Эволюционная химия. 
Концепции современного естествознания

Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает материя органическая как основа жизни на Земле. Какая лаборатория лежит в основе этого процесса? Лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества.

Й. Я. Берцелиус (1779—1848) первым установил, что основой живого является биокатализ, предполагающий присутствие в реакционной среде различных природных веществ, способных управлять химической реакцией, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков. Идеалом совершенства считали «живую лабораторию» немецкий ученый Ю. Либюс (1803—1873) и французский химик Пьер Эжен Марселей Бертло (1827—1907).

Современные химики полагают, что познав химию организмов, человек научится управлять биохимическими процессами, что позволит ему более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и с большей пользой. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука пытается применять отдельные ферменты для моделирования биокатализаторов, осваивать механизмы живой природы, развивать исследования с целью применения принципов биокатализа в производственных химических процессах и технологиях.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации»^[1].

В процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для появления жизни и ее функционирования. Из 117 химических элементов, открытых к настоящему времени, многие принимают участие в жизнедеятельности живых организмов. Наука же считает, что только шесть элементов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — составляют основу живых систем, в связи с чем они получили название элементоворганогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Еще около 20 элементов участвуют в жизнедеятельности живых систем в зависимости от среды обитания и состава питания.

Не менее важно и то обстоятельство, что все элементы, участвующие в построении живых систем и их функционировании, относительно равномерно распределены по всей поверхности Земли. Таким образом, жизнь могла возникнуть на Земле в любом месте, где для этого появлялись благоприятные условия. В Космосе же преимущественно господствуют два элемента — водород и гелий, а остальные элементы существуют в виде примесей и составляют ничтожно малую массу.

Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен образовывать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 миллионов различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени, 96% из них составляют органические соединения.

Из такого огромного количества органических соединений в строительстве биомира задействованы природой всего несколько сотен. «Из 100 известных аминокислот в состав белков входят 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»¹. Химики стремятся открыть секреты природы. Как она из такого ограниченного количества химических элементов и химических соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс — биосистему? Ответ на этот вопрос можно получить, научившись из имеющихся в избытке химических веществ синтезировать необходимые, дефицитные продукты, например из загрязняющего атмосферу С0₂, получать сахар и т. д.

Поиски природных катализаторов позволяют химикам сделать ряд выводов (к ним различными путями пришли также геология, геохимия, космохимия, термодинамика, химическая кинетика).

• 1. На ранних стадиях химической эволюции катализ отсутствовал. Условия высоких температур (выше 5000 К), наличие электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния.
• 2. Первые проявления катализа начинаются при смягчении условий (ниже 5000 К) и образовании первичных тел.
• 3. Роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия (главным образом, температура) приближались к современным значениям. Но общее значение катализа, вплоть до образования более или менее сложных органических молекул, все еще не могло быть высоким.
• 4. Появление таких, даже относительно несложных систем, как СН, ОН, СН₂ = СН₂, НС = СН, Н₂СО, НСООН, ПС = N, а тем более оксикислот, аминокислот и первичных сахаров, было своеобразной некаталитической подготовкой для большого катализа.
• 5. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т. е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром¹.

Функциональный подход к объяснению иредбиологической эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлосоединений.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А. П. Руденко. Используя рациональность субстратного и функционального подходов, она отвечает на вопросы о «движущих силах и механизме эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции».

Пока только эта теория в состоянии определить новую концептуальную систему, которая выходит за пределы учения о составе вещества, структурной химии и учения о химических процессах. «Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы»¹. В основе этой теории лежит утверждение о том, что процесс саморазвития химических катализаторов двигался в сторону их совершенствования, шел постоянный отбор катализаторов с большей реакционной активностью.

Открытый А. П. Руденко основной закон химической эволюции гласит, что эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет энергии базисной реакции. Поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией. Такие системы разрушают химическое равновесие и в результате являются инструментом отбора наиболее устойчивых эволюционных изменений в катализаторе.

Теория развития каталитических систем дает возможность:

• • выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации;
• • использовать принципиально новый метод изучения катализа;
• • давать конкретную характеристику пределов химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, — нестационарная кинетика. На ее основе разрабатывается теория управления нестационарными процессами. Уже наработанные в этой области эмпирические материалы приводят исследователей к выводу, что стационарность режима катализаторов является лишь частным случаем нестационарное™. Появляются сведения о том, что нестационарные режимы создаются искусственно и способствуют интенсификации реакций в каталитических системах.

Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности. Предполагается значительное ускорение химических превращений за счет освоения катализаторов будущего на принципиально новой основе, бережное и полное использование всех видов углеводородного сырья, а не только нефти, создание полностью безотходных производств.

Химическая наука имеет предпосылки для промышленного получения водорода из воды как самого высокоэффективного и экологически чистого топлива, организации промышленного производства органических продуктов из углекислого газа, а также для промышленного производства различных материалов, где в качестве исходного сырья вместо углеводородов будут использоваться фторуглероды. Химическая наука ставит своей целью создание экономичных и экологически чистых производств и уже имеет для этого определенный потенциал.

Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. А Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться. Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет. Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования, а это во многом зависит от самого человека. Видимо, одним из проявлений природы и является появление человека как самосознающей себя материи. На определенном этапе он может оказывать ощутимое воздействие на среду собственного обитания, причем как позитивное, так и негативное. О генезисе жизни, ее структурных уровнях речь пойдет в следующей главе.

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. От каких факторов зависят свойства веществ? Назовите их.
• 2. Что следует понимать под концептуальными системами химии?
• 3. Для чего химики изучают лабораторию «живой природы»?
• 4. Какими видятся конструкционные и строительные материалы будущего?
• 5. Кто явился основоположником системного подхода в развитии химических знаний? Какую систему он построил?
• 6. Какие элементы называют органогенами и почему?
• 7. Каковы потенциальные возможности химии? Обоснуйте их.
• 8. Что такое катализаторы?
• 9. Какие химические соединения — составные части живого — появились в результате химической эволюции?

• [1] Кузнецов В. Я., Идлис Г. М, Гутина В. Н. Естествознание. М.: Агар, 1996. С. 240.