Философские проблемы науки и техники

Как, при каких условиях происходят взрывы сверхновых? Отметим интересное, парадоксальное, на первый взгляд, обстоятельство. Пока вблизи центра звезды идет горение водорода, температура там не может подняться до порога гелиевой реакции. Для этого необходимо, чтобы горение прекратилось, и ядро звезды начало остывать! Остывающее ядро звезды сжимается, при этом повышается напряженность поля тяготения и выделяется гравитационная энергия, которая нагревает вещество. При повышенной напряженности поля необходима более высокая температура, чтобы давление могло противостоять сжатию, и гравитационной энергии оказывается достаточно, чтобы обеспечить эту температуру. (Аналогичный парадокс мы имеем при снижении космического аппарата: чтобы перевести его на более низкую орбиту, его надо притормозить, но при этом он оказывается ближе к Земле, где сила тяжести больше, и скорость его возрастет. Остывание увеличивает температуру, а торможение увеличивает скорость! Такими кажущимися парадоксами полна природа, и далеко не всегда можно доверяться «здравому смыслу».)

После начала горения гелия расходование энергии идет очень быстрыми темпами, так как энергетический выход всех реакций с тяжелыми элементами намного ниже, чем при реакции горения водорода и, кроме того, общая светимость звезды на этих этапах значительно возрастает. Если водород горит миллиарды лет, то гелий миллионы, а все остальные элементы – не более тысяч лет. Когда в недрах звезды все ядерные реакции затухают, ничто уже не может препятствовать ее гравитационному сжатию, и оно происходит катастрофически быстро (как говорят, коллапсирует). Верхние слои падают к центру с ускорением свободного падения (величина его на многие порядки превосходит земное ускорение падения из-за несопоставимой разности масс), выделяя огромную гравитационную энергию. Вещество сжимается. Часть его, переходя в новое состояние высокой плотности, образует

91

звезду-остаток, а часть (обычно большая) выбрасывается в пространство в виде отраженной ударной волны с огромной скоростью. Происходит взрыв сверхновой звезды. На какой стадии эволюции звезды остановится сжатие и что будет представлять собой остаток сверхновой, все эти варианты зависят от ее массы. Если эта масса менее 1,4 солнечной, это будет белый карлик, звезда с плотностью 109 кг/м3, медленно остывающая без внутренних источников энергии. От дальнейшего сжатия ее удерживает давление вырожденного электронного газа. При большей массе (примерно до 2,5 солнечной) образуется нейтронная звезда (их существование предсказано великим советским физиком, нобелевским лауреатом Львом Ландау) с плотностью, примерно равной плотности атомного ядра. Нейтронные звезды были открыты как так называемые пульсары. При еще большей исходной массе звезды образуется черная дыра – безудержно сжимающийся объект, который не может покинуть ни один объект, даже свет. Именно при взрывах сверхновых происходит образование элементов тяжелее железа, для которых нужны чрезвычайно плотные потоки частиц высокой энергии, чтобы были достаточно вероятны многочастичные столкновения. Все материальное в этом мире является потомками сверхновых, в том числе и люди, поскольку атомы, из которых мы состоим, возникли когда-то при взрывах сверхновых.

Таким образом, звезды являются не только мощным источником энергии высокого качества, рассеяние которой способствует возникновению сложнейших структур, включающих и жизнь, но и реакторами, в которых производится вся таблица Менделеева – необходимый материал для этих структур. Взрыв заканчивающей свою жизнь звезды выбрасывает в пространство огромное количество разнообразных элементов тяжелее водорода и гелия, которые смешиваются с галактическим газом. За время жизни Вселенной закончили свою жизнь очень многие звезды. Все звезды типа

92

Солнца и более массивные, возникшие из первичного газа, уже прошли свой жизненный путь. Так что сейчас Солнце и ему подобные звезды – это звезды второго поколения (а может быть, и третьего), существенно обогащенные тяжелыми элементами. Без такого обогащения вряд ли около них могли бы возникнуть планеты земного типа и жизнь.

Преимущественными химическими элементами и в настоящее время являются водород и гелий. Относительно малого содержания тяжелых элементов, впрочем, оказалось достаточно для образования жизни (по крайней мере на одном из островков Вселенной, вблизи «рядовой» звезды Солнца – желтого карлика). Помимо уже сказанного нами ранее, надо помнить, что в открытом космическом пространстве присутствуют космические лучи, по сути, являющиеся потоками элементарных частиц, в первую очередь электронов и протонов разных энергий. В некоторых областях межзвездного пространства имеются локальные области повышенной концентрации межзвездного вещества, получившие название межзвездных облаков. В отличие от плазменного состава звезды, вещество межзвездных облаков уже содержит (об этом свидетельствуют многочисленные астрономические наблюдения) молекулы и молекулярные ионы. Например, обнаружены межзвездные облака из молекулярного водорода, очень часто присутствуют в спектрах поглощения такие соединения, как ион гидроксила ОН, молекулы СО, молекулы воды и др. Сейчас число обнаруженных в межзвездных облаках химических соединений составляет свыше ста. Под действием внешнего облучения и без него в облаках происходят разнообразные химические реакции, зачастую такие, которые невозможно осуществить на Земле по причине особых условий в межзвездной среде. Вероятно, примерно 5 миллиардов лет назад, когда образовалась наша Солнечная система, первичным материалом при образовании планет были такие же простейшие молекулы, которые сейчас мы наблюдаем в других межзвездных

93

облаках. Другими словами, процесс химической эволюции, начавшийся в межзвездном облаке, затем продолжился уже на планетах. Хотя сейчас в некоторых межзвездных облаках обнаружены достаточно сложные органические молекулы, вероятно, химическая эволюция привела к появлению «живого» вещества (т.е. клеток с механизмами самоорганизации и наследственности) уже только на планетах. Очень трудно представить организацию жизни в объеме межзвездных облаков.

Рассмотрим планетную химическую эволюцию на Земле. Первичная атмосфеpa Земли содержала в основном простейшие соединения водорода Н2, H2О, NH3, CH4. Кроме этого, атмосфера была богата инертными газами, прежде всего гелием и неоном. В настоящее время обилие благородных газов на Земле ничтожно мало, что означает, что они в свое время попали в межпланетное пространство. Наша современная атмосфера имеет вторичное происхождение. Первое время химический состав атмосферы мало отличался от первичной. После образования гидросферы из атмосферы практически исчез аммиак NH3, растворившийся в воде, атомарный и молекулярный водород улетучился в межпланетное пространство, атмосфера была насыщена преимущественно азотом N. Насыщение атмосферы кислородом происходило постепенно, сначала благодаря диссоциации молекул воды ультрафиолетовым излучением Солнца, затем, и главным образом, благодаря фотосинтезу растений.

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, иллюстрирующий, каким образом такие простые вещества, как вода, метан, аммиак, окись углерода, аммонийные и фосфатные соединения, превращаются в высокоорганизованные структуры, являющиеся строительными кирпичиками клетки. Американские ученые Кельвин, Миллер и Юри провели ряд опытов, в результате которых было показано, как в первичной атмосфере могли возникнуть аминокислоты. Ученые создали смесь газов – метана СН4, молекулярного

94

водорода Н2, аммиака NH3 и паров воды Н2O, моделирующую состав первичной атмосферы Земли. Через эту смесь пропускали электрические разряды, в результате в исходной смеси газов были обнаружены глицин, аланин и другие аминокислоты. Вероятно, существенное влияние на химические реакции в первичной атмосфере Земли оказывало Солнце своим ультрафиолетовым излучением, которое не задерживалось в атмосфере в связи с отсутствием озона.

Немаловажное влияние на химическую эволюцию оказали не только электрические разряды и ультрафиолетовое излучение Солнца, но и вулканическое тепло, ударные волны, радиоактивный распад калия К (доля энергии распада калия примерно 3 млрд лет назад на Земле была второй после энергии ультрафиолетового излучения Солнца). Например, газы, выделяющиеся из первичных вулканов (O2, СО, N2, Н2O, Н2, S, H2S, СН4, SО2), при воздействии различных видов энергии реагируют с образованием разнообразных малых органических соединений, типа: цианистый водород HCN, муравьиная кислота HCO2H, уксусная кислота H3CO2H, глицин H2NCH2CO2H и т.д. В дальнейшем, опять же при воздействии различных видов энергии, малые органические соединения реагируют с образованием более сложных органических соединений – аминокислоты.

В процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для возникновения жизни и ее функционирования. Из 118 химических элементов, открытых к настоящему времени, многие принимают участие в жизнедеятельности живых организмов, но только шесть из них – углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера – составляют основу живых систем, из-за чего они и получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4 %.

Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 химических элементов: натрий,

95

калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Еще около 20 элементов участвуют

вжизнедеятельности живых систем в зависимости от среды обитания и состава питания.

Все элементы, участвующие в построении живых систем и их функционировании, распределены по всей поверхности Земли. Таким образом, жизнь на Земле возникала в любом месте, где для этого создавались благоприятные условия.

Как природа из такого ограниченного количества химических элементов и химических соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистему?

В1969 году появилась общая теория химической эволюции и биогенеза. Пока только эта теория в состоянии определить новую концептуальную систему, которая выходит за пределы учения о составе, структурной химии и химических процессах.

Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются прежде всего катализаторы.

Процесс саморазвития химических катализаторов двигался

всторону их совершенствования, шел постоянный отбор все новых катализаторов с большей реактивной активностью. Тогда химическую эволюцию можно представить как развитие самоуправления реактивностью различных химических соединений через включение различных катализаторов и выключение их. Обратим внимание на термин «самоуправление». Для объяснения превращения вещества в живое вещество и появления жизни саморегуляция изнутри особо важна. Саморегуляция реактивности при одном и том же химическом составе сложной молекулы оказывается возможной именно благодаря наличию или отсутствию разных катализаторов.

Основной закон химической эволюции (открытый А. Руденко) гласит, что эволюционные изменения катализатора

96

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.

Теория развития каталитических систем открывает следующие возможности:

выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации;

использовать принципиально новый метод изучения катализатора;

дать конкретную характеристику пределов химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления)

кбиогенезу.

На своем высшем эволюционном уровне химическая наука углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.

Жизнь полностью зависит от сохранения условий ее функционирования, а это напрямую зависит от самого человека. Видимо, одним из проявлений природы стало и появление человека как самосознающей себя материи. На определенном этапе он может оказывать ощутимое воздействие на среду собственного обитания, причем как позитивное, так и негативное.

Вопросы для самопроверки

1.От каких факторов зависят свойства веществ?

2.Реакционная способность веществ. От чего она зависит?

3.В чем суть теории флогистона?

4.Кто является основоположником системного подхода в развитии химических знаний? Какую систему он построил?

5.Какие элементы называют органогенами и почему?

6.Какова взаимосвязь химии с физикой и биологией?

97

7.Каковы потенциальные возможности химии?

8.Какие концептуальные системы химии вы знаете?

Пригодится для тестирования

Постоянная Планка – h = 6,63·10–34 Дж/Гц Атомная единица массы – а.е.м. = 1,66·10–27 кг

Элементарный электронный заряд – е = 1,602·10–19 Кл Нормальное атмосферное давление – р = 1,01325·105 Па Нормальная термодинамическая температура – Т = 273,15 К

(или температура Цельсия t = 0 °С)

Молярный объем идеального газа при нормальных физических условиях 22,4 л/моль

Моль(м) – количество вещества, содержащее столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода 12С

М(H2O) 0,018 кг/моль 18 г/моль.

Водородный показатель реакции среды Ph: нейтральная среда – Ph = 7

кислая среда – Ph < 7 щелочная среда – Ph > 7

98

Глава 6 БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

6.1. Происхождение и сущность жизни

Интерес к познанию живого у человека возник очень давно. Он был связан прежде всего с необходимостью удовлетворения самых простых человеческих потребностей в пище, лекарствах, одежде, жилье.

Первоначально люди оценивали феномен жизни как чудо, сотворенное всемогущим Богом. Однако уже в первых древних цивилизованных обществах появились люди, которые не удовлетворялись подобными объяснениями. Одним из них был выдающийся древнегреческий философ Аристотель, который заложил основы биологии. Он впервые подробно описал многие виды животных и растений и высказал мысль о том, что существующие растения и животные есть результат развития от простых форм к более сложным и совершенным.

Но самостоятельной наукой биология становится лишь в XVIII–XIX веках.

Так что же такое жизнь, живая природа? Прежде всего выясним, что современная биология понимает под категорией «живое», чем живое отличается от неживого.

К числу необходимых и существенных свойств живого можно отнести следующие:

–метаболизм (обмен веществ);

–противостояние энтропийным процессам;

–воспроизводство на основе генетического кода;

–мутабильность (изменчивость под воздействием мутаций). Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки

для появления живого из неживой природы. А Земля оказалась в таких благоприятных условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться.

99

Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.

Заметим при этом, что метаболизм является не чем иным, как химическими реакциями, да и противостояние энтропийным процессам имеет место уже на уровне химической реактивности. Однако для живых систем внутренняя регулировка этих процессов превалирует над внешней обусловленностью этих же процессов в химии. Там уровень концентрации веществ составляет необходимое условие (требуемую внешнюю среду) для начала реакции. Живой же организм может выбирать себе среду, приспосабливаясь к ней.

Тот факт, что ферментный катализ играл решающую, фундаментальную роль в процессе перехода от химических систем к системам биологическим, т. е. на предбиологической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Исключительно важную роль сыграла реакция по самоорганизации химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Б.П. Белоусовым, затем тщательно изученная А.М. Жаботинским, вошедшая в арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова–Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоорганизации как раз решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам.

Понятие «самоорганизации» означает упорядоченность существования материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли работы отечественных ученых И.В. Березина,

100