4.Эволюционная химия

Возникновению такого направления, как эволюционная хи­мия, способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов — ферментов. Поскольку все ферменты - глобулярные белки, т.е. высокоорганизованные соединения, имеющие три уровня организации, то перед химиками встал во­прос о самой возможности самопроизвольного развития хими­ческих систем подобного уровня.Сегодня химики 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 подоб­ные молекулы (матричные синтезы). Предвидится создание пре­образователей, использующих солнечный свет, превращающих его в химическую и электрическую энергии, а также химиче­скую энергию в свет большей интенсивности.Для освоения каталитического опыта живой природы пред­полагается дальнейшее развитие эволюционной химии:1) исследования в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой приро­ды (хлорофилл, гемоглобин, каратиноиды и др.);2) моделирование строения ферментов и работы мульти-ферментативных путей. На данном этапе развития эта проблема решается чрезвычайно сложно;3) закрепление выделенных из организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции (поглощения);4) изучение и освоение всего каталитического опыта живой природы, в том числе и формирования фермента, клетки, организма, создание аналогов живых систем.

В эволюционной химии существенное место занимает поня­тие «самоорганизация». Существует два подхода к решению про­блем самоорганизации пред биологических систем: субстратный и функциональный.

Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза яв­ляется накопленная информация об отборе химических элемен­тов и структур. Состав элементов-органогенов (углерод, водо­род, кислород, азот, фосфор и сера) невелик, однако их общая доля в организме составляет 97,4%. Из этих элементов состоят органические молекулы, общее число которых в итоге равно 96% от всех молекул на Земле. Известно, что геохимические ус­ловия не играют существенной роли в отборе химических эле­ментов при формировании органических и биологических сис­тем. Определяющим фактором является требование самой био­системы.

С химической точки зрения эти требования сводятся к отбо­ру элементов, причем совершенно определенных типов их изо­топов, способных к образованию прочных и энергоемких свя­зей. В ходе эволюции отбирались только те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективно­сти действия каталитических групп, группировки, обеспечи­вающие процессы переноса электронов и протонов и др.Следующим фрагментом эволюционирующих систем являет­ся развитая полимерная структура типа ДНК и РНК.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, которая в общем виде была выдвинута в 1964 г. про­фессором МГУ А.П, Руденко. Она решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, высоте химической организа­ции и иерархии химических систем как следствии эволюции. Сущность данной теории состоит в утверждении, что хими­ческая эволюция представляет собой развитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом явля­ются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наиболь­шей активностью. Новые катализаторы появляются не путем захвата их из внешней среды, а благодаря саморазвитию. 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 происходят за счет постоянного потока транс­формируемой энергии. А так как главным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающие­ся на основе реакций с самым большим сродством (экзотерми­ческие реакции).Развитие химических знаний уже на сегодняшний день по­зволяет надеяться на разрешение многих проблем, стоящих пе­ред человечеством:1) возможность значительного ускорения химических пре­вращений в «мягких» условиях за счет катализаторов биологического типа; 2) делаются попытки моделирования фотосинтеза: фотолиз воды с получением водорода как самого высокоэффек­тивного и экологически чистого топлива и др.; 3) сегодня созрели условия для создания малоотходных, без­отходных и энергосберегающих промышленных производств.

Вопросы для контроля усвоения материала:

1.В чём состоит основное значение Периодической системы Д.И.Менделеева?

2.Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?

3.От чего зависит динамика химических процессов?

4.Какие вещества называют катализаторами?

5.Какую роль играет катализ в эволюции химических систем?

Лекция 7.

Концептуальное содержание наук о Земле (2 часа)

План:

1. Внутреннее строение и история геологического развития Земли.

2. Современные концепции развития геосферных оболочек.

3. Литосфера как абиотическая основа жизни.

1. Внутреннее строение и история геологического развития Земли. Наша планета – крупнейшая из планет земной группы в Солнечной системе. Она состоит в основном из железа (32,1%), кислорода (30,1%), кремния (15,1%), магния (13,9%), серы (2,9%) и никеля (1,8%), все остальные вещества довольно редки и все вместе составляют не более 1,2%. Чтобы понять, каков состав Земли, нужно взглянуть на обстоятельства ее образования. Современная наука считает, что Земля образовалась вместе с другими планетами Солнечной системы около 4,5 млрд. лет назад из вещества, вращавшегося беспорядочно вокруг юного Солнца. Благодаря магнитному полю, планета захватывала куски и обломки, вращавшиеся рядом, и росла. Сначала это происходило так бурно, что Земля сильно нагрелась – кинетическая энергия притягиваемого вещества превращалась в тепловую. Постепенно с ростом планеты эта энергия образовывалась уже не на поверхности, а в глубине, под влиянием температуры и гравитации вещество расслаивалось – более легкие вещества поднимались на поверхность и образовывали земную кору. По мере того, как Земля охлаждалась, кора затвердевала, а высвобождаемые при этом газы либо улетучивались в космос, либо, если были достаточно тяжелыми, задерживались притяжением планеты и образовывали атмосферу. Часть водяных паров впоследствии сконденсировалась и образовала мировые океаны. Соответственно, широкое распространение получила теория, что Земля состоит из твердого ядра, вязкой мантии и твердой коры. Эту теорию разработали в начале XX в. сейсмологи Г. Джеффрис и Б. Гуттенберг, и долгое время она считалась отправной точкой для всех исследований строения земли. Однако в середине прошлого века тщательные сейсмологические исследования позволили предположить, что строение земли более сложное. Так, ядро состоит из двух частей. Внутреннее ядро твердое, по радиусу оно не превышает 1225 км. Это самая плотная часть Земли, она состоит из металлов, преимущественно железа, а также радиоактивных изотопов калия-40, урана-238 и тория-232. Распад этих элементов обеспечивает образование внутренней энергии тепла планеты. Температура в ядре поднимается, как считается, до 7000 К, а давление достигает 360 ГПа. Внешняя часть ядра жидкая. За ядром следует мантия, составляющая 67% массы Земли и 83% ее объема. Мантия – толща частично расплавленного вязкого вещества, гораздо более плотного, чем внешняя часть ядра планеты, но все еще не твердого. Она состоит из перидотитов – пород, содержащих силикаты магния, железа, кальция. Так как мантия – самый широкий из слоев Земли, то физические условия во всей ее толще неодинаковы. Чем глубже к ядру планеты, тем выше давление, и вещества мантии претерпевают значительные изменения. На глубине примерно 660 км эти изменения становятся необратимыми, и там образуется граница, через которую мантийное вещество уже не может взаимопроникать. Таким образом, мантия разделяется на два слоя – верхний и нижний. Нижний слой простирается до земного ядра, и за все время жизни нашей планеты он претерпел малозначительные изменения, верхний же расположен непосредственно под земной корой и образует ее. Между мантией и корой проходит четкая граница, определяемая исследованием движения сейсмических волн – граница Мохоровичича, названная так по фамилии югославского сейсмолога, обнаружившего ее еще в 1909 г.

Говоря о земной коре, образующей континенты, океаны и сушу, на которой мы все живем, нельзя не рассказать о теории литосферных плит. Наружная часть мантии, на которой расположена кора, является, по сути, перегретой вязкой жидкостью. В ней постоянно происходят тепловые процессы, приводящие к деформации литосферы – каменной оболочки Земли. Литосфера напоминает собой потрескавшееся яйцо, где каждая скорлупка – это литосферная плита. Под влиянием процессов, происходящих в мантии, эти плиты постоянно двигаются относительно друг друга. Еще в XVII вв. людей поражало совпадение береговой линии западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки. Но только теперь наука пришла к пониманию, что некогда эти береговые линии совпадали, образуя один континент, который за миллионы лет раскололся и разошелся по разным полушариям. Крупнейшими литосферными плитами являются африканская, антарктическая, австралийская, тихоокеанская, евразийская, северо-американская и южно-американская, а более маленькими – индостанская, арабская, карибская. Индостанская плита почти приросла к австралийской еще 50 млн. лет назад. Тихоокеанская плита – самая быстрая, она двигается со скоростью около 70 мм в год, а евразийская – самая медленная. Ее скорость не превышает 21 мм в год.