Проблема эволюции в современной химической картине мира

Основанием современной концепции химических систем является учение об эволюционном катализе, или эволюционная химия. Специфичность эволюционного учения связана с объектом исследования, которым являются необратимые самоорганизующиеся химические процессы и иолимолекулярные открытые химические системы как целостная совокупность («кинетический континуум») реагирующих веществ и катализаторов.

Один из современных классиков в области исследования методологии и истории химии Ю. А. Жданов отмечает, что идея эволюции, развитая в химии, возникла, выкристаллизовалась не сразу, первоначально она расплывалась, растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ^[1]. Однако вопреки утвердившемуся и широко распространенному мнению современная химия не исчерпывается изучением состава, строения и свойств химических соединений. Скорее, ее можно назвать наукой об атомно-молекулярной истории природных и искусственных тел. Эта история включает в себя космический круговорот веществ на Земле и в ее геосферах, на иных планетах, в межзвездной среде, где условия допускают существование молекулярных структур.

Важнейшим условием формирования эволюционных представлений в химии явилась уходящая корнями в немецкую натурфилософию идея единства всех сил природы. Именно эта идея поставила на научную основу понимание химизма, химической формы движения материи. Жданов отмечает, что специфика химической формы движения материи не может быть сведена к механическому перемещению вещества, она таится во внутренних изменениях материи, проявляющих себя в форме перехода количественных изменений в качественные и обратно.

В рамках эволюционной химии получает свое дальнейшее развитие концепция временного становления. В теории переходного время функционирует как временной порядок конкретного химического процесса и рассматривается как частный момент становления. Самоорганизующийся процесс не просто упорядочен во времени, он является целостной системой взаимосвязанных временных порядков, «переходных состояний», которые не прерываются в связи с процессом обмена системы с окружающей средой. Сложившееся веками представление о прошлом, настоящем и будущем меняется. Будущее не всецело обусловленно прошлым, оно рассматривается сквозь иную категориальную сетку. Присутствуют детерминация настоящего как прошлым, так и будущим, неопределенность, вероятностность настоящего и будущего, разнообразие временных циклов и т. д. Эта категории концепции нелинейного времени.

Становление эволюционной теоретической системы в химии, которое является основанием для перехода химического знания на принципиально новый, более высокий уровень развития, связно с открытием, которое в 60-е гг. XX в. сделал представитель отечественной химии А. П. Руденко^[2]. Руденко обнаружил элементарные открытые каталитические системы, закономерности развития, а точнее, саморазвития которых связаны с необратимым изменением катализаторов^[3]. Как отмечается Руденко, теория эволюционного катализа впервые показала существование особых объектов с неравновесной структурной и функциональной организацией, способных к прогрессивной химической эволюции, установила законы, причины и движущие силы эволюции и механизм естественного отбора^[4].

Руденко, как и многие химики, настаивает на том, что проблема происхождения жизни — это чисто химическая проблема и только при естественно-историческом подходе она может быть решена в ее ключевых моментах. При этом отмечается, что при решении этой сложнейшей проблемы полезны взгляды и теории биологии, а также все другие аспекты частичного рассмотрения проблемы с каких-либо отдельных сторон. Интерес представляют молекулярно-структурные, функциональные (кинетические), термодинамические, кибернетические (информационные), биофизические, биохимические, геохимические, астрофизические и другие специальные аспекты рассмотрения проблемы в зависимости от точек зрения, интересов и ограничений, вносимых отдельными учеными.

Отличием естественно-исторического подхода к проблеме происхождения жизни является то, что он охватывает проблему в целом, рассматривает ее наиболее всесторонне, отдавая предпочтение первоочередного решения вопросам о сущности, причинах, движущих силах и закономерностях химической эволюции. Особенностью естественно-исторического подхода становится то, что функциональный аспект неизбежно рассматривается совместно с молекулярно-структурным, термодинамическим и информационным. Причем принципы саморазвития, самоорганизации и самоусложнения элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС), устанавливаемые как химические закономерности, дают более общее решение проблемы самоорганизации систем.

ЭОКС, как и некоторые другие химические процессы (колебательные, периодические, процессы, приводящие к образованию диссипативных структур и т. д.) обладают характеристиками необратимости и саморазвития. Если принять во внимание тот факт, что модели термодинамики необратимых процессов являются предметом многих исследований, посвященных философии науки, то обращение к теории Руденко как теории самоорганизации химических объектов является неоспоримо важным для понимания специфики философии химии.

В 1958—1960 гг. американскими химиками А. Гуотми и Р. Каннингем были открыты и исследованы совершенно необычные для каталитической химии явления самосовершенствования катализаторов в реакциях, которые обычно приводили к их дезактивации. Это открытие и проникнувшие в химию эволюционные идеи, сформулированные в работах Дж. Бернала, М. Кальвина, В. И. Вернадского, А. И. Опарина, Дж. Холдейна и др., нашли свое продолжение в современных представлениях, согласно которым химический автокаталитический цикл — это самоорганизующаяся кибернетическая система с присутствующей в ней информационной обратной связью и структурно-локализованным механизмом информационного управления, представленным двумя блоками: 1) процессор как динамическая зона катализатора, в котором каталитические звенья программируют однозначную последовательность реакций в химическом круговороте и 2) конституционная зона катализатора, сохраняющая исходную программу.

Концепции, которые являются основанием теории возникновения и развития концептуальных систем: 1) теория саморазвития открытых каталитических систем А. II. Руденко, 2) термодинамика необратимых процессов И. Пригожина. Пригожин стремится доказать, что существует принципиальная возможность самоорганизации как условия химической эволюции. Подход Руденко отличается тем, что исследует самоорганизацию микросистем, преследуя цель реконструкции всего хода химической эволюции через естественный отбор вплоть до выяснения механизма биогенеза^[5]. Несмотря на то, что Пригожин и Руденко применяют разные теоретические подходы и модели, общими этих теорий являются следующие положения:

• 1) объектом исследования являются самоорганизующиеся химические системы, эволюционирующие в направлении возникновения жизни;
• 2) привлекают статистические, термодинамические, кинетические, информационные принципы;
• 3) в качестве модельных систем выступают системы, далекие от равновесного состояния и т. п.

Развитие астрофизики позволяет в общих чертах наметить пути формирования химических элементов во Вселенной. Как отмечает Руденко, неясно, почему вообще происходит химическая эволюция и чем она отличается от неорганизованных химических процессов, почему для построения живого в эволюции было отобрано ограниченное число веществ из всех возможных, почему химическая эволюция приводит к системам, удаляющимся от равновесия, характерным свойством которых является устойчивое неравновесие, а все остальные самопроизвольные процессы природы приводят к равновесию и т. д.

Причины этих трудностей А. II. Руденко связывает с неспособностью актуалистического подхода вскрыть законы химической эволюции, определяющие ее условия, возможности, причины и направленность^[6]. Этот подход устанавливает процесс эволюции лишь по ее следам в современной жизни. Факторы, условия и законы эволюции не сохраняют специфических следов ни в вещественном составе, ни в морфологических особенностях организмов. Поэтому выводы о путях эволюции и причинах появления тех или иных структур, точно устанавливаемых в живых организмах, не говоря уже о причинах и законах самой эволюции, могут быть только вероятностными. Руденко считает, что никакие дальнейшие успехи биохимии и молекулярной биологии в расшифровке биохимических функций, состава и молекулярной структуры компонентов живого не могут изменить создавшегося положения при решении проблем химической эволюции и биогенеза актуалистическим методом .

В ряде работ Руденко проводит подробный анализ разных теорий происхождения жизни, основанных на идее молекулярной эволюции и биохимическом подходе к ней^[7]. Он показывает, что «экспансия» биолого-биохимических идей и методов в область химической эволюции, кроме привлечения внимания к проблеме и установления природы и происхождения ряда биологически важных веществ, практически ничего не дала. Это связано с тем, что она не помогла ответить ни на один из химических вопросов, касающихся специфики самого явления, объектов, причин и закономерностей химической эволюции; не дала объяснений, как и почему происходит химическая эволюция и биогенез. Руденко заключает, что на вопросы, стоящие перед химией, должна и может сполна ответить только сама химия.

Объектами химической эволюции являются ЭОКС. Они были выявлены Руденко в результате теоретического анализа разных проявлений катализа и нарушений их классических форм, а также распространения примененного при этом системного и динамического подхода на все проявления химизма. Объекты химии по форме структурной организации делятся на две группы. Объекты с равновесной организацией, структура которых определяется устойчивым порядком взаимодействия согласно принципу Больцмана (молекулы и другие полиатомные образования), и объекты с неравновесной структурой и функциональной организацией, порядок взаимодействия частей в которых и устойчивость структуры определяются ходом химического процесса и интенсивностью обмена веществ и энергии (переходные состояния химических реакций, взятые в динамике).

Динамические образования и являются химическими системами, поскольку им свойственна динамическая структура, существующая временно. Только ЭОКС способны существовать во времени и пространстве в виде генеалогически связанных катализатором точно воспроизводимых копий неравновесной структурной и функциональной организации и проявляют свойство устойчивого неравновесия и гомеостазиса в цепочке повторных каталитических актов. В отличие от других систем (элементарных каталитических, элементарных открытых некаталитических и каталитических систем), ЭОКС способны не только динамически существовать, но и развиваться при взаимодействии с факторами внешней среды за счет изменений природы катализатора и устойчивого порядка его функционирования.

Основой существования любой ЭОКС является базисная реакция и катализатор, способом существования — обмен веществ и энергии базисной реакции, а формой неравновесной структурной и функциональной организации — устойчивый порядок функционирования катализатора (механизм базисной реакции), зависящий только от природы базисной реакции и катализатора. Таким образом, сама химическая эволюция представляет собой последовательное изменение и усложнение механизма (аппарата осуществления) базисной реакции при неизменной природе последней.

При этом, в отличие от проявлений обычного химизма, связанного с образованием и распадом связей между атомами, ЭОКС свойственны реакции, оказывающие воздействия на факторы внешней среды системы в целом, приводящие к изменениям ее неравновесной структурной и функциональной организации, а не только к образованию и распаду связей между атомами. Устойчивость системы проявляется в стремлении сохранить прежний порядок функционирования и само существование системы, что является проявлением гомеостазиса. Реакция системы на внешние воздействия приводит к ее приспособлению к этим воздействиям, сопровождаемому адекватным изменением ее кинетической и конституционной сферы, что следует считать проявлением ее химического поведения.

Описание химического поведения ЭОКС в окружающей среде является образом отражения системой внешнего мира в современных теориях информации, только на химическом уровне. В связи с этим именно химическое поведение ЭОКС может быть представлено как отражение на химическом уровне, а не особые свойства некоторых полифункциональных молекул. Руденко делает важное замечание, которое касается того, что изменения ЭОКС в химической эволюции, связанные с изменениями природы их конституционной сферой и порядком функционирования, могут быть представлены как последовательные изменения их химического поведения, а усложнения химического поведения ЭОКС в ходе прогрессивной химической эволюции постепенно приближают проявления высшего химизма к проявлениям жизни. Поэтому, вслед за Руденко, следует признать, что между проявлениями элементарного химизма, изучаемого классический химией, и проявлениями жизни существует область проявлений высшего химизма, который должен изучаться в пределах эволюционной химии.

Руденко отмечает, что выявление закономерностей и причин химической эволюции стало возможным только в результате разработки количественной теории, описывающей эволюцию ЭОКС, и использования количественных параметров кинетического, термодинамического, вероятностного и информационного характера.

Причина прогрессивной химической эволюции определяется как тенденция к росту рассеивания свободной энергии базисного обменного процесса, то есть движущей силой является сама базисная реакция. Все, что входит в понятие природы и химического поведения ЭОКС, переходит в готовом виде к живым системам, составляя их фундаментальные свойства. При этом у живых систем появляется всего лишь одно специфическое свойство точного пространственного воспроизводства систем в целом. Дальнейшее развитие и усложнение этого свойства представляет внутреннее физико-химическое содержание последующей биологической эволюции. На этом основании эволюционная химия предстает как связующее звено между классической химией и биологией.

Если следовать исследованиям, посвященным проблеме классификации концептуальных схем в химии, то учение о химической эволюции является последней концептуальной схемой, поскольку дальнейшее усложнение и развитие изучаемых объектов приводит к понятию «живая система», которое раскрывается как объект биологии. Эволюционная химия вырабатывает физикохимические критерии верхней границы химии и критерии перехода от неживых ЭОКС к живым системам. Предельной задачей эволюционной химии является воспроизведение искусственных живых систем в результате осуществления исчерпывающей химической эволюции в лабораторных условиях. Изучение поведения и развития искусственных живых систем требует биологической методологии. Теоретическое и практическое решение задачи предполагает, что возрастает роль не только эволюционной химии в научно-теоретическом обосновании явления жизни, ее сущности и происхождения, но происходит и фундаментализация основных биологических закономерностей, что является важным для развития теоретической биологии.

• [1] См.: Жданов Ю. Л. Углерод и жизнь. Ростов н/Д: Изд-во Ростов, ун-та, 1968; Его же. Очерки методологии органической химии. М.: Высшая школа, 1960.
• [2] См.: Руденко А. II. Саморазвивающиеся каталитические системы // ДЛНСССР. 1964. Т. 159. С. 1374 — 1377; Егоже. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: Изд-во МГУ, 1969.
• [3] См.: Руденко А. II. Теория саморазвития открытых каталитических систем.
• [4] См.: Руденко А. II. Закономерности химической эволюции // Журнал физической химии. 1983. Т. 57, К? 11.
• [5] См.: Кузнецов В. И. Общая химия: Тенденции развития. С. 216.
• [6] См.: Руденко А. П. Эволюционная химия и естественно-исторический подход к проблеме происхождения жизни // Журнал BXO им. Д. И. Менделеева.1980. Т. 25, № 4. С. 390−404.
• [7] См.: Руденко А. П. Химическая добиологическая эволюция каталитических систем и критерий живого// Критерии живого. М.: Изд-во МГУ, 1971. С. 3756; Его же. Эволюционный катализ и проблема происхождения жизни // Взаимодействие методов естественных наук в познании жизни. М.: Наука, 1976. С. 186 235; Его же. Эволюционная химия и естественно-исторический подход к проблемепроисхождения жизни. С. 390 — 404.