Что такое жизнь с точки зрения химии

Сегодня начало жизни на Земле связывают с появлением РНК- и ДНК-молекул, способных воспроизвести себе подобные, и мутаций, возникновение которых могло привести к естественному отбору и прогрессивной эволюции. А можно ли найти молекулы более простые, чем РНК и ДНК, способные к такой эволюции?

В Институте катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН ученые выяснили, что даже в простых химических системах, содержащих так называемые автокатализаторы (соединения, способные ускорять реакции, в которых сами участвуют), происходит химическая эволюция. Эти вещества «конкурируют» за один и тот же вид «пищи» в виде исходного субстрата, и, когда «пищи» становится мало, неизбежно возникает «естественный отбор», приводящий к «прогрессивной эволюции» автокатализаторов из-за химических «мутаций», то есть появления некоторых изменений в их молекулах. Такие молекулы способны к автокаталитическому размножению, если помимо «пищи» в системе присутствуют и другие реагирующие соединения, с помощью которых образуются уже модифицированные молекулы. Причем данная эволюция может происходить только в одном направлении, а значит, она необратима. Исследования показали, что для возникновения и развития целой популяции автокатализаторов достаточно появления лишь одной молекулы «затравки» такого вещества. Возможные «сильные» воздействия на систему (ионизирующее или ультрафиолетовое излучение, электрический разряд и т.п.) выводят ее из равновесия, тем самым вызывая «мутации» и обеспечивая начало «естественного отбора».

Естественный отбор мог начаться в открытых еще в 1861 году А. М. Бутлеровым реакциях синтеза моносахаридов (простых сахаров) в водных растворах формальдегида. Автор реферируемой статьи считает, что современный механизм биологической памяти произошел именно от моносахаридов, которые предшествовали ранним формам жизни. Кроме того, небольшие количества формальдегида могли образовываться не только с помощью «сильного физического воздействия» на протоатмосферу, но и путем превращений газов (в атмосфере с большим содержанием метана) при их взаимодействии с раскаленным лавовым веществом (при t=700 о C), в присутствии хороших катализаторов — железа и никеля. Таким образом, самые простые автокаталитические системы смогли пройти стадии своей эволюции при достаточно высоких температурах, неприемлемых для белков и нуклеиновых кислот. И время до появления первых РНК было — по геологическим масштабам — не столь уж необъятно: на это потребовались не миллиарды, а лишь десятки миллионов лет после охлаждения поверхности Земли и появления на ней природных вод.

В. ПАРМОН. Пребиотическая фаза зарождения жизни. «Вестник Российской академии наук» том 72, № 11, 2002, стр. 976-983.

Все материалы сайта принадлежат редакции
журнала «Наука и жизнь»

Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Поддержка и развитие сайта – KTC Digital Production

Наука в Сибири
N 20 (2356)
24 мая 2002 г.

ЖИЗНЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ХИМИИ

Поиски путей интеграции неорганической химии с химией живого.

Святослав Габуда
доктор физико-математических наук
Институт неорганической химии

Известно, что все живые организмы примерно на 90% состоят из воды. Преобладает точка зрения, что эта вода — необходимая, но пассивная среда, обеспечивающая протекание всех жизненно важных биохимических превращений и реакций. Мнение о чисто пассивной роли воды в биологических системах впервые было поколеблено в 1961 году, когда Лайнус Полинг, Нобелевский лауреат и автор одного из наиболее авторитетных учебников по общей химии, опубликовал в журнале «Nature» результаты анализа влияния анестетиков на прохождение сигналов болевой чувствительности.

Анестетики — это вещества, нарушающие прохождение сигналов болевого ощущения у высших организмов. К их числу относятся простые вещества — закись азота, или «веселящий газ», четыреххлористый углерод, сероуглерод и даже инертные газы — ксенон, аргон и др. Было установлено, что парциальное давление паров анестетика, соответствующее порогу болевой чувствительности у мышей in vivo, прямо пропорционально давлению кристаллизации гидрата данного анестетика при 0 градусов Цельсия in vitro. Отсюда следует, что образование гидратов связано с самой основой жизнедеятельности, а именно, с молекулярным механизмом функционирования биологических триггеров, или переключателей, ответственных (в данном конкретном случае) за включение сигналов болевой чувствительности в живом организме.

Клатраты — кристаллические гидраты анестетиков

Типичная клетка из молекул воды в кристаллической структуре гидрата диэтиламина ДЭА (раздражающее средство; репеллент). Элементарная ячейка структуры содержит 12 молекул ДЭА и 104 молекулы воды. Выше температуры плавления (-10 о С) раствор ДЭА-вода остается однородным. Предполагается, что в растворе структура клеток из молекул воды сохраняет свой характер и является типичной для водных растворов других неэлектролитов, например, этилового спирта.

Рентгеноструктурные исследования показали, что перечисленные выше молекулы анестетиков в кристаллических гидратах находятся в пустотах (или клетках) каркаса, построенного из молекул воды. С химической точки зрения это так называемые соединения включения, в которых два компонента соединены «механически» без образования настоящих химических связей. По этой причине их называют также клеточными соединениями, или клатратами (от греческого — «клетка»). Первое из них — гидрат хлора, обнаружено еще в 1803 знаменитым Хемфри Деви, учителем М.Фарадея. В первой половине XX в. появились аналогичные соединения инертных газов аргона и ксенона (1896 и 1925 гг.), метана и многих других веществ.

Вплоть до работы Л.Полинга, клатратные соединения рассматривалось лишь в качестве курьеза, не имеющего практического значения. Теперь оказалось, что хрупкие клатратные гидраты могут иметь самое прямое отношение к операциям включения и выключения передачи сигналов в такой важнейшей биологической системе, как мозг, или к бионике — гипотетическому аналогу электроники. Но существование кристаллических клатратных гидратов в условиях живого организма теплокровных животных не удавалось подтвердить ни прямыми наблюдениями, ни косвенными оценками.

Открытие клатратов в водных растворах

Неожиданное решение данная проблема получила в Институте неорганической химии СО РАН в рамках плановых фундаментальных исследований в области физико-химического анализа сложных экстракционных систем. В работах, выполнявшихся под общим руководством академика А.Николаева (в этом году мы отмечаем столетие со дня рождения ученого) в 1970-75 гг. впервые обнаружили жидкое состояние клатратов. Фактически было установлено существование нового класса клатратных систем, способных существовать не только в кристаллическом состоянии, но и в расплаве — в форме клатратных гидратов в растворах неэлектролитов.

Наиболее важные и принципиальные особенности обнаружены при детальном исследовании диаграмм растворимости бинарных систем вода — экстрагент (экстрагенты — амины различного строения, аминоксиды, фосфаты, фосфо- и фосфинаты, фосфинокиси с различными радикалами, сложные эфиры и др.). В противоположность существовавшему мнению о том, что эти соединения образуют гидраты простейшей стехиометрии, были открыты твердые гидраты с большими гидратными числами. Подробное изучение привело к выводу об их клатратной природе. Обнаруженное явление было общим и сопровождалось наличием на кривой расслаивания жидкостей либо нижней критической точки, либо даже замкнутых кривых расслаивания. Температурные пределы устойчивости гомогенного состояния жидкой фазы клатратов закономерным образом понижаются при увеличении гидрофобности молекул неэлектролитов (показано на примере аминов), и повышаются при увеличении их гидрофильности (на примере ряда полиэфиров).

Эти результаты обобщены в монографии А.Николаева и И.Яковлева «Клатратообразование и физико-химический анализ экстракционных систем» (Новосибирск, Наука, 1975), отмеченной премией АН СССР имени Н.С.Курнакова (1977 г.). Высказана гипотеза о том, что нижняя критическая температура растворения обусловлена разрушением клатратной структуры (за счет водородных связей воды) соответствующего гидрата экстрагента. Большое влияние клатратообразования на вид кривых расслаивания объясняет во многом различие растворимости экстрагентов в воде и водных растворах, так как явление клатратообразования необычайно чувствительно к стерическим особенностям неэлектролита. Открытие клатратных гидратов в системах экстрагент — вода положило начало развитию новых фундаментальных направлений — супрамолекулярной и клатратной химии.

Особые свойства критического состояния

Важнейшая особенность поведения растворов вблизи критических точек расслаивания — сильно выраженные эффекты нелинейности. Эта особенность существенна для протекания химических реакций вблизи критического состояния, поскольку эффект нелинейности эквивалентен влиянию катализатора, ускоряющего (или тормозящего) только определенный тип реакций. В этой связи заслуживают более детального рассмотрения сами свойства критического состояния.

Понятие о критическом состоянии вещества впервые введено Д.Менделеевым в 1860 г. при описании равновесия жидкость—пар. Известно, что температура кипения растет при увеличении давления, но при этом уменьшается скачок объема, занимаемого одним молем вещества (жидкости или пара). Температура и давление, при которых скачок объема обращается в нуль, названа критической точкой на диаграмме давление — температура («р-Т-диаграмма»). Можно утверждать, что в критической точке исчезает различие между жидкостью и паром.

Поведение расслаивающихся растворов в широком интервале температур и концентраций компонентов во многом сходно с поведением системы жидкость—пар. Следует отметить, что в многочисленных исследованиях установлено существование глубокой аналогии между явлениями расслоения растворов и кипения жидкостей, известное как «гипотеза универсальности» Л.Каданова, сформулированная следующим образом: «. все фазовые переходы обладают идентичным поведением в критической области, меняется лишь наименование переменных» (Л.Каданов, в кн. «Квантовая теория поля и физика фазовых переходов», Мир, 1975, с.11).

По мере приближения к критическому состоянию уменьшается коэффициент диффузии, на что впервые обратил внимание еще в 1903 г. выдающийся русский физико-химик Д.Коновалов. А это, очевидно, должно приводить к замедлению химических реакций, и, следовательно, является нелинейным элементом. Можно предполагать, что ферментативные строго контролируемые управляемые биохимические реакции, лежащие в основе жизнедеятельности, в некоторых случаях протекают вблизи критической точки расслоения воды и растворенных в ней органических веществ. В связи с этим становится более понятным, почему установленная Л. Полингом чувствительность биохимической системы передачи нервного импульса к влиянию анестетиков оказалась столь тесным образом связанной с явлениями клатратообразования.

Эксперименты по фракционированию изотопов

Результаты изучения экстракционных систем и свойств критического состояния представлялись далекими от проблем классической теории химической эволюции. Эта теория, сформулированная Нобелевским лауреатом Ильей Пригожиным, связывает возникновение высокоупорядоченных биохимических систем из первобытного беспорядка с влиянием сильной неравновесности протекающих процессов. Один из основополагающих фактов этой теории — данные о способности живых организмов избирательно ассимилировать изотопно-легкие формы соединений. Однако, в 1973-82 гг. в работах академика Э.Галимова (ГЕОХИ РАН) и ряда зарубежных авторов была обнаружена неожиданная закономерность, давшая начало новому пониманию природы биологического фракционирования изотопов, и противоречившая представлениям о принципиальной неравновесности биологических систем. Суть этой закономерности заключается в том, что распределение изотопов по различным структурным позициям в биомолекулах как раз соответствует равновесному характеру распределения, и не согласуется с представлением о принципиальной неравновесности биологических систем (Э.Галимов. Вестник АН СССР, N 10, 1982). Закономерность эта носит универсальный характер. Она присуща соединениям разного строения и состава, организмам разной экологической и таксономической принадлежности, проявляется как на межмолекулярном, так и на внутримолекулярном уровне.

Микроскопический механизм возникновения подобной обратимости, вероятно, может быть связан с замедлением диффузии вблизи критического состояния. В ИНХ СО РАН под руководством проф. Э.Матизена проводились эксперименты по изучению диффузии в смеси СО₂-Ar методом капилляра вблизи критической точки. Было высказано предположение о том, что вблизи критической точки в диффузионном процессе могут участвовать рои молекул, или кластеры примеси размером порядка радиуса корреляции. Гипотеза о кластерном механизме диффузии в непосредственной близости от критической точки была подтверждена в работах по изучению рассеяния света.

Живое с точки зрения химии

Результаты изучения эффектов анестезии и распределения изотопов в биологических системах позволят уточнить и прояснить наиболее общие характеристики элементарного акта химической передачи сигналов в биологических системах. Будучи в своей основе существенно физико-химическими, эти характеристики оказываются весьма нетривиальными, а их дальнейший анализ может иметь практические последствия для ряда областей — от медицины и наркологии до самовоспроизводящихся химических машин и автоматов футурологии. Если работа триггеров в подобных автоматах будет базироваться на нелинейных свойствах критического состояния, то вероятно, что подобное самовоспроизводящееся устройство будущего придется рассматривать как истинно «живое» (с точки зрения химии), независимо от используемой конкретной «элементной базы». Главное, чтобы критические флуктуации концентраций веществ были самоподдерживающимися, и включали способность к самокопированию.

ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Г. П. Гладышев

Понятие «биологическая жизнь», или просто «жизнь», – центральное в биологии. Оно фигурирует во всех разделах биологических и смежных наук. Например, термины «жизнь», «продолжительность жизни», «здоровая жизнь» используются в эволюционном учении, в науках о старении организмов (геронтологии), во многих разделах медицины. Однако термин «жизнь» довольно неоднозначный, поскольку не существует строгого универсального определения этого понятия [см.: 9; 11]. Определение упомянутого термина с позиции общих законов природы [см.: 1; 3–5] и движущих сил развития биологической материи позволило бы с единых позиций более глубоко изучать разнообразные биологические системы и явления. Настоящая работа посвящена попытке сформулировать представление о жизни как био-физико-химическом явлении с учетом достижений термодинамической теории эволюции и старения живых систем, основы которой были заложены автором в 70-х годах прошлого века [см.: 2].

Явление жизни легко осознать в рамках общих законов природы без привлечения «неравновесной термодинамики, далеких от равновесия систем», которые не могут быть, в принципе, охарактеризованы посредством функций состояния. Жизнь может быть изучена без использования представлений синергетики, нефизических математических моделей и известных, физически неоправданных, эклектических концепций.

Жизнь – явление существования многообразных энергозависимых динамических самообновляющихся (в условиях близких к равновесию) структур, востребованных иерархической термодинамикой. Жизнь, в различных формах ее проявления, – неотъемлемая составляющая эволюционного развития материи.

Автор выражает глубокую благодарность профессорам В. Н. Аниси¬мову, А. А. Акаеву, В. А. Дурову, В. П. Казакову, Ю. Б. Монакову, К. В. Су¬дакову и Л. Тимсу за поддержку.

Что такое жизнь с точки зрения биологической физической химии Текст научной статьи по специальности « Философия»

Похожие темы научных работ по философии , автор научной работы — Г. П. Гладышев,

Текст научной работы на тему «Что такое жизнь с точки зрения биологической физической химии»

Модели поведения в исторических городах: вопросы освоения русской градостроительной культуры

Исторический город является хранителем культурной памяти народа. В нем складываются различные формы человеческого общежития, или так называемые модели поведения. В настоящее время с особой остротой выявляется тенденция формирования «негативного» социального сценария. Ключевым моментом в предотвращении этой проблемы должно стать возрождение культурного наследия исторических городов.

Ключевые слова: исторический город, модель поведения, русская градостроительная культура, городская среда, городской менталитет, культурное наследие, историческая память

Maria N. Veselova

Behaviour patterns in historic towns: research on Russian town-planning culture

A historic town is a storage of people’s cultural memory. Different forms of human society, or the so-called behaviour patterns, are shaped in it. Currently there is a clear-cut tendency to develop a «negative» social scenario. The revival of the cultural heritage of historic towns must become a key aspect in prevention of this problem.

Keywords: historic town, behaviour pattern, Russian town-planning culture, urban environment, city mentality, cultural heritage, historical memory

Исторический город занимает особое место в системе социокультурных интерпретаций. Он интегрирует в себе различные временные и культурные коды, образы, смыслы; воплощает мемориальные, археологические, этнографические, художественно-эстетические, научные, градостроительные ценности культуры, в связи с чем включается в охранные реестры органами государственной власти1.

Однако понимание исторического города как носителя материального и духовного наследия нации не исчерпывает его социального содержания. Исторический город существует только во взаимосвязи с формами человеческой деятельности. В данной системе отношений личность одновременно становится творцом и продуктом. С одной стороны, человек, «погруженный в культурное пространство, неизбежно создает вокруг себя организованную пространственную сферу»2. Исторический город приобретает свою самобытность, значимость, индивидуальность. С другой стороны, сама пространственная сфера оказывает непосредственное влияние или, как считает Х. Мюррей, «средовое давление»3 на общество. В результате взаимодействия исторического города и человека формируется особый социальный сценарий, в котором отражается отношение горожан к своему культурному наследию, складываются определенные стереотипы, мировоззренческие установки, ценностные ориентации, потребности, привычки, вкусы, специфическая социаль-

но-пространственная идентичность. Иными словами, формируется городская модель поведения. Она зависит как от содержания социокультурного пространства, так и от комплекса индивидуально-личностных особенностей и эмоционально-интеллектуальной активности воспринимающего.

Особый интерес сегодня представляет изучение городского менталитета и процессов трансформации моделей поведения в исторических городах. Каждая эпоха вносит свой вклад в формирование социальных сценариев. Через механизмы массового сознания и различные (например, правовые, образовательные, религиозные) процедуры и институты на протяжении ряда поколений поддерживается ментальность горожанина. В зависимости от этапов развития русской градостроительной культуры условно можно выделить несколько моделей поведения в исторических городах.

Древнерусский период характеризуется быстрым ростом городов как в количественном, так и в качественном отношении. В это время были основаны такие населенные пункты, ставшие объектами культурного наследия, как Смоленск (862), Белозерск (862), Ростов (862), Ярославль (988-1010), Владимир (1108), Торжок (1139), Великий Устюг (1207), Галич (1238) и др. В них (раньше, чем в городах средневековой Европы) появились первые элементы благоустройства — деревянные мосты и водопроводы, высокого уровня достигли культура и искусство.

Первостепенное значение при этом в мировосприятии горожан занимала сакральная идея. Нередко сам город в просторечии отождествлялся с собором. Об этом свидетельствуют, к примеру, такие выражения, как «поехать ко святой Софии», что по контексту могло означать паломничество или в Киев, или в Новгород, или в Полоцк, поскольку алтари главных соборов в этих городах были освящены в честь святой Софии. Поэтому можно говорить о религиозной модели поведения в древнерусских городах. Она основывалась на устремленности к духовному началу, смирении, аскетизме, любви к ближнему. Так, например, в «Сказании о Борисе и Глебе» в лице князя дается образец для подражания:

Сь убо благовЬрьный Борись благого корене сый послушьливъ отьцю б£>, покаря-яся при всемь отьцю. СвЬтяся цесарьскы, крЬпъкъ ткпъмь, вьсячьскы украшенъ акы цвЬтъ цвьтый въ уности своей, в ратьхъ хръбъръ, въ съвЬтЬхъ мудръ и разумьнъ при вьсемь и благодать Божия цвьтяаше на немь4.

Особое значение при этом приобретало следование благопристойным примерам. В «Слове некого отца къ сыноу своемоу, словеса душеполезная» говорится: «Техъ норовы приими и порасудоуй деломъ ихъ, взишти кыимь путьмь идоша и коею стьзею текоша». Для облегчения самовоспитания отец советует сыну поискать в граде, в котором он живет, какого-нибудь богобоязненного человека «и томоу вьсею силою слоужяштя»5, отражать все его привычки, манеру поведения и общения. Это позволяло древнерусскому горожанину чувствовать себя частью социального мира, следовать установившимся традициям.

С конца XIII — начала XIV в. началось объединение русских земель вокруг Москвы, ставшей знаменем национально-освободительной борьбы против монголо-татарского нашествия. Расцвет каменного строительства, пришедшего на смену деревянным постройкам, сопровождался в большинстве случаев сохранением прежних градостроительных традиций и планировочных решений (хотя стремление к едино организованной структуре наметилось уже в конце XV — начале XVI в.). В это время появились такие города, как Таруса (1246), Астрахань (1334), Каргополь (1380), Сольвычегодск (1492), Шуя (1539), Верхотурье (1597), Томск (1604), Иркутск (1661) и др. В сложные годы укрепления Русской державы каменная культовая архитектура была призвана усиливать идейные основы государственности. Мощные оборонительные по-

стройки внушали чувство непобедимости, силы духа, самоотверженности. Так, белокаменный Московский Кремль к концу XV в. напоминал настоящее фортификационное сооружение, по образцу которого возводились архитектурные памятники в других городах (Нижнем Новгороде, Коломне, Ивангороде, Туле, Зарайске). Даже несмотря на участие в перестройке Московского Кремля иностранных зодчих, он отражал глубоко национальный характер русского народа. В это время наряду с религиозной идеологией была сформирована патриотическая модель поведения. Она придавала горожанину ощущение единства, стабильности, устойчивости и защищенности.

Иная модель поведения сложилась в исторических городах, созданных или получивших статус города в XVIII — начале XIX в. (Санкт-Петербург (1703), Белорецк (1762), Вольск (1780), Чистополь (1781), Елабуга (1781), Нальчик (1817) и др.). Их отличительной особенностью являлась регулярная планировка, применяемая государственными деятелями по аналогии с западными городами. Устройство прямолинейных улиц и прямоугольных кварталов, просторных торговых и городских площадей, типовое проектирование, использование планировочных и архитектурных систем европейских стилей -барокко, рококо, классицизма, ампира — это лишь некоторые черты данного периода, наложившие существенный отпечаток на мировосприятие горожан. Во многом оно опиралось на европейский образец, начало которому было положено Петром I. Парадность, представительность, привилегированность и одновременно наигранность, театральность, некое подобие «жизненного спектакля» сосуществовали на одной авансцене и составляли основу придворно-аристократической модели поведения. Освоение новых территорий и активное взаимодействие с другими культурами выстраивало горизонтальную ориентированность городского пространства и его открытость для инноваций. Это в свою очередь определяло естественный порядок отношений между людьми, основанный на законах государства и природы, рациональности и целесообразности, а не предопределенный божественным замыслом.

Совершенно непохожую на предшествующие периоды модель поведения породила небольшая группа исторических городов, созданных во второй половины XIX — начала XX в. — времени бурного роста промышленности и торговли, широкого строительства фабрик и заводов, железных и шоссейных дорог. Они вошли в список охраняемых объектов в соответствие с постановлениями органов го-

Модели поведения в и сторических городах..

сударственной власти 1970, 1990, 2001 гг. К ним отнесли города, сыгравшие значительную роль в истории страны (военную, экономическую, политическую) и ставшие своеобразными символами своей эпохи (Чита (1851), Мариинск (1856), Майкоп (1858), Владивосток (1860), Орск (1865), Уссурийск (1866), Иваново (1871), Новосибирск (1894), Сочи (1896), Кызыл (1914), Энгельс (1914), Мурманск (1916), Элиста (1930), Джерзинск (1930), Новокузнецк (1931), Магнитогорск (1931), Комсомольск-на-Амуре (1932), Магадан (1939) и ряд других городов). Модель поведения горожан в них попадала под влияние промышленного развития страны. Образцом для подражания являлся деловой тип личности, трудолюбивой, ответственной, дисциплинированной, предприимчивой, готовой к суровым испытаниям и героизму. Модель поведения полностью соответствовала рационально осмысленным, индустриальным планировочным проектам.

Однако в современных условиях рыночной экономики взаимоотношения между человеком и городом коренным образом меняются. Ломка устоявшихся ценностей нивелирует исторические особенности многих городов и определяет процессы формирования в них идентичной, постиндустриальной модели поведения. Она приходит на смену религиозным, национально-патриотическим, придворно-аристократическим, индустриальным сценариям. Исторические города постепенно приводятся к единому стандарту, отвечающему потребностям существования. Строительство становится варварским вмешательством в композиционное городское пространство, нарушая целостность его восприятия. Новые архитектурные ансамбли буквально врываются в естественное окружение, подавляя и разрушая его гармоничные связи.

События прошлого начинают терять свою значимость для современной культуры. Потребительские отношения превращают исторический город лишь в символ самобытности. Древние улицы воспринимаются как привычные маршруты, дома и памятники — как объекты назначения. Исторический город оценивается с точки зрения комфортности существования в нем. Смыслом и значимостью наделяются только те объекты, которые связаны с событиями собственной биографии. Все остальное не вызывает ни исторических воспоминаний, ни каких-либо ассоциаций.

Постоянно ускоряющийся темп жизни в современных исторических городах изменяет систему социальных отношений. Общепринятыми становятся краткосрочность и анонимность межличностных связей, что в свою очередь приводит к формированию так называемого «обще-

ства одноразовых стаканов»6, вызывает у горожан ощущение затерянности и дискомфорта, напряженность, беспокойство, раздражительность и агрессивность. Выдающийся французский архитектор ХХ в. Ле Корбюзье отмечает, что плавные и лаконичные формы всегда создают атмосферу спокойствия и умиротворения. В то же время резкие и ломаные линии негативно сказываются на нервной системе. Они нередко вызывают чувство усталости, раздражения или дискомфорта7. К примеру, достаточно одного взгляда на крепкие коренастые памятники Суздаля, чтобы ощутить его гостеприимство, добродушие и открытость. И вполне очевидно, насколько агрессивно и перегружено пространство мегаполисов с их современным ландшафтным дизайном.

Техногенная среда порабощает человека, заставляет его забыть о подлинном предназначении исторического города. «Громкие шумы, едкие клубы дыма, вибрации, загрязненность и запыленность, плотные транспортные и людские потоки, толчея и агрессивные разнообразные раздражители среды крупного города все чаще становятся для всех горожан источниками дискомфортных, отрицательных ощущений физиологического и психического характера»8. Город оказывается «контейнером культуры», в котором смешиваются все отходы жизни.

При этом большое значение приобретает характер заселенности исторического города. В современных условиях важно провести различия между поведением жителей малых, средних и крупных исторических городов (с населением до 500 тыс. жителей) и исторических городов-миллионеров.

В малых (Суздаль, Галич, Гороховец, Плес, Енисейск, Тотьма, Каргополь и др.) и средних исторических городах (Вольск, Елабуга, Кинеш-ма, Чистополь, Шуя и др.) с населением до 100 тысяч, жители ведут спокойный, размеренный и осмысленный образ жизни, опираясь на опыт предшествующих поколений. В таких населенных местах формируется атмосфера дружелюбия и взаимной поддержки, ответственности и реальной оценки своих способностей. Вместе с тем в больших и крупных исторических городах (Коломна, Елец, Дербент, Кострома, Владимир, Смоленск и др.) с населением от 100 до 500 тысяч жителей появляются новые возможности для творческой самореализации, личностного роста, выбора способов и форм жизнедеятельности, повышается общий тонус и активность, мобильность, оптимистичное отношение к окружающим и к среде проживания.

В исторических городах с населением выше 500 тысяч жителей (Астрахань, Томск, Ярославль,

Санкт-Петербург) в поведении горожан сказывается внешняя перегруженность и интенсивность, замкнутость и индивидуализм, несоответствие желаемого и выполнимого, равнодушие, низкий уровень отзывчивости, отчужденность, обезличенность, избирательность в отношениях, дефицит социальной ответственности, прагматизм. Ярким наглядным примером взаимодействия современного социокультурного пространства и человека могут служить инсталляции американского фотохудожника Спенсера Туника (Spencer Tunick). В них очень точно схвачена агрессивная, поглощающая среда мегаполиса: горожанин обнажен на виду у всех, и в то же время он теряется в толпе, становится незаметным и ненужным. Иначе говоря, формируется модель «негативного» поведения.

В этом плане показательны социологические исследования Т. В. Абанкиной. На основании проведенного в течение десяти лет изучения исторических объектов, автор делает вывод, что в крупнейших областных центрах около 50 % говорят о том, что им скорее не нравится сегодняшний облик города, а 20 %о — не нравится совсем. В восприятии города при этом фигурируют такие доминанты, как «грязный», «скучный»9. Подобное отношение во многом объясняется современными тенденциями развития городской промышленности, однотипной застройки, массовой стандартизацией. Безусловно, накладывает свой отпечаток интенсивный темп жизни и соответствующая ему система потребительских ценностей.

Таким образом, модель поведения горожан в современных исторических городах вступает в противоречие с моделями, сложившимися до XX в. В условиях постоянного стремления к новизне очевидным становится утрата связей с прошлым, потеря самобытности и разорванность с естественным окружением. Это порождает массу проблем для современного горожанина и неизбежно заставляет искать пути преодоления процессов формирования «негативной» модели поведения. Первостепенное значение, конечно, имеет возрождение традиционных ценностей, реконструкция прошлого в условиях настоящего. Ведь культурное наследие является фундаментом духовного развития отдельной личности и общества в целом. Оно ненавязчиво воздействует на сознание горожан, напоминая о творениях прошлого, воспитывая чувство уважения и долга перед поколениями, любовь к произведениям искусства. В соответствии с традицией создаются художественные формы, удерживается архитектурный стиль

как образец, сохраняются привычные нормы, ценности и идеалы. Культурная память служит важнейшей составляющей самоидентификации индивида, социальной группы и общества в целом. Она поддерживает качество жизни в исторических городах даже в условиях современного утилитарного строительства.

Кроме того, в настоящее время важным является восстановление целостного образа города. В нем следует объединить свойства открытого и закрытого пространства, природного и урбанизированного, традиционного и инновационного, комфорта и свободы и тем самым создать условия для поддержания эмоционального благополучия и гармоничного развития человека.

1 Об утверждении нового списка исторических населенных мест РСФСР: постановление коллегии Мин-культуры РСФСР от 19.02.1990 № 12, коллегии Госстроя РСФСР от 28.02.1990 № 3, Президиума Центр. совета ВООПИК от 16.02.1990 № 12 (162) // Bestpravo. ru: информ.-прав. портал. 2007-2012. URL: http: // www. bestpravo. ru (дата обращения: 18.05.2012); О федеральной целевой программе сохранения и развития архитектуры исторических городов (2002-2010 гг.): постановление Правительства РФ № 815 от 26.11.2001 // СЗ РФ. 2001. 17 дек. № 51. Ст. 4894; Об утверждении перечня исторических поселений: приказ М-ва культуры РФ, М-ва регион. развития РФ № 418/339 от 29.07.2010 // Правовой портал в сфере культуры: информ.-справ. база нормат. док. по культуре. М., 2003-2012. URL: http: // pravo. roskultura. ru (дата обращения: 18.05.2012).

2 Лотман Ю. М. Внутри мыслящих миров // Лотман Ю. М. Семиосфера. СПб.: Искусство, 2000. С. 334.

3 Murray H. A. Toward a classification of interaction // Toward a general theory of action. Cambridge: Harvard Univ. Press, 1951. P. 434-464.

4 Съказание и страсть и похвала святюю мученику Бориса и Глеба // Библиотека литературы Древней Руси / РАН, ИРЛИ; под ред. Д. С. Лихачева и др. СПб.: Наука, 1997. Т. 1: XI-XII вв. С. 26.

5 Изборник 1076 г. / под ред. С. И. Коткова. М.: Наука, 1965. С. 191.

6 См.: Тоффлер А. Футурошок. СПб.: Лань, 1997.

7 См.: Архитектура современного Запада / под ред. Д. Аркина. М.: Изгиз, 1932.

8 Голд Дж. Психология и география: основы поведен. географии. М.: Прогресс, 1990. С. 170-181.

9 Абанкина Т. В. Облик города в восприятии горожан исторических и новых промышленных городов // Человек и город: пространства, формы, смысл: междунар. конгресс, 27-30 июля 1995 г., Санкт-Петербург / отв. ред. А. А. Барабанов. Екатеринбург: Архитектон, 1998. Т. 2. С. 46.

Что такое жизнь с точки зрения физики?

С точки зрения физики, жизнь — это процесс постоянного накопления и рассеивания энергии с целью увеличения или уменьшения энтропии системы.

Например, если рассматривать вселенную как замкнутую систему (а мы на самом деле не знаем, замкнута она или нет), то всё идёт к тому, что в ходе использования ресурсов вселенной, человечество, или какие-либо другие разумные организмы, будут использовать энергию синтеза из лёгких элементов (термоядерный синтез) и энергию распада тяжёлых элементов (деление ядра) для поддержания своей жизни, что рано или поздно приведёт к истощению невообразимо огромных на данный момент запасов лёгких и тяжёлых элементов во вселенной. В итоге, это должно привести к ситуации, когда останутся лишь холодная материя и чёрные дыры. Забавно, что это произойдёт вне зависимости от того, будут ли в этом процессе участвовать разумные существа или нет. Рано или поздно, звёзды сами выжгут весь доступный водород, тяжёлые элементы сами распадутся, и вся материя рано или поздно попадёт в чёрные дыры.

Таким образом, с точки зрения физики, жизнь движется к такому состоянию окружающей среды, когда жизнь станет невозможной. Это можно было бы сравнить с процессом брожения, когда бактерии живя в замкнутой системе и потребляя ресурсы, доступные им в этой системе, постепенно загрязняют окружающую среду отходами своей жизнедеятельности до тех пор, пока жизнь для них в этой среде перестаёт быть возможной.

Что такое жизнь с точки зрения физической химии (стр. 1 из 2)

Георгий Гладышев, Международная академия творчества, Москва, Россия, Сан-Диего, США

Интеграционные процессы в науке способствуют созданию общих теорий. Так, действенность термодинамической теории биологической эволюции и старения живых существ подтверждает общие законы природы, справедливые для любых систем материального мира. Жизнь во Вселенной возникает и развивается в соответствии с этими законами, в частности, законом временных иерархий и вторым началом термодинамики. Теория отвергает основные представления креационизма и соответствует мировоззренческим взглядам Г.Галилея, Дж.К.Максвелла, Дж.У.Гиббса, Ч.Дарвина, других классиков естествознания.

Эпиграфы к докладу

«One of the principal objects of theoretical research in any department of knowledge is to find the point of view from which the subject appears in its greatest simplicity.»

J. Willard Gibbs

Одина из принципиальных целей теоретического исследования в любой области знания состоит в том, чтобы найти ту точку зрения, с позиции которой изучаемый объект проявляется в своей величайшей простоте.

«Yet science seems to have driven us to accept that we all merely small parts of a world governed in full details (even if perhaps ultimately just probabilistically) by very precise mathematical laws.»

Наука, как кажется, заставляет нас поверить в то, что все мы мельчайшие частички мира, полностью управляемого (пусть даже только вероятностно) очень точными математическими законами.

Интеграционные процессы в науке способствуют созданию общих теорий и формированию широкого мировоззрения у студентов и исследователей. Так, макротермодинамические методы выявляют общие закономерности эволюции и поведения сложных живых и неживых (синтетических) систем.

Один из наиболее интересных подходов к познанию мира, по-видимому, связан с созданием общей теории эволюции материи, включая эволюцию и старение живых систем, а также сложных синтетических систем, таких как композиционные материалы и другие многокомпонентные химические композиции.

Настоящий доклад посвящен макротермодинамической (или просто, термодинамической) теории биологической эволюции. Разумеется, эта теория также может быть применена и к простейшим частным случаям — к изучению формирования структуры и старения биологических и синтетических полимеров.

Эволюция — представление об изменениях в окружающем нас мире, их направленности и закономерностях. В самом общем смысле под термином «эволюция» обычно понимают процесс изменения (развития) Вселенной или какой-либо системы, независимо от ее сложности и иерархичности /2/.

Особое место в науке занимает учение о биологической эволюции, как о необратимом историческом развитии живой природы, которое определяется изменчивостью, наследственностью, естественным отбором организмов. Биологическая эволюция связана с приспособлением организмов к условиям существования, появлением и вымиранием видов, трансформацией биогеоценозов и всей биосферы.

Эволюционное учение Ч.Дарвина является общей теорией, изучающей причины, механизмы и общие закономерности эволюции живых организмов с позиции биологии. Это учение является теоретической основой всех разделов биологии. Однако, теория Ч.Дарвина, нанесшая смертельный удар теологии, является описательной теорией и не выявляет физическую суть направленности эволюции. Очевидно, необходима физическая теория, которая на языке математики выявляла бы направленность и движущие силы эволюции на основе общих законов Природы. В случае создания такой физической теории спор между креационизмом и эволюционной теорией, по-видимому, решается в пользу последней.

История противостояния естественнонаучного подхода к выявлению движущих сил эволюции и креационизма насчитывает много столетий /3,4/.

Галилео Галилей, заложивший основы математического естествознания, был убежден, что законы природы должны быть написаны на языке математики. Создав фундамент экспериментального естествознания, Г.Галилей верил «в возможность математического постижения мира». Его принято считать «отцом современного естествознания».

В дальнейшем классики естествознания укрепили уверенность многих естествоиспытателей в том, что действие общих законов мироздания должно распространяться на все иерархии материи. Особо выделяются имена Джеймса Клерка Максвелла и Джозайя Уиларда Гиббса. Эти великие мыслители, как и другие классики, способствовали укреплению веры в действенность общих законов Природы и математики как языка науки. Однако применять эти законы к реальным природным системам казалось затруднительным. В частности, использовать второе начало термодинамики в его классической формулировке для выявления направленности биологической эволюции, а также старения живых организмов, представлялось невозможным. Дело в том, что живые организмы — биологические системы (как и многие другие системы в мире) являются открытыми и, как к тому же утверждалось, якобы самопроизвольно удаляющимися от состояния равновесия. К системам такого типа, разумеется, в общем случае, нельзя применять равновесную (квазиравновесную) термодинамику.

Использование неравновесной термодинамики систем далеких от состояния равновесия, а также информационной теории, с целью выявления направленности и движущей силы биологической эволюции не привело к ожидаемым результатам. То же самое можно сказать и о новой области исследования — синергетике, которая опирается на нелинейное математическое моделирование сложных процессов. Подходы синергетики, будучи достаточно привлекательными, все же удаляют нас от физики, химии и биологии явлений. Отсюда стало очевидным, что выявление движущих сил и направленности биологической эволюции могло бы существенно упроститься в случае создания моделей, которые позволили бы представлять эволюционные процессы в рамках квазизакрытых и квазиравновесных систем, исследуемых методами классической термодинамики.

После того, как автор настоящей заметки сформулировал закон временных иерархий (Gladyshev’s law), стало очевидным, что мировоззрение Г.Галилея, Д.К.Максвела, Ч.Дарвина стало реально ощутимым и обоснованным при исследовании эволюции биомира /2,4-10/. Методы Ж.Л.Лагранжа, Дж.У.Гиббса, других великих творцов оказались применимыми к динамическим открытым живым системам.

Одна из формулировок закона временн`ых иерархий, предполагающая учет всех супрамолекулярных взаимодействий в тканях организма, может быть представлена в виде /2/:

Здесь () — среднее время жизни (существования в свободном состоянии) молекул (химических соединений) в организме, участвующих в метаболизме; () — среднее время жизни любых супрамолекулярных структур тканей организма, обновляющихся в процессе его роста и развития; — среднее время жизни организма в популяции; — среднее время жизни популяции. Ряд сильных неравенств (1) не включает времена жизни клеток (cell) и некоторых других супрамолекулярных структур. Однако, разумеется, этот ряд хорошо согласуется с реальностью и отражает существование временн`ых иерархий в живых системах. Последнее обстоятельство, как раз, строго обосновывает возможность выделения (вычленения) квазизакрытых систем (подсистем) в открытых биологических системах.

Была создана иерархическая термодинамика — макротермодинамика /2/ или равновесная (квазиравновесная) термодинамика иерархических систем и показано, что линейные модели с достаточно хорошим приближением могут использоваться при описании эволюционных процессов и многих превращений, происходящих на всех иерархических уровнях живой материи.

Следуя путеводной звезде Р.Клаузиуса, Дж. У.Гиббса, опираясь на один из самых мощных методов познания мира — метод математической дедукции, удалось построить достаточно стройную физико-химическую теорию биологической эволюции и старения живых существ. Эта теория опирается на представления о функциях состояния (т.е., функциях, дифференциалы которых являются полными) собственно самих биологических систем.

Выявление закона временн`ых иерархий позволило обосновать, что подавляющее большинство супрамолекулярных и других процессов структурообразования (самосборки) — термодинамической самоорганизации в биомире, протекает в квазизакрытых системах, в режимах, близких к состоянию равновесия. Отсюда, например, следовал вывод, что процессы образования супрамолекулярных структур in vivo и in vitro одинаково обоснованно можно исследовать с позиций супрамолекулярной, и в целом, иерархической термодинамики.

Таким образом, макротермодинамическая теория биологической эволюции и старения живых существ «сняла» ограничения, связанные с «открытым характером» биосистем и якобы существующей «сильной» неравновесностью процессов структурообразования в живых системах. Теория согласуется с опытом классиков физики, химии и биологии, а с практической точки зрения — с многовековым опытом медицины, диетологии, социологии и других разделов знания.

Как и следовало ожидать, формирование и старение сложных полимерных систем, «органически вписывается в теорию эволюции иерархических систем /11/. Образование кластерной структуры полимерных материалов подчиняется законам макротермодинамики. Например, установлено, что уравнения Гиббса-Гельмгольца-Гладышева количественно согласуются с экспериментальными данными по исследованию аморфного состояния полимеров /11/. Полученные результаты являются прямым подтверждением действенности макротермодинамики применительно ко многим объектам, включая биологические системы.

Становится очевидным, что новое «здание науки» об устройстве биомира, строящееся на фундаменте классики, оказывается достаточно прочным. Это здание должно устоять под напором любых ветров, зарождающихся под воздействием модных «скороспелых однодневных» моделей всевозможных эклектиков и фантазеров, создающих «постнеклассическую науку» и пренебрегающих знаниями, накопленными многовековой историей Человечества.

3. Жизнь с точки зрения физики и химии

3.1. Закон сохранения энергии и живые системы

До появления современного научного знания живое и неживое рассматривалось людьми как два противоположных явления, не имеющих между собой почти ничего общего. Действительно, если представить себе человека Средневековья, даже весьма образованного, но не имеющего ни малейших представлений об атомарном и молекулярном строении материи, то единственное, что этот человек мог бы узреть общего, например, у бычка и камня, лежащих на лугу, это то, что и тот, и другой характеризуются некоторым весом и определёнными пространственными размерами.

Даже с появлением первых научных исследований в биологии господствовало мнение, что если и существуют какие-либо законы природы, то они различны для физико-химических и биологических явлений. Однако при постепенном проникновении методов физики и химии в биологические исследования становилось ясно, что многие, казавшиеся ранее таинственными, биологические явления могут быть описаны как определённые комбинации физических и химических процессов. Со временем становилось всё меньше неразгаданных биологических явлений и возник вопрос: Можно ли будет в конечном итоге полностью понять строение и функционирование живого, опираясь только на физику и химию? Мнения учёных по этому вопросу разделились на два направления.

Первое направление получило название физикализм. Его сторонники утверждают, что в живом ничего нет, кроме физических и химических процессов, и со временем живое можно будет полностью математически описать, рассчитать любые варианты его строения и поведения, опираясь только на законы физики и химии.

Второе направление получило название витализм. По мнению сторонников этого направления, живое принципиально отличается от неживого тем, что помимо физических и химических сил в живом действуют особые непознаваемые жизненные силы («сила жизни», лат. «vis vitalis»). Поэтому живое никогда нельзя будет полностью описать и математически рассчитать только на основе законов физики и химии.

К этому направлению можно отнести и тех учёных, которые считают, что помимо материи в мире существует нематериальная субстанция, наличие которой и определяет превращение неживой материи в живую. Одни называют эту субстанцию энтелехией, другие – духом, душой, используют и иные термины. Интересно отметить, что, несмотря на то, что дух и душа – понятия явно религиозного происхождения, есть учёные, которые, полностью отвергая религию, как выдумку, не имеющую ничего общего с действительностью, тем не менее абсолютно уверены в исключительном значении понятий духа, души для описания природных явлений [32].

Одним из первых доводов виталистов в пользу необходимости применения понятия жизненной силы был тезис о том, что поведение живых организмов не соответствует первому закону термодинамики. Если для перемещения неживого физического тела (камня) необходимо действие внешней силы (воздействие со стороны другого тела), которая в соответствии с законами механики произведёт работу с затратой энергии: Е = F l, где F – сила, l – расстояние, на которое произведено перемещение, то перемещение животного, как казалось первоначально, может начаться без каких-либо видимых причин, и непонятно, какая сила производит работу по перемещению его массы.

Дальнейшее изучение физиологических механизмов превращения энергии в живых организмах показало, что они имеют способность находить источники энергии, накапливать энергию в своём теле и в дальнейшем использовать её по мере необходимости. Схема эксперимента, с помощью которого доказывается, что производимая животным работа строго соответствует получаемой извне энергии, представлена на рис. 3.1.

Рис.3.1. Опыт, показывающий эквивалентность количества тепла, образующегося в теплоизолированной камере с животным и количества энергии, поступающей с пищей

В теплоизолированную камеру помещают животное, которое получает строго контролируемое по калорийности Q_П количество пищи. По изменению температуры t в камере определяют количество образующегося тепла Q_К. Наблюдения показывают, что при изменении количества пищи всегда соответствующим образом меняется количество образующегося тепла, т.е. выполняется равенство: Q_П = Q_К. Из этого следует, что закон сохранения энергии полностью справедлив и для живых организмов.