CC BY
27PHYSICAL SCIENCES
THE PRINCIPLE OF SUBSTANCE STABILITY UNITES EVOLUTIONARY THERMODYNAMIC
REGULARITIES
Gladyshev G.
Doctor of chemical sciences, professor Principal scientist N. N. Semenov Institute of Chemical Physics Russian Academy of Sciences, Moscow
Gladysheva E.
Dr. of medical science, assistant of The FGBOU VO "The First Moscow State Medical University named after I.M. Sechenov» Ministry of Health ofRussia Department of Hospital Therapy № 1 and The Hospital veterans for wars number 1 DZM, Moscow
ПРИНЦИП СТАБИЛЬНОСТИ ВЕЩЕСТВА ОБЪЕДИНЯЕТ ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
Гладышев Г.П.
Доктор химических наук, профессор, Главный научный сотрудник Институт химической физики им. Н. Н. Семенова Российская Академия наук, Москва Гладышева Е.Г.
Кандидат медицинских наук, ассистент кафедры госпитальной терапии №1 ФГБОУ ВО «Первого Московского государственного медицинского университета
имени И.М. Сеченова» Минздрава России, ГБУЗ Госпиталь для ветеранов войн № 1ДЗМ, Москва
Abstract.
The paper presents new data confirming the principle of substance stability. One of the simplified versions of the formulation of this principle is discussed, which can be viewed as a regularity reflecting the striving of nature towards equilibrium. From the standpoint of the principle of substance stability, the rules concerning the contribution of nitrogen and oxygen to the stability of organic substances are considered. The regularity of nature striving for equilibrium reflects the tendency of nature striving for equilibrium at all hierarchical levels of chemical and biological evolution. In accordance with the principle of substance stability, systems and organisms in the process of abiogenesis and biological evolution should be enriched, first of all, with nitrogen, phosphorus and, to some extent, sulfur.
Аннотация.
В работе представлены новые данные, подтверждающие принципа стабильности вещества. Обсуждается один из упрощенных вариантов формулировки этого принципа, который можно рассматривать как закономерность, отражающую стремление природы к равновесию. С позиции принципа стабильности вещества рассматриваются правила, касающиеся вклада азота и кислорода в стабильность органических веществ. «Закономерность стремления природы к равновесию» отражает тенденцию стремления природы к равновесию на всех иерархических уровнях химической и биологической эволюции. В соответствии с принципом стабильности вещества системы и организмы в процессе абиогенеза и биологической эволюции должны обогащаться, прежде всего, азотом, фосфором и в некоторой степени - серой.
Keywords: life, hierarchical thermodynamics, stability, origin of life, biological evolution, phylogenesis, ontogenesis, chemical evolution, organogens.
Ключевые слова: жизнь, иерархическая термодинамика, стабильность, биологическая эволюция, филогенез, онтогенез, химическая эволюция, органогены.
Epigraphs
«Если когда-либо будет обнаружено, что жизнь может возникать на земле, жизненные явления подпадут под некий общий закон природы».
Чарльз Дарвин
Настоящая статья посвящена дальнейшему термодинамическому анализу принципа стабильности вещества, представленному в различных формулировках,- принципу, который определяет направленность биологической эволюции с позиции иерархической термодинамики.
Иерархическая термодинамика является новой ветвью классической термодинамики, которая использует представление о функциях состояния, применимое к равновесным и близким к равновесию системам. Эта новая феноменологическая динамическая квазиравновесная термодинамика изучает изменения функций состояния квазизакрытых систем, когда эти функции стремятся к экстремальным значениям [1].
Движущей силой самопроизвольной направленности возникновения жизни и ее эволюции является принцип стабильности вещества, одна из
формулировок которого может быть представлена в виде [2,3]:
«Природа при формировании или самосборке наиболее термодинамически стабильных структур высшего иерархического уровня (¡), например, су-прамолекулярного 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 (¡-1). Эти неустойчивые структуры внедряются в следующий более высокий уровень, то есть надмолекулярный уровень (])».
Принцип стабильности вещества может быть несколько перефразирован и представлен, с некоторой точки зрения, в упрощенной и, по-видимому, более осязаемой форме некой закономерности. В формулировке этой закономерности, названной «закономерностью стремления природы к равновесию», обобщенное понятие стабильности заменяется более осязаемой величиной - свободной энергии Гиббса образования компонентов индивидуальных иерархических структур. В случае химической и молекулярной биологической эволюции такими компонентами - структурами являются атомы, молекулы или их фрагменты, участвующие в эволюционных преобразованиях
«Закономерность стремления природы к равновесию» может быть сформулировано следующим образом:
«Природа при формировании или самосборке наиболее близких к термодинамическому равновесию структур высшего иерархического уровня (¡), например, супрамолекулярного уровня, самопроизвольно в соответствии со вторым законом спонтанно использует преимущественно наименее близкие к термодинамическому равновесию структуры (доступные в данной локальной области системы), принадлежащие к низшему уровню, т.е. молекулярному уровню (¡-1). Эти неустойчивые структуры внедряются в следующий более высокий уровень, то есть надмолекулярный уровень (])». При этом все структуры или их фрагменты каждой структурной иерархии характеризуются величинами удельной функции Гиббса их образования, которые имеют минимальное (или близкое к нему) значение. Важно отметить, что представленная формулировка рассматриваемой закономерности «созвучна» утверждению: «природа ищет минимальные удельные значения свободной энергии Гиббса образования всех иерархических структур в эволюции».
В связи с обсуждаемой проблемой целесообразно вспомнить, что ранее были сформулированы некоторые качественные правила, касающиеся тенденции изменения концентрации различных атомов, входящих в состав химических структур, используемых природой при эволюционных превращениях. [4, 5, 6].
В работах [5] можно прочитать: "Присутствие атомов кислорода в молекулах способствует их стабильности, тогда как присутствие атомов азота обычно удаляет эти молекулы от стабильности".
В дальнейшем формулировка упомянутого правила была уточнена[6]:
«Обогащение веществ атомами азота (при приблизительном сохранении соотношения других элементов в этом веществе) снижает их химическую стабильность, тогда как обогащение веществ атомами кислорода (при приблизительном сохранении соотношения других элементов в этом веществе) увеличивает их химическую стабильность».
Указанный подход, опирающийся на принцип стабильности вещества, подтверждает термодинамическую направленность изменения химического и супрамолекулярного состава в химической и биологической эволюции [7].
Упомянутое качественное правило хорошо согласуются с принципом стабильности вещества. В то же самое время это правило также согласуются с закономерностью стремления природы к равновесию, которая (закономерность) ориентируется на знаки (положительные или отрицательные) перед значениями удельной свободной энергии Гиббса образования различных соединений или их фрагментов, участвующих в молекулярных эволюционных преобразованиях.
В таблице 1 представлены результаты величин стандартной свободной энергии Гиббса образования некоторых органических веществ, а также воды, характеризующих стабильность рассматриваемых соединений в условиях существования жизни. Эти данные относятся к десяткам выбранных соединений, термодинамические характеристики которых содержатся в фундаментальной монографии - справочнике [8]. Из приведенных данных видно, что рассмотренные соединения азота и серы в стандартных условиях являются сравнительно нестабильными, поскольку величины Ав í 0 298 для этих веществ положительны, т.е. больше нуля. С другой стороны, рассмотренные соединения кислорода (как и вода) в стандартных условиях являются сравнительно стабильными, поскольку величины А в í 0 298 для этих веществ отрицательна, т.е. меньше нуля.
Из закономерности стремления природы к равновесию, как и из принципа стабильности вещества, следует, что иерархические структуры в абиогенезе и биологической эволюции должны обогащаться азотом и серой, но обедняться водой и в определенной мере соединениями кислорода (имеются в виду органические соединения, способные образовывать конечные продукты окисления).
Провести подобный анализ, касающийся соединений фосфора весьма затруднительно, вследствие причин указанных в сноске к таблице 1. Хотя в связи с тем, что фосфор является аналогом азота, можно считать, что он, сам по себе, также вносит отрицательный вклад, снижающий стабильность органического структурного каркаса живых систем.
Таким образом, несмотря на отсутствие учета многих факторов, например, таких как, влияние природы и размера рассматриваемых группировок, а также ориентация, фактически, только на знак пе-
ред значением AG f 0 298 , выявляется общая направленная тенденция влияния природы биогенных элементов на направленное изменение химического состава живых организмов в эволюции.
Таблица 1.
Стандартная свободная энергия Гиббса образования некоторых органических веществ и воды,
в состоянии идеального газа при 250 С, ккал/моль (AG f 0 298)
Элементы, входящие в состав соединения AG f 0 298 , ккал/моль Примечание
C, H, N AG f 0 298 > 0 Если в состав соединения входят кислород, то значения Дв^ 298, как правило, отрицательные.
C, H, O AG f 0 298 < 0 Исключение составляет фуран, для которого значение Дв { 0 298, по-видимому, больше нуля.
C, H, S AG f 0 298 > 0 Имеется несколько несущественных исключений из представленной тенденции.
H2O AG f 0 298 < 0 Две0 298 - сравнительно большая величина, составляет основной вклад в стабильность тканей живых существ.
*В таблице не представлены данные, касающиеся вклада фосфора в снижение стабильности химической структуры биотканей живых существ. В основном фосфор входит в состав группировок содержащих кислород, который увеличивает стабильность молекулярной структуры и тем самым нивелирует вклад фосфора в снижение этой стабильности в эволюционных изменениях.
Таким образом, новая редакция принципа, как и сам принцип стабильности вещества, обосновывает тенденцию изменения химического состава живых существ в эволюции.
Приведенные результаты согласуются с известными данными, касающимися эволюции на
планете. Так, химический состав растений и животных в эволюционном развитии соответствует направленным тенденциям, выявляемым в соответствии с принципом стабильности вещества и принципом стремления природы к равновесию [9].
Доказательством направленного действия принципа стабильности вещества, а также упомянутой закономерности является сравнительное повышенное накопление атомов азота, фосфора, а также серы организмами при развитии биологической эволюции. Рассмотрим данные Таблицы 2, в которой проведено сопоставление содержания химических элементов - органогенов (% масс.) в растениях и животных (по А.П. Виноградову и другим).
Таблица 2.
Содержание органогенов (% масс.) в растениях и животных
. Ершову, В. А. Попкову и др.)
Элемент Растения Животные
H 10 9.7
C 18 21
N 0.3 3.1
O 70 62.4
P 0.07 0.95
S 0.05 0.16
Из этих данных 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 и закономерность стремления природы к равновесию, 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 (химическая) 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, углерода и водорода в организме человека во много раз больше, чем содержание этих элементов в земной коре.
С позиции иерархической термодинамики самопроизвольные процессы в онтогенезе должны быть похожими на самопроизвольные процессы в филогенезе. Поэтому тенденция, касающиеся направленности изменения химического и супра-молекулярного состава в ходе эволюции и филоге-
неза в периоды практического постоянства окружающей среды, должна проявляться подобным образом в онтогенезе живых организмов. Подтверждением этой тенденции, является давно известное увеличение концентрации азота и уменьшение количества воды при эмбриональном (внутриутробном) развитии животных. Очень наглядные примеры давно были представлены в исследованиях Моултона [10, 11]. Эти данные согласуются с утверждением термодинамики о том, что эмбриональные ткани растений и животных при их использовании в качестве пищи должны способствовать увеличению продолжительности жизни живых существ [12]. В будущем следует ожидать много интересных исследований в этой области.
Проведенный анализ подтверждает общий вывод термодинамической теории о том, что возникновение жизни, ее эволюция и старение живых существ является совокупностью самопроизвольных внутренних процессов в развивающихся системах, протекающих на фоне несамопроизвольных процессов, инициируемых окружающей средой, также протекающих в этих системах. Кроме того, подтверждается концепция, что иерархическая термодинамика является фундаментом расширенного Дарвинизма [13].
Заключение
Выводы относительно термодинамической направленности эволюции, филогенеза и онтогенеза были сделаны на основе принципа стабильности вещества, который был представлен в форме наглядного рисунка в препринте работы [11]. Анализ, выполненный в последующих исследованиях, подтвердил сделанные утверждения. Несмотря на отсутствие данных об абсолютных значениях функций состояния элементов, принцип стабильности вещества позволил выявить термодинамические тенденции, определяющие эволюционное развитие живой природы [14]. Во всяком случае, можно утверждать, что природа, руководствуясь вторым началом термодинамики «сама учитывает» значения стабильности веществ при эволюционном изменении состава химической и живой материи.
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. 1. ISSN 34539875 http://www.njd-iscience.com/archive/
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, p. 98110 http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf
3. 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, VOL.3, pp. 36-41. http://www.njd-iscience.com/archive/
4. Гладышев Г.П. Динамит: принцип стабильности вещества в действии. http ://endeav. net/news/3 5 -dinamit-printsip-stabilnosti-veshchestva-v-dejstvii.html
5. Гладышев Г.П. Новое правило в химии. http://endeav.net/news/44-stabilnost-molekul.html
6. Gladyshev G., Gladysheva E. On the chemical composition and geroprotective properties of food and metabolites http://www.njd-iscience.com/wp-con-tent/uploads/2018/03/NJD_16_1.pdf
7. 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/
8. 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.
9. Гладышев Г. П. Иерархическая термодинамика и эволюция химической и биологической материи. The scientific heritage. Vol. 1, No 3 - (3) (2016). http://tsh-journal.com/wp-content/up-
loads/2016/10/VOL-1-No-3-3-2016.pdf Moulton C. R., J. Biol. Chem., 1923, 57, p. 79-97.
10. 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).
11. Gladyshev G. P., Macrothermodynamics of Biological Evolution. Aging of Living Beings, International Journal of Modern Physics B, Vol. 18. No. 6. 2004, pp. 801-825.
12. 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.re-searchgate.net/publication/314082150_Hierar-chical_Thermodynamics_Foundation_of_Ex-tended_Darwinism http://imperialjournals.com/in-dex.php/IJIR/article/view/4265/4085
13. Gladyshev G.P. Hierarchical thermodynamics presents model of evolution of live world. Norwegian Journal of development of the International Science, №28/2019, Vol. 2, pp. 50-57. ISSN 3453-9875 http://www.njd-iscience.com/wp-content/up-loads/2019/03/NJD_28_2.pdf
