Концепция химической эволюции

Идея эволюции, развитая в химии, возникла и выкристаллизовалась не сразу. Первоначально она расплывалась, растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ. Натурфилософия классической древности не знала различий между процессами химическими и физическими, изменениями агрегат­ного состояния тел и химическими преобразованиями веществ. Стихийная диалектика древних включала в себя учение о всеобщем круговороте веществ на основе взаимных переходов, трансмутации первичных элементов, установленных еще Фалесом, родоначаль­ником греческой науки.

Вот как впоследствии писал об этом Платон в своем диалоге «Тимей»: «Но возьмем для начала хотя бы то, что мы теперь называем водой: когда она сгущается, мы полагаем, что видим рождение камней и земли, когда же она растекается и разрежается, соответственно рождаются ветер и воздух, а последний, возгораясь, становится огнем; затем начинается обратный путь, так что огонь, сгустившись и угаснув, снова приходит к виду воздуха, а воздух опять собирается и сгущается в облака и тучи, из которых при даль­нейшем уплотнении изливается вода, чтобы в свой черед дать начало земле и камням».

Эти натурфилософские представления во многом были заимствованы средневековыми алхимиками и затем включены в систему классического немецкого идеализма. Даже Гегель полагал, что падающие с неба метеориты рождаются путем сгущения воздуха. Алхимики в своих поисках философского камня не только надеялись- найти способ превращения неблагородных металлов в золото, но и рассчитывали создать самодвижущуюся, циклически эволюционирующую химическую систему. Так, Парацельс и его ученики верили, что им при помощи химических выделений и растворений удастся создать микрокосм и «сохранить его в вечном движении». Английский химик Р. Бойль (1627—1691) утверждал, что на основе непрерывной химической реакции ему удалось создать самодви­жущуюся жидкость.

Лавинообразное накопление в XIX в. конкретного материала о тысячах химических соединений потребовало его общего рассмотрения и систематизации. Элементы периодической таблицы Менделеева первоначально рассматривались как неизменные, не связанные друг с другом единой цепью происхождения. Но открытие радиоактивности коренным образом изменило понима­ние периодического закона, вскрыв его внутреннюю эволюционную природу. По утверждению российского химика Б. Кедрова, «идея развития вещества получает теперь новое блестящее под­тверждение; это и есть как раз то новое, что внесла наука XX в. в понятие «химический элемент». Открытие изотопов как разновидностей элементов, равно как и обнаружение радиоактивности, сохранило основу менделеевского определения (место в системе определяет вид атомов), но подорвало разделявшееся Менделеевым дальтоновское истолкование элементов в духе их полной неизменности».

Исторический метод в химии возник в первую очередь в результате прогресса двух ветвей естествознания: геохимии и биохимии. Первая прослеживает действительную судьбу химических соединений в неживой, а вторая — в живой природе. Высшие формы проявления химизма, связанные с функционированием живых систем, исследует ныне целый комплекс наук: биохимия, молекулярная биология, палеобиохимия. Химические превращения, свойственные неорганической природе, являются объектом собственно геохимии и ее многочисленных дочерних наук (гидрохимии, химии атмосферы, радиохимии и др.). Связь между этими областями природы осуществляет созданная В.И. Вернадским биогеохимия, которая рассматривает судьбу химических элементов в поле биологического действия.

Конкретный естественнонаучный подход к решению загадки происхождения жизни был предложен российским ученым А.И. Опариным (1894—1980). Заслуга гипотезы Опарина состоит в том, что в ней биопоэз рассматривается как многостадийный исторический процесс, важнейшей составной частью которого является химическая эволюция вещества от простейших соединений до невероятно сложных молекул белковой природы. Гипотеза Опарина открыла ключ к химическому моделированию процессов формирования исходных молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, углеводов в условиях гипотетической первичной атмосферы Земли. После исследований С. Миллера и других ученых стало известно, что эти важные биоорганические молекулы могут образовываться в самых разнообразных смесях, содержащих комбинации водорода, воды, аммиака, азота, синильной кислоты, углекислого газа, метана и др., под воздействием различных видов излучения.

В космосе были обнаружены такие сложные молекулы, как цианацетилен, ацетальдегид, формамид, метилформиат. Большин­ство молекул, обнаруженных в космосе, непосредственно причаастны к привычным для нас биоорганическим соединениям или очень легко могут трансформироваться в них. Так, цианацетилен при взаимодействии с водой легко может быть превращен в жизненно важную пировиноградную кислоту и также относительно просто в аминокислоту — аланин.

Следующие, более сложные звенья эволюционной цепочки были обнаружены при изучении вещественного состава метеоритов и лунных пород, доставленных с нашего вечного спутника космическими аппаратами. В этих космических телах присутствуют весьма сложные и разнообразные органические молекулы. В лунном грунте и в метеоритах Оргейль, Муррей, Мерчисон обнаружены аминокислоты: глицин, глутаминовая кислота, аланин, аспараги-новая кислота, серин. В метеоритах найдены алифатические и ароматические углеводороды, предшественники нуклеиновых кислот, аденин и гуанин, а также простейший химический предшественник хлорофилла — порфирин.

Дополнительные сведения для восстановления картины химической эволюции дают успехи палеобиохимии и палеоорганической химии, наук об исторической судьбе соединений углерода на протяжении миллиардов лет развития нашей планеты. В древних отложениях, насчитывающих сотни миллионов и миллиарды лет обнаружено множество органических соединений, которые постепенно проливают свет на пути развития жизни (аминокислоты, углеводороды фитан и пристан, порфирины и др.).

Эволюция химических соединений на нашей планете прошла три основные стадии: неорганическую, органическую и биохимическую. Каждая последующая стадия базировалась на предыдущей, исторически вырастала из нее и потом подчиняла себе, становясь ведущей формой развития. Поразительная общность основных кирпичиков жизни (аминокислот, углеводов, нуклеотидов, витаминов) для всех организмов говорит в пользу единого происхождения всего живого.

Проблемы зарождения химических элементов коснулся американский физик российского происхождения Г. Гамов в своей теории «Великий синтез химических элементов при Большом взрыве Вселенной». Он разработал теорию образования химических элементов, согласно которой все вещество изначально состояло из нейтронов. Сталкиваясь, два нейтрона образуют дей­трон (ядро, состоящее из нейтрона и протона) и электрон. Захватывая нейтрон, дейтрон превращается в ядро трития (ядро, содержащее два нейтрона и один протон), которое всвою очередь тоже может захватить нейтрон, и так до образования ядер с массой порядка 250.

Согласно модели Гамова синтез всех элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием квантов и последующим распадом тяжелых ядер. Однако детальные расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование элементов тяжелее Li. На начальном этапе эволюции Вселенной, примерно через 100 с после Взрыва, в термоядерных реакциях образовались лишь самые легкие атомные ядра: изотопы водорода и гелия.

Согласно современным представлениям, образование более тяжелых ядер на этом этапе оказывается невозможным. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. В 1939 г. Г. Бете впервые рассмотрел CNO-цикл как один из путей образования гелия из водорода в звездах. Особенность СNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному добавлению четырех протонов с образованием в конце CNO- циклаядра ⁴He.

М. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 г. дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер:

· горение водорода, в результате которого образуются ядра ⁴ Не;

· горение гелия, в результате которого из 4Hе образуются ядра ¹²С;

· α-процесс, когда в результате последовательного захвата α-частиц образуются ядра ¹⁶0,³⁰Ne, ²⁴Мg, ²⁸Si...;

· е-процесс: при достижении температуры (5*10 ⁹)º К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до F е и Ni. Ядра с Z ~ 60 — наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них кончается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровожда­ющихся выделением энергии;

· процесс: ядра тяжелее Fе образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов, последующий β-распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер, интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов β-распада;

· процесс: если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости β-распада атомного ядра, то оно успевает захватить большое число нейтронов и лишь затем, в результате последовательной цепочки β-распадов, превращается в стабильное ядро (обычно считает­ся, что γ-процессы происходят в результате взрывов сверхновых);

· процесс: некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (b,п) или в реакциях под действием нейтрино;

· процесс: образование легких ядер Li, Ве, В (в то время не был известен; образовавшись в звездах, эти ядра должны были интенсивно разрушаться в реакциях под воздействием протонов). Сегодня считается, что эти ядра образуются в результате взаимодействия космических лучей с космической пылью.

Наиболее подробно разработанным вариантом общей теории химической эволюции и биогенеза является теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем. В общем виде она была выдвинута российским химиком А. Руденко в 1964 г. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, об уровне химической организации и об иерархии химических систем в процессе эволюции. Ряд химических процессов невозможно провести без участия катализаторов. На химическом уровне организации материи возникает способность многократного самоускорения, изменения и развития. Каталитические реакции исключительно разнообразны, многочисленны и являются главным предметом Исследований современной химии.

Свою теорию А. Руденко считает развитием мультиплетной теории катализа А. Баландина. Выделив четыре принципа описания процесса развития (вероятностный, кинетический, термодинамический и информационный), Руденко сформулировал с их помощью основной закон саморазвития: «В процессе развития каталитических систем складываются механизмы конкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитической активности.

Основой существования любой элементарной открытой каталитической системы является базисная реакция и катализатор, способом существования — обмен веществ и энергии базисной реакции, а формой неравновесной структурной и функциональной организации — устойчивый порядок функционирования катализатора (механизм базисной реакции), зависящий только от природы базисной реакции и катализатора. Таким образом, сама химическая эволюция представляет собой последовательное изменение и усложнение механизма (аппарата осуществления) базисной реакции при неизменной природе последней.

Гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необходимых для строительства белка, высказана Эйгеном в работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971). Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарвиновского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Циклы, работающие быстрее и эффективнее остальных, выживают и побеж­дают в конкурентной борьбе. Пищей служат молекулы мономеров, которые поглощаются при полимеризации или в ходе циклов ре­акций. В «первичном бульоне» присутствуют и катализаторы хи­мических реакций, которые образуются в них как промежуточные продукты, т.е. возникает автокаталитическая самоорганизующаяся система.

Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от органического материала, образовавшегося на еще более ранней стадии эволюции Земли. Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планете отодвигается более чем на 4 млрд лет назад.

Таким образом, проблема химической эволюции и биогенеза вызвала своеобразную экспансию других наук в область химии, привнесшую новые для традиционной химии подходы к проблеме и собственное понимание задач исследования и предмета в области химической эволюции. При этом был разработан биохимический подход к проблеме, рассматривающий осуществившуюся когда-то на Земле химическую эволюцию ретроспективно, со стороны био­логии, на основе ее известного конечного результата.

В настоящее время именно успехи «стыковых» (синтетических) наук и направлений обеспечивают фундаментальность современ­ных химических исследований. Химическая картина мира, являясь дополнительной по отношению к представлениям об объективной реальности, формируется в рамках единой системы наук о природе.

В заключение главы отметим факт постоянно возрастающего влияния, которое достижения современной химии оказывают на развитие человечества и окружающей среды в целом.

Важным последствием этого влияния является химизация человеческой деятельности, включающая в себя:

· рост масштабов количества используемых химических веществ, как естественных, так и синтетических (полимерных материалов, полупроводников и др.);

· расширение применения химических технологий и частичная замена технологий механического типа;

· повышение эффективности производства аграрной сферы (создание минеральных и органических удобрений, хими­ческих средств борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур).

Химия во все большей мере ориентируется на создание структур (от микро- до макроуровня), связанных с удовлетворением технологических потребностей. Создаются новые вещества, не встречающиеся в природе (синтетика). Химический синтез приобретает медико-биологическую направленность (получение лекарственных средств, заменителей тканей, антибиотиков и др.).

Химические вещества и технологии являются фактором отрицательного воздействия на биосферу. Традиционные химические технологии связаны с выбросами в природную среду различного рода вредных веществ. Поэтому современные формы химические технологии (относительно замкнутые производственные циклы) позволяют рационализировать использование материальных и энергетических ресурсов, уменьшить выбросы в биосферу, осуществить экологизацию химической технологии.