7528

71

стояние S2 (S2 > S1). В случае, когда система обменивается энергией с окружающей средой теплотой Q при температуре Т (неизолированная система), изменение энтропии связано с теплотой и температурой соотношением

DS³Q/Т

Рассмотрим изменение состояния изолированной системы, состоящей из теплого (температура Т1) и холодного (температура Т2) тел (рис 29). Убедимся, что в изолированной системе передача энергии от теплого к холодному телу сопровождается возрастанием энтропии системы. Пусть теплое тело передает незначительное количество теплоты Q (Q<0, т.к. для тела процесс экзотермический), настолько малое, что температура тела практически не изменяется. Соответственно холодное тело получает теплоту Q (Q>0, т.к. для тела процесс эндотермический). Для холодного тела температура также практически не изменяется. Запишем уравнения, выражающие изменения эн-

Рис. 29. Модель изолированной системы, состоящей из нагревателя при температуре Т1 и холодильника при температуре Т2

Изменение энтропии системы DSсист = DS1 + DS2 или

DSсист = Q/Т1 + Q/Т2

Так как для теплого тела Q<0, а для холодного тела Q>0, то при неравенстве температур Т1>Т2 получаем

DSсист = Q/Т1 + Q/Т2 > 0

Клаузиус и Кельвин сумели установить законы природы. Во-первых, полное количество энергии в любом процессе должно сохраняться в соответствии с первым законом термодинамики, во-вторых, распределение имеющейся энергии осуществляется необратимым образом; естественное направление указывает второй закон термодинамики. Он выражает тенденцию всех процессов, протекающих в изолированных системах, идти самопроизвольно в направлении рассеивания энергии или, другими словами, в направлении увеличения беспорядка (рис. 30).

Потенциальная энергия падающего мяча превращается в энергию движения микрочастиц поверхности пола (рис. 30, а). Обратный процесс перемещения мяча из состояния 2 в состояние 1 невозможен. Мяч самопроизвольно не вернется в исходное состояние, т.к. частицы, расположенные на

72

поверхности пола, рассеяли полученную энергию по всем частицам пола. Газ, оказавшийся в первое мгновение в левой части сосуда, самопроизвольно займет весь объем сосуда (рис. 30, б). Происходит увеличение беспорядочного перемещения молекул по всему объему, что эквивалентно рассеиванию энергии по всему объему, т.к. носителями энергии являются молекулы газа.

1

2

а)

б)

Рис. 30. Модель рассеяния энергии (увеличения беспорядка): а) мяч в изолированной системе; б) газ в замкнутом объеме. 1- начальное, 2 - конечное состояние системы. Примечание. Стрелками указано направление самопроизвольного (необратимого) процесса

Третий закон термодинамики (Планк, 1911 г.) касается свойств систем при низких температурах. Планк высказал утверждение, имеющее статус

третьего закона термодинамики: энтропия правильно сформированного

кристалла чистого вещества при абсолютном нуле равна нулю, т.е. S = 0 при

Т = 0. Естественно, что при очень низких температурах все вещества становятся твердыми. Согласно экспериментальным данным, теплоемкость (С) твердых тел не только стремится к нулю при Т, стремящейся к нулю, но и убывает значительно быстрее, чем убывает температура. Последнее обстоятельство означает, что невозможно отобрать тепло у тела при понижении температуры посредством конечного числа шагов. Следовательно, абсолютный нуль температуры недостижим. В этих условиях по мере приближения к абсолютному нулю энтропия любой равновесной системы перестает зависеть

73

от каких-либо термодинамических параметров, принимая для всех веществ одно и то же значение S = 0. Если бы абсолютный нуль температуры был достижим, то в соответствии с циклом Карно, который лежит в основе второго закона термодинамики, можно было бы всю теплоту превратить в работу.

η = А/Q1 = T1 − T2/Т1

если T2 = 0, то

η= T1 − 0/Т1 = 1;

η= А/Q1= 1;

отсюда следует, что Q1 = А

Как не без сарказма заметил Эткинс [25, с 51]: «Первый закон: теплоту можно превратить в работу.

Второй закон: полностью это возможно лишь при абсолютном нуле температур.

Третий закон. Однако абсолютный нуль недостижим».

Вопросы для проверки знаний

1.Что подразумевают под понятием «энергия»?

2.В чем различие полной энергии от кинетической, потенциальной и внутренней энергии системы?

3.Почему теплоту и работу называют формами передачи энергии?

4.Почему энергию называют функцией состояния системы?

5.Почему Карно утверждал, что процессу преобразования теплоты в работу присуща «внутренняя неэффективность»?

6.Можно ли построить тепловую машину, действующую циклически, коэффициент полезного действия которой был бы равен 1?

7.Как формулируется первый закон термодинамики?

8.Как формулируется второй закон термодинамики?

9.Можно ли утверждать, что второй закон термодинамики отражает асимметрию процессов, происходящих в природе?

10.Какой смысл вкладывается в понятие «энтропия»?

11.Может ли энтропия служить критерием направления самопроизвольно протекающего процесса в изолированной системе?

12.Может ли энтропия служить критерием направления самопроизвольно протекающего процесса в неизолированной системе?

13.Как формулируется третий закон термодинамики?

14.На основании какого закона термодинамики мы утверждаем, что абсолютный ноль температуры недостижим?

7. ЖИЗНЬ

Жизнь– это процесс поддержания устойчивого состояния живых сис-

тем в результате обмена энергией, веществом и информацией с окружаю-

щей средой. Свойство обмениваться веществом, энергией, информацией присуще как живым, так и неживым системам. Такие микро- и макросистемы

74

неживой природы, как атомы, молекулы, твердые, жидкие и газообразные тела, проявляют фундаментальные свойства:

обмениваться энергией; обмениваться веществом;

изменять геометрическую конфигурацию; превращаться, т.е. переходить в качественно и количественно новое состояние в пространстве и во времени; обмениваться информацией с помощью сигналов.

Как только состояния одного объекта будут находиться в соответствии с состояниями другого объекта, это значит, что один объект отражает другой объект, содержит информацию о другом объекте. Для того, чтобы два объекта содержали информацию друг о друге, необходимо, чтобы между их состояниями существовало соответствие: только при этом условии по состоянию одного объекта можно судить о состоянии другого. Такое соответствие устанавливается в результате физического взаимодействия между объектами. Два объекта могут взаимодействовать непосредственно. Кроме того, соответствие между состояниями двух объектов может устанавливаться и с помощью взаимодействия с промежуточными объектами, часто даже целой совокупностью объектов. Колебания воздуха передают, например, звуки музыки, речь лектора, пение птиц, шум двигателя, звонок к окончанию занятий. Колебания электромагнитного поля несут сигналы, которые преобразуются в звуки музыки, речь, изображения объектов и т.д. Две молекулы (диполи) взаимно ориентируются, обмениваясь сигналами посредством электромагнитных полей.

Сигнал есть материальный носитель информации, свойство перенесения информации в пространстве и во времени. Следовательно, информация есть то, что несет сигнал. Мы можем заключить, что в качестве сигналов выступают не сами по себе объекты, а их состояния. Информация играет в системах очень важную роль. Если энергетические и вещественные потоки питают систему, то потоки информации, переносимые сигналами, организуют функционирование системы, управляют ею.

Живым и неживым системам присущи одни и те же фундаментальные свойства, о которых говорилось выше. И все же жизнь отличается от неживой материи тем, что она соответствует метастабильному, неустойчивому состоянию, тогда как неживые системы находятся в устойчивом состоянии или самопроизвольно переходят в устойчивое состояние. Метастабильное состояние жизни напоминает метастабильное состояние шарика, скачущего в восходящей струе воды. Пока поток удерживает шарик в верхней части струи, он не падает. Пока поток солнечной энергии поддерживает жизнь, она самовоспроизводится и не разрушается.

7.1. Живые системы

Количество свойств любой системы не имеет ограничений. Система обладает столькими свойствами, сколько обнаружено разных отношений ее с окружающей средой. Общность перечисленных выше свойств, присущих как

75

живым, так и неживым системам, не означает, что между ними нет различий. В живых системах проявляется важное фундаментальное свойство, которым не обладают неживые системы: молекулы веществ биологического происхождения обладают асимметрией.

Органические соединения, имеющие одинаковый количественный со-

став и соответственно молекулярные формулы, но разную структуру, на-

зываются изомерами. Изомеры делятся на две основные группы: структур-

ные изомеры и стереоизомеры. Структурные изомеры отличаются по химическому строению.

атомов и групп атомов в молекуле.

Химическая формула аминокислоты−аланина

С3Н7NO2

б)

Рис. 31. Хиральные−асимметричные, несовмещающиеся объекты: а) аминокислоты; б) руки

76

Среди стереоизомеров важное место занимают энантиомеры. Энантиомеры– это стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как пред-

мет и несовместимое с ним зеркальное изображение. Например, α-

аминокислоты, входящие в состав белков. Молекулы L- и D-α-аминокислот представляют собой зеркальные изображения друг друга, не совпадающие при совмещении их в пространстве (рис.31). Термин «хиральность» (от греч. cheir−рука) означает несовместимость объектов в пространстве, как несовместимы левая и правая рука. Почти все природные α-аминокислоты принадлежат к L-ряду. Использование для построения белков человеческого организма только одного вида стереоизомеров α-аминокислот, а именно: энантиомеров L-ряда−имеет важнейшее значение для формирования структуры белков и проявления ими биологической активности.

D-α-аминокислоты называют иногда «неприродными» аминокислотами, так как они не используются для построения белков человеческого организма. С этим непосредственно связана стереоспецифичность действия ферментов. Ферменты (определенного сорта белки-катализаторы), построенные из L-α-аминокислот, т.е. из хирального материала, в целом сами являются хиральными и поэтому вступают во взаимодействие только с теми веществами, которые имеют определенную конфигурацию. Иначе говоря, хиральная молекула проявляет чувствительность к хиральности реагирующих с ней молекул. Асимметрия, связанная с отбором в метаболических процессах живого организма только одного энантиомера (аминокислот L-ряда, моносахаридов D-ряда и др.), отличает живые системы от неживых. Молекулярная хиральность присуща только живым системам.

Определение, данное Ф. Энгельсом, что жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел, соответствовало уровню развития науки того времени (1877−1878). Со временем стало очевидным, что белок играет важную роль в живых системах, но информационногенетическую функцию выполняет не белок, а ДНК. В конце 80-х годов ХХ века было установлено, что в отсутствие белковых ферментов РНК проявляет свойство саморепродукции. Открытие автокаталитической функции РНК решало вопрос объединения двух функций в молекуле РНК: каталитической и информационно-генетической. Была установлена определяющая роль белка, ДНК, РНК и ряда других органических веществ в функционировании живых систем. Макромолекулы структурируются в живые системы– клетки. Клетки выступают в качестве «кирпичиков»−строительного материала более сложных многоклеточных живых систем. Например, человеческое тело состоит примерно из 100 миллиардов клеток.

77

Вопросы для проверки знаний

1.Что называют жизнью?

2.Что такое информация?

3.Включают ли метаболические процессы обмен веществом, энергией и информацией?

4.Являются ли носителем информации: а) вещество; б) поле; в) вещество и поле?

5.Что является сигналом: объект или состояние объекта?

6.Какие соединения называют изомерами?

7.Чем отличаются структурные изомеры от стереоизомеров?

8.Какие соединения называют энантиомерами?

9.Какую роль в организме играют ферменты?

7.2. Происхождение жизни

Научные концепции опираются на материальное происхождение жизни естественным путем на основе общих законов природы. В 1924 г. была опубликована книга русского биохимика А.И. Опарина (1894−1980) «Происхождение жизни», в которой рассматривается процесс длительной эволюции от неживых к живым системам. Предположение Опарина и американского физика и химика Г.К. Юри (1893−1981) о том, что первичная атмосфера Земли имела восстановительные свойства и на определенном этапе своего развития должна была содержать пары воды (Н2О), молекулярного водорода (Н2), аммиака (NH3), метана (СН4) и циана (CN), послужило исходной точкой для прогнозирования появления органических соединений.

Синтез органических соединений из неорганических в восстановительной среде был доказан в середине ХХ века. Аминокислоты образуются в восстановительной газообразной среде при электрических разрядах (1953г.). В этой среде под действием нагревания, ультрафиолетового излучения и других источников энергии происходит образование таких сложных органических веществ, как пурины, пиримидины, моносахариды (1960г.), белковоподобные вещества (1969г.), аденозинтрифосфорная кислота (1970г.), полипептиды. Вопрос о химической эволюции на Земле как первом этапе возникновения живых систем из сложных органических веществ считается доказанным. Появление сложных органических веществ обеспечило переход к следующему этапу– биологической эволюции.

С момента образования Земли, возраст которой оценивается в 4,6 миллиарда лет, атмосфера Земли постепенно менялась. Появились водоемы, в которых органические вещества участвовали в разнообразных химических превращениях. Энергия солнечного излучения вызывала синтез и распад сложных органических молекул. Образовывались такие молекулы, которые обладали способностью к совместному сосуществованию в каплях– коацерватах (лат. coacervatio−собирание в кучу, накопление). Коацервация возможна даже в тех случаях, когда концентрация органических полимерных веществ в воде очень мала. Появление органических капель−коацерватов−

78

послужило толчком к эволюционному совершенствованию процессов обмена веществ и возникновению простейших клеток. Метаболические процессы, проходившие в первичных живых системах, сопровождались изменением состава атмосферы. Выделение кислорода в процессе фотосинтеза в одноклеточных организмах приводило к появлению и накоплению его в атмосфере:

6 Н2О + 6 СО2 → С6Н12О6 + 6 О2

Восстановительная атмосфера превратилась в окислительную, содержащую кислород (О2) и азот (N2).

Период возникновения жизни завершился, и условия, которые способствовали этому примерно 3−4 миллиарда лет тому назад, перестали существовать. Наступил эволюционный этап развития живых систем в условиях окислительной среды. Чередование этапов эволюции и скачков качественного перехода к новому состоянию живых систем привел к той биосфере, которая существует в настоящее время.

Вопросы для проверки знаний

1.Какой состав имела первичная восстановительная атмосфера?

2.Какие ученые доказали появление органической жизни из неорганических веществ?

3.Изменили ли живые системы состав атмосферы Земли?

7.3. Эволюция биосферы

Биосфера представляет собой живые системы (растения, животные, микробы), расположенные в части атмосферы, во всей гидросфере и по-

верхностном слое литосферы и существующие за счет потока солнечной энергии. Биосфера развивалась в направлении создания все более упорядоченных и структурированных живых систем.

Второй закон термодинамики выражает глобальное отрицание возможности самопроизвольного возникновения упорядоченных структур. В соответствии с этим законом в природе самопроизвольно идут процессы в направлении рассеяния энергии и увеличения беспорядка, т.е. в направлении увеличения энтропии изолированной системы. Как согласуется глобальное отрицание возможности самопроизвольного возникновения упорядоченных структур с появлением и развитием упорядоченных живых систем на Земле? Живые системы возникли в результате возрастания хаоса во Вселенной. Другими словами, появление живых систем в потоке рассеивающейся энергии не противоречит второму закону термодинамики. «Расплатой» за возникновение упорядоченных живых систем на планете Земля послужил возросший хаос во Вселенной за счет потока солнечной энергии, рассеивающейся в мировое пространство. «Изначально существует только процесс рассеяния, деградации; все захлестывают волны хаоса, не имеющего причин и объяснений. В этом процессе отсутствует какая-либо изначальная цель, в нем есть только непрерывное движение. Однако… и в этом движении возможны различные

79

направления, выбор которых диктуется случаем» [25, с. 199]. Живые системы преходящи, но они, как видим, способны существовать в потоке солнечной энергии миллионы лет. Достаточно проследить эволюцию живых систем в биосфере, чтобы убедиться в этом.

Появление простейших клеток– прокариотов, не обладающих типичным клеточным ядром и хромосомным аппаратом, но способных воспроизводить себе подобных путем деления, было первым шагом эволюции живых систем. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые водоросли и ряд других организмов. У прокариотов наследственная информация представлена пятью дезоксирибонуклеиновыми кислотами, имеющими обычно кольцеобразную форму. Среди прокариотов сине-зеленые водоросли, вероятно, всегда играли очень важную роль в круговороте веществ в биосфере. Возникла жизнь без смерти в том смысле, что в генетическом коде заложено только деление. Из одной клетки появлялись две. И далее шел процесс удвоения.

С появлением эукариотов– одноклеточных организмов– клетка обрела ядро. Клетки эукариотов объединялись в многоклеточные растительные и животные организмы. Возникло разделение функций клеток в многоклеточном организме.

Появление животных с твердым скелетом было следующим шагом развития живых систем. Развитие мозга−«биокомпьютера», способного собирать, хранить, обрабатывать информацию, позволило живым системам более эффективно противостоять и приспосабливаться к среде обитания, чтобы жить и выжить в мире, полном опасностей.

Формирование разума как высшей формы деятельности мозга привело к образованию социальной общности людей– носителей разума.

Обоснование механизма эволюции живых систем дано английским естествоиспытателем Ч.Р. Дарвиным (1809−1882). В своем основном труде «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», вышедшем в 1859 г. он показал, что преобразование пород домашних животных и культурных растений происходит на основе незначительных изменений в признаках отдельных организмов. Возникающие у животных и растений наследственные изменения попадают под действие естественного отбора, так что в борьбе за сущест-

вование выживают формы, наиболее приспособленные к данным условиям среды. Впервые в истории биологии была разработана теория эволюции.

Еще во времена античной натурфилософии делались попытки классификации животных и растений по различным признакам, например, по их полезности или вредности. Выдающийся вклад в создание системы растительного и животного мира сделал шведский естествоиспытатель К. Линней (1707−1778). В своем труде «Система природы» (1735 г.) он ввел в употребление классификацию живых систем, в которой человек был включен в класс млекопитающих отряда приматов. Линней был противником идеи развития животного и растительного мира. Он считал, что число видов остается постоянным. Лишь в последних трудах в очень осторожной форме Линней выска-

80

зывал предположение, что все виды одного рода составляли в начале один вид.

До Дарвина делались попытки создания концепции эволюции живых систем французскими естествоиспытателями Ж.Б. Ламарком (1744−1829) и Ж.Л. Кювье (1769−1832). Согласно концепции Ламарка толчком к возникновению и дальнейшему развитию живых систем в неживой природе послужил «верховный творец», пустивший в действие «мировую машину». Живое возникло из неживого и дальше развивалось на основе объективных зависимостей, где нет места случайности. Тем самым Ламарк признавал объектив-

ную закономерность и причинную обусловленность явлений и процессов в живой природе (детерминизм). Главная причина эволюционного развития живых систем по Ламарку заключается в их стремлении к усложнению и со-

вершенствованию.

Кювье отвергал учение Ламарка об изменяемости живой природы. Он считал, что все живое неизменно с момента божественного сотворения мира. Для объяснения смены фауны и флоры в последовательных геологических пластах Кювье выдвинул теорию катастроф. Причиной вымирания одних видов живых систем и появления других являются геологические катастрофы. На большей части планеты погибало все живое в результате геологических катастроф, и тогда свободные территории заселялась новыми формами животных, пришедшими из других мест.

Дарвину удалось заложить основы современной эволюционной теории. Именно он пришел к выводу, опираясь на огромный фактический материал по выведению новых сортов растений и животных, что в природе любой вид

животных стремиться к размножению в геометрической прогрессии. И ес-

ли такой темп роста не реализуется, то только потому, что организмы гибнут в неблагоприятных условиях среды. Остаются те организмы, которые вы-

стояли в борьбе за существование. Изменчивость, наследственность, есте-

ственный отбор осуществляются в живых системах так, что природа предоставляет право выживания наиболее приспособленным организмам, выдержавшим борьбу за существование. Слабым местом в эволюционной теории Дарвина было положение о наследственности. Необходимы были доказательства, объясняющие сохранение и усиление вновь приобретенных признаков при скрещивании особей с полезными признаками и особей, которые такими признаками не обладали. Если отсутствует механизм сохранения и усиления таких признаков, то эти признаки со временем должны были ослабнуть и затем вообще исчезнуть.

Вопросы для проверки знаний

1.Что называют биосферой?

2.Противоречит ли возникновение жизни на Земле второму закону термодинамики?

3.Какие живые организмы возникли на Земле первыми?

4.Какие положения эволюционной теории были выдвинуты Дарвиным?