Почему жизнь концентрируется при 37 °С?

Аннотация.  Известно, что при низких температурах преобладает синтез, а при высоких - распад веществ. Значит, взаимные превращения веществ должны быть наиболее вероятны при средних температурах. Для поиска "самой средней температуры" можно применить статистический метод описания на уровне энергий межатомных связей в сложных открытых системах с произвольным составом. Для этого предложена "статистическая химическая модель атома", позволяющая исходить при вычислении средней энергии межатомных связей из средней энергии первой ионизации атомов. Средняя температура химического мира, наиболее благоприятная для обмена веществ живых организмов оказалась температура, близкая к 310 °К или 37 °С. Отсюда следует, что биологическая эволюция не случайна, что температура и химический состав живых организмов, в частности, тела человека, определяются фихико-химическими параметрами атомов, что "цель" эволюции состоит в максимальной стабилизации открытых химических систем живые организмы. Парадоксы антропного принципа надуманны.

В химическом мире можно выделить, как известно, два противоположных процесса. При сравнительно низких температурах происходит синтез веществ с выделением энергии и повышением температуры. При более высоких температурах имеет место распад веществ с поглощением энергии и понижением температуры. Оба процесса не имеют четких температурных границ и перекрываются при средних температурах. Таким образом должна существовать некая глобальная средняя температура, при которой процессы синтеза и распада в открытой химической системе со случайным, произвольным составом равновероятны. При этой температуре должна быть максимальна вероятность превращений веществ, а значит, должен наиболее легко протекать обмен веществ живых организмов, сочетающий, как известно, распад и синтез. Чему же равна эта температура?

Сегодня не существует теории для описания сложных открытых химических систем произвольного сотава. Признанный специалист в области неравновесной химической термодинамики И. Пригожин даже считает, что такая общая теория в принципе невозможна. Однако автор этих строк занимается этой проблематикой с 1977 года и разработал для этих целей "статистическую химию". Суть ее заключается в переходе с уровня обычной химии, т.е. описания конкретных индивидуальных химических превращений, на статистический уровень энергий межатомных связей, спектры которых поддаются статистическому описанию.

Вначале пришлось разработать довольно простую "химическую" модель атома, так как применение существующей квантово-химической модели, основанной на уравнении Шредингера, для сложных открытых систем "не по зубам" даже современным компьютерам. Упрощенные модели типа Томаса-Ферми или Китайгородского (молекулярная механика) тоже не годятся. В чем суть этой модели?

Известно, что атомы щелочных металлов имеют большие размеры, их внешние электроны расположены далеко от ядра и для их удаления (т.е. ионизации атома) требуется мало энергии (около 4 eV). Щелочные металлы плавятся при низких температурах, т.е. их атомы образуют слабые связи. Атомы благородных газов, наоборот, маленькие и требуют для ионизации в несколько раз больше энергии. Они химически инертны и тоже образуют слабые связи.

Наиболее прочные межатомные связи образуют атомы средних размеров со средними энергиями ионизации. Средняя арифметическая энергий ионизации всех атомов Периодической системы равна 8,26 ± 0,10 eV. Можно показать (но не будем утомлять читателя, это опубликовано), что средняя энергия межатомных связей равна половине этой величины, т.е. 4.13 eV.

Основным уравнением химической кинетики являются, как известно, уравнение Аррениуса N_a = N_o exp(E_a/kT), описывающее, какая доля частиц преодолевает барьер активации при образовании или разрыве межатомных связей. Однако оно не описывает, "застревают" ли эти активные частицы за барьером или они возвращаются назад, т.е. обратим или необратим процесс превращения. Степень необратимости зависит от температуры: при относительно низких температурах вновь образовавшиеся связи обычно сохраняются, при высоких же температурах они вновь распадаются. Решение соответствующего уравнения совместно с уравнением Аррениуса позволяет получить следующее значение температуры максимальной вероятности превращений:

Tmax = [(8,26 ± 0,10)/pk)]1/2= 309,7 ± 1,9 K = 36,5 ± 1,9°C,

где p - обратный градус Кельвина 1/град,

k - постоянная Больцмана, равная 8,6157· 10^-5 eV/град.

Мы видим, что полученная температура (округленно 310 °К или 37 °С) равна температуре нашего тела. Случайно ли это совпадение? Любая открытая эволюционирующая система должна сочетать консервативность, т.е. сохранение своих свойств, и изменчивость для адаптации к изменчивой окружающей среде. Пример абсолютно консервативной системы - идеальный кристалл, у которого все связи между элементами сохраняются. Абсолютно изменчивой системой является идеальная жидкость, у которой все связи между элементами рвутся и следы прошлых воздействий не сохраняются. Можно показать, что скорость эволюции системы максимальна, когда половина ее связей рвется, а половина сохраняется. Температура 310 К как раз и является такой оптимальной температурой для химического мира.

Точно так же причинно обусловлен и химический состав человеческого тела. Углерод наиболее близок по свойствам к "среднему химическому веществу", а вода - наилучший растворитель. Траектория эволюции (самоорганизации) любой открытой химической системы должна вести к "глобальному аттрактору" - телу человека.

В заключение ряд практических выводов:

Медицина. Если лучше знать свойства "эталона" - здорового человеческого организма, можно более эффективно лечить болезненные отклонения.

Космобиология. Формы жизни, отличные от земной, весьма маловероятны.

Кибернетика. Совершенствование компьютеров может идти лишь на бионическом пути все более точного отображения "элементной базы" мозга человека.

Эволюционная теория. Биологическая эволюция есть процесс все лучшей стабилизации наследственного вещества путем изоляции его от окружающей среды все новыми химическими и термодинамическими оболочками-стабилизаторами (клеточные мембраны, кожа, перья, волосяной покров, теплокровность, огонь, одежда, жилище, кондиционер и т.д.).

Литература

Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М,. Прогресс, 1986.

Эстерле О.В. Статистические свойства валентных электронов. Заявка на научное открытие 36/ОТ-9633 от 27.06.77.

Эстерле О.В. О статистических свойствах валентных электронов. ЖФХ № 1, 1986, с. 137.142.

Эстерле О.В. 36,6 °С - нормальная температура робота. Изобретатель и рационализатор 6/87, с. 28-29.

Эстерле О.В. Докторская диссертация. ИМГРЭ, М., 1990.

Oesterle, Otto. Goldene Mitte - unser einziger Ausweg. Vom zersplitterten zum ganzheitlichen Wissen. Schweiz, 1997, ISBN 3-9520261-9-0.

Эстерле О.В.