От Pout
К Роман Ш.
Дата 04.05.2001 18:44:28
Рубрики Прочее;

системы типа жизнь антиэнтропийны(*)

http://www.voy.com/10844/5.html

>
> А вот что говорят более поздние исследования.
>"Однако непосредственное применение второго закона термодинамики к
>открытым неравновесным системам встречает ряд принципиальных
>трудностей.
> Действительно, понятие энтропии строго определено лишь для
>равновесных сосотояний, или, иными словами, энтропия системы имеет
>определнное значение только в состоянии равновесия. В тоже время
>открытые системы, и в первую очередь биологические системы,
>прекращают свое функционирование как таковые в состоянии равновесия.
> В термодинамической отношении открытые системы в процессе своего
>изменения проходят через ряд неравновесных состояний, что в свою
>очередь также сопровождается соотвествующими изменениями термодинамических
>переменных.
> В целом поддержание неравновесных состояний возможно лишь за
>счет сохранения градиентов сил и концентраций веществ, необходимых
>для создания соотвествующих потоков в открытой системе.
> Таким образом, в открытых системах мы сталкиваемся с существенно
>неравновесными состояниями, параметры и свойства которых, вообще
>говоря, суть функции времени. В связи с этим применение представлений
>классической термодинаики к неравновесным системам представляет собой
>самостоятельную проблему, решение которой и является предметом
>ТЕРМОДИНАМИКИ НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ". c.50
> (А.Б.Рубин. Термодинамика биологических процессов, 1976)
...2). 4ый закон термодинамики.
============================
Его формулировку обычно приписывают известному ученому, "отцу"синергетики, Пригожину.
Семья Пригожина эмигрировала из России в 1921 г. в Литву и Германию, а с 1929 г. осела в Бельгии, в которой уже в 50-70-е годы он создал теорию диссипативных структур, впервые сформулировав четвертое начало термодинамики для неравновесных процессов, которое приводит их в стационарное состояние при минимуме прироста энтропии. Предтечей этого открытия был почти незамеченный, а точнее непонятый современниками труд выдающегося украинского ученого системного мышления Сергея Подолинского (1850-1891), опубликованный впервые еще в 1880 г. на русском, французском, итальянском и немецком языках. В работе “Труд человека и его отношение к распределению энергии” он впервые в мире определил целесообразную эколого-экономическую деятельность людей как процесс, противодействующий диссипации (рассеянию) энергии. В тоже время в противовес второму началу термодинамики он способствует накоплению солнечной энергии на поверхности земли с целью дальнейшей ее переработки для создания средств удовлетворения материальных и духовных потребностей человека. Только через 111 лет данная работа была переиздана в России. В предисловии к этому переизданию современным российским ученым Побиском Кузнецовым четвертое начало термодинамики было названо “законом Подолинского”.

...

поскольку это - только вводная в тему, стоит посмотреть еще давно ( в 1930-40е года)опубликованнные этапные материалы по сабжу.
Эрвин Бауэр "Теоретическая биология"
Шредингер"Что такое жизнь"

Про книгу Бауэра рассказ тут
http://www.znanie-sila.ru/projects/issue_88.html
....


Наиболее завершенной главой теоретической физики 19 -го века является термодинамика. Термодинамический подход, термодинамический анализ природных явлений стал общепринятым. Было поэтому естественно искать в «живом веществе» и в биологических процессах особые термодинамические свойства.

Эрвин Бауэр направил свои усилия на исследования термодинамических свойств «живого вещества». Этим веществом он считал молекулы белка в особом «неравновесном» состоянии. При этом Бауэр полагал, что это не просто неравновесное состояние, а самоподдерживающееся неравновесное состояние или, его словами, «устойчиво неравновесное» состояние. И в самом деле жизнь поддерживается постоянным притоком энергии (пищи, света). Энергия тратится в процессах жизнедеятельности и в них же освобождается энергия пищи для поддержания этого особого состояния живого вещества. С этим трудно спорить. Но Бауэр считал, что на самом деле речь идет об особом поддерживаемом потоком энергии и потому «устойчивом», особом состоянии молекул белка. Он сформулировал это представление в виде Принципа устойчивого неравновесия.

Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях. (Теор. Биол. стр.43)

Исходя из этого принципа, он, в качестве следствий, выводит все основные свойства биологических систем метаболизм, деление клеток, размножение, старение.

Получается очень стройная картина. Один свойственным живым и только живым принцип и все остальные свойства и проявления жизни выводятся из него путем дедукции, как его следствия. Бауэр подчеркивает необходимость именно такого подхода. Он говорит, что странным образом обычно возникают непреодолимые трудности при определении понятий «жизнь» и «живое». В учебниках Биологии перечисляют признаки жизни вместо строгого определения этого понятия. При этом в таких перечнях ни один из признаков не является абсолютно специфичным для живого состояния (размножаются и кристаллы, сложные химические реакции катализируются и в неживых системах и т.п.). Биология ,по словам Бауэра, единственная наука предмет которой неопределен.

Бауэр полагал, что устойчиво неравновесное состояние реализуется в особой «напряженной», «деформированной» конфигурации (конформации) молекул белка. Такое состояние этих молекул их «структурная энергия» обусловливает их каталитическую (ферментативную) активность и, следовательно, все процессы метаболизма, явления биологической подвижности, асимметричное распределение ионов в системе клетка, внеклеточная среда и, следовательно раздражимость (возбудимость). Бауэр писал: «… источником работы, производимой живыми системами , служит, в конечном счете, свободная энергия, свойственная этой молекулярной структуре, этому состоянию молекул» (Т.Б.стр 93) «… это неравновесное состояние, эта деформированная молекулярная структура … поддерживается или постоянно восстанавливается за счет энергии непрерывных процессов выравнивания, протекающих в живой ткани …«( Т.Б.стр. 99).

Многое в идеях Бауэра плодотворно. В частности, из них следует представление о молекуле белка как о машине, осуществляющей свои функции преобразование энергии за счет «целесообразных» движений своих частей. Многое плодотворно и следствия красивы. А само существование в устойчиво неравновесном состоянии молекул белка, т.е. неравновесная конформация полипептиных цепей неподтвердившаяся гипотеза. Молекулы белка, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений и в клетке находятся в термодинамическом равновесии со средой. Свободная энергия запасается в клетках в виде свободной энергии процессов катаболизма молекул пищи или, в конце концов, в виде макроэргических фосфатов. Можно возразить, что это не противоречит основному принципу Бауэра — Принципу Устойчивого неравновесия, непрерывно поддерживается определенная концентрация макроэргических соединений как специфическое свойство жизни.
...

Особой физики нет, но такой подход, такая постановка вопросов о сущности жизни, о термодинамических особенностях процессов жизнедеятельности и, более того, стремление вывести дедуктивно «из общих принципов» все основные свойства изучаемого объекта — идеал науки. В те годы к такому идеалу активно устремлялись физики, и физика была примером для биологии. Казалось, что возможно аналогично теоретической физике создать теоретическую биологию. И Бауэр сделал попытку. Я уже говорил, попытка удалась: стройная концепция, общий принцип и следствия из него была реализована. При этом замечательно и парадоксально, что логическая конструкция Теоретической биологии Бауэра сохраняется и в случае иной физической интерпретации исходного Принципа Устойчивого Неравновесия.

Какой физический смысл может иметь принцип устойчивого неравновесия через 60 лет после появления «Теоретической биологии» ? Термодинамический принцип Бауэра, без сомнения, верен в вероятностно-информационном смысле.

Вероятностная интерпретация термодинамики Больцмана была наверное широко известна во времена Бауэра. Эта интерпретация оказалась особо плодотворной при создании Теории информации. Можно только пытаться представить себе волнение, которое испытал бы Бауэр при чтении книг и статей Сцилларда, Бриллюена, А. и И. Ягломова, посвященных связи количества информации с вероятностью, энтропией (свободной энергией), упорядоченностью букв в текстах, переходом от беспорядка к порядку.

В «молекулярно-биологической» интерпретации дарвиновская Теоретическая биология, Теория биологической эволюции, выглядят следующим образом:

В результате Естественного отбора создаются полимерные молекулы нуклеиновых кислот ( а по ним и белков), последовательность мономеров в которых , в ходе эволюции становится все менее хаотичной, все более сложной, все более упорядоченной. Соответствующие наследственные тексты становятся уникальными. На вероятностном термодинамическом языке это означает все большее удаление от равновесия, все большую неравновесность. Это устойчиво неравновесное состояние обязательное условие жизни. Непрерывная работа по поддержанию, сохранению этой неравновесности, уникальности наследственных текстов условие благополучия индивидуальной жизни и содержание процесса «стабилизирующего отбора». Возрастание «неравновесности», создание новых уникальных текстов информационно-термодинамическое содержание дивергентной эволюции.

В связи со сказанным и Принцип Бауэра оказывается верным и выглядит следующим образом:

Все и только живые объекты и результаты биологической эволюции никогда в этом смысле не бывают в равновесии, жизнь невозможна без уникальных для каждого вида наследственных текстов и исполняют за счет своей свободной энергии посредством репарации соматических мутаций и иммунологического контроля в онтогенезе и естественного отбора в ряду поколений постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях. Здесь жирным шрифтом выделен текст Бауэра и обычным шрифтом дано молекулярно-биологическое содержание его утверждений .

Содержание книги этим не исчерпывается. Первая ее часть, которая называется «Общая теория живой материи», состоит из введения «Предмет и метод теоретической биологии» и четырех глав:

«Принцип устойчивого неравновесия», «Свободная энергия живых систем и принцип работы системных сил», «Противоречие между внешней и внутренней работой в живых системах. Принцип увеличивающейся внешней работы как историческая закономерность» и «Проблема живого белка».

Вторая часть «Теория жизненных явлений» с главами: «Обмен веществ и граница ассимиляции», «Размножение», «Приспособление», «Раздражимость», «Эволюция», где показаны логические следствия исходного принципа. Эти главы замечательны стилем и логикой изложения и демонстрируют плодотворность дедуктивного метода.

«Информационно-эволюционная» интерпретация главного принципа делает эти логические построения вполне современными, показывая, как далеко опередил Э.С.Бауэр свое время. И в самом деле, в «Теоретической биологии» предвосхищены многие идеи развитых позже термодинамики необратимых процессов, теории информации, биоэнергетики, физики и физической химии биологически важных макромолекул.

...
От Роман Ш.
К Pout (04.05.2001 18:44:28)
Дата 05.05.2001 06:31:49

Я знаком с теорией Бауэра

> Действительно, понятие энтропии строго определено лишь для
>равновесных сосотояний, или, иными словами, энтропия системы имеет
>определнное значение только в состоянии равновесия.

Классическая термодинамика вообще не имеет дела с неравновесными состояниями. Вообще, строго говоря, равновесных систем в природе нигде не наблюдается. Поэтому вся суть гипотезы, которую я здесь накатал, это то, что 2-й закон термодинамики все-таки можно применить к неравновесным состояниям, так как в противном случае он вообще не может применяться на практике. Хуже того, четкого определения равновесных и неравновесных систем тоже не существует. Нет четкого доказательства того, что все равновесные системы не должны иметь градиентов сил и концентраций.

>Эрвин Бауэр направил свои усилия на исследования термодинамических свойств «живого вещества». Этим веществом он считал молекулы белка в особом «неравновесном» состоянии.
>В «молекулярно-биологической» интерпретации дарвиновская Теоретическая биология, Теория биологической эволюции, выглядят следующим образом:
>В результате Естественного отбора создаются полимерные молекулы нуклеиновых кислот ( а по ним и белков), последовательность мономеров в которых , в ходе эволюции становится все менее хаотичной, все более сложной, все более упорядоченной.

Все это замечательно, но Бауэр упустил самое главное. Что движет Естественным отбором (эволюцией)? Ведь у каждого процесса есть движущая сила, благодаря которой он и происходит/протекает. Хуже того, жизнь совсем не обязательно основана на нуклеиновых кислотах, например, прионы (возбудители коровьего бешенства, Сысой не даст соврать) не имеют ни ДНК, ни РНК. Более того, согласно последним гипотезам (не могу найти подходящую ссылку) почва (гуминовые кислоты на минеральной матрице безо всяких белков и нуклеидов) - это тоже живой организм, т.к. она, подобно живым организмам, может самовоспроизводиться (другое дело, что она, в отличие от других живых организмов создается необязательно только размножением).
От Pout
К Роман Ш. (05.05.2001 06:31:49)
Дата 10.05.2001 18:53:28

теория Бауэра - важный этап. И это 1935

>> Действительно, понятие энтропии строго определено лишь для
>>равновесных сосотояний, или, иными словами, энтропия системы имеет
>>определнное значение только в состоянии равновесия.
>
>Классическая термодинамика вообще не имеет дела с неравновесными состояниями. Вообще, строго говоря, равновесных систем в природе нигде не наблюдается. Поэтому вся суть гипотезы, которую я здесь накатал, это то, что 2-й закон термодинамики все-таки можно применить к неравновесным состояниям, так как в противном случае он вообще не может применяться на практике. Хуже того, четкого определения равновесных и неравновесных систем тоже не существует. Нет четкого доказательства того, что все равновесные системы не должны иметь градиентов сил и концентраций.

Гипотез из головы на чистом месте надо по минимуму придумывать, как там Ньютон говорил - "гипотез не измышляю". Допустим, что бы было если б был не закон всемирного тяготения, а всемирного отталкивания. Это вполне тянет на аналогию в данном случае.
Не _определений_систем нет, а в реальной жизни таких"идеальных моделей"не бывает. Ну дык работают теоретики с модельными клюючевыми абстракциями - идеальный газ, равновесная система. Это методический прием.


>>Эрвин Бауэр направил свои усилия на исследования термодинамических свойств «живого вещества». Этим веществом он считал молекулы белка в особом «неравновесном» состоянии.
>
>Все это замечательно, но Бауэр упустил самое главное. Что движет Естественным отбором (эволюцией)? Ведь у каждого процесса есть движущая сила, благодаря которой он и происходит/протекает. Хуже того, жизнь совсем не обязательно основана на нуклеиновых кислотах, например, прионы (возбудители коровьего бешенства, Сысой не даст соврать) не имеют ни ДНК, ни РНК. Более того, согласно последним гипотезам (не могу найти подходящую ссылку) почва (гуминовые кислоты на минеральной матрице безо всяких белков и нуклеидов) - это тоже живой организм, т.к. она, подобно живым организмам, может самовоспроизводиться (другое дело, что она, в отличие от других живых организмов создается необязательно только размножением).

Значит так. Есть довольной длинный список литературы по теме"о применении термодинамики в биологии "и далее на этой основе - к "системам типа жизнь". Что не крупный автор, то своя цепочка и свой категориальный ряд. Можете начинать свой - вольному воля, я просто информирую о том что уже имеется .
По состоянию на 1935 см. Вернадский "Очерки геохимии"(изд.1934), раздел "Энергия живого вещества и принцип Карно". Следом этапная работиа Бауэра. По том Шредингер. Потом ряд авторов - Тринчер,
и т.д. Там были сначала кибернетики, потом синергетики, мне это не близко, но все конторы писали , и много.

П.Кузнецов например обходился без энтропии, работал в категорях энергии-мощности. И без "негэнтропии"Шредингера, эктропии и прочих подобных альтернатив энтропии(чисто мысленному концепту, кстати).
Популярное изложение есть в нескольких книгах. Хороший общий обзор я как-то цитировал тут - В.Алексеев, "Энергоэнтропика".М.Знание .1984. Алексеев преподавал основы теплотехники , у него чистая инженерная голова и мало зауми. Кузнецов писал более мутно и разбросанно, зато далеко ушел. его обзоры по сабжу публиковались давно. Напр"К истории вопроса о применении термодинамики в биологии" - кн."Новое о растениях". М.Знание. 1967. Там треть статьи по Вернадскому а дальше по Бауэру.

Бауэр не школьник, а этапный теоретик, и ничего не"упускал", бросьте этот школярский тон. Он фактически заложил основы предмета науки биологии и обосновал его. А дальше долгая работа в разных направлениях , разумеется теперь эта его работа на фоне последующих имеет прежде всего исторический интерес.По ней была спец.конферения года три назад в Пушине, к 100 летию Бауэра. Шноля этого не надо брать за единственно верного интерпретатора, есть и другие. Об этом теперь много пишут. Время измышливания основополагающих гипотез в термодинамике процессов тппа жизнь уже прошло.

Системы"типа жизнь"включают прежде всего биосферу(именно по Вернадскому - 20 км вглубь и 30 вверх). Не отдельный организм и даже не животный мир, а прежде всего целокупную систему. В отдельных подсистемах"энтропия" при жизнедеятельности растет.
Еще общество. Кузнецов среди"аномальных физических систем"рассматривает и систему
(как целокупность) машинерии в ее эволюции и истории.
От Роман Ш.
К Роман Ш. (05.05.2001 06:31:49)
Дата 05.05.2001 06:42:44

P.S.

>Все это замечательно, но Бауэр упустил самое главное. Что движет Естественным отбором (эволюцией)?

Имелось в виду: "Что движет эволюцией и что привело к возникновению жизни с термодинамической точки зрения?" Напомню, что движущей силой процессов в общем виде является разность потенциалов.