Abstract
Life in the Universe emerges and develops under certain conditions in accordance with the general laws of nature, in particular, in accordance with the law of temporal hierarchies, the second law of thermodynamics and the principle of stability of matter. Biological evolution is accompanied by a change in the chemical and supramolecular compositions of living bodies and also is accompanied by a change the compositions in higher hierarchies of living matter. As shown by me in 1977 these well-known changes have the thermodynamic nature (origin). Phenomenological thermodynamics of near-equilibrium quasi-closed systems allows us to explain and predict the evolutionary transformation in the living world. From a viewpoint of power-consuming substance of biological objects the phenomenon of life, first and foremost, is the struggle for power-consuming chemicals. The accumulation of this substance in biological systems is associated with the aspiration of the specific Gibbs function of formation of supramolecular structures of living organisms to a minimum. It is hoped that a careful reading of this Preface (Summary) will contribute to the realization that the development of concepts of classical science opens up new horizons for studying the real world.
Жизнь во Вселенной возникает и развивается при определенных условиях в соответствии с общими законами природы, в частности, законом временных иерархий, вторым началом термодинамики и принципом стабильности вещества. Биологическая эволюция сопровождается изменением химического и супрамолекулярного состава живых тел, а также состава высших иерархических структур живой материи. Это хорошо известное изменение, как показал в 1977 году автор, имеет термодинамическое происхождение. Феноменологическая термодинамика, близких к равновесию квазизакрытых систем, позволяет объяснять и предсказывать эволюционные превращения в живом мире. С точки зрения энергоемкости вещества биологических объектов, жизнь, прежде всего, – борьба за энергоемкое химическое вещество. Накопление этого вещества связано со стремлением удельной функции Гиббса образования супрамолекулярной структуры живых объектов к минимуму. Можно надеется, что внимательное прочтение настоящего Предисловия (Резюме) будет способствовать осознанию того, что развитие представлений классической науки открывает новые горизонты изучения реального мира.
Наука, эволюция и реальность
Предисловие (Резюме) к статьям Георгия Гладышева, опубликованным в Knol и некоторых других источниках
Ключевые слова: наука, эволюция, термодинамика, математика, вселенная, биология, жизнь
Kay words: science, evolution, thermodynamics, mathematics, universe, biology, life
J. Willard Gibbs (1881)
При познании мира надо бы избегать “…утопий мечтательности, желающей постичь все одним порывом мысли…”
Дмитрий Иванович Менделеев
“… The properties of living things are the outcome of their chemical and physical composition and configuration.”
Thomas Hunt Morgan
”… простота – единственная почва, на которой возможно воздвигать здание обобщений”
Анри Пуанкаре
виден смысл какого-нибудь максимума или минимума” Леонард Эйлер
В настоящем Предисловии (Кратком резюме) к “Собранию некоторых статей автора” представлены основные принципы, используемые мной при создании иерархической термодинамической теории, а также при написании статей, размещенных в Knol в 2008 – 2011 годах. Часть работ опубликована в известных рецензируемых журналах; все работы неоднократно прочитаны коллегами – учеными профессионалами. Основной целью недавних уточняющих исследований в Knol является внесение пояснений, исправлений, а также детализация термодинамической теории возникновения жизни, биологической эволюции и старения живых существ. Кроме того, некоторые принципы теории распространены на другие осознанные этапы эволюции всей материи.
На протяжении многих лет автор пытался совершенствовать теорию, которая сама медленно подвергалась эволюционным преобразованиям. Однако все исходные основные положения теории остались неизменными. Полагаю, что приводимые работы могут быть легко поняты коллегами, владеющими основами классической термодинамики, физической химии и биологии в рамках всемирно признанных университетских курсов. Представленные результаты получены на основе развития классической (равновесной) термодинамики, применяемой с обоснованным приближением (квазиприближением) к динамическим, открытым на продолжительных временах, эволюционирующим системам реального мира. Успешное использование квазиприближений при термодинамическом описании биологической эволюции, а также – филогенеза и онтогенеза стало возможным благодаря тому, что явление нашей жизни возможно в сравнительно узком диапазоне колебания физических параметров.
При создании теории автор не использовал представления “термодинамики” далеких от равновесия систем, а также многих эклектических положений “энергодинамики” и моделей “постнекласической науки”. Последнюю (“постнеклассическую науку”) вряд ли можно считать наукой, поскольку в подавляющем большинстве случаев эта сфера деятельности не может опираться на физически обоснованные и осязаемые математические модели. Коллеги, использующие термин “постнеклассическая наука”, не принимают во внимание, проистекающие из веков, представления о науке. В частности, ряд соображений многих, по-видимому, скудно информированных, но часто социально активных коллег, как я полагаю, не согласуются с хорошо известными утверждениями У.Гиббса, Д.Менделеева, Т.Моргана, А.Пуанкаре, Л. Седова, Л.Эйлера, А.Эйнштейна и других классиков. Автор часто упоминал подобные высказывания классиков о науке в качестве эпиграфов к своим работам.
Многие исследователи, развивающие постнеклассическую “науку” пытаются выполнять функции реферативных журналов и рекламировать, неосознаваемые ими, громоздкие математические выражения, где даже иногда существуют проблемы, касающиеся размерностей. По-видимому, упомянутые коллеги не являются выходцами из серьезных теоретических школ и, что очень важно, – не имеют достаточного экспериментального опыта работы в сфере точных (естественных) наук. Желание этих коллег сразу все осознать одним порывом мысли обычно губительно и его не следует относить к сфере науки. Такие попытки сдерживают развитие науки, и, разумеется, не способствуют образованию молодежи. Целые поколения молодых юношей и девушек, прежде всего в нашей стране, вследствие необоснованной пропаганды “достижений” постнеклассической “науки”, надуманных положений “энергодинамики” и им подобных, могут оказаться без серьезного научного будущего.
Если считать, что наука создает и систематизирует объективные знания о действительности, то следует признать, что, прежде всего, ее “языком должна являться математика”.
Наука опирается на модели, которые точны только по определению. Мир образуют разнообразные структурные и временные (temporal) иерархии, взаимодействия в которых и между которыми связаны с различными силами и они (взаимодействия) характеризуются энергиями различных масштабов. Поэтому при попытках общего интегрального описания разнообразных картин мира (систем, образованных разнообразными разнородными – неоднообразными объектами) математика оказывается бессильной. Выявляя общность явлений природы на физической основе, математика – язык науки требует простоты и подобия (однообразия или однотипности изучаемых объектов, процессов и явлений).
Особое значение при изучении эволюции реальных систем имеют представления о функциях состояния, дифференциалы которых, с приемлемым приближением, можно считать полными. Только функции состояния являются единственной количественной физической основой, позволяющей с позиции термодинамики сложных систем, изучать эволюционные превращения в выделенных системах реального мира. Основная задача исследователя, по-видимому, заключается в том, чтобы выявлять (вычленять) в квазиприближении системы и условия, позволяющие применять аппарат полных дифференциалов при изучении конкретных квазизакрытых систем. Умение выделять такие системы из многообразия сложных открытых систем реального мира, как раз и является одной из основных задач научного исследования квазизакрытых квазиравновесных систем, – задачи, имеющей физически обоснованный смысл. Указанное соображение характеризует фундаментальную науку, которая интересуется, прежде всего, общностью, а не частными механизмами явлений. Изучение частных механизмов (кинетики или динамики) процессов обычно относится к области технологии или прикладной науки, либо, – к стандартным методикам “тиражирования” моделей уже описанных подобных (однотипных) процессов. Замечу, что “термодинамические механизмы” многих сложных квазиравновесных явлений (например, термодинамические суммарно – усредненные взаимодействия различных типов иерархических структур) имеют некую общность. В связи с этим их можно, по-видимому, считать областью фундаментальных исследований.
Интересно отметить, что появление современной термодинамической теории биологической эволюции, прежде всего, связано, с осознанием того, что изменение химического состава живых тел и их частей в онтогенезе и филогенезе (эволюции), хорошо известное со времен начала развития современных химии и биологии, имеет термодинамическое происхождение. На это обстоятельство обратил внимание автор в 1976 – 1977 годах, анализируя известные тенденции эволюционных изменений химического (молекулярного) и супрамолекулярного (надмолекулярного) составов организмов и их тканей в процессе онтогенеза, филогенеза и эволюции. Выявленные закономерности легли в основу формулировки термодинамического “принципа стабильности вещества”, распространенного на все иерархии живой материи. Принцип позволил осознать, что с точки зрения энергоемкости живых объектов, жизнь представляет собой борьбу, прежде всего, за энергоемкое химическое вещество. Энергоемкое химическое вещество накапливается в биологических объектах, прежде всего, вследствие стремления удельной функции Гиббса образования супрамолекулярных структур организмов к минимуму. Сделанные заключения стали возможными благодаря установлению закона временных иерархий и введению представлений о квазизакрытых квазиравновесных системах (подсистемах), выделяемых в более масштабных открытых системах реального мира.
Публикуя те или иные заметки и статьи, я всегда руководствовался представлениями о том, что эволюционные изменения в исследуемой системе любой иерархии, в первую очередь, связаны с воздействием притока различных видов энергии и вещества, прежде всего, из среды, которая окружает выделенную квазизакрытую систему. Квазиравновесная термодинамика, направляемая “принципом стабильности вещества”, разделяет (распределяет) синтезированное и распавшееся вещество системы между различными иерархическими структурами и, используя хроматографические и другие разделительные механизмы, стимулирует обмен веществ. Эволюция живых (а также неживых) объектов протекает при участии несамопроизвольных и самопроизвольных процессов. Структурные иерархии постоянно подвергаются изменениям под воздействием нового вещества, физических полей и других факторов окружающей среды. Они (иерархии), вследствие действия термодинамики (феноменологической термодинамики близких к равновесию систем), взаимно адаптируются друг к другу. Таким образом, например, возникают новые виды и экологические системы – живые объекты эволюционируют *.
* В качестве наглядного примера возникновения новых видов является существование различных видов рыб, обитающих на разных глубинах реки Конго.
С позиции самопроизвольных превращений можно дать следующее определение жизни:
Жизнь, как самопроизвольное явление, – совокупность взаимосвязанных иерархических процессов круговорота вещества в биосистемах Земли или других небесных тел, – процессов, стремящихся к максимальному рассеиванию свободной энергии Гиббса. Заметим, что можно давать другие определения жизни, учитывающие те или иные ее особенности.
Описывая биологическую эволюцию уместно находить простые, привычные для нас, примеры – аналоги в неживой природе, которые позволяли бы осмыслить превращения в отдельных иерархиях в сложных иерархических живых системах. Наглядным таким примером является эволюционные преобразование осколков земных пород в гальку – камни округленной формы на берегах морей и океанов. Овальные формы камней связаны с периодическим движением морских волн, возникающих в результате действия окружающей среды – ветра, приливов, изменений температур и других воздействий. Камни, вследствие действия термодинамики сложных систем, как бы адаптируются своей внешней структурой к окружающей среде, подвергающейся периодическим преобразованиям.
Подобным образом, но при наличии обмена веществ, благодаря обратным связям, происходит адаптация (приспособление) структур и состава ДНК белков и других молекулярных компонентов к окружающей их молекулярной среде. Существует также адаптация органоидов к среде клетки, клеток – к среде тканей организма, органов – к окружающей среде организма, организмов – в среде их обитания и т. д. В этих случаях имеет место воздействие на соответствующие структуры различных иерархий потоков вещества и разнообразных физических полей и сил. Структуры каждой иерархи, подобно частицам гальки, как бы медленно “омываются” меняющейся окружающей средой и подвергаются действию тех полей, сил и воздействий, которые в состоянии влиять на преобразование структур этих иерархий. Все эти преобразования описываются в рамках общего уравнения иерархической термодинамики сложных систем.
Отмеченные в данном Предисловии (Резюме) обстоятельства составляют основу термодинамической теории эволюции реального мира. Развитие и использование этих положений, явно или, как бы незримо, отражены при изложении разных разделов теории. Теория, как и другие научные исследования, позволяет шаг за шагом преобразовывать многие разделы науки о жизни из “науки в картинках” в физически обоснованное знание.
Тексты статей и заметок в настоящем собрании работ не перегружены математическими выражениями, упор делается, как полагает автор, на ясные физические соображения и факты. Автору не известны какие-либо биологические явления, которые, хотя бы в принципе, не могли бы быть поняты с позиции его термодинамической теории. Эта теория, на мой взгляд, должна стимулировать развитие многих разделов биологии, медицины и других наук.
В заключение хотелось бы сформулировать некую простую общность.
Известные наблюдения и экспериментальные данные позволяют утверждать следующее: методы равновесной термодинамики сложных систем с хорошим приближением могут быть использованы при описании ряда стадий эволюции материи, в частности, – стадий зарождения и эволюции жизни. Феноменологическая иерархическая термодинамика природных систем близких к равновесию позволяет на физической основе более глубоко осознавать многие эволюционные преобразования в нашем мире.
Georgi Gladyshev’s articles in Knol and Scrib ,
http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/-/3hr52gyju6t3d/0#knols
http://knol.google.com/k/georgi-p/-/169m15f5ytneq/0#
http://www.scribd.com/Gladyshev
Примечание
Четкое разделение термодинамической стабильности молекулярных (химических) и супрамолекулярных структур (как и структур высших иерархий) в живых системах в настоящее время не представляется возможным. В идеализированном случае следовало бы определять усредненную (отнесенную, например, к единице объема) стабильность молекул (химических связей), образующих ткань живого объекта. Аналогично этому, необходимо было бы определять супрамолекулярную (межмолекулярную) стабильность структур с участием молекул и ионов живой ткани, – структур, образующихся при переходе этих молекул и других компонентов живой системы из гипотетического состояния газа (молекул, находящихся в вакууме или инертном газе без существования межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий) в супрамолекулярные живые структуры. Делать это невозможно. Однако есть выход из указанной ситуации. Можно предположить, что существует корреляция между идеальной супрамолекулярной стабильностью структур ткани и изменением относительной супрамолекулярной стабильности этой ткани, которое (изменение) наблюдается при переходе живой биологической структуры при нагревании в денатурированное (расплавленное) состояние в стандартных условиях в водной среде. Оказалось, что такое предположение (основанное на известных количественных данных, например, полученных методом ДСК) оправдано. Сделанное предположение и используемые известные приближения позволили автору выявить термодинамическую направленность эволюции, филогенеза и онтогенеза. Удалось обосновать принцип стабильности вещества, применяемого к молекулярной и супрамолекулярной иерархиям, а также, впоследствии,- к высшим иерархиям живой материи. Замечу, что в ранних работах автор не упоминал все, сделанные им, предположения и приближения. Это, по-видимому, затрудняло восприятие его работ и сделанных выводов. Можно утверждать, что первая публикация «О термодинамике биологической эволюции» была написана в 1976-1977 годах на интуитивной основе с использованием качественных физико-химических закономерностей. Успех применения методов термодинамики в науках о жизни, как я полагаю, связан с моим стремлением согласовывать закономерности, существующие в мире живого, с общими законами природы (законами сохранения и началами термодинамики) и выявлением возможности использования аппарата полных дифференциалов при исследовании квазиравновесных полииерархических динамических систем.
Глубокоуважаемые коллеги,
Хотел бы надеяться, что мне удалось в достаточно сжатой форме изложить основные исходные принципы, используемые термодинамической теорией возникновения жизни, ее эволюции и старения живых существ. Был бы весьма благодарен за любые замечания.
С признательностью,
Георгий Гладышев
gladyshevevolution 