- •1. Основная проблема химии
- •2. История химии как закономерный процесс смены способов решения ее основной проблемы
- •3. Принцип субординации дискретных уровней развития научного знания — основной принцип классификации науки
- •4. Принцип гомологии, или принцип уплотнения научной информации, и его значение для изучения химии
- •5. Иерархия дискретных уровней научного знания — основание теории развития химии
- •Литература
- •1. Решение проблемы химического элемента
- •2. Развитие учения о периодичности и теории валентности
- •3. Решение проблемы химического соединения
- •4. Учение о составе и появление технологии основных неорганических веществ
- •Литература
- •111 Химии. Вторая концептуальная
- •1. Возникновение первых структурных представлений
- •2. Эволюция понятия структуры в химии
- •3. Конец антиномии «структура — динамика»
- •4. Новые проблемы структурной химии
- •5. Пределы структурной химии. Ограниченность химической технологии, основанной на принципах структурных теорий
- •IV о химическом процессе.
- •1. Логические основы учения о химическом процессе
- •2. Рост исследований многофакторности кинетических систем — первая и основная тенденция развития учения о химическом процессе
- •3. Химия каталитическая и химия экстремальных состояний
- •4. Исследование гидродинамических факторов
- •6. Математическое моделирование в учении о химическом процессе
- •7. Новые методы управления химическими процессами. Спиновая химия
- •Литература
- •V концептуальная система.
- •1. «Лаборатория живого организма» — идеал химиков
- •2. Изучение ферментов в русле биохимии и биоорганической химии
- •3. Пути освоения каталитического опыта живой природы
- •4. Самоорганизация химических систем — основа химической эволюции
- •5. О понятиях «организация»
- •6. О различных подходах к проблеме самоорганизации предбиологических систем
- •7. Общая теория химической эволюции и биогенеза а. П. Руденко
- •8. Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем
- •9. Явления саморазвития химических систем
- •Литература
- •VI и химического производства
- •2. Особенности интенсификации развития химии как науки и производства
- •3. Возможно ли предвидение научных открытий?
- •4. Пути интенсификации химических процессов
- •5. Наиболее перспективные направления исследований в области химии экстремальных состояний
- •6. Пути интенсификации развития химии и химического производства посредством катализа
- •7. Теория химической технологии вместо «технического оформления процессов» — важный путь интенсификации химического производства
- •8. О резервах интенсификации развития химии на уровне двух первых концептуальных систем
- •Литература
- •Глава 1. Основная проблема химии '4
- •Глава 1. Возникновение первых структурных представлений . . 75
- •Глава 1. Логические основы учения о химическом процессе . . .108
- •Глава V
- •Глава VI
6. О различных подходах к проблеме самоорганизации предбиологических систем
В настоящее время существует два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем. Оба они систематически обсуждаются в естественно-научной и в философской литературе. Это так называемые субстратный и функциональный подходы.
К первому из них относят теории биогенеза, отправным постулатом которых является специфика вещественной основы биологических систем, т. е. строго определенный состав элементов-органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений. Все особенности функционирования организмов, с позиций этих теорий, выводят из свойств конкретного биохимического состава организмов — белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров. Решение. проблемы биогенеза пред-ставители этого подхода видят в выяснении путей постепенного-усложнения органических соединений вплоть до белковоподобных
193
тел и биорегуляторов. Легко видеть, что к субстратному подходу в его рафинированном виде относятся все актуалистические теории, о недостатках которых было сказано выше. •.
Рациональными результатами субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.
Отбор химических элементов — этого подвижного строительного материала эволюционирующих систем — выступает прежде всего как весьма красноречивый научный факт. Ныне известно 107 химических элементов. Есть основания полагать, что большинство из них попадает в те или иные живые организмы и так или иначе участвует в жизнедеятельности. Однако основу живых систем ' .составляют только шесть элементов, давно получивших наимено- '• вание органогенов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая массовая доля которых в организмах составляет 97,4 %/ За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем. Это натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их массовая доля в организмах равна примерно 1,6%. Можно назвать еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем (например, водорослей, состав которых определяется в известной мере составом питательной среды). Их .доля в организмах составляет около 1 %. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.
Картина собственно химического мира тоже весьма отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Теперь известно всего около шести-семи миллионов химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96%) — это органические соединения, основной строительный материал которых — все те же 6—18 элементов. И как это ни парадоксально, из всех остальных 95—99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 400 тыс. неорганических соединений.
Столь резкая диспропорция между едва обозримым множеством органических соединений и ничтожным (6—18) количеством составляющих их органогенов, так же как и исключительно дифференцированный отбор того же минимума элементов для построения живых систем, нельзя всецело объяснить факторами различной распространенности элементов в Космосе и на Земле. В Космосе вообще безраздельно господствуют лишь два элемента — водород и гелий, тогда как все остальные элементы можно рассматривать ' только как примесь к ним.
На Земле наиболее распространены железо, кислород, кремний, магний, алюминий, кальций, никель, натрий, калий, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. В атмосфере Земли углерода не более 0,01 массовых долей в процентах, в океанах — около 0,002,
194
в литосфере — 0,1. Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий, и даже в 6 раз меньше, чем относительно редкий титан. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика — всего около 0,24 массовых долей в процентах.
Следовательно, геохимические условия не играют сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают требования соответствия между строительным материалом и теми сооружениями, о которых выше говорилось как о структурах высокоорганизованных.
С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию, во-первых, достаточно прочных и, следовательно, энергоемких химических связей и, во-вторых, связей лабильных, т. е. легко подвергающихся гемолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод избран, или отобран, из многих других элементов как органоген номер один. Этот элемент действительно отвечает всем требованиям лабильности. Он, как никакой другой элемент, обладает самыми редкими и противоположными химическими свойствами, способен реализовать их единство, выступает как носитель внутренних противоречий.
Атомы углерода в одном и том же соединении способны выполнять роль и акцептора, и донора электронов. Они образуют почти все типы связей, какие знает химия: а) менее чем одно-электронные и одноэлектронные (например, при хемосорбции углеводородов на графите); б) двухэлектронные (например, в этане) ; в) трехэлектронные (в бензоле); г) четырехэлектронные (R2C = CR2); д) шестиэлектронные (С = С связи) со всевозможными промежуточными значениями зарядов связей. Среди углерод-углеродных связей можно встретить чисто ковалентные, почти чисто ионные и ионоидные с самыми различными значениями зарядов атомов: С6+, Св~.
Едва ли есть необходимость подробно характеризовать другие органогены. Кислород и водород нельзя, конечно, считать столь же лабильными элементами; их скорее следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств — окислительных и восстановительных. Что же касается таких органогенов, как азот, фосфор и сера, или некоторых элементов, составляющих активные центры ферментов, например железа, магния, то они, подобно углероду, отличаются также особой лабильностью. Рассматривая вопрос об отборе элементов, Дж. Бернал отмечает, что лабильные атомы серы, фосфора и железа, которые претерпевают очень большие превращения в неорганическом мире, имеют основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы,
195
такие, как кремний, алюминий или натрий, составляющие несравненно большую часть земной коры, играют лишь второстепенную роль или отсутствуют вовсе [7].
Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что внутримолекулярное или внутрикомплексное взаимодействие атомов таких элементов, как С, N, S, Р, Н, О, Fe, Mg, Ti, создает исключительное богатство химических связей. Сюда относятся и сопряженные связи, имитирующие полупроводниковые свойства, и кумулированные связи, обладающие еще более высокой π-электронной проводимостью. Сюда относятся богатые энергией так называемые макро-эргические связи в соединениях типа аденозинтрифосфата и одновременно слабые водородные связи. Наряду с попарными меж- атомными связями типа С—Н, С—С в соединениях этих элементов встречаются явно многоцентровые, к которым относится, в частности, как можно полагать, и связь атома железа с пиррольными кольцами в геминах.
О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно тому как из 107 химических элементов только 6 органогенов да 10—15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу биосистем, так же в результате эволюции происходил тщательный отбор и химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь четыре нуклеотида лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.
Исследователи — как химики, так и биологи — называют поразительным тот факт, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен труднообозримый мир животных и растений. Полагают, что, когда период химической подготовки — период интенсивных и разнообразных превращений — сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Теперь находят массу доказательств тому, что аминокислотный состав гемоглобина самых низших позвоночных животных и человека практически один и тот же; более или менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав ферментативных средств, состав веществ, накапливаемых впрок, и т. д.
Каким образом проводилась та «химическая подготовка», в результате которой из минимума химических элементов и минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс — биосистема, обладающая способностью затрачивать минимум работы, чтобы снова производить максимум организации? Л. А. Николаев удачно подметил, что все механизмы клетки функционируют так, что на каждом этапе всей последовательности реакций организационная работа оказывается мини-
196
мальной. Синтез белка осуществляется только тогда, когда и пространственные, и энергетические условия таковы, что ферментному аппарату остается лишь замыкать цепочки аминокислот [19, с. 11].
Химику важно все это понять для того, чтобы научиться у природы (а затем, может быть, и пойти дальше ее) так легко и просто приспосабливать для своих нужд «менее организованные материалы», например: фиксировать азот воздуха при нормальных температурах и давлениях, синтезировать сахара из СО2, СО, Н2 и H2О, получать стереоспецифические соединения и т. д. и т. п.
Занавес, отделявший нас от этих тайн, стал понемногу подниматься. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые обеспечивали наиболее совершенные виды связей * (в том числе обратной связи) и регулирования.
Первой и наиболее простой из этих структур можно смело назвать различные фазовые границы. Они служили основой физической и химической адсорбции, которая: а) вносила элементарное упорядочение во взаимное расположение частиц; б) увеличивала концентрацию последних и в) служила фактором появления каталитического эффекта.
Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. Сюда относят полупроводниковые цепи и структуры, ответственные за так называемое трансгидрирование или перенос водорода. Легко видеть, что этот тип структурных фрагментов всецело связан с необходимостью привлечения углерода, а также других органогенов, способных образовывать двойные связи и служить донорами и акцепторами протонов. Нетрудно видеть также, что эти группировки служат началом или полупроводникового, т. е. окислительно-восстановительного, или кислотно-основного катализа.
Третий структурный фрагмент, необходимый для эволюционирующих систем,— это группировки, ответственные за энергетическое обеспечение. Сюда входят оксиоксо-группы, фосфорсодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями. Высказывалось предположение, что эти структурные единицы тоже выполняют роль катализаторов по отношению к ряду реакций, но скорее всего их назначение состоит в снятии термодинамических запретов путем сопряжения реакций диспропорционирования и разрушения макроэргических связей с ферментативными реакциями [22].
Следующим фрагментом эволюционирующих систем является уже развитая полимерная структура типа РНК и ДНК, выполняющая ряд функций, свойственных перечисленным выше структурам, и главное — роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе подобных структур.
* Здесь имеется в виду не столько химическая связь, сколько всякая иная, обеспечивающая взаимоотношения между системами, подсистемами и элементами систем.
197
Если попытаться найти нечто общее между всеми только что названными структурными фрагментами, то этим общим окажется не столько элементный состав, сколько развитая поверхность вещества, в частности близость к коллоидному состоянию и отношение к катализу.
В этой связи обращает на себя внимание ряд выводов, полученных самыми различными путями и в самых различных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, биохимии, биологии, термодинамике, химической кинетике). Эти выводы сформулированы в работах Дж. Бернала [7], Л. А. Николаева (19] и Ю. А. Жданова [22].
На ранних стадиях химической эволюции мира катализ вовсе отсутствует. Условия высоких температур (>>5000 К), электриче ских разрядов и радиации, с одной стороны, препятствуют обра зованию конденсированного состояния, а с другой — с лихвой пере крывают те порции энергии, которые необходимы для преодоления энергетических барьеров.
Первые проявления катализа начинаются при смягчении условий (<5000К) и образовании первичных твердых тел.
Роль катализатора возрастала по мере того как физические условия (главным образом, температура) приближались к земным условиям. Но общее значение катализа вплоть до образования более или менее сложных органических молекул все еще не могло быть высоким: твердые неорганические тела выполняли роль или неспецифических катализаторов цепных газовых реакций, которые и без того могли легко осуществиться под влиянием радиации, или специфических катализаторов роста бесконечно однообразных кристаллических неорганических же тел.
Появление таких даже относительно несложных систем, как СНзОН, NH2—-NH2, HC = CH, H2CO, HCOOH, HCs=N, а тем более оксикислот, аминокислот и первичных Сахаров было свое образной некаталитической подготовкой старта для большого ка тализа. С этого момента катализ вошел в новую и весьма ориги нальную стадию развития: он претерпел своего рода дифферен циацию, дав две противоположные ветви — неорганическую и орга ническую. Неорганическая ветвь сравнительно короткая. Она на чинается с неорганических веществ типа оксидов (МеО)ж. Извест но, что каталитическая активность свежеприготовленных продуктов выше активности природных минералов того же состава. Следова тельно, неорганическая ветвь ведет к дезактивации каталитических систем, к потуханию каталитической активности неорганических тел и постепенному исключению их масс из того химического круговорота, в котором участвуют, например, углерод, азот.
Органическая ветвь, наоборот, оказывается и более длинной, и плодоносной. Л. А. Николаев в качестве примера этому приводит каталитическую активность железа. Ионы железа — хорошие катализаторы многих реакций. Вовлечение этих ионов в минеральные
198
соединения снижает их каталитическую активность на 2—3 порядка. Вовлечение тех же ионов в органические соединения, например в порфириновые системы, увеличивает их каталитическую активность примерно на 10 (!) порядков [19, с. 9]. Однако примерами исключительно плодотворного развития каталитических систем органической ветви могут служить и чисто органические катализаторы.
Дивергенция эволюционного процесса каталитических систем, по Николаеву, изображается в зависимости от логарифма каталитической активности а (рис. 9).
5. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т. е. известного количественного мини-
мума 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 спектром. Таким образом, «уникальность
биохимических машин» высшего ранга организации покоится на обширном основании. На ранних стадиях развития наибольшие шансы сохраниться и не быть разрушенными в результате химических атак внеш-
ней среды имели соединения, обладавшие разнообразными каталитическими возможностями [19, с. 47].
Как следует из этих выводов, информация, полученная в русле субстратного подхода, указывает на две возможные формы вещественной основы химической эволюции. Одна из них —это химические соединения, выступающие в качестве реагентов органического синтеза, приводящего ко все более сложным по составу и молекулярной структуре веществам. Вторая форма — это а г ен-т ы, или катализаторы, химических реакций.
Отличительной чертой второго — функционального — подхода к проблеме предбиологической эволюции является сосредоточение внимания на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.
Такого подхода среди естествоиспытателей придерживаются преимущественно физики и математики, которые рассматривают эволюционные процессы с позиций кибернетики и теории информации (например, А. Н. Колмогоров, А. А. Ляпунов, Л. А. Блюмен-фельд и др.) или термодинамики (К. С. Тринчер, М. В. Волькен-штейн и др.)- Крайней точкой зрения в этом подходе является
199
безразличие к природе субстрата эволюционирующих систем. Так, согласно А. Н. Колмогорову, функциональное представление о жизни совершенно освобождено от произвольных предпосылок о конкретных формах ее вещественного субстрата. Функционального подхода к проблеме биогенеза придерживаются также некоторые философы. Например, по мнению А. Я. Ильина, главное в работах Ф. Энгельса, относящихся к проблеме биогенеза, заключается не в подчеркивании белковой природы жизни, а в принципиальном признании того обстоятельства, что этот носитель жизни возникает как продукт закономерного саморазвития материи [23].
Если не считать названной выше крайней точки зрения, веду щей к предположению о возможности существования жизненных форм даже и на безуглеродной основе, то в общем функциональный подход, несмотря на его односторонность, приводит к очень важно му рациональному выводу. Специфика вещественной основы само- ' развивающихся объектов, согласно этому подходу, предстает в ка честве следствия из законов эволюции.
Что касается взглядов на проблему биогенеза со стороны термодинамики, то сегодня подробно обсуждать их уже не имеет смысла. Созданная И. Пригожиным обобщенная термодинамика [11] снимает препятствия, воздвигнутые классической термодинамикой на пути самоорганизации материальных систем. Впрочем, о том, что нового в развитие представлений о самоорганизации внесли труды И. Пригожина, будет сказано ниже.