CC BY
22HIERARCHICAL TERMODYNAMICS RULES THE WORLD TO THE EXTENT OF ITS
APPLICABILITY
Gladyshev G.
Doctor of chemical sciences, professor of physical chemistry Principal scientist, N. N. Semenov Institute of Chemical Physics Russian Academy of Sciences; Department
of design, Russian Academy of Arts Moscow
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА ПРАВИТ МИРОМ В МЕРУ СВОЕЙ
ПРИМЕНИМОСТИ
Гладышев Г.П.
Доктор химических наук, профессор физической химии
Главный научный сотрудник Институт химической физики им. Н. Н.Семенова Российская Академия наук;
Отделение дизайна, Российская Академия Художеств
Москва
Abstract
Hierarchical thermodynamics is a branch of classical thermodynamics, created on the foundation of the extended theory of J.W. Gibbs. Hierarchical thermodynamics, like classical thermodynamics of systems close to equilibrium, with good approximation uses state functions to study transformations in abiogenesis and biological evolution. State functions — functions that have full differentials and tend to extreme values, are the starting position of thermodynamics. Thermodynamics does not exist without state functions. Hierarchical thermodynamics, like classical thermodynamics, cannot be refuted within its applicability.
Аннотация
Иерархическая термодинамика - ветвь классической термодинамики, созданная на фундаменте расширенной теории Дж.У. Гиббса. Иерархическая термодинамика, как и классическая термодинамика близких к равновесию систем, с хорошим приближением использует функции состояния для исследования превращений в предбиологической и биологической эволюции. Функции состояния - функции, имеющие полные дифференциалы и стремящиеся к экстремальным значениям, являются исходной позицией термодинамики. Термодинамика не существует без функций состояния. Иерархическая термодинамика подобно классической термодинамике, в рамках своей применимости не может быть опровергнута.
Keywords: thermodynamics, hierarchical thermodynamics, the principle of substance stability, chemical evolution, biological evolution, life, the origin of life, aging, Darwinism, epigenetics.
Ключевые слова: термодинамика, иерархическая термодинамика, принцип стабильности вещества, химическая эволюция, биологическая эволюция, жизнь, возникновение жизни, старение, дарвинизм, эпи-генетика.
Целью настоящей работы является обсуждение положения о том, что выделение реальных квазизакрытых систем в различных иерархических структурах химического и биологического мира позволяет применять функции состояния, используемые в методах динамической иерархической термодинамики, для исследования процессов возникновения жизни, ее эволюции и старения живых существ. Кроме того, можно надеяться, что публикация этой статьи, как и других работ автора [1, 2], сократит, в меру возможного, поток исследований, содержащих ошибочные и необоснованные представления о термодинамике природных систем, которые в последние десятилетия буквально заполонили научную и популярную литературу.
Строгие математические основы равновесной термодинамики, часто называемой классической, были заложены Рудольфом Клаузиусом [3,4]. В дальнейшем термодинамика, как строгая наука, получила развитие в трудах ряда ученых, из которых, по-видимому, можно выделить имена Джозайя У.
Гиббса [5] и Константина Каратеодори [6,7]. Исходным положением равновесной термодинамики является представление о функциях состояния, т.е. функциях, которые имеют полные дифференциалы [3, 4, 8, 9]. Позже эти представления стали использоваться при исследовании систем близких к состоянию равновесия, когда можно было допустить, что функции состояния этих систем имеют реальный физический смысл [10]. Таким образом, термодинамика равновесных и близких к равновесию систем стала изучаться с общей позиции представления о функциях состояния. С этой точки зрения равновесную и близкую к равновесию термодинамику можно называть расширенной классической термодинамикой. Развитию близкой к равновесию термодинамики систем и процессов, по-видимому, мы во многом обязаны Кеннету Денбигу [10] и Ларсу Он-сагеру [11].
Попытки применять расширенную классическую термодинамику к реальным природным биологическим системам вплоть до конца 70-х годов
прошлого века не приводили к успеху. Основы новой ветви расширенной классической термодинамики были заложены только в 1976-1977 годах прошлого века автором настоящей статьи [12-15]. Однако признанию и развитию работ в этой области мешали (как и в наше время) модные нереальные представления о якобы существующих в живом мире живых диссипативных структурах, находящихся вдали от термодинамического равновесия. Не смотря на то, что указанные воображаемые биологические структуры рассматривались как структуры далекие от состояния равновесия, когда использование функций состояния неприемлемы, эту область исследования стали называть «термодинамикой систем далеких от равновесия». В действительности «термодинамика» систем далеких от равновесия является кинетикой, которая оперирует некой, к тому же не измеряемой, «кинетической энтропией». Другими словами «термодинамика систем далеких от равновесия» не имеет никакого отношения к истинной термодинамике. Далекая от равновесия «термодинамика» опирается на «энтропию Ильи Пригожина», которая к тому же не достигает экстремального значения в живых системах. Это полностью лишает исследования в области биологической эволюции с указанных позиций какого-либо ясного физического смысла.
Исследования в области «термодинамики» систем далеких от равновесия сопровождались многочисленными ошибками и пренебрежением основных положений термодинамики, что затормозило развитие науки о жизни на многие десятилетия. Более подробный анализ состояния исследований в этой сфере науки был представлен в ранее опубликованных работах автора. Итогом указанных работ является вывод о том, что с позиции расширенной классической термодинамики (равновесной и близкой к равновесию термодинамики) все исследования, связанные с самопроизвольным изменением или производством энтропии в живых системах, не делают какие-либо предсказания и лишены ясного физического смысла.
По-видимому, целесообразно также напомнить о существующих до сих пор ошибках и недоразумений, связанных с незнанием основ классической термодинамики многими исследователями. Наиболее известным, существующим до сих пор, недоразумением является использование понятия энтропии для объяснения якобы неизбежности тепловой смерти вселенной. Дискуссии в этой области, в которых принимали и принимают участие миллионы простых людей, инициировались и продолжают инициироваться, как правило, философами, любителями науки и даже политиками. Соображения о тепловой смерти вселенной появились в основном в связи с утверждением Р. Клаузиуса и Дж. У. Гиббса: «Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму». Упомянутые классики, сделали свое высказывание применительно к используемой ими модели вселенной - изолированной системе идеального газа, а вовсе не к реальной вселенной. Перенесение выводов, касающихся идеальной модели на реальную вселенную привело к
полному абсурду. Описанный случай является, по-видимому, самым наглядным примером, как вмешательство профессионально не подготовленных людей в интерпретацию достижений науки может влиять на судьбу осознания нашего мира.
Необходимо также отметить, что в середине прошлого века многие исследователи стали употреблять понятие о производстве энтропии в реальных биологических системах, когда эта функция состояния не достигает экстремального значения в упомянутых системах. Это полностью лишило термодинамику возможности делать какие-либо прогнозы, связанные с развитием и поведением живых систем. Подобная ситуация и сегодня существует в линейной «неравновесной термодинамике», которая рассматривает изменение суммарной величины энтропии - «энтропии всего мира», состоящей из изменений внутренней энтропии системы, 81 и энтропии окружающей среды, 8е. К сожалению, представленная концепция до сих пор преподается как основная термодинамическая теория, например, в ряде известных университетах России. Автор настоящей статьи полагает, что такое положение дел вряд ли будет способствовать ощутимому прогрессу в науке.
Следует также напомнить читателю, что много недоразумений возникает в связи с появлений различных видов «энтропии», которые часто имеют только лишь что общее, так это сам термин - «энтропия». Возможно также появление отдельных недоразумений в связи с использованием в общей, химической и технической термодинамике различной не общепринятой терминологии.
Относительно успехов иерархической термодинамики можно отметить, что она в меру своей применимости может быть использована для объяснения зарождения жизни, ее эволюции и старения живых существ [13-15]. Эта сравнительно новая ветвь расширенной классической термодинамики с известным приближением позволяет выявлять направленные тенденции развития живого мира и делать различные предсказания. Теория утверждает, что структуры всех химических и биологических иерархий стремятся к максимальной стабильности [16]. Это эквивалентно утверждению о том, что природа ищет минимальные значении удельной свободной энергии Гиббса образования структур на всех иерархических уровнях. Иерархическая термодинамика является физическим фундаментом расширенного Дарвинизма, который описывает явления природы с позиции принципа «вариации и селекции», действующего в мире химии и биологии [17].
Основным успехом иерархической термодинамики можно считать обоснование положения, что эволюция является самопроизвольным термодинамическим процессом развития живых систем, протекающим на фоне несамопроизвольных процессов в этих системах, инициируемых воздействием окружающей среды [18]. Если окружающая среда остается приблизительно постоянной на продолжительных этапах эволюции живого мира, биологиче-
ская эволюция направляется вторым началом термодинамики. Если в окружающей среде происходят резкие революционные изменения, тенденция развития жизни становится непредсказуемой и сама жизнь может погибнуть.
В заключительной части статьи уместно отметить, что в качестве основной направляющей силы эволюции рассматривается принцип стабильности вещества, который впервые был, фактически, представлен автором в первой основополагающей статье и ее препринте [12].
Направленность процесса зарождения жизни, биологической эволюции и старения живых существ с позиции иерархической термодинамики определяется принципом стабильности вещества. Указанный принцип, называемый также принципом обратных связей в иерархических преобразованиях живого мира, описывает термодинамический механизм взаимодействия структур смежных иерархий в реальной природе.
Для популяризации этого принципа, лежащего в основе иерархической термодинамики, автор приводил его в одной из его формулировок многократно в своих статьях. Эта формулировка звучит так: «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., the molecular level (j-1), and incorporates these unstable structures into the next higher level, i.e. the supramolecular level (j) ».
В русском переводе представленный принцип звучит так: «Природа при формировании или самосборке наиболее термодинамически стабильных структур высшего иерархического уровня (j), например, супрамолекулярного уровня, в соответствии со вторым законом спонтанно использует преимущественно наименее термодинамически стабильные структуры (доступные в данной локальной области биологической системы), принадлежащие к низшему уровню, т.е. молекулярному уровню (j-1). Эти сравнительно неустойчивые структуры внедряются в следующий более высокий уровень, то есть надмолекулярный уровень (j)».
Существуют и другие определения принципа. Иногда подчеркивается, что упомянутый принцип представляет тенденцию поиска природными системами локальных и общих равновесий на всех
структурных и временных уровнях организованной материи. Также отмечается, что принцип устанавливает преобладающие направления стремления к стабильности или удаление от стабильности преобразующихся иерархических структур (например, молекулярных и субмолекулярных) в биологической эволюции, филогенезе и онтогенезе.
С позиции принципа стабильности вещества удалось объяснить известные факты обогащения азотом, фосфором, серой, а также тяжелыми элементами живых существ в ходе их эволюции [19, 20]. Эпигенетические преобразования были также интерпретированы с позиции рассматриваемого принципа [20]. Кроме того, указанный принцип позволил сделать ряд рекомендаций в области диетологии, фармакологии и науки о старении. Так, удалось обосновать, что богатые азотом соединения должны, как правило, обладать свойствами ге-ропротекторов.
Иерархическая термодинамическая теория развивалась и совершенствовалась автором в течение четырех с лишним десятилетий. Однако основные положения теории, сформулированные в 70-х годах XX века, остались неизменными. Теория объяснила многие факты и сделала ряд подтвержденных ныне предсказаний. Все это позволяет утверждать, что иерархическая термодинамика в меру ее применимости не только не может быть опровергнута, но и в дальнейшем в меру возможного будет использоваться как действенный инструмент дальнейшего познания мира.
Заключение
Основной вывод настоящей статьи можно представить в виде утверждения:
Иерархическая термодинамика автора настоящей статьи [12, 13], созданная на основе термодинамики Р. Клаузиуса - Дж.У Гиббса [3-5], является физическим фундаментом расширенного Дарвинизма [14, 17], правящего эволюцией химического, биологического и других типов «материальных миров» вселенной,- эволюцией опирающейся на краеугольный принцип «вариации и селекции» [21].
Можно полагать, что возникновение жизни и ее эволюция определяется термодинамическими свойствами элементарных частиц, атомов, молекул, супрамолекулярных образований. Процессы самопроизвольной термодинамической самоорганизации указанных образований в конечном итоге приводят к появлению полииерархических структур живой материи.
Чарльз Дарвин
Джозайя Уиллард Гиббс
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Gladyshev G.P. The time has come to revive and develop the classics: hierarchical thermodynamics and life, Norwegian Journal of development of the International Science, №26/2019, Vol. 2, pp. 15-20. ISSN 3453-9875 http://www.njd-iscience.com/wp-content/uploads/2019/01/NJD_26_2.pdf
2. Gladyshev G. P. Hierarchical thermodynamics - a new stage of development of classics - http://en-deav.net/news/96-hierarchical.html
https ://www. researchgate. net/publica-tion/329923535_Hierarchical_thermodynamics-a_new_stage_of_development_of_classics_Ier-arhiceskaa_termodinamika-novyj_etap_razvi-tie_klassiki
3. Clausius Rudolf, 1858. "On the Treatment of Differential Equations which are not Directly Integrable." Dingler's Polytechnisches Journal, vol. cl., p. 29. See: http://www.eoht.info/page/Complete+differential
4. Clausius Rudolf, 1875. The Mechanical Theory of Heat (section: Mathematical Introduction: on Mechanical Work, on Energy, and on the Treatment of Non-Integrable Differential Equations, pp. 1-20. London: Macmillan & Co.
5. Gibbs J.W. The Collected Works of J. Willard Gibbs Thermodynamics — New York: Longmans, Green and Co., 1928. — Vol. 1, P. 55-349. In Russian: Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика. — М.: Наука, 1982.
6. Carathéodory, Constantin (1909). Translated by Delphinich, D. H. "Untersuchungen ueber die Grundlagen der Thermodynamik" [Examination of the foundations of Thermodynamics] (PDF). Mathematische Annalen. 67: 355— 386. doi: 10.1007/bf01450409
7. Eloshvili S. A. (Tbilisi, Georgia). On the mathematical foundations of hierarchical thermodynamics (in Russian)
http://ispcjournal.org/journals/2008/2008-1-9.pdf http ://www.bazaluk. com/conference/o -ma-tematiceskih-osnobah-ierarhiceskoy-ter-modinamiki.html
8. Sychev V.V., The differential equations of thermodynamics (1983) https://www.amazon.com/dif-ferential-equations-thermodynamics-V-Sychev/dp/B0006EEB2S
9. Sychev V. V. Complex thermodynamic systems. M .: Izd. House MEI, 2009 (In Russian).
10. Denbigh, K. G. Thermodynamics of the Steady State, 1951, 103 p. L.: Methuen.
11. Onsager Lars. The motion of ions: principles and concepts. Nobel Lecture, December 11, 1968.
https://www. nobelprize.org/uploads/2018/06/on-sager-lecture.pdf
12. Gladyshev Georgi P., On the Thermodynamics of Biological Evolution, Journal of Theoretical Biology, Vol. 75, Issue 4, Dec 21, 1978, pp. 425-441 (Preprint, Chernogolovka, Institute of Chem. Phys. Academy of Science of USSR, May, 1977, p. 46).
13. Gladyshev G.P., Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings, Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc., 1997. 142 P. In Russian: Гладышев Г.П., Термодинамическая теория эволюции живых существ, М.: "Луч", 1996.-86с. ISBN 57005-0545-2 (пер.) http://creata-cad.org/?id=58&lng=eng
14. http://www.statemaster.com/encyclope-dia/History-of-thermodynamics
14. Gladyshev G.P. On General Physical Principles of Biological Evolution, International Journal of Research Studies in Biosciences. 2017, Volume 5, Issue 3, Page No: 5-10. https://www.arcjour-nals.org/pdfs/ijrsb/v5-i3/2.pdf https://www.re-searchgate.net/publication/314187646_On_Gen-eral_Physical_Principles_of_Biological_Evolution
15. Gladyshev G.P., Leonhard Euler's Methods and Ideas Live in the Thermodynamic Hierarchical Theory of Biological Evolution. International Journal
of Applied Mathematics and Statistics, 2007, 11, pp. 52-68.
16. Gladyshev G.P. Nature Tends to Maximum Stability of Objects in all Matter Hierarchies. Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR) Vol-3, Issue-3, 2017 . https://www.onlinejour-nal.in/IJIRV3I3/327.pdf
17. Gladyshev G. P., Hierarchical Thermodynamics: Foundation of Extended Darwinism. Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR), 2017, Vol-3, Issue-2, ISSN: 2454-1362.
https ://www. researchgate. net/publica-tion/314082150_Hierarchical_Thermodynam-ics_Foundation_of_Extended_Darwinism http://impe-rialjournals.com/in-dex.php/IJIR/article/view/4265/4085
18. Gladyshev G.P. J Thermodyn Catal , 2017, 8: 2 DOI: 10,4172 / 2157-7544.100018, Life - A Complex Spontaneous Process Takes Place against the Background of Non-Spontaneous Processes Initiated by the Environment.
https://www.omicsonline.org/open-access/life--a-complex-spontaneous-process-takes-place-against-the-background-of-nonspontaneous-processes-initiated-by-the-environment-2157-7544-1000188.php?aid=91824
19. Gladyshev G.P., Thermodynamics of the origin of life, evolution, and aging, International Journal of Natural Science and Reviews. 2017. pp. 2-7. http://escipub.com/ijnsr-2018-01-1001/
20. Gladyshev G.P. On the thermodynamic direction of the origin of life and its evolution: A new confirmation of the theory, Journal of Norwegian development of the International Science, №26/2019, Vol. 1. ISSN 3453-9875 http://www.njd-iscience.com/ar-chive/
21. Darwin, C. On the origin of species by means of natural selection. — London: Murray, 1859. — ISBN 8420656070.
