Abstract
Living systems are not dissipative structures. Living systems are quasi-equilibrium structures. There are numerous simple examples that confirm this assertion on a strict quantitative basis. The equilibrium structure formation (which is a simple analogue of a living system) in an open system is the formation of rust in tap and natural water.
Keywords: life, living system, dissipative structures, equilibrium structure, open system, closed system, rust, tap water, iron, evolution, origin of life, thermodynamics, hierarchical thermodynamics, sediment, geology
Природа
Живые системы – квазиравновесные структуры
Живые системы не являются диссипативными структурами
Живые системы не являются диссипативными структурами. Живые системы – квазиравновесные структуры. Известны многочисленные простые модельные примеры, которые подтверждают эти утверждения на строгой количественной основе. Наглядным примером возникновения равновесных структур в открытой системе (которую в некоторой степени, с позиции старения одной из структурных иерархий, можно считать аналогом живой системы) является образование ржавчины в металлических водопроводных трубах и в природе.
Цель заметки убедить читателя в том, что открытые квазиравновесные природные системы могут быть описаны с помощью методов классической термодинамики.
Живые системы являются открытыми само-воспроизводящимися полииерархическими системами. Это отличает их от модели возникновения ржавчины в различных открытых системах. Образование ржавчины моделирует одну из стадий процесса формирования живых систем, которые на больших временах являются открытыми.
В свое время И. Р. Пригожин пытался объяснить биологическую эволюцию с позиции производства открытыми живыми системами энтропии и абстрактной концепции диссипативных структур, таких как ячейки Бенарда. Многие исследователи и любители науки, очарованные наглядным изображением ячеек Бенарда, поверили в теорию Пригожина. Эта вера до сих пор существует в умах многих исследователей, несмотря на некорректную термодинамическую интерпретацию Пригожиным явления жизни. Так, энтропия Пригожина не имеет полного дифференциала. На мой взгляд, его теория оказалась несостоятельной с различных точек зрения.
Возможно, понятный, с количественной точки зрения, пример образования ржавчины в повседневной жизни и в природе убедит многих исследователей серьезно отнестись к иерархической термодинамической теории возникновения и развития жизни.
В системе «металлическая труба – вода» на границе раздела фаз часто появляется новая фаза – ржавчина. Очевидно, что термодинамическая стабильность ржавчины выше, чем стабильность веществ, из которых она образовалась.
Частички ржавчины в водопроводной воде
Выделенная система «труба – ржавчина», как и любая живая система, является открытой системой в сравнительно большой шкале времени. Однако эта система является квазизакрытой системой на коротких временах. В каждый момент времени можно определять удельную функцию Гиббса образования ржавчины – новой фазы. В случае взаимнопроникающих фаз можно также изучать изменение «спектра» указанной величины в течение эволюции системы. Здесь упомянутая величина характеризуют «спектр термодинамической стабильности» локальных зон эволюционирующей системы, состав которой медленно меняется.
Взаимопроникающие фазы при окислении железа
При исследовании подобных систем, как и в случае живых систем, можно использовать квазиравновесную термодинамику квазизакрытых систем. Думаю, что это должно быть ясно физико – химикам.
Образование ржавчины на поверхности железа является примером старения открытой неорганической системы, напоминающим старение живого организма. Здесь также существует простая аналогия с горением фитиля свечи. Роль фитиля “выполняет” водопроводная труба.
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).
Свободная энергия Гиббса (функция Гиббса) образования при 25О С (ΔḠf о) Fe2 O3 (тв)
равна – 177, 1 ккал/моль или – 1.11 ккал/г .
Свободная энергия Гиббса (функция Гиббса) образования при 25О С (ΔḠf о) Fe3 O4 (тв)
равна – 242, 4 ккал/моль или – 1.05 ккал/г .
Видно, что процессы образования оксидов железа существенно самопроизвольны.
Таким образом, железо «стареет» подобно живому организму. Кровеносные сосуды испытывают аналогичные преобразования при старении. Старение полимерных материалов и природных систем, как хорошо известно, также сопровождается уменьшением «удельной функции Гиббса образования» их структур.Однако надо иметь в виду, что в отличие от живой системы супрамолекулярные и химические связи у ржавчины весьма прочны. Высокая термодинамическая стабильность окислов железа препятствует их распаду и не способствует обмену химического вещества, который характеризует сравнительно нестабильные биологические структуры. Сказанное также относится к факелу свечи, горение которого моделирует отдельную стадию жизненного цикла.
С точки зрения пропаганды Гиббсовских методов применимых к проблеме жизни, представленный
пример, по-видимому, очень важен. Замечу, что подобных примеров очень много. Здесь можно
упомянуть образование накипи и осадков в технических и геологических системах.
Ржавчина в природе
Заключение
Представленный пример образования ржавчины подчеркивает то обстоятельство, что методы равновесной термодинамики с успехом могут быть применимы к открытым системам. В то же время, высокая термодинамическая стабильность окислов железа, как и других подобных веществ в условиях существования жизни, не способствует проявлению обмена веществ в рассматриваемой модельной системе. Без обмена веществ невозможно появление и развитие жизни. Сравнительно низкая «оптимальная термодинамическая стабильность» биологических молекул и супрамолекулярных структур обуславливает их распад и воспроизводство в живых организмах, обитающих в земных условиях.
С отдельными работами автора в области термодинамики жизни можно ознакомиться в известных рецензируемых журналах и на многих сайтах, например:
http://knol.google.com/k/georgi-p/модели-живой-системы/169m15f5ytneq/23
http://knol.google.com/k/georgi-p/thermodynamic-theory-of-evolution-of/169m15f5ytneq/3
http://knol.google.com/k/georgi-p/science-evolution-and-reality/169m15f5ytneq/12
http://knol.google.com/k/georgi-p/термодинамика-и-возникновение-жизни/169m15f5ytneq/15
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
10 апреля 2011 г.
gladyshevevolution 