5 Эволюционные проблемы в химии.

Эволюционная химия вошла в науку и практику сравнительно недавно — в 50-60-х годах. Если биологи к тому времени широко использовали эволюционную теорию Дарвина, то химики не про­являли активного интереса к происхождению видов, составляю­щему сущность эволюционной теории. Не без оснований счита­лось, что получение любого нового химического вещества всегда было делом рук и достоянием разума человека: молекулы нового химического соединения конструировались по законам структур­ной химии из атомов и атомных групп, как здание строится из кирпичей или блоков. Живые же организмы подобным образом собрать нельзя. Но, несмотря на это, назревали эволюционные проблемы и для химических объектов, связанные с самопроиз­вольным (без участия человека) синтезом новых химических со­единений — более сложных и высокоорганизованных продуктов по сравнению с исходными веществами. В этой связи эволюцион­ную химию считают предтечей биологии — наукой о самоорганиза­ции и саморазвитии химических систем.

Истоки эволюционной химии уходят в далекое прошлое. Они связаны с давнишней мечтой химиков, освоить опыт ла­боратории живого организма и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Первым ученым, осознавшим важность исключительно высокой упорядоченности, организованности и эффективности процессов в живых организмах, был один из основателей органической химии, шведский ученый Якоб Берцелиус (1779—1848). Именно он впервые установил, что основой лаборатории живого организма является катализ, а точнее, биокатализ. Идеально совершен превращения посредством катализа способна производить лаборатория тория живого организма — так считали немецкий ученый Ю. Либих (1803—1873), французский естествоиспытатель М. Бертло (1827—1907) и многие другие химики XIX в.

Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно разработать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука раз­работала ряд методов — изучение и использование приемов жи­вой природы, применение отдельных ферментов для моделиро­вания биокатализаторов, освоение механизмов живой природы, развитие исследований с целью применения принципов биоката­лиза в химических процессах и химической технологии. В эволюционной химии существенное место отводится про­блеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «от­ражает законы такого существования динамических систем, ко­торое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или матери­альной организации».

Для того чтобы начала действовать биологическая эволюция, природа на Земле создала необходимые химические элементы. Они возникают при очень высоких температурах при протекании ядер­ных реакций синтеза химических элементов. В начале образуются ядра протия (протоны), потом ядра гелия, бериллия, углерода, азо­та, кислорода и далее в определенной последовательности при соответствующих условиях другие элементы.

При температуре около 10¹⁰ степени по Кельвину возрастает и кинетическая энергия частиц звездной массы до такой степени, что силы гравитации не в состоянии удержан, частицы вещества вместе и происходит взрыв звезды и ее последующее охлаждение. В этих условиях большая часть возникших элементов не может участвовать в ядерных реакциях, и они остаются стабильными. При понижении температуры Земли ниже 5000 градусов по Кельвину вступает в силу химическая эволюция, которая дает различные хи­мические соединения образовавшихся химических элементов.

В процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для появления ЖИЗНИ и се функ­ционирования. Из более 100 химических элементом, открытых к настоящему времени, многие принимают участие и жизнедеятель­ности живых организмов. Наука же считает, что только шесть эле­ментов — 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 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт и бор. Еще около 20 элементов участвуют в жизнедеятель­ности живых систем в зависимости от среды обитания и состава питания.

Не менее важно и то обстоятельство, что все элементы, участ­вующие в построении живых систем и их функционировании, распределены по всей поверхности Земли. Таким образом, жизнь возникала в любом месте на Земле, где для этого создавались бла­гоприятные условия. В космосе же преимущественно господству­ют два элемента — водород и гелий, а остальные существуют в виде примесей и составляют ничтожно малую массу.

Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент спосо­бен организовать связи с элементами, противостоящими друг дру­гу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различ­ных химических соединений, обнаруженных к настоящему вре­мени; из них 96% приходится на органические соединения.

Из такого количества органических соединений в строительст­ве биомира задействованы природой всего несколько сотен. «Из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РHK лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за на­следственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах».

Химики стремятся открыть секреты природы. Как она из та­кого ограниченного количества химических элементов и химиче­ских соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс — биосистему? Ответ на этот вопрос может дать воз­можность из имеющихся в избытке химических продуктов полу­чать необходимые, дефицитные, например из загрязняющего ат­мосферу СО₂ — сахар и т.д.

Поиски различного рода природных катализаторов позволяют химикам сделать ряд выводов (к лому различными путями при­шли также геология, геохимия, космохимия, термодинамика, хи­мическая кинетика):

1. на ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Условия высоких температур — выше 5000 градусов по Кельвину, электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния;

2. первые проявления катализа начинаются при смягчении условий ниже 5000 градусов по Кельвину и образовании первичных тел;

3. роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия (главным образом температура) приближались к земным.

Но общее значение катализа (вплоть до образования более или менее сложных органических молекул) все еще не могло быть высоким;

4. появление таких даже относительно несложных систем, как СН₃ОН; СН₂ = СН₂; НС = СН; Н₂СО; НСООН; НС = N, а тем более оксикислот, аминокислот и первичных Сахаров, было свое­ образной некаталитической подготовкой старта для большого катализа;

5. роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т.е. известного количественного минимума 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.

Функциональный подход к объяснению предбиологической эво­люции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профес­сором Московского университета А.П. Руденко. Используя ра­циональность субстратного и функционального подходов, она отвечает на вопросы о «движущих силах и механизме эволюци­онного процесса, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции».

Пока только эта теория в состоянии определить новую кон­цептуальную систему, которая выходит за пределы учения о со­ставе, структурной химии и учения о химических процессах. «Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, сле­довательно, эволюционирующим веществом являются катализа­торы». В основе этой теории лежит утверждение о том, что про­цесс саморазвития химических катализаторов двигался в сторону их совершенствования, шел постоянный отбор все новых катали­заторов с большей реактивной активностью.

Открытый А.П. Руденко основной закон химической эволю­ции гласит, что эволюционные изменения катализатора 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. Такие системы разрушают химическое равновесие и в результа­те являются инструментом отбора наиболее устойчивых эволю­ционных изменений в катализаторе.

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 катализа; дать конкретную характеристику пределов химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химиче­ских систем, — нестационарная кинетика. На ее основе разраба­тывается теория управления нестационарными процессами. Уже наработанные в этой области эмпирические материалы приводят исследователей к выводу, что стационарность режима катализа­торов является лишь частным случаем нестационарности. Появ­ляются сведения о том, что нестационарные режимы создаются искусственно и способствуют интенсификации реакций в катали­заторах.

Развитие химических знаний позволяет надеяться на разреше­ние многих проблем, которые встали перед человечеством в ре­зультате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельно­сти. Предполагается значительное ускорение химических превра­щений за счет освоения катализаторов будущего на принципиаль­но новой основе, бережное и полное использование всех видов углеводородного сырья, а не только нефти, создание полностью безотходных производств.

Химическая наука уже имеет предпосылки для получения во­дорода из воды как самого высокоэффективного и экологически чистого топлива, для организации промышленного производства по получению широкого спектра органических продуктов из уг­лекислого газа, а также для промышленного производства раз­личных материалов, где вместо углеводорода будут использовать­ся фторуглероды. Химическая наука ставит своей целью создание самых экономичных и экологически чистых производств и уже имеет для этого определенный потенциал.

На своем высшем эволюционном уровне химическая наука углубляет представления о мире. Концепции эволюционной хи­мии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорга­низации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убеди­тельным аргументом, подтверждающим научное понимание про­исхождения жизни во Вселенной.

Химическая эволюция на Земле создала вес предпосылки для появления живого из неживой природы. А Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализо­ваться. Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле само­произвольно из неживой материи, она сохранилась и функциони­рует уже миллиарды лет. Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования, а ЭТО ВО многом 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.

6 Химическая экология.

Проблема окружающей среды включает вопросы не только чисто научного плана, но и экономического, политического, право­вого, социального, эстетического. Термины «охрана окружающей среды», «охрана природы», «защита окружающей среды стали на сегодня обыденными, но они отражают лишь отдельные стороны реально существующей и сложной проблемы, названной пробле­мой окружающей среды.

Основная суть проблемы окружающей среды выражается в том, что человечество благодаря своей трудовой деятельности превра­тилось в столь мощную природопреобразующую силу, что дейст­вие этой силы стало проявляться много быстрее, чем ход естест­венной эволюции биосферы. Другими словами, в век научно-тех­нического прогресса воздействие человека на окружающую среду стало настолько соизмеримым с мощными силами природы, что* сама природа .уже не в состоянии справляться с нарушениями экологического равновесия, которые приняли угрожающий размах. Химические аспекты проблемы окружающей среды составляют самостоятельный и важный раздел современной химии, названный химической экологией. Химическая экология включает вопросы, связанные с химическими процессами, протекающими в системе «человек и биосфера», с химическим загрязнением биосферы и его влиянием на экологические равновесия, с характеристикой основ­ных химических загрязнителей и способов определения степени загрязнения, с химическими методами борьбы с загрязнением окружающей среды, с изысканием новых экологически чистых источников энергии.