Если техническая система состоит из нескольких частей, полная энтропия равна сумме энтропий этих частей. Изменение энтропии dS, следовательно, распадается на производство энтропии diS, вызываемое изменениями внутри системы, и поток энтропии deS, возникающий за счет взаимодействия с внешней средой. Поэтому:
dS = diS + deS. (1)
Интересующие нас системы могут быть как открытыми, так и замкнутыми [1]. Замкнутая система может обмениваться с внешней средой энергией, но не веществом. Классическая термодинамика основана на определении:
(2)
где Т – абсолютная температура; dQ – приращение тепла. В наших обозначениях это соотношение имеет вид:
(3)
При протекании необратимых процессов, таких, как химические реакции, производство энтропии не исчезает, и мы приходим, согласно уравнениям (1-4), к классическому неравенству Карно – Клаузиуса:
(4)
Последние достижения в области физики и химии делают все более затруднительным принятие представлений о необратимости [2–4], выраженным вторым законом термодинамики. Необратимость играет важную конструктивную роль в процессах, представляющих первостепенный интерес для столь различных областей науки, как биологии, так и космологии. Возможность возникновения самоорганизации (т.н. диссипативных структур) в ситуациях, далеких от равновесия, осознание роли необратимости в эволюции всей Вселенной в целом – все это свидетельствует о том, что второе начало термодинамики по своему характеру более фундаментально, чем принято считать. При современных требованиях к химическому производству оптимизация, равно как и разработка новых технологических процессов, должна проводиться с учетом трех основных моментов: безопасность экологическая чистота и эффективность производства [5-6].
Рассмотрим химическую систему, описывающую некоторый процесс полимеризации. Полимеры образуются из молекул А и В, поступающих в систему. Пусть полимер имеет следующую молекулярную конфигурацию:
А В А В А В ….
Предположим, что реакции, приводящие к образованию полимера, автокаталитические. Если происходит сбой и образуется модифицированный полимер:
А В А А В В А В А…,
то он может размножаться в системе в результате модифицированного автокаталитического механизма. Манфред Эйген предложил интересные модели, позволяющие описывать такие эффекты, и показал, что в идеальных случаях система стремится к оптимальной устойчивости относительно появления ошибок в редупликации полимеров [7–8]. В основе модели Эйгена лежит идея «перекрестного» катализа: нуклеотиды производят протеины, которые в свою очередь производят нуклеотиды (рисунок). Возникает циклическая схема реакций, получившее название гиперцикла. Когда гиперциклы конкурируют, они обнаруживают способность, претерпевая мутации и редупликацию, усложнять свою структуру.
Каталитический цикл
В то время как Пригожин и Хакен изучали феномен самоорганизации, исследуя физические и химические системы, которые проходят через точки неустойчивости и образуют новые формы порядка, биохимик Манфред Эйген применил ту же концепцию, пытаясь пролить свет на тайну происхождения жизни. Согласно традиционной версии теории Дарвина, живые организмы выделялись из «молекулярного хаоса» случайно, в процессе беспорядочных мутаций и естественного отбора.
Манфред Эйген, нобелевский лауреат и директор Института физической химии имени Макса Планка в Геттингене, в начале 70-х предположил, что возникновение жизни на Земле стало возможным благодаря процессу нарастающей организации в далекой от равновесия химической системе, с образованием гиперциклов многочисленных цепей обратной связи. Фактически Эйген постулировал добиологическую фазу эволюции, в ходе которой в молекулярном виде происходят процессы отбора, выражающие «свойства вещества в особых системах реакций», и ввел понятие молекулярной самоорганизации для описания этих добиологических эволюционных процессов.
В молекулярной самоорганизации довольно часто участвует кислород, основное количество которого – O2 (95-98 %), расходуется на выработку энергии и окислительный катаболизм субстратов. Относительно небольшая часть (2–5 %) переходит в активные формы кислорода (АФК) [9–11] и затем частично используется для оксидативной модификации (МО) макромолекул. Это означает, что во всех клетках и всех их частях происходит образование АФК и МО макромолекул всех классов: нуклеиновых кислот, белков и липидов.
Для исследования роли везикул (секреторных гранул) в процессе межклеточной сигнализации проводят исследования на самых разнообразных объектах : межнейронных синапсах центральной нервной системы, нервно – мышечных синапсах электрическом ската, мозговом солее надпочечников, нейронов гипоталамуса и гипофиза [12-14].