Принцип возрастания энтропии, теория Опарина

       Принцип возрастания энтропии  сводится к утверждению, что  энтропия изолированных систем  неизменно возрастает при всяком  изменении их состояния и остается  постоянной лишь при обратимом течении процессов: 
Оба вывода о существовании и возрастании энтропии получаются на основе какого-либо постулата, отражающего необратимость реальных процессов в природе. Наиболее часто в доказательстве объединенного принципа существования и возрастания энтропии используют постулаты Р.Клаузиуса, В.Томпсона-Кельвина, М.Планка.

     В действительности принципы существования  и возрастания энтропии ничего общего не имеют. Физическое содержание: принцип  существования энтропии характеризует  термодинамические свойства систем, а принцип возрастания энтропии - наиболее вероятное течение реальных процессов. Математическое выражение принципа существования энтропии - равенство, а принципа возрастания - неравенство. Области применения: принцип существования энтропии и вытекающие из него следствия используют для изучения физических свойств веществ, а принцип возрастания энтропии - для суждения о наиболее вероятном течении физических явлений. Философское значение этих принципов также различно.

     В связи с этим принципы существования и возрастания энтропии рассматриваются раздельно и математические выражения их для любых тел получаются на базе различных постулатов.

     Вывод о существовании абсолютной температуры T и энтропии S как термодинамических функций состояния любых тел и систем составляет основное содержание второго закона термодинамики и распространяется на любые процессы - обратимые и необратимые.

       Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа. В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым (постулат Клаузиуса, 1850 г.).

        Второй закон термодинамики определяет также условия, при которых теплота может, как угодно долго преобразовываться в работу. В любом разомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершается положительная работа, но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, следовательно, возможность преобразования теплоты в работу ограничена. Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле.

     Значительные результаты были получены Л.Больцманом, который показал, что идеальный газ, находящийся первоначально в нестационарном состоянии, с течением времени сам собой должен переходить в состояние статистического равновесия. Эту теорему Больцман истолковал как доказательство статистического характера второго начала термодинамики. Из принципов статистической термодинамики Больцман непосредственно выводит идею необратимости молекулярных процессов. Энергия переходит из менее вероятной формы в более вероятную. Если первоначальное распределение энергии в телах было менее вероятным, то в дальнейшем вероятность распределения увеличится. Больцман формулирует и новую интерпретацию энтропии. В соответствии с ней энтропия есть логарифм вероятности состояния системы: S = k ln W. Коэффициент пропорциональности k был рассчитан Планком и назван постоянной Больцмана. Эта формула высечена на памятнике Больцману на венском кладбище. 
 
 
 

3.   Теория происхождения жизни А. И. Опарина 

     Проблема  возникновения жизни на Земле  издавна не дает покоя многим ученым. С тех пор, как человек начал  задаваться вопросом, откуда произошло все живое прошло много лет, и за все это время рассматривалось множество гипотез и предположений о зарождении жизни. Религиозная теория, теория самозарождения, теория панспермии, теория вечного существования жизни... Человечество до сих пор не может до конца разгадать эту загадку.

     В развитии учений о происхождении  жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое  происходит только от живого - теория биогенеза. Эту теорию в середине ХIХ века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как теория происхождения жизни - биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.

     Теория, предложенная А. И. Опариным в первой половине ХХ века, основана на предположении о химической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем к биологической эволюции. Образование клетки явилось сложнейшим явлением. Но оно и положило начало развитию жизни и всему ее многообразию. Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. Это привело к возрождению теории самозарождения. Новая версия получила название теория химической эволюции. Александр Иванович Опарин – создатель всемирно признанной теории происхождения жизни, положения которой блестяще выдержали более чем полувековую проверку временем; один из крупнейших советских биохимиков, заложивший фундамент исследований в области эволюционной и сравнительной биохимии, энзимологии, биохимии растений и субклеточных структур, основатель советской технической биохимии; выдающийся педагог, организатор науки, общественный деятель и блестящий популяризатор научных знаний.

     Разрабатывая  теоретические основы биологии, А.И. Опарин выдвинул теорию возникновения жизни на Земле. На основе фактических материалов из области астрономии, химии, геологии и биологии А.И. Опарин предложил гипотезу развития материи, объясняющую возникновение жизни на Земле. Проблему происхождения жизни он рассматривал с материалистической позиции и объяснял возникновение жизни как определенный и закономерный качественный этап в историческом развитии материи.

     Уже ранние исследования А.И.Опарина в  области сравнительной биохимии окислительно-восстановительных процессов у простейших водорослей привели его к изучению эволюционного развития жизни и разработке основных положений проблемы происхождения жизни на Земле. В те годы (в начале XX века) среди естествоиспытателей проблема происхождения жизни считалась проблемой, не допускающей экспериментального подхода и не разрешимой методами естественных наук. Крупнейшей научной заслугой А.И.Опарина является то, что он убедительно показал возможность научного экспериментального подхода к исследованию проблемы происхождения жизни. Он изложил свои идеи в книге «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и переведенной на английский язык в 1938 году. Пик исследований А. И. Опарина и его соавторов приходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхождение жизни» была опубликована раньше.

     Появление жизни А.И. Опарин рассматривал как  единый естественный процесс, который  состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно  новый уровень - биохимическую эволюцию.

     1. Первобытная Земля имела разреженную  (то есть лишенную кислорода)  атмосферу. Когда на эту атмосферу  стали воздействовать различные  естественные источники энергии  - например, грозы и извержения  вулканов - то при этом начали  самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

     С самого начала этот процесс был связан с геологической эволюцией. В  настоящее время принято считать, что возраст нашей планеты  составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая атмосфера называется «восстановительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 1000C образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно, с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран.

     2. С течением времени молекулы  органических веществ накапливались  в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.

     По  однотипным правилам синтезировались  в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера.

     Эксперимент Миллера, ставший поворотным пунктом в этой области, был предельно прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты - два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в другой колбе постоянно кипит вода. Затем аппарат заполняется атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В основном получилась вязкое месиво случайных соединений; в растворе также было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты - глицин и аланин.

     Первичные клетки предположительно возникли при  помощи молекул жиров (липидов). Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом — пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

     3. Первые клетки были гетеротрофами,  они не могли воспроизводить  свои компоненты самостоятельно  и получали их из бульона.  Но со временем многие соединения  стали исчезать из бульона, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.

     Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру, которая была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружающей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых систем. Отдельная молекула, даже очень сложная, не может быть живой. Это значит, что не разрозненные части определяют собой организацию целого, а целое, продолжая эволюционировать, обусловливает целесообразность строения частей.

     Естественный  отбор сохранял те системы, в которых  были более совершенными функция  обмена веществ и приспособленность  организма в целом к существованию  в данных условиях внешней среды. Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ — центральное положение в гипотезе Опарина.

     4. Некоторые из этих молекул  оказались способны к самовоспроизводству.  Взаимодействие между возникшими  нуклеиновыми кислотами и протеинами, в конце концов, привело к возникновению  генетического кода.

     В ходе естественного отбора выжили системы, имевшие особое строение белковых полимеров, что обусловило появление третьего качества живого - наследственности (специфичной  формы передачи информации).

     Теорию  А.И. Опарина горячо поддержал кембриджский профессор Дж. Холдейн. Холдейн выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что он назвал горячим разбавленным бульоном (впоследствии прижилось название первичный бульон или протобульон). Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни исходит из теории Опарина-Холдейна о происхождении жизни, теория эта общепризнанна.

     Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма популярна. Сильной ее стороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни - закономерный результат. Аргументом в пользу этой концепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.

     Слабой  стороной концепции А. И. Опарина является допущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. В рамках концепции Опарина не решена главная проблема - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой материи к живой.

     Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза  почти все специалисты в области  происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам?