Новоженов В.А. Концепции современного естествознания
Подождите немного. Документ загружается.
222
«информация, рассматриваемая как отраженное разнообразие
взаимодействующих систем, выступает в неорганических
системах не как причина самоорганизации, а как ее следствие.
Поэтому причину и направление самоорганизации в
неорганической природе необходимо усматривать в исходном,
развертывающемся и становящемся взаимодействии, одной из
главнейших сторон которого и выступает информация, но не в
информации самой по себе».
В процессе химической эволюции на молекулярном уровне
(от атомов к молекулам и далее к полимерам, т.е.
предбиологическим системам) наиболее важную роль играют
химические процессы, поскольку осуществляется развитие от
низшего к высшему, от простого к сложному на уровне
химических реакций, с химическими веществами, образующими
белковые молекулы – основу сложных биологических структур.
В результате различного рода взаимодействий происходит
усложнение вещества, образование систем с новым качеством,
что обусловливает одну из специфических черт химической
науки, отличающую ее от других областей знания. К характерной
черте химического процесса относится образование нового
качества.
Все химическое состоит из трех элементарных частиц (про-
тон, нейтрон и электрон) и образует 112 химических элементов.
В основе живого заложены 6 элементов органогенов (углерод,
водород, кислород, азот, фосфор, сера) и 12 химических
элементов (натрий, калий, кальций, магний и т.д.), которые могут
образовывать биополимеры. Все живое состоит из 20 а-амино-
кислот L-ряда, 5 пуринов и пиримидинов, нескольких
моносахаридов D-ряда, фосфорной кислоты, воды и некоторых
других. Высшая ступень неорганической природы в настоящее
время представлена биоорганическими соединениями –
рибонуклеиновыми кислотами, нуклеотидами, белками,
ферментами, обеспечивающими обмен веществ. На каждой
фазе космической эволюции от возникновения элементов до
появления пр отоклеток наблюдается явное стремление
преимущественного развития в направлении живых систем,
основанных на углероде, тенденции химической эволюции
выходят из тех или иных химических и физических соединений
углерода.
223
Возникновение живого представляет соб ой качественный
скачок, при котором происходит образование
предбиологической системы из химических соединений атомно-
молекулярного уровня, сопровождающееся дальнейшим
развитием такой системы, основанной на физико-химических
превращениях. Поэтому любое биологическое свойство имеет в
своей основе соответствующее свойство физико-химического
уровня – способность хранения биоинформации – способность к
ковариантной редупликации, матричный синтез макромолекул;
мутабильность – подвижность, заменяемость звеньев
макромолекулярной цепи; устойчивость генетического кода –
стабильность ядерного остова макромолекул и т.д.
Химическую эволюцию на молекулярном уровне можно
представить в виде ряда этапов, характеризущихся
усложнением вещества от простейших неорганических и
органических молекул к малым биомолекулам, затем к сложным
органическим соединениям и биополимерам, далее происходит
образование надмолекулярных систем биополимеров, а их
усложнение приводит к образованию живого. Молекулярный
аспект химической эволюции выявляет усложнение химических
веществ на основе их самоорганизации, а затем начинают
проявляться основные принципы самоорганизации, характерные
для биологической формы движения материи. Закономерности
перехода от неживого к живом у осуществляются только через
усложнение химизма, через химические превращения, которые
лежат в основе биологических закономерностей.
Огромную роль в химической эволюции сыграл катализ.
Катализом называется изменение скорости химических реакций
под действием катализаторов, веществ изменяющих скорость
химических реакций, участвующих в промежуточном химическом
взаимодействии, но восстанавливающих свой химический
состав после каждого цикла взаимодействия Именно участие в
процессах эволюции каталитических систем, особенно воды,
смогло обеспечить не только ускорение тех или иных
химических процессов, но и усложнение химических веществ.
К ж ивому через каталитические системы
Глубинный механизм химических превращений можно
постичь, в частности, через химическую реакцию как одну из
224
возможностей химического существования. В связи с этим
наблюдается тенденция перехода от структ урных теорий к
кинетическим. Структурные теории изучают состав, свойства и
структуру вещества, т.е. что превращается. Кинетические
теории дают ответ на то, каким образом п роисходят
превращения, позволяют выявить глубинный механизм
химизма. Во всех современных теориях эволюции отмечается,
что различным ст упеням эволюционирующих систем отвечали
различные по уровню типы катализа. Высшей ступени эволюции
соответствует высокоспецифический катализ посредством
белков и ферментов.
Ферментативный катализ осуществляется белковыми
молекулами ферментов, находящимися в живом организме или
выделенными из него. На основе учения о катализе произошло в
некотором роде объединение органической химии и биохимии,
т.е. взаимообогащение двух наук, заключающееся в том, что
через биологические катализаторы живых систем в химии стали
изучать пространственную и временную организацию сложных
химических превращений. Это потребовалось для установления
функциональных характеристик каталитических систем, в
первую очередь способных к саморегуляции. Возможность
создания высокоспецифичных аналогов биокатализаторов,
обладающих всеми свойствами ферментов, но действующих в
других условиях, по-прежнему еще далеко не полностью
реализована.
Биологические катализаторы-ферменты в 10
6
–10
10
раз
активнее небиологических катализаторов и обладают
избирательностью при протекании той или иной реакции. К
достоинствам биологических катализаторов относится и то, что
они способствуют процессам, протекающим в природе при
обычных давлении и температуре.
Н.Н. Семенов в своих исследованиях в области цепных
реакций установил, что значительное количество химических
процессов в своей основе – это сложные многоактные
превращения, в которых решающую роль играют довольно
реакционноспособные короткоживущие промежуточные
продукты. Особенно выделяются свободные радикалы, ионы и
комплексы. Это активные центры, которые создаются из
реагирующих молекул. От того, как они образуются и как ведут
себя, во многом зависят скорость и механизм химических
225
процессов. Химическая реакция является многокомпонентной и
многофакторной системой, включающей состав, активность и
специфику действия катализатора, реакционную способность,
энергию активации, активированный комплекс и т.д.
Активированный комплекс выступает как центральное, узловое
понятие современной теоретической химии, во-первых, потому,
что обладает всеобщностью: нет межмолекулярного
химического процесса, в том числе и каталитического, который
не проходил бы через эту стадию; во-вторых, переходное
состояние является узловым понятием теоретической химии
потому, что концентрирует вокруг себя все ее методы, все
подходы к решению химических задач – от квантово-
механических до сугубо эмпирических. Его анализ требует и
физических, и химических, и биогенетических методов
исследования. Тем самым переходное состояние становится
центральным связующим звеном между физикой и биологией.
Переход от физической формы движения материи к
биологической происходит с помощью химических реакций,
включающих в себя этап переходного состояния, который,
будучи моментом химического самодвижения, реализует
истинную диалектику химизма; в не м материя напряжена,
беспокойна, активна, противоречива. Изучение переходного
состояния представляет собой, образно говоря, «изучение
анатомии скачка от старого к новому в развитии материи, ...
обнаружение того, как же осуществляется переход
количественных изменений в качественные в сфере химизма.
Исследование этой анатомии зависит от специфических
особенностей объекта».
На уровне переходного состояния вещество начинает
обретать черты нового качества, и проявляется направленн ость
химической реакции за счет того, что все время уменьшается
величина энергии для начальных компонентов и увеличивается
для тех, которые образуются.
Механизм химической реакции наиболее глубоко
разработан на основе кинетических теорий и явлений катализа,
о чем, в частности, свидетельствует тот факт, что «семеновские
уравнения разветвленных химических реакций описывают
горение и взрыв, они воплощены в работе атомного реактора, в
атомной и водородной бомбах, в теории раковой опухоли ...
Семеновские уравнения охватывают не отдельные явлен ия, а
226
всю природу в целом». Общим для всех химических реакций
можно назвать то, что механизм реакции, т.е. процесс
химического превращения, включает в себя несколько
отдельных соединений, связанных друг с другом; в любой
реакции всегда на каком-то этапе образуется активированный
комплекс (переходное состояние); наиболее активными в
химическом процессе выступают такие химические частицы,
которые способны к саморазвитию и являются моментом
химического самодвижения.
В классическом катализе природа, активность и
специфичность катализатора, механизм каталитического акта и
каталитического действия считаются постоянными величинами.
Результаты исследований показали, что существуют явления,
при которых происходят физические и химические изменения
катализаторов в процессе катализа, и при этом наблюдается
энергетическое сопряжение процессов. Такие явления относятся
к области простейших проявлений саморазвития каталитических
систем, выявляющих в основном функциональный (в данном
случае кинетический) аспект химической эволюции.
Самые значительные результаты в этой области
достигнуты А.П. Руденко, изучившим особенности
всевозможных микроскопических и макроскопических объектов
химии для обнаружения в них комплекса свойств, необходимых
для прогрессивной химической эволюции. На основе теории
саморазвития открытых каталитических систем стало
возможным выявить основной закон эволюции каталитических
систем, специфику их организации и основные этапы
предбиологической эволюции. Обнаружено, что элементарные
открытые каталитические системы обладают тем необходимым
комплексом свойств, которые являются объектами химической
эволюции, и что любое свойство живого обязательно имеет
своего предшественни ка в свойствах нежи вых открытых
каталитических систем. Сущность химической эволюции
заключается в процессе необратимых последовательных
изменений элементарных от крытых каталитических систем.
Объектом химической эволюции являетс я элементарная
открытая каталитическая система, в ней сочетаются структ уры,
образующие единый химический континуум. Выявлена общая
эволюционная закономерность, т.е. принцип, по которому
осуществляется самоорганизация каталитических систем. Эт а
227
закономерность сводится к принципу наибольшей вероятности и
наибольшей скорости осуществления наиболее прогрессивных
каталитических путей развития каталитических систем.
На основе выявленной закономерности определены
главные особенности процесса саморазвития каталитических
систем и становится известным направление, по которому с
наибольшей вероятностью, при соответствующих условиях,
может происходить саморазвитие каталитических систем, а
также причины этого процесса и его механизм. По мнению А.П.
Руденко, установленные закономерности можно считать
основным законом эволюции каталитических систем, принципом
их самоорганизации, который можно сформулировать «... как
принцип наибольшей степени превращения центров катализа на
наиболее прогрессивном пути развития каталитических систем».
В настоящее время установлено четыре типа элементарных
химических систем – это элементарные некаталитические и
каталитические; элементарные открытые некаталитические и
каталитические системы. Переход от простых каталитических
систем к более сложным связан с появлением нового качества,
характеризующего степень организации кинетической сферы
сложной каталитической системы, т.е. усложняющегося в
процессе эволюции.
В эволюционном катализе по сравнению с классическим
обнаружены изменения самих катализаторов – кристалло-струк-
турные и адсорбционно-физические; в результате эволюция на
основе неорганических соединений переходит в эволюцию с
участием органических соединений, и увеличиваются
возможности эволюц ионных превращений.
Все объекты химического познания можно разделить на
объекты с равновесной структурной организацией вещества (мо-
лекулы и другие полиатомные образования, характеризуемые
устойчивым порядком взаимодействия атомов, т.е. со
статической структурой) и объекты с неравновесной структурной
организацией вещества. К ним относятся элементарные
химические системы, которые можно характеризовать как
переходные состояния в динамике, где, как правило, можно
фиксировать все простр анственно-временные фазы перехода от
начала химического процесса до получения конечного
результата. Такие химические системы с динамической
структурой на первый взгляд тоже стремятся к динамическому
228
уравновешиванию. Самодвижение к равновесному состоянию
наблюдается для всех систем на уровне неживой природы.
Например, для каталитических процессов переход в наиболее
равновесное состояние происходит по своим законам, и из всех
возможных процессов протекают наиболее вероятные. Их
эволюция направлена на то, чтобы процессы ускорялись и
достигали динамического равновесия. Равновесие в химии
позволяет выявлять новое качество системы в какой-то
конкретный промежуток времени. В процессе химической
эволюции наблюдается парадоксальная ситуация, при которой
системы все более удаляются от равновесия, и их характерным
свойством становится стационарное неравновесие.
Наиболее общая закономерность для эволюции на уровне
химической формы движения материи – самоорганизация,
проявляющаяся через эволюцию каталитических систем. В
процессе химической эволюции А.П. Руденко отмечает ряд
закономерностей, которые как бы выражают частные
проявления закона эволюции. К ним относятся: определенный
ход изменений состава и строения центров катализа в
направлении образования нового качества, определяемого
кинетическим и энергетическим законами развития;
последовательность смены этапов эволюции; превращени е
простых каталитических систем в сложные; уменьшение
термодинамической устойчивости каталитических систем и
формирование охранных механизмов, пространственной
ограниченности и надструктуры сложных каталитических систем
и т.д.
Эволюцию каталитических систем в виде физико-химичес-
ких форм проявления основного закона можно представить как
последовательно сменяющие друг друга этапы,
характеризуемые усложнением организации и возникновением
нового качества. Простые каталитические системы
эволюционируют в сложные, монофункциональные центры
катализа – в полифункциональные, простая базисная
каталитическая реакция – в сеть связанных с нею и между собой
последовательных реакций; простейшие гомогенные системы,
состоящие из неорганических веществ, – в гомогенные системы
неорганических и органических веществ, а затем снова к
микрогетерогенным системам органических катализаторов и т.д.
В состав микрогетерогенных систем могут входить органические
229
вещества, типичные составные части организмов (белки,
полинуклеотиды, липиды, углеводы). При переходе от
химической эволюции к биологической все особенности
вещественного состава, неравновесной структурной и
функциональной организации систем, типа обмена веществ,
вновь приобретенные свойства и функции – все, что входит в
понятие природы и химического поведения элементарных
открытых каталитических систем, переходит в готовом виде к
живым системам, составляя их фундаментальные свойства. У
живых систем появляется при этом всего лишь одно
специфическое свойство точной пространственной
редупликации систем в целом, дальнейшее развитие и
усложнение которого представляет внутреннее физико-
химическое содержание последующей биологической эволюции.
Концепция А.П. Руденко – новое направление в науке, где
на основе естеств енно-исторического подхода разработана
теория эволюционного катализа, явившегося основой
эволюционной химии. В качестве объекта эволюции
рассматривается не молекула, а элементарные открытые
каталитические системы, образующие единый кинетический
континуум. Химическая эволюция с таких позиций предстает как
самоусложняющийся химический процесс, протекающий в
элементарных открытых каталитических системах. Высший этап
химической эволюции сложных каталитических систем
заканчивается, если система достигает способности к
самовоспроизведению.
На уровне живого огромное количество химических
процессов проходит таким образом, что они являются не только
выражением химизма, но и образуют качественно новую
целостность, обусловленную генетически, функционально,
морфологически взаимодействием между клетками, тканями и
органами. Биохимические превращения в процессе
метаболизма – это химические реакции, которые в первую
очередь происходят по законам химической на уки. Вместе с тем
такие реакции протекают не изолированно, как бы это было на
уровне химической формы движения, а включены в общую
систему метаболизма. Они (химические реакции) должны
подчиняться новому типу целостности – живому, с учетом его
взаимодействия со средой. На основе физико-химических
превращений осуществляются биологические функции живого, и
230
в процессе взаимодействия со средой начинают зарождаться и
развиваться те новые закономерности, которые в дальнейшем
будут направлять развитие не только живого организма, но и
всего органического мира.
На уровне биотической формы движения материи
появляются качественно новые свойства, их не может быть на
уровне физической или химической форм. К ним относятся:
особенности биологического обмена веществ, специфика
химического состава живой материи, саморегулирование при
протекании биохимических превращений, специфическая
организация системного протекания жизненных процессов,
специальные механизмы хранения и переработки информации,
целесообразность жизненных систем. На уровне биологической
формы движения материи происходит как бы «биологизация»
высокоорганизованных химических систем, т.е.
предбиологических. Новая информация, поступающая в мозг,
закрепляется благодаря синтезу химических соединений.
Наследственная информация, которая передается от родителей
к детям, записана химическим языком. Именно
последовательностью нуклеотидов в генах (в блоках молекулы
ДНК) и аминокислот определяется строение и работа клеток,
тканей, органов. Биологическая эволюция является
порождением общей эволюции Все ленно й и основана на
химической эволюции. Химия, как и все науки о природе,
изучает не только законы естественной природы, но и тех
явлений, которые возникли в результате деятельности
человека. Исследователь-естественник XX в. далеко ушел от
идиллического представления старомодного натуралиста,
который надеялся проникнуть в тайны природы, подстерегая
бабочек на лугу. Кардинально изменилась и познавательная
ситуация, характеризующаяся взаимодействием субъекта,
объекта, условий и средств познания , в ней значительно
возрастает активность субъекта. Сбывается предвидение К.
Маркса, что «естествознание включит в себя науку о человеке в
той же мере, в какой наука о человеке включит в себя
естествознание: это будет одна наука».
231
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Что мы называем Вселенно й?
2. Каковы размеры Вселенной?
3. Какие единицы для измерения расстояний во Вселенной мы
используем?
4. Что означает выражение «световой год»?
5. Какие теории возникновения Вселенной Вам известны?
6. Как рассматривается пр облема образования Вселенной в
Библии?
7. Поясните суть теории Большого взрыва.
8. Какие основные этапы развития Вселенной произошли после
Большого взрыва?
9. Какие экспериментальные факты можно привести в
доказательство теории Большого взрыва?
10. Как Вы понимаете эффект Допплера?
11. Могут ли образовываться звезды во Вселенной в наше
время?
12. Какие известные галактики входят в нашу Вселенную?
13. Сколько звезд может видеть человек невооруженным
взглядом?
14. Какие приборы применяют астрономы для исследования
космоса?
15. Какие ученые-астрономы Вам известны?
16. Как Вы считаете, есть ли космический разум?
17. Есть ли жизнь на других планетах в Космосе, кроме Земли?
18. Какие теории образования планет Солнечной системы Вы
знаете?
19. Какие планеты входят в состав Солнечной системы?
Назовите их.
20. Какие космические тела, кроме планет, входят в состав
Солнечной системы?
21. Какие ученые разработали геоцентрическую систему?
22. Какой ученый доказал, что Солнце является центром
Солнечной системы?
23. Какие реакции служат источником энергии Солнца?
24. Какие химические элементы обнаружены на Солнце?
25. Какой элемент был впервые обнаружен на Солнце?
26. Какой вклад внесли советские и российские ученые в
исследование Солнечной системы?