Химию обычно рассматривали как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить

свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Ведь для того чтобы понять, что именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. Поэтому, несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, по сути дела, до открытия в 1 869 г. Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (1834-1907) не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал, а следовательно, представить все наличное знание как систему теоретической химии.

Было бы, однако, неправильно не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал, или носителей, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Р. Бойля (1627-1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе. Этот первый концептуальный уровень можно назвать уровнем исследования различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Здесь мы видим поразительную аналогию с той концепцией атомизма, о которой ранее шла речь. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которой пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.

Второй концептуальный уровень познания свойств связан с исследованием структуры, т.е. способа взаимодействия элементов веществ. Эксперимент и производственная практика

убедительно доказывали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от их структуры Именно поэтому в познании и использовании химических явлении необходимо было учитывать структуру, т.е. характер взаимодействия составных элементов вещества.

Третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакции и некоторые другие. Все эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.

Наконец, четвертый концептуальный уровень, являющийся дальнейшим развитием предыдущего уровня, связан с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также с применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.

Для определения свойств веществ необходимо установить, из каких элементов они состоят, а это предполагает наличие точного понятия химического элемента. Упоминавшееся выше определение Р. Бойля элемента как «простого тела», а тем более ранние попытки отождествить элементы непосредственно со свойствами и качествами веществ, не достигали этой цели. В самом деле, ни сам Р. Бойль, ни его сторонники не имели ясного представления о «простом веществе» и поэтому принимали за него, по сути дела химическое соединение. Так, например, железо, медь и другие известные в то время металлы они рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их прокаливании, - за простое тело. Теперь мы знаем, что окалина, или оксид металла, представляет собой соединение металла с кислородом, т.е. это сложное тело. Такое ошибочное представление было навязано ученым господствовавшей в то время ложной гипотезой флогистона, согласно которой сложные тела состоят из соответствующего элемента и особого «невесомого тела» - флогистона. Эта гипотеза была опровергнута известным французским химиком Антуаном Лавуазье (1743-1794) после открытия кислорода и выявления его роли в процессах окисления и горения. Он же первый

предпринял попытку систематизации открытых к тому времени химических элементов, хотя при этом отнес к ним и некоторые химические соединения (известь, магнезию и др.). А. Лавуазье считал элементами только такие тела, которые не поддавались в его время реакции разложения. Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную концептуальную систему. Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Великая заслуга Д.И. Менделеева состоит в том, что, открыв периодический закон, он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических знаний. В качестве системообразующего фактора, или «неизменного общего в изменяемом и частном», он выбрал атомную массу, или атомный вес. В соответствии с атомным весом, он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от атомного веса. Более того, он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты химиками, и свойства их оказались такими, какие предсказал Д.И. Менделеев. Благодаря этому его периодическая система получила широкое признание в научном мире. Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от их атомного номера, определяемого зарядом ядра. Атомный же вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по своей массе. Тем самым была решена и проблема химического элемента, которая с XVIII в. оставалась предметом многочисленных дискуссий.

В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, (хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами).

С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом? Еще в начале XIX в. по этим вопросам возникла острая дискуссия между известными французскими химиками Ж. Прустом (1754-1826) и К. Бертолле (1748-1822). Пруст считал, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, неизменным составом, и это свое убеждение сформулировал в виде закона постоянства состава. По его мнению, именно постоянный состав отличает химические соединения от смесей. Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал выдающийся английский химик Д. Дальтон (1 7661 844). Он утверждал, что всякое индивидуальное вещество -простое или сложное - состоит из мельчайших частиц -молекул, которые, в свою очередь, образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества. Например, молекула такого простого вещества как кислород (О2) образована из двух атомов и характеризуется всеми свойствами, которые присущи этому веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например, вода Н2О представляет собой жидкость, а образована она из двух газов - водорода и кислорода. Важно подчеркнуть, что каким бы способом она или другое химическое соединение ни были получены, они всегда будут иметь тот же самый состав. Долгое время закон постоянства состава считался «абсолютной» истиной, не допускающей никаких исключений, хотя уже К. Бертолле указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава, в частности, в школе известного русского физико-химика Н.С. Курнакова (1860-1940), которые он назвал бертоллидами в честь К. Бертолле. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения, например, соединения двух металлов. Химики открыли другие соединения переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают молекулярным строением. Однако такой вывод оказался неубедительным с точки зрения современных научных представлений о строении атомов и молекул. Было установлено, что постоянство и непостоянство состава химических соединений являются внешней их характеристикой и сами нуждаются в дальнейшем анализе. Такой анализ показывает, что природа соединения, т.е. характер связи атомов в его молекуле, зависит от их химических связей, определяемых обменным взаимодействием валентных электронов. В связи с этим изменилось и само классическое понятие молекулы, хотя основное его содержание сохранилось: молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также другие разнообразные квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы). Таким образом, в свете современных физических представлений исчезает не только прежнее резкое противопоставление химических соединений постоянного состава как обладающих молекулярным строением и соединений переменного состава, лишенных этого строения, но и отождествление химического соединения со сложным веществом, состоящим из нескольких элементов. В принципе соединение может состоять и из одного элемента. Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходилось заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между их элементами. В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула, и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершен-ствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от весьма общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью систематических химических экспериментов. Если, например, по мнению известного шведского химика Й. Берцелиуса (1779-1848), структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп, то французский химик Ш. Жерар (1816-1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер такого представления. В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность, или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали практических указаний, как применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами. Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтеза новых веществ предпринял известный немецкий химик Ф. Кекуле (1829-1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с определенными модификациями пользуются при изучении органической химии в школе. В этих формулах элементы связывались с друг другом по числу единиц их сродства, или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки. Дальнейший шаг эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения А.М. Бутлерова (1828-1886), который хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения, или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи А.М. Бутлерова нашли не только широкое применение в практике химического синтеза, но и получили свое обоснование в квантовой механике. Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей, или элементов, а с другой - установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций.

К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов а других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений. Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций. Меньшее влияние оказывают на реакции такие термодинамические факторы, как температура и давление. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вначале его не удавалось получить с помощью ни большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось

преодолеть после того, когда был использован металлорганический катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной температуре (18 °С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы не только для производства удобрений, но в будущем такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), когда они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях химической промышленности, в особенности в «тонком» и «тяжелом» органическом синтезе. Не приводя более примеров о чрезвычайно высокой эффективности катализаторов в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны без существования ферментов, служащих, по сути дела, живыми катализаторами. 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 наталкиваются на серьезные ограничения. 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. Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т.е. на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники В.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако, в отличие от самоорганизации открытых физических систем, в указанных химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию с

самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно отметить, что из более чем ста химических элементов лишь шесть, названных органогенами, служат основой для построения живых систем.

Таким образом, в общем контексте естественно-научного знания химия занимает особое положение. Дело в том, что она непосредственно связана с физикой, биологией и вместе с ними выходит на изучение всей физико-химико-биологической цепи единого мирового (природного) процесса. Такая высокая общность объекта химии делает эту науку не только специальной областью знания, но и междисциплинарной, по-своему комплексной. Появление биохимии, геохимии, космохимии, физической химии свидетельствует о широком включении «материнской» науки в общеприродный научный комплекс.

Химическая реальность имеет свою ярко выраженную специфику: на уровне химической формы движения материи возникают зачатки живого. Исследование сущности, направленности и закономерностей химической эволюции позволяет соответствующей науке проследить не только образование предбиологических систем, но и выяснить, каким образом и при каких усло-виях появляется жизнь. Внутри самой химической формы движения материи также происходят изменения от низшего к высшему, от простого к сложному, от неорганической ступени химичес-кого движения к органической и далее к химико-биологической. Химическое взаимодействие начинается с того момента, когда выступает на первый план взаимодействие превращающихся друг в друга физических форм движения, пока, наконец, не будет достигнут тот пункт, с которого начинает давать себя знать химическое сродство, когда химически индифферентные до тех пор элементы дифференцируются один за другим, приобретают химические свойства и вступают друг с другом в соединения.

В современной химии теория в основном базируется на физическом фундаменте; это происходит во многом за счет того, что атомный уровень вещества относится и к физической, и к химической формам движения материи. Область физической формы движения материи сводится здесь к уровню элементарных частиц, ядерному и некоторым аспектам более высокого (атомного) уровня.

Атом представляет собой сложную систему взаимодействующих элементарных частиц, состоит из ядра, образованного нуклонами (протонами и нейтронами), и электронов. В содержание понятия атомной частицы включается как изолированный атом, так и атомный, т.е. одноатомный, ион, атомный радикал, атомный ион-радикал, образующийся как результат ионизации или возбуждения атома. Атомная частица является исходным уровнем химической формы движения материи, и усложнение ее направлено к образованию различных атомных ассоциатов. Атомные (А...А), атомно-радикальные (А...А.), радикал-радикальные (А. ... А.) ассоциаты образуются при высоких температурах.

Область химической формы движения материи начинается с атомного уровня, потом переходит к молекулярному, а затем к уровню полимеров (высокомолекулярных соединений). Получается, что атомный уровень является высшим для физической формы движения материи и низшим - для химической. Свойства атомов как химических элементов изучает химия, а состав и строение атомов - физика.

Химическую форму движения материи можно представить в виде иерархии структурных уровней в порядке возрастания их сложности: атомная, молекулярная, макромолекулярная и различные надмолекулярные. На уровне химической формы движения материи имеются различные химические частицы, являющиеся материальными носителями разновидностей химического движения. Между ними существует такое взаимодействие атомов, при котором сами атомы радикально не изменяются, изменяются лишь их электронные оболочки за счет перегруппировки валентных электронов, но в то же время значительно изменяется порядок их взаимосвязи в молекулах, радикалах, соединениях.

Среди химических частиц, образующих структурные уровни химической формы движения материи, необходимо выделить

молекулярные ассоциаты и агрегаты как наиболее сложные образования результата взаимодействия атомных и молекулярных частиц. Ассоциаты существуют чаще всего в газообразном состоянии и в растворах, агрегаты - в твердом и жидком состоянии. К атомно-молекулярным агрегатам относятся кристаллы: молекулярные, ионные, атомные, металлические. В процессе возникновения атомно-молекулярных агрегатов происходит образование новой фазы с надмолекулярной (кристаллической) структурой. Наиболее сложными молекулярными частицами считаются молекулярные ассоциаты высших порядков, как, например, белки, которые состоят из нескольких различных по природе надмолекулярных структур. Надмолекулярная структура атомно-молекулярных частиц по сравнению с молекулярной структурой характеризуется большей сложностью состава и симметрии. Надмолекулярная структура образуется в системах из двух или большего числа молекул со слабыми взаимодействиями между ними. В белках, нуклеиновых кислотах, полисахаридах суммарные силы связи между молекулярными структурами оказываются очень большими.

Усложнение вещества можно представить следующим образом: элементарные частицы - атомные частицы - молекулярные частицы - ассоциаты - агрегаты.

Химическая форма движения материи как главная существует в единстве с физической, подчиненной ей. Но при переходе на уровень органической жизни химические процессы занимают место подчиненных форм. В связи с этим для главной формы движения материи характерен такой материальный носитель, без которого ее существование будет невозможным. Например, в процессах, происходящих на уровне неорганической химии, подобными носителями являются атомы. При их отсутствии химические изменения невозможны, хотя они могут происходить не только на уровне атомов, но и молекул, и макротел. Таким образом, химия изучает качественное многообразие материальных носителей химических явлений, химической формы движения материи. Несмотря на то, что структурно химия пересекается в определенных областях и с физикой, и с биологией, она, тем не менее, сохраняет свою специфику. При этом специфически объективным основанием выделения химии является признание наличия специфической химической формы движения материи, связанной с ее носителем - атомными частицами. Представления химии не исчерпываются на каком-то одном уровне знания, каждый из них имеет свою специфику и во многом зависит от исследователя.

Высшее возникает в результате развития низшего на основе возможностей, заложенных в нем. Часто высшее познается через изучение низшего, т.е. той основы, на которой оно строится. Применение методов квантовой механики в химии ознаменовало новый этап в познании тайн вещества. Стало возможным рассчитывать энергию связей молекулы, выявлять пространственное расположение атомов, распределение электронной плотности, физического механизма химических превращений и т.д.

Интеграция физики и химии оказала влияние не только на дальнейшее развитие химии, но и стала для физики генератором идей при исследованиях в области ядерной физики. Электронная теория вещества изучает атомные ядра и электроны, т.е. частицы субатомного уровня материи. Это дает возможность более четко и во многих случаях количественно характеризовать многие важные моменты, которые установлены уже в рамках классической теории строения. Тем не менее как новый, более высокий этап познания структуры вещества теория электронной структуры вырабатывает ряд понятий и положений, которые либо отсутствовали, либо только намечались в классической теории. Электронное строение лежит в основе учения о валентности. Теория валентности включает в себя несколько методов описания образования химических связей (методы молекулярных орбиталей, валентных связей и теорию поля лигандов). Теория валентности явилась новым качественным этапом в познании тайн материи в основном благодаря применению методов квантовой механики, а квантовая теория стала теорией и физики, и химии. Квантовая химия представляет собой основу всей современной химической науки, поскольку исходит прежде всего из химических представлений о веществе как совокупности связанных между собой атомов, характеристики которых изменяются при формировании химических связей между ними. Поэтому одна из основных задач квантово-механического исследования - валентность, определение того, насколько отличается связанный атом в соединении от свободного атома и к каким последствиям в свойствах соединения приводят такие различия.

Если более ранние этапы развития химии характеризуются изучением состава вещества и структуры химических соединений, то на современном этапе в центре внимания находится механизм химических превращений. Большие успехи должны быть достигнуты в изучении нестабильных промежуточных частиц и переходного состояния, поскольку исследования в этом направлении позволят перейти на более глубокий уровень в познании законов природы, обеспечивающий возможность выявления качественных особенностей, сущности химических процессов.

Теоретический подход осуществляется методами квантовой химии, экспериментальный - физическими методами, в том числе методом изучения сверхбыстрых процессов. Таким образом, еще раз подтверждается положение о том, что теория в современной химии в основном базируется на физическом фундаменте. Вместе с тем необходимо отметить, что в литературе порой приводится точка зрения, согласно которой химию можно свести к физике, т.е. все химические взаимодействия не отличаются от физических, физика как бы «поглотила» химию, из-за чего последняя якобы потеряла свою специфику. Особенно настойчиво эту точку зрения стали отстаивать после ряда достижений в области квантовой химии.

Процессы взаимодействия физики и химии, интеграции соответствующего научного знания отчетливо прослеживаются во многих методах химической науки и ее теоретических концепциях. Главными методами научного исследования с давних времен и до наших дней в химии стали анализ и синтез в их диалектическом единстве. Ф. Энгельс в «Диалектике природы» сделал пометку на полях: «Химия, в которой преобладающей формой исследования является анализ, ничего не стоит без его противоположности - синтеза». На основе синтеза в химии образуются новые «этажи» объекта исследования. В настоящее время считают, что химический процесс следует рассматривать как единство синтеза (ассоциации) и распада (диссоциации), и, применяя диалектический принцип единства противоположностей, можно познать суть химизма. При исследованиях в химии находят применение явления, обусловленные электронными процессами в веществе. Это оптические и рентгеновские методы; явления, связанные с влиянием химической природы вещества на ядерные процессы. Когда в структурных исследованиях используют явления аннигиляции позитронов, то образование позитрония можно характеризовать как факт проникновения в химию физики элементарных частиц. Макропроцессы, молекулярные и атомные явления, ядерные эффекты на элементарных частицах - все это химическая наука широко использует в своих методах исследования.

Взаимодействие методов познания физики и химии привело к тому, что статистические и динамические характеристики химических явлений исследуются во взаимосвязи, а в каталитических процессах в новом свете предстают положения теории промежуточных (хемосорбционных) соединений в части взаимосвязи физической и химической форм движения и идей о роли непрерывной химической организации вещества.

Применение методов квантовой механики в химической науке позволило изучить глубинный механизм существования как атомов и молекул, так и явлений, протекающих на структурных уровнях материи, выяснить природу химической связи и валентности, дать физическую интерпретацию периодическому закону Д.И. Менделеева. Ему подчиняются все химические изменения.

Химическая форма движения материи включает такие процессы изменения частиц вещества, которые определяются действием периодического закона элементов. Причина периодичности химических свойств заключается в периодичности строения электронных оболочек, где главное значение имеет заполнение последних вместо последовательного заполнения отдельных периодов. Таким образом, выясняется причинная связь между структурой электронной оболочки атомов и периодичностью в системе элементов.

На химическом уровне интерпретации периодической системы прослеживается периодическое изменение свойств элементов от увеличения их атомных весов, а на физическом, атомном или электронном уровне выявляется периодическое повторение определенных типов электронных конфигураций атомов в зависимости от роста зарядов их ядра. Периодический закон оказался ключом к раскрытию сущности новых физических явлений, связанных с радиоактивностью, электроном и лучами Рентгена, а эти физические открытия оказались ключом для проникновения в более глубокую сущность самого периодического закона химических элементов.

Проникновение методов физики в химическую науку позволяет понять более глубинную сущность изучаемых явлений, но при этом сохраняется специфика, свойственная как химии, так и физике. Химия рассматривает химическое взаимодействие, которое состоит в перекрывании электронных орбиталей атомов, в результате чего образуются определенные связи, а физика - физическое как на атомном, так и на молекулярном уровнях.

Взаимное проникновение физики и химии в познании вещества показывает, что окружающий мир в своей основе един и представляет собой единство в многообразии и общее в особенном. Резкой границы между физическими и химическими процессами не существует, а наблюдается их всеобщая связь, отражаемая во взаимосвязи наук (физики и химии), которые их изучают, каждая выявляет их специфику с присущими им особыми свойствами и закономерностями. Нет никаких оснований считать, что применение квантово-механических расчетов в химии сводит ее (химию) к физической форме движения материи. Справедливо подчеркнул Б.М. Кедров, что «даже самые крупные успехи квантовой химии ясно показывают, что до сих пор никак не удается «свести» (в смысле «исчерпать») химическую форму движения к физической, химические закономерности к физическим, в частности к квантово-механическим. Последние обнаруживают свое неоспоримое большое познавательное значение лишь в тех случаях, за редким исключением, когда речь идет об истолковании с физической точки зрения закономерностей, ранее уже найденных химией».

Физическими методами невозможно познать многие закономерности, которые характерны только для химической формы движения материи. Физические свойства и процессы, входящие в сферу действия химической формы движения материи, сохраняют свою относительную самостоятельность и в то же время уже не имеют превалирующего значения, а служат средством возникновения и существования химических связей и соединений. Это свидетельствует о том, что химическая форма движения материи более сложна и совершенна, ее можно назвать высшей по сравнению с физической, а высшее как бы подчиняет низшее.

Многие авторы считают, что атом является низшей границей, исходной основой для химического движения и верхней границей действия физики. С этим можно спорить, но тем не менее именно химическая форма движения определяет (тип химической связи) разнообразие свойств твердых, жидких и газообразных тел. Атомный уровень физической формы движения материи подразделяют на субатомный и молекулярно-физический.

Материальные носители и первого, и второго вида характеризуются гравитационными, электрическими, магнитными свойствами и энергией. Взаимодействия, осуществляемые на физическом уровне движения, могут быть электромагнитными, гравитационными, сильными и слабыми. Скомпенсированность мощных физических сил определяет слабость химических взаимодействий, что обусловливает их подвижность, вариабельность, легкость перестройки молекул, возможность образования чрезвычайно сложно организованных надмолекулярных комплексов. Развитие структурных уровней материи от элементарных частиц к ядру, затем к атому и молекулам, к полимерам и белковым соединениям дает возможность убедиться, что начиная с атомов и по мере дальнейшего усложнения первостепенную роль играют химическое взаимодействие и химические процессы, возникающие на его основе.

При химических превращениях важными факторами являются реакционная способность, энергетические возможности, скорость химической реакции, каталитические свойства и кинетические закономерности. К ним относятся многостадийность химических реакций с участием промежуточных соединений и химических частиц (молекулы, радикалы, ионы), распространение цепных механизмов превращений. Превращение молекул можно рассматривать в виде основы качественной характеристики химической формы движения материи, а образование химической связи обусловлено физическим взаимодействием атомов. Явный результат химических превращений можно обнаружить на молекулярном уровне, поскольку этот уровень чаще всего образуется как новое качество после изменения на атомном уровне. Химические связи, возникающие на уровне химической формы движения материи, указывают на сложность химических взаимодействий в конкретных молекулярных системах и на то, что участие в химических взаимодействиях принимают не отдельные электроны и ядра, а атомы и молекулы. Получается, что природа химической связи зависит от условий, в которых протекают химические взаимодействия. Например, при переходе валентных электронов от одного атома к другому возникает ионная связь, а при образовании общих электронных пар - ковалентная связь. Типы связи в веществах отличаются от типа связи в отдельной молекуле. Например, в молекуле хлористого натрия связь полярная ковалентная, а в кристалле хлористого натрия - связь ионная. Или в молекуле натрия связь ковалентная, а в кристалле металла натрия - металлическая. От типа связи (ионной, ковалентной, металлической, водородной или другой) зависит образование веществ с новой структурой и соответственно новыми химическими свойствами.

Понятие химической связи отражает непосредственное взаимодействие атомов и его результат. Еще в период создания теории валентности отсутствие свободных связей и насыщенности валентных сил в молекуле показало, что в системах внутренние связи преобладают над внешними. Получалось, что внутримолекулярные связи обладают некоторой самостоятельностью, а сама химическая связь выступает как аддитивное целое. Химическую связь надо рассматривать в качестве результата взаимодействия, который характеризуется определенным составом, специфическими связями составляющих его элементов и наличием новых, особых в сравнении с ними свойств. Химическая связь является следствием стремления атомов к образованию молекулы как целостности.

Многообразие химических связей проявляется в различных свойствах молекул. В качестве примера можно привести энергетику молекул, электронные спектры поглощения, ядерный магнитный резонанс, дипольные моменты, реакционную способность. Через них отчетливо выявляется различие типов химических связей. Объяснив природу химической связи на физической основе как особую форму проявления волновых свойств валентных электронов, квантовая механика помогла химии выделить и обосновать собственно само понятие химизма в качестве стержня всего понятийного аппарата этой науки, в качестве того всеобщего, вокруг которого и за счет которого происходит формирование множеств единичного и особенного - миллионов химических соединений и реакционных систем.

При химическом взаимодействии на атомно-молекулярном уровне возникают новые вещества, и этот процесс связан с образованием или разрушением (например, испарение) химических связей. Образование или разрушение связей наиболее ярко характеризует проявление химизма. При физическом взаимодействии на атомно-молекулярном уровне не возникают новые вещества, но может отмечаться переход газообразных веществ в жидкое состояние (кислород, водород) или образование атомных или молекулярных кристаллов (бензол и большинство органических веществ, не содержащих сильных полярных группировок атомов).

Физические взаимодействия существуют и на уровне химической формы движения материи, но можно провести довольно четкую границу между химической и физической формами движения материи на основании одновременного учета двух признаков: во-первых, сохранения или несохранения внутренней структуры молекул вещества, и, во-вторых, сохранения или несохранения атомов, участвующих в данном процессе.

В настоящее время возрастает специализация наук, которая позволяет глубоко изучить не только формы движения материи, но и взаимопереходы между ними. Это в первую очередь касается физической химии, химической физики, биохимии, биоэлектроники, биотехнологии и др. Химическая эволюция создала предпосылки еще большего усложнения молекулярных структур, образования белковых молекул, аминокислот, являющихся основами живых организмов.

Химическая эволюция живого. Из водорода, азота и углерода при наличии свободной энергии на Земле должны были возникать сначала простые молекулы: аммиак, метан и подобные соединения. И дальнейшем эти несложные молекулы в первичном океане могли вступать в новые связи между собой и с другими веществами.

С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при наличии группы –N=C=N–. Эта группа таит в себе большие химические возможности к росту как за счет присоединения к атому углерода атома кислорода, так и путем реагирования с азотистым основанием.

С определенного этапа химической эволюции участие кислорода в этом процессе стало необходимым. В атмосфере Земли кислород мог накапливаться в результате разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца . Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не меньше 1–1,2 млрд лет (рис. 5.1). С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения должны были окисляться, а именно: NH 3 –до NO 3 , CH 4 – до CO 2 , H 2 S – до SO 3 . В ряде случаев при окислении CH 4 могли образоваться метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и т.д., котopые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, могли дать начало аминокислотам и соединениям типа аденина.

Рис. 5.1. Эволюция биосферы и атмосферы (из Ю. Одума, 1975). Левая часть кривой должна быть продолжена, по-видимому, до 2,5 млрд лет.

В ходе таких и аналогичных им реакций воды первичного океана насыщались разнообразными веществами, образуя первичный бульон.

Возможность синтеза аминокислот и других низкомолекулярных органических соединений из неорганических элементов и соединений доказана экспериментально. Так, пропуская электрические разряды или ультрафиолетовое излучение через смесь газов метана и аммиака, при наличии водяного пара удастся получать такие сравнительно сложные соединения, как глицин, аланин, аспарагиновая кислота, γ-аминомасляная, янтарная и молочная кислоты и другие низкомолекулярные органические соединения всех четырех основных классов: аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты. Возможность такого синтеза была доказана в многочисленных экспериментах с использованием других соотношений исходных газов и видов источника энергии.

Эксперименты в этом направлении оказались перспективными и для выяснения происхождения других веществ. Осуществлен синтез аденина, гуанина, аденозина, аденозинмонофосфата, аденозиндифосфата и аденозинтрифосфата. Путем реакции полимеризации из простых молекул могли быть образованы и более сложные молекулы – белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные.

Не останавливаясь на других особенностях начальных стадий химической эволюции, заметим, что одной из наиболее важных ее ступеней следует признать объединение способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов. При возникновении жизни необходимо было участие как полинуклеотидов, так и полипептидов. Свойства каждого из них нуждались в дополнении свойствами другого. Каталитические способности молекул РНК (А.С. Спирин), которые, вероятно, сыграли важную роль в ходе предбиологической эволюции, были усилены каталитическими функциями молекул белков. К тому же синтез самих белков путем удлинения пептидной цепочки не имел бы большого успеха без передачи стабильности хранением о нем «информации» в нуклеиновых кислотах. Наибольшие шансы на сохранение имели в ходе предбиологического отбора те комплексы, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.

Для этого этапа предбиологической эволюции в качестве элементарного объекта эволюции выделяют фракцию макромолекул полинуклеотидов или полипептидов, а в качестве элементарной эволюционирующей единицы – устойчивый «коллектив» макромолекул (связанных между собой процессами синтеза, катализа и др.).

В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы (различные органические и неорганические вещества) и пространственно-временное разобщение начальных и конечных продуктов реакции. Вероятно, все это не могли возникнуть до появления мембран. Образование мембранной структуры считается одним из «трудных» этапов предбиологической эволюции. Хотя объединением полинуклеотидов и полипептидов в какой-то степени и была достигнута возможность самосборки системы, однако истинное существо не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов.

Рис. 5.2. Возможные пути формирования: А – мембран при образовании коацерватов в первичном бульоне (из М. Кальвина, 1971); Б – образования митохондрий; В – образования клетки эукариот (по Е. Вольпе, 1981)

Биологические мембраны, как известно, составляют агрегаты белков и липидов, способные разграничить вещества от среды и придать упаковке молекул прочность. Мембраны могли возникнуть или в ходе формирования коацерватов (рис. 5.2), образующихся в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полимеров, или при адсорбции полимеров на поверхности глин (см. ниже).

В качестве актуальной области знания, объединяющей в своем предмете неорганическую и органическую природу, химия является в полном смысле этого слова интегральной, смежной наукой, призванной раскрыть тайны возникновения жизни, объективную структуру смежных систем развивающейся природной действительности. Познавательные и общественные функции химии требуют самого внимательного и всестороннего анализа философских оснований науки, включая, прежде всего, проблемы химической эволюции, ее специфики и взаимосвязи с физическими и биологическими, а отчасти также и социальными процессами.

Главной теоретической дисциплиной, изучающей химическую форму движения материи, является химия, дифференцировавшаяся к настоящему времени на множество дисциплин, неразрывно связанных друг с другом. Накопив огромный эмпирический материал, химия является одним из важнейших источников развития материалистической диалектики. В свою очередь, она сама творчески использует диалектику, что диктуется необходимостью создания теории, обобщающей и синтезирующей различные химические дисциплины в единое целое.

Химическая форма движения материи есть результат длительной эволюции. Она крайне неоднородна в своей основе и охватывает область от простейших химических соединений до белковоподобных структур, возникающих абиотическим путем. Можно выделить два больших этапа возникновения химической формы движения материи. Первый возникновение химических элементов в астрофизических и ядерных процессах. Поскольку при этом не образуются химические связи, то становление химических элементов не есть непосредственное развитие самих химических систем. «Эволюция в рамках периодической системы не носит химического характера». Второй этап - развитие собственно химической формы движения материи - наиболее полно развертывается лишь в планетарных условиях, в геохимических процессах. При наличии благоприятных условий химические системы способны порождать те или иные формы жизни. Само возникновение жизни есть одна из магистралей эволюции. «Жизнь, - подчеркивал еще Ф. Энгельс, - должна была возникнуть химическим путем». Химическая эволюция, приведшая к возникновению примитивных форм жизни, выступает непосредственно как предбиологическая эволюция. Все богатство разнообразных объектов хи­мической формы движения материи возникло не сразу, а лишь в ходе длительной эволюции. Химическая форма движения материи эволюционна в своей основе. Именно непонимание этой эволюционности ведет к всевозможным виталистическим и теологическим концепциям в химии.

Химическая эволюция - единственный путь, ведущий к возникновению жизни. Идеалистами этот путь или отрицается, или объясняется следствием действия духовного начала.

По сути дела, к таким же выводам неизбежно ведет и концепция Жака Моно, который пытается опровергнуть диалектический материализм, предварительно отнеся его, как и позитивизм Г. Спенсера и учение Тейяра де Шардена, к разряду концепций, в которых объективные явления выводятся из законов развития субъективного. Так, он приписывает диалектическому материализму идею Тейяра о некотором факторе, создающем направленность «космической эволюции» к человеку. Сам Ж. Моно к теории эволюции относится отрицательно, о чем свидетельствует его тезис об абсолютно изолированном от влияния внешнего мира характере ДНК, которая совершенно неспособна «к получению какой-либо информации из внешнего мира». Этот тезис необходимо требует (при последовательном приведении) признания единого акта творения. Ж. Моно убежден, что жизненные процессы полностью сводятся к закономерностям молекулярного уровня.

Его абсолютный редукционизм, по сути дела, отрицает качественно новые особенности, возникающие в результате саморазвития систем, их интеграции.

Концепция «сведения» всех особенностей развития и функцио­нирования живого к законам физики и химии является явно механистичной. Но последовательный механицизм неизбежно ведет к своей противоположности - витализму. Например, Эльзассер постулирует наличие в неживой природе особых биотонических законов, которые и обеспечивают возникновение живого. Он на словах открещивается от витализма, но эти таинственные законы, по сути, ничем не отличаются от жизненной силы виталистов. Взгляды Эльзассера анализирует известный физик Е. Вигнер. Придя к выводу, что «согласно квантовомеханической теории вероятность существования самопроизводящихся состояний равна нулю», он далее пишет «о доминирующей роли такого явления, как сознание» для самоорганизующихся систем. Этот вывод весьма характерен; последовательный механицизм независимо от того, из законов какой именно механики - классической, статистической или квантовой - он исходит, не будучи в состоянии понять историческое возникновение самих законов (например, биологических), вынужден апеллировать к ведущей роли сознания.

Исходя из классической статистики, на основе допущения о разовом возникновении белковой молекулы неотомист Веттер приходит к выводу о том, что для свершения подобного события необходимо 10243 миллиардов лет. Отсюда он делает вывод о божественном происхождении живого.

Классическая статистика, как и феноменологическая термодинамика, до сих пор подвергается произвольному истолкованию, особенно второе начало термодинамики, на основе которого пытаются сделать откровенно виталистические выводы.

Подобные концепции необходимо подвергать детальной критике с позиций материалистической диалектики, с привлечением естественнонаучного материала. В ходе такой критики должна решаться триединая задача: во-первых, обоснование ложности идеалистических трактовок; во-вторых, материалистическое объяснение эволюционных процессов, и в частности химической эволюции; в-третьих, философское обобщение естественнонаучного материала, разработка общефилософских принципов. Для разработки этих принципов особенно велико значение химии, накопившей богатейший эмпирический и теоретический материал.

Химическая эволюция - результат длительного развития, осуществляемого через ряд промежуточных ступеней, имеющего определенную направленность и закономерно приводящего к качественно новому состоянию материи. Развитие химических систем имеет черты, общие для всех развивающихся систем. Как известно, подобные черты, независимые от качественной специфики систем, исследуются философией. «Всякое развитие, - писал К. Маркс, - независимо от его содержания, можно представить как ряд различных ступеней развития, связанных друг с дру­гом...». Главными вопросами теории развития, справедливыми и для химической формы движения, являются вопросы об исходной причине развития, его направленности, о том, чем обусловлено возникшее качественно новое состояние.

Вопрос о развитии, о становлении нового качества является предельно общим, философским. В качестве его конкретизации выступает вопрос о возникновении жизни в результате длительной предбиологической эволюции. Решить вопрос в общем плане - значит дать верную методологию для решения частных вопросов.

Возникающие в результате какого-либо процесса качественно новые системы неаддитивные исходным. В процессе химической эволюции возникает множество качественно новых систем. Помимо ответа на вопрос о причинах и направленности развития большое значение имеет здесь понимание обусловленности качественно нового состояния. Развитие на химическом уровне позволяет в значительной степени вскрыть некоторые общефилософские закономерности, важные для выяснения этой обусловленности. Ф. Энгельс показал взаимосвязь химии и философии, раскрыв, в частности, на материале химии механизм действия закона перехода количественных изменений в качественные, а далее, опираясь на этот закон, дал определение самой химии. На основе материала современной химии в настоящее время делаются попытки развить далее закон перехода количественных изменений в качественные.

Возникающие в итоге развития качественно новые системы имеют ряд особенностей по сравнению с исходными. Главной из них будет усиление момента динамичности, сложности. При этом, как уже указывалось, неизбежно происходит интеграция свойств и сторон. Далее, чем больше компонентов будет входить в целое, тем большим числом способов они могут быть взаимосвязаны в нем, влияя друг на друга. Неизбежным следствием этого явится увеличение избирательности, неповторимости каждой индивиду­альной системы. Практически необозримое число самых разнообразных и специфичных белков, в которые во всех случаях входит не более 22 разнокачественных аминокислот, свидетельствует об этом. И, наконец, в итоге химической эволюции претерпевает изменение такая сторона системы, как способность к отражению, в первую очередь генезис развивающихся систем и их взаимодействий.

Современная химия является теоретической дисциплиной, лежащей между физической и биологической теориями. Она, развиваясь, переходит от качественных и полуколичественных представлений к более строгой количественной теории. Широко используются в ней квантовые представления. Значительные успехи, достигнутые в этом направлении, в то же время сопровождаются различными ошибками, которые носят ярко выраженный мировоззренческий, методологический характер. Особенно много прямо противоречащих друг другу толкований вызывает концепция сведения химии к физике. Данная концепция в данный момент оживленно дискутируется.

Между физической, химической и биологической формами движения материи существует структурно-генетическая связь, имеет место эволюционный переход от низших форм движения к высшим. Отрицание подобного перехода, по сути дела, будет означать отрицание эволюции форм движения материи и материального единства мира. Наличие генезиса одних форм из других является основанием для утверждения о выведении высшего из низшего. Между физической, химической и биологической теориями, по-видимому, должны существовать переходы, поскольку аналогичные переходы объективно существуют в природе между формами движения. Выявление перехода и связей между теориями необычайно способствует интеграции научного знания.

Непонимание диалектического единства форм движения материи ведет к их резкому противопоставлению. Подобная установка приводит к ничем не обоснованным выводам о действии в живом особых физических законов. Например, К. С. Тринчер говорит о действии четвертого закона термодинамики. Физические законы едины для живой и неживой материи, но отсюда совершенно не следует, что химические и биологические законы не имеют никакой специфики. Их специфика лежит в иной области.

Современные философские основания химии существенно оп­ределяются анализом процесса химической эволюции. Вопрос о химической эволюции особенно актуален потому, что в ее рамках происходит переход от неживого к живому. Игнорирование данного перехода, попытки объяснить биологическое непосредственно из физического приводят к механипизму (его разновидности - физикализму), а постулирование «пропасти» между живым и неживым и безуспешные усилия обнаружить биологическое в рамках физического - к всевозможным разновидностям преформизма и витализма.

Исследования химической формы движения материи имеют большое значение для научной философской теории и общественно-исторической практики. Наряду с конкретным решением частных вопросов необходимо рассматривать и философские проблемы химической формы движения материи, ибо «кто берется за частные вопросы без предварительного решения общих, тот неминуемо будет на каждом шагу бессознательно для себя «натыкаться» на эти общие вопросы».

Химическая форма движения материи выступает как высшая форма движения в неорганической природе. Будучи переходной между физической и биологической формами движения, она играет интегрирующую роль, обеспечивая единство, их взаимосвязь и переход между ними. Химическая форма движения материи представляет особый интерес для выявления, изучения и конкретизации общих принципов системного развития, что затруднительно сделать на основе исследования физической формы движения материи вследствие ее сравнительной бедности и элементарности или же биологической - из-за ее чрезвычайно высокой динамичности и сложности, подчас затемняющей отделение главного от побочного и второстепенного.

Химическая эволюция послужила, по представлениям современной науки, основой для появления жизни в нашей звездной системе. Для возникновения жизни во Вселенной необходимо выполнение ряда условий: наличие нуклеосинтеза, звездообразования, трехмерного пространства, в котором только и могут существовать атомы, планетные системы и др. Открытия в области космологии дают основания для утверждения, что "жизнь есть результат естественных процессов, происходящих во Вселенной" (С. Поннамперума). В связи с проблемой жизни наиболее существенным элементом химической эволюции, разыгрывающейся во Вселенной, является трансформация углеродных соединений, лежащих в основе возникновения земной жизни.

Углерод относится, бесспорно, к наиболее распространенным элементам в космосе, ибо для своего нуклеосинтеза он не требует (подобно таким легким элементам, как гелий, азот или кислород) никаких необычных источников энергии, например в виде вспышек "сверхновых" звезд. Присутствие углерода обнаружено в спектрах всех классов звезд. Правда, в звездах, температура поверхности которых составляет около 25000°С, углерод выступает только в ионизованном состоянии или в виде атомов. Но уже в звездах класса А с температурой поверхности около 10000°С имеются условия, способствующие возникновению соединений углерода с водородом. Количество этих соединений возрастает по мере уменьшения температуры звезд. В случае Солнца, температура поверхности которого составляет около 6000 °С, установлено наличие простейших углеводородов и циана (П. Девис). Наиболее интересными в этом плане являются углеродные звезды, называемые также "красными гигантами". Они характеризуются значительным избытком углерода относительно кислорода, что позволяет предполагать существование в их атмосферах значительного количества различных углеродных соединений.

Согласно результатам исследований английского астрофизика Ф. Хойла, в атмосфере углеродных звезд постоянно возникают зерна графита размером порядка нескольких сот ангстрем, которые под влиянием давления света выталкиваются в межзвездное пространство, образуя там облака графитовой пыли и становясь в этой среде источником разнородных углеродистых соединений. В настоящее время имеются указания на то, что частицы космической пыли обладают сложным строением - силикатное ядро, окруженное оболочкой из органических веществ, в которой, очевидно, протекают различные химические процессы (Дж. Гринберг). Многочисленные звезды являются местом первичного синтеза исходных углеродных соединений, которые могут быть рассматриваемы как предвозвестники более сложных органических соединений. "Известный афоризм, что и мы и звезды сделаны из одного материала, - не пустые слова. Атомы, из которых состоят различные молекулы атмосферы, земной коры, рек, озер и океанов, растений и животных, возникли при рождении Галактики" (С. Поннамперума).

В Галактике непрерывно происходит процесс формирования новых звезд из межзвездной материи, но одновременно возникшие звезды отдают часть своего вещества окружающей их среде, обогащая ее углеродными соединениями. Таким образом, в космическом пространстве возникают условия, благоприятные синтезу различных органических соединений. В межзвездных газопылевых облаках могут развиваться сложные химические процессы, в результате которых в космическом пространстве накапливается все больше простых и более сложных органических субстанций. Так, радионаблюдения показывают, что в нашей Галактике звездообразующие облака включают в себя такие органические межзвездные молекулы, как муравьиная кислота, формальдегид, этанол и др. (Н. Сковилл, Дж. Янг), что в некоторых участках туманности Андромеды имеются молекулы циана и формальдегида (А.С. Шаров).

Источником возникающих в Космосе углеродных соединений являются не только горячие атмосферы звезд, но и ледяные зерна межзвездной пыли. Это означает, что углеродные органические соединения могут возникать, существовать и эволюционировать в весьма широком интервале температур в границах от ЗООО°К (атмосферы углеродных звезд) до 2°К (газопылевые облака). Это является главной причиной того, что и атмосферы звезд, и образования газопылевой материи, и небесные тела типа комет, а также и все межзвездное пространство насыщены большим обилием углерода и его соединений (Г.А. Гурзадян).

Исследования в области квантовой химии холода показали, что благодаря специфически квантовому явлению, так называемому "туннельному эффекту", химические реакции могут идти даже при температурах, близких к абсолютному нулю (В.И. Гольданский). Из экспериментов следует, что реакции полимеризации твердых органических веществ происходят непосредственно в ходе облучения вещества ультрафиолетом уже при температуре жидкого гелия (-269°С). Значимость этих исследований состоит в том, что они показывают возможность синтеза органических молекул, которые составляют основу живой материи, в условиях космического холода под действием космической радиации. Очевидно, "туннельный эффект" играет достаточно важную роль в функционировании биомолекул, он "работает" как в области глубокого холода, так и в области температур выше 200°К (В.И. Гольданский).

Одним из основных процессов, лежащих в основе функционирования реальных биосистем, является перенос (с помощью "туннельного эффекта") электрона в белке (Э.Г. Петров). В результате этого происходит перестройка ядерной конфигурации макромолекулы, которая оказывает влияние на биоэнергетику клетки. Имеются данные о том, что "туннельные эффекты" в многоатомных системах определяют формирование таких биологических свойств, как раздражимость и возбудимость (М.А. Шишло, С.Х. Кубли, В.П. Нужный).

Важность квантовомеханических методов исследования в биохимии заключается в том, что основную роль в жизненных процессах играют делокализованные электроны. Их источниками являются те природные элементы, которые составляют основную часть биохимических веществ.

Известно, что живые системы на 99% состоят из водорода, углерода, азота и кислорода, причем последние три элемента наиболее легко образуют кратные связи. Сюда же относятся и такие весьма важные для биохимических процессов элементы, как сера и фосфор. Эти пять элементов даже в случае одинарных связей располагают "неподеленной парой электронов", способной делокализоваться и связывать сопряженные участки. Поэтому неудивительно, что все "наиболее важные биохимические вещества, связанные с основными функциями живой материи или осуществляющие эти функции, представляют собой полностью или по крайней мере частично сопряженные системы" (Б. Пюльман, А. Пюльман).

К соединениям с сопряженными связями, составляющим основные структурные и функциональные единицы живой клетки, относятся нуклеиновые кислоты, белки, богатые энергией фосфаты и большинство ферментов. Так как эти соединения относительно сложны, а природа не прощает излишеств, то они обладают некоторой существенной особенностью, позволяющей им участвовать в жизненных процессах. Этой особенностью является делокализация электронов, придающая молекуле дополнительную устойчивость (т.е., например, может определять устойчивость молекул к действию излучений и представлять основу для отбора на молекулярном уровне) и обеспечивающая возможность таких реакций, которые не характерны для молекул других типов. Динамичность жизни согласуется с динамичностью "электронного облака" в сопряженных молекулах. Следовательно, такие системы можно рассматривать и как исходную структуру, и как главную основу жизни.

Специфика философии химии

Химия в содружестве с другими науками и в тесном союзе с философией, дает обширный, фундаментальный материал для выработки у ученого научно-философских взглядов на природу и окружающий мир.

Известно, что практические достижения химии стали одним из важнейших моментов происходящей научно-технической революции, а масштабы производственно-химической деятельности людей стали весьма ощутимыми по своим воздействиям на природу и общество. Стремительный рост химизации производства ставит ряд проблем философского и социологического характера.

Экономическая, политическая, идеологическая, нравственная, эстетическая сторона развития химии и химизации производства, их роль в прогрессе техники, производительных сил, в отношениях общества с природой, и опосредованные социальные последствия химизации, и обратное влияние различных социальных факторов на ход развития химической науки, на направление практических применений ее достижений - вот некоторые из этих вопросов.

Можно выделить три основные группы философских вопросов химии. Первая из них связана с обобщением того нового, что достигла химия в познании вещества, с выявлением того, как она обогащает общую научную картину вещества, природы, каково мировоззренческое значение сделанных открытий. Это онтологический аспект достижений химии. Разработка этих вопросов позволяет выяснить, глубже понять сущность тех или иных открытых химией явлений, увидеть их связи с другими - физическими и биологическими и прочими явлениями, осмыслить их место в общей системе природы. Разработка этих вопросов необходима не только для выработки общего научного мировоззрения, соответствующего достигнутому уровню знаний о природе и для корректировки дальнейших направлений химического исследования. Вторую и самую обширную группу вопросов составляют вопросы гносеологические и методологические. В них затрагивается сама познавательская деятельность химика, ее логический инструментарий, анализ развивающегося химического знания применяемых в химии понятий абстракций, методов исследования и т.д. Результаты познания, оформляясь в виде новых понятий, принципов, теорий, всегда становятся и инструментами дальнейшего познания. Раскрыть не только общую естественнонаучную мировоззренческую значимость новых знаний, но их значение в развитии познавательного аппарата науки, их функционирования в роли орудий и средств познания - вот задача исследований методологической и гносеологической стороны химии. Это вопросы в условиях бурного развития современной химии, растущей математизации, абстрактности знаний приобрели особую остроту и значимость. Третья группа философскиx вопросов химии - это вопросы, относящиеся к раскрытию социального аспекта развития химии и химической практики. Это вопросы, связанные с превращением химии в производительную силу, связанные с тем, вырабатываемые наукой понятия становятся орудиями практической деятельности людей по преобразованию объективной действительности. Это вопросы, связанные и с тем, что изучаемые химией вещества - не только загадочный предмет упорных научных исследований, но и то, что жизненно нужно человечеству. Наличие или отсутствие тех или иных видов вещества, доставляемое химией умением переделывать вещество, управлять его свойствами и превращениями, все это является существенным фактором общественного развития и заметно отражается на различных сторонах жизни общества. Конечно, деление философских проблем химии на указанные три группы довольно условно. Законы бытия, объективного мира и законы познания, мышления не есть нечто абсолютно независимое друг от друга, они едины, совпадают и в определенном смысле тождественны. Субъективная диалектика, диалектика понятий есть отражение диалектического движения действительного, объективного мира. Поэтому первую группу вопросов (онтологический аспект) нельзя полностью оторвать от гносеологических проблем. Общая научная картина природы, вещества представляет собой результат познания; она выражается в понятиях, в абстракциях и несет на себе печать гносеологической, методологической позиции исследователей и сама выступает, в свою очередь, орудием познания, базой для совершенствования познавательного аппарата науки, возникновения и решения, гносеологических и методологически вопросов (например, для анализа сдвигов в структуре научной теории). Группа вопросов, касающихся социального аспекта химии, тоже не может быть полностью оторвана от гносеологических и онтологических. Разработка гносеологических, мировоззренческих проблем в науке всегда несет на себе печать идеологической борьбы, социальных процессов своего времени. Мировоззренческое значение тех или иных достижений химии не ограничиваются только тем, что они дают данные для уточнения общих представлений о природе. Место и роль химии и химической деятельности человечества в общей картине бытия полнее могут быть раскрыты лишь с учетом их социального аспекта, влияния на жизнь людей, на состояние отношений общества с природой. Философские вопросы химии, как и всякой другой частной науки, не являются вопросами абсолютно самостоятельными внешними по отношению к ней, вопросами, волнующими лишь отдельных любителей, стремящихся удовлетворить свою праздную любознательность. Можно без преувеличения сказать, что философские вопросы выступают как одна из непременных составных частей в разработке научных и практических проблем химии. Союз химии и философии имел место на протяжении всей их истории. Будучи составной частью в истории формирования обшей естественнонаучной картины мира, история познания химических свойств вещества, история практического овладения им, тесно переплеталась с историей развития отношения человека с окружающим миром, с историей познания материальной и духовной стороны этих отношений. История химии убедительно свидетельствует о том, что многие крупные представители этой науки отличались высокой философской, гносеологической культурой и в той или иной мере всегда проявляли интерес к мировоззренческой, методологической и социальной стороне развития химии, а характер и уровень их философской позиции всегда отражался в направлениях, методах и результатах их исследований. Вопросы общего мировоззренческого характера и вопросы, касающиеся законов познания, особенно тесно вплетены в повседневную деятельность химика. Химическая наука находится сейчас на пороге грандиозного взлета. Ей предстоит выяснить процессы образования минералов земной коры, химических соединений на других планетах и звездах, проникнуть в самые тайники биохимических превращений, вооружить промышленность, сельское хозяйство, здравоохранение новыми синтетическими препаратами. Те успехи, которые одерживала химия в познании природы, явились результатом тесного единства в развитии химической теории и практики. Развитие химии убеждает в необходимости дальнейшего углубленного изучения механизмов научного мышления химиков, его «технологии», его особенностей на разных этапах химической науки. Гносеологический анализ познавательной деятельности химика, его абстракций, моделей, применяемых методов упрощения и идеализации важен в первую очередь для самих химиков. Недостаточное понимание действия и природы средств познания, их происхождения и возможностей обычно оказывается причиной методологических ошибок в исследованиях и выводах, беспомощности перед натиском метафизических и идеалистических спекуляций на гносеологических трудностях при замене одних абстракций на другие, приводит к напрасной трате научных сил и материальных средств. В заключение можно сказать, что философские вопросы химии не являются вопросами, без решения которых эта наука может быстро и успешно развиваться. Эти вопросы, так или иначе выступают как одна из составных частей и в разработке конкретных научных проблем современной химии, прежде всего ее больших теоретических проблем, и в повседневной деятельности химика по добыванию новых знаний о веществе, по преобразованию веществ природы в жизненно нужные людям материальные блага.

Ранее уже говорилось о том что использование ЭВМ позволило строить и рассчитывать образование и развитие солнечной системы и Земли в частности на различных моделях. Химическая эволюция Земли В процессе эволюции Земли складывались определенные пропорции различных элементов. Земля наиболее массивная среди внутренних планет прошла сложнейший путь химической эволюции. Следует подчеркнуть что геологическая история Земли...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Концепции современного естествознания
Лекция 16. Химическая эволюция Земли

Ранее уже говорилось о том, что использование ЭВМ позволило строить и рассчитывать образование и развитие солнечной системы и Земли в частности на различных моделях.

Наиболее убедительной выглядит модель образования Солнца и планет из единого вращающегося газопылевого комплекса, т.е. в соответствии с ротационными гипотезами. Вспомним, что согласно этим гипотезам в центре вращающейся газовой туманности образовалась протозвезда – Солнце. Центробежные силы в экваториальной области приводили к возникновению неустойчивых потоков газа и пыли. Впоследствии эта часть вещества была оторвана от Солнца, унося с собой избыточный момент количества движения. Так образовался газопылевой диск (кольцо) в экваториальной плоскости Солнца.

Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение и “выгоняя” солнечным ветром более легкие элементы в дальние части кольца. Этот процесс занял во времени около 100 млн. лет. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью, что привело к различиям в протекании химических процессов. Химическая эволюция планет и Земли в частности также протекала по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы, а затем летучие. Дальнейшая история развития химических соединений рассматривается нами уже в контексте развития Земли.

К началу документа

1. Химическая эволюция Земли

В процессе эволюции Земли складывались определенные пропорции различных элементов. В веществе планет, комет, метеоритов, Солнца присутствуют все элементы периодической системы, что доказывает общность их происхождения, однако количественные соотношения различны. Количество атомов какого-либо химического элемента в различных природных системах принято выражать по отношению к кремнию, поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим соединениям.

С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает, но не равномерно. Примечательно, что элементы с четным порядковым номером, особенно элементы с массовым числом кратным 4 более распространены . К ним, в частности, относятся He, CO, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. Дело в том, что этим массовым числам соответствуют устойчивые ядра. Американские космохимики Г. Юри и Г. Зюсс писали по этому поводу следующее: “...распространенность химических элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами, и окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, из которого оно было создано”.

К важнейшим свойствам Земли, определяющим ее происхождение и химическую эволюцию, относится радиоактивность. Все первичные планеты были сильно радиоактивны. Нагреваясь за счет энергии радиоактивного распада, они подвергались химической дифференциации, которая завершилась формированием внутренних металлических ядер у планет земной группы.

Литофильные элементы, т.е. элементы, образующие твердые оболочки планет (Si, O, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K) переходили вверх, выделение газов из расплавленного вещества мантий при выплавлении легкоплавких фракций, приводила к базальтовым расплавам, которые также изливались на поверхность планет. Газовые компоненты, вырывающиеся вместе с ними, дали начало первичным атмосферам, которые смогли удержать только сравнительно крупные планеты, к которым относилась и Земля. Схема формирования структуры Земли показана на рис.1.

Земля наиболее массивная среди внутренних планет, прошла сложнейший путь химической эволюции. Его были усвоены и сложные органические соединения, обнаруженные также и в метеоритном веществе. Эти вещества образовались еще на последних стадиях остывания протопланетного облака. Впоследствии на Земле они привели к возникновению жизни.

К началу документа

Геохронология. Русский геохимик А.Е. Ферсман (1883-1945) разделил время существования атомов Земли на три эпохи:

Эпоху звездных условий существования,
- эпоху начала формирования планет,
- эпоху геологического развития.

Для обозначения времен и последовательности образования горных пород Земли в эпоху ее геологического развития примет термин геохронология .

В 1881г.в Болонье на Международном геологическом конгрессе были введены термины эра, эпоха, период, век, время и принята геохронологическая шкала.

Следует подчеркнуть, что геологическая история Земли неотделима от ее биологической эволюции, она совершилась в тесной связи и под влиянием развивающейся жизни. Эти связи отражены и в геохронологии.

По степени изученности геологической и биологической истории Земли, все время ее существования делится на две неравные части:

1. Криптозой (criptos – тайный), эта часть охватывает огромный интервал времени (от 570 до 3800 млн. лет назад). Это период со скрытым развитием органической жизни, включающая архейскую и протерозойскую эры.

2. Фанерозой (греч. рhaneros “явный” + zoe “жизнь”), более поздняя составляющая 570 млн. лет и включающая палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры;

Поворотной точкой в истории биологической эволюции Земли явился кембрийский период палеозойской эры. Если докембрийская эпоха была временем единоличного господства одноклеточных организмов, то после-кембрийская стала эпохой многоклеточных форм. В кембрийский период впервые в истории эволюции возникли многоклеточные организмы современного типа, сложились все основные характеристики тех телесных "планов", по которым эти организмы строятся до сих пор, были заложены предпосылки будущего выхода этих организмов из морей на сушу и завоевания ими всей поверхности Земли .

До сих пор представляется загадочным тот факт, что появление новых форм не растянулось на всю кембрийскую эпоху или хотя бы значительную ее часть, а произошло почти одновременно, в течение каких-нибудь трех-пяти миллионов лет. В геологических масштабах времени это совершенно ничтожный срок - он составляет всего одну тысячную от общей длительности эволюци. Этот эволюционный скачок получил название "Кембрийский взрыв ".

К началу документа

2. Понятие самоорганизации в химии.

Вопрос о возникновении органической жизни остается до сих пор одним из самых интересных и сложных вопросов современного естествознания. Ответить на этот вопрос означает объяснить, каким образом природа из минимума химических элементов и соединений создала сложнейшие макромолекулы, а затем высокоорганизованный комплекс биосистем?

Ответ на этот вопрос ищется в настоящее время в особой химической науке – Эволюционной химии. Ее иногда называют также предбиологией – наукой о самоорганизации химических систем.

Под самоорганизацией понимают самопроизвольное повышение упорядоченности уровней сложности материальных динамических, т.е. качественно изменяющихся систем.

Субстратный и функциональный подходы к проблеме самоорганизации предбиологических систем. В рамках эволюционной химии выделяется два подхода к проблеме самоорганизации: субстратный и функциональный. Функциональный подход сосредотачивает внимание на исследовании самих процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются эти процессы. Здесь эволюционные процессы часто рассматриваются с позиций кибернетики. Крайней точкой зрения в этом подходе является утверждение о полном безразличии к материалу эволюционирующих систем.

Субстратный подход состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т.е. элементов-органов и определенной структуры входящих в живой организм химических соединений. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза (т.е. происхождение жизни) является получение информации об отборе химических элементов и структур.

Действительно, налицо определенный отбор химических элементов для создания эволюционирующих систем. В настоящее время известно более 100 химических элементов, однако, основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: С, Н, О, N, Р, S , общая весовая доля которых составляет 97,4 % . За ними следуют еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co. Их весовая доля в организмах »1,6 %.

Об отборе свидетельствует и общая химическая картина мира. В настоящее время известно около 8 млн. химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96 %) – это органические соединения, основной строительный материал которых все те же 6 + 12 элементов. Интересно, что из остальных химических элементов Природа создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Важно отметить, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ сформировался весь труднообозримый мир живого.

Каковы же принципы отбора химических соединений - своеобразной “химической подготовки” к образованию сложнейших биологических систем?

Оказалось, что определяющая роль здесь принадлежит катализаторам, т.е. веществам, активирующим молекулы реагентов и повышающим скорость химических реакций. Однако, катализаторы не остаются неизмененными в ходе химических реакций: их активность либо падает, либо возрастает.

К началу документа

3. Общая теория химической эволюции и биогенеза

В 60-х годах 20-го века было установлено экспериментально, что в ходе химической эволюции отбирались те химические структуры, которые способствовали резкому повышению активности и избирательной способности катализаторов. Это позволило профессору МГУ А.П. Руденко в 1964 г. теорию саморазвития открытых каталитических систем, которая по праву можно считать общей теорией хемо- и биогенеза. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.

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

Саморазвитие, самоорганизация систем может происходить только за счет постоянного притока энергии, источником которой является основная, т.е. базисная реакция. Из этого следует, что максимальные эволюционнные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций.

Временной период химической эволюции. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Первые проявления катализа начинаются при понижении температуры до 5000° К и ниже и образовании первичных твердых тел. Полагают также, что когда период химической подготовки, т.е. период интенсивных и разнообразных химических превращений сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция как бы застыла.

Прикладное значение эволюционной химии. Эволюционная химия не только помогает раскрыть механизм биогенеза но и позволяет разработать новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул и создание новых мощных катализаторов, в том числе биокатализаторов – ферментов, а это, в свою очередь, является залогом решения задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов.

К началу документа

Теории возникновения жизни

Наиболее известными к настоящему времени теориями возникновения жизни на Земле являются следующие.

Креационизм . Согласно этой теории жизнь была создана сверхъестественным существом – Богом в определенное время. Этого взгляда придерживаются последователи почти всех религиозных учений. Однако и среди них нет единой точки зрения по этому вопросу, в частности, по трактовке традиционного христианско-иудейского представления о сотворении мира (Книга Бытия). Одни буквально понимают Библию и считают, что мир и все населяющие его живые организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа (в 1650 г. архиепископ Ашер, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, вычислил, что Бог приступил к сотворению мира в октябре 4004 г. до н.э. и закончил свой труд в декабре 23 октября в 9 часов утра, создав человека. При этом, правда, получается, что Адам был сотворен в то время, когда на Ближнем Востоке уже существовала хорошо развитая городская цивилизация ). Другие же не относятся к Библии как к научной книге и считают, что главное в ней – божественное откровение о создании мира всемогущим Творцом в понятной для людей древнего мира форме. Другими словами, Библия не отвечает на вопросы «каким образом?» и «когда?», а отвечает на вопрос «почему?». В широком смысле креационизм допускает, таким образом, как создание мира в его законченном виде, так и создание мира, эволюционирующего по законам, заданным Творцом.

Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Однако для верующего теологическая (божественная) истина абсолютна и не требует доказательств. В то же время, для настоящего ученого научная истина не является абсолютной, она всегда содержит элемент гипотезы. Таким образом, концепция креационизма автоматически выносится за рамки научного – исследования, поскольку наука занимается лишь теми явлениями, которые поддаются наблюдению, могут быть подтверждены или отвергнуты в ходе исследований (принцип фальсифицируемости научных теорий). Другими словами, наука никогда сможет ни доказать, ни опровергнуть креационизм.

Самопроизвольное зарождение . Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни. Он считал, что «..живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы.». С распространением христианства эта теория оказалась в одной проклятой церковью «обойме» с оккультизмом, магией, астрологией, хотя и продолжала существовать где-то на заднем плане, пока не была опровергнута экспериментально в 1688 г. итальянским биологом и врачом Франческо Реди. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.

Теория панспермии . Согласно этой теории жизнь была занесена на Землю извне, поэтому ее, в сущности, нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой. Она не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а просто переносит проблему происхождения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Теория биохимической эволюции . Жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.

Последняя теория отражает современные естественнонаучные взгляды и поэтому будет рассмотрена подробнее.

Согласно данным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно:

· высокая температура, порядка 4000 О С,
· атмосфера, состоящая из водяных паров, СО 2 , СН 3 , NH 3 ,
· присутствие сернистых соединений (вулканическая активность),
· высокая электрическая активность атмосферы,
· ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

К началу документа

Гипотеза Опарина-Холдейна . В 1923 г. появилась знаменитая гипотеза Опарина, сводившаяся к следующему: первые сложные углеводороды могли возникать в океане из более простых соединений, постепенно накапливаться и проводить к возникновению «первичного бульона». Эта гипотеза быстро приобрела вес теории. Надо сказать, что последующие экспериментальные исследования свидетельствовали о правомерности таких предположений. Так в 1953 г. С. Миллер, смоделировав предполагаемые условия древней Земли (высокая температура, ультрафиолетовая радиация, электрические разряды) синтезировал в лабораторных условиях 15 аминокислот, входящих в состав живого, некоторые простые сахара (рибоза). Позднее были синтезированы простые нуклеиновые кислоты (Орджел). В настоящее время синтезированы все 20 аминокислот, составляющих основу жизни.

Опарин предполагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам . Белки способны образовывать гидрофильные комплексы: молекулы воды образуют вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы и образовывать так называемые коацерваты (<лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки. Существенный недостаток этой гипотезы – она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.

(Английский ученый Холдейн (Кембриджский университет) в 1929 г. опубликовал свою гипотезу, согласно которой, живое также появилось на Земле в результате химических процессов в богатой диоксидом углерода атмосфере Земли, и первые живые существа были, возможно, «огромными молекулами». Он не упоминал ни о гидрофильных комплексах, ни о коацерватах, но его имя часто упоминается рядом с именем Опарина, а гипотеза получила название гипотезы Опарина-Холдейна.)

Решающую роль в возникновении жизни впоследствии отводили появлению механизма репликации молекулы ДНК. Действительно, любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не жизнь. Ведь важнейшее свойство жизни – ее способность к самовоспроизведению. Проблема здесь в том, что сама по себе ДНК «беспомощна», она может функционировать только при наличии белков-ферментов (например, молекула ДНК-полимеразы, «расплетающая» молекулу ДНК, подготавливая ее к репликации). Остается открытым вопрос, как самопроизвольно могли возникнуть такие сложнейшие «машины» как пра-ДНК и нужный для ее функционирования сложный комплекс белков-ферментов.

В последнее время разрабатывается идея возникновения жизни на основе РНК , т.е. первыми организмами могли быть РНК, которые, как показывают опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Условия для эволюции таких организмов наблюдаются при кристаллизации глины . Эти предположения основаны, в частности, на том, что при кристаллизации глин каждый новый слой кристаллов выстраивается в соответствии с особенностями предыдущего, как бы получая от него информацию о строении. Это напоминает механизм репликации РНК и ДНК. Таким образом, получается, что химическая эволюция началась с неорганических соединений, и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул алюмосиликатов глины.

К началу документа

Гиперциклы и зарождение жизни . Концепция самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов происхождения и эволюции жизни, исходя из теории химической эволюции Руденко, рассмотренной ранее и гипотезы немецкого физико-химика М. Эйгена. Согласно последней, процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов (нуклеотиды - элементы нуклеиновых кислот – цитозин, гуанин, тимин, аденин ), являющихся материальными носителями информации , и протеинов (полипептидов [ 1] ), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят самих себя и передают информацию следующему за ними протеину, так что возникает замкнутая автокаталитическая цепь , которую М. Эйген назвал гиперциклом . В ходе дальнейшей эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала безъядерные (прокариоты), а затем с ядрами – эукариоты.

Здесь, как видим, прослеживается логическая связь между теорией эволюции катализаторов и представлениями о замкнутой автокаталитической цепи. В ходе эволюции принцип автокатализа дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенного М.Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается усилением метаболизма, связанного с синтезированием высокоэнергетических молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. (Здесь интересно отметить особенности вирусов как промежуточной формы между жизнью и нежизнью: они лишены способности к метаболизму и, внедряясь в клетки, начинают пользоваться их метаболической системой ). Итак, по Эйгену происходит конкуренция гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Цикла, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, «побеждают» в конкурентной борьбе.

Таким образом, концепция самоорганизации позволяет установить связь между живым и неживым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления. Кроме того, жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции .

К началу документа

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные этапы образования планет в соответствии с ротационной моделью.
2. Какие общие особенности планет Солнечной системы свидетельствуют об едином происхождении планет?
3. Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе.
4. Как происходила дифференциация вещества Земли? Объясните строение Земли.
5. Что такое геохронология?

6. На какие части (по степени изученности) подразделяется история Земли?
7. Какие элементы называются органогенами и почему?
8. Какие элементы образуют химический состав живых систем?
9. Что такое самоорганизация?
10. В чем сущность субстратного и функционального подходов к проблеме самоорганизации химических систем?

11. Что такое эволюционная химия?
12. Что можно сказать о естественном отборе химических элементов и их соединений в ходе химической эволюции?
13. Что означает саморазвитие каталитических систем?
14. В чем заключается прикладное значение эволюционной химии?
15. Перечислите основные теории возникновения жизни.

16. Что такое креационизм? Можно ли опровергнуть креационизм? Объясните ваш ответ.
17. Что является слабым местом теории панспермии?
18. Чем отличается теория биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни?
19. Какие условия считаются необходимыми для возникновения жизни в результате биохимической эволюции?
20. Что такое предбиотическая эволюция?

21. В чем заключается гипотеза Опарина - Холдейна?
22. В чем заключается основная проблема объяснения перехода от «неживого» к «живому»?
23. Что такое гиперцикл?

Литература

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
2. Кузнецов В.Н., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: Агар,1996.
3. Грядовой Д.Н. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. - М.: Учпед,1999.
4. Концепции современного естествознания /под ред. С.И. Самыгина. - Ростов н/Д: Феникс, 1997.
5. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998.
6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: «Культура и спорт», ЮНИТИ, 1997.
7. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.

8. Нудельман Р. Кембрийский парадокс. - "Знание - Сила", август, сентябрь-октябрь 1988.

[ 1] полипептиды – длинная цепь аминокислот

К началу документа

Права на распространение и использование курса принадлежат
Уфимскому Государственному Авиационному Техническому Университету

Обновлено 19.02.2002.
Web-мастер О.В. Трушин

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
14714.		Эволюция Земли	105.7 KB
	Ведь самые глубокие скважины которые удалось пробурить в земной толще не превышают 1012 км а это составляет около одной трети средней толщины земной коры около 30 км и всего лишь 017 радиуса Земли 6300 км. Именно таким образом была например обнаружена граница между земной корой и верхней литосферой граница Мохоровичича доказано что внешнее ядро является жидким а также получено огромное количество достоверных данных о внутренней структуре Земли. Именно с помощью радиоактивных часов установлен возраст Земли и проведена...
21266.		Химическая кинетика и равновесие	23.79 KB
	Цель работы: изучение влияние температуры на скорость реакции концентрации на сдвиг химического равновесия. Теоретическое обоснование: Скоростью химической реакции называется количество вещества вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объёма для гомогенных реакций или на единице поверхности раздела фаз для гетерогенных реакций. Если за промежуток времени...
21607.		Химическая коррозия. Методы защиты от коррозии	21.93 KB
	Машины и аппараты изготовленные из металлов и сплавов при эксплуатации в природных или технологических средах подвержены коррозии. В результате коррозии изменяются свойства металла и часто происходит ухудшение его функциональных характеристик. Металл при коррозии может частично или полностью разрушаться.
12744.		Химическая характеристика природных вод - объектов эколого-аналитического контроля	82.84 KB
	Природные воды как дисперсные системы. Водородный показатель рН влияние малых концентраций кислот и щелочей на рН природной воды. Природные воды как дисперсные системы. Объектом экологоаналитического контроля являются воды – пресные поверхностные подземные морские а также атмосферные осадки талые воды сточные воды сбрасываемые в поверхностные водоемы.
9340.		Оценка стоимости земли	20.95 KB
	Оценка стоимости земли. Оценка стоимости земли. Предмет оценки Земельный рынок Нормативная цена земли Рыночная стоимость земли. Вовторых во многих субъекта РФ введена система дифференцированного налогообложения земли.
7608.		Состояние рынка земли в России	67.95 KB
	Проблема совершенствования правового регулирования земельных отношений в России в последнее время стала одной из самых актуальных, и широко обсуждается не только среди юристов, законодателей и политиков, но и в обществе в целом. Мнения сторон, участвующих в обсуждении иногда противоречивы
5794.		ДЫРЫ В ОЗОНОВОМ СЛОЕ ЗЕМЛИ	17.86 KB
	Роль которую играет озон для человека и для всего живого на Земле стала ясна с открытием озонового слоя. В 1912 году французским физикам Шарлю Фабри и Анри Буиссону с помощью спектроскопических измерений удалось доказать что в отдалённых слоях атмосферы существует озон предохраняющий поверхность планеты от губительного воздействия ультрафиолетового солнечного излучения. Высота озонового слоя составляет от 12 до 50 км над поверхностью Земли. По мнению современных исследователей лишь существование озонового слоя позволило живым организмам...
20227.		РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА. ОСНОВНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ ЗЕМЛИ	3.96 MB
	Отсюда возникло и самое слово климат клима – наклон обозначавшее в течение многих веков некоторый пояс земной поверхности ограниченный двумя широтными кругами. Задачи курсовой работы: Изучить факторы распределения тепла по поверхности Земли; Рассмотреть основные климатические зоны Земли. На поверхности Солнца фотосфере температура достигает...
20215.		Белорусские земли в составе Речи Посполитой (1569-1795гг.)	55.14 KB
	Создание Речи Посполитой. Государственно правовое и политическое положение белорусских земель в составе Речи Посполитой. Политический кризис Речи Посполитой и три раздела её территории.
3202.		Спрос и предложение на рынке земельных ресурсов. Неэластичность предложения услуг земли	23.7 KB
	Неэластичность предложения услуг земли. Запасы земли как ресурса для нас строго ограничены и невосполнимы. Уникальность земельных ресурсов и строгая ограниченность земли для использования порождают такое явление как земельная рента. как уплата за использование жестко ограниченного в количестве и невосполнимого ресурса – земли.

Как отмечалось выше, основной особенностью современного уровня анализа химической формы материи является переход от третьей теоретической системы - учения о химических процессах - к четвертой, получившей название эволюционной химии. Само возникновение эволюционной химии стало результатом предшествующего пути развития, пройденного этой наукой. Оно подготовлено изучением и созданием все более сложных веществ и все более глубоким проникновением в законы их строения и механизмы изменений.

«Идея эволюции, развития в химии возникла, выкристаллизовалась не сразу. Первоначально она расплывалась, растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ». До сих пор химию часто рассматривают как науку о составе, строении и свойствах химических соединений. «Химию можно определить как науку о веществах - об их строении, свойствах и реакциях, в результате которых одни вещества превращаются в другие», - считают Л. Поллинг и П. Поллинг. По мнению Ю.А. Жданова, в настоящее время» ее можно назвать наукой об атомно-молекулярной истории природных и искусственных тел. Эта история включает в себя космический круговорот веществ на Земле и в ее оболочках, на иных планетах, в межзвездной среде, где условия допускают существование молекулярных структур. Но в бесконечных циклах и круговоротах мы фиксируем вполне определенное направление, которое состоит в прогрессивной эволюции химической формы движения».

Идея перехода химического знания к эволюционной парадигме в своем наиболее абстрактном аспекте связана с общефилософской концепцией развитии как бесконечного восхождения от низшего к высшему, роста богатства содержания предметов и явлений. Эта интерпретация учения о развитии основана на большом ансамбле фактов из всех областей научного знания - физики, химии, биологии, наук об обществе. Факты показывают, например, что в известной нам части Вселенной действует ярко выраженная тенденция материальных объектов к усложнению, доминирующая над тенденциями деградации и распада. По подсчетам Г. Кастлера и Л. Блюменфельда, в случае равенства вероятности процессов упрощения и усложнения материи вероятность возникновения жизни из аминокислот, пиримидинов, пуринов, полифосфатов, сахаров и т.д. за 2 на 10 в 9-й степени лет развития Земли оказалась бы равной 10 в минус 255-й степени или даже 10 в минус 800-й, что делает это событие, по существу, невозможным. С точки зрения уровня квантово-механических процессов вероятность появления жизни оказывается практически равной нулю. Таким образом, направленность процесса развития материи в целом от низшего к высшему, от простого к сложному должна быть признана объективной закономерностью, изучение которой становится одной из главных задач научного знания на достаточно высокой ступени его развития. Именно такая ступень достигнута в настоящее время химической наукой.

Существует целый рад подходов к раскрытию механизмов развитии химического вещества. Так, Н.А. Будрейко высказывает соображения, согласно которым последовательность качественных и количественных изменений в гомологических рядах органических соединений (предельных углеводородов, спиртов, кислот и т.д.) уже выражает процесс развития веществ этих классов. Однако более детальное рассмотрение природы этих процессов показывает, что явления гомологии нельзя принимать за точную и репрезентативную модель химической эволюции. Количественное прибавление атомов в органических молекулах не является, строго говоря, реальным развитием, так как прогрессивная эволюция вещества не идет, например, от муравьиной кислоты к мелиссиновой. «Отдельные вещества данного класса гомологов (например, муравьиная, уксусная, пропионовая и т.д. кислоты) несомненно представляют собой внутреннее единство, но между ними не существует генетической связи, связи происхождения. Конечно, можно, скажем, получить из одной кислоты другую, но эти переходы множественны, произвольны и не заключают в себе какой-то внутренней линии развития». Значительным эволюционным содержанием обладает периодический закон Д.И. Менделеева. Однако это эволюционное содержание присутствует в нем в скрытом, имплицитном виде, так как периодичность в повторении свойств элементов сама по себе еще не является прямым проявлением прогрессивного развития (которое вовсе не направлено примитивным образом от водорода к трансурановым элементам). В современной химии начинают формулироваться также другие законы, более прямо и непосредственно описывающие процесс развития - например, закон возрастания абсолютной каталитической активности в теории саморазвития открытых каталитических систем А.П. Руденко, о которой пойдет речь ниже.

Перспективный путь исследования процессов химической эволюции основывается на анализе реакционной способности химических веществ как важнейшего проявления природы химического объекта.

Реакционная способность химических элементов (то есть их способность вступать в реакции с другими веществами) включает в себя две стороны: количественную и качественную. Количественная сторона реакционной способности - это легкость и быстрота образования связей, а также число атомов, которые может интегрировать данный элемент. Качественная сторона выражается в многообразии различных химических элементов, с которыми может вступать в реакции данный элемент, и многообразие образуемых ими соединений. Реакционная способность одного и того же элемента может оцениваться по-разному в зависимости от того, с какой точки зрения - качественной или количественной - мы будем подходить к ней. Так, с количественной точки зрения наибольшей реакционной способностью обладает фтор: он легко и быстро вступает в реакции со множеством веществ, является, например, единственным элементом, который окисляет кислород. Почти такой же активностью обладают другие галогены, все они в количественном плане намного активнее, чем элементы-органогены. Однако соединения, которые образуют галогены, в большинстве своем оказываются низкомолекулярными и обладают слабой реакционной способностью, которая ограничивает возможности дальнейших превращений. Элементы-органогены, наоборот, образуют огромное количество высокомолекулярных и очень активных соединений. Это объясняется прежде всего природой атомов углерода, их уникальной способностью образовывать сложные разветвленные цепи, обладать разными степенями окисления в составе одной и той же молекулы. Благодаря этому они могут создавать чрезвычайно сложные органические вещества. Следовательно, с качественной стороны углерод превосходит по реакционной способности все остальные химические элементы.

Качественная сторона реакционной способности выражается не только в непосредственно получаемых продуктах, но и во всем наборе отдаленных, конечных результатов реакции. В оценке реакционной способности химических веществ необходимо, таким образом, учитывать весь набор возможностей дальнейших превращений, которым они располагают. Рассматриваемая в этом аспекте реакционная способность выступает как показатель возможностей дальнейшего развития, связанного с тем или иным химическим элементом (соединением), как его эволюционный потенциал, или потенциал развития. По своему эволюционному потенциалу реакционная способность элементов-органогенов намного превосходит реакционные способности всех других элементов. Только соединения углерода, имеющие наибольший эволюционный потенциал, способны вывести химическую форму материи за ее собственные пределы и стать основой для возникновения жизни. Главный «соперник» углерода - кремний, которому иногда приписывают гипотетическую способность создавать химическую структуру для «кремниевой жизни» во Вселенной, не может образовать стабильного аналога даже простейшей уксусной кислоты. Возможность возникновения на основе кремния веществ, сопоставимых по сложности с белками и нуклеиновыми кислотами, представляется в современной химии скорее фантастической, чем реальной.

Понятие эволюционного потенциала служит конкретизацией, дальнейшим углублением понятия реакционной способности под углом зрения теории развития. Эволюционный потенциал химического элемента или соединения - это внутренняя, глубинная сторона его реакционной способности, характеризующая фонд возможностей дальнейшего изменения и развития. Это понятие аналогично понятиям эволюционного потенциала в физических, биологических и социальных науках. В процессах изменения любой формы материи сокращение эволюционного потенциала свидетельствует о том, что данное направление развития является не основным, магистральным, а тупиковым. Так, в химии затухание эволюционного потенциала наблюдается в гомологических радах, высшие члены которых (стеарин, воск, парафин) становятся чрезвычайно похожими друг на друга по химической инертности. Гомологический ряд с его строгой периодичностью ведет, по выражению Ю.А. Жданова, в «химический тупик». Наиболее эволюционно перспективными оказываются не гигантские монотонные цепи, а реакции другого рода, происходящие в коллоидных растворах и каталитических системах, к которым мы вернемся ниже.

В химии ярко проявляется одна из общих закономерностей материального мира - неравномерность распределения интенсивности процесса развития в пространстве и во времени. Преобладание прогрессивного направления развития в живой природе не означает, что все биологические виды во все эпохи эволюционируют с одинаковой интенсивностью. Идея общественного прогресса также не подразумевает, что все человеческие индивиды и все социальные структуры постоянно находятся в состоянии прогрессивного развития. Аналогичным образом современная химия обнаруживает в природе два существенно различных типа реакций. Первый из них не включает в себя в непосредственном виде процессы эволюции веществ, второй, наоборот, закладывает основы для эволюционных изменений.

Первая группа реакций характеризуется коренным изменением природы реагирующей молекулы, ее трансформацией в совершенно новое состояние. Гегель называл подобные процессы движением от «одного» к «другому» - старое качество здесь просто теряется, а не аккумулируется, не «снимается». Такие реакции типичны для неорганических веществ (кислота и щелочь превращаются в соль, кислород и водород образуют воду), но они встречаются и в органической химии. В то же время среди органических соединений становятся более распространенными процессы, при которых молекула не исчезает полностью, а лишь модифицируется, сохраняя некоторые черты исходного типа. Это встречается при реакциях замещения одного атома в молекуле на другой, при таутомерных перегруппировках, при рацемизации оптически активных соединений (рацемизация - возникновение такой смеси изомеров оптически активного вещества, которая теряет оптическую активность). Фактически в этих случаях начинает формироваться черта, получившая полное развитие позже, в биологической форме материи - возникает устойчивая индивидуальность, способная сохранить себя в ходе химических превращений. Особенно важно то, что органические молекулы под внешним воздействием могут вообще химически не изменяться, а лишь переходить в другое состояние в результате перераспределения энергии, возбуждения, поворотов отдельных групп, обратимой миграции некоторых атомов, образования временных межатомных связей и т.п.

Таким образом, химический индивид приобретает способность изменить свою природу, сохранив себя. На данном этапе развития материи становится хорошо заметен диалектический процесс отрицания отрицания. Слабые и эфемерные физические силы, проявляющие себя при взаимодействии частиц и лишь слегка модифицирующие молекулу при сохранении ее химической структуры, накапливаются в макромолекулах и их комплексах. Эти силы формируют специфическую структуру живого, включающую фермент-субстратные агрегаты, межмолекулярные образования нуклеопротеидов, гликолепидов, комплементарные соответствия в двойной спирали ДНК, взаимодействия ДНК, РНК и белков. Все эти слабые физические взаимодействия определяются водородными связями, полярными, диполь-дипольными и вандерваальсовыми силами, которые предваряют химический процесс, готовят его, но еще не исчерпывают.

химия естествознание эволюционный материя