5.5 Методологічне поле досліджень сучасних наукових напрямків хімії та мікробіології

Характерною ознакою природознавства, як сукупності наук про неживу природу, завжди була нерівномірність темпів розвитку окремих наук. Це стосується не лише досягнутого теоретичного рівня, але й емпіричної його складової.

На протязі декількох останніх сторіч саме фізика була провідною у науковому природознавстві. Досягнення сучасної фізики (фундаментальні теоретичні концепції та експериментальне обладнання з унікальними можливостями) в значній мірі вплинули і продовжують впливати на розвиток суміжних наук – таких як хімія, біологія, матеріалознавство тощо. Яскравим свідченням цього є поява на протязі останнього сторіччя таких наукових напрямків як фізична хімія, хімічна фізика, квантова та лазерна хімія, молекулярна біологія, біофізика та ін.

Спільним для всіх зазначених наукових напрямків є перехід до розгляду явищ мікросвіту, тобто на молекулярний та атомарний рівень як у неживій, так і у живій природі, прагнення до формування сучасних фундаментальних уявлень про будову електронних оболонок атома, квантово-механічну природу міжмолекулярних сил, природу елементарних актів хімічної взаємодії, з'ясування механізму елементарних актів електродних реакцій та актів гетерогенного каталізу.

Перелік зазначеної проблематики (хоча в дійсності він значно ширший) переконливо свідчить, що неодмінною умовою для пошуку відповіді та емпіричної перевірки теоретичних моделей є залучення сучасних фізичних методів, здатних до отримання інформації на атомарному та молекулярному рівнях. До таких методів в першу чергу слід віднести: методи спектроскопії (оптичної, радіо та гаммарезонансної масс-спектроскопії); методи магнітного резонансу (електронного парамагнітного, ядерного, ядерного квадрупольного, подвійного); методи аналізу структури молекул (рентгеноструктурний, мікроскопія на підставі спрямованих пучків електронів, позитронів, мезонів); імпульсні методи реєстрації процесів з надзвичайно малою тривалістю у часі і цілий ряд інших.

Яскраво-наочним підтвердженням єдності фізичної картини світу, взаємозв'язку всіх явищ у природі є, зокрема, поява двох нових наукових напрямків фізики – квантової або лазерної електроніки та лазерної хімії.

Однією з різновидностей квантових генераторів є хімічні лазери, тобто газові лазери, у яких перехід робочого середовища у активно-збуджений стан з інверсією заселенностей для коливальних явищ переходів двохатомних молекул досягається завдяки їх екзотермічній хімічній реакції з домішками хімічно активних вільних радикалів.

Прикладом такої хімічної реакції є хоча б ланцюгова реакція фтору F з воднем (або дейтерієм) за схемою

F + H₂ → HF + H₂

H + F₂ → HF + F.

Перевагою хімічних лазерів є можливість досягнення високого значення коефіцієнтів корисної дії та можливість отримання когерентного випромінювання в широкому частотному діапазоні інфрачервоної ділянки спектра (IЧ – спектр).

Саме таке випромінювання є основою лазерної хімії, тобто хімічних перетворень під впливом лазерного випромінювання, зокрема, для розриву деяких зв'язків поміж атомами багатоатомних молекул (CF₃B, SiH₄ та ін.), лазерного розподілу ізотопів, отримання вільних радикалів, очищення газів від мікродомішок тощо.

Отже, використання найсучасніших методів дослідження, оригінальних теоретико-логічних конструкцій, концепцій, передбачають можливість існування нових фактів в межах певної науки стають запорукою появи нових наукових напрямків у споріднених науках, каталізатором їх розвитку в напрямку до вершини наукового пізнання, наближення до сучасного наукового ідеалу – єдиної концепції природи.

Квантова фізика надала принципово нові можливості теоретичної інтерпретації хімічних зв’язків, валентності, структури хімічних сполук. Тому основною методологічною проблемою сучасної хімії, об’єктом якої стали окремі поодинокі молекули, є з’ясування атомно-молекулярної структури на основі 16 базових атомних орбіталей (сукупності електронних хвильових функцій), подібної в деякій мірі до утворення елементарних частинок з певної сукупності кварків. Цілком ймовірно, що це може стати одним з існуючих дотепер чи можливих в майбутньому декількох варіантів Супероб'єдння всіх фундаментальних взаємодій, на сукупності яких ґрунтується сучасне природознавство.

Поряд з цим, існує методологічна проблема, яка виходить за межі природознавства. Це – пошук відповіді на причини походження живої природи (від фауни та флори до людини – вінця живої природи). Запорукою успіху на цьому складному шляху наукового пізнання є нерозривний взаємозв’язок таких нових наукових напрямків, як макромолекулярна хімія та молекулярна біологія.

Методами хімічного синтезу дотепер створено десятки синтетичних полімерів, матеріалів з унікальними фізичними характеристиками та експлуатаційними властивостями (пластмаси, волокна тощо). Синтез живої матерії хімічними методами, тобто синтез живої клітини (біохімічний синтез) є ще більш складною проблемою, вирішення якої зводиться до можливості хімічної інтерпретації біологічних процесів, тобто до з’ясування атомно-молекулярного механізму утворення білкових молекул (біологічних макромолекул). Саме з цих білкових молекул в основному складаються клітини живої речовини. Структуру цих клітин, як і конфігурацію окремих макромолекул, можна визначити методами електронної мікроскопії.

З’ясовано, що молекули білка являють собою ланцюги з двох десятків різних амінокислот, які мають лептидний зв’язок.

Необхідно визначити структуру декількох тисяч біологічних макромолекул, тобто не лише їх форму, але перш за все порядок прямування амінокислот, який є особливістю будь-якого живого індивідуума, дещо подібного до неповторності відбитків пальців людини (дактилоскопія). Навіть незначні зміни в порядку прямування амінокислот, їх послідовності призводять до еволюції живих істот від одного виду до іншого (від комах до людини).

Отже, біополімери або макромолекули є складною структурою, утвореною з білків (певної комбінації, послідовності амінокислот) та сукупності нуклеїнових кислот (ДНК та РНК). І саме таким структурам притаманна унікальна властивість – здатність до самовідтворення. Саме такими функціональними можливостями відзначаються хромосоми, тобто специфічні мікроутворення з нуклеїнових кислот в складі ядра живої клітини.

Запропонована Д.Уотсоном та Ф.Криком структура молекули ДНК у вигляді довгої подвійної аперіодичної спіралі, як підтвердили відповідні дослідження, дозволила пояснити дві основні функції молекули ДНК:

1. реплікацію, або здатність утворювати свої копії, причому процес утворення нових молекул ДНК, процес їх синтезу має матричний характер, тобто молекула ДНК як матриця (своєрідна форма в ливарному виробництві) відбирає з оточуючого середовища необхідні атоми, розташовуючи їх в матриці;

1. фабрикацію білків, тобто відтворення білкових молекул.

Процес фабрикації білків складається з двох послідовних стадій, оскільки молекули ДНК безпосередньо не можуть бути матрицями для синтезу двох десятків амінокислот, з яких утворюються білки. Цю функцію здатні виконати два різновиди молекул рибонуклеїнових кислот – м-РНК та т-РНК. На перший стадії на молекулі ДНК як на матриці утворюються матричні молекули м-РНК, які є точною копією окремої ділянки молекули ДНК довжиною в один цитрон або ген. Кількість молекул м-РНК співпадає з кількістю генів-цистронів. Ці матричні м-РНК не здатні до передачі білкам генетичної інформації. Тому на другій стадії відбувається передача цієї інформації другому типу РНК, молекулам-транспортерам, які позначаються як т-РНК. І саме ці рибонуклеїнові кислоти іншої різновидності т-РНК визначають процеси синтезу амінокислот всередині живої клітини поза межами її ядра. Кожна з молекул т-РНК відповідає за окрему амінокислоту, тому кількість амінокислот визначає кількість молекул-транспортерів т-РНК.

Згідно сучасних уявлень, саме в хромосомах, які в основному складаються з ДНК в ядрах клітини і міститься генетична інформація, яка передається позаядерним елементам клітини, де і відбувається безпосередньо процес синтезу білків.

Оскільки ген є окремою ділянкою молекули ДНК, то саме макромолекула ДНК є носієм генетичного коду.

Розглянемо за яким принципом повинні утворюватися в такій макромолекулі ДНК певні групування атомів та радикалів, які здатні виконувати функції генетичного коду. Одну з перших спроб з'ясування структури молекули ДНК, відповідальної за передачу спадкоємності, здійснив ще у середині сорокових років минулого сторіччя Е. Шредінгер – творець хвильового варіанту квантової механіки, в своїй роботі „Що таке життя з точки зору фізики?”. Виходячи з того, що атоми в молекулі (подібно до молекул в кристалах твердих тіл) мають квантову природу зв’язків, Шредінгер запропонував гіпотезу про те, що молекулу ДНК слід уявляти аперіодичним твердим тілом. Саме аперіодичність здатна забезпечити умови виконання двох взаємовилучаючих, але одночасно й взаємодоповнюючих властивостей молекули ДНК, як носія генетичного коду; а саме: з одного боку – упорядкованість, зумовлену надзвичайно великою кількістю однакових генів як складових різних кліток; а з другого боку – неупорядкованість, що забезпечує необмежену кількість різних варіантів, необхідних для шифрування та зберігання інформації, спадкоємності, що визначає розвиток організмів.

Лише хромосомна молекула у вигляді аперіодичного кристала є єдиною матеріальною структурою, яка здатна забезпечити велику сукупність різноманітних угрупувань одних і тих же атомів, забезпечуючи при цьому однозначний варіант розвитку живого організму.

При цьому Шредінгер посилається на певну аналогію з азбукою Морзе, яка на підставі двох знаків (крапки та тире) дає за різних варіантів 30 літер і є прикладом упорядкованості системи з досить незначним за обсягом інформативним запасом. Наявність трьох різних знаків забезпечила б декілька десятків тисяч різноманітних комбінацій. Більше того навіть система з двох знаків, але за умови порушення їх періодичної послідовності, тобто при можливості довільної послідовності має практично необмежені властивості для збереження та передачі інформації.

Не вдаючись до детального аналізу того, яким чином ген здатен поєднувати упорядкованість з неупорядкованістю (симетрію з антисиметрією), Шредінгер наполягає на існуванні саме в квантовій теорії певного фізичного принципу – принципу „індивідуальної ролі атома”, хоча в будь-якій класичній статистичній концепції роль окремого індивіда (атома чи молекули), тобто, його вплив не явище, відкидається та заперечується.

На підставі наведеного принципу Шредінгер робить висновок про те, що саме індивідуальна роль певного мікроутворення хромосомної молекули (її кожного атома та кожного радикала) забезпечує більш високий ступінь упорядкованості серед всіх існуючих сукупностей атомів (періодичні кристали твердих тіл тощо). При цьому структура генів (ділянок молекул ДНК) являє собою сукупність симетричного та асиметричного розташування його окремих складових, яка і програмує розвиток процесу синтезу білків в живих клітинах.

Як зазначає В.С. Готт, розглядаючи досить детально евристичне значення методологічного принципу єдності симетрії та асиметрії, саме „в микросвіті живої природи властивості симетрії та асиметрії набувають особливого значення, визначаючи енергетичний рівень системи та її можливості розвитку в більш складну систему з певною специфікою змісту” [21].

Існування білкових молекул та процес їх синтезу і розвитку живого організму зумовлені взаємодоповнюючою єдністю симетрії та антисиметрії, якщо вважати, що основною ознакою розвитку є лише ті сукупності змін, які охоплюють не лише зміну певного стану будь-якої системи, але й визначають спрямованість переходу системи в подальший стан.

Отже, визначальною ознакою розвитку є асиметричність тих змін, з яких складається процес розвитку не лише в живій органічній природі, але й в природознавстві: забудова електронних оболонок атомів на підставі принципу неможливості (заборони), або молекул як наслідку спрямованої взаємодії атомів. Взаємодоповнююча єдність асиметрії та симетрії є характерною ознакою не лише процесів розвитку у мікросвіті, але й в мегасвіті (однорідність чи неоднорідність Всесвіту, його зарядова симетрія чи асиметрія на різних стадіях розвитку Всесвіту тощо), надаючи необмежені властивості для збереження та передачі інформації. Експериментальна перевірка запропонованої теоретичної концепції, тобто можливість спостереження фізіологічних та патологічних мікро- процесів в живих клітинах, забезпечується зокрема сукупністю методів мічених атомів та електронної мікроскопії.

Отже, лише плідна творча взаємодія біохіміків та фізиків є запорукою вирішення на сучасному теоретико-емпіричному рівні таких проблем як моделювання всіх окремих стадій процесів життєдіяльності, а також з’ясування структури механізму мікропроцесів та мікровзаємодій, які, маючи квантову природу, забезпечують існування біологічних молекул. З’ясування механізму зміни генетичного коду в хромосомах (мутації) внаслідок впливу радіації (ά, β, γ-випромінювання), з’ясування чинників, завдяки яким всі відомі дотепер білкові молекули живих організмів складаються виключно з лівих амінокислот, тобто такі молекули забезпечують обертання площини поляризації за годинниковою стрілкою, хоча всі полісахариди утворюються з правообертаючих молекул;

Певна аналогія існує у фармації, де лівообертаючий хлормецитин має лікувальні властивості (левомецитин), а такий же за хімічним складом правообертальний хлормецитин їх втрачає.

Відомо, що поодинокі молекули нуклеїнових кислот в будь-якому варіанті рибонуклеїнової кислоти не здатні до утворення форм життя, складніших за деякі види вірусів. Лише сполучення двох по одиночних молекул НК в подвійну (комплементарну) аперіодичну спіраль забезпечили можливість існування функцій реплікації (утворення своїх копій) та відтворення білкових молекул. При цьому дві зазначені функції є взаємодоповнювальними у повній відповідності з вимогами принципу доповнювальності, оскільки НК не здатні до утворення своїх копій (реплікації) без взаємодії з молекулами білків, вуглеводів, як, в свою чергу, білки (ферменти) не синтезуються без участі НК.

На думку Г.В.Гівішвілі, на всіх рівнях органічної (живої) природи від структури клітин, як елементарної частини життя до структуризації матерії на рівні живих організмів „принцип доповнювальності стає необхідною умовою безпосереднього існування різних видів і форм живого, хоча і реалізується в організмах дещо інакше чим у фізико-хімічних системах” [17].

При цьому підкреслюється, що розглядаючи зміну видів, механізм еволюції як наслідок трьох чинників: спадкоємності, природного відбору та здатності до змін (вибіркових чи безсистемних), еволюційний рух шляхом ускладнення структур видових організмів і їх видова різноманітність „…зобов’язані виключно принципу доповнювальності, який визначає співвідношення закономірного та випадкового в довгому ряду послідовних змін поколінь живих систем. Монополія закономірного ні в якому досяжному часі не змогла б створити існуючий спектр видів тварин та рослин, в тому числі і тих, що зникли”. „Гола” випадковість сама по собі не змогла б породити навіть одну-єдину життєздатну клітину [17].

Досить логічним наступним кроком в межах запропонованого підходу є твердження про те, що життя та смерть „… також знаходяться поміж собою у відношеннях доповнювальності. Безсмертна молекула НК „винайшла” смерть для організмів з метою прискорити еволюційний процес і створювати всі нові, більш складно організовані форми життя, аж до появи в кінцевому рахунку розумної тварини – людини. Смертність індивідів створює передумови до розвитку та удосконалення їх нащадкових форм. Якщо розвиток життя в цілому розуміти як прогрес, то слід визнати, що без смерті немає і прогресу”. На організменному рівні структуризації матерії принцип доповнювальності стає необхідною умовою безпосереднього існування різних видів і форм „живого” [17].

Менш переконливими видаються спроби обґрунтування гіпотези про космоутворюючу функції людини, тобто про те, що… „…існування людини (не обов’язково земної) комплементарно буттю Всесвіту саме в сенсі їх взаємної необхідності. Фактично це означає суттєве підсилення антропного принципу, який проголошує, що Всесвіт створений так, а не інакше, для того щоб на відомому ступені його еволюції в ньому з’явився спостерігач-субстанція, яка мислить”.

В дійсності ж людина та природа знаходяться в значно більш складних відносинах: розум є не лише породження „нерозумної природи”, але, в свою чергу сам стає її деміургом. Інакше кажучи, передбачається, що наявність високоорганізованої матерії настільки ж імперативна для існування матерії неживої, бездушної, як і тривіально протилежне їх співвідношення” [16, 17].

Проте спроби розширення меж застосування принципу доповнювальності, надавши йому більш глибокого фундаментального значення як необхідної умови існування різних видів та форм живої природи „на організменному рівні структуріації матерії”, виглядають цілком аргументованими та досить ймовірним.

Головною особливістю розвитку сучасного біологічного знання є складність об’єкту пізнання, неможливість спрощеної екстраполяції методологічних принципів природознавства (неорганічної природи) з притаманною їм ступенем формалізації, рівнем математизації та фундаменталізації наукових теорій. Конче потрібна зміна існуючих філософських основ наук про живу (органічну) природу, пошук відповідних світоглядних позицій, орієнтованих „… на сприйняття життя як цілісної неповторної події в ряду інших природних процесів, …своєрідності теоретичного простору біології, який не залишає сумніву в тому, що існує усередині наукового знання такий феномен, який ми стисло (і не зовсім точно) називаємо „специфікою біологічного пізнання”” [30].

Загальновизнано, що характерною методологічною ознакою традиційної „нормальної біології” є плюралістичність теоретичних концепцій, які еволюціонують з часом без кардинальних змін. Проте поява сучасних споріднених з біологією наук (молекулярної генетики, фізико-хімічної біології, біофізики, біокібернетики та ін.) потребують відповідних методологічних зрушень стосовно біології, як конгломераті зазначених наук.

Одним із існуючих варіантів переосмислення біологічної реальності є біологічний структуралізм. Погоджуючись з автором статті [30], що це „не нова парадигма в біології” вважаємо, що і запропонований замість „парадигми” термін „рух” потребує подальшого методологічного уточнення, як, до речі, необхідне подібне уточнення щодо самого терміну „біологічний структуралізм”. Можливо, поняття „передумова” більш тісно визначає особливість та суть біологічного структуралізму „як своєрідного каталізатора, який відображає назрілі тенденції в переосмисленні основ науки, … в якому як раз зароджуються перспективні тренди міждисциплінарної кооперації. Це вже не власне біологія, не лише біологія, але така інтерпретація її начал, яка одночасно апелює і до норм „точного природознавства” і до визначальних принципів гуманітарного знання, гуманітарної філософії. Стверджуючи, що сучасна біологія ще досить далека від повного освоєння концептуальних ідей фізики, біологічні структуралісти разом з цим сподіваються саме на біологію в тих змінах наукової картини світу, які здатні надати їй людський вимір” [30].

Зазначені філософсько-методологічні та світоглядні узагальнення передбачається досягти на підставі сукупності двох принципів біологічного структуралізму: принципу динамізма структур та принципу цілісності.

Розглянемо стисло суть цих принципів. Принцип динамізму структур як визначальний принцип біологічного структуралізму передбачає, що „… живе може бути теоретично освоєне завдяки точному знанню біологічних структур всіх рівнів організації живого і використанню тих сучасних уявлень про динамізм, які створені в рамках нерівноважної термодинаміки. …Поняття структури спряжене з поняттям процесу…, в залежності „процесу” від подій кооперативності, когерентності, які відбуваються з структурами” [30].

Традиційний для біології принцип цілісності будь-якої біологічної системи, яка в кінцевому варіанті нерозривно вписується в цілісність життя, в єдиний живий організм Землі, трактується прихильниками біологічного структуралізму своєрідним чином з позицій критики методології редукціонізму навіть в тих споріднених біології наукових напрямках (молекулярні генетика, молекулярна біологія, біокібернетика та ін.), які виникли безпосередньо згідно вимогам принципу редукції.

„Розрізнюючи метод редукції та його абсолютизацію в методології редукціонізму, біологічні структуралісти, тим не менш, ототожнюють редукціанізм та механіцизм, редукціонізм та фрагментарність сучасного наукового знання, редукціонізм і проблему відчуження людини, редукціонізм і монополізм дарвінізму. Другими словами, редукціонізм розуміється надзвичайно широко, стаючи у вигляді не лише антипода, але й навіть найзапеклішого ворога природного цілісного життя та цілісної спрямованості гуманістичної культури” [30].

Не менш розповсюдженою теоретичною концепцією в біології є використання системного та холістичного підходів, за умови їх розгляду з позицій взаємодоповнювальності взаємодії таких двох протилежних процесів – інтеграції та диференціації, бо саме така, практично одночасна взаємодія зазначених процесів є чинником емоційного розвитку.

Системний підхід застосовується при дослідженні наслідків процесів в природі, які відбуваються шляхом інтеграції, (від окремих елементів до їх сукупності), тобто в першу чергу при створенні „… теорії інтегративних рівнів організації природних систем. Виходячи з логіки системного підходу, утворення ієрархічного ряду основних рівнів живого повністю комбінаторне.

…Жива речовина, як інтегральна система існує виключно у вигляді цілісної сукупності елементів, утворюючих замкнені або майже замкнені або майже замкнені енергетичні потоки. Саме за рахунок біогеохімічних процесів коло обертів підтримується сталість внутрішнього середовища біосфери, утвореної живою речовиною” [94].

Холістичний підхід, методологічною сутністю якого є методи розподілу цілого на частини, системи на окремі фрагменти або блоки (процесів диференціації), застосовуються при дослідженні процесів утворення та існування локальних екосистем внаслідок збурюючого розподільчого впливу неоднорідних умов зовнішнього середовища.

„Локальні екосистеми не рівнозначні елементам ієрархічного ряду основних рівнів організації природних систем і не можуть входити в цей ряд. За функціональним призначенням в біосфері локальна екосистеми найбільш відповідає функціональному блоку в організмі, утворення якого завжди пов’язане з виконанням певних функцій (Уголев, 1985), зумовлений взаємодією цього організму з середовищем”[94].

Отже утворення локальних екосистем та популяцій, своєрідних функціональних блоків завдяки процесу диференціації забезпечує формування цілісної системи функціональних відгуків на вплив будь-яких факторів зовнішнього середовища, завдяки цьому досягається така унікальна здатність живих організмів як пристосування до зміни в певних межах зовнішніх умов того чи іншого середовища їх перебування.

Саме взаємодоповнювальна єдність процесів інтеграції та диференціації забезпечує не лише утворення різновиддя природних об’єктів, але і можливість їх існування. Це є додатковим доказом універсальності та фундаментальності концепції доповнювальності, її конструктивно-методологічної ролі в епістемології як неорганічної, так і органічної природи.

Наведена стисла характеристика еволюції сучасних біологічних ідей переконливо свідчить про існуючу неоднорідність, гетерогенність методології біології та її сучасних наукових розгалужень, яка зумовлена перш за все саме тим, що „… по різному вбачається перш за все феномени життя та причетність людини до буття та пізнання цього феномена. Наслідком визнання різноманітності в світоглядному фундаменті біології може бути сумнів відносно того, що будь-коли з’явиться єдина, задовольняюча узагальнена теорія життя” [35].

Навіть проблема з'ясування механізму та чинників походження живого на нашій планеті залишається не вирішеною, оскільки час утворення живої клітини людини за існуючими дотепер оцінками значно перевищує час існування Землі та інших планет нашої Галактики (Чумацького шляху), який становить (5·10⁹-10¹⁰) років.

Чи не є в зв’язку з цим вірогідним припущення про існування в сфері мегасвіту радіусу R=10³ світлових років не менше десяти позаземних цивілізацій на будь яких з тисяч зірок в межах зазначеної сфери?

В такому випадку цілком виправданими можуть стати пошуки сигналів від цих цивілізацій, які здійснюються землянами в сантиметровому діапазоні хвиль ∆λ = 3 см ÷ 60 см, переважно на довжині хвилі λ = 21 см, яка відповідає лінії водню в космічному спектрі випромінюванні.

Ще більш складною є проблема з’ясування механізмів народження або виникнення свідомості та мислення. За однією сучасною гіпотезою джерелом генерації свідомості та мислення є когерентна взаємодія певної сукупності синапсів, які є структурними елементами нейронів. Але при цьому залишаються не з’ясованими чинники когерентності (взаємоузгодженності) поміж синапсами, які цілком вірогідно можуть в певній мірі нагадувати чинники когерентності квантів індукованого (вимушеного) випромінювання квантових генераторів (лазерів та мазерів).