Abstract
Иерархическая термодинамика, и прежде всего, супрамолекулярная термодинамика, предопределила строение молекул биологических мономеров, природу генетического кода и всех биологических структур в условиях Земли. Универсальный генетический код нашей жизни, был предопределен стремлением удельной функции Гиббса образования супрамолекулярных структур к минимуму. Это утверждение соответствует сравнительно строгому пространственно-геометрическому соответствию структур неорганических веществ (минералов) и органо-неорганических соединений, образующихся в условиях первобытной и современной Земли.
В конце 70-годов прошлого века автор предложил термодинамическую теорию биологической эволюции, старения живых организмов и возникновения жизни [1]. Часто подчеркивалось, что химическая эволюция на Планете плавно переходит в биологическую эволюцию. При этом утверждалось, что удельная функция Гиббса образования супрамолекулярных структур стремиться к минимальному значению. Это демонстрировалось на примерах органических и биологических структур. В то же время автор не обсуждал явление зарождения жизни в рамках конкретного термодинамического механизма (превращения, управляемые термодинамикой). Хотя было очевидно, что квазиравновесная термодинамика квазизакрытых систем управляет процессами возникновения нуклеиновых кислот и их фрагментов, а также – пептидов и других биологических структур.
Цель настоящей краткой заметка – показать, что плавный переход от неживого к живому есть следствие действия иерархической термодинамики, прежде всего, супрамолекулярной термодинамики.
Несколько лет назад я детально познакомился с выдающимися исследованиями С.Н.Голубева [2], который, развивая известные идеи Д. Бернала [3], показал важность пространственного соответствия структур минералов (апатита и др.) и фрагментов нуклеиновых кислот. К сожалению, автор не рассматривал термодинамические аспекты, найденных им закономерностей. Тем не менее, эти физико-биологические исследования, не зависимо от будущих тенденций развития направления, следует считать конкретным крупным достижением науки о жизни.
Опираясь на работы С.Н.Голубева и другие подобные исследования, профессор Э.Я.Костецкий, не упоминая известных геологов – предшествеников, предложил весьма вероятную гипотезу о возможности одновременного возникновения на Земле органических молекул, входящих в состав живых систем [4-6]. Замечу, что такое утверждение хорошо согласуется со сделанными ранее выводами термодинамики квазиравновесных квазизакрытых систем.
Э.Я. Костецкий объясняет возникновение структуры «протоклеток про- и эукариотического типа при участии элементов газовой фазы, апатитовой матрицы и сокристаллизующихся с ней минералов (карбонатапатит, кальцит, слюда)». Особо подчеркивается, что фрагменты «фосфатов апатита остаются в составе синтезирующейся нуклеиновой спирали и определяют ее размер и комплементарностъ только пуриновых и пиримидиновых оснований». Утверждается, что матрица апатита может быть реальной основой для синтеза нуклеиновых кислот, белков и полисахаридов.
Полагаю, что можно, исключая дискуссионные детали гипотезы, согласиться с основными ее положениями. Эта гипотеза, в основном, констатирует важные факты пространственного соответствия структур, участвующих в зарождении и развитии жизни, но не пытается выявить движущую силу процессов.
В 2008 году я обратил внимание профессора Э.Я. Костецкого на желательность объяснения обсуждаемых им закономерностей с позиции термодинамики. К сожалению, ответа не последовало. Полагаю, что это стало, по-видимому, результатом неверия в возможность применения методов классической термодинамики для объяснения эволюционных явлений. Такое отношение к эволюционной термодинамике, возникшее после работ И.Р.Пригожина, еще широко бытует в среде биологов старшего поколения. Оно также поддерживается некоторыми научно-коррумпированными группами исследователей, например, представителями модной «постнеклассической науки». Последнее, по-видимому, приводит к недооценке обстоятельных работ профессора Э.Я.Костецкого. Эти работы могут «раствориться» в многотысячном списке, объединяющем профессиональные и любительские публикации, касающиеся происхождения жизни и ее эволюции.
Физический подход. Супрамолекулярная термодинамика структурных и временных иерархий
Отмечу только отдельные выводы иерархической термодинамики, в частности, супрамолекулярной термодинамики, которую можно назвать «ключом» происхождения жизни, возникшей путем плавного перехода химической эволюции в биологическую [7]. Принимая во внимание плавность перехода от неживого к живому, надо иметь в виду, что само определение понятия «жизнь» требует некой договоренности. В зависимости от точки зрения на явление это понятие может существенно отличаться одно от другого.
Из теории, подтверждаемой многочисленными фактами и экспериментами, следует, что образование структур всех иерархий направляется термодинамическими силами. Переход от одной иерархии к другой управляется «принципом стабильности вещества». При плавном переходе абиогенного вещества к биологическому веществу, точнее к «живой материи», необходимо с позиции экспериментальной термодинамики понять, почему она (термодинамика) требует максимально возможного пространственно-геометрического соответствия эволюционирующих неорганических, органических и смешанных структур. Необходимо показать, что это соответствие должно приводить к достижению функцией Гиббса образования продукта взаимодействия, реагирующих структур, минимального значения. Другими словами нужно показать, что упомянутое матричное взаимодействие приводит к сравнительно термодинамически стабильным супрамолекулярным структурам.
Для доказательства направленного действия термодинамики, на фоне периодического притока энергии в системы, достаточно постулировать:
«Оптимальное пространственное соответствие взаимодействующих молекул или их фрагментов, а также супрамолекулярных структур, характеризуется максимальной термодинамической стабильностью продуктов этих взаимодействий».
«Оптимальное пространственно-геометрическое соответствие реагирующих абиогенных и биологических молекул или их фрагментов характеризуется минимальным значением функции Гиббса образования супрамолекулярных структур – продуктов их взаимодействия и обеспечивает уникальность жизни в условиях нашей Планеты».
Приведу отдельные факты, которые подтверждают физическую разумность высказанного постулата.
Образование жидкокристаллических структур в неживой и живой природе прекрасно интерпретируется термодинамикой. Работ в этой области достаточно много. Общеизвестным фактом является также сравнительно высокая стабильность кристаллов правильной формы, комплементарных структур в химии и биохимии. Достаточно вспомнить, что даже такие простые молекулы, как молекулы уксусной кислоты, в жидкой и газовой фазе существуют в виде термодинамически стабильных диметров. Известно, что чем выше комплементарность исходных химических структур, тем более отрицательна удельная функция Гиббса образования возникающей супрамолекулярной структуры, комплекса, соединения включения и т.п. Все модели типа «ключ к замку» в химии и биологии опираются на классические термодинамические законы [8]. Кроме того, можно вспомнить химический принцип: «подобное растворяется в подобном» и т.п.
Теперь обращу внимание на хорошо известное явление эпитаксии, изучаемое методами классической термодинамики.
Как известно, эпитаксия – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки) [9-11]. Эпитаксия определяется условиями сопряжения кристаллических решеток нарастающего кристалла и подложки, при этом весьма существенно их структурно – геометрическое соответствие. Легче всего сопрягаются вещества, кристаллизующиеся в одинаковых (подобных) или близких структурных типах. Примеров, подтверждающих эти утверждения очень много. Принято считать, что эпитаксия реализуется легко, когда разность параметров обеих решеток не превышает примерно 10% . Установлено, что «эпитаксия протекает таким образом, чтобы суммарная энергия границы, состоящей из участков подложка – кристалл, кристалл – маточная среда и подложка – среда была бы минимальной». Кроме структурно – геометрического соответствия, сопряжение выбранной пары веществ при эпитаксии зависит от температуры проведения процесса, степени переохлаждения (пресыщения) кристаллизующегося вещества в среде, от совершенства подложки, чистоты ее поверхности и других условий кристаллизации. К этим, другим, условиям относятся различные физические факторы, такие как физические поля и воздействия, влияющие на процесс. Экспериментально установлено, что явление эпитаксии в простых случаях легко интерпретируется с позиции равновесной (квазиравновесной) термодинамики. Зная термодинамические параметры стадий эпитаксии, легко в терминах термодинамических функций состояния (например, функций Гиббса или Гельмгольца) делать соответствующие вычисления и предсказания.
Эпитаксия, как и другие, ранее упомянутые в этом разделе, явления, давно используется в разнообразных областях науки, техники, промышленности. С позиции термодинамики эпитаксия, как и многие другие явления, демонстрирует триумф работ Р.Клаузиуса, У.Гиббса, других гениальных творцов термодинамики.
С изложенных позиций можно с большой вероятностью представить, как при периодических изменениях условий на нашей Планете, под влиянием неорганических структур минералов и действием физических полей происходили процессы отбора спиральной структуры основных цепей нуклеиновых кислот, содержащих известные нуклеотиды. Здесь уместно еще раз вспомнить, что наличие именно определенных – конкретных фрагментов молекул нуклеиновых кислот обусловлено пространственными соответствиями структур указанных фрагментов. Этот, на мой взгляд, неоспоримый факт есть следствие термодинамики, которая предопределила уникальность генетического кода на Планете.
Химический состав и структура молекул рибозы и дезоксирибозы (образующихся, по-видимому, из CO2, H2O), пуринов и пиримидинов (синтезируемых из молекул HCN, NH3, CO и других простых соединений, образующихся под воздействием различных источников энергии) подстраивались друг к другу благодаря пространственно-геометрическому соответствию, требуемому термодинамикой сложных систем. Подобные «подстраивания» (или взаимная адаптация) структур имели место при синтезе пептидов, полисахаридов, других биологических молекул и всех супрамолекулярных (надмолекулярных) структур генетического аппарата. В дальнейшем аналогичные явления наблюдалось при эволюции высших супрамолекулярных структур организмов под влиянием изменения условий окружающей среды. Периодические колебания физических параметров окружающей среды, а также термодинамическая направленность процессов, определили конкретный ход химической, химико-биологической и биологической эволюции на Земле.
С позиции термодинамики не исключена возможность воспроизведения простейших живых структур в лабораторных условиях
Таким образом, теоретические положения, выдвинутые Д. Берналом в области наук о жизни, уже в момент их высказывания, имели вероятное термодинамическое обоснование. Развитие этих идей в упомянутых работах С.Н.Голубева, Э.Я.Костецкого и других [12] , несомненно, подтверждают точку зрения о том, что химико-биологической эволюцией, как и всех осознанных стадий развития Вселенной, «правит», в меру ее применимости, могущественная иерархическая термодинамика сложных систем [1].
Автор благодарен своему коллеге Ю.Ф.Зуеву, беседы с которым стимулировали написание этой заметки.
1. Science, Evolution and Reality. Preface to Georgi Gladyshev articles in Knol.
http://knol.google.com/k/georgi-p/science-evolution-and-reality/169m15f5ytneq/12#
2. Голубев С.Н. Минеральные кристаллы внутри организмов и их роль в происхождении жизни / С.Н. Голубев // Журн. общ. биол. 1987. Т. 48. С. 784-806.
3. Bernal J. D., The Origin of Life, Weidenfeld and Nicolson, London, 345, 1967 Джон Бериал, Возникновение жизни, изд–во “Мир“, М., 1969).
4. Костецкий Э.Я. Теория возникновения протоклеток и их структурных компонентов при участии апатитовой матрицы и сокристаллизующихся с ней минералов. Живое и неживое: вещественные и энергетические взаимодействия: материалы Первого Тихоокеанского симпозиума. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2008. – с. 10.
5. Костецкий Э.Я. Как возникла жизнь. Теория возникновения протоклеток и их структурных компонентов. Часть 1 / Э.Я. Костецкий // Вестник ТГЭУ. 2008. №1. С. 79-101.
[pdf 1.04 MB]
6. Костецкий Э.Я. Как возникла жизнь. Теория возникновения протоклеток и их структурных компонентов. Часть 2 / Э.Я. Костецкий // Вестник ТГЭУ. 2008. № 2. С. 86–103.
http://www.lib.atheo–club.ru/index.php?action=show_article&a_id=17&a_p=0 [pdf 1.68 MB]
7. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика – Ключ к осознанию явления жизни. Издание второе – М – Ижевск. ISBN: 59397-21982. 2003.
http://knol.google.com/k/georgi-p/thermodynamic-theory-of-evolution-of/169m15f5ytneq/3#
8. Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия. В 3-х т. М.: Мир, 1984, 1985.Т. 1. 336 с. Т. 2. 493 с. Т. 3, 534 с.
9. Е.И. Гиваргизов. Эпитаксия. Химическая энциклопедия, том 5. Изд-во «Большая Российская энциклопедия», Москва. 1995, стр. 958 (483).
10. Marian A. Herman,Wolfgang Richter,Helmut Sitter. Epitaxy: Physical Principles and Technical Implementation Thermodynamic Aspects, P. 268. http://www.amazon.com/gp/search?index=books&linkCode=qs&keywords=3540678212
11. Chemical thermodynamics overtakes epitaxy. Saturday 27th March 2010.
Schematic of hybrid core-shell growth process
http://www.computescotland.com/chemical-thermodynamics-overtakes-epitaxy-3191.php
12. http://www.o8ode.ru/article/learn/life/waterlife.htm
Приложение
Справедливость термодинамического подхода к проблеме возникновения жизни представлена в публикации:
http://knol.google.com/k/georgi-p/термодинамика-и-возникновение-жизни/169m15f5ytneq/15#
[pdf 1.04 MB]
http://www.lib.atheo–club.ru/index.php?action=show_article&a_id=17&a_p=0 [pdf 1.68 MB]
gladyshevevolution 