5.3.4. Эволюционная химия как высший уровень развития химических знаний

Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Они привлекли внимание исследователей совсем недавно, в 1970-е гг. Однако их истоки уходят в прошлое, к давнишней мечте химиков "освоить опыт лаборатории живого организма" и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь.

Первым ученым, осознавшим высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах, был основатель органической химии Й.Я. Берцелиус. Он установил, что основой лаборатории живого организма является биокатализ. Идеалом совершенства каталитических превращений считали лабораторию живого организма немецкий ученый Ю. Либих, французский естествоиспытатель П.Э.М. Бертло и другие.

Много внимания каталитическому опыту живой природы уделял лауреат Нобелевской премии русский ученый академик Н.Н. Семенов. Он рассматривал химические процессы, протекающие в тканях растений и животных, как своеобразное "химическое производство" живой природы.

Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул.

Для освоения каталитического опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленном производстве химики наметили ряд перспективных путей.

Первый – развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой природы.

Второй путь заключается в моделировании биокатализаторов. В настоящее время за счет искусственного отбора структур удалось построить модели многих ферментов, которые характеризуются высокой активностью и селективностью.

Третий путь к освоению механизмов лаборатории живой природы связывается с достижениями химии иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции, которая превращает их в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие.

Четвертый путь – изучение и освоение всего каталитического опыта живой природы, в том числе и формирование фермента, клетки и даже организма. Это ступень, на которой возникают основы эволюционной химии как действенной науки с ее рабочими функциями. Это движение химической науки к принципиально новой химической технологии с перспективой создания аналогов живых систем.

Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. Искусственный отбор каталитических структур ориентировался на естественный, осуществляемый природой на путях эволюции от неорганической материи к живым системам. Другим поводом для развития исследований в области эволюционной химии являются реально ощутимые успехи "нестационарной кинетики", или динамики химических систем. В 1960-х гг. были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались.

В эволюционной химии существенное место занимает понятие "самоорганизация". Самоорганизация отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации.

Исследователи открывают все больше тайн природы. Эти открытия показывают, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, которая в общем виде была выдвинута в 1964 г., профессором Московского университета А.П. Руденко. Она решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса. Пока только эта теория может служить основанием эволюционной химии как новой концептуальной системы, возвышающейся над учением о химическом процессе.

Сущность данной теории состоит в утверждении, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Развитие химических знаний уже на сегодняшний день позволяет надеяться на разрешение многих проблем, стоящих перед человечеством. Химия имеет реальные предпосылки для моделирования и интенсификации фотосинтеза: фотолиз воды с получением водорода как самого высокоэффективного и экологически чистого топлива; промышленный синтез на основе углекислого газа широкого спектра органических продуктов, и в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты; промышленный синтез многочисленных фторматериалов. Сегодня созрели условия для создания малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных производств.