На главную
45. Четвертая концептуальная система в химии – эволюционная химия. Проблема предбиологической эволюции.
Четвертую концептуальную химическую систему и, вместе с тем, верхнюю границу современной химии образует учение об эволюционном катализе, или эволюционная химия. Своим возникновением эта теоретическая система обязана открытым в 60-е годы прошлого века советским химиком А. П. Руденко элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС), закономерности развития, а, точнее, саморазвития которых связаны с необратимым изменением катализаторов [1]. Эти открытия, сделанные еще в рамках третьей концептуальной химической системы, послужили основанием для перехода химического знания на принципиально новый, более высокий уровень развития. Вообще говоря, саморазвитие и необратимость демонстрируют не только ЭОКС, но и целый ряд других химических процессов, таких как колебательные, периодические, процессы, приводящие к образованию диссипативных структур и т.д. Поэтому область исследований, образующих сегодня верхнюю границу современной химии, более обширна и включает целый ряд теоретически и эмпирически обоснованных концепций химической эволюции. К ним относятся синергетика Г. Хакена, термодинамика необратимых процессов И. Пригожина, теория саморазвития ЭОКС А. П. Руденко, существенно изменившие наши взгляды на химическую эволюцию и обосновавшие четвертую концептуальную систему химии как учение о высших формах химизма.
Термин “химическая эволюция” был введен в науку М. Кальвином в 50-х годах. Отражая складывающиеся в естествознании и философии представления о развития вещества, М. Кальвин выделил следующие четыре основных этапа развития материи: ядерную эволюцию, химическую эволюцию, биологическую эволюцию и психосоциальную эволюцию. Пионерской была работа А. И. Опарина, предложившего коацерватную теорию происхождения жизни. Заслуга гипотезы Опарина состоит в том, что в ней происхождение жизни рассматривается как многостадийный исторический процесс, важнейшей составной частью которого является химическая эволюция вещества от простейших соединений до невероятно сложных молекул белковой природы.
Гегель сделал еще один шаг в понимании химизма как процесса развития.Он считал что орг и неорг процессы надо связать едиными понятими. “если бы хим процесс он мог продолжаться сам собой, он и был бы жизнью” .
Исторический метод в химии возник в первую очередь в результате прогресса двух ветвей естествознания: геохимии и биохимии. Первая прослеживает действительную судьбу химических соединений в неживой, а вторая – в живой природе. Высшие формы проявления химизма, связанные с функционированием живых систем, исследует ныне целый комплекс наук: биохимия, молекулярная биология, палеобиохимия.
Включение в химическую науку принципа историзма явилось одним из решающих факторов поворота химических исследований к проблеме химической эволюции. Во-первых, возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. Выяснилось, что использование таких катализаторов приводит к тому, что химические системы начинают самопроизвольно изменяться в сторону химических систем с еще более высокой степенью организации. Во-вторых, в самой каталитической химии постепенно накапливается все больше эмпирического материала, не укладывающегося в рамки классической кинетики о неизменности состава, энергетических параметров и специфичности действия катализаторов. Появляется большое число работ, результаты которых свидетельствуют о физических и химических изменениях катализаторов, о самоприспособлении их к требованиям базисной (основной) каталитической реакции.
Первую брешь в традиционном взгляде на каталитические процессы пробила работа американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингема, которые в 1958-1960 годах открыли и детально исследовали совершенно необычное для каталитической химии явление самосовершенствования катализаторов в реакциях, которые обычно приводили к их отравлению и дезактивации. Тем самым было установлено наличие реакций, способных “сами для себя” перестраивать катализатор в сторону повышения его активности. П
Наконец, приблизительно в те же годы стала накапливаться информация о колебательных химических реакциях, история исследования которых начинается еще в середине XIX века. В 80-х годах XX века, однако, в науке уже обозначилась позиция, ставящая колебательные химические реакции на передний край исследований.Б. П. Белоусовым и позднее А. М. Жаботинским было изучено поведение химической реакции окисления лимонной кислоты броматом калия в присутствии катализатора – пары ионов трех- и четырехвалентного церия, получившей название “химические часы”. Периодическое поведение этой реакции заключалось в самопроизвольном переходе ее в режим концентрационных колебаний – реакционная среда меняла свой цвет с красного на синий с периодом около минуты.
Как говорил А. М. Бутлеров, факты, не укладывающиеся в рамки существующих теорий, особенно ценны для науки. Вновь открытые факты в области исследования каталитических, колебательных, периодических реакций потребовали пересмотра целого ряда принципов химической кинетики и замены их новыми. Эти принципы следующие:
- изменение природы и активности катализаторов в ходе реакции;
- направленность изменений каталитических систем в сторону повышения уровня химической организации;
- имманентный (внутренне присущий) характер этих изменений, обусловленный законами химической эволюции.
Эти принципы представляют собой нечто новое в самой теоретической химии. Совершенно очевидно, что именно здесь находятся истоки той новой концептуальной системы химии, которая получила название “эволюционной химии”. Объектом ее исследования выступают открытые самоорганизующиеся химические системы, находящиеся в состоянии, далеком от равновесного. Развитие таких систем протекает путем образования нарастающей упорядоченности, т.е. в направлении систем, все более и более организованных.
Наибольший интерес с точки зрения химической эволюции представляют теории самоорганизации И. Р. Пригожина и А. П. Руденко. Результаты их исследований: когерентной самоорганизации макросистем в результате процесса диссипации энергии [17] и самоорганизации микроскопических ЭОКС в результате внутренних рабочих процессов базисной обменной реакции [1] были опубликованы практически одновременно. Так как при этом рассматривались по существу разные объекты и разные типы самоорганизации, обсуждение и развитие этих идей проходило до некоторого времени независимо. Необходимость их совместного обсуждения и сопоставления возникла при попытках установления связей процессов самоорганизации с процессами прогрессивной химической эволюции, сопровождающейся естественным отбором и приводящей к возникновению жизни.
По мнению самого А. П. Руденко, при объяснении сущности явлений саморазвития и прогрессивной химической эволюции и биогенеза выявились принципиальные различия в эвристической ценности идей обоих авторов. Дело в том, что с позиций концепции эволюционного катализа дается описание основных этапов прогрессивной химической эволюции и критериев перехода от неживых ЭОКС к простейшим живым организмам. В теории неравновесных диссипативных структур И. Пригожина рассматриваются только явления самоорганизации сами по себе и только для случая макросистем. Так как ни один вид макросистем с когерентной самоорганизацией не способен к прогрессивной эволюции (биогенезу), то поиски единого подхода к теоретическому описанию того и другого явления оказываются тщетными [16, с. 68].