Термодинамические закономерности

54 

Norwegian Journal of development of the International Science No 30/2019 

формулировок которого может быть  представлена 

в виде [2,3]:  

«Природа при формировании или самосборке 

наиболее  термодинамически  стабильных  структур 

высшего иерархического уровня (j), например, су-

прамолекулярного  уровня,  в  соответствии  со  вто-

рым  законом  спонтанно  использует  преимуще-

ственно  наименее  термодинамически  стабильные 

структуры (доступные в данной локальной области 

биологической  системы),  принадлежащие  к  низ-

шему уровню, т.е. молекулярному уровню (j-1). Эти 

неустойчивые структуры внедряются в следующий 

более высокий  уровень,  то есть  надмолекулярный 

уровень (j)». 

Принцип  стабильности  вещества  может  быть 

несколько перефразирован и представлен, с некото-

рой  точки  зрения,  в  упрощенной  и,  по-видимому, 

более  осязаемой  форме  некой  закономерности.  В 

формулировке  этой  закономерности,  названной 

«закономерностью стремления природы к равнове-

сию»,  обобщенное  понятие  стабильности  заменя-

ется более осязаемой величиной - свободной энер-

гии  Гиббса  образования  компонентов  индивиду-

альных  иерархических  структур.  В  случае 

химической и молекулярной биологической эволю-

ции такими компонентами - структурами являются 

атомы, молекулы или их фрагменты, участвующие 

в эволюционных преобразованиях 

«Закономерность  стремления  природы  к  рав-

новесию»  может  быть  сформулировано  следую-

щим образом: 

«Природа при формировании или самосборке 

наиболее близких к термодинамическому равнове-

сию структур  высшего  иерархического  уровня (j), 

например, супрамолекулярного уровня, самопроиз-

вольно  в  соответствии  со  вторым  законом  спон-

танно использует преимущественно наименее близ-

кие к термодинамическому равновесию структуры 

(доступные в данной локальной области системы), 

принадлежащие к низшему уровню, т.е. молекуляр-

ному  уровню  (j-1).  Эти  неустойчивые  структуры 

внедряются  в следующий  более высокий  уровень, 

то  есть  надмолекулярный  уровень  (j)».  При  этом 

все структуры или их фрагменты каждой структур-

ной иерархии характеризуются величинами удель-

ной  функции  Гиббса  их  образования,  которые 

имеют минимальное (или близкое к нему) значение. 

Важно  отметить,  что  представленная  формули-

ровка  рассматриваемой  закономерности  «со-

звучна»  утверждению:  «природа  ищет  минималь-

ные удельные значения свободной энергии Гиббса 

образования всех иерархических структур в эволю-

ции». 

В  связи  с  обсуждаемой  проблемой  целесооб-

разно вспомнить, что ранее были сформулированы 

некоторые качественные правила, касающиеся тен-

денции  изменения  концентрации  различных  ато-

мов,  входящих в состав химических структур,  ис-

пользуемых  природой  при  эволюционных  превра-

щениях. [4, 5, 6]. 

В работах [5] можно прочитать: "Присутствие 

атомов кислорода в молекулах способствует их ста-

бильности,  тогда  как  присутствие  атомов  азота 

обычно удаляет эти молекулы от стабильности".  

В  дальнейшем  формулировка  упомянутого 

правила была уточнена[6]: 

«Обогащение веществ атомами азота (при при-

близительном  сохранении  соотношения  других 

элементов  в  этом  веществе)  снижает  их  химиче-

скую стабильность, тогда как обогащение веществ 

атомами кислорода (при приблизительном сохране-

нии  соотношения  других  элементов  в  этом  веще-

стве) увеличивает их химическую стабильность».  

Указанный подход, опирающийся на принцип 

стабильности  вещества,  подтверждает  термодина-

мическую направленность изменения химического 

и супрамолекулярного состава в химической и био-

логической эволюции [7]. 

Упомянутое качественное правило хорошо со-

гласуются с принципом стабильности вещества. В 

то же самое время это правило также согласуются с 

закономерностью  стремления  природы  к  равнове-

сию,  которая  (закономерность)  ориентируется  на 

знаки  (положительные  или  отрицательные)  перед 

значениями  удельной  свободной  энергии  Гиббса 

образования  различных  соединений  или  их  фраг-

ментов, участвующих в молекулярных эволюцион-

ных преобразованиях.  

В таблице 1 представлены результаты величин 

стандартной  свободной  энергии  Гиббса  образова-

ния  некоторых  органических  веществ,  а  также 

воды,  характеризующих  стабильность  рассматри-

ваемых  соединений  в  условиях  существования 

жизни.  Эти  данные  относятся  к  десяткам  выбран-

ных  соединений,  термодинамические  характери-

стики которых содержатся в фундаментальной мо-

нографии – справочнике [8]. Из приведенных дан-

ных видно, что рассмотренные соединения азота и 

серы  в  стандартных  условиях  являются  сравни-

тельно  нестабильными,  поскольку  величины  ∆G 

f 

0 

298 

для  этих  веществ  положительны,  т.е.  больше 

нуля.  С  другой  стороны,  рассмотренные  соедине-

ния кислорода (как и вода) в стандартных условиях 

являются  сравнительно  стабильными,  поскольку 

величины ∆G 

f 

0 

298 

для этих веществ отрицательна, 

т.е. меньше нуля. 

Из закономерности стремления природы к рав-

новесию,  как  и  из  принципа  стабильности  веще-

ства, следует, что иерархические структуры в абио-

генезе  и  биологической  эволюции  должны  обога-

щаться  азотом  и  серой,  но  обедняться  водой  и  в 

определенной мере соединениями кислорода (име-

ются  в  виду  органические  соединения,  способные 

образовывать конечные продукты окисления). 

Провести  подобный  анализ,  касающийся  со-

единений  фосфора  весьма  затруднительно,  вслед-

ствие причин указанных в сноске к таблице 1. Хотя 

в связи с тем, что фосфор является аналогом азота, 

можно считать, что он, сам по себе,  также вносит 

отрицательный  вклад,  снижающий  стабильность 

органического  структурного  каркаса  живых  си-

стем. 

Таким образом, несмотря на отсутствие учета 

многих  факторов,  например,  таких  как,  влияние 

природы и размера рассматриваемых группировок, 

а также ориентация, фактически, только на знак пе-

Norwegian Journal of development of the International Science No 30/2019 

55

 

ред значением ∆G 

f 

0 

298 

, выявляется общая направ-

ленная тенденция влияния природы биогенных эле-

ментов  на  направленное  изменение  химического 

состава живых организмов в эволюции.  

Таблица 1. 

жүктеу/скачать 1,07 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: