Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Эволюционные концепции в физике и биологии базировались на огромном экспериментальном материале. Однако между физическими и биологическими опытными фактами долгое время не 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
XX в., о несовместимости законов физики и биологии и особой сущности явлений живой природы. Естествознание конца XIX в. и первых десятилетий XX в. еще не было готово к поиску причины противоположной направленности развития живого и неживого. Для многих исследователей, придерживающихся виталистических 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 и элементарных частиц, а не в сторону биологических макромолекул, тем более клеток и организмов.
Оценивая уровень нашего сегодняшнего понимания возможностей термодинамического 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” [318. 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.
15.2. ЛИНЕЙНАЯ 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 и ко всей доступной нашему наблюдению колоссальной области Вселенной” [320. 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. Они всегда предполагают почву, засеянную предварительными знаниями и хорошо вспаханную трудом, как сознательным, так и подсознательным” [321. С. 62]. Эти 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 естественнонаучных 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 микроскопйческих 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 соударения. 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 неравновесные 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 термодинамического подхода в естественных науках и технике?
