«Важно не то, что строго,

а то, что верно».

А.Н. Колмогоров

Лекция 14. Концептуальные системы химии. Химическая эволюция и биогенез. Концептуальные системы химии

На основе историко-методологического анализа развития научной химии В.Н.Кузнецов установил, что существуют определенные закономерности этого развития. Согласно В.И. Кузнецову, вся история химии укладывается в рамки развития и появления новых концептуальных систем, представляющих собой совокупность законов, теорий, взглядов, характеризующих уровень знания химического явления.

От времени возникновения атомно-молекулярного учения, когда, собственно, и возникла научная химия, до настоящего времени в химической науке четко выделяются четыре концептуальные системы: учение о составе веществ, учение о структуре, учение о реакциях, учение о химической эволюции. В качестве основного критерия концептуальных систем выбран способ решения основной проблемы химии – проблемы генезиза свойств и реакционной способности, который и определяет переход от одной концептуальной системы к другой.

Длительное время центральной проблемой химизма было соотношение состава и свойства, стремление объяснить все многообразные свойства химических соединений их элементарным составом: 

В последующий период центральным понятием химии стало строение (структура), именно на его основе нашли свое объяснение разнохарактерные свойства многочисленных химических соединений, был открыт путь к синтезу новых веществ.

Появление представлений о структуре привело к дифференциации понятия свойства с выделением нового понятия – реакционной способности (р.с.), или более общей функции как производного, и от понятия структуры, и от понятия свойств:

Реакционная способность, в свою очередь, потребовала учета еще и кинетических факторов, от которых она зависит, по меньшей мере, в такой же степени, как и от структурных факторов. Категориальная схема при переходе к кинетическим теориям дополняется понятием организации, которое, аналогично понятию структуры, является атрибутом химической системы (но уже более сложной, чем молекула кинетической системы):

Дальнейший переход к изучению и теоретическому описанию систем высшего уровня организации, например, открытых самоорганизующихся каталитических систем, можно предусмотреть на основе логического завершения этой схемы:

Теперь появилось новое понятие поведения, которое выражает нечто иное по сравнению с понятиями свойств и реакционной способности. Именно с этим связаны проблемы химии, лежащие в основе четвертой концептуальной системы. Она исследует вопрос о поведении сложных предбиологических систем, об уровнях их организации. 

Узловым вопросом здесь в настоящее время является детерминация поведения систем в зависимости от их организации.

Каждая концептуальная система подготавливается всем предыдущим развитием химии и основывается на всех предыдущих системах.

Относительно новое учение о химической эволюции (IV концептуальная система) возникло на базе современных представлений химической кинетики, термодинамики и катализа (относятся к III системе), а именно: теорий активированного комплекса или переходного состояния, термодинамики необратимых процессов и эволюционного катализа.

Истоки этой новой концептуальной системы находятся все же непосредственно в каталитической химии. Работы Гуотми, Каннигема, Борескова и многих других заложили эмпирические основания идей самоприспособления или самодвижения состава и структуры катализаторов в сторону повышения уровня организации. Теоретическую интерпретацию этих идей дал А.П. Руденко в разработанной им теории саморазвития открытых каталитических систем.

Из схемы видно, что эта концептуальная система, являясь предпосылкой фундаментального объяснения механизма биогенеза, представляет собой своего рода верхнюю границу химии (границы справа нет), при которой она себя исчерпывает в отношении дальнейшего развития собственных концептуальных систем. Она создает научно-теоретическую и экспериментальную базу для обоснования биологических закономерностей, построения теоретической биологии.

Химическая эволюция и биогенез

Главная проблема современного естествознания – вопрос о происхождении жизни непосредственно связана с химической эволюцией. Эволюция химических неравновесных систем представляет собой путь, ведущий к пространственной, временной и пространственно-вре¬менной упорядоченности. В данном параграфе мы попытаемся рассмотреть принципы возникновения, развития и самоорганизации химических систем и выделить те признаки, которые усиливаются и начинают доминировать по мере приближения химических систем к биологическим.

В основе химической и биологической эволюции лежит морфогенез, т.е. направленное развитие структур. Под химической эволюцией обычно понимают происхождение и прогрессивное развитие химической организации вещества в целом, во всех ее проявлениях.

Химическая организация вещества по Кузнецову может выступать: 

1) в форме дальтонидных соединений; 

2)  в форме бертоллидных соединений; 

3)  в форме переходного состояния или активированного комплекса.

Ю.А. Жданов определяет химические вещества как дискретные точки в континууме переходных состояний.

Исходя из этого, различают два аспекта химической эволюции:

1) молекулярно-структурный;

2) функциональный (кинетический).

Молекулярно-структурная эволюция

В этом случае в результате обобщения различных подходов к химической эволюции (геохимического, космохимического, биогеохимического и биохимического) разрабатывают схемы эволюционной иерархии, которые указывают на различные направления развития вещества, например:

Таким образом, согласно общим представлениям о ступенях организации вещества, наиболее высокоорганизованным признается вещество – носитель жизни, а затем и сознания. В земных условиях такой высшей ступенью организации являются сложные органические соединения – белки, ферменты, нуклеиновые кислоты и т.д.

Химическая эволюция в направлении живого в молекулярно-структурном аспекте представляется в виде стадий:

I – простейшие неорганические и органические вещества (H2O, CO2, CO, CH4, NH3, HCN, CH2O, H3PO4, H2S и др.);

II – малые биомолекулы или мономеры (аминокислоты, пурины, пиримидины, карбоновые кислоты, спирты, моносахариды и др.);

III – сложные органические вещества и биополимеры (белки, нуклеотиды, полисахариды, липиды и др.);

IV – надмолекулярные комплексы биополимеров;

V – живая клетка (или внеклеточные организмы – вирусы).

В опытах по биогенезу было показано, что почти все молекулярные составляющие живого вещества могут быть синтезированы абиогенно из простейших веществ с привлечением реальных для условий первичной Земли источников нехимической энергии (ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов, радиоактивных излучений, тепла вулканических извержений, ударных волн и пр.).

То есть период химической подготовки – период интенсивных и разнообразных превращений, о которых можно лишь строить осторожные гипотезы, сменился периодом биологической эволюции.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. В пределах общего направления химической эволюции выделяется главное, или магистральное, ведущее от уровня химических элементов к живой материи. Все остальные направления можно отнести к побочным или тупиковым направлениям.

2. Направленность химической эволюции отчасти заключена в самом химическом – отборе элементов и структур, которые обладают наибольшей сложностью, т.е. имеют наибольшие эволюционный потенциал, информационную емкость и интегративную способность (см. далее), и отчасти обусловлена средой.

3. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые обеспечивали наиболее совершенные виды связей (В том числе и обратной связи. Здесь имеется в виду не только химическая связь, но и всякая иная, обеспечивающая взаимоотношения между системами, подсистемами и элементами систем) и регулирования.

Первой и наиболее простой из этих структур можно назвать различные фазовые границы. Они служили основой химической и физической адсорбции, которая:

а) вносила элементарное упорядочение во взаимное расположение частиц;

б) увеличивала концентрацию последних;

в) служила фактором появления каталитического эффекта.

Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. Сюда относят полупроводниковые цепи и структуры, ответственные за так называемое трансгидрирование, или перенос водорода. Этот тип структурных фрагментов связан с необходимостью привлечения углерода, а также других органогенов, способных образовывать двойные связи и служить донорами и акцепторами электронов. Эти группировки также служат началом окислительно-восстановитель¬ного или кислотно-основного катализа. Поясним, что к элементам-органогенам относят C, H, O, N, P, S, общая массовая доля которых в организмах составляет 97,4 %. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co. Их массовая доля в организмах равна примерно 1,6 %. Вместе с тем полагают, что в живых организмах могут присутствовать почти все химические элементы. Так, в сыворотке крови человека в концентрациях от 10–4 мг/мл и выше было обнаружено 76 элементов (анализ на инертные газы и большинство актиноидов не проводился).

Третий структурный фрагмент, необходимый для эволюционирующих систем, – это группировки, ответственные за энергетическое обеспечение. Сюда входят окси-оксо-группы, фосфорсодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями. Высказывалось предположение, что эти структурные единицы тоже выполняют роль катализатора по отношению к ряду реакций, но, скорее всего, их назначение состоит в снятии термодинамических запретов путем сопряжения реакций диспропорционирования и разрушения макроэргических связей с ферментативными реакциями.

Следующим фрагментом эволюционирующих систем является уже развитая полимерная структура типа РНК или ДНК, выполняющая ряд функций, свойственных перечисленным структурам, и главное – роль шаблона или каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

Одним из очень важных структурных фрагментов биохимических систем служит структура порфина, или точнее порфириновые структуры, уже содержащие металло-азот-углеродные связи. Известно, что порфириновые соединения, содержащие железо, магний, медь, цинк, кобальт, играют выдающуюся роль в качестве жизненно важных фрагментов.