ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ЭВОЛЮЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

1

• Авторы
• Файлы

Кузнецов В. Г. Яковлев С. В. Бруснев Л. А. Статья в формате PDF 483 KB Известно рассмотрение необратимого процесса, про­исходящего в адиабатически замкнутой системе, возни­кающего при соприкосновении частей системы, имеющих различные температуры (T₁>T₂), при этом выражение для производства энтропии имеет вид [1,2]:

Также исследован процесс возрастания энтропии в твердом теле, в котором имеется градиент температур [3]. По определению изменение удельной энтропии равно

 

Используя для рассмотрения указанного процесса закон сохранения энергии в дифференциальной форме, имеющий вид уравнения неразрывности, было получено следующее выражение для производства энтропии [3]

где W¯ вектор плотности потока энергии. Выражение

- источник искомого приращения энтропии в единице объема в единицу времени.

В настоящей работе рассмотрено производство энтро­пии в адиабатически замкнутой системе, в которой наряду с градиентом температуры существуют внутренние источ­ники тепла с производительностью q (Вт/м³).

Изменение удельной энтропии по-прежнему хаpaкте­ризуется выражением (2), а закон сохранения энергии в дифференциальной форме имеет вид уравнения теплопро­водности [4]

которое можно преобразовать к виду

где λ = a·c·p - коэффициент теплопроводности.

Учитывая что  сравнивая (3) и (6), получаем

Воспользуемся тождеством

или

Сравнивая (9) и (7), получаем

Проинтегрируем (10) по всему объему замкнутой системы

Согласно условиям решаемой задачи и по теореме Гаусса-Остроградского получим

Итак, имеем

Сравнивая выражения (3) и (4), отмечаем, что первый интеграл в правой части выражения (13) определяет при­ращение энтропии, связанное с наличием градиента тем­ператур, а второй интеграл в правой части выражения (13) определяет производство энтропии, связанное с производ­ством тепла внутренними источниками.

В дифференциальной форме производство энтропии имеет следующий вид

В линейной области выражение для производства эн­тропии определяется выражением [3]

где  термодинамические потоки,

 - термодинамические силы.

С учетом (1), (15) выражение (14) может быть записано в виде:

 где T₁ - температура внеутреннего источника тепла,

Т₂ - температура среды,

T₁-T₂ =δT1

C - удельная теплоемкость.

Как следует из (16), при  временное измене-ние производства энтропии запишется в виде:

Очевидное соотношение, определяющее выделение тепла внутренними источниками  запишется в виде

 

после преобразования получаем

Отток тепла от внутреннего источника можно записат также в виде:

где Q[c точкой] ₀ - удельная теплопродукция при

Исходя из представлений равновесной термодинами­ки о сохранении баланса тепла, которое выполняется при , можно записать

что в свою очередь приводит к получению условия устойчивости термодинамической системы

При этом, как показано в (5), выражение (22) преобразуется к виду:

где  коэффициент теплоотдачи, m - масса ограниченная поверхностью системы, n - поверхность системы.

Как указано в работе [7] производство энтропии в жи­вом организме в состоянии покоя близком к слабонеравно­весному хаpaктеризуется выражением

где T₁ и T₂ - температура живого организма и внешней среды, соответственно,
- величина  полной  теплопродукции живого организма

При этом производство энтропии в живом организме равно продукции энтропии во внешнюю среду.

Одновременно заметим, что при T₁ -T ₂=δT< T₁, что со­ответствует условиям обитания живых организмов, выра­жение (24) может быть записано в виде

позволяющее заключить, что производство энтропии живых организмов в состоянии покоя достигается путем диссипации тепла при температуре тела живого организ­ма T₁.

С другой стороны, величина изменения теплопродук­ции может быть записана в виде [5,6]

где α - коэфиициент теплоотдачи живого организма к внешней среде,

П - поверхность тела живого организма. 

В работе [7] доказано что величина α(t) есть убывающая функция времени, т. е.  Из выражения (26) следует, что возможно сохранение величины   . Тогда

что существенно для живого организма при сохранении состояния покоя не равного равновесному, из которого жи­вой организм уже не может удалиться.

Таким образом, из выражений (24-27) следует, что воз­можно длительное существование в состоянии покоя, при этом , т. е. достигается состояние температурного гомеостаза и гомеостатирования среды обитания.

В филогенезе живых организмов величина П ограни­чена предельной массой (M) тела живого организма, т. к. известно, что отношение ^м/п есть величина постоянная, например, для гомойотермных организмов [5,6], что в ко­нечном счете приводит к нарушению функций органов жи­вого организма и его вырождению.

Однако из вышеуказанного следует, что если отноше­ние ^м/п = const выполняется, или, например, значитель­ному увеличению П соответствует незначительное увели­чение M, длительность развития с сохранением пpaкти­чески постоянно удельной теплопродукции может быть значительной.

В живом организме есть орган, для которого возможно выполнение данного условия - это мозг живого организма, значительному изменению поверхности которого соответ­ствует значительно меньшее, чем для других органов тела, увеличение массы.

Этот путь эволюционного развития и использовали живые организмы, но больше всех преуспел человек, кото­рый смог в дополнение к температурному гомеостазу соз­дать условия гомеостатирования внешней среды (жилища, одежда, применение огня), что в состоянии покоя привело к формированию мозга, позволяющего вести рассудочную деятельность.

Вышеизложенное составляет сущность термодинами­ческих принципов эволюции живых организмов.

Выводы

Сущность необходимых термодинамических принци­пов эволюции живых организмов заключается в том, что, как доказано в статье, величина коэффициента теплоотдачи живого организма в филогенезе и онтогенезе является убывающей функцией времени в состоянии покоя, при по­стоянных температурах тела и внешней среды и для под­держания неизменной полной теплопродукции необходимо увеличение поверхности тела живого организма, что опре­деляет удаление живого организма от состояния покоя.

При невыполнении в отдельном органе живого орга­низма - мозге, известной в физиологии зависимости массы всего живого организма от его поверхности, например для гомойотермных организмов, возникает увеличение массы и поверхности мозга, позволяющее живым организмам, при достижении гомеостатирования внешней среды, эво-люционизировать путем формирования мозга не снижая удельной теплопродукции, что подтверждается эволюцией гомойотермных организмов.

Если формирование мозга отсутствует, то, при дости­жении гомеостатирования внешней среды, эволюция жи­вых организмов приводит к увеличению поверхности тела живых организмов и, соответственно, к пропорционально­му увеличению их массы, при этом происходит снижение удельной теплопродукции, что подтверждается гибелью гиперфауны.

Выживание наиболее приспособленных живых орга­низмов при воспроизводимых условиях внешней среды не связано с достижением ими состояния покоя и с изменени­ем удельной теплопродукции в филогенезе, что подтверж­дается конкуренцией биоценозов и составляет сущность идиоадаптации.

Полученные результаты позволяют выполнить термо­динамическое обоснование пунктуализма эволюционного процесса, известного как ароморфоз Северцева, т. е. пока­зать, что пунктуализм изменений связан с периодическим достижением гомеостатирования среды обитания живых организмов, при этом прогрессивные изменения в живом организме, возникают как результат противодействия со­стоянию покоя при гомеостатировании среды обитания.

Необходимо отметить, что человек достиг состояния температурного гомеостаза и гомеостатирования среды обитания в состоянии покоя, что привело к прогрессивно­му увеличению его размеров.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Левич, В. Г. Введение в статистическую физику / В. Г. Левич. - М.: Гостехиздат, 1954. - С. 141.
2. Волькенштейн, М. В. Биофизика / М. В. Волькен-штейн. - М.: Наука, 1988. - С. 16-19, 307-308, 566-573.
3. Ансельм, А. И. Основы статистической физики и тер­модинамики / А. И. Ансельм. - М.: Наука, 1973. - С. 355­357.
4. Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А Осипова, А. С. Сукомел. - М.: Энергия, 1969. - С. 15-18,27-28.
5. Шмидт-Ниельсон, К. Размеры животных: почему они так важны / К. Шмидт-Ниельсон. - М.: Мир, 1987. - 259 с.
6. Проссер, Л. Сравнительная физиология животных: Пер. с англ. / Л. Проссер, Ф. Браун. - М.: Мир, 1967. - С. 11-123.
7. Кузнецов, В. Г. Производство энтропии в адиабатиче­ской замкнутой системе с градиентом температуры и про­изводством тепла и применение этих условий к термоди­намической модели живых организмов / В. Г. Кузнецов // Биофизика. - 2003. - Т. 48. - Вып. 3. - С. 572-573.

---