Библиотека

Теология

Конфессии

Иностранные языки

Другие проекты

Карпенков С. Основные концепции естествознания

Глава 7. Развитие химических концепций

7.1. Эволюция химических знаний

Химией называют науку о химических элементах и их соединениях. Любое вещество состоит из химических элементов и их соединений. Свойства вещества определяются:

• его элементным и молекулярным составом;

• структурой его молекул;

• термодинамическими и кинетическими условиями, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

• уровнем химической организации вещества. История развития химических концепций начинается с древних времен. Демокрит, Эпикур и другие представители древней натурфилософии высказывали гениальные мысли о том, что все тела состоят из атомов различной величины и разной формы, что и обусловливает их качественное различие. Аристотель и Эмпедокл объясняли все видимое разнообразие тел природы с антиатомистических позиций: они считали, что в телах сочетаются различные элементы-стихии или элементы-свойства: тепло и холод, сухость и влажность. Подобное учение об элементах-свойствах было развито в алхимии, которая изобиловала такими, например, рецептами приготовления необходимых веществ: " возьмите немного горючести, прибавьте к нему текучести, отнимите влажность..." и т.п. Однако ни идеи Демокрита об атомах, ни представления Эмпедокла об элементах-стихиях не нашли применения ни в металлургии, ни в стеклоделии, ни в гончарном ремесле.

Первый по-настоящему действенный способ определения свойств вещества был предложен во второй половине XVII в. английским ученым Р. Бойлем (1627- 1691).

Результаты экспериментальных исследований Р. Бойля показали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких материальных элементов они состоят. Возникшее таким образом учение о составе вещества существует и сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне.

Учение о составе занимало монопольное положение вплоть до 30-40-х годов прошлого века. К тому времени мануфактурная стадия производства с ручной техникой и ограниченным ассортиментом сырья сменялась фабричной стадией с машинной техникой и широкой сырьевой базой. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественные разнообразия которых потрясающе велики - сотни тысяч химических соединений, а состав крайне однообразен - лишь несколько элементов-органогенов: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснения необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь многообразном их элементном составе стали искать не только в их составе, но и в структуре молекул.

В 1860 г. выдающимся русским химиком А.М. Бутлеровым (1828- 1886) была создана теория химического строения вещества -возник более высокий уровень развития химических знаний - структурная химия.

Период становления структурной химии иногда называют, "триумфальным маршем органического синтеза". В этот период зарождалась технология органических веществ. Были получены всевозможные красители для тканей, препараты для фармации, искусственный шелк и т.п.

Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения таких материалов знаний о составе и структуре вещества было недостаточно.

Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывалось изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. Такое учение способствовало организации многотоннажного производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений - на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.

В 1960- 1970 гг. появился следующий, более высокий, уровень химических знаний - эволюционная химия. В основе ее лежит принцип самоорганизации химических систем, т. е. принцип применения химического опыта высокоорганизованной живой природы.

7.2. Развитие учения о составе вещества

Учение о составе вещества охватывает три основные проблемы:

• анализ состава химического элемента;

• определение состава химического соединения;

• применение все большего числа химических элементов для производства новых материалов.

В истории развития учения о составе вещества решение первой из названных проблем начиналось с ошибочного представления о химическом элементе. Первая научная теория химии, - теория флогистона, касающаяся состава вещества, оказалась ошибочной. Примерно до середины XVII в. не был известен ни один химический элемент. Лишь в 1660-х годах Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о "простом теле" или как о пределе химического разложения вещества, переходящем из состава одного в состав другого сложного тела. В те времена для получения химического элемента как "простого тела" использовался универсальный метод разложения сложных тел - метод прокаливания. После прокаливания образовывалась окалина, которая принималась за элемент. В результате металлы - железо, медь, свинец, сурьму и т.д. - считали сложными телами, состоящими из соответствующих элементов и универсального "невесомого тела" - флогистона (греч. - "горючий").

Ошибочная теория флогистона, как и гелиоцентрическая теория, послужила толчком к многочисленным исследованиям. Появились точные методы количественного анализа вещества, способствовавшие открытию истинных химических элементов. Были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец, кислород.

Открыв кислород и установив его роль в образовании кислот, окислов и воды, выдающийся французский химик А.Л. Лавуазье (1743-1794) опроверг теорию флогистона.

Лавуазье сделал первую попытку систематизации химических элементов. В свою систему элементов он включил кислород, водород, азот, серу, фосфор, семь известных в то время металлов, известь, магнезию, глинозем и кремнезем. Однако он ошибочно считал, что известь, глинозем и другие неделимы. Ошибку исправил в дальнейшем Д.И. Менделеев, доказав, что место химического элемента в периодической системе определяется атомной массой и открыв тем самым периодический закон химических элементов (1869 г.).

Более поздние исследования показали, что место элемента в периодической системе определяется не просто порядковым номером, а зарядом атомного ядра. Это означает, что не атомная масса, а именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента. Например, изотопы хлора 3717С1 и 3517С1 отличаются друг от друга атомной массой, но тем не менее они оба относятся к одному химическому элементу - хлору. В этой связи можно утверждать, что химический элемент - это совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.

К настоящему времени сложилось определенное представление о структуре атома и ядра и о квантово-механических свойствах составляющих их частиц. Раскрыт физический смысл периодического закона и дано квантово-механическое обоснование строения атомов химических элементов периодической системы Менделеева.

Во времена Менделеева было известно всего 62 элемента. В 1930-е годы система элементов заканчивалась ураном (Z = 92). В 1940-1945 гг. путем физического синтеза атомных ядер были открыты элементы: нептуний, плутоний, америций, кюрий, в 1949- 1952 гг. - берклий, калифорний и фермий, в 1955 г. - менделевий - всего примерно за 15 лет было открыто 9 элементов. Затем за все последующие 40 лет было синтезировано только 6 элементов: № 102 - нобелий, № 103 - лауренсий, №104 - кур-чатовий, № 105 - жолиотий, № 106 - резерфордий, № 107 - борий, № 108 - ганий и № 109 - мейтнерий. Все эти элементы крайне неустойчивы. Предполагается, что следующие элементы, которые предстоит обнаружить, будут также неустойчивыми, хотя и возможны "островки стабильности" даже для сравнительно больших порядковых номеров больше 126. Следует ожидать, что с развитием техники эксперимента будут открыты новые химические элементы.

До недавнего времени химики считали ясным, что следует относить к химическим соединениям, а что - к смесям. Еще в 1800-1808 гг. французский ученый Ж. Пруст (1754 - 1826) установил закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. На основе идеи об атомическом строении вещества этот закон теоретически обосновал в 1800 - 1810 гг. английский ученый Дж. Дальтон. Он показал, что все индивидуальные вещества в отличие от смесей состоят из однородных мельчайших частиц - "сложных атомов" молекул, которые в свою очередь состоят из простых атомов разных химических элементов.

7.3. Синтез новых материалов

Современную материально-техническую базу производства примерно на 90% составляют всего лишь два вида материалов: металлы и керамика. В мире ежегодно производится около 600 млн. т металла - свыше 150 кг. на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится керамики вместе с кирпичом. Однако изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем изготовление керамики. И это различие в экономике производства двух видов основных материалов до недавнего времени никого особенно не волновало, потому что каждый из них имел свое строго определенное хозяйственное назначение. Металл оставался материальной основой машиностроения, железных дорог, линий электропередач, производства специальных трубопроводов и емкостей. А керамика служила основой строительства зданий, производства посуды и домашней утвари, тепло- и электроизоляторов. Но теперь все больше открывается возможностей замены металла керамикой по двум причинам: производство керамики намного легче в техническом отношении и выгоднее экономически, и, главное, керамика во многих случаях оказывается более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом.

Преимущества керамики состоят в том, что ее плотность в среднем на 40% ниже плотности металла, и это позволяет снизить массу изготавливаемых из нее деталей машин. С применением новых химических элементов - циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и т.д. в последнее время синтезируют огнеупорную, термостойкую, химостойкую, высокотвердую керамику, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

В нашей стране впервые в мире в 1960-х годах получен сверхтвердый материал - гексанит-Р как одна из кристаллических разновидностей нитрида бора. Кто бы мог подумать, что на основе бора и азота может быть получено химическое соединение простейшего состава с температурой плавления свыше 3200°С и твердостью, близкой к твердости алмаза. До тех пор сверхтвердым материалом считалось только одно вещество - алмаз; теперь существуют два сверхтвердых материала - алмаз и синтетический гексанит-Р. Кроме того, этот материал обладает рекордно высокой вязкостью, т. е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы. Решена, таким образом, одна из труднейших научно-технических проблем века: до сих пор всей конструкционной керамике был присущ общий недостаток - хрупкость, теперь же сделан шаг к его преодолению.

Большое преимущество технической керамики нового состава в том, что детали машин из нее производятся прессованием порошков с получением готовых изделий заданных форм и размеров. Это исключает токарную обработку заготовки, сверление, фрезерование, на что приходится до двух третей трудовых затрат в машиностроении и одной трети потерь металла в отходах.

И, наконец, сегодня можно назвать еще одно уникальное свойство керамики - сверхпроводимость при температурах выше температуры кипения азота. Открытие этого свойства керамики произошло благодаря применению для ее производства таких новых для нее химических элементов, как барий, лантан и медь, взятых в едином комплексе. Само по себе это открытие вызвало сенсацию в мире науки и техники. Дело в том, что реализация высокотемпературной сверхпроводимости открывает невиданные просторы для научно-технического прогресса, для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, создания транспорта на магнитной подушке, разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космосе и т.д.

История высокотемпературной сверхпроводимости началась с 1986 г., когда было обнаружено сверхпроводящее состояние керамики при температуре 30- 40К. А год спустя была синтезирована керамика с более высокой температурой сверхпроводимости - около 90К. Сравнительно недавно - в 1992 г. получен материал, обладающий сверхпроводящими свойствами уже при 170К. Это означает, что сверхпроводимость в новом материале возникает уже при охлаждении его не жидким азотом, а жидким ксеноном. Данный материал состоит из слоев окиси меди, стронция и кальция, т. е. имеет сравнительно простую структуру.

Еще в первой половине XX в. химия знала лишь несколько типов элементоорганических соединений: магнийорганические соединения, цинкоорганические соединения и органические производные металлов. Все они использовались в качестве вспомогательных реагентов при лабораторном синтезе различных органических веществ. Начиная с середины века для синтеза элементоорганических соединений стали применять все новые химические элементы, в частности, алюминий, титан, хром, марганец, ванадий, железо, свинец, олово, кремний, фосфор, серу, мышьяк, фтор. В результате появились целые области элементоорганических соединений, среди которых одни стали поставщиками различных химических реагентов для лабораторных исследований, другие же продолжали пути синтеза уникальных материалов. Так, например, химия кремнийорганических соединений позволила создать многотоннажное производство самых разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электроизоляционными и другими ценными свойствами. Эти полимеры незаменимы в ряде отраслей энергетики и авиапромышленности.

Подлинным "революционером" в химической промышленности стала химия фторорганических соединений. Она открыла настоящий антимир органических веществ по отношению к миру углеводородов, лежащих в основе всей классической органической химии.

7.4. Химия экстремальных состояний

При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии, характеризующемся большой величиной энергии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, химию высоких давлении и температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма - это ионизированный газ. Различают слабоионизированную, или низкотемпературную, и высокотемпературную плазму. В плазме-химии рассматриваются процессы при температурах от 1000 до 10000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10-13 с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.

Метановьй плазмотрон с производительностью 75 т ацетилена в сутки имеет сравнительно крохотные размеры: длину 65 см и диаметр 15 см. Такой плазмотрон заменяет целый огромный завод. При температуре 3000- 3500°С за одну десятитысячную долю секунды 80% метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90- 95%, а энергозатраты составляют не более 3 кВт*ч на 1 кг ацетилена. В паровом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.

В последнее время разработаны способы связывания атмосферного азота посредством плазмохимического синтеза оксида азота, которые гораздо экономичнее аммиачного метода. Создается плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков - основного сырья для порошковой металлургии. Разработаны методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден при энергозатратах не более 1-2 кВт*ч на килограмм. Таким образом химия высоких энергий направлена на существенную экономию энергии.

Относительно недавно - в 1970-х годах - созданы плазменные сталеплавильные печи, выдающие высококачественный металл. Именно таким печам принадлежит будущее. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее Неизвестные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связывающего используется сталь, чугун, алюминий. При сплавлении частиц горной породы благодаря прочному сжатию их с металлом образуется металлобетон, превосходящий по прочности обычный бетон на сжатие в 10 раз и на растяжение в 100 раз.

В нашей стране разработаны плазмохимические способы превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы. При такой технологии, кроме синтез-газа, из неорганических включений каменного или бурого угля одновременно получаются и другие вещества: технический кремний, карбосилиций, ферросилиций, адсорбенты для очистки воды и т.п.

Радиационная химия - сравнительно молодая отрасль, ей немного более 40 лет. Первые опыты радиационной химии были связаны с облучением полиэтилена гамма-лучами. Прочность полиэтилена при этом существенно возросла. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразных веществ под действием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.

В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов - водород и сложная смесь низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинил-хлорида и многих других полимеров приводит к повышению их термостойкости и твердости.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе композиций на древесной основе, закрепление лаков и других материалов на поверхности дерева и металла, получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно крупномасштабное производство таких материалов осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре металлических порошков. При этом температура должна составлять 1200-2000°С, а процесс спекания длится несколько часов. Гораздо проще реализуется самораспространяющийся синтез, основанный на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

Чаще всего процесс горения представляется в виде соединения кислорода с горючим веществом: углем, нефтепродуктами, древесиной. В химии принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что с позиции окислительно-восстановительных реакций означает перемещение электронов от атомов восстановителя горючего тела к атомам окислителя-кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез - тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния.

В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких соединений превосходного качества: карбиды металлов, бориды, алюминиды, селениды.

Данный метод не требует громоздких печей и процессов, больших энергетических затрат и отличается высокой технологичностью. На установке, производящей многотоннажную продукцию, достаточно работы всего лишь одного человека. По оценке американских специалистов, технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза - высочайшее достижение русских ученых из Института химической физики Российской академии наук.

7.5. Химические процессы и процессы жизнедеятельности

Эволюционная химия вошла в науку и практику сравнительно недавно - в 50-60-х годах. Если биологи к тому времени широко использовали эволюционную теорию Дарвина, то химики не проявляли активного интереса к происхождению видов, составляющему сущность эволюционной теории.. Не без оснований считалось, что получение любого нового химического вещества всегда было делом рук и достоянием разума человека: молекулы нового химического соединения конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание строится из кирпичей или блоков. Живые же организмы подобным образом собрать нельзя. Но, несмотря на это, назревали эволюционные проблемы и для химических объектов, связанные с самопроизвольным (без участия человека) синтезом новых химических соединений - более сложных и высокоорганизованных продуктов по сравнению с исходными веществами. В этой связи эволюционную химию считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

Истоки эволюционной химии уходят в далекое прошлое. Они связаны с давнишней мечтой химиков - освоить опыт лаборатории живого организма и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Первым ученым, осознавшим важность исключительно высокой упорядоченности, организованности и эффективности процессов в живых организмах, был один из основателей органической химии, шведский ученый Якоб Берцелиус (1779- 1848). Именно он впервые установил, что основой лаборатории живого организма является катализ, а точнее, биокатализ. Идеально совершенные превращения посредством катализа способна производить лаборатория живого организма - так считали немецкий ученый Ю. Либих (1803- 1873), французский естествоиспытатель М. Бертло (1827-1907) и многие другие химики XIX в.

Химический анализ живой природы остается актуальным и по сей день.

Предполагается, что используя принципы химии организмов, можно построить совершенно новую химию, основанную на необычном управлении химическими процессами. Будут созданы аналогичные катализаторы, далеко превосходящие промышленные аналоги последнего времени. Тогда станет возможным преобразование солнечной энергии с большим коэффициентом полезного действия в другие виды энергии: химическую, электрическую, тепловую. Возможно, сочетание биохимической энергетики с синтезом полимерных материалов приведет к созданию такой макромолекулы, которая подобно нашим мышцам будет способна превратить химическую энергию в механическую.

Такие задачи могут показаться фантазией. Можно привести примеры, когда в науке многие проблемы вначале казались тоже фантастическими. В свое время это были проблемы строения атома и его ядра. Прошло около полстолетия экспериментальных и теоретических исследований - и первоначальные идеи вылились в реальную возможность получения атомной энергии.

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме. Такие по содержанию исследования проводят и химики-органики, и биохимики, и даже медики. При этом, решая одни и те же задачи, они ставят разные цели. Химиков-органиков интересуют перспективы создания более сложных веществ путем конструирования их молекул для реализации возможностей синтеза аналогов органических соединении, образующихся в живых организмах. Биологи преследуют цель изучения субстратной и функциональной основ жизнедеятельности организмов. Медики стремятся выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяет все эти исследования идея о ведущей роли ферментов или, в более широком смысле, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, впервые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером (1822- 1895), остается основополагающей и по сей день при изучении химии живой природы в рамках динамической биохимии, основной предмет которой - химические процессы, происходящие в живом организме. В то же время изучением молекулярного состава и структуры ткани живого и неживого организма занимается статическая биохимия.

Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX столетий, когда начали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие превращения веществ. История исследования брожения включает не только определенные этапы познания действительности, но и трудности проникновения в тайны живого: веру в жизненную силу, надежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организмов, упрощенные представления "чистых химиков" - Либиха и Бертло о брожении как действии обычных химических сил, гениальные' предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожениям и ферментом живой деятельности дрожжевых клеток и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации, а вслед за этим участия на различных стадиях брожения различных ферментов.

Исследование брожения составляет основной предмет ферментологии - стержневой отрасли знаний о процессах жизнедеятельности. На протяжении весьма длительной истории исследования процесс биокатализа рассматривался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химической, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой - биологической - Л. Пастер.

В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому катализу. Несмотря на упрощенный подход в рамках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонентов - активных центров и носителей; заключение о важной роли ионов переходных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими агентами.

В начале развития биологическая концепция не располагала столь обширными экспериментальными подтверждениями. Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его прямые наблюдения за деятельностью молочнокислых бактерий, которые позволили выявить брожение и способность микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельности путем брожения. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов. Однако все его доводы, если и были не опровергнуты, то по крайней мере отодвинуты на задний план после открытия внеклеточного брожения, а позиция Пастера была объявлена виталистической.

Однако с течением времени концепция Пастера победила. О перспективности данной концепции свидетельствуют современные эволюционный катализ и молекулярная биология. С одной стороны, установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физических и химических свойств - одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. С другой стороны, доказана исключительная специфичность живого, проявляющаяся не только в высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне, на котором отражаются закономерности других уровней. Специфичность молекулярного уровня живого заключается в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров, структура которых определяется только генетическим кодом и, наконец, в своем необычном факте: многие химические реакции окисления-восстановления в живой клетке могут происходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. А это означает, что в живых системах могут происходить такие химические превращения, которые не обнаруживались в неживом мире.

7.6. Самоорганизация эволюционных систем

Понятие "самоорганизация" означает упорядоченность существования материальных динамических, т. е. качественно изменяющихся систем. В отличие от понятия "организация" оно отражает особенности существования динамических систем, которые сопровождаются их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации.

Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем, которые все чаще обсуждаются в естественнонаучной и философской литературе. Это так называемые субстратный и функциональный подходы. К первому из них относят теорию происхождения жизни с вполне определенными особенностями вещественной основы биологических систем, т. е. со строго определенным составом элементов-органогенов и не менее определенной структурой входящих в живой организм химических соединений. Рациональный результат субстратного подхода к проблеме биогенеза - накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

В настоящее время известно более ста химических элементов. Большинство из них попадает в те или иные живые организмы и так или иначе участвует в их жизнедеятельности. Однако основу живых систем составляют только шесть элементов, давно получивших наименование органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, входящих в состав многих физиологически важных компонентов биосистем. К ним относятся натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%. Можно назвать еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем (например, водорослей, состав которых определяется в известной мере питательной средой). Их доля в организмах составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

Картина химического мира весьма отчетливо свидетельствует об отборе элементов. К настоящему времени известно около 8 млн. химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96%) - органические соединения, основной строительный материал которых - все те же 6-18 элементов. И как ни парадоксально, из всех остальных 95- 99 химических элементов природа (по крайней мере на Земле) создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Столь резкая диспропорция между едва обозримым множеством органических соединений и каким-то минимумом составляющих их органогенов так же, как и исключительно дифференцированный отбор того же минимума элементов для построения живых систем, нельзя всецело объяснить факторами различной распространенности элементов в космосе и на Земле. В космосе наиболее широко распространены лишь два элемента - водород и гелий, все остальные элементы можно рассматривать только как дополнение к ним.

На Земле наиболее распространены железо, кислород, кремний, магний, алюминий, кальций, натрий, калий, никель, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. В атмосфере Земли углерода не более 0,01 весового процента, в океанах - около 0,002, в литосфере - 0,1. Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий, и даже в 6 раз меньше, чем относительно редкий титан. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика - всего около 0,24 весовых процента.

Следовательно, геохимические условия не играют сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают требования соответствия между строительным материалом и объектами с высокоорганизованной структурой.

С химической точки зрения такие требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию, во-первых, достаточно прочных и, следовательно, энергоемких химических связей и, во-вторых, связей лабильных, т. е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод отобран из многих других элементов как органоген № 1. Этот элемент действительно отвечает всем требованиям лабильности. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия.

Атомы углерода в одном и том же соединении способны выполнять роль и акцептора, и донора электронов. Они образуют почти все типы связей, какие знает химия:

• одноэлектронные, например, при хемосорбции углеводородов на графите;

• двухэлектронные (например, в этане);

• трехэлектронные (в бензоле);

• четырехэлектронные;

• шестиэлектронные со всевозможными промежуточными связями.

Среди углерод-углеродных связей можно встретить чисто ковалентные, почти чисто ионные и ионоидные с самыми различными значениями энергии связей.

Следует подчеркнуть, что внутримолекулярное или внутри комплексное взаимодействие атомов таких элементов, как С, N, S, Р, Н, О, Fe, Mg, Ti, создает исключительное богатство химических связей: сопряженные связи, обусловливающие высокую электронную проводимость, относительно слабые связи и одновременно очень слабые водородные связи.

О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Подобно тому как из всех химических элементов только шесть органогенов да 10-15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу биосистем, так же в результате-эволюции шел тщательный отбор и химических соединений.

Из миллионов органических соединений в построении живого организма участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Удивительно, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен трудно обозримый, многообразный мир животных и растений. Полагают, что когда период химической подготовки - период интенсивных и разнообразных превращений -сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Теперь находят массу доказательств того, что аминокислотный состав гемоглобина самых низших позвоночных и человека практически один и тот же; более или менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав ферментативных средств, состав веществ, накапливаемых впрок, и т. д.

Каким образом проводилась та химическая подготовка, в результате которой из минимума химических элементов и минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистема? Химику важно это понять для того, чтобы научиться у природы так легко и просто приспосабливать для своих нужд “менее организованные материалы”, например: синтезировать сахар, получать стереоспецифические соединения и т. п.

В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Примером может служить система пирольных циклов в гемине, обеспечивающая повышение активности атома железа в окислительно-восстановительных реакциях в миллиарды раз.

Первой и наиболее простой из таких структур можно назвать различные фазовые границы. Они служили основой физической и химической адсорбции, которая: а) вносила элементарное упорядочение во взаимное расположение частиц, б) увеличивала их концентрацию, в) служила фактором проявления каталитического эффекта. Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. К ним относят полупроводниковые цепи и структуры, ответственные за трансгидрирование, или перенос водорода. Третий структурный фрагмент, необходимый для эволюционных систем - это группировки, ответственные за энергетическое обеспечение, - фосфорсодержащие и другие фрагменты.

Следующий фрагмент эволюционных систем - развитая полимерная структура типа РНК и ДНК, выполняющая ряд функций, свойственных перечисленным выше структурам.

Заслуживает внимания ряд выводов, полученных самыми различными путями и в самых различных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, биохимии, термодинамике, химической кинетике).

• На ранних стадиях химической эволюции мира катализ вообще отсутствовал. Условия высоких температур (выше 5000°К), электрических разрядов и радиации препятствовали образованию конденсированного состояния.

• Первые проявления катализа начинались при смягчении условий (при температуре ниже 5000° К) и образовании первичных твердых тел.

• Роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия (главным образом температура) приближались к земным. Но роль катализа вплоть до образования более или менее сложных органических молекул оставалась несущественной.

• Появление таких относительно несложных систем, как СН3ОН, СН2 = СН2, Н2СО, НСООН, а тем более аминокислот и первичных Сахаров, было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа.

• Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т. е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать сравнительно быстро. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических способов и обладали широким каталитическим спектром.

Отличительная черта второго - функционального - подхода к проблеме предбиологической эволюции состоит в сосредоточении внимания на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Среди естествоиспытателей такого подхода придерживаются преимущественно физики и математики, рассматривающие эволюционные процессы с позиций кибернетики. Крайняя точка зрения - утверждение о полном безразличии к материалу эволюционных систем: живые системы, вплоть до интеллекта, могут быть смоделированы даже из металлических систем.

Вопросы и темы для размышления

1. Назовите основные четыре фактора, определяющих свойства вещества.

2. В чем сущность способа определения свойств вещества, предложенного Р. Бойлем?

3. Кто и когда предложил теорию химического строения вещества?

4. Какой принцип лежит в основе эволюционной химии?

5. В чем сущность "теории" флогистона?

6. Сформулируйте закон постоянства состава. Кто его открыл?

7. Какие направления включает химия экстремальных состояний?

8. Покажите на конкретном примере преимущества плазмохимической технологии.

9. В чем сущность самораспространяющегося высокотемпературного синтеза?

10. Что представляют собой химические процессы, протекающие в тканях растений и животных?

11. Как взаимосвязаны химические процессы и процессы жизнедеятельности?

12. Какова роль ферментов в лаборатории живого организма?

13. В чем заключается идея Пастера?

14. В чем состоит различие действия катализаторов и ферментов?

15. Какие шесть элементов составляют основу живых систем?

16. Какую приблизительно часть всех химических соединений составляют неорганические?

Тема 1. Основные этапы формирования химических знаний.

Тема 2. Достижения химии экстремальных состояний.

Тема 3. Проблемы создания лаборатории живого организма.

Тема 4. Химические элементы и самоорганизация сложных систем.

Библиотека Гумер - Наука