Abstract
Рассматриваются некоторые возможные термодинамические причины различного содержания органических соединений галогенов в эволюционирующих живых организмах. Высказано соображение, что сравнительно высокое содержание йодорганических соединений в тканях есть следствие термодинамической направленности эволюции. Представленные результаты являются модельным примером применения «принципа стабильности вещества» для объяснения эволюционных изменений в живой природе.
Трийодтиронин – один из гормонов щитовидной железы
Принцип стабильности вещества часто помогает с позиции физической химии понять термодинамические причины изменения состава живых организмов в эволюции, филогенезе и онтогенезе.
Суть принципа состоит в следующем: при образовании (самосборке) термодинамически наиболее стабильных структур высшего иерархического уровня, например, супрамолекулярного ( J ), природой (в соответствии со вторым началом) самопроизвольно преимущественно используются (доступные для данной локальной области биосистемы) наименее термодинамически стабильные структуры низшего иерархического уровня, например, молекулярного ( J -1).
Рассмотрим простой пример, касающейся содержания атомов галогенов в органических молекулах биологических тканей. Допустим, что термодинамическая стабильность галогенсодержащих органических соединений соответствует (пропорциональна) средней энергии связи (термохимической энергией связи, Е 0 ) «углерод – галоген». Данные, характеризующие эти связи, представлены в Таблице 1.
Таблица 1. Средняя энергия связи ( по Мелвин – Хьюзу) http://files.rushim.ru/books/spravochniki/mishenko.pdf
|
Связь |
Соединения |
Е 0 , кДж / моль |
Е 0 , ккал / моль |
|
C – F |
Галогеналкилы и галогенарилы |
486,6 |
116,3 |
|
C – Cl |
То же |
318 , 0 |
76,0 |
|
C – Br |
То же |
264,9 |
6 3 , 3 |
|
С – I (Йод) |
То же |
197,4 |
47,2 |
Из таблицы 1. видно, что в органических соединениях связи «углерод – йод» нестабильны по сравнению с подобными связями в соединениях фтора, хлора и брома. Энергия химических связей, образуемых этими элементами с атомами углерода, существенно выше энергии связи “Углерод – Йод” . Согласно принципу стабильности вещества, биологические ткани в эволюции должны преимущественно накапливать малостабильные химические соединения, которые образуют сравнительно стабильные супрамолекулярные структуры. Эти сравнительно стабильные супрамолекулярные структуры, содержащие сравнительно непрочные химические связи в молекулах, относительно медленно распадаются. В связи с этим их стационарная концентрация в тканях должна быть сравнительно большой. Концентрация подобных органических супрамолекулярных структур, содержащих фтор, хлор и бром из-за их малой сравнительной стабильности должна быть весьма малой. В реальности, супрамолекулярные органические структуры с фтором, хлором и бромом природа использует очень редко. Эти последние элементы должны в высоких концентрациях находиться в виде ионных форм в биологических жидкостях (водных растворах). Однако, бром, практически, не входит ни с состав органических структур, ни в состав водных растворов. К тому же, заметим, что в морской воде этот элемент присутствует в сравнительно малых количествах. Бром как бы «не устраивает» термодинамику в той и другой ситуации, поскольку его соединения занимают «промежуточное положение» в ряду термодинамической стабильности.
Таким образом, йодорганические соединения, по-видимому, вследствие термодинамических причин имеют особенности в обмене веществ и их появление в органических молекулах эволюционирующих объектов иногда считают признаком возникновения жизни. Обмен в мягких тканях организмов ионов фтора, хлора протекает вместе с водой с большими скоростями.
Представленные соображения являются моделью, которая, по-видимому, может быть более хорошо обоснована при детальном анализе. Результаты приведенного сопоставления (как п данные других работ http://creatacad.org/doc/news2-5.pdf ), по мнению автора, помогут химикам и биохимикам обратить внимание на принцип стабильности вещества, который является общим принципом иерархической термодинамики.
В заключение заметим, что термодинамическая направленность любых процессов (включая эволюционные преобразования) может быть однозначно установлена только при оценке изменения функции Гиббса (Гельмгольца) простой или сложной системы, которое при самопроизвольном превращении должно быть отрицательным. По-видимому, наглядным примером выявления строгой направленности образования супрамолекулярных структур в эволюции является пример возникновения водородных и других межмолекулярных связей в живых системах. http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/супрамолекулярные-связи-в-живом-мире/169m15f5ytneq/43
Литература
1. Гладышев G . P . На термодинамики ИЗ биологической эволюции / / Журнал О теоретической биологии .- 1978 .- Vol. 75 .- Выпуск 4 .- декабря 21.-P. 425-441.
2. Гладышев Георгий П. Термодинамика Теория эволюции живых существ .- Commack, Нью-Йорк: Nova Science Publishers, Inc – 1997 .- 142 стр.
3. Гладышев Г. П. Супрамолекулярная термодинамика ключ к пониманию феномена жизни. Что такое жизнь с точки зрения физической аптека .- изд., Регулярная и хаотическая динамика .- М.-Ижевск .- 2003 .- 144 стр. (На русском) .
4. Гладышев Г. П. Принцип Вещество стабильность распространяется на все уровни организации живой материи / / Int. J. Mol. Научно .- 2006 .- 7 .- С. 98-110. http://www.mdpi.org/ ijms/papers/i7030098.pdf Biol. Бюллетень, Vol. 29, № 1, стр. 1-4 http://creatacad.org/doc/news2-5.pdf
5.http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/термодинамика–и–возникновение–жизни/169m15f5ytneq/15
Приложение 1
Несомненно, принцип стабильности вещества (принцип стабильности химического вещества), с тем или иным приближением, применим в химии. В Таблице 2 представлены известные данные для однотипных молекул, галогенов -. простых веществ. Хотя эти данные сопоставляются без учета энтропийных факторов, они характеризуют стабильность молекул галогенов и их супрамолекулярных структур, существующих в конденсированном состоянии. Эти данные, безусловно, не противоречат упомянутому принципу.
Таблица 2. Сравнение свойств молекул галогенов -. простых веществ http://www.chem.msu.su/rus/teaching/zlomanov/2.html
|
Галоген |
Цвет |
Тпл , О С |
Т КИП , О С |
|
|
|
F 2 |
бесцветный |
-219,6 |
-188,1 |
159 |
1510 |
|
Cl 2 |
желто-зеленый |
-101,0 |
-34,1 |
243 |
1150 |
|
Br 2 |
красно-бурый |
-7,2 |
59,2 |
193 |
1011 |
|
I 2 |
фиолет. (пар), |
113,6 |
185,5 |
151 |
866 |
1) Энергия гомолитического разрыва Связь Х-Х .
2) Энергия гетеролитического разрыва Связь Х-Х .
Сделав приведенное заключение, мы допускаем, что знания энергий разрыва химических связей и температур плавления (кипения) веществ (характеризующих прочность супрамолекулярных – межмолекулярных связей между молекулами в конденсированном состоянии) согласуются с «принципом стабильности вещества». Это утверждение может оказаться достаточным для ряда предсказаний. Аналогичные сопоставления (многие из которых хорошо известны) подобных данных для минералов, веществ и материалов должны способствовать выявлению новых термодинамических обобщений.
Приложение 2
Появление в эволюции живого мира малораспространенных в природе органических соединений различных металлов и металлоидов в тканях живых существ, несомненно, было связано с действием принципа стабильности вещества. Принцип определял отбор химически малостабильных органических соединений, содержащих Fe, Zn, Si, Cu, Be, I (Йод), Sn, Mn, Se, As, Cr, Ni, Mo, Co, V и другие элементы. Можно утверждать, что в дальнейшем биологическая эволюция должна обогащать живые организмы новыми сравнительно малостабильными химическими соединениями, в состав которых будут входить сейчас неопределяемые в организмах элементы. Это предсказание, фактически, было сделано автором в 1977 году, когда утверждалось, что изменение химического состава живых тел в эволюции имеет термодинамическое происхождение. (Gladyshev G.P. On the Thermodynamics of Biological Evolution // Journal of Theoretical Biology.- 1978.- Vol. 75.- Issue 4.- Dec 21.-P. 425-441. Preprint. Chernogolovka, Institute of Chemical Physics of Academy of Sciences of the USSR. May, 1977; см. также: Биогенные элементы http://bse.sci-lib.com/article117626.html )
Примечание
Основные недоразумения в понимании эволюции с позиции физики и физической химии, как правило, связаны с неверными представлениями об энтропии. Этот термин ввел Рудольф Клаузиус. Свое «модельное» представление о мире (Вселенной) он представил в виде высказывания: «Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремиться к максимуму». В дальнейшем это высказывание Дж. У. Гиббс выбрал в качестве эпиграфа к работе «О равновесии гетерогенных веществ» Упомянутые ученые сделали приведенное высказывание применительно к своей модели Вселенной. Эта модель соответствует простой изолированной системе идеального газа, т.е. изолированной системе идеального газа, энергия и объем которой постоянны и в которой не совершается никакой работы, кроме работы расширения. Энтропия такой системы может только возрастать! Однако любители науки и дилетанты распространили это утверждение на системы других типов, в которых имеет место взаимодействие между частицами (молекулами или объектами других иерархий) и которые (системы) взаимодействуют с окружающей средой. Подобных ошибок не избежали некоторые ученые, не являющиеся профессионалами в соответствующих областях знания. Это привело к невообразимой путанице и затормозило, более чем на столетие, развитие науки. Появились сотни тысяч публикаций в научных журналах и популярной литературе, содержащие отмеченные недоразумения. К этим недоразумениям прибавились некорректные представления о негоэнтропии и «диссипативных структурах в живом мире».
Возникновение жизни и ее эволюция легко объяснимы с позиции иерархической термодинамики близких к равновесию динамических систем. Эта термодинамика создана на прочном фундаменте классической (равновесной) термодинамики – термодинамики Рудольфа Клаузиуса, Дж. У. Гиббса и других великих творцов.
http://www.membrana.ru/particle/17265 http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/живые-системы/169m15f5ytneq/29
gladyshevevolution 