CC BY
19PHYSICAL SCIENCES
ON THE STABILITY OF NUCLIDES AND CHEMICALS
Gladyshev G.
Doctor of chemical sciences, professor Principal scientist N. N. Semenov Institute of Chemical Physics Russian Academy of Sciences;
Russian Academy of Arts Moscow
О СТАБИЛЬНОСТИ НУКЛИДОВ И ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Гладышев Г.П.
Доктор химических наук, профессор, Главный научный сотрудник Институт химической физики им. Н. Н.Семенова Российская Академия наук;
Отделение дизайна, Российская Академия Художеств Москва
Abstract
An additional substantiation of the rule concerning the influence of oxygen and nitrogen on the change in the chemical and supramolecular stability of a substance during the origin of life and its evolution is presented. The relationship between the abundance of elements in the Universe and the binding energies (stability) of atomic nuclei is discussed. It is noted that elements with even atomic numbers (with separate exceptions) are more common in the universe and more stable than elements with odd atomic numbers. A statement is made about the possible action of the principle of substance stability during the transformation of atomic nuclei, molecules, and supramolecular structures in evolution.
Аннотация
Представлено дополнительное обоснование правила касающегося влияния кислорода и азота на изменение химической и супрамолекулярной стабильности вещества при возникновении жизни и ее эволюции. Обсуждается связь между распространенностью элементов во Вселенной и энергиями связи (стабильностью) атомных ядер. Отмечается, что элементы с четными атомными номерами (за отдельными исключениями) более распространены во вселенной и более стабильны, чем элементы с нечетными атомными номерами. Высказано положение о возможном действии принципа стабильности вещества при преобразовании атомных ядер, молекул и супрамолекулярных структур в эволюции.
Keywords: hierarchical thermodynamics, stability, principle of substance stability, nuclides, abundance of elements, evolution
Ключевые слова: иерархическая термодинамика, стабильность, принцип стабильности вещества, нуклиды, распространенность элементов, эволюция
Эпиграфы
"The simplicity - the only ground on which it is possible to erect a building of generalizations. "
Henri Poincare
"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
Согласно термодинамической теории происхождения жизни, ее эволюции и старения живых существ эволюция иерархических структур подчиняется иерархической термодинамике направляемой принципом стабильности вещества [1-4]. Су-прамолекулярные структуры обогащаются сравнительно нестабильным (энергоемким) химическим веществом в ходе эволюционного развития. Указанное сравнительно нестабильное вещество накапливает в организмах, прежде всего, соединения, содержащие азот, фосфор, а также серу. Эти факты согласуются с величинами химической свободной энергии Гиббса образования указанных соединений, AGf°298 [5]; (AfG'° [6] - в физиологических условиях). Сопоставление этих величин отражает
только тенденцию явления, поскольку сравниваются их значения для химических веществ различного химического состава в предположении, что биогенные элементы (H, C, N, O, S, P) являются с неким приближением термодинамически однотипными.
С рассматриваемых позиций было сформулировано качественное правило (1), которое утверждает: «Обогащение вещества атомами азота (при приблизительном сохранении соотношения других элементов в этом веществе) снижает его химическую стабильность, тогда как обогащение вещества атомами кислорода (при приблизительном сохранении соотношения других элементов в этом веществе) увеличивает его химическую стабильность». ("Enrichment of a substance with nitrogen atoms (while maintaining the approximate ratio of other elements in this substance) reduces its chemical stability, while enrichment of a substance with oxygen atoms (while maintaining the approximate ratio of other elements in this substance) increases its chemical stability") [7 - 10] . Представленное правило касается, прежде всего, биогенных (органических) веществ участвующих в эволюции.
Существует еще одно экспериментальное обоснование справедливости принципа стабильности вещества и упомянутого правила. Это связано с сопоставлением слабой корреляции между распространенностью элементов во Вселенной и энергиями связи атомных ядер. Полагают, что эта корреляция обусловлена существующей зависимостью межу стабильностью атомных нуклидов и относительным изобилием элементов: относительно стабильные элементы имеют относительно повышенное изобилие. Наблюдаемая корреляция характеризуется «зубчатым чередованием между относительным изобилием и дефицитом соседних атомных номеров на кривой атомного изобилия» ('the jagged alternation between relative abundance and scarcity of adjacent atomic numbers in the elemental abundance curve"). Аналогичная картина энергетических уровней наблюдается на кривой энергии ядерного связывания ("a similar pattern of energy levels in the nuclear binding energy curve"). Указанное зубчатое чередование может быть обосновано с позиции принципа исключения Паули [11].
Надо иметь в виду, что упомянутая корреляция не распространяется на все атомные ядра периодической системы элементов. Причины этого обсуждаются в многочисленных источниках, касающихся
квантовой механики и ядерной химии. Целью настоящей статьи не является обсуждение этих причин. Здесь речь идет о возможном использовании принципа стабильности вещества для расширения и дополнительного обоснования обсуждаемого правила (1) [7-10], касающегося некоторых биогенных элементов.
Сопоставление относительных стабильностей (энергии связей) ядер атомов азота (нечетный номер) и кислорода (четный номер) указывает на то, что ядра атомов азота менее стабильны, нежели ядра атомов кислорода. Молекула азота - N2 состоит из сравнительно малостабильных нуклидов N по сравнению с молекулой кислорода - О2 , которая стоит из сравнительно стабильных нуклидов О. Это, согласно принципу стабильности вещества, является причиной большей стабильности молекулярного азота по сравнению с молекулярным кислородом.
Фосфор, как и азот, имеет нечетный номер. Атомные ядра фосфора несколько менее стабильны ядер азота. С точки зрения принципа стабильности вещества можно объяснить, почему фосфор более интенсивно, нежели азот, накапливается в живых супрамолекулярных структурах в эволюции.
Данные, представленные на Рис.1 подтверждают сделанные заключения.
Рис.
36 41 46 Atomic number, Z
1 Относительное содержание элементов во Вселенной и на Земле [12]
На этом рисунке - логарифмическом графике представлена зависимость относительного содержания элементов относительно количества кремния (произвольно установленного равным 1) во Вселенной (фиолетовые столбцы) и на Земле (зеленые столбцы) как функция атомного номера. Элементы с четными атомными номерами, как пра-
вило, более распространены во Вселенной, чем элементы с нечетными атомными номерами. Кроме того, относительное содержание многих элементов во Вселенной существенно отличается от их относительного содержания на Земле [12]. (В подписи к оригинальному рисунку в указанном источнике «12» цвета столбцов перепутаны, что очевидно при
сравнении этого рисунка с нижестоящей рядом таблицей 20.6 в разделе 20.6).
Сопоставление значений относительной стабильности нуклидов большинства других биогенных элементов (например, ^ с атомами O, N P, S, позволяет также качественно согласовать известные данные с принципом стабильности вещества, действующим при образовании молекулярных и су-прамолекулярных структур с участием этих атомов. Существующее чередование зубчатой стабильности нуклидов элементов («четный - нечетный» атомный номер) можно рассматривать как некое проявление принципа стабильности вещества.
Можно также объяснить известные факты увеличения концентрации ионов К+ и снижения концентрации ионов в клетках в эволюции и при старении живых организмов с позиции принципа стабильности вещества.
Калий (К) и, как можно полагать, его катион (К+) должен быть менее стабилен № и его катиона (№+), поскольку он (К) менее распространен в природе (рисунок 1). Это сравнение, хотя и качественное, вполне разумно, поскольку № и К находятся в одной группе и оба имеют нечетные номера (11 и 19) в Периодической системе Дмитрия Менделеева. Таким образом, клетки в эволюционном развитии накапливают сравнительно менее стабильные катионы калия и обедняются сравнительно более стабильными катионами натрия, что и требует принцип стабильности вещества. Заметим, что Владимир Матвеев и другие исследователи объясняют изменение соотношения К+/№+ в супрамолекуляр-ных образованиях (протоклетках) при абиогенезе с позиции «клеточного подхода» [13]. Это объяснение во многом может быть согласовано с принципом стабильности вещества. Можно полагать, что модель В. Матвеева должна учитывать наличие в протоклетке не только супрамолекулярных структур пептидов, но и других подобных структур, содержащих олигомеры, например, олигомерные сахара и другие олигомерные продукты.
С позиции принципа стабильности вещества, по мнению автора, легко качественно объяснить некоторые биохимические процессы в организмах. Так, можно понять, почему гемоглобин является переносчиком кислорода, а не азота, который сравнительно хорошо адсорбируется металлическим железом.
Следует еще раз подчеркнуть, что обсуждаемые закономерности являются качественными, и обсуждаемая проблема, несомненно, требует более детального рассмотрения в будущем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Thermodynamics of hierarchical systems, Chemical Encyclopedia (1995), 4, 1062. The Great Russian Encyclopedia, Moscow (in Russian). http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4371 .html
2. Gladyshev Georgi P., The Principle of Substance Stability Is Applicable to All Levels of Organization of Living Matter Int. J. Mol. Sci. 2006; 7, pp. 98110 (PDF format, 130 K) http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf
3. Hierarchical thermodynamics. https://en.eve-rybodywiki.com/Hierarchical_thermodynamics
4. Spyros G Tzafestas. Energy, Information, Feedback, Adaptation, and Self-organization: The Fundamental Elements of Life and Society. Springer International Publishing, Jan 29, 2019 - Technology & Engineering - 668 pages.
5. Stull D. R., Westrum E. F. Jr., Sinke, G. C. (1969). The Chemical Thermodynamics of Organic Compounds, John Wiley and Sons, Inc., New York. Русский перевод: М., Мир, 1971.
6. MetaCyc Metabolic Pathway Database https://metacyc.org/
7. Gladyshev G., Gladysheva E. On the chemical composition and geroprotective properties of food and metabolites . Norwegian Journal of development of the International Science, No 16/2018, pp. 5-11. http ://www. nor-ij ournal. com/wp-content/up-loads/2018/03/NJD_16_1.pdf
8. Gladyshev G. P. Chemical and biological evolution: the principle of substance stability in action, Norwegian Journal of development of the International Science No 17/2018, V.3, pp. 36-41. http://www.njd-iscience.com/archive/
9. Гладышев Г.П. Динамит: принцип стабильности вещества в действии. http ://endeav. net/news/3 5 -dinamit-printsip-stabilnostiveshchestva-v-dejstvii.html
10. Гладышев Г.П. Новое правило в химии. http://endeav.net/news/44-stabilnost-molekul.html
11. Pauli exclusion principle. https://en.wikipe-dia.org/wiki/Pauli_exclusion_principle
12. General Chemistry: Principles, Patterns, and Applications, v. 1.0 Chapter 20: Nuclear Chemistry , Publisher: Saylor Academy, Year Published: 2012. https ://saylordotorg.github. io/text_general-chemistry-principles-patterns-and-applications-v1.0/index.html https://saylordotorg.github.io/text_general-chemistry-principles-patterns-and-applications-v 1.0/s24-06-the-origin-of-the -elements. html#averill_ 1.0-ch20_s06_s01_t01
13. Matveev V.V. (2017) Comparison of fundamental physical properties of the model cells (pro-tocells) and the living cells reveals the need in proto-physiology, International Journal of Astrobiology, 16(1), pp.97-104. doi: 10.1017/S1473550415000476. http ://www.bioparadigma. spb. ru/files/Matveev-2016-Protophysiology.Rus.pdf
