня, мы называем её моноиерархической. Например, молекулярная система, состоящая из молекул, является моноиерархической молекулярной системой. Когда речь идет о сложной системе, в которой мысленно совместно рассматриваются несколько иерархий, мы говорим о полииерархической системе. Так, ткань обычно можно считать полииерархической системой, включающей в себя молекулярную, супрамолекулярную и клеточную моноиерархии. В полииерархических системах различные моноиерархические системы, взаимодействуя между собой на термодинамическом уровне, обмениваются информацией (в физическом или физико-химическом смысле этого термина). Эта информация с нижних уровней иерархий передается к высшим уровням и, наоборот,- с высших уровней – к низшим. Однако скорость считывания информации в сторону высших иерархий протекает с несравненно более высокой скоростью, по сравнению со скоростью считывания обратной информации. Кинетическая иерархическая термодинамика, изучающая только линейные системы (системы близкие к состоянию равновесия), позволяет делать количественное сопоставление скоростей передачи прямой и обратной информации7,9. Полученные результаты достоверно объясняют природу обратных связей (принцип обратных связей, или принцип стабильности вещества) между структурами различных иерархий. Из этого следует, что догма Ф.Крика, об одностороннем считывании информации, неверна. Эта догма, в лучшем случае (в сравнительно малой шкале времени),- приближение, которое не в состоянии объяснить физическую природу эволюции и развития организмов. Подчеркну, что упомянутый принцип обратных связей (Gladyshev’s principle)12 имеет термодинамическое происхождение и на количественной основе объясняет причины обогащения живых существ энергоемкими химическими соединениями в процессе старения организмов, также – в ходе биологической эволюции в целом. Принцип применим к взаимосвязям всех иерархий живой материи. Похоже, что он может оказаться полезным и при исследовании природных иерархий неорганической (неживой) материи 11-12.
Подходы иерархической термодинамики дают возможность использовать методы математической физики применительно к живым системам. Они (подходы) согласуется с опытом естествознания и укрепляет веру в единство и относительную простоту природы. Подчеркну, что разделение времен позволяет рассматривать независимо поведение отдельных моноиерархических структур и изучать квазизакрытые системы, функционирующие в квазиравновесных режимах внутри открытой в целом живой системы. Представленная теория “избегает” эклектического перемешивания несовместимых явлений, которые, однако, с некоторых точек зрения, имеют определенную общность. Эта общность проявляется в подобном (аналогичном или однотипном) подходе к независимому изучению временн`ых и пространственных моноиерархий, находящихся внутри полииерархической системы, напоминающей “полииерархическую матрёшку”. Здесь подобие наблюдается не в масштабах времен и энергий взаимодействия, а в однотипном характере подобных друг явлений термодинамической самосборки (термодинамической самоорганизации),- явлений, объединяемых общим иерархическим принципом. Моноиерархии сосуществуют в одних и тех же выделенных областях пространства. Подобие также наблюдается в однотипном принципе разделения времен и шкал энергий. Все времена и энергии в иерархических рядах разделены знаками сильных неравенств: много больше или много меньше (в зависимости от направления рядов).
Таким образом, методы иерархической термодинамики позволяют вычленять простые элементы из сложных систем. Более того, они (методы) выявляют различные общности, относящиеся к этим выделенным элементам. Упомянутые общности, проявляются в общих количественных мерах различных форм движения материи. Эти меры связывают воедино все явления природы.
Красную нить эволюционной термодинамической теории можно представить в виде утверждения: “Простота выявляет общности, которые могут вновь привести к простоте и так далее”.
Иерархическая термодинамика, в принципе, согласуется со многими утверждениями теории Ж.Б.Ламарка и, как я полагаю, примеряет дарвинистов с рядом их противников8.
Теория естественного отбора Ч. Дарвина показала, что, в принципе, можно свести телеологию к причинности, объяснив в чисто физических терминах существование в живом мире определенного плана и цели5. Ч.Дарвин, фактически, подчеркнул, что механизм естественного отбора может в принципе имитировать действие Творца. Другими словами, можно утверждать, что в принципе каждое конкретное телеологическое объяснение можно свести к причинному объяснению или объяснить таковым. Хотя, как указал К.Поппер5, это было великое достижение, следует добавить, что здесь имеется существенное ограничение, выраженное словами в принципе. Далее К.Поппер5 замечает: “Ни Дарвин и ни один дарвинист пока что не дали на деле причинного объяснения эволюции хотя бы одного отдельного организма или отдельного органа”. Однако, подчеркну еще раз, можно считать, что указанный вывод теории Ч.Дарвина очень весом, поскольку его теория показала, что объяснение направленности эволюции может существовать.
Прошло три десятилетия, после того, К.Поппер подробно рассмотрел теорию Ч.Дарвина с позиции обсуждаемой целенаправленности биологической эволюции. Сейчас, как я убежден, появилось однозначное подтверждение причин, приводящих к зарождению жизни и ее эволюции8. Эти причины кроются в термодинамической самопроизвольности эволюционных процессов, направленных в сторону, предписанную им (процессам) вторым началом термодинамики. Иерархическая термодинамика в цифрах позволила количественно оценить тенденции, предписываемые вторым началом7-16. Это дает возможность, не на словах, а на основе наблюдений и экспериментов, утверждать, что жизнь возникает и развивается в соответствии с общими законами природы. Она является неотъемлемой составляющей эволюции материи.
4.Заключение
Основной принцип создания термодинамической теории возникновения жизни, биологической эволюции и старения живых существ основан на философском утверждении: “простота позволяет выявлять общности, которые могут вновь привести к простоте и так далее”.
Много важной дополнительно информации и пояснений представлено на сайтах Knol:
http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/достижения-наук-о-жизни-с-позиции/169m15f5ytneq/39 
http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/термодинамика-и-возникновение-жизни/169m15f5ytneq/15
http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/thermodynamics-optimizes-the-physiology/169m15f5ytneq/44
http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/science-evolution-and-reality/169m15f5ytneq/12
и многих других (Georgi P , Georgi Gladyshev).
Автор благодарен академикам, профессорам А.А.Логунову и В.П.Казакову за советы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пуанкаре А. О науке. Перевод с французского, под редакцией Л.С.Понтрягина. – М.: Наука, 1983. – C. 91-102.
2. Gibbs J.W. The Collected Works of J. Willard Gibbs Thermodynamics. – New York: Longmans, Green and Co., 1928. – Vol. 1, P. 55-349.
3. Bogolubov N.N. Selected works. Part 1, Dynamical Theory. – New York: Gordon and Breach Science Publishers, 1990.
4. Sedov L.I. The Thoughts on Science and on Scientists. – Moscow: Nauka, Russian Academy of Sciences, V.A. Steklov Mathematical Institute, 1980.- 440 p.
5. Popper K. R. Objective knowledge. An evolutionary approach. – Oxford: Clarendon Press, , 1979.- Русский пер. под редакцией В.Н.Садовского: Поппер К.Р. Объективное знание. Эволюционный подход. – М.: УРСС, 2002. – С. 255-261.
6. Логунов А.А.Было ли у Вселенной начало. // Сумма технологий. – 2000. – №3. – 16-17с.
7. Gladyshev G.P. Macrothermodynamics of Biological Evolution: Aging of Living Beings. // International Journal of Modern Physics B. – 2004 – Vol. 18, No. 6. – P . 801-825.
8. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика – ключ к осознанию явления жизни. Что такое жизнь с точки зрения физикохимика. Издание второе. – Москва – Ижевск: Институт компьютерных исследований. «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. – 144 с. Gladyshev G. P. Supramolecular thermodynamics is a key to understanding phenomenon of life. What is Life from a Physical Chemist’s Viewpoint Second Ed. – Moscow-Izhevsk: “Regular and Chaotic Dynamics”, 2003. – 144 p.
9. Гладышев Г.П. Макротермодинамика биологической эволюции и старения живых существ. Физико-химическая диетология. // Известия МАН ВШ. – 2003. – № 4 (26). - С. 19-46.
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. – V. 28. – C. 157-188.
11. Гладышев Г.П. О принципе стабильности вещества и обратных термодинамических связях в иерархических системах биомира. // Известия РАН, Сер. Биологическая. – 2002.- № 1. – С. 5-9.
10. Гладышев Г.П. Термодинамическая теория эволюции живых существ. – Москва: Луч, 1996. – 86с.
13. Гладышев Г.П. Второе начало термодинамики и эволюция живых систем. В сборнике “Прикладная синергетика – II ”. Труды международной научно-технической конференции. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. – Том 1.
14. Гладышев Г.П. Геронтология и физико-химическая диетология. // Успехи геронтологии. – 2004. – Выпуск 13. – С. 70-80.
15. Гладышев Г.П. Жизнь – неотъемлемая составляющая эволюции материи. // Успехи геронтологии. – 2005. – Выпуск 15 (в печати).
16. Гладышев Г.П. Термодинамика круговорота биологической материи. // Известия МАН ВШ. – 2005. -…(в печати, Монголия).
gladyshevevolution 