CC BY
22PHYSICAL SCIENCES
LIFE - A SET OF CYCLIC PROCESSES IN THE UNIVERSE
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
ЖИЗНЬ - СОВОКУПНОСТЬ ЦИКЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВО ВСЕЛЕННОЙ
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
It is argued that life is a set of successive cyclic transformations described by hierarchical thermodynamics, driven by the principle of substance stability. The indicated cyclic transformations of chemically unstable living systems can be considered analogues of the phase transformations of simple substances, for example, water, in the conditions of its circulation on the Earth. The phenomenon of life becomes tangible, visual and understandable from the point of view of natural science, revealing the driving forces of natural processes.
Аннотация
Утверждается, что жизнь представляет собой набор последовательных циклических преобразований, описываемых иерархической термодинамикой, управляемой принципом стабильности вещества. Указанные циклические превращения химически нестабильных живых систем можно считать аналогами фазовых превращений простых веществ, например, воды, в условиях ее круговорота на Земле. Феномен жизни становится ощутимым, наглядным и понятным с точки зрения естествознания, раскрывающего движущие силы природных процессов.
Keywords: life, evolution, hierarchical thermodynamics, cycle of matter, principle of substance stability, aging
Ключевые слова: жизнь, эволюция, иерархическая термодинамика, круговорот вещества, принцип стабильности вещества, старение.
Эпиграфы
"The simplicity - the only ground on which it is possible to erect a building of generalizations. "
"... the true and only goal of science is to reveal unity rather than mechanism."
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
Общее
Существуют сложности в ясном наглядном осознании явления жизни, не смотря на выявление движущих сил возникновения жизни и ее эволюции [1-5]. Так, с позиции простых физических моделей, которые мы пытаемся использовать при интерпретации явлений природы, сложно осознать, почему жизнь столь многообразна и многолика. Чтобы упростить ответ на этот вопрос, по-видимому, же-
лательно найти общее в эволюционном превращении вещества и энергии в неживых и живых системах.
Цель настоящей статьи: представить физически осязаемую наглядную простую модель, позволяющую убедиться и ясно осознать, что жизнь является многостадийным иерархическим процессом, который может быть понят на основе известных законов природы.
Одной из общностей эволюционных превращений в неживых и живых системах является цикличность этих превращений, связанных с изменениями условий окружающей среды.
Обычно в неживых системах, которые часто рассматриваются как молекулярные, изменения окружающей среды связаны с изменением температуры, давления и иногда, химического состава и незначительным действием физических полей.
Живые системы являются полииерархическими и их превращения связаны с температурой, давлением, составом высших иерархий и обычно с существенным действием физических воздействий и полей.
Однако, несмотря на эти различая, неживые и живые системы имеют общее: эволюционные превращения в обоих случаях являются следствием циклических превращений в иерархических эволюционирующих системах. В этом проявляется некая общность неживых и живых систем, которая позволяет осознать и поверить, что явление жизни «вписывается» в общую науку о нашем мире.
Общность между круговоротами неживых и живых систем
Несомненно, простой общностью, проявляющейся между природными эволюционирующими неживыми и живыми системами, является цикличность изменения окружающей среды всех структурных иерархий материи. Хотя нужно отметить, что в живых система, в отличие от неживых систем, имеет место интенсивный обмен веществ в результате превращения и распада химически нестабиль-
Для примера проведем сравнение между циклическими превращениями фазовых состояний воды в атмосфере земли (небесных тел) и циклическими процессами превращения иерархических структур в живых системах.
Процесс циклического перемещения воды в биосфере или круговорот воды в природе состоит из испарения воды, переноса паров воздушными течениями, их конденсации в виде осадков - дождя и снега или града, а также переноса воды реками и другими водоемами. Вода испаряется с поверхности земли (суша, водоемы и океаны). Круговорот воды объединяет воедино все части гидросферы.
На Рис. 1, который заимствован в Интернете, представлена схема круговорота воды в природе. Движущей силой этого циклического процесса, прежде всего, является энергия Солнца, а также других источников энергии.
ных метаболитов.
Рис. 1. Круговорот воды в природе.
Круговорот воды в природе можно определить как «повторяющийся циклический процесс фазовых превращений этого вещества. Как и в случае индивидуальных стабильных веществ, количество воды в ее круговороте остается практически постоянным. На Рис. 1 приведена схема идеального круговорота [6].
Рис. 2. Плоская схема цикла идеального круговорота. С позиции термодинамики идеальный цикл должен характеризоваться неизменным значением удельной свободной энергии Гиббса образования воспроизводящейся структуры (например, А О т) в точке своего (цикла) завершения.
На Рис. 3. Представлено несколько циклов правильной объемной спирали идеального круговорота [6].
Рис. 3. Несколько циклов правильной объемной спирали идеального круговорота. Завершение каждого витка спирали характеризуется постоянным значением удельной свободной энергии Гиббса образования
воспроизводящейся структуры (например, А О?т, где нижний индекс i относится к ^ ому эволюционирующему объекту - системе; верхний индекс ш указывает, что речь идет об эволюции супрамолекуляр-
ной структуры).
Энергия Солнца и других источников энергии является движущей силой возникновения жизни и ее эволюции. Однако в этом случае эта движущая сила проявляется при появлении и развитии многочисленных иерархических структур, которые представлены на многочисленных структурных уровнях и подуровнях.
Общая схема, отражающая циклическое превращение живой и неживой материи на Земле и некоторых других небесных телах представлена на Рис. 4 [7]. На этой схеме показаны только основные общие уровни организации живых систем, без многочисленных подуровней, соответствующих огромному разнообразию видов живых структур и организмов, облик и дизайн которых определяются иерархической термодинамикой, направляемой, прежде всего, принципом стабильности вещества [8], а также несамопроизвольными процессами, инициируемыми окружающей средой [9-12].
Принцип стабильности вещества является движущей силой кристаллизации (в широком смысле этого термина) сравнительно нестабильного вещества и постоянного его обновления на всех структурных уровнях и подуровнях живой материи.
Products of the photosynthesis light stage ДС/*гЛ a,u' 0,i)ei 'H'm-^ponianeiuis processes
I A Л
AAG*ch < 0
I
AG*'
AG'"" AAG'"" < 0
Spontaneus dark reaction" Biomolcculcs
A л
Self-assembly -thermodynamic self-organizing
AG*'
Г/
С .a
Л *)
О g
о £
.3
0 о = J2 - о.
s
ж 3
зг г«
^ «11
1
6 a
Supramolecular structures, cells ДО'""* AA
Self-as sembly of cells
&AG,ore< 0
V
Organisms д q'P»P АЛ
Self-assembly of organisms
MGH 0
•j
c. У>
Populations
AG'
a
§
s-6 о
z
AA AAG'*C0< 0
Self-assembly of populations, communities, ets.
Ecosystcms
A /*2*nnmph AA .
¿so AAG V< 0
Self-assembly > of structure of noosphere
V
Noosphere
AG*'* Лл AAG'ch < 0
Sfwntanetis degradation of all hierarchical stritcrures
СО,П-р, I US. N:......themiodynamieally stable products
Minerals - Stable products
Рис. 4. Жизнь - совокупность процессов самопроизвольных превращений, протекающих на фоне несамопроизвольных процессов, инициируемых окружающей средой.
Вертикальная стрелка слева рисунка показывает увеличение свободной энергии Гиббса образования сложной системы (или удельной её величины), AG*j .
Верхний индекс * у символа G подчеркивает, что система является сложной, т.е. в ней или над ней совершается не только работа расширения. Верхний индекс j обозначает один из видов иерархии (ch - химической или молекулярной, im - межмолекулярной или супрамолекулярной, org - орга-низменной, pop - популяционной и т.д.). В этом случае величина AG*j системы (соответствующей иерархии) возрастает вследствие притока энергии в систему из окружающей среды. Энергия из окружающей среды может поглощаться различными структурными иерархиями. Эти процессы отражаются маленькими (красными пунктирными), направленными вверх стрелками (f) внутри областей на чертеже, принадлежащих указанному иерархическому уровню. Так, структуры молекулярной и супрамолекулярной иерархий, прежде
всего, поглощают свет солнца. Это запускает известные процессы фотосинтеза. Действие энергии гравитации, механических сил и некоторых электромагнитных воздействий проявляется (в виде тропизмов) на уровне достаточно крупных структур, например, организмов. Эти и подобные им воздействия формируют дизайн облика организмов и других иерархических структур. Пища - источник внешней энергии поглощается различными иерархическими структурами организмов. Далее она перерабатывается и используется структурами организма для его жизнедеятельности, например, роста биотканей или для эпигенетического воздействия «пищевых молекул» на генетический аппарат организма и т. п.
Сравнительно большие направленные вниз стрелки внутри центральных областей схемы, выделенных на рисунке областей разных иерархий, показывают процессы самосборки:
биомолекулы ^ супрамолекулярные структуры ^ организмы ^ популяции ^ экосистемы и т. д.
Эти процессы являются самопроизвольными и согласно второму началу термодинамики характеризуются уменьшением величин АО*' систем.
Маленькие вверх направленные стрелки (первые слева из двух направленных вверх стрелок) показывают увеличение со временем величин АО* соответствующих иерархий системы как результат действия принципа стабильности вещества, который проявляется в обогащении структур /-той (например, супрамолекулярной) иерархии сравнительно мало-стабильными структурами (/-1) -той (например, молекулярной) иерархии.
Большая направленная вниз стрелка справа рисунка указывает, что процессы самосборки (термодинамической самоорганизации), а также процессы превращения (распада) метаболитов - молекулярных структур, как и структур всех других иерархических уровней, согласно второму началу характеризуются падением величин АG*/ системы.
Таким образом, представленная схема круговорота вещества и энергии в биосфере отражает все известные превращения, учитываемые расширенным иерархически обобщенным уравнением Гиб-бса, которое позволяет оценивать изменения свободной энергии - функции Гиббса биосистем, а
также величины изменения всех членов этого уравнения в заданные промежутки времени в течение эволюции, филогенеза и онтогенеза живых объектов [1-3]. Заметим, что явление жизни является сложным полииерархическим процессом круговорота, определение которого зависит от точки зрения, с позиции которой этот процесс рассматривается. Математика не в состоянии описать этот процесс как «единое целое», то есть как единую совокупность всех его составляющих, и осознать явление жизни, говоря словами Дмитрия Менделеева, «единым порывом мысли». Однако все выделяемые составляющие (стадии) этого процесса поддаются термодинамическому описанию. Такое описание подтверждает, что жизнь и ее эволюция протекают в соответствии с общими известными законами природы. Жизнь - одна из стадий эволюции Вселенной.
Детальная схема круговорота вещества и энергии должна учитывать все структурные уровни живой материи.
Схема Рис. 4 может быть представлена в виде фрагментов расширяющихся и сжимающихся спиралей в связи плавным изменением состава иерархических структур вследствие действия принципа стабильности вещества.
Примеры такого типа спиралей представлены на рисунках 5 и 6.
Рис. 5. Фрагменты сжимающейся (внизу) и расширяющейся (вверху) спирали (стрелка справа указывает направление эволюции) круговорота. Сжимающаяся спираль (внизу) символизирует снижение (смещение в отрицательную область) удельной свободной энергии Гиббса образования эволюционирующих иерархических структур (например, А О^т). Расширяющаяся спираль (вверху) символизирует увеличение стабильности эволюционирующих иерархических структур.
Рис.6. Спиралеобразное символическое изменение удельной свободной энергии Гиббса образования/-ых термодинамически сложных моноиерархических систем в различных областях пространства в ходе общей эволюции Вселенной (АО**) [6].
Белым квадратом в центре рисунка 6 выделена область спирали, символизирующая, огромную в реальности, совокупность спиралей Дарвиновской эволюции превращения вещества и энергии -область существования только отдельных, выделенных, моноиерархических структур живого мира. Биологическая эволюция, филогенез и онтогенез, как и химическая эволюция, а также эволюция сознания и разума, характеризуются направленными вниз спиралями, отражающими отрицательные изменения свободной энергии образования супрамолекулярных структур (ААО*т < 0) [6].
Как и в случае фазовых переходов воды в ее круговороте, преобразования иерархических структур живой материи сопровождается фазовыми переходами. Указанные переходы плавно меняют химический состав (а также состав высших иерархий) эволюционирующей системы. Однако это изменение состава не меняет общей картины явлений: в обоих случаях существуют циклы иерархические превращения фаз.
Старение клеток живых организмов, подобно общей эволюции и филогенезу описывается сжимающимися и расширяющимися спиралями (Рис. 5). Одной из основных задач геронтологии является выявление оптимальных условий жизни, которые способствуют ее продолжительности, что должны отражать упомянутые спирали. Термодинамическая теория старения представляет много рекомендаций, которые соответствуют наблюдениям и экспериментальным данным [5].
Заключение
Таким образом, рассмотрение циклических превращений неживой и живой материи, как полагает автор, позволяет наглядно в простых терминах и с помощью простой модели понять и осознать явление жизни с позиции общих законов природы. Неживые объекты (например, молекулы), являясь сравнительно стабильными, участвуют в циклических структурных (фазовых) превращениях практически не меняя свой состав и строение, тогда как нестабильные живые объекты, содержащие нестабильные химические вещества, при циклических
превращениях постоянно эволюционируют в результате действия принципа стабильности вещества и фонового воздействия окружающей среды, меняют свой состав и строение. В этих случаях различия в рассматриваемых круговоротах практически сводятся только к различиям стабильности веществ, участвующих в этих круговоротах.
Высказанные положения с позиции некой общности укрепляет веру о том, что жизнь, как и все другие природные явления, легко вписывается в научные знания об устройстве, строении и эволюции нашего мира. Другими словами, явление жизни становится вполне физически наглядным и осязаемым. Это исключает какую-либо мистику и загадочность в осознании явления жизни, а также необходимость гипотезы об искусственном интеллекте.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.- 1997.- 142 P. Russian: Г. П. Гладышев. Термодинамическая теория эволюции живых существ. М.: Луч, 1996. -86с. http://www.statemaster.com/encyclopedia/Thermodyn amic-evolution
2. Гладышев Г. П. Супрамолекулярная термодинамика - ключ к осознанию явления жизни. Издание второе - М - Ижевск. ISBN: 5939721982. 2003.
3. Georgi P. Gladyshev (2015). Natural Selection and Thermodynamics of Biological Evolution. Natural Science, 7, No 5 117-126 Published Online March 2015 Pub. Date: March 9, 2015 DOI: 10.4236/ns.2015.73013 http://dx.doi.org/10.4236/ns.2015.73013
4. Hierarchical Thermodynamics: Foundation of Extended Darwinism https://www.re-searchgate.net/publication/314082150_Hierar-chical_Thermodynamics_Foundation_of_Ex-tended_Darwinism
5. Life - A Complex Spontaneous Process Takes Place against the Background of Non-Spontaneous Processes Initiated by the Environment https://www.om-icsonline.org/open-access/life--a-complex-spontane-ous-process-takes-place-against-the-background-of-
nonspontaneous-processes-initiated-by-the-environ-ment-2157-7544-1000188.pdf
6. G. P. Gladyshev, Рабочий документ на RG. https://www.researchgate.net/publication/309566338_ On_thermodynamics_of_circulation_of_substance_in _biological_systems
7. G. P. Gladyshev (2016). Hierarchical thermodynamics and evolution of chemical and biological matter . The scientific heritage (Budapest, Hungary) , Vol. 1, No. 3 (3), p. 102-117. Текст русс. http://tsh-journal.com/wp-content/uploads/2016/10/V0L-1-No-3-3-2016.pd https://www.researchgate.net/publica-tion/309533110_Hierarchical_thermodynam-ics_and_evolution_of_chemical_and_biological_mat-ter
8. 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
9. 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.
10. https://en.everybodywiki.com/Hierar-chical_thermodynamics
11. Gladyshev G. P. On General Physical Principles of Biological Evolution, International Journal of Research Studies in Biosciences. Volume 5, Issue 3, 2017, Page No: 5-10. https://www.arcjour-nals.org/pdfs/ijrsb/v5-i3/2.pdf https://www.re-searchgatenet/publication/314187646 On Gen-eral_Physical_Principles_of_Biological_Evolution
12. 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
INVESTIGATION OF THERMAL PROTECTION PROPERTIES OF PRODUCTS AO FAPK
"SAKHABULT"
Soldatov S.,
PhD, associate professor of the department of thermophysics and heat power engineering of the Institute of physics and technology, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov
Neustroeva K.,
student of EO-15 Department of thermophysics and heat power engineering of the Institute ofphysics and
technology, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov
Syromyatnikova M.
student of EO-15 Department of thermophysics and heat power engineering of the Institute ofphysics and
technology, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ПРОДУКЦИИ АО ФАПК "САХАБУЛТ"
Солдатов С.Н.,
кандидат технических наук, доцент кафедры теплофизики и теплоэнергетики Физико-технического института Северо-Восточного федерального университета им М.К. Аммосова
Неустроева К.А.,
студентка ЭО-15 кафедры теплофизики и теплоэнергетики Физико-технического института Северо-Восточного федерального университета им М.К. Аммосова
Сыромятникова М.А.
студентка ЭО-15 кафедры теплофизики и теплоэнергетики Физико-технического института Северо-Восточного федерального университета им М.К. Аммосова
Abstract
The purpose of this work was experimental studies of thermal insulation properties of products "Sahabult " (Russia) containing deer hair and comparison with similar products from other manufacturers. During the experiments, it was revealed that deer hair is a good heat insulator, this conclusion follows from a comparison with synthetic fibers, where it showed better results than the popular material sentipon, but slightly inferior to hollo-fayber. In addition, the dynamics of temperature decrease inside sleeping bags and various down jackets were studied.
Аннотация
Целью данной работы было экспериментальные исследования теплоизоляционных свойств продукции "Сахабулт"(Россия) содержащих олений волос и сравнение с аналогичными изделиями других производителей. В ходе экспериментов было выявлено, что олений волос является неплохим теплоизолятором, данный вывод следует из сравнения с синтетическими волокнами, где он показал результаты лучшие чем популярный материал сентипон, но чуть уступил холлофайберу. Дополнительно были проведены исследования динамики понижения температуры внутри спальных мешков и различных пуховиков.
Keywords: Deer hair, sentipon, thermal conductivity, heat flow, thermal resistance, thermistor.
Ключевые слова: олений волос, сентипон, теплопроводность, тепловой поток, термическое сопротивление, терморезистор.
