ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ (19)

МЕНЮ


Главная страница
Поиск
Регистрация на сайте
Помощь проекту
Архив новостей

ТЕМЫ


Новости ИИРазработка ИИВнедрение ИИРабота разума и сознаниеМодель мозгаРобототехника, БПЛАТрансгуманизмОбработка текстаТеория эволюцииДополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информацииМатематикаЦифровая экономика

Авторизация



RSS


RSS новости


(в основе перевод с англ. Horst Rauchfuss «ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ» (Chemical Evolution and the Origin of Life), издание Springer- 2008).

9.2 ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ СИСТЕМ

Некоторые термины, используемые в классической термодинамике, которые относятся к равновесию систем и замкнутым системам стали важными за пределами границ физики:

Одним из примеров является термин «адаптированное состояние» в теории дарвиновской эволюции, которая представляет собой тип равновесного состояния между организмом и его окружающей средой.

Большинство событий, происходящих в природе, состоят из необратимых процессов: истинно реверсивные процессы редко встречаются и представляют преимущественно теоретический интерес. Тщательный анализ так называемого “flow equilibrium” («равновесный поток») (термин, придуманный биологом Ludwig von Berthalanffy) включает термодинамику и проблемы живых систем; равновесие потока присутствует в открытых системах. Больше, чем 50 лет назад von Berthalanffy постулировал, что теория равновесия потока сделает возможным построение точных математических уравнений для основных явлений такой жизни, как метаболизм и рост.

Только в последние десятилетия интенсивно и успешно рассматривается термодинамика открытых систем. «Термодинамика необратимых систем» первоначально изучена Lars Onsager, а в частности, Ильей Пригожиным и его «Брюссельской школой"; оба изучали системы в условиях далеких от равновесия. Некоторые системы имеют возможность оставаться в динамическом состоянии, далеком от равновесия, принимая свободную энергию; в результате энтропия окружающей среды увеличивается.

Равновесная термодинамика была разработана около 150 лет назад. Она занимается только равновесными процессами, не принимая во внимание время, которое требуется системе для перехода от начального до конечного состояния.

Таким образом, только термодинамика необратимых процессов может быть использована для описания процессов, которые приводят к образованию самоорганизующихся систем. Здесь принимаются во внимание фактор времени, а также скорость, с которой происходят вещественные реакции. Эволюционные процессы необратимо связаны с временными последовательностями, так что классической термодинамики явно недостаточно для их описания (Schuster и Sigmund, 1982).

Как уже упоминалось, постоянный приток энергии необходим для поддержания стационарного состояния живой системы. Это в основном химическая энергия, которая вводится в систему, например, путем активированных аминокислот в белковом биосинтезе или нуклеозид трифосфатами в синтезе нуклеиновой кислоты. Поток энергии всегда сопровождается производством энтропии

(dS/dt), который состоит из двух составляющих:

ПОТОКИ: они входят в систему, и также снова ее покидают (deS/dt).

ВНУТРЕННЕЕ ПРОИЗВОДСТВО ЭНТРОПИИ: представляет рост энтропии, связанной со временем и генерируется в системе (diS/dt). Производство внутренней энтропии является самым важным в количественном отношении в неравновесной термодинамике и достигает максимума, когда система находится в стационарном состоянии. Уравнение для производства энтропии тогда:

dS/dt = deS/dt + diS/dt

Теория неравновесной термодинамики (Пригожин, 1979; Пригожин и Stegers, 1986) показывает, что дифференциальный фактор энтропии со временем (изменение энтропии со временем) может быть выражен как сумма продуктов, условия которых содержат фактор силы и коэффициент потока. В химических системах, фактор силы соответствует химическому сродству, движущей силе реакции, а параметр потока - скорости реакции.

Начиная со второго закона термодинамики, можно получить принцип

в соответствии с которым изменение производства энтропии по соседству со стационарным состоянием всегда отрицательно, если потоки в системе сохраняются постоянными и изменяются только силы. Как уже упоминалось, производство энтропии достигает минимального значения в стационарном состоянии системы. Если при этом минимуме происходит положительное колебание, система возвращается к минимуму, и устойчивое состояние

снова достигнуто.

Если производство энтропии в стационарном состоянии падает, происходит отрицательное колебание, и система становится нестабильной: стабильное стационарное состояние системы нарушено или разрушено. Система реагирует, изменив свою композицию до нового достигнутого устойчивого состояния.

В этом новом состоянии система характеризуется более низкой энтропией, чем присутствующим до флуктуации, поскольку может произойти только отрицательное изменение энтропии. Однако низкая энтропия соответствует более высокой степени порядка в системе.

Как отрицательные колебания в производстве энтропии происходят или срабатывают? Как показывает Manfred Eigen в своей теории эволюции, колебания в производстве энтропии могут быть вызваны возникновением самореплицирующихся молекулярных видов, которые способны к селекции.

Автокаталитически активные мутанты также могут иметь аналогичный эффект. Взглянув на это с другой стороны, феномен эволюции состоит из непрерывной серии нестабильностей, то есть разрушения стационарных состояний.

Важность работы Пригожина и его Брюссельской школы для более глубокого понимание процессов эволюции в основном связана с тем, что можно объяснить образованию структур в химических реакциях и биологических объектах с помощью термодинамики диссипативных систем и принципа “order through fluctuations” («ПОРЯДОК ЧЕРЕЗ ФЛУКТУАЦИИ»).

9.3 САМООРГАНИЗАЦИЯ (Self-Organisation)

Термин “self-organisation” («самоорганизация») стал очень модным выражением. Мы нашли это в статьях самых разных научных дисциплин, в том числе, касающимся процессов, происходящих в субмикроскопическом диапазоне. Например, органические нанотрубки формируются за счет самоорганизации (Bong и др., 2001). Самоорганизация - это broad (широкий) термин который может иметь много значений. Одна из возможных дефиниций - «самоорганизация это процесс, в котором структуры формируются спонтанно из компонентов системы».

По словам Erich Jantsch, самоорганизация является динамическим правилом (principle) возникновения богатого мира биологических, экологических, социальных и культурных структур (Jantch, 1980). Как видно из определения, процессы самоорганизации чрезвычайно сложны. Они могут включать в себя:

- Формирование структур

- Рост

- Различные типы циклических процессов

- Мультиустойчивость

- Воспроизведение

Часто полезно вкратце обратиться к аспектам истории науки, чтобы облегчить понимание сложных тем. Историю физики можно разделить на три этапа:

На ПЕРВОМ ЭТАПЕ доминировали идеи Галилея и Ньютона.

ВТОРОЙ ЭТАП - в первые десятилетия двадцатого века - включает в себя введение в теорию относительности и квантовую механику.

Историю науки ожидает (will see) ТРЕТИЙ ЭТАП как “physics of complexity” «физика сложности (запутанности».

Согласно Галилею, наблюдение природных явлений с использованием подходящих измерительных приборов обеспечивает определенные численные значения, которые должны быть связаны друг с другом; решение уравнений, полученных из чисел, позволяет нам прогнозировать будущие события. Это привело к недоразумению, что знания могут быть получены только таким образом. Результат был детерминированной верой, который был опровергнут для микроскопических объектов принципом неопределенности Гейзенберга. Однако, оказалось, что на макроскопическом уровне детерминированный подход все еще действует. Детерминизм был окончательно похоронен, когда был обнаружен «детерминированный хаос». Самоорганизация - это свойство «сложных систем»; это важная область физики интенсивно изучалась в последние несколько лет. С 1993 года в Обществе научных исследований имени Макса Планка (Max Planck Society) [сеть научно-исследовательских организаций с штаб-квартирой в Мюнхене] появился институт «Физики сложных систем» (“Physics of Complex Systems”) в Дрездене. Это междисциплинарная область исследований, касающаяся проблем, которые занимают диапазон от космоса до живой клетки.

По словам Stuart A. Kauffman (1991), нет общепринятого определения

термина “complexity” («сложность»). Тем не менее, существует консенсус по определенным свойствам комплексных систем. Один из них - детерминированный хаос, который мы уже упоминали. Упорядоченная нелинейная динамическая система может проходить преобразование к хаотичному состоянию, когда на нее действуют еле заметные возмущения. Даже очень маленькие различия в начальных условиях сложных систем могут привести к большим различиям в развитии системы. Таким образом, теория сложных систем больше не использует хорошо известный принцип «cause and effect» «причина и следствие.

Hermann Haken, основатель «синергетики», описывает как американский метеоролог Е. Н. Лоренц показал, что взаимодействие даже при нескольких степенях свободы приводит к появлению нового состояния в системе по завершении наблюдений, детерминированному хаосу. Такие системы характеризуются своей чувствительностью к первоначальным условиям. Цитируемое “beating of a butterfly’s wings in Peking”(«взмах крыльев бабочки в Пекине» (выражение, придуманное Лоренцом), который может привести к изменению погоды на западном побережье США, часто использовалось в качестве яркого примера детерминированного хаоса.

«Нерегулярное движение» (“irregular motion”), которое характеризует детерминированный хаос, было графически объяснено с помощью простого примера системы, состоящей из стального шара и бритвенного лезвия. Если маленький стальной шар заставить упасть сверху на бритвенное лезвие, которое находится в вертикальном положении, крошечные вариации в положении стального шара заставят его отклониться в широком диапазоне либо вправо, либо влево.

Как это часто бывает в сложных процессах, феномен самоорганизации

может происходить в различных формах:

- Самоорганизация через inherent (неотъемлемые) свойства: в этом случае самоорганизация определяется свойствами частиц, её образующих, такими как базовое сопряжение в ДНК двойной спирали, формирование кристаллов льда или реконструкции Rnase (РНКаза — фермент класса гидролаз, катализирующий расщепление, разрыв фосфодиэфирных связей в РНК) (РИС. 9.4).

- Самоорганизация в онтогенезе, т.е., развитие индивидуального организма от яйца до полного организма.

- Подлинная самоорганизация, то есть самоорганизация как свойство системы. Здесь система с высокой степенью сложности организует себя при определенных условиях. Типичным примером является модель гиперциклов Eigen [см. Запись ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ (16)].

- Самоорганизация как физический принцип: начиная с «большого взрыва», самоорганизация считается физическим атрибутом материи.

Jantsch (1980) представляет широкую дифференциацию феномена самоорганизации и различает:

- КОНСЕРВАТИВНУЮ, то есть, структурную самоорганизацию и

- ДИССИПАТИВНУЮ самоорганизацию, например, в развивающихся системах.

Системы с диссипативной самоорганизацией важны для процессов, которые приводят к биогенезу. Это открытые системы, внутри которых преобладает неравновесное состояние вдали от уравновешенного состояния.

Вот несколько примеров химических и биохимических процессов самоорганизации:

- Реакция Белоусова-Жаботинского

- Клетки Бенара (B?nard cells)

- Реконструкция рибонуклеазы (Rnase)

- Вирус табачной мозаики (The tobacco mosaic virus) [Вирус табачной мозаики — палочковидный РНК-содержащий вирус растений, инфицирующий растения рода Nicotiana, а также других представителей семейства Паслёновые].

Реакция Белоусова-Жаботинского является типичной осциллирующей (oscillating) химической реакцией. Структуры спиральной формы периодически исчезают и появляются в результате автокаталитической реакции, окисление Ce3+ и Mn2+ броматом (Jessen, 1978).

Формирование конвекционных клеток B?nard происходит следующим образом: если вода нагревается снизу в сосуде, макроскопические конвекционные токи возникают при определенном условии; сверху видно, они имеют равномерную структуру, сотовидные клетки.

Впечатляющий биохимический пример самоорганизации на молекулярном уровне это - рефолдинг [фолдинг - процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную (естественную) пространственную структуру] ферментативной Rnase после полного денатурирования. Christian Anfinsen смог повлиять на полное денатурирование и редукцию четырех дисульфидных мостиков в белке, обрабатывая его мочевиной и ?-меркаптоэтанолом. Трехмерно сложенный белок занимает адвентициальную форму, подобную расслоению четырех дисульфидных мостиков, подвергающуюся преобразованию в восемь групп SH: ферментативная активность полностью потеряна. Если редуцированный белок обрабатывается атмосферным кислородом, группы SH приводят к оригинальным дисульфидным мостикам в правильной геометрической форме, так что фермент восстанавливает (почти) его полную активность. В 1972 г. Christian Anfinsen был награжден Нобелевской премией по химии, в частности и за эту работу (в более широком контексте).

***

(продолжение следует)

Комментарии: