Взаимосвязь химии и биологии

Общеизвестно, что химия и биология долгое время шли каж­дая своим собственным путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма.

Резкое укрепление взаимосвязи химии с биологией про­изошло в результате создания А.М. Бутлеровым теория хими­ческого строения органических соединений. Руководствуясь этой теорией, химики-органики вступили в соревнование с природой. Последующие поколения химиков проявили большую изобретательность, труд, фантазию и творческий поисках направленном синтезе вещества. Их замыслом было не только подражать природе, они хотели превзойти ее. И сегодня мы можем уверенно заявить, что во многих случаях это удалось.

Поступательное развитие науки XIX в., приведшее к рас­крытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами прак­тические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке, над вопросами о характере хи­мических процессов в живых тканях, об обусловленности биологических функций химическими реакциями.

Если посмотреть на обмен веществ в организме с чисто хи­мической точки зрения, как это сделал А.И. Опарин, мы уви­дим совокупность большого числа сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между добей во времени, протекают не случайно, а в строгой последовательности, в результате чего образуются длинные цепи ре­акций. И этот порядок закономерно направлен, к постоянно­му самосохранению и самовоспроизведению всей живой систе­мы в целом в данных условиях окружающей среды.

Словом, такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реа­гировать на изменения внешней среды, связаны с определен­ными комплексами химических превращений.

Значение химии среди наук, изучающих жизнь, исклю­чительно велико. Именно химией выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемогло­бина как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена струк­тура нуклеиновых Кислот и т.д. Но главное заключается в том, что объективно в самой основе биологических процес­сов, функций живого лежат химические механизмы. Все

функции и процессы, происходящие в живом организме, ока­зывается возможным изложить на языке химии, в виде кон­кретных химических процессов.

Разумеется, было бы неверным сводить явления жизни к химическим процессам. Это было бы грубым механистиче­ским упрощением. И ярким свидетельством этого выступает специфика химических процессов в живых системах по срав­нению с неживыми. Изучение этой специфики раскрывает единство и взаимосвязь химической и биологической форм движения материи. Об этом же говорят и другие науки, воз­никшие на стыке биологии, химии и физики: биохимия — наука об обмене веществ и химических процессов в живых организмах; биоорганическая химия — наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих жи­вые организмы; физико-химическая биология как наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне, а также биофизика, биофизическая химия и радиа­ционная биология.

Крупнейшими достижениями этого процесса стали опре­деление химических продуктов клеточного метаболизма (об­мена веществ в растениях, животных, микроорганизмах), установление биологических путей и циклов биосинтеза этих продуктов; был реализован их искусственный синтез, сдела­но открытие материальных основ регулятивного и наслед­ственного молекулярного механизма, а также в значитель­ной степени выяснено значение химических процессов» энер­гетике процессов клетки и вообще живых организмов.

Ныне для химии особенно важным становится примене­ние биологических принципов, в которых сконцентрирован опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в течение многих миллионов лет, опыт создания наиболее со­вершенных механизмов и процессов. На этом пути есть уже определенные достижения.

Более столетия назад ученые поняли, что основой исклю­чительной эффективности биологических процессов являет­ся биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. В ней появится новое управление химическими процессами, где начнут применяться принципы, синтеза себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые дале­ко превзойдут существующие в нашей промышленности.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойства­ми, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рам­ках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в не­органическом мире сталкиваются с серьезными ограничени­ями. Пока речь может идти только о моделировании некото­рых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а так­же частично-практического применения выделенных фермен­тов для ускорения некоторых химических реакций.

Здесь самым перспективным направлением, очевидно, являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, для чего нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермен­та, клетки и даже организма.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитиче­ских систем, в самом общем виде выдвинутая профессором МГУ А.П. Руденко в 1964 г., является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Она решает вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, то есть о законах хи­мической эволюции, об отборе элементов и структур и их при­чинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Теоретическим ядром этой теории является положение о том, что химическая эволюция представляет собой самораз­витие каталитических систем и, следовательно, эволюцио­нирующим веществом являются катализаторы. В ходе реак­ции происходит естественный отбор тех каталитических цен­тров, которые обладают наибольшей активностью. Самораз­витие, самоорганизация я самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформи­руемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развива­ющиеся на базе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии, но и ору­дием отбора наиболее прогрессивных эволюционных измене­ний катализаторов.

Развивая эти взгляды, А.П. Руденко сформулировал ос­новной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых проис­ходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая «нестацио­нарная технология», то есть технология с меняющимися ус­ловиями реакции. Сегодня исследователи приходят к выво­ду, что стационарный режим, надежная стабилизация кото­рого казалась залогом высокой эффективности промышленнoro процесса, является лишь частным случаем нестационар­ного режима. При этом обнаружено множество нестационар­ных режимов, способствующих интенсификации реакции.

В настоящее время уже видны перспективы возникнове­ния и развития новой химии, на основе которой будут созда­ны малоотходные, безотходные и энергосберегающие промыш­ленные технологии.

Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в буду­щем (не повторяя в точности природу) можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химически­ми, процессами, где начнут применяться принципы синтеза себе подобных молекул. Предвидится создание преобразовате­лей, использующих с большим КПД солнечный свет, превра­щая его в химическую и электрическую энергию, а также химическую энергию в свет большой интенсивности.

Для освоения каталитического опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленном производ­стве химики наметили рад перспективных путей.

Первый — развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объек­ты живой природы. Этот катализ обогащается приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также способами классического гетерогенного катализа.

Второй путь заключается в моделировании биокатализа­торов. В настоящее время за счет искусственного отбора струк­тур удалось построить модели многих ферментов характери­зующихся высокой активностью и селективностью, иногда' почти такой же, как и у оригиналов, или с большей просто­той строения.

Правда, пока все же полученные модели не в состоянии заменить природные биокатализаторы живых систем. На данном этапе развития химических знании проблема эта реша­ется чрезвычайно сложно. Фермент выделяется из живой системы, определяется его структура, он вводится в реакцию для осуществления каталитических функций. Но работает непродолжительное время и быстро разрушается, поскольку является выделенным из целого, из клетки. Цельная клетка со всем ее ферментным аппаратом — более важный объект, чем одна, выделенная из нее деталь.

Третий путь к освоению механизмов лаборатории живей природы связывается с достижениями химии иммобилизо­ванных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорб­ции, которая и превращает их в гетерогенный катализатор и обес­печивает его стабильность и непрерывное действие.

Четвертый путь в развитии исследований, ориентиро­ванных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи — изучением и освоением всего каталити­ческого опыта живой природы, в том числе и формирования фермента, клетки и даже организма. Это ступень, на которой основы эволюционной химии как действенной науки с ее рабочими функциями. Ученые утверждают, что это движение химической науки к принципиально новой химической технологии с перспективой создания аналогов живых систем. Решение названной задачи займет важней­шее место в создании химии будущего.

Заключение

Современная химия представлена множеством различных направлений развития знаний о природе вещества и способах его преобразования. В то же время химия является не просто суммой знаний о веществах, а высоко упорядоченной, посто­янно развивающейся системой знаний, имеющей свое место в ряду других естественных наук.

Химия изучает качественное многообразие материальных носителей химических явлений, химической формы движе­ния материи. Хотя структурно она пересекается в определен­ных областях и с физикой, и с биологией, и с другими есте­ственными науками, но сохраняет при этом свою специфику.

Одним из наиболее существенных объективных оснований выделения химии в качестве самостоятельной естественно­научной дисциплины является признание специфичности химизма взаимоотношения веществ, проявляющегося, прежде всего, в комплексе сил и различных типов взаимодействий, обусловливающих существование двух- и многоатомных со­единений. Этот комплекс принято характеризовать как хи­мическую связь, возникающую либо разрывающуюся в ходе взаимодействия частиц атомного уровня организации мате­рии. Для возникновения химической связи характерно зна­чительное перераспределение электронной плотности по сравнению с простым положением электронной плотности несвя­занных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи. Эта особенность наиболее точно отделяет химическую связь от разного рода проявлений межмолеку­лярных взаимодействий.

Происходящее ныне неуклонное возрастание в рамках естествознания роли химии как науки сопровождается быст­рым развитием фундаментальных, комплексных и приклад­ных исследований, ускоренной разработкой новых материа­лов с заданными свойствами и новых процессов в области технологии производства и переработки веществ.

Литература

1. Большой энциклопедический словарь. Химия. М., 2001.

2. Грушевицкая T.T., Садохин А.П. Концепции современного естествознания. М., 1998.

3. Концепции современного естествознания. Под. ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. М., 1997.

4. Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденции развития. М., 1989.

5. Кузнецов В.И., Идлис ГМ., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

6. Молин Ю.Н. О роли физики в химических исследования. Методологические и философские проблемы химии. Но­восибирск, 1981.

7. Химия//Химический энциклопедический словарь. М., 1983.