7.3.4. Эволюционная химия – высшая степень развития химических знаний

Под эволюционными проблемами в химии следует понимать проблемы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают как бы предбиологией– наукой о самоорганизации и о саморазвитии химических систем.

Но если сама эволюционная химия возникла недавно, то истоки ее связаны с давнишней мечтой химиков – «освоить опыт лаборатории живого организма» и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь.

К оглавлению

Первым ученым, осознавшим исключительно высокую упорядоченность, организованность и эффективность химических процессов в живых организмах, был основатель органической химии И. Я. Берцелиус. Именно он впервые установил, что основой основ лаборатории живого организма является биокатализ.

Сложные биологические процессы, протекающие в организме, обратимы и характеризуются соответствующими константами равновесия независимо от их природы: окислительно-восстановительные или комплексообразование. Для всех биологических жидкостей организма характерен определенный состав, который нельзя менять произвольно.

Законы наступления, сохранения и смещения динамического равновесия справедливы не только для химических и физико-химических процессов, но и имеют аналоги в живой природе. Так, аналогично Ле Шателье в природе существует принцип адаптивных перестроек. Любая живая система при воздействии на нее перестраивается так, чтобы уменьшить это воздействие.

Соблюдение этого принципа в живых системах позволяет им поддерживать состояние гомеостаза. Основу гомеостаза составляет стационарное состояние системы, причем далекое от равновесия, из-за чего живые системы способны к эволюции.

Многие обратимые биохимические процессы совершаются при участии биокатализаторов – ферментов. Эти вещества, ускоряя протекание реакций, резко сокращают время установления состояния равновесия, что чрезвычайно важно для организма.

Химики сегодня пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов будут созданы катализаторы, которые по своей специфичности далеко превзойдут существующие в промышленности.

Для освоения каталитического опыта живой природы и получения практических результатов химики выбрали ряд перспективных направлений:

1. развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой природы;

2. моделирование биокатализаторов;

   К оглавлению

3. развитие химии иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации заключается в адсорбции выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности и превращении их тем самым в гетерогенный катализатор со стабильным и непрерывным действием;

4. изучение и освоение всего каталитического опыта живой природы, в том числе и формирование самого фермента клетки и даже организма. Это ступень, на которой возникают основы эволюционной химии.

Возникновению эволюционной химии способствовали, во-первых, исследования в области моделирования биокатализаторов, во-вторых, уже реально ощутимые успехи «нестационарной кинетики», или динамики химических систем. В 1960-х годах были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в процессе работы теряют активность за счет старения и отравления.

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

Существует два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный.

Основу живых систем составляют только 6 элементов из 116 открытых. Они получили название органогены. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая 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 весовая доля в организмах примерно 1,6%. Еще около 20 элементов участвуют в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, например, водорослей. Их доля в организмах составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

Картина собственно химического мира тоже свидетельствует об отборе элементов. Сейчас известно всего около 8 миллионов химических соединений. Из них 96% – это органические соединения, состоящие из тех же 6–18 элементов. Из остальных химических элементов природа (по крайней мере на Земле) создала лишь около 300 тысяч неорганических соединений.

К оглавлению

На Земле наиболее распространены железо, кислород, кремний, магний, алюминий, кальций, калий, никель, тогда как углерод занимает лишь 16 место. В атмосфере Земли углерода не более 0,01%, в океанах около 0,002%, в литосфере 0,1%. Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий. Из органогенов наиболее распространены только кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли всего около 0,24 весовых процента.

Следовательно, геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющими факторами выступают требования соответствия между строительным материалом и сооружениями, представляющими собой высокоорганизованные структуры. С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию достаточно прочных энергоемких химических связей, обладающих лабильностью. Поэтому углерод и избран как органоген №1. Он, как никакой другой элемент, отвечает всем требованиям.

Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов и 10–15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу биосистем, так же в результате эволюции шел тщательный отбор и химических соединений.

Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен, из 100 известных аминокислот в состав белков входят только 20; лишь по 4 нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Каким же образом проводилась та «химическая подготовка», в результате которой из минимума химических элементов и соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистема?

Открытия ученых показывают, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

Отличительной чертой функционального подхода к проблеме предбиологической эволюции является сосредоточение внимания на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.

К оглавлению

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая профессором А. П. Руденко. В ней осуществлен синтез рациональных сторон функционального и субстратного подходов. Она решает в комплексе вопросы о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Сущность этой теории состоит в том, 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.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного потока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе реакций с самым большим сродством (экзотермические реакции).

Первой прикладной областью, где теория саморазвития открытых каталитических систем может быть широко и эффективно использована, является «нестационарная технология». С 1970-х годов обнаружено много случаев нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакций. Появились работы, описывающие искусственно создаваемые нестационарные режимы, при которых оказывается возможным не только легче реализовать оптимальные условия реакций, но и достигнуть улучшения качества продуктов.

Выводы:

– Химия, являющаяся одним из разделов естествознания, изучает состав, структуру вещества и закономерности их взаимопревращений.

– Основой химической науки являются атомно-молекулярное учение, закон сохранения материи, периодический закон, теория строения вещества, учение о химическом процессе.

– Вещество состоит из молекул, а молекулы из атомов. Атомы в молекулах удерживаются химическими связями.

К оглавлению

– К условиям протекания химических процессов относятся: термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий; кинетические условия, определяемые наличием катализаторов и иных условий.

– Актуальными проблемами современной химии являются вопросы самоорганизации и эволюции химических систем, использование катализа и биокатализа.