Размещено на http: //www. allbest. ru/
Содержание
В условиях современной научно-технической революции, начавшейся в сороковых годах XX века, возник глубокий экологический кризис. Вопрос о химических основах человеческого существования приобрел особую остроту, так как нарастающие химические загрязнения внешней и внутренней среды живого ставят под угрозу само существование биологической жизни и человечества на Земле. Необходимость целостного подхода ко всей совокупности химических факторов среды привела к формированию особой научной дисциплины - химической экологии.
Одним из предшественников современной химической экологии был академик В.И. Вернадский. Он разработал учение о ноосфере - особой, постоянно расширяющейся части природы, преобразованной действием человеческого разума («ноо», или «нус» по-древнегречески означает разум). Трудовая деятельность человека, подчеркивал В.И. Вернадский, все больше и больше преобразует геологическую форму материи (которая, как известно, слагается из химических веществ). «Ноосфера, - пишет выдающийся русский ученый, - есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область всей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед ним открываются все более и более мирские творческие возможности... Что касается наступления ноосферы, то эмпирические результаты такого «непонятного» процесса мы видим на каждом шагу. Минералогическая редкость - самородное железо вырабатывается теперь в миллиардах тонн. Никогда не существовавший на нашей планете самородный алюминий производится теперь в любых количествах. То же самое имеет место по отношению к почти бесчисленному множеству вновь создаваемых на нашей планете искусственных химических соединений (биогенных «культурных» минералов). Масса таких искусственных минералов непрерывно возрастает. Все стратегическое сырье относится сюда. Лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и, главным образом, бессознательно. химический биологический материя ноосфера
Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все ее природные воды. В результате роста человеческой культуры в XX в. все более резко стали меняться прибрежные моря и части океана.
В настоящее время идеи В.И. Вернадского о влиянии социальной формы материи на химическую получили более детальную разработку.
1. Теория химической эволюции
Идея взаимосвязи между необратимыми реакциями и процессом развития подробно разработана бельгийским физико-химиком российского происхождения, лауреатом Нобелевской премии 1977 г. И. Пригожиным. В применении к химической форме материи его описание процесса развития может быть выражено следующими положениями. Система с большим числом взаимодействующих элементов (например, молекул А и В) способна находиться либо в состоянии, близком к равновесию, либо в сильно неравновесном состоянии. Во втором случае, при удалении от равновесия, система «теряет свой иммунитет к возмущениям» и становится неустойчивой. Если эти возмущения (например, химические реакции с нелинейными стадиями, в частности автокатализ) оказываются достаточно сильными, то система достигает так называемой точки бифуркации (разветвления). В точке бифуркации система делает реальный выбор - развитие должно пойти дальше только по одному из двух (или нескольких) первоначально возможных взаимоисключающих направлений. В периоды между областями бифуркаций поведение системы жестко детерминировано.
Однако выбор направлений дальнейшего развития, проходящий в точке бифуркации, не может быть предсказан заранее на основе каких-либо законов природы. Невозможен и возврат к старому состоянию системы, которое было до бифуркации. Подобные точки выбора, делающие дальнейшую эволюцию системы необратимой и непредсказуемой, неизбежно присутствуют в любом процессе развития. Поэтому «необратимость есть источник порядка на всех уровнях. Необратимость есть тот механизм, который создает порядок из хаоса» и, можно добавить, формирует также сам процесс прогрессивного развития. «Историческая» траектория, по которой эволюционирует система при увеличении управляющего параметра, - пишут И. Пригожий и И. Стенгерс, - характеризуется чередованием устойчивых областей, где доминируют детерминистические законы, и неустойчивых областей вблизи точек бифуркации, где перед системой открывается возможность выбора одного из нескольких вариантов будущего. И детерминистический характер кинетических уравнений, позволяющих вычислить заранее набор возможных состояний и определить их относительную устойчивость, и случайные флуктуации, «выбирающие» одно из нескольких возможных состояний вблизи точки бифуркации, теснейшим образом взаимосвязаны. Эта смесь необходимости и случайности и составляет «историю» системы». Развитие природы (в том числе химического вещества) рассматривается, таким образом, как результат накопления необратимых изменений.
Наиболее подробно разработанным вариантом общей теории химической эволюции является в настоящее время теория саморазвития открытых каталитических систем А.П. Руденко. Он считает процесс химической эволюции неотделимым от явления катализа. Объектом химической эволюции является не отдельная молекула, а каталитическая система.
Катализ - это специфически химический способ изменения вещества, явление ускорения химических реакций с помощью специальных веществ. Вещество-катализатор не расходуется в ходе реакции, не входит в субстрат продукта, но ускоряет ход процессов порой в тысячи раз. Ряд химических взаимодействий вообще невозможен без соответствующих катализаторов. Наиболее сложным случаем катализа является автокатализ, возникающий при обратном каталитическом воздействии продукта реакции на вступающие в нее исходные вещества. В химической форме материи, таким образом, впервые возникает своеобразная способность многократного самоускорения изменения и развития.
Каталитические реакции крайне разнообразны и многочисленны. Это главный предмет исследования современной химии. Почти весь экспериментальный и теоретический материал, которым она располагает, относится преимущественно к каталитическим реакциям.
Теория эволюционного катализа А.П. Руденко основана на мультиплетной теории катализа А.А. Баландина, в которой идея химической эволюции еще не была предметом специального исследования. Основные положения теории А.А. Баландина сводятся к трем главным выводам.
1. Катализ может быть только положительным, т.е. катализаторы увеличивают скорость реакции.
2. Катализаторы способны ориентировать реакции в одном из возможных направлений.
3. Катализаторы химически взаимодействуют с реагентами и создают промежуточный (мультиплетный) комплекс, обладающий свойствами переходного состояния (по терминологии Ю.А. Жданова - активированный комплекс). А.П. Руденко называет такой промежуточный комплекс элементарной каталитической системой. Если каталитическая реакция сопровождается постоянным притоком извне новых реагентов, отводом готовых продуктов и выполнением еще некоторых условий, реакция может протекать неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы, согласно А.П. Руденко, приобретают статус элементарных открытых каталитических систем (общепринятое обозначение - ЭОКС). В работах А.П. Руденко изложена детально разработанная им теория саморазвития открытых каталитических систем. Выделив 4 феноменологических принципа описания процесса развития (вероятностный, кинетический, термодинамический и информационный), А.П. Руденко формулирует с их помощью основной закон саморазвития ЭОКС: с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются наиболее прогрессивные пути развития каталитических систем, связанные с ростом абсолютной каталитической активности.
В процессе развития каталитических систем складываются механизмы конкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитической активности. Возникает явление автокатализа: продукты реакции выступают как катализаторы, ускоряющие ее дальнейшее протекание. Благодаря автокатализу реакции становятся самоускоряющимися. На некоторой ступени развития ЭОКС достигается так называемый первый кинетический (температурный) предел саморазвития, когда рост абсолютной скорости базисной реакции начинает лимитироваться постоянным уровнем температуры в системе. Преодолевается первый кинетический предел за счет превращения отдельных монофункциональных центров катализа в полифункциональные: иными словами, эти центры (то есть отдельные ЭОКС) приобретают способность осуществлять одновременно не один, как раньше, а два или несколько полных цикла базисной реакции. При дальнейшем развитии ЭОКС достигает второго кинетического предела саморазвития, обусловленного тем, что скорость реакции начинает лимитироваться концентрацией реагирующих веществ. Способом преодоления второго кинетического предела «является формирование механизма пространственного структурного разобщения однородно полифункциональных сложных центров катализа, приводящего к точной пространственной редупликации сложных каталитических систем, к их пространственному разъединению и последующему самостоятельному существованию». Самовоспроизведение, или точная пространственная редупликация, - это уже механизм не химической, а биологической эволюции. Он является, по существу, главным способом роста любых живых тканей: с матрицы, роль которой выполняет молекула ДНК или РНК, считывается наследственная информация, и на основе этой информации строится новая молекула. Поэтому второй кинетический предел - это предел добиологической химической эволюции вообще. С достижением способности к самовоспроизведению завершается высший этап прогрессивной химической эволюции сложных каталитических систем. Вместе с тем исчерпываются все возможности добиологической эволюции простых и сложных каталитических систем, определяемые законами химии, и начинается биологическая эволюция.
Можно, таким образом, сделать вывод, что теория А.П. Руденко заполняет важный пробел в учении о развитии материального мира. Разработанные ранее эволюционные модели (коацерваты А.И. Опарина, автокаталитические системы М. Кальвина, микросферы С. Фокса) слабо объясняли причины и движущие силы эволюционного процесса - оставалось неясно, почему должна осуществляться добиологическая эволюция, в чем состоит ее основной принцип. Теория саморазвития открытых каталитических систем является попыткой объяснить движущие силы и механизмы эволюции химического вещества. Процессы прогрессивного усложнения, роста каталитической активности, автокатализа в ЭОКС приводят к возникновению все более сложных химических явлений, а затем и к возникновению жизни.
Эволюционная химия и связанные с ней биохимические технологии остаются наиболее сложным и перспективным направлением развития химической науки и химического производства.
Эволюцию химических соединений на нашей планете можно разделить на 4 стадии: 1) неорганическую, 2) органическую, 3) биохимическую, 4) антропогенную.
Первая стадия, неорганическая, связана, как известно, с химическими превращениями без образования цепей из атомов углерода -элемента, обладающего наибольшим эволюционным потенциалом. К этой стадии принадлежат наиболее простые вещества и процессы.
Вторая стадия - органическая химия, то есть химия соединений углерода. На данной стадии происходит резкое усложнение химизма и формируются все необходимые и достаточные предпосылки для возникновения жизни.
Третья стадия - биохимия, химия живого. С возникновением жизни химическая форма материи перестает быть высшей, наиболее сложной формой материи на Земле. Наиболее сложной формой материи теперь является биологическая. Между ней и химическим возникает отношение простого и сложного, низшего и высшего. Это отношение подчинено нескольким общим диалектическим закономерностям, к которым относятся: 1) возникновение высшего из низшего; 2) сохранение большей части низшей формы материи в качестве широкой природной среды высшего; 3) включение части низшей формы материи в высшую; 4) подчинение «включенного» низшего высшему; 5) возникновение нового интегративного качества высшей формы материи. Конкретизируем эти закономерности применительно к специфике соотношения химического и биологического.
1. По современным представлениям жизнь возникает из химических процессов, хотя воспроизвести переход от неживого к живому пока не удается.
2. После возникновения жизни большая часть химического вещества продолжает существовать по своим собственным законам вне живых организмов. Это вещество служит внешней средой, с которой живое находится в постоянной подвижной связи (так называемый обмен веществ между организмом и средой). Эту связь изучает экология - наука об отношении организма и среды. Их отношения строятся по специфическим экологическим законам, возникающим в результате взаимодействия законов химии и биологии.
3. Другая, меньшая по объему часть химической формы материи после возникновения живого включается в субстрат живых организмов. Эта часть химического мира может быть названа «включенным низшим»: низшая форма материи, оставаясь низшей, химической, в то же время входит в состав живых существ. Отношения включенного низшего с высшим сильно отличается от отношений между свободным («не включенным») химическим веществом и жизнью. Биохимия, или химия живого, намного сложнее «свободных» химических процессов, существующих вне живого вещества. В то же время биохимия - часть химической науки в цепом, в ней действуют (правда, в особых, наиболее развитых формах) все химические законы. Химические процессы этого типа являются основой жизни, они воздействуют на биологические явления, накладывая на них своеобразные ограничения. Например, известно, что преимущества в борьбе за выживание обычно имеют животные, которые наиболее эффективно используют получаемую через пищу энергию, обладают большей быстротой реакции, большей скоростью передвижения, большей физической силой и т.п. Однако возможности увеличения энергетической экономичности организма, быстроты реакции, скорости движения, выносливости, физической силы непосредственно зависят от энергетики и скорости протекания биохимических реакций. Законы химии очерчивают некие пределы возможностей эволюции живого, и эти химические ограничители прямо влияют на протекание такого чисто биологического процесса, как естественный отбор.