Зарождение эмпирического научного знания (Египет, Вавилон, Индия, Китай)

           Второй закон  термодинамики   определяет  также  условия,  при  которых теплота  может,  как  угодно  долго  преобразовываться  в  работу.  В  любом разомкнутом термодинамическом процессе  при  увеличении  объема  совершается положительная работа: но процесс  расширения  не  может  продолжаться  бесконечно,  следовательно, возможность преобразования теплоты в работу ограничена.

           Непрерывное преобразование теплоты  в работу  осуществляется  только  в круговом процессе или цикле.       Каждый элементарный  процесс,  входящий  в цикл,  осуществляется  при подводе или отводе  теплоты  dQ,  сопровождается  совершением  или  затратой работы, увеличением  или  уменьшением  внутренней  энергии,  но  всегда  при выполнении  условия  dQ=dU+dL   и  dq=du+dl,  которое  показывает,  что  без подвода теплоты (dq=0) внешняя  работа  может  совершаться  только  за  счет внутренней энергии системы, и, подвод теплоты  к  термодинамической  системе определяется  термодинамическим  процессом.  Элементарное количество теплоты  можно  рассматривать  как  подводимое (dQ>0) и отводимое (dQ<0) от рабочего  тела.  Сумма подведенной теплоты в цикле |Q1|, а сумма отведенной теплоты |Q2|. Следовательно,       LЦ=QЦ=|Q1| - |Q2|.

           Подвод количества теплоты Q1 к   рабочему  телу  возможен  при   наличии внешнего источника с температурой  выше  температуры  рабочего  тела.  Такой источник  теплоты  называется  горячим.  Отвод  количества  теплоты  Q2   от рабочего тела также возможен при наличии внешнего источника  теплоты,  но  с температурой более низкой, чем температура  рабочего  тела.  Такой  источник теплоты называется холодным. Таким образом, для совершения цикла  необходимо иметь два источника теплоты: один с высокой температурой, другой  с  низкой.

     При этом не все затраченное количество теплоты Q1 может  быть  превращено  в работу, так как  количество теплоты Q2 передается холодному источнику.       Условия работы теплового двигателя сводятся к следующим:

           - необходимость двух источников  теплоты (горячего и холодного);

           - циклическая работа двигателя;

           -  передача  части  количества  теплоты,   полученной   от   горячего

             источника, холодному без превращения  ее в работу.

           В связи с этим второму закону  термодинамики можно дать  еще   несколько формулировок:

      - передача теплоты от холодного  источника к горячему невозможна  без затраты    работы;

      - невозможно построить периодически  действующую машину, совершающую   работу

        и соответственно охлаждающую  тепловой резервуар;

      - природа стремится  к  переходу  от  менее  вероятных  состояний   к  более вероятным.

           Следует подчеркнуть, что второй  закон  термодинамики  (так   же  как  и первый), сформулирован на основе опыта.

           В  наиболее  общем  виде  второй  закон   термодинамики   может   быть сформулирован следующим образом:  любой  реальный  самопроизвольный  процесс является  необратимым.  Все  прочие  формулировки  второго  закона  являются частными случаями наиболее общей формулировки.

     Понятие энтропии. Несоответствие между превращением теплоты в работу и работы в  теплоту приводит к односторонней направленности  реальных процессов в  природе,  что и  отражает  физический  смысл  второго  начала  термодинамики  в  законе  о существовании и возрастании в реальных процессах  некой  функции,  названной энтропией, определяющей меру обесценения энергии.

           Часто  второе  начало  термодинамики   преподносится  как  объединенный принцип существования и возрастания энтропии.

           Принцип  существования  энтропии  формулируется   как   математическое выражение энтропии термодинамических систем в  условиях  обратимого  течения процессов.

     Принцип возрастания энтропии  сводится  к  утверждению,  что  энтропия изолированных   систем  неизменно  возрастает  при   всяком   изменении   их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов. Оба вывода о существовании и возрастании энтропии получаются на основе какого-либо  постулата,  отражающего  необратимость  реальных  процессов   в природе.   Наиболее   часто   в   доказательстве   объединенного    принципа существования  и  возрастания  энтропии  используют  постулаты  Р.Клаузиуса, В.Томпсона-Кельвина, М. Планка.

           В  действительности  принципы  существования  и  возрастания   энтропии ничего  общего  не  имеют.  Физическое  содержание:  принцип   существования энтропии  характеризует  термодинамические  свойства   систем,   а   принцип возрастания  энтропии  –  наиболее  вероятное  течение  реальных  процессов.

     Математическое  выражение принципа  существования  энтропии  –  равенство,  а принципа   возрастания   –   неравенство.   Области   применения:    принцип существования  энтропии  и  вытекающие  из  него  следствия  используют  для изучения физических свойств веществ, а принцип возрастания  энтропии  –  для суждения  о  наиболее  вероятном  течении  физических  явлений.  Философское значение этих принципов также различно.

           В  связи  с  этим  принципы  существования  и   возрастания   энтропии рассматриваются раздельно  и  математические  выражения  их  для  любых  тел получаются на базе различных постулатов.

           Вывод о существовании  абсолютной  температуры  T  и  энтропии  s  как термодинамических функций состояния любых тел и систем  составляет  основное содержание  второго  закона  термодинамики  и  распространяется   на   любые процессы – обратимые и необратимые. 

        3 Теория Опарина о происхождении жизни на Земле

      
        Теория, предложенная А. И. Опариным в первой половине ХХ века, основана на предположении о химической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем к биологической эволюции. Образование клетки явилось сложнейшим явлением. Но оно и положило начало развитию жизни и всему ее многообразию. Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. Это привело к возрождению теории самозарождения. Новая версия получила название теория химической эволюции.

     1894 – 1980 Александр Иванович Опарин родился 2 марта 1894 года в городе Угличе. В 1912г. окончил Вторую московскую гимназию. 1912–1917 гг. – студент естественного отделения физико-математического факультета Московского университета. 1915г. – химик фармацевтического завода Всероссийского союза городов. 1917г. – окончил естественное отделение физико-математического факультета Московского университета и был оставлен при кафедре физиологии растений для подготовки к профессорскому званию.

     Крупнейшей  научной за слугой А.И.Опарина является то, что он убедительно показа возможность  научного экспериментального подхода  к исследованию проблемы происхождения  жизни. Он изложил свои идеи в книге  «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и  переведенной на английский язык в 1938 году. Пик исследований А. И. Опарина  и его соавторов приходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхождение жизни» была опубликована раньше. 
Появление жизни А.И. Опарин рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию. 
       1. Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

     С самого начала этот процесс был связан с геологической эволюцией. В  настоящее время принято считать, что возраст нашей планеты  составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком  прошлом Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая  атмосфера называется «восстановительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности  Земли ниже 1000C образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно, с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран. 
       2. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.

     По  однотипным правилам синтезировались  в «первичном бульоне» гидросферы Земли  полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это  предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера.

     Эксперимент Миллера, ставший поворотным пунктом  в этой области, был предельно  прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую  цепь. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты - два  электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч  вольт; в другой колбе постоянно  кипит вода. Затем аппарат заполняется  атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом  и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В основном получилась вязкое месиво случайных соединений; в растворе также было обнаружено некоторое  количество органических веществ, в  том числе и простейшие аминокислоты - глицин и аланин. 
        Первичные клетки предположительно возникли при помощи молекул жиров (липидов). Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом — пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой. 
        3. Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно и получали их из бульона. Но со временем многие соединения стали исчезать из бульона, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.

     Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру, которая  была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы  для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие  системы, черпающие из окружающей среды  вещества и энергию, могут противостоять  нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста  и развития, что является характерным  признаком всех живых систем. Отдельная  молекула, даже очень сложная, не может  быть живой. Это значит, что не разрозненные части определяют собой организацию  целого, а целое, продолжая эволюционировать, обусловливает целесообразность строения частей.

     Естественный  отбор сохранял те системы, в которых  были более совершенными функция  обмена веществ и приспособленность  организма в целом к существованию  в данных условиях внешней среды. Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом  в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как  основная причина совершенствования  коацерватов до первичных живых  существ — центральное положение  в гипотезе Опарина.

     4. Некоторые из этих молекул  оказались способны к самовоспроизводству.  Взаимодействие между возникшими  нуклеиновыми кислотами и протеинами, в конце концов, привело к возникновению  генетического кода.

     В ходе естественного отбора выжили системы, имевшие особое строение белковых полимеров, что обусловило появление третьего качества живого - наследственности (специфичной  формы передачи информации). 
Теорию А.И. Опарина горячо поддержал кембриджский профессор Дж. Холдейн. Холдейн выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что он назвал горячим разбавленным бульоном (впоследствии прижилось название первичный бульон или протобульон). Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни исходит из теории Опарина-Холдейна о происхождении жизни, теория эта общепризнанна. 
Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма популярна. Сильной ее стороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни - закономерный результат. Аргументом в пользу этой концепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.