Термодинамика нуклеиновых кислот как источника жизни

Гладышев Г.П.

PHYSICAL SCIENCES

THERMODYNAMICS OF NUCLEIC ACIDS AS SOURCE OF LIFE

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

ТЕРМОДИНАМИКА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ КАК ИСТОЧНИКА ЖИЗНИ

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

Considerations are presented aimed at finding common thermodynamic causes of the appearance of the simplest nucleic acids under conditions acceptable for their existence and functioning. Life, as we imagine it, begins with the actual life of nucleic acids, which appears when the thermodynamic parameters of the environment fluctuate periodically in a narrow range of their changes. The postulate "Life strives for maximum hierarchy through cyclic transformations" was first formulated.

Аннотация

Представлены соображения направленные на поиск общих термодинамических причин появления простейших нуклеиновых кислот в условиях приемлемых для их существования и функционирования. Жизнь, как мы ее представляем, начинается с собственно самой жизни нуклеиновых кислот, которая появляется при периодическом колебании термодинамических параметров окружающей среды в узком диапазоне их изменения. Впервые сформулирован постулат «Жизнь стремится к максимальной иерархичности путем циклических превращений».

Keywords: nucleic acids, hierarchical thermodynamics, the principle of substance stability, the origin of life, aging, Darwinism, epigenetics.

Ключевые слова: нуклеиновые кислоты, иерархическая термодинамика, принцип стабильности вещества, возникновение жизни, старение, дарвинизм, эпигенетика.

Epigraphs

"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

Целью настоящей статьи является представление простой модели зарождения биологической жизни начинающейся с направляемой иерархической термодинамикой молекулярно - супрамолеку-лярной жизни нуклеиновых кислот.

Появление биологической материи связано с возникновением в водной среде, содержащей первичные ингредиенты жизни, воспроизводящихся супрамолекулярных структур простейших нуклеиновых кислот в результате периодической кристаллизации и рекристаллизации. Жизнь, как мы ее представляем, начинается с собственно самой жизни нуклеиновых кислот, которая появляется

при периодическом колебании термодинамических параметров окружающей среды в узком диапазоне их изменения. Появление и развитие жизни нуклеиновых кислот сопровождается сопутствующими зарождающимися процессами синтеза белка, углеводов и других многочисленных молекул метаболитов, которые участвуют в организации и развитии супрамолекулярных структур и в дальнейшем структур высших иерархий. Всеми процессами развития жизни управляет, созданная на основе теории Дж. У. Гиббса [1] иерархическая термодинамика [26], направленное действие которой определяется принципом стабильности вещества [3-6].

Первичными ингредиентами жизни являются органические и неорганические вещества, появляющиеся на небесных телах и присутствующие в зонах ее возникновения. Такими веществами являются в основном соединения содержащие водород (Щ углерод (О, азот (Ы), кислород фосфор и серу Простейшие нуклеиновые кислоты трансформируются и функционируют в результате самопроизвольных превращений направляемых вторым началом термодинамики и периодическими

несамопроизвольными адаптивными процессами, инициируемыми окружающей средой на продолжительных этапах эволюции [5, 7]. Упомянутые несамопроизвольные процессы возникают под действием электромагнитных излучений, механических и других воздействий. Все процессы.

приводящие к зарождению жизни нуклеиновых кислот, учитывает расширенное обобщенное уравнение Гиббса - расширенное обобщенное уравнение первого и второго начал термодинамики [3,4]:

da =Y,da< +

i k

Здесь: Т - температура; - энтропия; V-объем; р - давление; X - любая обобщенная сила, за исключением давления; х - любая обобщенная координата, за исключением объема; ц - эволюционный (в частном случае,- химический) потенциал; т - масса к-го вещества; работа, совершенная системой, отрицательна. Индекс / относится к частной эволюции, а к - к компоненту / - ой эволюции. Верхний индекс * означает, что рассматривается поведение сложной термодинамической системы.

При существовании всех условий необходимых для возникновения нуклеиновых кислот сама иерархическая термодинамика, направляемая действием принципа стабильности вещества, «создаст» именно эти первичные «живые» молеку-лярно - супрамолекулярные структуры, которые будут функционировать в приемлемых условиях

(3)

окружающей среды. Другими словами, в приемлемых условиях для появления жизни, химический состав и строение нуклеиновых кислот должны быть именно такими, какими их требует иерархическая термодинамика. Это является неукоснительным требованием иерархической термодинамики, которая постоянно ищет максимально стабильные структуры на всех иерархических уровнях [8]. Природа систематически «подстраивается» под действие термодинамики.

Иерархическая термодинамика, направляемая принципом стабильности вещества, первоначально отдает предпочтение появлению рибонуклеиновых кислот. Это утверждение подтверждается сравнением стандартной свободной энергии Гиббса (или просто,- свободной энергии) образования различающихся фрагментов РНК и ДНК в физиологических условиях [9]:

Фрагменты РНК

НО 1

сн^нс V

о он

ч /

сн

НС—

к

н

с/

\

он

но

I

сн2_.

Фрагменты ДНК

уо он

НС ЧСН

\

нс—dH2 не/

Рибоза

AJG'° (kcal/mole) = -78.91

Дезоксирибоза

AJG'° (kcal/mole) = -38.79

AfG'° (kcal/mole) = -29.00

HMiiH

AfG'° (kcal/mole) = -10.08

Сравнение относительной стабильности однотипных (близких по составу) веществ или их фрагментов делается на основании сопоставления свободной энергии их образования: «чем отрицательнее свободная энергия образования или чем ближе

эта величина к отрицательному значению (в случае положительной ее величины), тем сравнительно стабильнее соединение». Сделанное утверждение иллюстрирует схема:

Из представленного сопоставления стандартной свободной энергии образования фрагментов нуклеиновых кислот следует, что фрагменты РНК -рибоза и урацил химически более стабильны фрагментов ДНК - дезоксирибозы и тимина. Согласно принципу стабильности вещества это означает, что РНК образует менее стабильные супрамолекуляр-ные структуры по сравнению с ДНК. Действительно, на практике мы наблюдаем соответствующие эффекты: менее химически стабильные цепи ДНК согласно принципу стабильности вещества

имеют предпочтение к комплементарному спариванию по сравнению с цепями РНК, которые преимущественно образуют супрамолекулярные структуры с молекулами окружающей среды.

Таким образом, принцип стабильности вещества способствует эволюционному отбору ДНК в живых системах предпочтительно в форме двойных спиралей, а РНК в форме конформаций с участием одиночных цепей [6]. Рис 1. Является иллюстрацией к сделанному заключению.

Рис. 1. Иллюстрация принципа стабильности вещества. Представлены типичные структуры ДНК (а) и РНК (б). РНК образует менее регулярные упорядоченные структуры, содержащие много одноцепочеч-

ных сегментов полимерных цепей.

Целесообразно заметить, что при эпигенетических превращениях принцип стабильности вещества также эффективно работает. Например, в эволюции и при старении живых существ химически нестабильный остаток цитозина превращается в

еще боле химически нестабильный остаток 5-ме-тилцитозина, который участвует в образовании сравнительно более стабильной структуры двойной спирали ДНК [9]:

Cytosine (Цитозин) C4H5N3O 111.1 Daltons

AfG'° = 19.91 kcal/mol [Latendresse13]

5-methylcytosine (5-метилцитозин)

C5H7N3O

125.13 Daltons

AfG'° = 38.82 kcal/mol [Latendresse13]

Действие принципа стабильности вещества применительно к жирам, маслам, жирным кислотам, белкам, нуклеиновым кислотам и другим метаболитам также продемонстрировано в работах [10, 11].

Описанная выше «кристаллизация и рекристаллизация» (локальная реденатурация и денатурация - плавление) происходят на всех уровнях и подуровнях высших иерархических структур. Каскад последовательных трансформируемых иерархических превращений, соответствующий принципу стабильности вещества (принципу обратных связей), направляется в сторону завершения онтогенеза и филогенеза. На всех иерархических уровнях образуются именно те структуры, которые требует термодинамика индивидуальных и высших смежных иерархий, которые играют роль окружающей среды.

С позиции общих физических представлений о нашем мире, по-видимому, можно характеризовать эволюционную направленность развития жизни следующим образом: «Жизнь стремится к максимальной иерархичности путем циклических превращений». Формулировка этого постулата должна учитывать все иерархии, включая физические поля, обрамляющие живые объекты и определяющие их дизайн. Можно полагать, что взаимодействие физических полей - высших иерархий проявляется в виде сознания контролируемого мозгом. Простота представленного постулата созвучна простоте представлений Дарвинизма о «вариации и селекции» [12, 13], в основе которого лежат законы иерархической термодинамики. Жизнь нуклеиновых кислот, биологическая жизнь, как и жизнь вселенной, существуют благодаря общим законам

природы, привнесенным извне [3, с. 7, англ.; с. 9, русский]. Как возникли эти законы? Однозначного ответа нет. Можно полагать, что это сделала «Природа - творец»...

Из представленного рассмотрения следует, что для создания жизни в лабораторных условиях необходимо использовать водную систему, содержащую все необходимые химическое ингредиенты, подвергающиеся периодическим воздействием окружающей среды для появления функционирующих нуклеиновых кислот. При этом необходимо найти пути ускорения развития процессов кристаллизации и рекристаллизации структур, предшествующих появлению молекул простейших нуклеиновых кислот. Как это сделать? По-видимому, целесообразно увеличить скорость (частоту) периодического изменения внешних физических воздействий на исходную систему. Во всяком случаи нужны новые подходы к экспериментальным исследованиям.

Заключение

Биологическая жизнь - повторяющийся циклический процесс обмена - круговорота веществ управляемый иерархической термодинамикой, учитывающей самопроизвольные превращения, протекающие на всех иерархических уровнях внутри живых объектов на фоне несамопроизвольных превращений, инициируемых окружающей средой также внутри этих объектов.

Биологическая жизнь, как мы ее знаем, начинается с жизни простейших нуклеиновых кислот в условиях термодинамически приемлемых для их существования и функционирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. 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.

2. 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, на английском и русском).

3. 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

http://www.statemaster.com/encyclopedia/His-tory-of-thermodynamics

4. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика - Ключ к осознанию явления жизни. Что такое жизнь с точки зрения физико-хи-мика. Издание второе - М. - Ижевск. ISBN: 5939721982. 2003.

5. 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

6. 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/

7. 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 h https://www.re-searchgate.net/publication/314187646_On_Gen-eral_Physical_Principles_of_Biological_Evolution

8. 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

9. MetaCyc https://metacyc.org/ .

10. 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.nj d-iscience.com/archive/ http ://www. norwegian-j ournal.com/wp-content/up-loads/2018/05/NJD_ 17_3.pdf .

11. 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. 2, pp. 31-36. ISSN 3453-9875 http://www.njd-isci-ence.com/archive/

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12. 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. nj d-iscience.com/wp-content/up-loads/2019/03/NJD_28_2.pdf

13. Darwin Ch. On the origin of species by means of natural selection. — London: Murray, 1859. — ISBN 8420656070.

TECHNOLOGY OF OBTAINING AND AREA OF APPLICATION OF ELECTROTECHNICAL COMPOSITIONAL MATERIALS ON A CARBON-GRAPHITE BASIS

Gulevsky V.,

Ph.D. assistant professor, Volgograd State Technical University

Shtremmel S.,