ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ЭВОЛЮЦИЯ ХИМИЧЕСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ МАТЕРИИ Текст научной статьи по специальности «Математика»

CHEMICAL SCIENCES

Гладышев Г.П.

Международная академия творчества; Российская академия наук, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова,

Главный научный сотрудник

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ЭВОЛЮЦИЯ ХИМИЧЕСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ МАТЕРИИ

HIERARCHICAL THERMODYNAMICS AND EVOLUTION OF CHEMICAL AND BIOLOGICAL MATTER

GLADYSHEV G.P., INTERNATIONAL ACADEMY OF CREATIVE ENDEAVORS; N.N. SEMENOV INSTITUTE OF CHEMICAL PHYSICS, RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES

АННОТАЦИЯ

Обзорная статья, посвященная термодинамике возникновения жизни и ее эволюции. В статье представлены отдельные материалы, опубликованные в последние годы. Представлены также новые пояснения к ранее высказанным положениям. Статья рассчитана на читателей, желающих более глубоко ознакомиться с некоторыми достижениями эволюционной иерархической термодинамики, созданию которой автор посвятил многие десятки публикаций в различных рецензируемых журналах и несколько монографий, начиная с 1977 года. Для лучшего понимания области исследования статья снабжена приложениями.

ABSTRACT

The review devoted to the hierarchical thermodynamics of the origin of life and its evolution is presented. This article presents some results published in recent years. In the paper is presented some explanations to previously formulated provisions. The article is intended for the readers who want a more deeply look at the achievements of the evolutionary hierarchical thermodynamics, the creation of which the author has devoted dozens of articles in various peer-reviewed journals and several books, since 1977. For a better understanding of the theory of the article is provided with applications

Ключевые слова: термодинамика, эволюция, возникновение жизни, жизнь, биология, Дарвинизм, вселенная

Keywords: thermodynamics, evolution, origin of life, life, biology, Darwinism, universe

Epigraphs

The author systematically remembered the statements of famous scientists during the creation of theory:

"The simplicity - the only ground on which it is possible to erect a building of generalizations"

Henri Poincare

"... The true and only goal of science is to reveal unity rather than mechanism."

Henri Poincare

"If you can't make a physical model of it, you don't understand it well enough."

James Maxwell

"One of the principal objects of theoretical research in any department of knowledge is to find the point of view from which the subject appears in its greatest simplicity."

J. Willard Gibbs

"A mathematician may say anything he pleases — but a physicist must be a least partially sane."

J. Willard Gibbs

"The properties of living things are the outcome of their chemical and physical composition and configuration."

Thomas Hunt Morgan

Весьма пагубными для науки являются "утопии мечтательности, желающих постичь все одним порывом мысли «.

Дмитрий Менделеев

«Термодинамика является единственной универсальной физической теорией, которая никогда не будет опровергнута в рамках применимости ее основных понятий».

Альберт Эйнштейн

"В мире не происходит ничего, в чем не был бы виден смысл какого-нибудь максимума или минимума".

Леонард Эйлер

"Hierarchical thermodynamics in accordance with the laws of nature creates and optimizes forms and functions of living systems in their habitat. This optimization is connected with the search for minimums of specific Gibbs free energy formation of dynamic structures of all hierarchies."

Author

1. Введение

Многие понятия и определения в науке со временем претерпевают заметные изменения. Если говорить о естественных науках, то современные физически обоснованные представления, например, об эволюции, термодинамике и жизни значительно расширились. В то же самое время мода в науке весьма устойчива. Это связано с тем обстоятельством, что наука стала массовым явлением и в этой сфере трудится большое количество непрофессионалов и любителей, которые не являются творцами принципиально нового, а занимаются изучением частных задач. Эта многочисленная категория исследователей часто опирается на концепции прошлых десятилетий, которые должны представлять только некоторый исторический интерес. Так, рассмотрение проблем возникновения жизни и биологической эволюции с позиции прошлых высказываний Л. Больцмана, Э. Шредин-гера о негэнтропии, а также представлений о производстве энтропии в природных системах и живых диссипативных

структурах И.Пригожина, по мнению автора, не могут быть эффективными. Такие подходы являются эклектическими и с позиции математики не могут быть обоснованы. Математика любит описывать однотипные объекты и явления. Это, разумеется, хорошо понимали классики. По-видимому, наиболее бескомпромиссно об этом писал Анри Пуанкаре. По поводу подобных подходов в науке напоминал Дмитрий Менделеев, который отмечал, что невозможно сложные явления постигать «одним порывом мысли». Дж. Уиллард Гиббс, создавая самую точную физическую теорию, стремился к максимально возможной простоте. Современная иерархическая термодинамика, основанная на теории Гиббса, как раз и ориентируется на представленные соображения классиков. Прошло около 40 лет после появления первой основополагающей публикации в этой области, а в последние десятилетия теория многократно продемонстрировала предсказательную силу. Однако многие исследователи - теоретики, рассматривающие проблемы возникновения жизни и ее эволюции, продолжают публиковать сложные математические формулы и пытаются придавать им явно несуществующий физический смысл. В связи с этим можно вспомнить высказывание Дж. Уиллард Гиббса о том, что «математик может позволить себе все, что он думает, однако физик должен помнить о физической сути явления».

Эволюция Общее представление об эволюции в наше время, прежде всего, связано с эволюцией Вселенной, которая представляет собой совокупность изменений различных ее частей и объектов, подвергающихся преобразованиям, обусловленных самопроизвольными (спонтанными) и несамопроизвольными (неспонтанными) процессами. Общую эволюцию Вселенной можно представить в виде последовательных стадий (этапов), таких как эволюция элементарных частиц, эволюция атомов, химическая эволюция в космосе и на небесных телах, геологическая эволюция (эволюция земли, планет, спутников и подобных небесных тел), биологическая эволюция, эволюция разума и сознания и т.п. Считают, что все эти стадии развития и преобразования структурных иерархий во Вселенной, с помощью выделения квазизакрытых систем, на определенных временах могут быть изучены с использованием квазиравновесной иерархической термодинамики сложных динамических систем.

Термодинамика первоначально создателей термодинамики интересовала только связь между механической работой и теплотой. Отсюда возник сам термин «термодинамика». Он сохранился и сейчас, хотя современная термодинамика рассматривает превращения всех видов работы и энергии. Другими словами, современная термодинамика является термодинамикой сложных систем, которая учитывает не только работу расширения, но и все виды работы, совершаемые системой или над системой. Заметим, что отдельные авторы намерены заменить термин термодинамика на другие определения этого предмета исследования. Однако непродуманная поспешная замена устоявшейся терминологии может оказаться весьма болезненной и привести к путанице.

Жизнь Понятие жизнь является сложным. Оно используется в различных смыслах и применяется к разнообразным объектам и процессам. Так, можно говорить о жизни Вселенной и галактик, жизни планет и других небесных тел, биологической жизни и т.д. Жизнь биологических объектов, обычно называемая просто жизнью, это с определенной точки зрения, сложный процесс преобразования самоорганизующихся, самовоспроизводящихся иерархических структур в результате круговорота энергии и химического и биологического вещества. Дать однозначное определение

биологической жизни, без указания точки зрения с которой это понятие рассматривается, не представляется целесообразным. Такое соображение проистекает из собственно самого представления о науке. Однако многие любознательные люди пытаются давать однозначное (практически,- "абсолютное") определение этому понятию. Некоторые статьи в Википедии в этой сфере знания являются далеко несовершенными и запутанными. Более того, отдельные авторы, используя вырванные фразы из высказываний известных ученых, склонны считать, что явление жизни, как таковое, вообще не существует. В дискуссиях, касающихся термина «жизнь», обычно участвуют исследователи, которые сами ничего серьезного не создали в науке. Эти люди, как правило, пытаются обсуждать явление, о котором они имеют весьма поверхностное и одностороннее представление.

Иерархически обобщенное уравнение первого и второго начал термодинамики

Иерархически обобщенное уравнение первого и второго начал термодинамики или иерархически обобщенное уравнение Гиббса учитывает все самопроизвольные и несамопроизвольные процессы в пространственно- выделенных системах, например, таких как химические и геологические объекты, биологические системы всех известных иерархий и подиерархий. Это уравнение отражает первое начало термодинамики (частный случай закона сохранения энергии) и учитывает действие окружающей среды на выделенную систему, проявляющиеся в виде различных тропизмов, и действие самопроизвольных процессов внутри системы, определяемое вторым началом термодинамики. По-видимому, наиболее удобной формой представления упомянутого уравнения является дифференциальная форма:

(1)

t ] 1 t tj ] (г.

Здесь: T - температура; S - энтропия; U - внутренняя энергия; V- объем; p - давление; X - любая обобщенная сила, за исключением давления; x - любая обобщенная координата, за исключением объема; ц - эволюционный (в частном случае,- химический) потенциал; m - масса k-го вещества; работа, совершенная системой, отрицательна. Индекс i относится к частной эволюции, а k - к компоненту i - ой эволюции. Верхний индекс * означает, что рассматривается поведение сложной термодинамической системы.

Представленное уравнение является обобщающим соотношением, поскольку, в принципе, учитывает внешние и внутренние взаимодействия всех структур каждого иерархического уровня объекта, независимо от масштаба этих взаимодействий. Однако это уравнение целесообразно считать "символическим", "умозрительным" ("speculative") или "уравнением с существенно разделенными параметрами", поскольку оно может быть эффективно использовано только применительно к каждой - одной или смежным иерархиям структур. Приведенное уравнение учитывает все виды «внутренних и внешних работ и энергий», характеризующих систему. С этой точки зрения оно отражает первое начало термодинамики, являющимся законом сохранения энергии применительно к сложной термодинамической системе.

С другой стороны, оно (уравнение) позволяет (в соответствии со вторым началом) учитывать все самопроизвольные и несамопроизвольные процессы, протекающие на всех отдельных иерархических уровнях. Такой учет возможен путем оценки изменения свободной энергии Гиббса (функции Гиббса) для каждого иерархического уровня. Однако вычисление изменения общей величины функции Гиббса AG*=^AG*i (где i - относится к каждой индивидуальной

иерархии) путем суммирования изменений этой термодинамической функции на уровнях всех индивидуальных иерархий, по указанным выше причинам, не имеет физического смысла. Напомню, что эти причины, прежде всего, связаны с несоизмеримыми величинами вкладов различных членов уравнения (1) в общее значение ДG* (dG*), т.е. с ограниченными возможностями применения математики для детального описания иерархических систем и процессов в общем виде.

Термодинамика химической эволюции

Химическая эволюция, изучающая превращения химического вещества, наблюдается во всех областях Вселенной, включая химическую эволюцию в космосе, при образовании планетных систем и в условиях формирования и развития планет, спутников и других подобных небесных тел. Ознакомление с этой областью науки с точки зрения химии можно начинать с монографии М. Кальвина «Химическая эволюция». Химические и супрамолекулярные превращения наблюдаются везде, и в тех условиях, где иерархическая термодинамика позволяет это делать. В интернете можно найти многочисленные ссылки на работы в этой области.

Термодинамика эволюции геологических систем

Разнообразные явления в геологии, такие как процессы минералообразования, широко исследуются методами равновесной (квазиравновесной) химической термодинамики. При анализе геохимических процессов иногда использу-

ют потенциал Д. Коржинского, который применяется для выявления направленности реакций в открытых системах. Указанный потенциал является аналогом большого термодинамического потенциала. Иерархически обобщенное уравнение Гиббса (1), например, учитывает действие сил гравитации при разделении минералов и горных пород. Примером является накопление золота в осадочных отложениях в руслах древних рек и в отложениях современных потоков. Уравнение (1) также учитывает действие магнитного поля земли в геологической эволюции. Это действие заметно проявляется в ориентации частиц ряда горных пород. Приобретенная намагниченность пород в период их формирования может сохраняться в последующие эпохи, что позволяет изучать эволюцию геомагнитного поля планеты.

2. Круговорот вещества и энергии с позиции иерархической термодинамики

С позиции иерархической термодинамики можно представить схему круговорота вещества и энергии в биологическом мире. На рис. 1 представлен один из возможных вариантов такой уточнённой схемы. Схема учитывает несамопроизвольные и самопроизвольные процессы в биологических структурах всех иерархий. Она принимает во внимания превращения в квазизакрытых биосистемах, которые (превращения) учитываются обобщенным уравнением первого и второго начал термодинамики - иерархически обобщенным уравнением Гиббса - (1).

£

У

Ё Т)

.а

'Л л

■г. к

3 ь

Й ¡5

^ 1с Р- я И -

а -

ш* иг

и

Л л о.

эд Е £

£ I 2 £ I

к й-

3

Р(Ычс(4 аГ (Ье рЬоЛкужЬе^ )|$|и

А Л

5р(щНтеяа "¡1игк п'тнин" Вюто1с1;и1с5

дао"'* < О

и

я

&

д а >

ДДО"'"" < 0 Л А .И/чш'ИУГ-гЬегнии/упапис и<!1-чгципшп(\

V ^иргащЫесЫаг ^гис1игс$. 1сИ5

л л

V _ Огеат«гт _

Лл

$е1/-шхетЫу о/ ог%оп131ж

РориЫюВ5

дС*"1" лл ЛАО"*1Т"< 0

о} ¡щтиинтч. соштипШел. ет.

„ * Бикузигтк

Ве!/-а яетЫу о/т/гиА^в о/пиш/Жсп*

« Коо^рЬеа*

аЯ ЛигатсЫса! .чти /ни-х

СО .1 К).! кЧ, ..... [Исткм1урагп1са1]у Ы и- рпхксь

\1inerals - Я1аЫе рго<1ис(5

§

=

а

С-

Рис.1. Круговорот вещества и энергии в биосфере

Левая вертикальная стрелка показывает увеличение сво- удельной её величины), AG*j . бодной энергии Гиббса образования сложной системы (или Наличие верхнего индекса * у символа G подчеркива-

ет, что система является сложной, т.е. в ней и над ней совершается не только работа расширения. Верхний индекс j обозначает один из видов иерархии (ch - химической или молекулярной, im - межмолекулярной или супрамолеку-лярной, org - организменной, pop - популяционной, ...). В этом случае величина AG*j системы (соответствующей иерархии) возрастает вследствие притока энергии в систему из окружающей среды. Энергия из окружающей среды может поглощаться различными структурными иерархиями. Эти процессы отражаются маленькими (красными пунктирными) направленными вверх стрелками (|) внутри областей на чертеже, принадлежащих указанному иерархическому уровню. Так, структуры молекулярной и супрамолекуляр-ной иерархий, прежде всего, поглощают свет солнца. Это запускает хорошо известные процессы фотосинтеза. Действие гравитации, механических сил и некоторых электромагнитных воздействий проявляется (в виде тропизмов) на уровне достаточно крупных структур, например, организмов. Эти и подобные им воздействия формируют дизайн организмов и других иерархических структур. Пища - источник внешней энергии поглощается различными иерархическими структурами организмов. Далее она перерабатывается и используется структурами организма для его жизнедеятельности, например, роста биотканей или для эпигенетического воздействия «пищевых молекул» на генетический аппарат организма и т. п.

Сравнительно большие направленные вниз стрелки внутри, выделенных на рисунке областей, разных иерархий показывают процессы самосборки:

биомолекулы ^ супрамолекулярные структуры ^ организмы ^ популяции ^ экосистемы и т. д.

Эти процессы являются самопроизвольными и согласно второму началу термодинамики характеризуются уменьшением величин AG*j систем.

Маленькие направленные вверх стрелки (первые слева из двух направленных вверх стрелок) показывают увеличение со временем величин AG*j соответствующей иерархии системы как результат действия принципа стабильности вещества, который проявляется в обогащении структур j-той (например, супрамолекулярной) иерархии сравнительно мало-стабильными структурами (j-1) -той (например, молекулярной) иерархии.

Большая направленная вниз стрелка в правой части рисунка указывает, что процессы самосборки (термодинамической самоорганизации), а также процессы распада метаболитов - молекулярных структур, как и структур всех других иерархических уровней, согласно второму началу характеризуются падением величин AG*j системы.

Таким образом, представленная схема круговорота вещества и энергии в биосфере отражает все известные превращения, учитываемые иерархически обобщенным уравнением Гиббса, которое позволяет оценивать изменения свободной энергии - функции Гиббса биосистем, а также величины изменения всех членов этого уравнения в заданные промежутки времени в течение эволюции, филогенеза и онтогенеза живых объектов. В заключение заметим, что явление жизни является сложным полииерархическим процессом, определение которого зависит от точки зрения, с которой этот процесс рассматривается. Математика не в состоянии описать этот процесс как «единое целое», то есть как единую совокупность всех его составляющих, и осознать явление жизни, говоря словами Дмитрия Менделеева, «единым порывом мысли». Однако все выделяемые составляющие (стадии) этого процесса поддаются термо-

динамическому описанию. Такое описание показывает, что жизнь и ее эволюция протекают в соответствии с общими известными законами природы. Жизнь является одной из составляющих стадий эволюции Вселенной.

В целом можно отметить, что жизнь связана с круговоротом веществ, протекающим под воздействием внешних факторов - меняющихся условий окружающей среды и самопроизвольными превращениями внутри живых объектов. Интенсивность обмена веществ зависит от множества факторов. Например, появление заметных количеств кислорода в атмосфере планеты заметно облегчило постадийный распад многих биологических молекул (метаболитов) в организмах и ускорило их совершенство, сопровождающееся образованием высших иерархических структур.

3. Физико-химические основы Дарвинизма

Теория Чарльза Дарвина и Альфреда Уоллеса, на мой взгляд, несомненно, является величайшим творением человеческого разума. Однако эта теория чрезвычайно общая и не является точной. Многие частные аспекты теории являются размытыми и неоднозначными. Эта знаменитая биологическая эволюционная теория, прежде всего, - «теория в картинах». Сам Ч. Дарвин осознавал, что его «speculations run quite beyond the bounds of true science»."

В связи с существованием бесчисленных факторов, влияющими на эволюцию живых существ, Ч. Дарвину и А. Уоллесу не представлялось возможным применить разнообразные индуктивные подходы для создания строгой картины возникновения и развития живого мира. По-видимому, можно согласиться с Карлом Поппером, что теория Дарвиновской природной селекции с некоторой точки зрения «a metaphysical research program» скорее, чем научная гипотеза.

Я бы сравнил теорию Ч. Дарвина и А. Уоллеса (далее, просто,- теорию Ч. Дарвина) с путеводной тропой, которая должна в будущем расширяться и обходить встречающиеся на ее пути препятствия. Несомненно, «вариация и селекция» являются «краеугольным камнем» - главным смысловым аспектом теории. Однако в наше время следует переосмыслить и уточнить многие факты и наблюдения.

Так, дерево жизни Ч. Дарвина, якобы имеющее общего предка живого мира, по-видимому, в уточненной и расширенной будущей теории должно быть представлено в виде совокупности многочисленных мини-деревьев, характеризующих бесчисленные области с относительно постоянной окружающей средой. По-видимому, здесь эпигенетика должна играть важную роль. Принципы Дарвинизма применимы к предбиологической и химической эволюции.

Осознание общих положений теории Ч. Дарвина, касающихся «вариации и селекции», может быть сделано с позиции иерархической термодинамики, включая принцип стабильности вещества - общего принципа эволюции. Термодинамическая теория должна учитывать, как движущие силы, действующие внутри квазизакрытых квазиравновесных динамических живых систем, так и учитывать воздействия постоянно меняющихся внешних сил - параметров окружающей среды. Влияние окружающей среды, как уже казывалось, проявляется в виде тропизмов разнообразной природы. Другими словами, иерархическая термодинамика может принимать во внимание все самопроизвольные и несамопроизвольные процессы, протекающие в биологическом мире и определяющие его эволюцию и развитие. Все самопроизвольные и несамопроизвольные процессы в эволюционирующих системах учитываются иерархически расширенным обобщенным уравнением Гиббса (1), которое принимает во внимание превращения, происходящие на

всех временных (temporal) и структурных иерархиях живого мира.

Рассмотрим более детально возможную модель эволюции и сделаем некоторые пояснения. При этом введем представления о «Дарвиновском» - самопроизвольном и «Недарвиновском» - несамопроизвольном отборе. Заметим, что приведенная ниже модель является приближенной. Однако она позволяет применять методы квазиравновесной иерархической термодинамики для описания биологической эволюции.

Биологическую эволюцию можно представить как последовательный процесс, состоящий из многочисленных основных стадий. Каждая выделенная стадия протекает в системе выбранной структуры смежных иерархий - «(j) + (j+1)»: «живой объект (j) - окружающая среда (j+1)». При этом допускается, что окружающая среда живого объекта -физический термостат выбранной иерархии (например, популяции, организма, клетки или другой супрамолекулярной структуры) в системе в течение определенного времени (на определенном временном интервале) с хорошим приближением является постоянной. Однако при переходе от одной стадии к другой в ходе эволюции окружающая среда (j+1) рассматриваемого живого объекта (j) может непредсказуемо (неважно, самопроизвольно или несамопроизвольно) меняться.

Таким образом, отдельные этапы эволюции живого объекта (j) протекают под действием самопроизвольного «Дарвиновского отбора» внутри этого живого объекта, когда его окружающая среда - термостат (j+1) является постоянным. В такой ситуации естественный отбор на каждом этапе сопровождается стремлением удельной энергии Гиббса образования живого объекта j (сложной термодинамической системы) к минимуму.

Изменение окружающей среды (j+1) обуславливает переход от рассматриваемого этапа к новому этапу эволюции, когда воздействия этой новой трансформированной окружающей среды сопровождается непредсказуемым изменением удельной функции Гиббса образования живого объекта. Это будет несамопроизвольный - «Недарвиновский процесс». Однако можно полагать, что на продолжительных временных интервалах при сравнительно постоянных условиях существования жизни во многих зонах на планете (небесных телах), все колебания окружающей среды на отдельных этапах в среднем сравнительно невелики (исключением могут быть революционные изменения среды - катастрофы в некоторых областях биосферы). В целом биологическая эволюция на всех иерархических уровнях должна иметь некую результирующую термодинамическую направленность. Таким образом, упомянутая результирующая направленность определяется самопроизвольными процессами, хотя эта направленность может испытывать сравнительно небольшие колебания под действием известных несамопроизвольных циклических процессов или непредсказуемых несамопроизвольных воздействий. Все эти процессы учитываются иерархически расширенным обобщенным уравнением Гиббса (1). Заметим, что наша термодинамическая модель эволюции не пренебрегает «принципом непрерывности». Этот принцип применим ко всем этапам эволюции, независимо от их направленности.

На продолжительных этапах биологической эволюции, филогенеза и онтогенеза наблюдается Дарвиновское направленное самопроизвольное изменение химического (атомного и молекулярного) и супрамолекулярного состава живых тел. Это подтверждает разумность использования иерархи-

ческой термодинамики для описания биологической эволюции, несмотря на все используемые нами приближения. Другими словами, это означает, что на продолжительных этапах эволюции роль Дарвиновского самопроизвольного отбора преобладает над ролью Недарвиновских несамопроизвольных процессов в биологическом объекте.

Если в термин «вариация», используемый в классической теории Дарвина, вкладывать смысл общей «вариации внутри биологических объектов и вариации в окружающей среде», то «вариация и селекция» может рассматриваться как «обобщенная движущая сила эволюции». Это новое представление автора о «вариации и селекции» позволяет эффективно использовать иерархическую термодинамику для описания эволюции. Таким образом, с точки зрения иерархической термодинамики теория естественного отбора Дарвина должна быть расширена. Однако это не умоляет величие теории Дарвина, которая является путеводной звездой теории происхождения жизни и ее эволюции.

Для того чтобы представить, какое место в общей эволюции вещества и энергии занимает оригинальный «первичный или исходный» Дарвинизм (Darwinism's region), можно рассматривать символические спирали общей эволюции Вселенной, на которых выделяются области «действия Дарвинизма», которые характеризуют эволюцию в условиях пригодных для существования жизни. Заметим, что представление этапов эволюции в виде однонаправленных сужающихся спиралей отражает колебания параметров термостатов структур различных иерархий вследствие действия известных циклических процессов (смена времен суток, времен года и т.п.) или непредвиденных воздействий окружающей среды (землетрясения, извержения вулканов, падение метеоритов и т.п.).

Примечание - пояснение к разделу В ряде работ автор отмечал, что иерархическая термодинамика в меру своих возможностей и ограничений «правит миром».

Химическая и биологическая эволюция являются этапами (стадиями) развития Вселенной. Эти стадии протекают в определенных шкалах (диапазонах) температур, давлений и других физических параметров сред, в которых возникают и эволюционируют материальные тела (объекты): молекулы и живые организмы. Биологическая эволюция по сравнению с химической эволюцией наблюдается в узком интервале изменения указанных параметров, когда возможны совместные молекулярные и супрамолекулярные превращения в системах содержащих жидкую воду. Биологическая эволюция часто рассматривается как Дарвиновская эволюция, которая опирается на общий принцип «вариации и селекции». Однако с точки зрения иерархической термодинамики следует различать «вариацию и селекцию», которая происходят внутри эволюционирующих объектов (например, в популяциях, организмах и органоидах) или в средах обитания (окружающих средах) этих биологических объектов (систем). Дело в том, что биологическая эволюция, как результат обмена вещества и энергии между выделенными живыми системами и окружающей их средой, связана с несамопроизвольными и самопроизвольными процессами. Характеризовать суммарное воздействие этих процессов в совокупности на эволюционирующие структуры может иерархически обобщенное уравнение Гиббса (1). Самопроизвольные же преобразования в эволюционирующих системах описывается уравнениями второго начала термодинамики, например, уравнением Гиббса квазизакрытых сложных систем (т.е. систем в которых и над которыми совершается не только работа расширения). Разумеется, что подобное описание до-

лжно касаться моноиерархических систем или систем смежных иерархий. Это связано с тем общеизвестным фактом, что математика эффективна только при описании однотипных объектов и процессов. Записывать дифференциальные уравнения для разнотипных объектов (полииерархических систем) или явлений не имеет физического смысла.

Здесь также уместно обратить внимание читателя на некорректное использование многими авторами понятия энтропия (или производство энтропии) в связи с применением этой функции состояния для выявления направленности процессов в квазизакрытых биологических системах и, к тому же, применяемое к совокупности полииерархических разнотипных - неоднородных систем. Еще раз отмечу, что такой подход не может быть эффективным. Он является явным недоразумением с позиции физики и математики! Все это осознавали Леонард Эйлер, Анри Пуанкаре, Дж. У Гиббс, Дмитрий Менделеев и другие классики. Подобные отмеченные подходы автор этой статьи характеризует как эклектические и, по-видимому, несовместимые с научными методами.

Автор полагает, что следует различать Дарвиновский самопроизвольный отбор от несамопроизвольного отбора в биологических системах, протекающего в результате, часто непредсказуемого, действия окружающих сред на всех иерархических уровнях живых систем. Такое разграничение позволяет не отождествлять оригинальное понимание Дравиным и его современниками биологической эволюции с эволюционными изменениями, например, с изменениями генетического аппарата, которые не предполагал Дарвин. По мнению автора, не следует считать эквивалентными утверждения Дарвина и современные представления о биологической эволюции. По-видимому, будет правильным расширять и усовершенствовать теорию Дарвина и не приписывать исходной теории этого великого мыслителя того, что она не предполагала. На этом пути иерархическая термодинамика - физический фундамент эволюции должна сыграть созидательную роль.

Автор термодинамической теории биологической эволюции и старения живых существ пытается на протяже-

нии многих лет уточнять и детализировать теорию, делая ее более легко воспринимаемой не только специалистами, но и исследователями различных профессий. Такой подход соответствует научной философии Карла Поппера об эволюционном развитии теоретических представлений и концепций.

4. О принципе стабильности вещества

Существует ли корреляция между молекулярной (химической) стабильностью молекул и стабильностью супрамо-лекулярных структур, возникающих при взаимодействии этих молекул? Принцип стабильности вещества предполагает, что такая корреляция существует: Чем менее стабильна (устойчива) молекулярная структура биологической ткани (связанная с усредненной прочностью химических связей), тем более стабильна (устойчива) супрамолекулярная структура этих тканей (связанная с усредненной прочностью межмолекулярных контактов при образовании супрамоле-кулярной структуры).

Согласно второму началу в эволюции и при старении организмов происходит отбор наиболее стабильных супра-молекулярных (жидкокристаллических) структур, которые образуют биоткани организмов. Такой супрамолекулярный отбор сопровождается молекулярным отбором наиболее малостабильных молекулярных структур, что является проявлением вторичного эффекта. В целом, биоткани (образуемые жидкокристаллическими структурами) организма стремятся к супрамолекулярной стабильности, но удаляются от молекулярной стабильности. Такая картина не противоречит второму началу, поскольку (еще раз отмечу) удаление от молекулярной стабильности является вторичным эффектом. Рисунок 2 является иллюстрацией принципа стабильности вещества относительно химической и сурамолекулярной иерархиям. Подобный рисунок был опубликован автором в мае 1977 года. В этой публикации обоснованно утверждалось, что методы феноменологической термодинамики Дж. У. Гиббса могут быть расширены и использоваться в квазиприближении при изучении превращений на всех иерархических уровнях живого мира, включая явление зарождения жизни, ее эволюцию и старение живых существ.

Рис. 2. Тенденции изменения относительной усредненной стабильности структуры живых тел в процессе эволюции и старении.

Величина AG (с двумя линиями сверху) - удельная функция Гиббса образования молекулярной (сК) и сурамо-лекулярной (im) структур живых тел. Пилообразный характер кривых обращает внимание на то обстоятельство, что эволюция и старение биологических систем (организмов) протекают на фоне переменных параметров окружающей среды, действие которых проявляется через несамопроизвольные процессы - тропизмы различной природы.

К тому же надо иметь в виду, что появление химически нестабильных структур (как и нестабильных структур всех иерархий) в круговороте вещества связано с действием факторов окружающей среды, например, действием света и других физико-химических и физических воздействий (тропизмов), которые вызывают несамопроизвольные (неспонтанные) процессы. Все эти положения многократно обсуждались в работах автора. Однако до сих пор из-за терминологической неточности ряда понятий и определений может существовать непонимание некоторых положений теории читателями.

Следует также иметь в виду, что химическая эволюция образования абиогенных молекул (кирпичиков жизни) развивалась при «переменных параметрах» окружающей среды, включая температуру и давление. Эти процессы происходили, как на небесных телах, так и космосе. Так, молекулы (С№)2, НС^ аденина - С5ШН5 и другие нуклеоос-нования (нуклеотиды) образовывались в зонах температур, достигающих тысяч градусов, где эти соединения являются достаточно термодинамически устойчивыми (стабильными). В зонах более низких температур (и соответствующих давлениях) появлялись аминокислоты, далее,- сахара, липиды и другие ингредиенты живых систем. В результате перемешивания (периодического действия физических факторов - тропизмов) все молекулярные компоненты жизни образовывали супрамолекулярные структуры и далее агрегаты (клетки), проявляющие признаки жизни, связанные с появлением обмена веществ. Все эти преобразования отвечали требованиям принципа стабильности вещества. Так, мало химически стабильные молекулы нуклеотидов при пониженных температурах в водной среде объединялись, образуя фрагменты нуклеиновых кислот, и сохранялись - выживали в соответствии с принципом стабильности вещества. Подобное наблюдалось в случае аминокислот и липидов. Таким образом, принцип стабильности вещества требовал появление живых структур - клеток и далее организмов. Если говорить об общей тенденции в биологической эволюции, то в условиях существования жизни справедливо следующее качественное утверждение: «Преобладание атомов кислорода в молекулах способствует их стабильности (устойчивости), тогда как присутствие атомов азота удаляет эти молекулы от стабильности (устойчивости)». Общая стабильность (устойчивость) сложных органических молекул, содержащих атомы кислорода и азота, в основном зависит от вкладов этих двух указанных факторов.

Известно много доказательств справедливости принципа стабильности вещества. При этом, по-видимому, существует два основных аспекта при осознании принципа.

1. К упомянутым доказательствам относятся выявленные корреляции между удельными функциями Гиббса образования (удельными свободными энергиями Гиббса образования) химических веществ и аналогичными величинами, характеризующими стабильность супрамолеку-лярных структур, образуемыми этими веществами. В этом случае сопоставление химической и супрамолекулярной стабильности вполне корректно, поскольку сопоставляются

термодинамические величины для систем одинакового элементного состава.

2. Кроме того, возникает также вопрос: насколько оправдано сравнение относительной стабильности путем сопоставления стандартной энергии Гиббса образование химических веществ различного химического состава? Подобный вопрос касается сопоставления супрамолекулярной стабильности структур различного состава. Дело в том, что термодинамика не оперирует абсолютными значениями функций состояния, знание которых необходимо для строгой оценки стабильности веществ различного состава. Однако рассмотренные нами сопоставления (правила и корреляции) показывают, что постулированные принципом стабильности вещества взаимосвязи систем переменного состава (эволюционирующего состава) также существуют, по крайней мере, для биологических молекул и их супрамо-лекулярных структур, а также для смежных других структур высших биологических иерархий.

Целесообразно также отметить, что ранее автор допускал, что для выявления тенденции термодинамической направленности эволюции и старения живых существ вполне достаточно изучать изменение состава в живой системе «вода - органическое вещество». Такой подход себя оправдал. Однако уточненная оценка должна учитывать вариацию концентраций ряда неорганических компонентов, например, солей, которые присутствуют в тканях организмов в ощутимо заметных количествах.

В следующем разделе приведем еще одно подтверждение действия принципа стабильности вещества (на уровнях молекулярной и супрамолекулярных иерархий) при эволюции элементарного состава живых организмов.

Теперь рассмотрим эволюцию элементного состава живых организмов.

Некоторые сформулированные ранее правила и корреляции, как неоднократно отмечал автор, является приближенным. Однако во многих случаях они полезны для выявления термодинамической направленности процессов эволюции и старения живых существ. Например, хорошо известно, что химические вещества в обычных условиях, содержащие С-Ы", О-^ Н-Ы связи, являются весьма нестабильными. Это объясняется тем, что указанные соединения легко перегруппировываются с образованием стабильных молекул азота - N2, двуокиси углерода - СО2, воды - Н2О и других некоторых подобных продуктов. Примерами таких химически нестабильных энергоемких веществ являются нитроглицерин, гексоген и тринитротолуол. Эти и другие аналогичные азотсодержащие соединения образуют сравнительно стабильные супрамолекулярные структуры и применяются в качестве реактивных топлив и взрывчатых веществ.

В ряде случаев «многоэлементных» по составу молекул (молекул, содержащих Н, С, N О и другие элементы) они (эти молекулы) содержат не только указанные выше связи. Так, мочевина, СО^4)2, глицин, :ЫН2 - СН2 - СООН, другие аминокислоты являются весьма стабильными, хотя содержат не только кислород, но и азот (^ЫН2 - группы). Таким образом, представленные правила можно (целесообразно) использовать, рассматривая органические молекулы, содержащие структуры, образованные из трех элементов: «Н, С, №> и «Н, С, О» или принимать во внимание наличие в молекулах упомянутых связей. Однако, еще раз отметим, что иногда удобно руководствоваться качественным утверждением: атомы кислорода (особенно кислород, участвующие в образовании связей С=О, С-ОН) в молекулах способствует их стабильности, тогда как присутствие атомов азота уда-

ляет эти молекулы от стабильности. Более точные оценки стабильности химических веществ (устойчивости по отношению к элементам, простым веществам, их образующих) можно делать с помощью методов, учитывающих вклады валентных связей и (или) групповые вклады. Групповые вклады удельной функции Гиббса образования соответствуют стабильности этих групп относительно элементов их образующих.

Доказательством направленного действия «принципа стабильности вещества» является сравнительное повышенное накопление атомов азота, фосфора, а также серы организмами при развитии биологической эволюции. Рассмотрим данные Таблицы 1, в которой проведено сопоставление содержания химических элементов - органогенов (% масс.) в растениях и животных (по А.П Виноградову).

Таблица 1.

Содержание органогенов (% масс.) в растениях и животных (по А.П. Виноградову)

Элемент Растения Животные

Н 10 9.7

С 18 21

N 0.3 3.1

0 70 62.4

Р 0.07 0.95

8 0.05 0.16

Если опираться на эти данные, из Таблицы 1 следует, что содержание водорода, углерода, кислорода изменяется в эволюции (переход от растений к животным) сравнительно незначительно. Количество азота и фосфора существенно увеличивается,- более чем в 10 раз. Содержание серы возрастает в 3 раза. Содержащие азот молекулярные группы образуют прочные межмолекулярные связи. Подобно этому содержащие кислород и фосфор фрагменты молекул также образует прочные водородные связи. Это означает, удельная функция Гиббса образования этих межмолекулярных структур характеризуется повышенной отрицательной величиной, что указывает на повышенную относительную стабильность данных структур. Другими словами, принцип стабильности вещества, в соответствии со вторым началом, делает отбор на супрамолекулярном уровне, увеличивая супрамолекулярную стабильность тканей и сравнительно существенно уменьшая их молекулярную (химическую) стабильность. Таким образом, супрамолекулярная стабильность тканей при переходе от растений к животным растет, а молекулярная стабильность падает. Обогащение организмов животных серой также приводит к снижению молекулярной стабильности их тканей, но в меньшей степени, нежели это делают азот и фосфор.

Важно также отметить, что давно известно, что количество азота и фосфора, а также углерода и водорода в организме человека во много раз больше, чем содержание этих элементов в земной коре.

Все сказанное относительно термодинамической направленности эволюции предсказывалось принципом стабильности вещества, который был представлен автором в форме рисунка в работе в 1977 году. В дальнейшем принцип был сформулирован в расширенной форме в монографии и других работах. Представленные доказательства тенденций действия «принципа стабильности вещества» подтверждают обоснованность сравнения стабильности химических и биологических структур, делаемой на основании сопоставления удельной функции Гиббса (удельной свободной энергии Гиббса) образования эволюционирующих биологических систем.

Выявление описанных закономерностей изменения количества химических элементов в эволюции, как неживых, так и живых структур, становится возможным благодаря глобальному усреднению параметров окружающей среды на продолжительных этапах эволюции. Однако выявлять

подобные закономерности в онтогенезе живых существ в общем случае становится часто затруднительным, или даже невозможным, вследствие сравнительного быстрого изменения параметров окружающей среды. Так, в онтогенезе грибов и злаков, вследствие быстрого высыхания верхних слоев почвы («рост грибов после дождя») поступление азота в биоткани из почвы резко сокращается. Это приводит к снижению аккумуляции азота. Это есть следствие резкого изменения параметров окружающей среды, что существенно меняет азотный обмен, но мало отражается на углеводном обмене, который в большой степени зависит от атмосферных условий.

Интересно отметить, что человеческое общество (входящее в состав общей экологической системы Земли) в ходе социальной эволюции обогащается (обрамляет себя) конструкциями, содержащими тяжелые элементы (например, металлы). Тем самым появляются технические и энергетические возможности, способствующие устойчивости (стабильности) общества.

Таким образом, используемые нами ранее допущения и выявленные качественные правила являются оправданными при выявлении термодинамической направленности биологической эволюции, характеризующейся изменением состава и функций живых организмов. В будущем при изучении термодинамически направленной вариации химического состава живых тел в эволюции и при старении необходимо учитывать не только изменение количества воды и органических веществ в организмах, но и ряда неорганических компонентов, например, солей, присутствующих в заметных количествах.

В заключение раздела отмечу, что с позиции иерархической термодинамики можно понять многие аспекты эволюции и старения на всех иерархических уровнях, включая генетический аппарат.

Природа, руководствуясь законами иерархической термодинамики сложных систем (т.е. систем, в которых и над которыми совершается не только работа расширения) и принципом стабильности вещества, во всех локальных зонах и на всех иерархических уровнях, ищет минимальные значения удельной функции Гиббса (удельной свободной энергии) образования структур. Этот поиск протекает при воздействии переменных (периодически меняющихся) параметров сред, окружающих структуры каждой иерархии. Происходит, своего рода, локальная «термодинамическая

оптимизация» организации структур всех иерархических уровней. Изменение сред обитания и поиск термодинамически оптимальных структур в живой природе могут быть осознаны с позиции расширенного представления о «вариации и селекции» Ч.Дарвина и А. Уоллеса.

5. Тропизм как общее явление в природе

Понятие тропизма обычно связывают с направленным ростом или любым направленным движением (развитием) живой системы, либо составляющих ее частей, как ответной реакции на внешнее воздействие. Кроме того, при определенных оговорках, тропизмом можно считать явление направленного роста и ориентации структур различных иерархий, как результат внешнего стимула, в неорганической природе. Например, направленный рост кристаллов в геологических системах или направленное движение и преобразование других объектов неживого мира можно причислять к такому тропизму. Общность тропизмов во всех случаях, как полагают, прежде всего, связана со стимулирующим действием окружающей среды. С этой точки зрения тропизм - общее явление природы.

Широкое представление о тропизме делает необходимым при исследовании выделять различные виды тропизмов. Так, можно говорить о тропизме как реакции ориентации и развитии организмов или их сообществ, как процесса направленного роста и движения клеток, органелл, бактерий, вирусов, макромолекулярных фрагментов и молекул под действием тепла, света, звука, химических веществ, биологических объектов, физических полей и других воздействий.

Однако надо иметь в виду, что многие тропизмы, для ясности понимания, возможно, следует называть также поведенческими или ответными реакциями, либо другими подобными терминами.

Необходимо отметить, что под терминами «тропизм» или

«поведение» можно понимать способность живых объектов совершать какие-либо действия под влиянием не только внешних, но и внутренних факторов. Если принять эту точку зрения, то утверждение, что «тропизм - общее явление природы», становится еще более обоснованным. Высказанное положение сближает биологические науки, в частности, физиологию, с физикой и другими точными науками.

Расширенное определение термина «поведение» можно представить так: «Поведение - проявление ответных реакций организмов, систем, или искусственных объектов связанное с действием окружающей среды, которая включает в себя другие системы или организмы и физическое окружение. Это ответная реакция системы на различные раздражители и воздействия, как внутренние, так и внешние, ощущаемые или неощущаемые, явные или скрытые, произвольные или непроизвольные».

Можно указать на хорошо известное уравнение Вебера -Фехнера, которое описывает поведение живых объектов под влиянием различных сил и воздействий: 1п Y = Ь Ъ + 1п Y0 , (2)

где Ъ часто определяют как силу ощущения (интенсивность звука, вкуса, чувств и т.д.), а Y и Y0 - как силу (энергию, концентрацию) раздражителя, приводящего к данному пороговому ощущению, Ь - константа. Нестрогое определение параметров этого уравнения приводит к множеству противоречий. Ранее автор показал, что представленное уравнение можно обосновать с точки зрения квазиравновесной иерархической термодинамики. Для иллюстрации закона Вебера - Фехнера (1) можно привести известную зависимость интенсивности запаха пахнущего вещества, от логарифма его

концентрации в воздухе.

Рис. 3. Зависимость интенсивности запаха этилмеркаптана, измеряемой по шести - балльной шкале, от логарифма концентрации пахнущего вещества. Значение CS - число долей этилмеркаптана на миллион долей воздуха (по Р. Райту).

Из представленного и других известных определений термина «поведения» следует, что «поведение» является частным или, практически, эквивалентным случаем общего понятия «тропизм». Если согласиться с этим высказыванием, то легко с позиции иерархической термодинамики представить явления тропизма и поведения в общей «формуле - картинке» или «символическом математическом уравнении» (1).

Многие исследователи давно пытались с единых позиций найти общий подход к описанию поведения неживых и живых систем. Так, Генри Адамс говорил о неком «комплексном решении» и «общей формуле» (единой формуле) описания поведения (или тропизма, в широком современном понимании этого термина). Он надеялся, что в будущем удастся описать поведение людей с позиции ряда гуманитарных и точных наук с помощью общей математической

формулы или единого рисунка.

Герберт Льюис предполагал, что «in a unified manner would be able to describe the behavior of both an electron and a university faculty member, but doesn't know whether this would be more like mechanics or psychology...». При этом он, совершенно правильно, высказал сомнение о возможности такого «объединенного описания».

Трудности поиска «общего уравнения» (описывающие разнообразные явления), несомненно, связаны с существенными иерархическими различиями неживых и живых объектов (систем). Это, прежде всего, обусловлено тем, что неживые объекты характеризуются «ограниченной иерархичностью», тогда как живые объекты являются полииерархическими и характеризуются сравнительно быстрым обменом веществ (обменом структурными элементами) между смежными иерархиями. Кроме того, размеры объектов и природа различных иерархий, как в живом, так и неживом мире существенно различаются.

С позиции «общего тропизма», который является совокупностью частных тропизмов можно представить все аспекты поведения живых систем в форме единого символического уравнения иерархической термодинамики - иерархического обобщенного уравнения Гиббса (1), иногда называемого также объединенным законом термодинамики. Упомянутое уравнение учитывает поведенческие процессы (явления тропизма) в квазизакрытых квазиравновесных динамических системах, то есть процессы, протекающие за счет внутренних сил в системах и притока энергии из окружающей среды на всех иерархических уровнях. Еще раз замечу, что, хотя указанное уравнение является общим, его следует рассматривать, фактически, как, символическое или умозрительное. Как уже упоминалось, это связано с разно -масштабностью и не однотипностью природы структурных элементов и энергий их взаимодействия, свойственных различным иерархиям. Математика является неэффективной, чтобы одновременно описывать поведение разнотипных структур различных иерархий. Она предпочитает изучать поведение или превращения однотипных структур. Следует сказать, что поиск единства в явлениях природы, что является, согласно Анри Пуанкаре, основной целью науки, имеет свои ограничения. При поиске «единых формул» для описания явлений, наблюдаемых в мире, следует руководствоваться здравым физическим смыслом. Здесь еще раз уместно привести высказывание Дж. У Гиббса: "A mathematician may say anything he pleases—but a physicist must be a least partially sane."

В заключение автор выражает глубокую благодарность профессорам А.А. Акаеву, В.Н.Анисимову, Г.Аррениусу, Н.Н.Боголюбову, И.П.Кардашиди, В.А. Попкову, В.В.Сычеву, Ю.Я.Харитонову, З.К.Церетели и Е.М.Шайхутдинову за советы и систематическую поддержку.

Приложения

Большинство приложений заимствовано из статей и монографий автора, с добавленными уточнениями, дополнительно внесенными при осознании теории в последние годы

Приложение 1

О функциях состояния

Внутренняя энергия, U, энтропия, S, функция Гиббса, G, функция Гельмгольца, F и другие известные функции являются функциями состояния. Например, если система переходит из состояния a в состояние b, для изменения ее внутренней энергии можно записать:

jab dU= U b - U a (1)

Видно, что результат интегрирования не зависит от пути перехода. Этот результат определяется разностью между значениями внутренней энергией конечного и начального состояний. Дифференциал функции U называется полным дифференциалом.

Величины теплоты, q и работы, w зависят от пути перехода между состояниями a и b. Дифференциалы этих величин называются неполными дифференциалами. Обычно неполные дифференциалы обозначаются специальными символами, например, символами d или 'd, либо d'.

Однако сумма двух неполных дифференциалов может быть полным дифференциалом. Понять это легко, если представить полный дифференциал некой функции z в виде dz = ydx + xdy

и рассмотреть схему перехода системы из состояния a в состояния b в прямоугольных координатах y = f(x). Детальное обсуждение вопроса можно найти в учебной литературе.

Следует помнить, что функции состояния могут достигать экстремальных значений в системах соответствующего типа (изолированные системы, закрытые системы) только при постоянстве соответствующих естественных независимых переменных. Так, для изолированной системы, внутренняя энергия и объем которой постоянны, и в которой не совершается работа или совершается только работа расширения (простая термодинамическая система), энтропия системы стремится к максимуму. Фактически, такой является изолированная система, содержащая идеальный газ.

Осознание представлений о полных дифференциалах позволяет смотреть на термодинамику как на "безукоризненную машину", которая при верных, заложенных в нее посылках, всегда выдает правильный результат.

Особо подчеркну, что термодинамика систем, близких к состоянию равновесия, допускает использование аппарата полных дифференциалов. В этом случае считают, что функции состояния, с разумным приближением, в любой момент времени, имеют реальный физический смысл. Такая термодинамика иногда называется линейной. Можно также говорить о "квазиравновесной кинетической термодинамике" или - "квазиравновесной кинетической термодинамике квазизакрытых систем". Другое дело, - термодинамика систем далеких от состояния равновесия (нелинейная термодинамика). Примером такой "термодинамики" является термодинамика И. Р. Пригожина систем далеких от состояния равновесия. Здесь речь идет, прежде всего (как это следует из названия самой теории И. Пригожина), о производстве энтропии (энтропии Пригожина) в системах далеких от состояния равновесия. Разумеется, эту теорию следует считать кинетической теорией, но никак - не термодинамической. В подобных ситуациях говорить о функциях состояния - функциях, имеющих полные дифференциалы, не имеет смысла.

Приложение 2

Структурные и временные (temporal) иерархии Природные биологические системы в целом являются открытыми системами, обменивающимися веществом и энергией с окружающей средой. Многие неживые системы в природе также следует рассматривать как открытые системы. Эволюция открытых систем, в общем случае, как полагают некоторые авторы, не может быть описана методами термодинамики (термодинамики систем близких к состоянию равновесия).

Любая живая система состоит из структур разных иерархических уровней (атомы, молекулы, супрамолекуляр-

ные образования, клетки, организмы, популяции и т.д.). С этой точки зрения такая система является полииерархической. Однако целесообразно изучать структуры (и их превращения) индивидуальных различных иерархий независимо от структур всех других иерархий. Здесь разумно говорить о моноиерархических структурах. Так, можно исследовать молекулярную иерархию живой материи, изучая химические превращения молекул - химических соединений. Подобно этому, существует возможность исследовать поведение организмов в популяции, непосредственно не принимая во внимание химические и другие процессы, наблюдающиеся внутри каждого из этих организмов и т.д.

Независимое исследование поведения структур каждого иерархического уровня возможно только при выполнении хорошо известных условий. Это возможно тогда, когда интересующий нас процесс устойчив и имеет такое характерное время, в сравнении с которым времена других (как правило, взаимосвязанных процессов внутри системы) либо очень большие, либо пренебрежимо малые, а в окружающей среде не происходит заметных (существенных) изменений. Высказанное положение указывает на необходимость рассматривать существование в природе, прежде всего, временных (temporal) иерархий, а не только - структурных иерархии. Выделяемые биологами структурные иерархии иногда не совпадают с временными иерархиями.

Таким образом, если говорить о совокупности структур какой-либо одной индивидуальной временной иерархии -моноиерархии, то, вполне обосновано, можно говорить о квазизакрытой системе (в термодинамическом и кинетическом смыслах). Такая система находится в среде окружающих ее структур высшей (высших) иерархии. Эта высшая иерархия структур является физическим термостатом, в котором функционируют структуры низшей (низших) иерархий. Разумеется, в этом случае с известным приближением к такой моноиерархической системе (подсистеме) применима термодинамика квазизакрытых (закрытых) систем. Говоря более коротко, можно заметить следующее. Макротермо-динамическое изучение биологических полииерархических природных открытых систем предполагает выделение (вычленение, независимое термодинамическое исследование) внутри этих систем индивидуальных квазизакрытых моноиерархических систем (подсистем). Исследование поведения каждого моноиерархического уровня можно выполнять с использованием методов термодинамики квазизакрытых систем близких к состоянию равновесия (линейной термодинамики, опирающейся с известным приближением на методы равновесной термодинамики).

Важно отметить, что на всех иерархических уровнях биологической материи термодинамика играет основополагающую роль при образовании структур каждой иерархии. В связи с этим, самосборка моноиерархических структур каждой иерархии была названа автором настоящей статьи "термодинамической самоорганизацией". Эта самосборка, как уже отмечалось, протекает в условиях близких к равновесию. В случае образования сложных супрамолекулярных структур, несмотря на сравнительно высокие температуры плавления таких структур, их самоорганизацию можно считать практически равновесной. Эффективная термодинамическая самоорганизация разнообразных молекул возможна благодаря явлению, называемому мной, конформационным супрамолекулярным катализом. Такой катализ напоминает явление эпитаксии. В отличие от "химического" и супрамо-лекулярного катализа, он не связан с химическими превращениями молекул (например,- с ускорением биохимических

реакций). Конформационный супрамолекулярный катализ способствует образованию супрамолекулярных структур соответствующего типа под воздействием молекулярных (супрамолекулярных) структур окружающей среды. Присутствие определенных молекул, находящихся даже на значительных расстояниях от возникающих (формирующихся) или уже существующих супрамолекулярных образований, может определять состав и пространственную (конфор-мационную) структуру этих образований. Такое каталитическое действие возможно под влиянием структур, находящихся на удалении многих десятков и даже сотен нм от возникающих или существующих супрамолекулярных образований. Конформационный супрамолекулярный катализ, проявляющийся на наноуровне, как бы способствует снижению температуры плавления, возникающей (существующей) супрамолекулярной структуры в переходном состоянии при ее формировании. Поэтому-то, супрамолекулярная самосборка является практически равновесной. В результате такой самосборки локально образуются правильные (повторяющие друг друга с высокой степенью точности) супрамолекулярные структуры клеток и тканей. Конформа-ционный супрамолекулярный катализ "стимулирует создание градиентов" концентраций химических соединений в биоструктурах. Это приводит к перемещениям вещества в этих структурах и далее - в структурах высших иерархий т.д. Конформационный супрамолекулярный катализ является основным "пусковым механизмом" экспрессии генов. Такой катализ проявляется в эпигенетике.

В то же самое время, когда речь идет о формировании полииерархической структуры, пренебрегать кинетическими факторами не следует. "Сложение" моноиерархических квазизакрытых систем (путем "интегрирования"), как может показаться с первого взгляда, приводит к полноценной полииерархической модели системы. Однако это не так. Такая сложная модель, построенная (с точки зрения возможного исследования) на "эклектическом смешении" функционирующих разномасштабных моделей, в общем случае, не может рассматриваться, как квазизакрытая. В целом, разумеется, она должна рассматриваться как модель открытой системы. Здесь уместно вспомнить соображение А.Пуанкаре, что "возможность рождения математической физики обусловлена приблизительной однородностью изучаемого предмета". Это условие в биологических науках не выполняется. В общем случае, здесь, как подчеркивал А.Пуанкаре, "мы не находим ни однородности, ни относительной независимости разнородных частей, ни простоты элементарного явления".

По-видимому, целесообразно напомнить читателю, что отдельные современные физические теории, к сожалению, допускают "эклектическое объединение" не совместимых, с точки зрения возможности изучения, явлений. Это утверждение, на мой взгляд, можно отнести к некоторым концепциям И.Пригожина и ряду теоретических "построений", используемым в современной синергетике.

Приложение 3

О законе временных (temporal) иерархий

Закон временных иерархий (иногда в литературе называемый «законом Г. Гладышева». См. Г.П. Гладышев, Вики-педия) позволяет выделять в открытых полииерархических биосистемах квазизакрытые моноиерархические термодинамические системы (подсистемы) и исследовать их развитие (онтогенез) и эволюцию (филогенез) путем изучения изменения величины удельной (на единицу объема или мас-

сы) функции Гиббса образования данной высшей моноиерархической структуры из структур низшего уровня.

Часто в словесной форме принцип формулируется следующим образом:

Any living system of any temporal hierarchical level in a normal state has a thermostat - a surrounding medium that is characterized by slightly changing average values of thermodynamic parameter.

Так, установлено, что в процессе онтогенеза (а также филогенеза и эволюции в целом) удельная функция Гиббса образования i-ых супрамолекулярных (межмолекулярных, im) структур тканей организма, стремится к минимуму. Это стремление, прежде всего, определяется изменением химического состава системы, наблюдающееся в ходе ее эволюционного изменения. Указанное стремление можно представить в виде выражения: V ~ .

1 Г dGm

G"u = — I —:-(x, y, z)dxdydz-— min

^im 1 f

VJ

dm

tJ-1<< tJx

tJ+ x

<< t

m

<< t

m

<< torgamsm<<tpop

<<

Здесь Г (Г4) - среднее время жизни (существования) молекул (химических соединений) в организме, участвую-

,m

щих в метаболизме; tM" ( tsupra ) - среднее время жизни любых межмолекулярных (супрамолекулярных) структур тканей организма, обновляющихся в процессе его роста и

organism

развития; t - среднее время жизни организмов в

популяции; tpo - среднее время жизни популяции. В ряд сильных неравенств (3) я (по упомянутым причинам) осознанно не включил времена жизни клеток (cell) и некоторых других сложных супрамолекулярных образований. Однако, разумеется, этот ряд представляет общий закон природы, согласующийся с реальностью и отражающий существование временн'ых иерархий в живых системах. Указанный закон (Gladyshev's law) позволяет строго обосновывать возможность выделения (вычленения) квазизакрытых моноиерархических систем (подсистем) в открытых полииерархических биологических системах. Он является обоснованием иерархической термодинамики, математический формализм которой всецело подобен математическому формализму классической термодинамики (см., для примера, известную работу К. Каратеодори, а также исследование С. А. Элошви-ли в Интернете).

Приложение 4

Принцип стабильности вещества

Принцип стабильности вещества - принцип обратных связей (Gladyshev's principle, См. Г.П. Гладышев, Вики-педия)), как представляется, с известным приближением, применим ко всем биологическим системам (различным их иерархиям).

Суть принципа состоит в следующем: при образовании (самосборке) наиболее термодинамически стабильных структур высшего иерархического уровня (j), например, супрамолекулярного, 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). В виду важности этого принципа приведу также его формулировку на английском языке:

During the formation or self-assembly of the most thermodynamically stable structures at the highest hierarchical level (j), e.g., the supramolecular level, Nature, in accordance with the second law, spontaneously uses predominantly the least thermodynamically stable structures available from a given local part of the biological system, belonging to a lower level, i.e. molecular level (j-1), and incorporates these unstable structures into next higher level, i.e. supramolecular level (j).

Справедливость принципа доказана на количественной основе применительно к молекулярному - химическому и супрамолекулярному структурным уровням биотканей. Известны также факты, подтверждающие приложение принципа к социальным иерархиям. Так, с позиции иерархической термодинамики (макротермодинамики) сложных систем становятся понятными выработанные веками методы управления обществом, такие как «разделяй и властвуй» и т. п. Общеизвестная теория Льва Гумилева также может быть изложена с позиций макротермодинамики (иерархической термодинамики). История человечества на достаточно больших интервалах времени может быть предсказуема.

Здесь уместно также отметить, что известный professor

0 ,(2) где V - объем собственно самой (исследуемой) системы, т - масса выделяемых микрообъемов; х, у, z - координаты;

~ т

символ «-» означает, что величина является удельной

(относящейся к макрообъему); символ «~» подчеркивает гетерогенный характер системы. Нижний индекс i относится к системам различного состава, который (состав) постоянно меняется вследствие квазиравновесного изменения химического состава системы во времени. Замечу, что величина

стремиться к минимуму вследствие стремления сложной системы "собственно сама система - окружающая среда" к равновесию. С другой стороны, вследствие быстрого достижения внутреннего супрамолекулярного равновесия в собственно самой системе в каждый момент времени t ( t =

1, 2, 3, ...) , О™ ( i = 1, 2, 3, ...) достигает минимума, что соответствует сравнительно стабильной структуре!

Заметим, что соотношение (2) предполагает учет межмолекулярных (супрамолекулярных) взаимодействий во всех иерархических структурах биотканей (внутриклеточные и внеклеточные взаимодействия). Это вполне оправдано, поскольку структурная иерархия не всегда совпадает с временной иерархией. Например, некоторые типы клеток практически не делятся и, подобно органам, стареют одновременно с организмом. Однако для любой супрамолеку-лярной иерархии (]-1) существует какая-либо высшая (]+х) иерархия, так что

где г и Г - средние значение времен существования (продолжительности жизни) элементарных структур соответствующих структурных иерархий в живой системе, х = 0, 1, 2, ... и т.д.

Следует заметить, что внутренняя среда и многие фрагменты неделящихся клеток все же обновляются вследствие наличия обмена веществ.

Использование соотношения (2), фактически, означает, что мы применяем закон временных иерархий в виде:

of psychology Clare W. Graves, a specialist in the theory of personality and its applications to industrial and medical problems, held that "human behavior can be broken down into seven patterns, or levels of existence. His theory suggested that every person falls somewhere between level one, a human vegetable, and level seven, the highest form". Создавая свою теорию, Dr.Graves не мог применить аппарат термодинамики, хотя бы потому, что тогда отсутствовали представления о социологических потенциалах. Однако он осознавал, что целесообразно использовать представление о "a quasi-closed system state of affairs". Так он писал, that, "a human, though potentially an open system may settle temporarily or permanently into a quasi-closed system state of affairs, a level of existence. While at a certain level, the human would operate by principles particular to that level. He would have only the behavioral degrees of freedom afforded to him at that level".

Интересны приложения макротермодинамики к проблемам экологии. Представляется, что экологические ниши заполняются только термодинамически востребованными окружающей средой видами организмов.

Записывая соотношение (2) и формулируя принцип стабильности вещества, на примере супрамолекулярной (а также химической) относительной стабильности, я рассматриваю два случая.

Случай I. В этом случае речь идет о стремлении удельной величины функции Гиббса сложной системы "собственно

сама система - окружающая среда", Gm (I) к минимуму.

Это стремление связано с эволюционным изменением химического состава системы. Химический состав системы меняется в длинной эволюционной шкале времени (в течение онтогенеза и филогенеза - эволюции).

Случай II. В этом случае сопоставляется супрамолеку-лярная и химическая (молекулярная) структурная относительная стабильность собственно самих систем в каждый конкретный момент времени (в конкретный момент времени онтогенеза или филогенеза). Здесь, например, сопоставляются величины Gf2 (II) - удельные величины функции Гиббса образования структуры собственно самих систем (супрамолекулярной составляющих). В этом случае в каждой собственно самой системе постоянного химического и супрамолекулярного составов устанавливается внутреннее

супрамолеулярное равновесие, и величина Gf2 (II) достигает минимума. Здесь можно говорить об относительной термодинамической стабильности структуры исследуемой системы. Удельная величина химической составляющей функции Гиббса вычисляется для "замороженного" состава химического вещества в каждый момент времени. Конечно, подобным образом можно говорить и о супрамолекулярном составе системы или системы любой иерархии. Важно помнить, что я рассматриваю термодинамику систем (совокупности однотипных структур). Удельные величины функции Гиббса образования химической, супрамолекулярной, ор-ганизменной и других составляющих биосистем вычисляются для конкретных составов систем (состоящих из многих "невзаимодействующих" компонентов). Тут нет ничего удивительного. Так, физико-химики рассчитывают и сопоставляют значения функции Гиббса образования различных систем. Таким образом, нижний индекс i (в обозначении "

Gf2 ") в случае (I) относится к эволюционирующей системе переменного состава (длинная шкала времени). В слу-

чае же (II) этот индекс - i относится к системам постоянного состава (короткие шкалы времени). Разумеется, можно записать, не общее, для обоих случаев, соотношение (2), а два независимых соотношения, относящихся к каждому из обсуждаемых случаев. Однако, поскольку, ранее, полагая, что здесь все понято, я этого не делал. В настоящий момент ограничиваюсь только сделанным замечанием.

Как я уже отметил, представленные в этом приложении рассуждения справедливы для всех временных иерархий живого мира.

Вследствие действия принципа стабильности вещества, удельная функция Гиббса образования каждого иерархического уровня в процессе онтогенеза и филогенеза (эволюции) медленно перемещается в сторону наименее отрицательных (положительных) значений. В этом проявляется природа обратных связей между структурами различных иерархий.

Что касается используемой мной терминологии, относительно стабильности вещества, то она соответствует представлениям о стабильности, применяемым в различных областях химии, физической химии, биофизической химии. Так, часто обсуждаются проблемы стабильности комплексов белков, нуклеиновых кислот, координационных соединений различной природы, дисперсных систем и во многих других случаях. Ссылки на соответствующие работы можно найти в общеизвестных энциклопедиях и справочниках. Однако в ряде исследований не указывается, о какой стабильности идет речь: термодинамической или кинетической. Отмечу, что в термодинамике термин "стабильность" обычно связывают с достижением равновесий различной природы. Известны представления о стабильном равновесии, нейтральном равновесии, метастабильном равновесии и нестабильном или лабильном равновесии (the concepts of stable equilibrium, metastable equilibrium, neutral equilibrium and unstable or labile equilibrium). Часто говорят о более стабильных или менее стабильных системах различного состава. Иногда используются представления о функции стабильности Даркена (Darken, 1953) и т.п. В целом же, надо иметь в виду, что даже математически строгое определение стабильности для реальных систем имеет относительный характер, оно должно рассматриваться с неким приближением. Так, говоря о стабильности молекул СО2 и Н2О в условиях биосферы, мы пренебрегаем возможностью взаимодействия этих соединений с отдельными веществами биосферы. Это взаимодействие может приводить к образованию еще более стабильных веществ.

Хотелось бы упомянуть еще об одном важном, вполне оправданном, приближении, которое часто позволяет, с высокой степенью точности, говорить о термодинамической стабильности химических веществ. Речь идет о возможности оценки химической стабильности, характеризуемой величиной стандартной функции Гиббса образования вещества, A G 0 . Это возможно тогда, когда равновесие при образовании интересуемого нас вещества из простых веществ (элементов) сдвинуто, практически полностью, в сторону продукта реакции. В этом случае можно считать, что минимум функции Гиббса при образовании вещества достигнут, и говорить о стабильности продукта реакции вполне уместно. Однако надо помнить, что величины стандартной функции Гиббса образования веществ, A G 0 являются относительными и их сравнение имеет часто весьма нестрогий, приближенный характер, поскольку невозможно определять абсолютное значение большинства функций состояния систем. Этой проблеме автор посвятил несколько коротких статей (например, обсуждение проблемы см. : Georgi

P. Gladyshev ,2015, Thermodynamics of Aging and Heredity. Natural Science, 7, No 5 270-286.)

Возможно, принцип стабильности вещества целесообразно было бы назвать "принципом устойчивости (the steadiness) вещества". Однако дело не в терминологии. Несомненно, главное: принцип отражает объективную реальность, поскольку опирается на известные экспериментальные и существующие в природе факты.

В будущем, несомненно, весьма полезно математически строго оценить, сделанные мной допущения при формулировке принципа. Об очевидных трудностях, возникающих при оценке стабильности разнообразных (неоднородных, неоднотипных) веществ (компонентов всех иерархических уровней) в биосфере, я упоминал в ряде прошлых публикаций. Ясно, что во многих работах не случайно подчеркивалось, что стабильности вещества следует считать качественным принципом, в общем случае, отражающим только соответствующие тенденции в мире живой природы.

В особой, своеобразной форме, принцип обратных связей, по-видимому, проявляется в передаче асимметрии от структур высших иерархий к структурам низших иерархий в биологическом мире в условиях вращающегося небесного тела. Здесь определенную роль играет фактор Кориоли-са, который может определять тип асимметрии структуры спиральных сосудов ксилемы и многих других структур в живой природе.

Термодинамический принцип стабильности вещества выступает в роли динамической силы, проявления жизни как явления. Принцип как бы поясняет, почему мы считаем обмен веществ (на уровне всех живых иерархий) неотъемлемым признаком существования живой материи.

Приложение 5

Об изменении удельной функции Гиббса (свободной энергии Гиббса)

Из термодинамической теории следует, что изменение величины удельной функции Гиббса образования супра-молекулярных структур тканей (а также, связанное с этим изменением, значение показателя геронтологической ценности продукта питания - GPGi ) часто может быть легко оценено из приближенного соотношения, которое некоторые авторы называют уравнением Гиббса-Гельмгольца-Глады-шева (См. Г.П. Гладышев, Википедия). Это уравнение является аналогом классического приближенного уравнения Гиббса-Гельмгольца.

Например, применительно к природным жирам и маслам можно записать:

дб;»=(дй™1тт){тт1-т0), (3)

где AG- удельная функция Гиббса (удельная "свободная энергия Гиббса") образования конденсированной

фазы вещества i, АНЩ - изменение удельной энтальпии

при затвердевании природного жира (масла), Тщ - температура плавления или застывания (затвердевания) i-го вещества, ТО - стандартная температура (например, 25, 0, -25, -50 оС), при которой проводится сопоставление величин AGm (а следовательно, показателя GPGi ). Величина ТО должна быть ниже значения Тпц. При оценке герон-

тологической ценности продукта выбор То определяется температурой плавления самого легкоплавкого вещества из ряда сравниваемых продуктов. Предполагается, что легкоплавкие вещества преимущественно участвуют в образовании соответствующих легкоплавких (как правило, сравнительно низко стабильных) супрамолекулярных структур в тканях организма.

Отметим, что уравнение Гиббса-Гельмгольца справедливо для вещества, находящегося в закрытой системе, в которой могут протекать химические, фазовые или другие превращения. Аналог этого уравнения часто с хорошим приближением можно применять к различным однотипным веществам и системам переменного состава. Уравнение Гиббса-Гельмгольца и его аналог (3) успешно использовались мной при выявлении термодинамической направленности эволюционных процессов. Подобные подходы, фактически при умолчании, применялись П. Флори и другими исследователями. Сейчас эти подходы широко используются многими авторами при исследовании синтетических сополимеров, биологических полимеров и ряда других систем переменного состава.

Из представленного уравнения (3) следует, что часто с приемлемым приближением может наблюдаться корреляция между значением AGim (вычисленной для стандартной температуры) и температурой застывания (плавления)

жиров или масел, Тщ. Разумеется, подобная корреляция должна также наблюдаться между показателем антистари-тельной (геронтологической) ценности соответствующего

пищевого продукта, GPGi и Тщ. Действительно, указанная корреляция существует. Все выводы теории полностью согласуются с опытом медицины и диетологии. Здесь приходится только восхищаться эффективностью термодинамического метода!

Приложение 6

Термодинамика процессов и систем

Иногда при исследовании целесообразно различать термодинамику процессов и термодинамику систем.

Процессы в системах любого типа, включая открытые системы, могут протекать в равновесных (квазиравновесных) режимах. Это хорошо известно химикам и технологам. Так, некоторые химические квазиравновесные процессы в промышленности реализуются в проточных (открытых) системах - реакторах в режиме, называем, стационарным состоянием. В каждый момент времени в таком реакторе часто, практически, достигается равновесие между реагентами и продуктами реакции. Разумеется, это связано со стремлением функции Гиббса (или - Гельмгольца), в результате рассматриваемого процесса, к минимуму. Понятно, такая открытая система - содержимое реактора, с точки зрения состава веществ на входе и выходе из реактора, не эволюционирует. Можно допустить, что нечто подобное на определенных (сравнительно коротких) временах, наблюдается при формировании тканей и протекании биохимических процессов в живом организме. Однако нельзя утверждать, что сам организм - термодинамическая система на сравнительно больших временах, сопоставимых с продолжительностью жизни организма, не меняет свой состав. Как хорошо известно, в процессе онтогенеза состав тканей организма существенно меняется. Любая ткань организма (подобно равновесной хроматографической колонке, меняющей свой

состав вследствие накопления в ней веществ, сильно взаимодействующих с сорбентом) эволюционирует в сторону минимизации удельной функции Гиббса собственно самой системы. Для минимизации функции Гиббса (собственно самой системы) организм - живая система должна, хотя бы с некоторым приближением, рассматриваться как закрытая, точнее, - как частично квазизакрытая! Такую систему следует считать нестационарной системой. Нестационарный проточный химический реактор, в котором накапливается продукт реакции, может также считаться частично квазизакрытой системой (в моей терминологии, - кинетически квазизакрытой системой). В этом случае накопление в реакторе продукта реакции связано с минимизацией функции Гиббса (Гельмгольца) за счет протекания процесса, который приводит к изменению содержимого реактора, т. е. собственно самой системы. Подобными наглядными примерами являются фитиль горящей свечи и накопление ржавчины в водопроводных трубах.

Упомянутые примеры обращают внимание на то обстоятельство, что в каждом конкретном случае крайне необходимо четко осмысливать интересующую нас ситуацию и при необходимости различать термодинамику процессов и термодинамику систем.

В целом же, нужно не упускать из виду, что любая модель точна только по определению. В зависимости от цели и задачи исследования в науке используются различные модели. Выбор той или иной модели определяется исследуемой иерархией структур (молекулы, супрамолекулярные образования, организмы, популяции и т.п.), выбором шкалы времени, размером изучаемой области пространства, другими факторами.

Таким образом, в случае изучения процессов в системах, которые не обмениваются веществом с окружающей средой (закрытые и изолированные системы), понятия "термодинамика процесса" и "термодинамика системы" в определенном смысле совпадают. Однако эти определения характеризуют различные случаи, если речь идет об открытой или квазизакрытой системе.

Приложение 7

О возможности существования зависимости стабильности систем переменного состава и функцией Гиббса образования этих систем

Строгую корреляцию между термодинамической стабильностью химических веществ различного состава и функцией Гиббса их образования (свободной энергией Гиббса образования) выявить невозможно, поскольку не известны абсолютные значения этих величин для элементов (простых веществ). Функции Гиббса образования всех элементов в нормальных условиях в термодинамике приняты равными нулю. Однако многочисленные вычисления и экспериментальные наблюдения позволяют выявлять тенденцию изменения удельной функции Гиббса образования иерархий живых систем (как и химических соединений в химической эволюции) в эволюции (филогенезе и онтогенезе) и связывать это изменения с изменением стабильности вещества. В связи с этим можно говорить об некой термодинамической однотипности химических элементов, являющихся основными составляющими предбиологических и биологических систем. Этот вопрос обсуждался автором в ряде недавних публикаций. Несомненно, дальнейшие исследования в этой области должны содействовать более глубокому пониманию выявленных экспериментальных закономерностей, которые пока имеют скромное физическое

обоснование. Следует заметить, что использование уравнения Гиббса-Гельмгольца-Гладышева, применяемое Г.В Козловым и коллегами, удовлетворительно объясняет формирование локального порядка в органических полимерах. Это лишний раз подтверждает существование некой корреляции между термодинамической стабильностью и функцией Ги-ббса образования структуры ряда распространенных органических полимеров.

Приложение 8

Термодинамика общества

В конце 90-х годов ХХ века, опираясь на высказывания известных творцов прошлого и на фундамент иерархической термодинамики, Либб Тимс в США сформулировал некоторые новые мысли, касающиеся термодинамики общества. Используя физико-химические аналогии, он, опираясь на качественные воззрения Иоганна Гете, предпринял попытку развивать науку о взаимодействии между людьми, ориентируясь на применение аппарата термодинамики Дж. У. Гибб-са. Свою термодинамику указанный автор вслед за своими предшественниками назвал "The human thermodynamics". Он предложил внести отдельные изменения в терминологию. Так, этот исследователь, вслед за некоторыми предшественниками, предлагает называть физические тела (объекты) всех иерархических уровней молекулами. В категорию понятия молекула, кроме химических веществ, попали микробы, люди, планеты, звезды и т.д. Это, на мой взгляд, является полным абсурдом и, разумеется, не позволяет использовать математику для описания явлений природы. Такое полное пренебрежение научным подходом создает неимоверную путаницу. Полагаю, что подобные представления являются «полной эклектической фантазией». В то же самое время, некоторые статьи в энциклопедии упомянутого автора EoHT содержат объективную информацию и имеют исторический интерес. Замечу, что химическая термодинамика, на которую, прежде всего, опирается упомянутая «термодинамика людей», как сейчас представляется, учитывает только работу расширения. Разумеется, этого явно недостаточно для описания возникновения жизни, ее эволюции и поведения живых объектов.

Иерархическая термодинамика общества или социологическая термодинамика, заложенная автором, изучает жизнь человеческого общества с позиции термодинамики сложных систем, т.е. систем в которых и над которыми совершаются различные виды работы, а не только работа расширения. Модель термодинамики общества автора, как и вся иерархическая термодинамика живых систем, не пренебрегает принципом холизма, который проявляется, например, через действие принципа стабильности вещества и окружающей среды. Полагаю, что создание иерархической термодинамики - важный шаг в развитии наук об обществе. Существует много примеров применения иерархической термодинамики к проблемам медицины, истории человечества и политики.

Приложение 9

Об истории создания иерархической термодинамики

Истории создания иерархической термодинамики живых систем, которая стала использоваться при описании явления зарождения жизни, её эволюции и превращений на всех структурных уровнях биологической материи, посвящены многие работы. В данном коротком обзоре, по-видимому, целесообразно отметить только отдельные последние публикации. В одной из статей автор описал этапы создания

теории, обратив особое внимание на исходные интуитивные соображения, используемые при разработке и совершенствовании новых представлений. Иерархическая термодинамика, построенная на основе точной теории Дж. У Гиббса «идеальных систем», сама является приближенной теорией, поскольку расширяет применение этой знаменитой теории применительно к сложным реальным иерархическим системам реального, постоянно меняющегося, мира. В некоторых современных энциклопедиях и учебниках отмечается появление иерархической термодинамики как новой области науки.

Список литературы

1. Пуанкаре А. О науке. Перевод с французского, под редакцией Л.С. Понтрягина. - М.: Наука, 1983. - C. 91-102.

2. Gibbs J.W. The Collected Works of J. Willard Gibbs Thermodynamics. - New York: Longmans, Green and Co., 1928. - Vol. 1, P. 55-349.

3. Bogolubov N.N. Selected works. Part 1, Dynamical Theory. - New York: Gordon and Breach Science Publishers, 1990.

4. Sedov L.I. The Thoughts on Science and on Scientists. -Moscow: Nauka, Russian Academy of Sciences, V.A. Steklov Mathematical Institute, 1980.- 440 p.

5. Popper K. R. Objective knowledge. An evolutionary approach. - Oxford: Clarendon Press, 1979.- Русский пер. под редакцией В.Н. Садовского: Поппер К.Р. Объективное знание. Эволюционный подход. - М.: УРСС, 2002. - С. 255-261.

6. Сычев В.В. Сложные термодинамические системы. 5-е издание. Москва, Издательский дом МЭИ, 2009. 296 с. Имеются англ. издания. Moscow: Mir Publishers, 1981; УРСС, 1994.

7. Jibamitra Ganguly. Thermodynamics in Earth and Planetary Sciences. Springer Science & Business Media, 29 июня 2009. ISBN: 978-3-540-77305-4, Print; 978-3-540-77306-1, Online.

8. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.- 1997.- 142 P. Russian: Г.П.Глады-шев. Термодинамическая теория эволюции живых су-ществ-М.:"Луч", 1996.-86с. http://www.statemaster.com/ encyclopedia/Thermodynamic-evolution https://ru.scribd.com/ user/4719076/Georgi

9. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика -Ключ к осознанию явления жизни.

Издание второе - М - Ижевск. ISBN: 59397-21982. 2003.

10. Гладышев, Г.П. (2013) Тропизм как общее явление во вселенной. Можно ли поведение систем различной природы описать Единой формулой? Международный симпозиум Современные проблемы высшего образования и науки в области химии и химической инженерии, Издательство Казахского Национального Университета, Алматы, 30-31 мая 2013, 7-11. Тропизм https://gladyshevevolution.wordpress. com/

11. Georgi P. Gladyshev (2015). Natural Selection and Thermodynamics of Biological Evolution. Natural Science, 7, No 5 117-126 Published Online March 2015 Pub. Date: March 9, 2015 DOI: 10.4236/ns.2015.73013 http://dx.doi.org/10.4236/ ns.2015.73013

12. Georgi P. Gladyshev (2015). Thermodynamics of Aging and Heredity . Natural Science, 7, No 5 270-286. Published Online May 2015 http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.75031 http://www.scirp.org/journal/ns

13. G. P. Gladyshev. Thermodynamics of the origin of life, evolution, and aging. Advances in Gerontology, April 2015, Volume 5, Issue 2, pp 55-58. http://link.springer.com/ journal/13329/5/2/page/1

14. Georgi Gladyshev Статьи на сайте RG https://www. researchgate.net/profile/Georgi_Gladyshev/contributions

15. Gladyshev Georgi P. (1978). "On the Thermodynamics of Biological Evolution", Journal of Theoretical Biology, Vol. 75, Issue 4, Dec 21, pp. 425-441 (Preprint, Chernogolovka, Institute of Chem. Phys. Academy of Science of USSR, May, 1977, p. 46).

16. Магомедов Г. М., Козлов Г.В. Синтез, структура, полимеров и нанокомпозитов на их основе: монография, М.: Академия Естествознания, 2010. - 464 с. Раздел 1.2. Термодинамика формирования локального порядка. с.17.

17. Г.П. Гладышев. Википедия.

18. Г.П. Гладышев. http://www.rah.ru/the_academy_today/ the_members_of_the_academie/member.php?ID=17768

19. Georgi Pavlovich Gladyshev. Encyclopedia StateMaster http://www.statemaster.com/encyclopedia/Georgi-Pavlovich-Gladyshev

http://www.statemaster.com/encyclopedia/Thermodynamic-evolutionhttp://www.statemaster.com/encyclopedia/History-of-thermodynamics http://www.statemaster.com/encyclopedia/ Entropy-and-life