Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

212

соединений. Существует также классификация химических

соединений по их химическим функциям. Это кислоты и

основания, соли и окислы, спирты и эфиры, альдегиды и кетоны.

Перечисленные классификации не могут отразить объективной

сложности вещества в процессе химической эволюции.

Сложность химического элемента – это все многообразие его

«признаков», т.е. его физическое строение и свойства,

химические сущности и качество, выраженные во всей

совокупности химических свойств.

В качестве критериев сложности химических элементов

предложены два основополагающих признака:

1) способность образовывать многоатомные структуры, в

особенности длинные цепи;

2) способность вступать во взаимодействие с тем или иным

качественным многообразием элементов. Сложность

химического элемента определяется прежде всего тем, какое

количество элементов может интегрироваться на базе этого

элемента, т.е. какое количество элементов входит в состав

образуемых им соединений.

Приведенные критерии сложности для химических

элементов – в настоящ ее время наиболее полные (поскольку

чаще всего считают, что критерием сложности является

структурно генетическое усложнение). Что касается основны х

элементов химической эволюции, развитие и усложнение

которых на молекулярном уровне приводит к образованию

живого, то существует единая точка зрения, что это органогены

(углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера). Органогены –

самые распространенные элементы, и главную роль среди них

играет углерод, что обусловлено его химическими свойствами.

Главное из них заключается в образовании соединения с

огромнейшим числом элементов, в том числе и устойчивых

соединений друг с другом (имеются в виду атомы углерода).

Науке известна лишь жизнь на углеродной основе. Угле-

род – основной элемент органической химии – непрерывно

циркулирует в окружающем нас мире. Мы редко задумываемся

над тем, откуда же он взялся. Но оказывается, что всё живое на

Земле содержит элементы, когда-то входившие в состав звёзд.

Именно в звёздах происходит синтез ядер углерода, а

рассеяние их в космическом пространстве происходит в

результате вспышек Сверхновых. Следовательно, по явлению

213

всего живого должна предшест вовать долгая эволюция звёзд,

родившихся и умерших до рождения нашего Солнца. Следует

отметить, что и сам синтез атомов углерода оказался

удивительным. Пр и полном выгорании водорода в звезде и

переходе его в гелий (Т = 3

К, плотность – 10

кг/м

)

становится возможным синтез ядер углерода из ядер гелия. При

этом должны столкнуться три ядра гелия. Слиянию

способствуют два обстоятельства.

Во-первых, при указанной выше плотности ядер гелия (аль-

фа-частиц) в каждом кубическом сантиметре содержится много.

Во-вторых, для осуществления слияния трёх ядер гелия

необходимо, чтобы ядр о углерода имело возбуждённый уровень

с энергией 7,7 МэВ, так как при взаимодействии трёх альфа-

частиц выделяется именно столько энергии. И такой уровень у

атома углерода, действительно, есть. Интересным является то,

что астрофизики настаивали на существовании этого эффекта

задолго до открытия его физиками. Так как тепловая энергия

внутри звёзд оказалась близкой к необходимой, то синтез ядер

углерода шёл достаточно интенсивно. И, наконец, ядро

углерода образовалось. Но если оно присоединит ещё одну

альфа-частицу, то образуется ядро кислорода (

О). Возникает

угроза того, что углерода может и не быть вследствие

выгорания его и превращения в кислород. Но углерод не может

полностью сгореть внутри звезды, потому что резонансная

энергия ядер атомов кислорода ниже тепловой энергии ядер

углерода. По выражению английского астрофизика Ф. Хойла,

«всё здесь выглядит нарочно п одстроенным».

Углерод, единственный из всех элементов второго периода

периодической системы Д.И. Менделеева, проявляет самую

большую ва лентность – четыре – по обменному механизму

образования ковалентной связи за счет неспаренных

электронов. Как правило, у углерода не наблюдаются ионные

состояния, а наиболее характерным является нейтральное

состояние. Таким образом, при образовании соединений с

другими соединениями углерод имеет заполненную октетную

оболочку инертного газа, что свидетельствует об устойчивости

возникающей связи. Атомы углерода с пособны к образованию

координационно насыщенных макромолекул.

В результате взаимодействия углерода и водорода с

кислородом образуются эфиры, сп ирты, кетоны и различные

214

органические кислоты. Те соединения, в состав которых входит

азот, образуют аминокислотный ряд, и в результате химической

эволюции возникают аминокислоты – основы полипептидного

ряда органических соединений, основных стр уктурных групп

белков.

Перечисленные соединения относятся к классу

органических, их характерной особенностью являетс я

молекулярная форма вещества. Если сравнивать соединения

органической и неорганической химии, то обнаруживается, что

среди последних (неорганических) очень малое их количество

имеет молекулярное строение. Это вода, аммиак, сероводород,

углекислота, водород, метан. В основном же неорганические

соединения обладают структурой в виде и онных решеток,

которые в конечном счете принимают вид кристаллов. Поэтому

чаще всего и считают, что объектом изучения неорганической

химии выступают кристаллы. Кристаллы конкретного вещества

будут иметь одинаковую ионную решетку, в этом заключается их

единство, но размеры могут быть различными. Таким образом,

получается, что в неорганической химии можно выделить

пространственно ограниченные, т.е. молекулярные, и

безграничные, кристаллические, формы вещества. Для

органической химии характерно единство этих форм.

Противоположности на уровне неорганической химии

становятся единством на уровне органической химии и приводят

к появлению нового качества. По отношению к химической

эволюции это означает: «Прогрессивное развитие, или

самоорганизация – внутренне обусловленное, определяемое ее

противоречиями, опосредуемое совокупностью внешних

факторов и ведущее к возникновени ю качественно новых

систем».

К химической форме движения относят атомный,

молекулярный и надмолекулярный уровни, и эволюция

характеризуется тремя этапами – от атома до молекулы, от

молекулы до полимера, от полимера до организма.

Ф. Энгельс подчеркивал, что «... дискретные части раз-

личных ступеней (атомы эфира, химические атомы, массы,

небесные тела) являются различными узловыми точками,

которые обусловливают различные качественные формы

существования всеобщей материи». По отношению к

органической химии такие узловые точки, обусловливающие

215

качественные формы существования материи, – это радикалы,

представляющие устойчивые группы атомов. Они обладают

способностью переходить из одного состояния в другое

неизменными.

Способность радикалов образовывать одинаковые

химические группы в соединениях называется гомологией, она

была открыта в 1842 г. Г. Штилем. Соединения, объединяемые в

гомологические ряды, имеют сходные свойства; свойства внутри

одного и того же ряда закономерно изменяются при изменении

состава соединений на гомологическую разность – группу CH

что дает возможность предсказывать свойства еще неизвестных

соединений определенного ряда на основании известных

свойств соединений того же гомологического ряда.

Гомологическое усложнение молекул приводит к их

качественным изменениям, которые характеризуют одну из

основных особенностей развития, т.е. появление системы с

новым качеством, самоорганизацию системы и направленность

развития, в данном случае от низшего к высшему. Химические

системы саморазвиваются на основе различных свойств,

которые предопределяются их структурными особенностями и

через преемственность в развитии образуют иерархию

различных уровней.

На уровне органической химии начинается усложнение с

простейших веществ и ведет к прогрессивному развитию в

химической эволюции. Основными химическими элементами, с

которых начинается усложнение в гомологических рядах,

являются углерод и водород, критерий сложности этих

элементов п роявляется через способность вступать в

различные типы реакций и образовывать длинные цепи

макромолекул и полимеров. Переход от молекул к

макромолекулам – это уже новый структурный уровень

вещества, более высокий, более сложный по типу организации

химических соединений. Качественно новый уровень отличается

от более низкого, но сохраняет в себе основное противоречие,

которое заложено в природе типичных органических молекул и

заключается в том, что: 1) такие молекулы способны к

многообразным связям с окружающей средой; 2) им внутренне

присуще самодвижение.

Углерод присутствует во многих неорганических

соединениях и во всех органических. «В способности

216

выдержать, вынести противоречие» – тайна углеродных

соединений как носителей жизни», и таким образом можно

объяснить способность химических соединений к саморазвитию

и самоорганизации на всех структурных уровнях. Это,

несомненно, один из важных этапов химической эволюции, но в

то же время необходимо отметить, что не все системы более

низкого структурного уровня полностью эволюционируют в

высшие, чем и объясняется существование систем различного

уровня организации. В химической эволюции, аналогично

биологической, тоже существует фактор отбора. Хотя отметим,

что на самых ранних стадиях предбиологической химической

эволюции «отбор» не означал ничего другого, как проявление

тенденций, присущих исходным материалам, самим

взаимодействовать с энергией и с окружающей средой на

основании общих законов. Концепция отбора в данном случае

неприменима совсем. «Предопределенная упорядоченность» –

более удачный термин. Но тем не менее, применени е термина

«отбор» вполне правомерно. Решение этой проблемы включает

в себя термодинамический подход, информационный,

кинетический, каталитический, биологический отбор химических

элементов и отбор стр уктур.

Естественный отбор в химической эволюции – это

«творческое сито», которым пользовалась природа, чтобы

постепенно, шаг за шагом ставить каждый раз на все более

высокую ст упень химической организации только такие системы,

которые выделялись своими особыми качествами, а именно:

максимальной мобильностью как внутренних связей между

элементами, так и связей с внешним окружением. Поэтому

появляется значительно большая вероятность возникновения

тех систем, которые обладают способностью на протяжении

какого-то времени существовать в условиях непрерывного

взаимодействия с окружающей средой, и проявляется важность

качественной особенности химических систем, поскольку

эволюционировать могли лишь некоторые из них. Отсюда

следует, что направленность химической эволюции зависит как

от внутреннего, так и от внешнего.

При изучении химических процессов внешнее определяет

состояние всей системы, поскольку постоянные условия могут

поддерживать сколь угодно долго состояние химического

равновесия или вызывать в результате внешнего воздействия

217

любые изменения. Для начала любой, самой простой реакции

требуется внешнее воздействие. Необходимость внешней

энергии для поддержания химического процесса на планете

связана с тем, что сам по себе он конечен, ограничен, склонен к

затуханию. К внеш ним факторам, оказывающим влияние на

химическую эволюцию, относятся конкретные для каждого

случая температура, давление, катализаторы, сами химические

соединения и различного рода излучения. При этом следует

отметить, что внешние факторы могут влиять на химические

соединения какого-то одного уровня и не оказывать такого же

воздействия на соединения другого уровня. Но самое главное в

том, что когда начинается процесс химического взаимодействия

под влиянием внешних факторов, то они становятся условиями

протекания процесса и из внешних становятся внутренними. В

любом случае взаимодействие внешних и внутренних факторов

приводит к возникнов ению качест венно новых систем с более

высоким уровнем организации, а направление химической

эволюции определяется в основном, если не постоянно, теми

ограничениями, которые присущи самим реагирующим

молекулам.

Изучение молекулярной формы вещества позволило

открыть качественно новые химические соединения – полимеры,

что свидетельствует об усложнении вещества на уровне

химической формы движения материи. Полимеры качеств енно

отличаются от других веществ, поскольку состоят из цепей, и в

их структуре объединены два противоположных агрегатных

состояния вещества, т.е. жидкое и твердое. Такая структура

характеризует качественно новое состояние вещества, при

котором сильно возрастает роль межмолекулярных

взаимодействий, позволяющих образовывать новые

структурные формы полимеров, что невозможно в случае

многополимерных молекул. Макромолекулы, образующие

полимеры, объединяются в длинные цепи, звенья которых

представляют группы из химически связанных атомов. Эти

звенья могут быть одинаковыми, разными, могут чередоваться и

объединять в своем составе сотни тысяч.

По сравнению с молекулами, макромолекулы отличаются

очень большим количеством групп из химически связанных

атомов и тем, каким образом они связаны между собой.

Различие существует и в том, что в молекуле изменение одного

218

атома влечет за собой изменение свойств всей молекулы, а у

макромолекулы количество химически связанных атомов можно

уменьшить или увеличить, но свойства ее при этом почти не

меняются. Это объясняется тем, что на уровне макромолекул

возникает но вое качество, характеризуемое более высоким

уровнем организации, на котором образуются различные

конфигурации одной и той же молекулы путем поворота,

свертывания атомных цепей и их изгиба, что влечет за собой

возможность создания мостиковых групп и сближение удельных

функциональных групп. Подобные изменения конфигураций

макромолекул лежат в основе механизмов биохимических

процессов. Общую природу с этими явлениями представляют

собой денатурация и ренатурация белка, а также закручивание и

раскручивание спиралей нуклеиновых кислот и некоторые

иммунохимические процессы. Установлено, что изменение

конфигурации макромолекулы обусловливает передачу

нервного импульса, большое количество ферментативных

реакций и мышечное сокращение.

К новому качеству по сравнению с молекулами относится и

свойство звеньев макромолекул, находящихся друг от друга на

значительном расстоянии, относительно самостоятельно

участвовать в разного типа химических процессах, но при этом

сохранять свою целостность. Сами по себе радикалы, из

которых состоят макромолекулы, очень реакционноспособны и в

обычных условиях существуют очень короткое время, но когда

они входят в состав химического соединения (например,

макромолекулы), то проявляют поразительную устойчивость.

Устойчивость макромолекулы проявляется как внутреннее

свойство. Под воздействием внешней среды в таких системах

начинается взаимодействие, в результате чего возникают

качественно новые системы, т.е. продолжается процесс

самоорганизации химических соединений в процессе

химической эволюции. Устойчивость систем – один из факторов

химической эволюции, поскольку неустойчивые системы

распадаются еще до того, как может начаться их

взаимодействие. Этим объясняется тот факт, что далеко не все

химические системы способны эволюционировать, существуют

системы различных структурных уровней организации.

Самоорганизация на уровне химической формы движения

219

материи осуществляется за счет физико-химических

превращений.

В основе химической эволюции заложена тенденция

саморазвития, внутренне обусловленная существованием

противоположностей в химических соединениях. В структуре

всех органических соединений заложена как бы двойственная

природа, заключающаяся в том, что они одновременно

являются основанием и кислотой, и это противоречие

обусловливает большое разнообразие их свойств и

возможностей взаимодействий и превращений. Кроме этого, для

соединений органической химии характерно наличие

противоположных процессов синтеза и распада, полимеризации

и деполимеризации, электрофильных и нуклеофильных

превращений. Прослеживается общее для всей материи

единство устойчивости и изменчивости, покоя и процесса.

Познание основных закономерностей зарождения и

развития макромолекул позволяет выявить основные тенденции

перехода от химических структур к биологическим.

Двойственная природа химических соединений

обусловлена двойственной реакционной способностью

вещества, определяющей направление реакции. Реа кционная

способность, объединяя в себе состав, строение и те факторы,

которые вступают в сил у только после начала химического

процесса, являются выражением внутренней возможности

вещества. На основе возможностей, которые объединяет в себе

реакционная способность, происходит большое количество

реакций и образование новых веществ, соверш енно не

соответствующих структуре исходных. Таким образом,

происходит образование веществ с более высоким уровнем

организации, усложнение вещества в ходе химической

эволюции.

Направленность химической эволюции от атомов к

молекулам, далее – к полимерам характеризуется постоянным

качественным усложнением вещества, в результате которого

появляется совершенно новое качество – живое, принципиально

отличающееся от всего существовавшего ранее, но вместе с

тем основывающееся на физико-химических превращениях

вещества. В некотором смысле живые системы можно сравнить

с хорошо налаженным фабричным производством: с одной

стороны, они являются вместилищем многочисленных

220

химических превращений, а с другой – демонстрируют

великолепную пространственно-временную организацию с

весьма неравномерным распределением биохимического

материала.

Белковые вещества являются полипептидами,

содержащими около двадцати различных аминокислотных

остатков, соединенных друг с другом в произвольной

последовательности и образующих бесчисленное множество

изомеров. Из 20 различных аминокислот можно образовать 2

439 902 008 176 640 000 комбинаций. Последовательность

аминокислот определяют физические, физико-химические и

биологические свойства белков, т.е. белки обладают и

химической, и биологической индивидуальностью. То же

относится и к нуклеиновым кислотам, которые являются

полимерами, построенными из мономеров нуклеотидов.

В 1976 г. В. Фирс (Бельгия) определил полную химическую

структуру первого живого организма – бактериофага MS

вывел его химическую формулу. Он представлял собой нить

РНК из 3569 нуклеотидов, 180 одинаковых белковых молекул и 1

молекулы А-белка, которая определяла форму оболочки

организма. В настоящее время расшифрованы структуры более

100 нуклеиновых кислот. Белковые тела обладают тончайшей

химической индивидуальностью. Именно такие соединения

представляют химическую основу жизни.

Развитие вещества на уровне химической формы движения

материи достигает такой высокой степени организации

структурных образований, что являетс я качественно новым

типом целостности с новыми свойствами – свойствами живого.

Происходит переход от химической формы движения к

биологической, которая становится главной. Граница между

живой и неживой природой проходит на уровне клетки,

поскольку она представляет собой единственную известную нам

материальную систему, обладающую всей полнотой свойств

жизни. Только целая клетка обладает свойствами

саморегуляции и самовоспроизведения. Она несет в себе

запись генетической информации, представляющей собой итог

эволюционного развития вида и основу всей его будущей

эволюции. Установлено, что главные процессы в организме

основаны на физико-химических превращениях, т.е. они входят

в биологическую форму движения, но начинают приобретать

221

новую специфику, становятся биохимическими и

биофизическими в соответствии с новым типом целостности

живой системы. Получается, что химическое как таковое

остается, но начинает подчиняться биологическим

закономерностям. В основе живого лежит химия биополимеров,

в первую очередь химия белков и нуклеиновых кислот, но на

уровне живого у них появляется целый ряд качественно новых

свойств, которые невозможно выявить на уровне химической

формы движения материи.

Между химической и биологической формами движения

прослеживается структурно-генетическая связь, эволюционный

переход от более низкой формы движения материи к более

высокой. Соответственно трансформируются и законы,

характерные для химической формы движения материи, одни из

них вообще перестают действовать или не имеют уже важного

значения, другие же приобретают еще большее значение, и

область их применения увеличивается. На каждой ступени

господствуют другие законы, т.е. другие формы проявления

одного и того же универсального движения. Таким образом,

абсолютно всеобщим значением обладает одно лишь движение.

Химическая эволюция достигает высшей стадии на уровне

предбиологических систем, а затем происходит переход к

живому и в действие вступают законы биологической эволюции.

Физические и химические законы на уровне неживой и живой

материи едины, но различаются по способам их проявления. На

уровне живого наблюдается связь с предбиологическими

системами через эволюционирующий химизм, заложенный в

основе живого. Именно в способности химизма

эволюционировать и заложена возможность перехода на

совершенно новый качественный уровень развития вещества –

на уровень биологической формы движения материи.

Осуществляется химический эволюционизм через саморазвитие

и самоорганизацию химических систем. Самоорганизация на

уровне химических систем является следствием физико-

химических взаимодействий. «По мере повышения уровня

самоорганизации систем развивается их отражательная

функция – способность к взаимоотражению. Это й способности

предстоит сыграть ведущую роль именно в биологических

системах, а в химических системах отражение и тесно связанная

с ним информация не играют определяющей роли», поскольку