В основе концепции эволюционной химии, которая получила свое развитие только в последней трети ХХ века, лежит принцип самоорганизации химических систем. Основной смысл этого принципа состоит в возможности использования опыта химических знаний для создания высокоорганизованной живой материи. Поэтому под эволюционной химией понимают раздел химической науки, который изучает процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений. Одной из особенностей таких соединений является то, что они имеют принципиально более сложную и высокоорганизованную структуру по сравнению с исходными веществами. Важнейшей стадией процессов, протекающих в живых организмах, является биокатализ. Поэтому эффективность развития эволюционной химии зависит от использования методов биологического катализа. Длительное время механизм действия биокатализаторов сводился к механизму действия обычных химических катализаторов (так как при реализации биокатализа можно использовать известные законы химической кинетики). Затем стала преобладать биологическая концепция, предложенная французским биохимиком Пастером (1822-1895). Ее главные положения основаны на представлениях эволюционного катализа и молекулярной биологии, которые могут быть сформулированы следующим образом:
1) многие физические и химические законы описывают как процессы, протекающие в неживой природе, так и физиологические процессы в живых организмах;
2) по своему составу, строению и структуре биополимерные молекулы представляют собой единый набор для всех живых существ;
3) специфика живых (то есть открытых) систем проявляется, главным образом, на молекулярном уровне.
|
|
Это последнее положение означает, что молекулярные особенности ферментов и биополимеров (их структура, свойства и функции) обусловлены особым механизмом действия биокатализаторов, необычными свойствами биополимеров (структура которых и генетический ход взаимосвязаны) и тем, что многие реакции в организмах могут происходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. Отсюда следует концепция, смысл которой состоит в том, что в живых системах часто происходят такие химические превращения, которые не наблюдаются внеживой природе. Обусловлено это, прежде всего, участием в жизнедеятельности организмов ограниченного числа определенных химических элементов. Установлено, что основу живых существ составляют семь элементов (органогенов): углерод, кислород, водород, азот, кальций, фосфор и сера, массовая доля которых в биологических системах составляет более 97%. За ними по важности для функционирования организмов следуют еще шестнадцать элементов: натрий, калий, марганец, магний, железо, алюминий, медь, цинк, кобальт, кремний, никель, ванадий, молибден, селен, йод и хлор, массовая доля которых составляет около 1,5%. Из известных в настоящее время примерно 10 млн химических соединений около 95% составляют органические вещества, но в построении биологической системы участвуют лишь несколько сотен; это – аминокислоты, простые и сложные жиры, различные ферменты, углеводы, полипептиды, полисахариды, полинуклеиновые кислоты и некоторые другие. Каждое из них осуществляет строго определенную функцию.
Дополнение.
|
|
Химическая эволюция, или абиогенез, протекала в три этапа. Первый этап – синтез низкомолекулярных органических соединений (мономеров) из газов первичной атмосферы; второй этап – полимеризации мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот; третий этап – образование фазово-обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами.
В процессе развития нашей планеты происходил отбор химических элементов в биотических и абиотических системах.
Определяющими факторами в отборе химических элементов выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям: а) способность образовывать прочные и энергоемкие химические связи; б) эти связи должны быть лабильными, т.е. способны к образованию новых разнообразных связей. Вот почему углерод отобран из многих других элементов как органоген № 1. Название органогенов получили такие элементы в химии, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Основу живых существ составляют семь элементов (органогенов).
Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем в самом общем виде является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Данная теория была разработана в 1964 г. А.П. Руденко. Она решает вопрос о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствие эволюции. По мере усложнения состава и структуры химических систем роль каталитических процессов усиливалась.
|
|
Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и следовательно эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.
Третий уровень химического знания. Учение о химическом процессе.
Способность к взаимодействию у различных реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций.
К условиям протекания химических процессов относятся термодинамические (характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и т.п.) и кинетические факторы.
Термодинамические факторы влияют преимущественно на направленность химических процессов. Способы управления скоростью химических процессов и механизмы их протекания рассматривает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость протекания химических процессов от множества структурно-кинетических факторов:
- строения исходных реагентов и их концентрации,
- наличия в реакционной среде катализаторов (или ингибиторов) и других добавок,
- способов смешивания реагентов,
- материала и конструкции реактора и т.д.
Влияние такого типа факторов на ход химических реакций может быть сведено и к катализу, т.е. к положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.
Катализ – это процесс изменения скорости или возбуждения химической реакции (ускорения) веществами-катализаторами, которые участвуют в реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Вещества, замедляющие химическую реакцию, называются ингибиторами.
Катализ был открыт в 1812 г. российским химиком К.Г.С. Кирхгофом. Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:
• гетерогенный катализ – химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора;
• гомогенный катализ – химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;
• электрокатализ – реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;
• фотокатализ – реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенного излучения.
Катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.
Применение катализаторов изменило всю химическую промышленность. Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (60-80%) основана на каталитических процессах.
С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).
В современных условий одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах – создание методов управления этими процессами. Поэтому сегодня химическая наука занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.
Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 ºС. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока, поэтому они очень производительны.
Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине ХХ в. Предметом ее разработок стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.
Еще одна область развития учения о химических процессах – химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм – к химии сверхвысоких давлений. Высокие давления используются в химии с начала ХХ в. Но в последнее время используются установки, в которых достигается давление 5000 атм, а испытания проводятся при давлении 600 000 атм, которое достигается за счет ударной волны при взрыве в течение миллионной доли секунды. При ядерных взрывах возникают еще более высокие давления.
При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 10² - 10³ атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 10³ - 10 атм – между твердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства вещества. Например, при давлении 20 000 атм металл становится эластичным, как каучук.
Четвертый уровень химического знания. Эволюционная химия.
Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.
Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.
Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.
Определяющими факторами в отборе химических элементов выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям: а) способность образовывать прочные и энергоемкие химические связи; б) эти связи должны быть лабильными, т.е. способны к образованию новых разнообразных связей.
Сегодня также ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.
В рамках функционального подхода также изучается ролькатализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем.
Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.
На основе этих наблюдений профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразованав общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, об уровне химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.
Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и следовательно эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.