Модели живой системы

Abstract

Фитиль горящей свечи можно рассматривать как квазизакрытую квазиравновесную динамическую нестационарную систему, состав которой медленно меняется. Эволюция состава и структуры фитиля, как системы, подобна эволюции состава и строения живого организма. Удельная функция Гиббса образования супрамолекулярной структуры фитиля при горении свечи стремиться к минимуму. Образование ржавчины при окислении железа с термодинамической точки зрения также подобно старению моно-иерархических структур организма.

 

 

  “The properties of living things are the outcome of their chemical and physical

composition and configuration.”

Thomas Hunt Morgan

 
 
      

                                                         

 

 Старение организма аналогично старению горящего фитиля

Aging of an organism and a candle wick 
 

Модели 

В своей  знаменитой книге (лекциях) “Химическая  история свечи” Майкл Фарадей  упоминал “о красоте и жизни пламени” [1].

                                                          

 Michael Faraday  

 

В последующие  годы, изучая явление жизни, многие исследователи, следуя Фарадею, стали рассматривать процесс горения свечи как простую стационарную модель процессов сгорания пищи в организме. Подобная аналогия разумна и весьма иллюстративна.

Представляя эту замечательную модель, ученые сопоставляют процессы горения материала свечи (или горючего керосиновой лампы) с процессами метаболизма в живом организме. Горючий материал свечи, испаряясь в зоне фитиля, превращается в продукты сгорания – СО₂ , Н₂O и другие относительно стабильные вещества.

Говоря более  лаконично, здесь речь идет об аналогии между процессом горения неживого вещества и сгоранием пищи в живом организме. Конечно, это замечательная аналогия.

Однако, изучая эволюционное развитие организма с позиции иерархической термодинамики близких к равновесию динамических систем, необходимо изучать нестационарное старение клеток, сосудов, тканей организма, популяций и систем других иерархий, как квазиравновесных квазизакрытых систем, т.е. исследовать эволюцию структуры и состава биообъектов. Такая постановка вопроса позволяет использовать модель старения сорбента (стационарной фазы) равновесной (квазиравновесной)   химически активной хроматографической колонки для изучения эволюционного изменения живой системы. Очевидно, что аналогом такой модели является фитиль свечи (эволюционирующая система), в области пламени которого протекают процессы стационарного (квазистационарного) горения, но структура и состав которого (фитиля) меняется в нестационарном режиме. Другими словами, состав и структура фитиля эволюционирует подобно эволюции живой системы.

В процессе эволюции фитиль обогащается наиболее стабильными (с точки зрения химической и супрамолекулярной структур) нелетучими продуктами горения. Со временем материал фитиля становится хрупким и он (кончик фитиля) ломаясь, может самопроизвольно удаляться из зоны горения.

На месте  сгоревшего фрагмента фитиля появляется новый свежий его участок и  процесс горения и “старения” фитиля в целом продолжается.

Видно, что  эволюция горящего, и периодически обновляющегося в зоне горения, фитиля свечи может быть приближенно  уподоблена онтогенезу и филогенезу живых организмов, как термодинамических  квазизакрытых квазиравновесных систем.

Термодинамическая теория биологической эволюции обосновывает, что она (эволюция) протекает в  соответствии с тенденцией стремления «удельной функции Гиббса образования» квазиравновесных квазизакрытых систем каждого иерархического уровня к минимуму.  (My Thermodynamic Theory of the Evolution of Living Beings argues that evolution of living beings is governed by the tendency for quasi-equilibrium, semi-closed, hierarchical living systems to evolve in the direction that tends to minimize the Gibbs free energy of formation of each structure – http://www.eoht.info/page/Wick+model).

    

Изменение удельной функции Гиббса образования 

супрамолекулярной структуры организма (средняя величина) при старении,

Можно рассмотреть  множество других примеров, которые, подобно горению фитиля свечи, имитируют  эволюцию живой системы. Упомяну еще одну, всем известную, подобную систему – горящую сигарету. В этом случае, как и при изучении горения свечи, нас интересует эволюция состава и структуры части сигареты, которая, сгорая, превращается в пепел (золу). Очевидно, что упомянутый пепел обладает высокой супрамолекулярной (супраатомной) стабильностью структуры. Можно также отметить, что продукты горения сигареты – разнообразные смолы оседают в дыхательной системе человека, нанося ущерб здоровью.

                        

Светящийся  конец сигареты будет сгорать, превращаясь  в пепел

A lit filtered cigarette will burn to ash from one end. 

Наглядным примером старения неорганического  вещества, подобного старению индивидуальных иерархических структур живого организма, является также образование ржавчины на поверхности железа. Здесь существует простая аналогия с горением фитиля свечи.

Ржавчина  образуется в результате реакции  железа и кислорода в присутствии  воды или влажного воздуха. Ржавчина – общий термин для нескольких окислов железа. Образование ржавчины сопровождается  уменьшением свободной  энергии Гиббса процесса. Одними из основных компонентов ржавчины являются окись трехвалентного железа (Fe₂ O₃) и смешанный оксид двух- и трехвалентного железа (Fe₃ O₄).  

Fe₂ O₃ 

Свободная энергия Гиббса (функция Гиббса) образования при 25^О С (ΔḠ_f ^о)  Fe₂ O₃ (тв) равна – 177, 1 ккал/моль  или – 1.11 ккал/г [2, 3].

Свободная энергия Гиббса образования при 25^О С (ΔḠ_f ^о) Fe₃ O₄ (тв) равна – 242, 4 ккал/моль или – 1.05 ккал/г [2, 3]. Видно, что процессы образования оксидов железа, разумеется, самопроизвольны. 

 

 Частички  ржавчины в водопроводной воде 

Таким образом,  старение железа напоминает старение живого организма. Кровеносные сосуды испытывают аналогичные преобразования при старении. Старение полимерных материалов, как хорошо известно, также сопровождается уменьшением «удельной функции Гиббса образования» их структуры.

Конечно, это простые аналогии, характеризующие старение структур отдельных иерархий. Однако, с точки зрения термодинамики, они, несомненно, оправданы. 

Разумеется, представленные простые модели является приближенными и не учитывают возможность обмена веществ живыми системами. Однако они очень  наглядны и весьма корректны с  точки зрения иерархической термодинамики  систем, применяемой к эволюции живых и неживых объектов. Похожие модели применимы ко всем иерархиям живой материи. Во всех подобных случаях изучаемые системы могут рассматриваться как совокупности сложных равновесных (квазиравновесных) реакционных «хроматографических ячеек» (http://en.wikipedia.org/wiki/Chromatography), состав “стационарных” фаз (систем) которых на сравнительно больших временах эволюционирует в весьма близких к равновесию режимах.

В отличие  от хорошо известных моделей, сопоставляющих стационарные процессы горения (окисления) в живых и неживых системах, наши модели относятся к моделированию эволюции  состава и структуры систем различных иерархических уровней! Разумеется, эволюция любой системы представляет собой нестационарный процесс. Такое реальное физико-химическое моделирование с позиции квазиравновесной иерархической термодинамики является обоснованным и новым.

Представленные  модели подтверждают вывод о том, что описание эволюции живых существ (онтогенез, филогенез) можно делать на основе иерархической термодинамики [4], созданной на прочном фундаменте классической науки, произрастающей из глубины веков! 

Приведенные данные, как мне представляется, весьма убедительны. Однако нельзя не задать вопрос: что заставляет многих биологов отрицательно относиться к подобным исследованиям? Ответ на данный вопрос, на мой взгляд, очевиден каждому знакомому с физической химией.  

Литература

1. M. Faraday, “The chemical history of a candle” 1861 / Майкл Фарадей, История свечи М., Изд. “Наука”, 1980. http://en.wikipedia.org/wiki/M._Faraday

2. Rossini F.D. et al. Selected Values of Chemical Thermodynamics Properties, National Bur. Standards Circ. 500 U. S. Government Printing Office, Washington D. S. , 1952.

3. Alberty R.A. (1987). Physical chemistry. 7th Ed. New York, etc.: Wiley, 934 p. (см. также: Даниэльс Ф., Олберти Р., Физическая химия, «Мир», М., 1978).

4. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика – Ключ к осознанию явления жизни. Издание второе – М – Ижевск. ISBN: 59397-21982. 2003.  

5. Georgi P. Gladyshev. Materials for the Symposium “Thermodynamics and Information Theory in Biology” – 1998 AAAS Annual Meeting and Science Innovation Exposition AAAS’s 150-th Anniversary Celebration, 12-17 February – Philadelphia, Pennsylvania, Monday, February 16, 3:00pm-6:00pm, Track: Emerging Science: Transforming the Next Generation http://creatacad.org/?id=39&lng=eng#appendix 1 

Г. П. Гладышев   06. 03. 2011