Пришло время возрождать и развивать классику: иерархическая термодинамика и жизнь Текст научной статьи по специальности «Математика»

BIOLOGICAL SCIENCES

THE TIME HAS COME TO REVIVE AND DEVELOP THE CLASSICS: HIERARCHICAL

THERMODYNAMICS AND LIFE

Gladyshev G.

Doctor of chemical sciences, Professor Principal scientist N. N. Semenov Institute of Chemical Physics Russian Academy of Sciences, Department of Design, Russian Academy of Arts, Moscow

ПРИШЛО ВРЕМЯ ВОЗРОЖДАТЬ И РАЗВИВАТЬ КЛАССИКУ: ИЕРАРХИЧЕСКАЯ

ТЕРМОДИНАМИКА И ЖИЗНЬ

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

Abstracts

The history of thermodynamics is replete with errors and misunderstandings. The revival and development of the classics is extremely necessary in order to understand the origin of life and its evolution from the standpoint of a rigorous thermodynamic theory. The thermodynamic hierarchical theory of the author, created on the basis of the extended thermodynamics of JW Gibbs, allows revealing the causes of the origin of life, the direction of its evolution and aging of living beings. It is argued that hierarchical thermodynamics is the physical foundation of extended Darwinism.

Аннотация

История развития термодинамики изобилует ошибками и недоразумениями. Возрождение и развитие классики крайне необходимо, чтобы с позиции строгой термодинамической теории понять причину зарождения жизни и ее эволюцию. Термодинамическая иерархическая теория автора, созданная на основе расширенной термодинамики Дж. У. Гиббса позволяет выявить причины возникновения жизни, направленность ее эволюции и старения живых существ. Утверждается, что иерархическая термодинамика является физическим фундаментом расширенного Дарвинизма.

Keywords: thermodynamics, non-equilibrium thermodynamics, hierarchical thermodynamics, second law of thermodynamics, entropy, Gibbs free energy, law of temporal hierarchies, principle of substance stability , errors in thermodynamics, life, origin of life, abiogenesis, biological evolution, Darwinism, aging.

Ключевые слова: термодинамика, неравновесная термодинамика, иерархическая термодинамика, второй закон термодинамики, энтропия, свободная энергия Гиббса, закон временных иерархий, принцип стабильности вещества, ошибки в термодинамике, жизнь, возникновение жизни, абиогенез, биологическая эволюция, Дарвинизм, старение .

Эпиграфы

При создании основ иерархической термодинамической теории возникновения жизни, ее эволюции и старении живых существ автор ориентировался, прежде всего, на труды классиков, отдельные высказывания которых представлены ниже в качестве эпиграфов.

"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

"Thermodynamics is the only physical theory of universal content which I am convinced will never be overthrown, within the framework of applicability of its basic concepts."

Albert Einstein

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

Дмитрий Менделеев

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

Леонард Эйлер

«Если когда-либо будет обнаружено, что жизнь может возникать на земле, жизненные явления подпадут под некий общий закон природы».

Чарльз Дарвин

"Все в природе является результатом твердых законов".

Чарльз Дарвин

"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

Возможность применения термодинамики для осознания явления жизни привлекала исследователей, практически, сразу после зарождения этой области знания. Однако многочисленные попытки применить классическую термодинамику для объяснения возникновения жизни и ее эволюции в тот период оказались безуспешными. Хотя отдельные исследования были обнадеживающими.

В первой половине 20-го века появилось много работ, авторы которых предлагали использовать энтропию для объяснения направленности эволюции Вселенной, включая биологическую эволюцию. Большинство идей в этой области были связаны с представлениями Л.Больцмана о борьбе живых существ за энтропию, которую он рассматривал как некую «негэнтропию» - функцию, противоположную энтропии. В дальнейшем этот взгляд был поддержан Э.Шредингером, И.Пригожиным и многими другими. Однако надо заметить, что Э.Шредингер в примечании к последнему изданию книги «Что такое жизнь» отметил, что ему бы следовало использовать представление о свободной энергии Гиббса при рассмотрении биологической эволюции.

Появились тысячи публикаций, посвященных указанным и подобным представлениям. Многие авторы, которые использовали разнообразные сложные математические модели, фактически, не знали основ термодинамики. Волна фантазии захлестнула термодинамическую науку о жизни, затормозив развитие области более чем на столетие. Большинство публикаций содержали ошибки и недоразумения в области термодинамики и ее приложений. Многие статьи и книги изобиловали (также как и в наше время) недопустимыми ошибками, связанными с представлением об энтропии.

Энтропия является функцией состояния системы, т.е. функцией имеющий полный (точный) дифференциал [1-8]. Представление о функциях состояния ввел Рудольф Клаузиус.

Величиной энтропии может быть охарактеризована любая система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия. Кроме того с приемлемым приближением системы близкие к состоянию термодинамического равновесия также принято характеризовать величиной энтропии, как и другими функциями состояния. В этом случае считают, что как и для равновесных систем, энтропия имеет реальный физический смысл.

В соответствии со вторым началом термодинамики энтропия должна возрастать в изолированной системе, внутренняя энергия и объем которой постоянны и в которой (в этой системе) может совершаться только работа расширения. Такое стремление энтропии к максимуму является самопроизвольным. Примером подобной системы является система идеального газа. Системы типа разбавленных растворов, также рассматривают как подобные системы [6] .

В термодинамике обычно принято называть системы, в которых совершается только работа расширении, простыми. Сложными термодинамическими системами являются системы, в которых совершаются другие виды работ, кроме работы расширения [5].

Живые системы и объекты, например организмы, не являются указанными изолированными системами. Поэтому, если даже они являются квазизакрытыми, изучать их с позиции самопроизвольного изменения энтропии не имеет физического смысла. Энтропия таких систем может, как возрастать, так и уменьшатся [8].

Отсюда следует, что с позиции классической (равновесной или близкой к равновесию - квазиравновесной) термодинамики все исследования, связанные с самопроизвольным изменением или производством энтропии в живых системах, не предсказуемы и лишены ясного физического смысла.

С позиции строгой термодинамики (равновесной и квазиравновесной термодинамики) представления Л. Больцмана, Э. Шредингера, И.Пригожина о производстве энтропии, как и росте негэнтропии, в живых системах могут представлять только исторический интерес. Здесь необходимо отметить, что многие исследователи, включая автора настоящей статьи, упоминая работы, касающиеся производства энтропии в биологических системах, обычно

не писали об их сомнительности с позиции строгой термодинамики. Причина этому часто была связана с жестким рецензированием: затруднительно было публиковать работы, содержащие негативные взгляды на признанные модные направления в науке.

Истоки недоразумений относительно энтропии, прежде всего, связаны с поверхностным изучением трудов классиков и непрофессионализмом многих исследователей.

Термин энтропия ввел Рудольф Клаузиус. Свое «модельное» представление о мире (Вселенной) он представил в виде высказывания: «Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремиться к максимуму». В дальнейшем это высказывание Дж. У. Гиббс выбрал в качестве эпиграфа к знаменитой работе «О равновесии гетерогенных веществ». Упомянутые ученые сделали приведенное высказывание применительно к своей модели Вселенной. Эта модель соответствует простой изолированной системе идеального газа, т.е. изолированной системе идеального газа, внутренняя энергия и объем которой постоянны и в которой совершается только работа расширения.

Энтропия такой системы может только возрастать!

Следует заметить, что если говорить о подобной модели, которая соответствовала бы реальной Вселенной, необходимо было бы принять недоказуемое предположение о том, что все виды энергии реальной Вселенной перейдут в тепловую энергию. Только в этом случае, к тому же при дополнительных нереальных предположениях, Вселенная могла бы превратиться в «модельную систему» Клаузиуса - Гиббса. Однако непрофессиональные исследователи распространили рассматриваемое утверждение на системы других типов, в которых имеют место взаимодействия различной природы между частицами (молекулами или объектами других иерархий) и которые (системы) взаимодействуют с окружающей средой. Подобных ошибок не избежали также некоторые именитые ученые, не являющиеся профессионалами в соответствующих областях знания. Это привело к невообразимой путанице и затормозило более чем на столетие развитие науки. Появились тысячи публикаций в научных журналах и популярной литературе, содержащие отмеченные недоразумения. К этим недоразумениям прибавились некорректные представления о негоэнтропии и «диссипативных структурах в живом мире».

После открытия автором настоящей статьи закона временных (temporal) иерархий стало возможным физически обоснованно применять методы классической термодинамики для независимого изучения эволюционных превращений на всех структурных уровнях живого мира. Закон временных иерархий представляется в виде направленных рядов сильных неравенств (перекрывающихся триад Н. Н. Боголюбова, ст. [9]) средних времен жизни иерархических структур различных биологических видов живого мира.

Каждый вид организмов характеризуется своим индивидуальным рядом. В общем случае закон может быть представлен в виде: tj << tj+1 (1)

Здесь t1 - среднее время жизни структуры j низшего иерархического уровня, t1+1 - среднее время жизни структуры (j+1) высшего иерархического уровня. Если рассматривать основные иерархические уровни конкретного вида организмов, то можно написать:

<< t m << t im << t organelle << t cell << t organisms << tpop << tsoc << ... (2)

Здесь t - среднее время жизни «свободных» молекул метаболитов (m); выделенных в пространстве «свободных» супрамолекулярных структур (im); органелл (organelle); клеток (cell); организмов (org); популяций (pop); сообществ (soc).

Обмен иерархических структур в организмах и высших иерархиях согласуется с существования ряда (1). Структуры низших иерархий, например клетки в организме, живут значительно меньше структуры высшей иерархи - собственно самого организма. Разумеется, что без обмена веществ жизнь, как мы ее знаем, не могла бы существовать.

Опираясь на закон временных иерархий, автор показал, что возникновение жизни и ее эволюция и старение живых существ легко объяснимы с позиции иерархической термодинамики близких к равновесию термодинамически сложных динамических систем. Иерархическая термодинамика создана на прочном фундаменте классической термодинамики - термодинамики Рудольфа Клаузиуса, Дж. У. Гиббса и других творцов.

Было показано, что обогащение живых существ энергоемким химическим веществом в ходе эволюции и старения живых существ связано со стремлением к минимуму удельной свободной энергии Гиббса образования супрамолекулярных структур организмов этих живых существ.

Так, установлено, что в процессе онтогенеза (а также филогенеза и эволюции в целом) удельная функция Гиббса образования i-ых супрамолеку-лярных (межмолекулярных, im) структур тканей

j im ъ

организма, стремится к минимуму. Это

стремление, прежде всего, сопровождается изменением химического состава системы, наблюдающееся в ходе ее эволюционного изменения. Указанное стремление можно представить в виде выражения:

V

(jjm = — \—— (х, y, z)dxdydz ^ min (3) 1 у J dm

о

где V- объем собственно самой (исследуемой) системы, m - масса выделяемых микрообъемов; х, y, z -координаты; символ «-» означает, что вели-

j im „ , „

чина G является удельной (относящейся к макрообъему); символ «~» подчеркивает гетерогенный характер системы. Нижний индекс i относится к системам различного супрамолекулярного состава,

который (состав) постоянно меняется. Это изменение отражается на изменении химического состава системы во времени.

Рост химической энергоемкости организмов определяется направленным действием принципа стабильности вещества [10-14], который обычно формулируется следующим образом: «During the formation or self-assembly of the most thermodynami-cally 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) ». Автор теории полагает [7, 8, 14], что принцип стабильности вещества имеет простое качественное физическое обоснование с позиции закона сохранения энергии. Например, чем менее стабильные молекулы образуются из атомов, тем более стабильные супрамолекулярные структуры возникают в результате взаимодействия этих молекул. И наоборот: стабильные молекулы образуют сравнительно нестабильные супрамолекулярные структуры.

Таким образом, был дан ответ на основной вопрос: «какова причина постоянного стремления живых существ удаляться от химического равновесия с окружающей средой?». Все сомнения относительно направленного действия второго начала термодинамики и биологической эволюции исчезли. Супрамолекулярная термодинамика явилась ключом к осознанию явления жизни. Термодинамика и Дарвинизм стали совместимы [15].

Таким образом, иерархическая термодинамика является современной термодинамической теорией, которая изучает сложные гетерогенные химические и биологические системы, прежде всего открытые системы, обменивающиеся со средой веществом и энергией. Иерархическая термодинамика является термодинамикой систем, близких к состоянию равновесия, когда функции состояния эволюционирующих систем имеют реальный физический смысл. Иерархическая термодинамика является квазиравновесной динамической термодинамикой.

Иерархическая термодинамика, называемая также макротермодинамикой или структурной термодинамикой, рассматривает эволюционирующие системы в длительной шкале времени как открытые для обмена вещества и энергией с окружающей средой. Однако в коротких временных шкалах (на коротких временах), в малых окнах эволюции, когда можно считать, что иерархические подсистемы находятся в физических термостатах, они (подсистемы) рассматриваются как термодинамически закрытые (квазизакрытые), к которым, следовательно, применим классический термодинамический анализ.

Иерархическая термодинамика опирается на принцип стабильности вещества, который характеризует термодинамические связи между смежными иерархическими уровнями живой материи. Согласно теории иерархическая термодинамика является физической основой расширенного дарвинизма [15]. Концепция расширенного Дарвинизма утверждает, что принцип «вариации и селекции» распространяет свое действие не только непосредственно на биологическую эволюцию (в классическом понимании), но и на химическую эволюцию и все ноосферные стадии биологической эволюции. Для осознания указанной расширенной теории можно использовать обобщенное уравнение Гиб-бса — обобщенное уравнение первого и второго законов термодинамики.

В заключение следует отметить, что согласно иерархической термодинамической теории природа стремиться к максимальной стабильности на всех иерархических уровнях [16]. При этом с позиции принципа стабильности вещества был объяснен факт обогащения азотом и фосфором биотканей живых существ в ходе биологической эволюции.

Эволюция живых систем протекает как самопроизвольный процесс согласно второму закону термодинамики на фоне несамопроизвольных изменений в этих системах, инициируемых окружающей средой [8, 17]. Направленное действие второго закона термодинамики преобладает на продолжительных этапах биологической эволюции на планете. Однако на начальных стадиях эволюции революционное влияние окружающей среды оказывается довольно существенным, что способствует возникновению многочисленных форм живых существ - новых видов живых организмов.

Если окружающая среда существенно влияет на направленность эволюции, она становится непредсказуемой. Таким образом, что-то является предсказуемым, а что-то является непредсказуемым в эволюции.

На Рис.1 представлена спираль эволюции, которая отображает путь развития природных систем во времени. Обычно считают, что эволюция химических, геологических, биологических и других природных систем развивается по спирали, которая схематично отображает направленные циклические процессы, характеризующиеся появлением новых свойств у природных объектов. Спираль, изображенная на рисунке 1, отражает развитие геологических систем, а также живых существ, которое воспринимается нами как этап эволюции Земли.

Информация о достижениях иерархической термодинамики широко представлена в известных рецензируемых журналах открытого доступа и сайте RG .

Рис. 1. Спираль геологической и биологической эволюции отражает термодинамическую направленность эволюционного развития.

Credit: U.S. Geological Survey Department of the Interior/USGS U.S. Geological Survey/photo by Jane Doe

Примечание

Необходимо иметь в виду, что отсутствие строгой точной терминологии относительно определения стабильности химических соединений (метаболитов) может привести к ошибочному представлению о механизме действия принципа стабильности вещества. Так, автор настоящей статьи, используя общепринятую терминологию А. Лип-манна, неправильно интерпретировал направленность цикла АТФ при обмене веществ. В последующей работе [18] эта ошибка была исправлена: рекомендуется различать понятие «энергоемкости по А. Липманну» от, имеющего противоположный смысл, аналогичного понятия «энергоемкости», которое используется в классической и иерархической термодинамике.

Благодарности

Автор глубоко благодарен профессорам В.В. Сычеву, Н.Н.Боголюбову, мл., Акаеву А.А. и C.A. Элошвили за обсуждения и поддержку.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. 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

2. 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.

3. 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.

4. Bazarov I. P., B 17, Thermodynamics: Textbook. 5th ed., Sr. - SPb .: Lan publishing house, 2010. - 384 p. In Russian: Базаров И.П. Б 17. Термодинамика: Учебник. 5 е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2010. — 384 с.

Sychev V.V, Complex thermodynamic systems. M.: Izd. House MEI, 2009, ISBN 978-5-383-00418-0. In Russian: Сычёв В.В. Сложные термодинамические системы, 5-е изд., доп. — М.: Издат. дом МЭИ, 2009. — 296 с.: ил. — ISBN 978-5-383-00418-0.

5. Bawendi Moungi G., Alberty Robert A. and Silbey Robert J., Physical Chemistry, J. Wiley & Sons, Incorporated, John, 2004. Многократно переизданный университетский учебник.

6. 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

7.http://www.statemaster.com/encyclopedia/Hist ory-of-thermodynamics

8. 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

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

10. 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/ij ms/papers/i7030098.pdf

11. 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.

12. 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/

13. Gladyshev G.P. Hierarchical thermodynamics explains the origin of life and its evolution, Norwegian Journal of development of the International Science, No 17/2018, pp. 27-35. ISSN 3453-9875 http://www.njd-iscience.com/archive/ http://www.nor-wegian-journal.com/wp-content/up-

loads/2018/05/NJD_17_3 .pdf

14. 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/

15. 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

16. Gladyshev G.P. Nature Tends to Maximum Stability of Objects in all Matter Hierarchies. Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR) Vol-3, Is-sue-3, 2017 . https://www.onlinejour-nal.in/IJIRV3I3/327.pdf

17. 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

18. Gladyshev G. P. On the thermodynamics of a high-energy phosphate pool in biochemistry, Norwegian Journal of development of the International Science No 18/2018, VOL.2, pp. 18 - 21. http://www.njd-iscience.com/archive/

OBTAINING CHITOZAN-ALGINATE MICROPARTICLES LOADED WITH 5-FLUORORACIL AND FOLIIC ACID AS A SUBSTANCE FOR COMPLEX PREPARATION FOR CHEMOTHERAPY

Kuznetsova D.

Master student of D.Mendeleev University of Chemical Tecnology of Russia

Krasnoshtanova A.

Doctor of chemical sciences, associate professor, professor of the department of biotechnology

of D.Mendeleev University of Chemical Tecnology of Russia

ПОЛУЧЕНИЕ ХИТОЗАН-АЛЬГИНАТНЫХ МИКРОЧАСТИЦ, НАГРУЖЕННЫХ 5-ФТОРУРАЦИЛОМ И ФОЛИЕВОЙ КИСЛОТОЙ КАК СУБСТАНЦИИ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО

ПРЕПАРАТА ДЛЯ ХИМИОТЕРАПИИ

Кузнецова Д.А.

магистрант РХТУ имени Д.И. Менделеева Красноштанова А.А.

д.х.н., доцент, профессор кафедры биотехнологии РХТУ имени Д.И. Менделеева

Abstract

In this article the conditions for the incorporation of 5-fluorouracil and folic acid into chitosan-alginate mi-croparticles were selected and the release of drugs in a medium simulating the acidity of the gastrointestinal tract was investigated. Аннотация

В работе подобраны условия включения 5-фторурацила и фолиевой кислоты в хитозан-альгинатные микрочастицы и исследовано высвобождение лекарственных препаратов в среде, моделирующей кислотность желудочно-кишечного тракта.

Keywords: chemotherapy, alginate, chitosan, microparticles, folic acid, 5-fluorouracil.

Ключевые слова: химиотерапия, альгинат, хитозан, микрочастицы, фолиевая кислота, 5-фторура-

цил.

Онкологические заболевания в настоящее патологий, причём с каждым годом количество лю-время являются одной из самых распространенных дей, страдающих злокачественными новообразова-