8.5. Четвертый уровень химического знания. Эволюционная химия

В 60—70-е гг. XX в. появился четвертый способ решения основ­ной проблемы химии, открывающий пути для использования в про­изводстве материалов самых высокоорганизованных химических систем, какие только возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения це­левых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершен­ствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганиза­ции химических систем. В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны само­развитие и определенные черты поведения. Так появилась эволю­ционная химия как высший уровень развития химического знания.

Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химиче­ских соединений, являющихся более сложными и высокоорганизо­ванными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения про­исхождения многочисленных видов растений и животных, вопрос о происхождении вещества для химиков не представлял интереса, поскольку получение любого нового химического индивида всегда было делом рук и разума человека. Молекулы новых химических соединений конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же орга­низмы из блоков собрать было нельзя. Но изучение и освоение опыта живой природы было давней мечтой ученых.

Первые шаги на этом пути были сделаны еще И. Берцелиусом, который установил, что в основе функционирования живого орга­низма лежит биокатализ. Затем исследования в этом направлении велись Ю. Либихом, П. Бертло и, наконец, Н.Н. Семеновым. Работы этих ученых способствовали укреплению связи химии с биологией.

Постепенное развитие науки в XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. На повестке дня стояло изучение характера химических процессов в живых тканях, обусловленность биологических функций химиче­скими реакциями.

Как было установлено учеными в XIX в., основой исключи­тельной эффективности биологических процессов является биока­тализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. Они стре­мятся к новым принципам управления химическими процессами, в которых будет применяться синтез себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнооб­разием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности до сих пор.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождествен­ны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для уско­рения химических процессов в неорганическом мире сталкиваются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только о мо­делировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем. Также возможно частичное практическое применение выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций. Для это­го нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже орга­низма. На этой основе и возникла эволюционная химия как новая наука, пролагающая пути принципиально новой химической техно­логии, способной стать аналогом живых систем.

Таким образом, возникновению эволюционной химии способ­ствовали исследования в области моделирования биокатализаторов-ферментов. Для освоения опыта живой природы и реализации по лученных знаний в промышленности химики наметили ряд пер­спективных путей.

Во-первых, химики ведут исследования в области металлоком-пдексного катализа, который обогащается приемами, используемы­ми живыми организмами в реакциях с участием ферментов.

Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлека­ются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри жи­вой клетки, вне клетки быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем. При этом ферменты, выделенные из живого организма, закрепляются на твердой поверхности путем адсорбции. Пионером в этой области вы­ступил русских химик И.В. Березин. Благодаря его исследованиям биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.

В-четвертых, глобальной целью современной химии является решение самой широкой задачи — освоение и использование всего опыта живой природы. Это позволит химикам создать полные ана­логи живых систем, в которых будут синтезироваться самые разно­образные вещества. Таким образом, человечество получит в свое распоряжение принципиально новые химические технологии.

Зарождение эволюционной химии произошло в 1960-е тт., когда были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивирова­лись, ухудшались и выбрасывались. Так химики обратили внимание на процессы самоорганизации в химических системах, подняв тем самым химию на качественно новый уровень. При этом впервые было обращено внимание на существование в природе химических систем разной степени сложности, а также на процесс перехода от химических систем к биологическим.

Изучение процессов самоорганизации в химии привело к фор­мированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.

Субстратный подход к проблеме биогенеза

В рамках субстратного подхода было отмечено, что при переходе к простейшим формам жизни шел особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являют­ся основным строительным материалом для образования биологиче­ских систем. Эти элементы в химии получили название органогенов.

Результатами такого подхода стала информация об отборе хи­мических элементов и структур, который оказался подобным био­логической эволюции. В настоящее время наукой открыто ПО химических элементов. Большинство из них попадает в живые организмы и участвует в их жизнедеятельности. Однако основу жизне­деятельности обеспечивают только шесть химических элементов-органогенов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их суммарная весовая доля в структуре живого организма составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биоло­гических систем (натрий, калий, кальций, магний, алюминий, же­лезо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель). Их весовая доля в организме составляет 1,6%. Кроме того, существует еще 20 эле­ментов, участвующих в построении и функционировании отдель­ных узкоспецифических биосистем, весовая доля которых составля­ет около 1%. Все остальные элементы в построении биосистем практически не участвуют.

Общая химическая картина мира также весьма убедительно сви­детельствует об отборе химических соединений. В настоящее время химической науке известно около 8 млн. химических соединений. Из них подавляющее большинство (96%) составляют органические соединения, которые образованы на основе все тех же 6—18 эле­ментов. А из остальных 90 химических элементов природа создала всего лишь около 300 тысяч неорганических соединений. Из мил­лионов органических соединений в построении живого 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.

Химикам важно понять, каким образом из минимума химиче­ских элементов и химических соединений образовались сложней­шие биосистемы. Без этого ученые не смогут приспособить к своим нуждам простые химические системы и получить из них более сложные соединения.

Можно предположить, что определяющими факторами в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем, выступают условия соответствия этих элемен­тов определенным требованиям:

• способность образовывать прочные и, следовательно, энерго­емкие связи;

• эти связи должны быть лабильными (изменчивыми), способ­ными к образованию новых разнообразных связей.

Данным условиям отвечает углерод — органоген номер один. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реали-зовывать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия. Азот, фосфор и сера как органогены, а также железо и магний, составляющие активные центры ферментов, также лабильны. Ки­слород и водород свойством лабильности обладают в меньшей ме­ре, поэтому являются носителями окислительных и восстанови­тельных процессов.

Сегодня также ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективно­сти действия каталитических групп. Есть уже и некоторые выводы:

на ранних этапах химической эволюции органического мира катализ отсутствовал. Условия высоких температур (выше 5000 К), электрических разрядов и радиации, с одной стороны, препят­ствовали образованию конденсированного состояния вещества, а с другой — с лихвой перекрывали те порции энергии, кото­рые необходимы для протекания большинства реакций;

• первые проявления катализа начались при смягчении условийи образовании первичных твердых тел;

• роль катализаторов возрастала по мере того, как физические условия приближались к земным. Но общее значение катализа вплоть до образования более или менее сложных органиче­ских молекул все еще не могло быть высоким;

• после того, как был накоплен определенный количественный ми­нимум органических и неорганических соединений, прежде всего Сахаров и аминокислот, роль катализа начала резко возрастать.

Функциональный подход в эволюционной химии

В рамках функционального подхода также изучается роль ката­лиза и выявляются законы, которым подчиняются процессы само­организации химических систем. Было отмечено, что ведущую роль на предбиологической стадии эволюции играл катализ. Роль ката­литических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некото­рые ученые напрямую стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Иными словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

Исходя из этого профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она бы­ла преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюцион­ного процесса, т.е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Сущность данной теории состоит в том, что химическая эволю­ция представляет собой саморазвитие каталитических систем, а следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. Выше мы упоминали, что при катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора и реагентов с образованием промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой промежуточный каталитический комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой Если в ходе реакции идет постоянный приток новых реактивов из­вне и отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, то реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитиче­ских систем происходит за счет постоянного притока трансформи­руемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзо­термических реакций. Таким образом, базисная реакция — не толь­ко источник энергии, но и орудие отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятно­стью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активно­сти. При этом по параметру абсолютной каталитической активно­сти складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.

Возникает явление автокатализа, при котором продукты реакции выступают как катализаторы, ускоряющие дальнейшее протекание реакции. При этом реакция становится саморазвивающейся, и эле­ментарная открытая каталитическая система подходит к первому пределу в своем развитии, когда рост скорости базисной реакции начинает ограничиваться постоянной температурой системы. Тогда некоторые элементарные каталитические центры становятся способ­ными осуществлять не один, а несколько циклов базисной реакции.

На следующем этапе развития элементарной каталитической системы скорость реакции начинает ограничиваться концентрацией реагирующих веществ. При этом система подходит ко второму пре­делу в своем развитии, который преодолевается с помощью про­странственного дублирования каталитических систем, их разъеди­нения и дальнейшего самостоятельного существования. А самовос­произведение (точное пространственное дублирование) является признаком не химической, а биологической эволюции. Именно так с матричных молекул ДНК считывается наследственная информа­ция и на этой основе строится новая молекула. Таким образом, второй кинетический предел саморазвития элементарных открытых каталитических систем является пределом добиологической хими­ческой эволюции. После этого возможности добиологической эво­люции, проходящей по законам химии, исчерпываются, и начина­ется эволюция биологическая.

Практическим следствием теории саморазвития открытых ката­литических систем является так называемая нестационарная кине­тика, которая занимается теорией управления нестационарными процессами — реакциями с меняющимися условиями. Сегодня ис­следователи приходят к выводу, что стационарный режим, надеж­ная стабилизация которого казалась залогом высокой эффективно­сти промышленного процесса, является лишь частным случаем не­стационарного режима. При этом было обнаружено множество не­стационарных режимов, способствующих интенсификации реакции.

Таким образом, рассмотренные концепции химии позволяют говорить о существовании химической картины мира, т.е. такого взгляда на природу с точки зрения химии, в котором определяются место и роль химических объектов и процессов в реальном природ­ном многообразии. Ее содержанием является:

• обобщенное знание эпохи о том, что представляют собой объ­екты живой и неживой природы с точки зрения их химиче­ского содержания. Сюда входит учение о многообразии частиц вещества и его химической организации;

• представление о едином происхождении всех основных типов природных объектов, их естественной эволюции;

• зависимость химических свойств природных объектов от их

структуры;

• общие закономерности природных процессов как процессов химического движения — взаимодействия реагирующих ве­ществ друг с другом и окружающей средой;

• знание о специфических объектах, синтезируемых в практиче­ской деятельности химиков.

Литература для самостоятельного изучения

1. Васильева Т.С., Орлов В.В. Химическая форма материи. М., 1983.

2. Данцев А.А. Философия и химия. Ростов-на-Дону, 1991.

3. Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А. Начала химии М., 1997.

4. Пиментел Дж., Кунрод Дж. Возможности химии сегодня и

завтра. М., 1992.

5. Поллер 3. Химия на пути в третье тысячелетие. М., 1982.

6. Соловьев Ю.И., Курашов В.И. Химия на перекрестке наук. М., 1989.

7. Фигуровсшй Н.А. История химии. М., 1979.

8. Химия и мировоззрение. М., 1986.

9. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в вузы. М., 1996, 10. Эмсли Дж. Элементы. М., 1993.