Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 113

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 113)

Биологическая концепция имела диаметрально противоположную направленность и декларировала возможность спонтанного возникновения порядка из хаоса. Продуктом свободы здесь является необходимость. Эволюционные концепции в физике и биологии базировались на огромном экспериментальном материале. Однако между физическими и биологическими опытными фактами долгое время ие находили прямой связи, одна концепция касалась явлений только неорганического мира, а другая — только мира растений и животных, и утвердилось представление, имевшее широкое распространение вплоть до середины ХХ в., о несовместимости законов физики и биологии и особой сущности явлений живой природы.

Естествознание конца Х!Х в. и первых десятилетий ХХ в. еще не было готово к поиску причины противоположной направленности развития живого и неживого. Для многих исследователей. придерживакзщихся виталистичсских взглядов, а таких на рубеже двух столетий было подавляющее большинство, эта проблема вообще не считалась актуальной. Дело в том, что в то время были неизвестны физические и химические явления, противоречащие существовавшему тогда пониманию второго начала термодинамики. Более того, была постоянно наблюдаема его справедливость (течение 438 рек, расширение газа, выравнивание температур, диффузия и т.д.). Конечно, было известно, что в живой природе все происходит как бы вопреки термодинамике.

Однако многие полагали, что у живой природы свои законы. К тому же, теоретическая физика была почти целиком обращена к миру атомов н элементарных частиц, а не в сторону биологических макромолекул, тем более клеток и организмов. Оценивая уровень нашего сегодняшнего понимания возможностей термодинамнческого подхода, И. Пригожин в 1980 г, писал: "Следует, однако, четко осознавать, что формулировка второго начала с точки зрения современного физика представляет собой скорее программу, чем утверждение, так как ни Томсон, ни Клаузиус не указали точный рецепт, позволяющий выразить изменение энтропии через наблюдаемые величины" 1318.

С, 93). Из последующего изложения мы узнаем, что решение поставленных вопросов о направленности эволюционного развития живого и неживого требует более углубленного понимания содержания второго начала и более детального проникновения в физику неравновесных процессов, формулировки ряда принципиально новых постулатов и разработки новых теоретических подходов. !5.2. ЛИНЕИНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ "Согласно результатам статистики, — писали Л.Д. Ландау и Е.М, Лифшиц, обсуждая второе начало термодинамики, — Вселенная должна была бы находиться в состоянии полного статистического равновесия.

Между тем ежедневный опыт убеждает нас в том, что свойства природы не имеют ничего общего со свойствами равновесной системы, а астрономические данные показывают, что то же самое относится н ко всей доступной нашему наблюдению колоссальной области Вселенной" 1320. С. 45). Это действительно так.

Ведь само существование органического мира и его взаимоотношение с неорганическим миром есть не что иное, как гигантский неравновесный процесс. И тем не менее, знание классической термодинамики является совершенно необходимым при изучении свойств любых больших ансамблей, в том числе и необратимых. Здесь были обсуждены некоторые элементы равновесной термодинамики и статистической физики для того, чтобы провести последующее рассмотрение теории свертывания, а затем теорий структурной (том 3 настоящего издания) и функциональной (том 4) организации белковых молекул в доказательном плане, и сделать это по возможности более обстоятельным и исчерпывающим образом.

Не менее серьезной причиной напоминания основ классической термодинамики послужило также наличие неразрывной связи ее с неравновесной термодинамикой. "Открытия,'малые и великие ...никогда не рождаются спонтанно, Онн всегда предполагают почву, зассянную предварительными знаниями и хорошо вспаханную трудом, как сознательным, так и подсознательным" [321.

С. 62). Этн слова А. Пуанкаре, ска- 439 занные им по поводу создания А. Эйнштейном теории относительности в данном случае очень уместны. Неравновесная термодинамика при своем становлении опиралась на теоретические основы, более чем столетний опыт и математический аппарат равновесной термодинамики и статистической физики. Принято считать, что термодинамика как особая область естест. веннонаучных знаний возникла потому, что в природе существуют макроскопические явления, которые не зависят от деталей внутреннего устройства микроскопических частиц. Такие явления, однако, в чистом виде практически не наблюдаются, и правильнее будет сказать, что появление этой науки вызвано существованием общих закономерностей в характере поведения макроскопических систем, которые определяются главным образом беспорядочным тепловым движением колоссального числа микроскопических частиц, а не конкретным строением отдельных частиц и их взаимодействием.

Исходной моделью классического термодинамического подхода как к феноменологическому описанию тепловых явлений, так и к их статистической трактовке явилась модель идеального газа — системы материальных точек, упруго взаимодействующих друг с другом только в момент соударення, То обстоятельство, что в поведении идеального газа проявляются чисто статистические закономерности, позволило обойти нереальный механический подход к описанию макроскопической системы и перейти к ее сокращенному статистическому описанию, получившему название термодинамического подхода. Эта модель и стала основным объектом исследования статистической физики.

Поэтому, строго говоря, классическая термодинамика — наука о равновесных состояниях и равновесных процессах идеального газа в условиях его изоляции. Такое определение термодинамики звучит несколько парадоксально, поскольку равновесных процессов и изолированных идеальных систем в природе нет, а, напротив, наблюдаются только неравновесныс процессы, как, например, фазовые переходы и другие превращения, и помимо газов, имеются жидкости, твердые тела и иные сложные системы, причем отнюдь не изолированные, а всегда взаимодействующие с окружающей средой.

Иными словами, существует то, что как будто бы не должно входить в компетенцию равновесной термодинамики, а то, чем она владеет, на первый взгляд, не имеет прямого отношения к реальному миру. В чем же тогда причина широчайшего распространения термодннамического подхода в естественных науках и технике? Становлению равновесной термодинамики предшествовал период эмпирического развития, во время которого были установлены газовые законы Бойля — Мариотта (1662 — 1672 гг,) и Гей-Люссака — Шарля (1802 г.); на их основе Клапейроном (!834 г.) с учетом закона Авогадро (1811 г.) было получено основное уравнение газового состояния.

Создание теоретических основ классичеСкой термодинамики началось, как уже отмечалось, с работы С. Карно об идеальном цикле тепловой машины (1824 г.), а завершилось формулировкой В. Нернстом (1906 г.) тепловой теоремы. Дальнейшее развитие термодинамнческого подхода 440 в течение ряда десятилетий происходило не за счет расширения и углубления его теоретического базиса, который оставался почти до середины нашего столетия на уровне конца Х)Х в. Эволюция равновесной термодинамики осуществлялась путем отхода от строгой классической модели в сторону эмпчризма.

Реальные свойства макроскопических систем учитывались прежде всего введением соответствующих модификаций в канонические термодинамические функции. Примером может служить уравнение Ван-дер-Ваальса (1873 г.) представляющее собой уравнение состояния идеального газа, дополненного эмпирическими поправками на объем молекул и силы взаимодействия между ними. Другой способ расширения возможностей равновесной термодинамики связан с введением таких эмпирических корреляций, которые в неявном виде учитывали бы все отклонения от идеальности и в то же время сохраняли соотношения идеальных систем для расчета термодинамических функций реальных систем.

Примером в этом случае могут быть определяемые экспериментально коэффициенты активности, позволяющие перейти от концентраций веществ к кажущимся, эффективным характеристикам — активностям. Достоинство эффективных параметров состоит в том, что при их использовании сохраняется формальное тождество уравнений реальных и идеальных систем. Перечисленные способы приближения классической термодинамики к реальным объектам, а также чисто эмпирический путь установления соотношений между термодинамическими параметрами, функциями состояний и различными потенциалами соединений и систем значительно повысили прикладное значение подхода.

Кроме того, расширению использования равновесной термодинамики способствовали еще трн обстоятельства. Одно из них заключалось в том, что вынужденные при изучении реальных систем отступления бт условий н модели равновесной термодинамики никогда не вступали в противоречия с тремя ее основными законами и объединившим первые два фундаментальным соотношением Гиббса. Составив основу равновесной термодинамики, первое, второе и третье начала оказались несравненно более общими и более фундаментальными, чем свое собственное произведение. Поэтому нельзя отождествлять и ставить знак равенства между этими всеобщими, универсальными законами природы и гпироко используемой, но тем не менее частной теорией 1равновесиой термодинамикой).

Второе обсгоятельство связано с нашим сегодняшним высоким уровнем знания тонких деталей внутреннего строения молекул и межмолекулярных взаимодействий. Во многих случаях этих знаний оказывается достаточно для интерпретации результатов тсрмодинамического изучения и расширения возможностей последнего за счет привлечения физических и физико-химических теорий и разного рода эвристических соображений. Наконец, расширению спектра рассматриваемых с помощьк> равновесной термодинамики задач способствовало еще одно немаловажное обстоятельство — отсутствие альтернатив.

Характеристики

Список файлов книги