Эволюционная химия и пребиотическая эволюция

Главная > Эволюция природы > Эволюция вещества > Органическая химия
Вращающийся фуллерен

Факты, не укладывающиеся в рамки существующих теорий, особенно ценны для науки. (А. М. Бутлеров).

В 1987 году Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен, основатель супрамолекулярной химии, ввёл понятие супрамолекулярной самоорганизации и самосборки для описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений. Супрамолекулярной самосборкой является процесс спонтанной ассоциации двух и более компонентов, приводящий к образованию супермолекул или полимолекулярных ансамблей, происходящий за счет нековалентных взаимодействий. Этот процесс был описан при изучении спонтанного образования неорганических комплексов (двойных геликатов), протекающего как процесс самосборки. Наиболее известным проявлением самосборки в живой природе является самосборка молекул нуклеиновых кислот, матричный синтез белков.

Разделы страницы о химиической эволюции и эволюционной химии:


Эволюционная химия - учение об эволюционном катализе

Эволюционная химия — четвёртая концептуальная система химии, связанная с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов.

Одним из первых открытий, которые относят к эволюционной химии, является эффект самосовершенствования катализаторов в реакциях, исследованный в работах американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингем в 1958—1960 гг. В 1964—1969 гг. советский химик А. П. Руденко, учитывая это открытие, создал теорию саморазвития открытых каталитических систем. В работах немецкого химика М.Эйген была развита теория гиперциклов, объясняющая объединение самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические химические циклы. Теория гиперциклов является абиогенетической теорией химической эволюции и происхождения жизни. (Из Википедии - Эволюционная химия)

Кроме того, эволюционная химия опирается на супрамолекулярную химию, т.к. рассматривает также взаимодействие целых ансамблей органических молекул (и неорганических минералов) между собой.

Эволюционная химия зародилась в 1950 1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что служит идеалом для многих химиков.

Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в XIX веке, остается основополагающей и сегодня. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия. Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты – это биологические катализаторы.

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».

Наука считает, что только шесть элементов – углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера (C, H, O, N, P, S) составляют основу живых систем, из-за чего они 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, бор (Na, K, Ca, Mg, Fe, Zn, Si, Al, Cl, Cu, Co, B). Особая роль отведена природой углероду, атом которого способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе 6 органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 миллионов [!] различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.

Чтобы открыть секреты природы, приведшие к появлению жизни, химики ищут различного рода природные катализаторы, которые помогают веществу самоорганизовываться. К этой идее различными путями пришли также геология, геохимия, космохимия, термодинамика, химическая кинетика. 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. 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 происходит 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 саморазвития каталитических систем дает следующие возможности:

Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика. Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности. Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне 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 все предпосылки для появления живого из неживой природы. Жизнь во всем ее многообразии на Земле, самопроизвольно появившись из неживой материи, сохранилась и функционирует миллиарды лет. Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.

Проблема пребиотической эволюции [абиогенной самоорганизации]

Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — этап предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углерод-содержащие молекулы.

Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.

Четвертую концептуальную химическую систему и, вместе с тем, верхнюю границу современной химии образует учение об эволюционном катализе, или эволюционная химия. Своим возникновением эта теоретическая система обязана открытым в 60-е годы прошлого века советским химиком А. П. Руденко элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС), закономерности развития, а, точнее, саморазвития которых связаны с необратимым изменением катализаторов. Эти открытия, сделанные еще в рамках третьей концептуальной химической системы, послужили основанием для перехода химического знания на принципиально новый, более высокий уровень развития. Вообще говоря, саморазвитие и необратимость демонстрируют не только ЭОКС, но и целый ряд других химических процессов, таких как колебательные, периодические, процессы, приводящие к образованию диссипативных структур и т.д.

Поэтому область исследований, образующих сегодня верхнюю границу современной химии, более обширна и включает целый ряд теоретически и эмпирически обоснованных концепций химической эволюции. К ним относятся

Эти концепции существенно изменили наши взгляды на химическую эволюцию и обосновавшие 4-ю концептуальную систему химии как учение о высших формах химизма.

Термин “химическая эволюция” был введен в науку М. Кальвином в 50-х годах. Отражая складывающиеся в естествознании и философии представления о развития вещества, М. Кальвин выделил следующие 4 основных этапа развития материи:

Пионерской была работа А. И. Опарина, предложившего коацерватную теорию происхождения жизни. Заслуга гипотезы Опарина состоит в том, что в ней происхождение жизни рассматривается как многостадийный исторический процесс, важнейшей составной частью которого является химическая эволюция вещества от простейших соединений до невероятно сложных молекул белковой природы.

Гегель сделал еще один шаг в понимании химизма как процесса развития. Он считал что органические и неорганические процессы надо связать едиными понятими: “Если бы химический процесс мог продолжаться сам собой, он и был бы жизнью”.

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.

Включение в химическую науку принципа историзма явилось одним из решающих факторов поворота химических исследований к проблеме химической эволюции.

  1. Во-первых, возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. Выяснилось, что использование таких катализаторов приводит к тому, что химические системы начинают самопроизвольно изменяться в сторону химических систем с еще более высокой степенью организации.
  2. Во-вторых, в самой каталитической химии постепенно накапливается все больше эмпирического материала, не укладывающегося в рамки классической кинетики о неизменности состава, энергетических параметров и специфичности действия катализаторов. Появляется большое число работ, результаты которых свидетельствуют о физических и химических изменениях катализаторов, о самоприспособлении их к требованиям базисной (основной) каталитической реакции.

Первую брешь в традиционном взгляде на каталитические процессы пробила работа американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингема, которые в 1958-1960 годах открыли и детально исследовали совершенно необычное для каталитической химии явление самосовершенствования катализаторов в реакциях, которые обычно приводили к их отравлению и дезактивации. Тем самым было установлено наличие реакций, способных “сами для себя” перестраивать катализатор в сторону повышения его активности.

Наконец, приблизительно в те же годы стала накапливаться информация о колебательных химических реакциях, история исследования которых начинается еще в середине XIX века. В 80-х годах XX века, однако, в науке уже обозначилась позиция, ставящая колебательные химические реакции на передний край исследований. Б. П. Белоусовым и позднее А. М. Жаботинским было изучено поведение химической реакции окисления лимонной кислоты броматом калия в присутствии катализатора – пары ионов трех- и четырехвалентного церия, получившей название “химические часы”. Периодическое поведение этой реакции заключалось в самопроизвольном переходе ее в режим концентрационных колебаний – реакционная среда меняла свой цвет с красного на синий с периодом около минуты.

Как говорил А. М. Бутлеров, факты, не укладывающиеся в рамки существующих теорий, особенно ценны для науки. Вновь открытые факты в области исследования каталитических, колебательных, периодических реакций потребовали пересмотра целого ряда принципов химической кинетики и замены их новыми. Эти принципы следующие:

Эти принципы представляют собой нечто новое в самой теоретической химии. Совершенно очевидно, что именно здесь находятся истоки той новой концептуальной системы химии, которая получила название “эволюционной химии”. Объектом ее исследования выступают открытые самоорганизующиеся химические системы, находящиеся в состоянии, далеком от равновесного. Развитие таких систем протекает путем образования нарастающей упорядоченности, т.е. в направлении систем, все более и более организованных.

Наибольший интерес с точки зрения химической эволюции представляют теории самоорганизации И. Р. Пригожина и А. П. Руденко. Результаты их исследований: когерентной самоорганизации макросистем в результате процесса диссипации энергии и самоорганизации микроскопических ЭОКС в результате внутренних рабочих процессов базисной обменной реакции были опубликованы практически одновременно. Так как при этом рассматривались по существу разные объекты и разные типы самоорганизации, обсуждение и развитие этих идей проходило до некоторого времени независимо. Необходимость их совместного обсуждения и сопоставления возникла при попытках установления связей процессов самоорганизации с процессами прогрессивной химической эволюции, сопровождающейся естественным отбором и приводящей к возникновению жизни.

По мнению самого А. П. Руденко, при объяснении сущности явлений саморазвития и прогрессивной химической эволюции и биогенеза выявились принципиальные различия в эвристической ценности идей обоих авторов. Дело в том, что с позиций концепции эволюционного катализа дается описание основных этапов прогрессивной химической эволюции и критериев перехода от неживых ЭОКС к простейшим живым организмам. В теории неравновесных диссипативных структур И. Пригожина рассматриваются только явления самоорганизации сами по себе и только для случая макросистем. Так как ни один вид макросистем с когерентной самоорганизацией не способен к прогрессивной эволюции (биогенезу), то поиски единого подхода к теоретическому описанию того и другого явления оказываются тщетными.


Главная
Химия : Алхимия | Атомы | Аналитическая химия | Неорганическая химия | Органическая химия | Физическая химия | Надмолекулярная химия | Нефтехимия | Материаловедение | Справочники | Публикации по химии
Связанные по теме страницы: Месторождения золота
На правах рекламы (см. условия):    


© «Сайт Игоря Гаршина», 2002, 2005. Пишите письма (Письмо И.Гаршину).
Страница обновлена 14.10.2015
Я.Метрика: просмотры, визиты и хиты сегодня