Современная термодинамика и явление жизни ( Явление жизни и современная физическая органическая химия ) Г. П. Гладышев Международная академия творчества. - презентация

1 Современная термодинамика и явление жизни ( Явление жизни и современная физическая органическая химия ) Г. П. Гладышев Международная академия творчества (наука - культура) Институт химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

2 Достижения наук о жизни Цель лекции - обратить внимание химиков, прежде всего, работающих в области физической органической химии, на достижения наук о жизни, связанных с успехами иерархической термодинамики, в частности супрамолекулярной термодинамики, изучающей возникновение жизни, биологическую эволюцию и старение живых существ. Для наглядности я буду показывать картинки и рисунки. Однако это не значит, что речь идет о «науках в картинках». За каждой иллюстрацией стоят цифры – количественные оценки и вычисления.

3 Почему мне приятно прочитать эту лекцию для коллег- органиков, владеющих основами физической химии? Жизнь – «органическая химия вокруг нас». Ощутить ее дыхание, на мой взгляд, может исследователь воспринимающий мир «своими руками», а не энтузиаст, осмысливающий явления природы только путем чтения книг и фантазий. Другими словами, как мне кажется, это может сделать человек, освоивший, прежде всего, многочисленные экспериментальные методы синтетической химической науки. Недостаточно информированные математики, инженеры - химики, представители технических наук предлагают многочисленные теории происхождения жизни и ее эволюции. Однако эти теории, вследствие особенностей образования и характера мышления их авторов, как правило, обречены на неуспех.

4 Истоки иерархической термодинамики Анри ПуанкареДж. Уиллард Гиббс

5 Математика - язык науки Фундамент науки …простота – единственная почва, на которой возможно воздвигать здание обобщений. … истинная, единственная цель науки – раскрытие не механизма, а единства. Анри Пуанкаре Теория Одина из основных целей теоретического исследования в любой области знания состоит в том, чтобы найти ту точку зрения, с позиции которой изучаемый объект проявляется в своей величайшей простоте. Уиллард Гиббс

6 A mathematician may say anything he pleasesbut a physicist must be a least partially sane. J.W. Gibbs

7 Законы природы и жизнь Жизнь во Вселенной возникает и развивается при определенных условиях в соответствии с общими законами природы, в частности, законом временных иерархий, вторым началом термодинамики и принципом стабильности вещества. Биологическая эволюция сопровождается изменением химического и супрамолекулярного состава живых тел, а также состава высших иерархических структур живой материи. Это хорошо известное изменение, как впервые показал автор, имеет термодинамическое происхождение.

8 История Илья Пригожин создал теорию диссипативных структур и развил концепцию Л. Больцмана о производстве энтропии живыми системами. Ячейки Бенара - модель биологическая эволюция. Илья Пригожин отрицал применимость теории Дж. У. Гиббса для описания эволюции.

9 Открытые системы Возможно, понятный, с количественной точки зрения, пример образования ржавчины в повседневной жизни и в природе убедит многих исследователей серьезно отнестись к иерархической термодинамической теории возникновения и развития жизни. Свободная энергия Гиббса (функция Гиббса) образования при 25 О С (Δ f о ) Fe 2 O 3 (тв) равна - 177, 1 ккал/моль или ккал/г. Свободная энергия Гиббса (функция Гиббса) образования при 25 О С (Δ f о ) Fe 3 O 4 (тв) равна - 242, 4 ккал/моль или ккал/г. Видно, что процессы образования оксидов железа существенно самопроизвольны.

10 Хроматография Хроматография в колонках Фитиль – «разделительная колонка»

11

12 Возникновение жизни Жизнь возникает в результате плавного перехода химической эволюции в биологическую С точки зрения термодинамики все живые организмы и протекающие в них процессы – однотипны. Эта однотипность связана со стремлением удельной функции Гиббса образования структур к минимуму.

13 Движущая сила эволюции и старения организмов (Это происходит в химически активной хроматографической колонке) В целом супрамолекулярные взаимодействия (как и химические - молекулярные реакции) в живых системах, разумеется, не являются однотипными. Корреляции между молекулярной и супрамолекулярной стабильностью подобных систем могут быть только усредненными – интегральными. Общая корреляция – принцип стабильности вещества. Заметим, что уравнения Гаммета и Тафта (используемые в физической органической химии) применимы к частным случаям - однотипным реакциям.

14 N Соотношение энергий (стабильностей) химических и супрамолекулярных связей H – O – O – H Тв., 103–105 °C (разл.) Т пл = 1 °C, Т кип = 114 °C Т пл = 144 °С Т кип = 150,2 °C Т пл = 63,29 К Т кип = 77,4 К Известны эмпирических уравнения. Например, правило Трутона позволяет оценить энтальпию испарения в точке кипения: ΔH кип = 88 Т кип

15 Chemical Composition of Embryo Variation of the amount of water and fat in a developing human embryo (Widdowson E.M. Body Composition in Animals and Man, 1967). 1 - water in tissue; 2 - fat in tissue. m (fat) and m (water) - the amount of fat and water (weight %); M - mass of embryo.

16 Принцип стабильности вещества Сформулирован принцип стабильности вещества. Суть принципа состоит в том, что каждая «элементарная» частица или структура любой иерархии (атом, молекула, органелла, клетка, организм, популяция и т.д.) имеет потенциально термодинамически ограниченную возможность одновременно участвовать в контактах с подобными структурами своей иерархии и структурами смежных иерархий. Если рассмотреть молекулярную (химическую) и супрамолекулярную иерархии, то можно утверждать, что чем более стабильны внутримолекулярные химические связи в молекулах, тем менее стабильны супрамолекулярные связи между этими молекулами. И наоборот: чем менее стабильны внутримолекулярные химические связи в молекулах, тем более стабильны супрамолекулярные связи между этими молекулами. Принцип справедлив для структур всех смежных иерархических уровней. Он устанавливает динамические связи (контакты) между иерархиями и определяет обмен веществ в живых системах.

17 Эволюция ОнтогенезЭволюция человека

18 Старение Долгожитель ЗемлиОбезвоживание организма

19 Иерархическая термодинамика Феноменологическая термодинамика, близких к равновесию квазизакрытых систем, позволяет объяснять и предсказывать эволюционные превращения в живом мире. С точки зрения энергоемкости вещества биологических объектов, жизнь, прежде всего, - борьба за энергоемкое химическое вещество. Накопление этого вещества в живых организмах в филогенезе и онтогенезе связано со стремлением удельной функции Гиббса образования супрамолекулярной структуры живых объектов к минимуму.

20 Теория профессора И. Пригожина – эклектическая теория Теория оперирует функциями, которые не имеют полного дифференциала Уместно вспомнить слова Дмитрия Ивановича Менделеева о том, что при познании мира надо бы избегать утопий мечтательности, желающих постичь все одним порывом мысли ".

21 Закон временных иерархий позволил применять методы иерархической термодинамики Закон может быть представлен в виде: … t(m) t(im) t(organism) t(pop) t(eco) … Этот закон открывает путь обоснованного применения термодинамики к эволюции нашей Вселенной. Общий закон временных иерархий – перекрывающиеся последовательности триад Николая Николаевича Боголюбова

22 Простая формулировка закона Закон временных иерархий может быть сформулирован в виде утверждения: Any living system of any temporal hierarchical level in a normal state has a thermostat - a surrounding medium that is characterized by slightly changing average values of thermodynamic parameter. Закон позволил строго обосновать общие положения иерархической термодинамики, как термодинамики «совокупностей моноиерархических квазизакрытых квазиравновесных систем». Этот закон - является общим законом природы. Иногда его называют именем автора настоящего доклада.

23 Принцип Ле Шателье - Брауна Принцип Ле Шателье Брауна если на систему, находящуюся в состоянии устойчивого равновесия, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация веществ, внешние физические поля или силы), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия. Известно много попыток использовать принцип в естественных и социальных науках.

24 КРУГОВОРОТ

25 Жизнь сложный процесс С позиции квазиравновесной термодинамики сложных систем жизнь на Земле можно определить как последовательную совокупность материально-энергетических круговоротов лабильного органического вещества на всех биологических иерархических уровнях в условиях планеты. При наличии подобных условий жизнь, в разнообразных формах ее проявления, возможна на других небесных телах.

26 Символическое уравнение для сложной системы

27 Упрощение общего уравнения При изучении отдельных иерархий, приведенное уравнение значительно упрощается в связи с пренебрежимо малыми величинами отдельных его членов. Для каждой иерархии структур значимыми являются различные силы и факторы. В каждой иерархии существенны различные взаимодействия. Так, если рассматривать иерархии популяций, значения энтропийной составляющей сводятся практически к нулю. Говорить о влиянии энтропийного фактора в этом случае не имеет смысла. Совокупность действия всех возможных факторов во всех иерархических структурах определяет облик и форму живых организмов, их состав и строение. Действие многочисленных факторов определяет биологическое разнообразие.

28 Тропизмы Взаимодействие рецепторов Тропизм лейкоцитовФототропизм Жизнь представляет собой цепи чередующихся превращений - спонтанных и неспонтанных процессов. Это утверждение согласуется с определением явления жизни: In the compressed general formulation, life can be defined as the phenomenon of existence of the energy- dependent dynamic hierarchic structures, mandated by thermodynamics

29 Тропизмы организмов Взаимодействие рецепторов Тропизм молодежи Тропизм насекомых

30 Когда нужна математика Для того чтобы убедиться, что явление жизни протекает в соответствии с общими законами природы, его (явление) необходимо разделять (расчленить) на отдельные стадии, проявляющиеся на всех иерархических уровнях существования живой материи. Только в этом случае можно рационально использовать математику, которая любит простоту и однотипность изучаемых структур и процессов. Описание живых систем и процессов должно быть представлено в терминах, соответствующих общим законам, которые сформулированы для адекватных миру простых моделей. Исходя из осознания реальности, можно полагать, что нелинейные модели и синергетические подходы вряд ли могут быть полезны для определения явления жизни на физической основе.

31 Супрамолекулярная термодинамика, прежде всего, исследует открытые (квазизакрытые) квазиравновесные гетерогенные системы с использованием методов равновесной термодинамики (термостатики) и квазиравновесной кинетической термодинамики. Такая термодинамика может изучать образование мерцающих кластеров, ансамблей молекул, супрамолекулярных агрегатов, органелл, клеток, биотканей, а также других биологических структур высших иерархий, взаимодействующих посредством химических веществ (например, запахов), физических полей и сил. Супрамолекулярная термодинамика – ключ к осознанию явления жизни В отличие от химической термодинамики и супрамолекулярной химии, исследующих взаимодействия индивидуальных молекул или частиц и вычисляющих термодинамические параметры, отнесенные к молю веществ, единая гетерогенная супрамолекулярная термодинамика оперирует усредненными (удельными) параметрами, отнесенными к единицам объема или массы.

32 Движущая сила эволюции и старения организмов (Это происходит в химически активной хроматографической колонке)

33

34 Осознание теории Danielli, J. F. and Davson, H A contribution to the theory of permeability of thin films. J. Cell Comp. Physiol. 5:495. After receiving his B.Sc. degree in chemistry at University College, London, in 1931, he continued his study there, earning his Ph.D. in physical chemistry in 1933 and his D.Sc. in In 1942, he received his third doctoral degree, this time from Cambridge University in biochemistry and physiology. Член Английского Королевского Общества, профессор Кеннет Денбиг (F.R.S.) – один из создателей неравновесной термодинамики и кинетики открытых систем.

35 Осознание теории The Gladyshev's monograph is short in length (100 pages), which should be the case with any outstanding discovery - in the reviewer's opinion. This reviewer feels that the book should enjoy a level of esteem in world scientific opinion equal to that enjoyed by the work of I. Prigogine, K. Denbigh and others. In summary, the approach to evolution proposed by Gladyshev is a new, outstanding and important theoretical model, which should have a major impact on the way people think about evolution. (However, the author is astute enough not to treat the origins of humans, probably due to the many unsuccessful attempts to do so). Yu. S. Lipatov

36 Осознание теории Валерий Петрович Казаков и Юрий Борисович Монаков

37 Принцип стабильности вещества Сформулирован принцип стабильности вещества. Суть принципа состоит в том, что каждая «элементарная» частица или структура любой иерархии (атом, молекула, органелла, клетка, организм, популяция и т.д.) имеет потенциально термодинамически ограниченную возможность одновременно участвовать в контактах с подобными структурами своей иерархии и структурами смежных иерархий. Если рассмотреть молекулярную (химическую) и супрамолекулярную иерархии, то можно утверждать, что чем более стабильны внутримолекулярные химические связи в молекулах, тем менее стабильны супрамолекулярные связи между этими молекулами. И наоборот: чем менее стабильны внутримолекулярные химические связи в молекулах, тем более стабильны супрамолекулярные связи между этими молекулами. Принцип справедлив для структур всех смежных иерархических уровней. Он устанавливает динамические связи (контакты) между иерархиями и определяет обмен веществ в живых системах.

38 Specific (per mole of substance) Gibbs function of formation ( at 298K ) of n- alkanols as a function of specific Gibbs function of nonequilibrium phase transition of substances from the state of supercooled gas to the condensed state ( at 298K ) Example of substance stability principle Functions of formation Collation

39 Fig. Specific (per mole of substance) Gibbs function of formation (at 298K) of n-alkanols C 1 -C 10, C 12, C 14, C 16, C 18, C 20, as a function of specific (per mole of substance) Gibbs function of nonequilibrium phase transition of substances from the state of supercooled gas to the condensed state (at 298K). The calculation was performed by author using the published data from Stull et. Al., 1969; Handbook…, 1986).

40 Принцип стабильности вещества в действии Нестабильные молекулярные фрагменты образуют стабильные межмолекулярные связи Молекула Формула Т плавления, K ΔGf о 298 (ккал / моль) тв. ΔGf о 298 (ккал / г) тв. 1 Аденин( А )C 5 H 5 N – 638 (365 ° C) + 71,58+ 0,530 2 Гуанин( G )C 5 H 5 N 5 O633 (360 ° C) + 11,33+ 0,075 Свободные энергии Гиббса образования пар A – T и G – C отрицательны.

41 Разделяй и властвуй Действие принципа «разделяй и властвуй» должно способствовать конкуренции, а не коррупции. Этот принцип может служить только власти в коррумпированном обществе с тоталитарным режимом или, - может служить одновременно на благо общества и власти в некоррумпированном демократическом обществе. Такой вывод на количественной физической основе делает социологическая термодинамика, являющаяся одной из составляющих частей современной иерархической термодинамики сложных систем.

42 Термодинамические силы формируют организмы Физические поля и воздействия окружающей среды всех иерархических уровней определяют форму и облик структур живых объектов, а также управляют их функционированием. Факторы внешней среды воздействуют на соответствующие иерархические структуры живых тел. Под влиянием этих воздействий иерархические структуры принимают формы, которые постоянно адаптируются к окружающей среде. Самопроизвольные преобразования структур всех иерархических уровней снижают удельную функцию Гиббса образования этих структур и увеличивают их стабильность. Впервые обоснованно утверждается, что вследствие действия термодинамики наследственный материал организма фиксирует появление чувств человека и других живых существ.

43 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ Иерархическая термодинамика, в соответствии с законами природы, создает и оптиматизирует формы и функции живых систем в условиях их обитания. Указанная оптимизация связана с поиском минимумов «удельной свободной энергии Гиббса образования» динамических структур всех иерархий. Одним из существенных отличий живых и неживых систем, является отсутствия возможности у неживой материи образовывать, четко выделяемые, супрамолекулярные полииерархические структуры.

44 Приложения Уравнение Гиббса – Гельмгольца – Гладышева, Принцип Ле Шателье – Брауна (медицина, наука о старении, спорт и др.), Принцип стабилизации вещества автора Значение функции Гиббса образования супрамолекулярной структуры продукта питания характеризует возраст организма и геронтологическую ценность его биомассы (антистарительную - антивозрастную ценность), которая выражается в баллах в относительной шкале (GPG, G G и других). G G = f ( ) GPG, G G – дополнительные показатели качества продуктов.

45 Режим питания Ч. Дарвин (Генетика) и Ж. Б. Ламарк (Эпигенетика)

46 Больной сосуд АтеросклерозХолестерин

47 Спорт, фармакология, питание Химия стрессов Лекарственные препараты и диеты

48 В мире все подвластно иерархической термодинамике Любовь Взаимодействие рецепторов Вселенная Во всех локальных областях Вселенной, в рамках своей применимости, правит могущественная иерархическая термодинамика – квазиравновесная термодинамика квазизакрытых систем

49 Реальность и фантазии Факты и недоразуменияВзаимодействия рецепторов

50 Путь к успеху Существует единственный путь к большому успеху в науке – осознание трудов классиков. Математика – язык науки. Однако она, как и сама наука, не является всесильной. A mathematician may say anything he pleasesbut a physicist must be a least partially sane. J.W. Gibbs

51 В поисках общего Иерархическая термодинамика, в рамках своей применимости, «правит всем, что происходит в мире». Термодинамика есть то общее, что объединяет явления природы. Я полагаю, что мы могли бы осознавать все явления природы, используя одинаковую аргументацию, исходя из механических принципов; по многим причинам я вынужден думать, что все они (явления) могут зависеть от определенных сил, которые заставляют частицы тел, по неизвестным нам до сих пор причинам, либо взаимно перемещаться по направлению друг к другу, объединяясь в правильные тела, либо отталкиваются и удаляются друг от друга. Isaac Newton The Principia1 Cambridge, Trinity College, 1586 Мы используем науки об электричестве и магнетизме, которые исследуют некие явления притяжения, тепло, свет, химическое воздействие, зависящие от состояния материи, и о которых у нас есть пока только неполные и условные (временные) знания. Собрана и упорядочена огромная масса фактов, которые представлены как следствие действия большого количества экспериментальных законов. Однако форма, в которой они попеременно проявляются, как будто выведена из главных первопричин (законов), пока не установленных. James Clerk Maxwell Inaugural Lecture2 Paris, Kings College, 1860

52 Hierarchical Thermodynamics' Foundation

53 Snowflakes

54 Pepper and Soap This film shows the interaction of ground pepper with soap on the surface of water

55 Знакомство с науками о жизни Какие работы надо читать для изучения предмета В последние годы возрастает интерес к проблемам науки со стороны любознательных людей, а также фантазеров, публикующих в литературе и интернете огромное количество всевозможных трудов. В связи с этим у начинающих молодых исследователей часто возникает вопрос: Как выбрать из «моря публикаций», касающихся проблем интересующих исследователя, статьи и книги, заслуживающие тщательного изучения? Дать однозначный ответ на этот вопрос затруднительно. Однако, на мой взгляд, для ответа на поставленный вопрос целесообразно сначала получить информацию об авторе, интересуемой публикации. Прежде всего, необходимо выяснить, где учился автор, и какую специальность он получил при окончании вуза, а также узнать, выходцем из какой школы он является. Ответ на этот вопрос, как правило, с большой вероятностью поможет установить, находится ли начинающий исследователь на правильном пути.

56 Какие работы надо читать для изучения предмета Мой опыт работы в области проблем возникновения жизни, биологической эволюции и старения живых существ, говорит о том, что, в первую очередь, надо уделять внимание трудам исследователей, имеющим классическое университетское химическое образование. Я имею в виду, прежде всего коллег, владеющих физической, органической и биоорганической химией, а также – основами общей биологии. Математики, инженеры с физико-техническим и химико-технологическим образованием, вследствие сложившегося мышления склонны часто предлагать «механические» модели биологической эволюции и старения живых существ,- модели, не учитывающие важные законы природы и сложность явления жизни, как термодинамически направленного процесса. Таким образом, на мой взгляд, первостепенным является ответ на вопрос: Кем является автор той или иной идеи или теории?

57 The Constructal Law There's a New Law in Physics and It Changes Everything «The Constructal Law is my statement that there is a universal tendency (a phenomenon) toward design in nature, in the physics of everything. This tendency occurs because all of nature is composed of flow systems that change and evolve their configurations over time so that they flow more easily, to create greater access to the currents they move.» Можно утверждать, что constructal (конструкционный) закон и законы иерархической термодинамики «описывают» общие закономерности с различных позиций. Однако иерархическая термодинамика является общей физической теорией развития природы, тогда как теория природного дизайна Bejan является теорией поиска природой оптимальных форм. Adrian Bejan Объекты в теории дизайна Бежана – потоки разных иерархий Объекты в иерархической термодинамике – иерархические системы, характеризуемые функциями состояния

58 The Science of Engineering Engineering science consists of these few principles on which nature is founded: the laws of mechanics, thermodynamics, and design. The net result of civilizations advances in knowledge and technology is that we move more mass over greater distances. This time direction is the constructal law, the physics law of design and evolution, and this mental viewing came from engineering. Инженерные науки опираются на несколько принципов, составляющих «основу природы»: законы механики, термодинамики и дизайна. Достижения наук и технологий цивилизации состоят в том, что мы перемещаем большие массы на большие расстояния. В этом случае «закон конструирования» является физическим законом проектирования и развития, что является проявлением нашей психики, появившимся из техники.

59 Design as science The book of Adrian Bejan This book offers a revolutionary approach to "design as science", from the tree and the forest to electronics cooling, decontamination and vascular smart materials. Во всех локальных областях и сферах Вселенной, в рамках своей применимости, правит могущественная иерархическая термодинамика – квазиравновесная термодинамика квазизакрытых систем

60 Theory of Adrian Bejan Unifying Constructal Theory of Tree Roots, Canopies and Forests... and the Eiffel Tower, the Pyramids… The flow of stresses and the flow of water: a new Begans paper shows how the constructal law predicts "vegetation" architecture, and the empirical "rules" of Leonardo, Fibonacci and Zipf.

61 Творчество дизайна Великий Зураб Церетели Архитектурный дизайн

62 Дизайн искусства ЖивописьФотография