К живому через каталитические системы

Глубинный механизм химических превращений можно постичь, в частности, через химическую реакцию как одну из

возможностей химического существования. В связи с этим наблюдается тенденция перехода от структурных теорий к кинетическим. Структурные теории изучают состав, свойства и структуру вещества, т.е. что превращается. Кинетические теории дают ответ на то, каким образом происходят превращения, позволяют выявить глубинный механизм химизма. Во всех современных теориях эволюции отмечается, что различным ступеням эволюционирующих систем отвечали различные по уровню типы катализа. Высшей ступени эволюции соответствует высокоспецифический катализ посредством белков и ферментов.

Ферментативный катализ осуществляется белковыми молекулами ферментов, находящимися в живом организме или выделенными из него. На основе учения о катализе произошло в некотором роде объединение органической химии и биохимии, т. е. взаимообогащение двух наук, заключающееся в том, что через биологические катализаторы живых систем в химии стали изучать пространственную и временную организацию сложных химических превращений. Это потребовалось для установления функциональных характеристик каталитических систем, в первую очередь способных к саморегуляции. Возможность создания высокоспецифичных аналогов биокатализаторов, обладающих всеми свойствами ферментов, но действующих в других условиях, по-прежнему еще далеко не полностью реализована.

Биологические катализаторы-ферменты в 10⁶—10¹⁰ раз активнее небиологических катализаторов и обладают избирательностью при протекании той или иной реакции. К достоинствам биологических катализаторов относится и то, что они способствуют процессам, протекающим в природе при обычных давлении и температуре.

Н.Н. Семенов в своих исследованиях в области цепных реакций установил, что значительное количество химических процессов в своей основе - это сложные многоактные превращения, в которых решающую роль играют довольно реакционноспособные короткоживущие промежуточные продукты. Особенно выделяются свободные радикалы, ионы и комплексы. Это активные центры, которые создаются из реагирующих молекул. От того, как они образуются и как ведут себя, во многом зависят скорость и механизм химических процессов. Химическая реакция является многокомпонентной и многофакторной системой, включающей состав, активность и специфику действия катализатора, реакционную способность, энергию активации, активированный комплекс и т.д. Активированный комплекс выступает как центральное, узловое понятие современной теоретической химии, во-первых, потому, что обладает всеобщностью: нет межмолекулярного химического процесса, в том числе и каталитического, который не проходил бы через эту стадию; во-вторых, переходное состояние является узловым понятием теоретической химии потому, что концентрирует вокруг себя все ее методы, все подходы к решению химических задач - от квантово-механических до сугубо эмпирических. Его анализ требует и физических, и химических, и биогенетических методов исследования. Тем самым переходное состояние становится центральным связующим звеном между физикой и биологией.

Переход от физической формы движения материи к биологической происходит с помощью химических реакций, включающих в себя этап переходного состояния, который, будучи моментом химического самодвижения, реализует истинную диалектику химизма; в нем материя напряжена, беспокойна, активна, противоречива. Изучение переходного состояния представляет собой, образно говоря, «изучение анатомии скачка от старого к новому в развитии материи, ... обнаружение того, как же осуществляется переход количественных изменений в качественные в сфере химизма. Исследование этой анатомии зависит от специфических особенностей объекта».

На уровне переходного состояния вещество начинает обретать черты нового качества, и проявляется направленность химической реакции за счет того, что все время уменьшается величина энергии для начальных компонентов и увеличивается для тех, которые образуются.

Механизм химической реакции наиболее глубоко разработан на основе кинетических теорий и явлений катализа, о чем, в частности, свидетельствует тот факт, что «семеновские уравнения разветвленных химических реакций описывают горение и взрыв, они воплощены в работе атомного реактора, в атомной и водородной бомбах, в теории раковой опухоли ... Семеновские уравнения охватывают не отдельные явления, а

всю природу в целом». Общим для всех химических реакций можно назвать то, что механизм реакции, т.е. процесс химического превращения, включает в себя несколько отдельных соединений, связанных друг с другом; в любой реакции всегда на каком-то этапе образуется активированный комплекс (переходное состояние); наиболее активными в химическом процессе выступают такие химические частицы, которые способны к саморазвитию и являются моментом химического самодвижения.

В классическом катализе природа, активность и специфичность катализатора, механизм каталитического акта и каталитического действия считаются постоянными величинами. Результаты исследований показали, что существуют явления, при которых происходят физические и химические изменения катализаторов в процессе катализа, и при этом наблюдается энергетическое сопряжение процессов. Такие явления относятся к области простейших проявлений саморазвития каталитических систем, выявляющих в основном функциональный (в данном случае кинетический) аспект химической эволюции.

Самые значительные результаты в этой области достигнуты А.П. Руденко, изучившим особенности всевозможных микроскопических и макроскопических объектов химии для обнаружения в них комплекса свойств, необходимых для прогрессивной химической эволюции. На основе теории саморазвития открытых каталитических систем стало возможным выявить основной закон эволюции каталитических систем, специфику их организации и основные этапы предбиологической эволюции. Обнаружено, что элементарные открытые каталитические системы обладают тем необходимым комплексом свойств, которые являются объектами химической эволюции, и что любое свойство живого обязательно имеет своего предшественника в свойствах неживых открытых каталитических систем. Сущность химической эволюции заключается в процессе необратимых последовательных изменений элементарных открытых каталитических систем. Объектом химической эволюции является элементарная открытая каталитическая система, в ней сочетаются структуры, образующие единый химический континуум. Выявлена общая эволюционная закономерность, т.е. принцип, по которому осуществляется самоорганизация каталитических систем. Эта закономерность сводится к принципу наибольшей вероятности и наибольшей скорости осуществления наиболее прогрессивных каталитических путей развития каталитических систем.

На основе выявленной закономерности определены главные особенности процесса саморазвития каталитических систем и становится известным направление, по которому с наибольшей вероятностью , при соответствующих условиях, может происходить саморазвитие каталитических систем, а также причины этого процесса и его механизм. По мнению А.П. Руденко, установленные закономерности можно считать основным законом эволюции каталитических систем, принципом их самоорганизации, который можно сформулировать «... как принцип наибольшей степени превращения центров катализа на наиболее прогрессивном пути развития каталитических систем».

В настоящее время установлено четыре типа элементарных химических систем - это элементарные некаталитические и каталитические; элементарные открытые некаталитические и каталитические системы. Переход от простых каталитических систем к более сложным связан с появлением нового качества, характеризующего степень организации кинетической сферы сложной каталитической системы, т.е. усложняющегося в процессе эволюции.

В эволюционном катализе по сравнению с классическим обнаружены изменения самих катализаторов - кристалло-структурные и адсорбционно-физические; в результате эволюция на основе неорганических соединений переходит в эволюцию с участием органических соединений, и увеличиваются возможности эволюционных превращений.

Все объекты химического познания можно разделить на объекты с равновесной структурной организацией вещества (мо­лекулы и другие полиатомные образования, характеризуемые устойчивым порядком взаимодействия атомов, т.е. со статической структурой) и объекты с неравновесной структурной организацией вещества. К ним относятся элементарные химические системы, которые можно характеризовать как переходные состояния в динамике, где, как правило, можно фиксировать все пространственно-временные фазы перехода от начала химического процесса до получения конечного результата. Такие химические системы с динамической структурой на первый взгляд тоже стремятся к динамическому уравновешиванию. Самодвижение к равновесному состоянию наблюдается для всех систем на уровне неживой природы. Например, для каталитических процессов переход в наиболее равновесное состояние происходит по своим законам, и из всех возможных процессов протекают наиболее вероятные. Их эволюция направлена на то, чтобы процессы ускорялись и достигали динамического равновесия. Равновесие в химии позволяет выявлять новое качество системы в какой-то конкретный промежуток времени. В процессе химической эволюции наблюдается парадоксальная ситуация, при которой системы все более удаляются от равновесия, и их характерным свойством становится стационарное неравновесие.

Наиболее общая закономерность для эволюции на уровне химической формы движения материи - самоорганизация, проявляющаяся через эволюцию каталитических систем. В процессе химической эволюции А.П. Руденко отмечает ряд закономерностей, которые как бы выражают частные проявления закона эволюции. К ним относятся: определенный ход изменений состава и строения центров катализа в направлении образования нового качества, определяемого кинетическим и энергетическим законами развития; последовательность смены этапов эволюции; превращение простых каталитических систем в сложные; уменьшение термодинамической устойчивости каталитических систем и формирование охранных механизмов, пространственной ограниченности и надструктуры сложных каталитических систем

и т. д.

Эволюцию каталитических систем в виде физико-химичес­ких форм проявления основного закона можно представить как последовательно сменяющие друг друга этапы, характеризуемые усложнением организации и возникновением нового качества. Простые каталитические системы эволюционируют в сложные, монофункциональные центры катализа - в полифункциональные, простая базисная каталитическая реакция - в сеть связанных с нею и между собой последовательных реакций; простейшие гомогенные системы, состоящие из неорганических веществ, - в гомогенные системы неорганических и органических веществ, а затем снова к микрогетерогенным системам органических катализаторов и т.д. В состав микрогетерогенных систем могут входить органические вещества, типичные составные части организмов (белки, полинуклеотиды, липиды, углеводы). При переходе от химической эволюции к биологической все особенности вещественного состава, неравновесной структурной и функциональной организации систем, типа обмена веществ, вновь приобретенные свойства и функции - все, что входит в понятие природы и химического поведения элементарных открытых каталитических систем, переходит в готовом виде к живым системам, составляя их фундаментальные свойства. У живых систем появляется при этом всего лишь одно специфическое свойство точной пространственной редупликации систем в целом, дальнейшее развитие и усложнение которого представляет внутреннее физико-химическое содержание последующей биологической эволюции.

Концепция А.П. Руденко - новое направление в науке, где на основе естественно-исторического подхода разработана теория эволюционного катализа, явившегося основой эволюционной химии. В качестве объекта эволюции рассматривается не молекула, а элементарные открытые каталитические системы, образующие единый кинетический континуум. Химическая эволюция с таких позиций предстает как самоусложняющийся химический процесс, протекающий в элементарных открытых каталитических системах. Высший этап химической эволюции сложных каталитических систем заканчивается, если система достигает способности к самовоспроизведению.

На уровне живого огромное количество химических процессов проходит таким образом, что они являются не только выражением химизма, но и образуют качественно новую целостность, обусловленную генетически, функционально, морфологически взаимодействием между клетками, тканями и органами. Биохимические превращения в процессе метаболизма - это химические реакции, которые в первую очередь происходят по законам химической науки. Вместе с тем такие реакции протекают не изолированно, как бы это было на уровне химической формы движения, а включены в общую систему метаболизма. Они (химические реакции) должны подчиняться новому типу целостности - живому, с учетом его взаимодействия со средой. На основе физико-химических превращений осуществляются биологические функции живого, и в процессе взаимодействия со средой начинают зарождаться и развиваться те новые закономерности, которые в дальнейшем будут направлять развитие не только живого организма, но и всего органического мира.

На уровне биотической формы движения материи появляются качественно новые свойства, их не может быть на уровне физической или химической форм. К ним относятся: особенности биологического обмена веществ, специфика химического состава живой материи, саморегулирование при протекании биохимических превращений, специфическая организация системного протекания жизненных процессов, специальные механизмы хранения и переработки информации, целесообразность жизненных систем. На уровне биологической формы движения материи происходит как бы «биологизация» высокоорганизованных химических систем, т.е. предбиологических. Новая информация, поступающая в мозг, закрепляется благодаря синтезу химических соединений. Наследственная информация, которая передается от родителей к детям, записана химическим языком. Именно последовательностью нуклеотидов в генах (в блоках молекулы ДНК) и аминокислот определяется строение и работа клеток, тканей, органов. Биологическая эволюция является порождением общей эволюции Вселенной и основана на химической эволюции. Химия, как и все науки о природе, изучает не только законы естественной природы, но и тех явлений, которые возникли в результате деятельности человека. Исследователь-естественник XX в. далеко ушел от идиллического представления старомодного натуралиста, который надеялся проникнуть в тайны природы, подстерегая бабочек на лугу. Кардинально изменилась и познавательная ситуация, характеризующаяся взаимодействием субъекта, объекта, условий и средств познания, в ней значительно возрастает активность субъекта. Сбывается предвидение К. Маркса, что «естествознание включит в себя науку о человеке в той же мере, в какой наука о человеке включит в себя естествознание: это будет одна наука».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что мы называем Вселенной?

2. Каковы размеры Вселенной?

3. Какие единицы для измерения расстояний во Вселенной мы используем?

4. Что означает выражение «световой год»?

5. Какие теории возникновения Вселенной Вам известны?

6. Как рассматривается проблема образования Вселенной в Библии?

7. Поясните суть теории Большого взрыва.

8. Какие основные этапы развития Вселенной произошли после Большого взрыва?

9. Какие экспериментальные факты можно привести в доказательство теории Большого взрыва?

10. Как Вы понимаете эффект Допплера?

11 . Могут ли образовываться звезды во Вселенной в наше время?

1 2. Какие известные галактики входят в нашу Вселенную?

1 3. Сколько звезд может видеть человек невооруженным взглядом?

1 4. Какие приборы применяют астрономы для исследования космоса?

1 5. Какие ученые-астрономы Вам известны?

1 6. Как Вы считаете, есть ли космический разум?

1 7. Есть ли жизнь на других планетах в Космосе, кроме Земли?

1 8. Какие теории образования планет Солнечной системы Вы знаете?

1 9. Какие планеты входят в состав Солнечной системы? Назовите их.

20. Какие космические тела, кроме планет, входят в состав Солнечной системы?

21 . Какие ученые разработали геоцентрическую систему?

22. Какой ученый доказал, что Солнце является центром Солнечной системы?

23. Какие реакции служат источником энергии Солнца?

24. Какие химические элементы обнаружены на Солнце?

25. Какой элемент был впервые обнаружен на Солнце?

26. Какой вклад внесли советские и российские ученые в исследование Солнечной системы?

27. Чем отличаются планеты земной группы от планет-гигантов?

28. Почему Земля оказалась наиболее пригодной для возникновения и развития жизни?

29. Какова форма Земли?

30. Какие оболочки Земли известны?

31 . Какие элементы составляют основу земной коры?

32. Какие элементы называют редкими, а какие - рассеянными?

33. Почему в основе всех живых организмов лежит углерод?

34. Каковы особенности химии углерода?

35. Какие элементы относят к органогенам?

36. Каковы основные этапы химической эволюции?

37. Каковы концептуальные уровни развития химической формы движения материи?

38. В чем проявляется естественный отбор в химической эволюции?

39. Как происходит усложнение вещества в ходе химической эволюции?

40. Почему возможна химическая эволюция?

42. Каково влияние солнечной активности на человека?

Глава 4

Эволюция - история жизни