Теория возникновения жизни, предложенная советским ученым Александром Опариным (1894-1980) надолго стала одной из самых влиятельных в научном мире. Являясь химической теорией, она предполагает самозарождение жизни под воздействием физико-химических процессов, протекающих в условиях первобытной Земли. Свои идеи ученый впервые изложил в книге "Происхождение жизни", опубликованной в Советском Союзе в 1924 году. Теорию Опарина горячо поддержал кембриджский профессор, воинствующий атеист, многолетний главный редактор коммунистической газеты "Дейли Уоркер" Холдейн. Вместе с Опариным он доказывал, что в океанах древней Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что получило название "первичного бульона" или "протобульона".

В основе теории Опарина-Холдейна лежало следующее:

1) Первобытная Земля имела разреженную, лишенную кислорода атмосферу. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

2) С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли концентрации, при которой между ними стали возможны разнообразные химические реакции. В некоторых районах, где концентрация органических молекул была особо высокой, образовались нуклеиновые кислоты и протеины.

3) В концентрированных растворах из органических веществ стали образовываться микроскопические агрегаты, напоминающие клетки - коацерваты.

4) Некоторые из белковых и нуклеиновых молекул, находящихся в составе коацерватов, оказались способны к самовоспроизводству, что в конечном итоге привело к возникновению генетического кода и первых живых клеток.

5) Благодаря процессу естественного отбора из первых клеток появились все живые организмы, существующие на Земле.

Наибольшим успехом теории Опарина-Хэлдейна стал широко известный эксперимент, проведенный в 1953 году американцем Стэнли Миллером. Этот эксперимент был предельно прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных между собой. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты - два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в другой колбе постоянно кипела вода. Далее аппарат заполняли газами, предположительно составлявшими атмосферу древней Земли: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции.

В результате в колбе образовалась сложная смесь разнообразных органических и неорганических соединений, в том числе и простейшие аминокислоты - глицин и аланин. Публикация данных опытов Миллера вызвала беспрецедентный интерес; вскоре эксперимент удалось повторить в других лабораториях и даже получить небольшое количество других аминокислот.

В научно-популярной и учебной литературе того времени нередко сообщалось о получении в процессе подобного рода экспериментов основных органических компонентов, необходимых для жизни. До сих пор в некоторых учебниках биологии утверждается, что в ходе этих экспериментов были синтезированы представители всех важнейших типов молекул, имеющихся в клетках. Такие сведения не соответствуют действительности, поскольку Миллеру и его последователям ни разу не удалось получить нуклеиновые кислоты, белки, липиды и полисахариды, т.е. основные компоненты живой клетки.

Теория (если можно назвать теорией мало обоснованное предположение) Опарина вызывает большое количество споров, но до сих пор фигурирует в учебниках биологии в качестве центральной концепции происхождения жизни.

Тем не менее, современные данные молекулярной биологии оставляют идеям Опарина и Холдейна мало шансов. Становится все более очевидным, что существует некая пороговая сложность живых организмов, ниже которой жизнь невозможна. Это относится как к организму в целом, так и к его отдельным структурам. Минимально необходимая сложность простейшей рибосомальной структуры должна соответствовать не менее чем нескольким сотням рибонуклеотидов и аминокислот рибосомальных белков, расположенных в строго определенной последовательности. Те немногие мутации рибосом, которые известны биологам, являются либо летальными, либо снижают жизнеспособность организмов. Рибосомы эукариот, даже таких разных организмов, как человек и дрожжи, строго идентичны. То же самое можно сказать и про рибосомы прокариот. Крайний эволюционный консерватизм проявляют также другие важнейшие белки, отвечающие за систему самовоспроизводства клеток - например, гистоны и ДНК-полимеразы. Минимальный набор генов, обеспечивающий жизнедеятельность простейшего клеточного микроорганизма, должен насчитывать не менее 350-400 генов. Таким образом, даже самые примитивные организмы похожи скорее на сложный, совершенный механизм, эволюционные пути возникновения которого не ясны.

Математические расчеты показывают: вероятность самозарождения простейших форм белковой жизни в нашей Вселенной за 15 млрд. лет приблизительно равна вероятности того, что, путешествуя по просторам космоса, мы когда-нибудь, на одной из планет, встретим самозародившийся из неорганического вещества телевизор марки Panasonic с гарантийным талоном к нему.

И все же, точку в вопросе самозарождения жизни ставить рано. Напомним, что существует космологическая модель Троицкого, альтернативная Теории Большого Взрыва, предполагающая практически вечное существование Вселенной, в которой любое событие может оказаться достаточно вероятным. С другой стороны, в современной космологии, опирающейся на теорию Большого Взрыва, полностью не исключаются и вещественные контакты между разными Вселенными (метагалактиками).

Старение и старость

Прокомментируем сказанное. Строго говоря, процесс старения представляет собой возрастное нарастание смертности по медико-биологическим причинам. Если смертность (вероятность умереть в течение года) минимальна в возрасте 25 лет, когда она составляет около 2%, то с возрастом, до 85-90 лет она возрастает вплоть до величины порядка 30-50%, после чего стабилизируется на этом уровне - уровне стационарного состояния. Математически, 90-летние старики вымирают по законам радиоактивного распада. Например, если из соответствующей возрастной когорты в 100 человек в текущем году умрет половина, то в следующем - половина от этой половины, т.е. останется 25 человек. Вследствие того, что величина смертности людей, перешагнувших через 85-90-летний рубеж весьма высока (до 50%), то шанс, что кто-нибудь из них достигнет, например, возраста 120 лет, очень мала. Таким образом, смерть от глубокой старости не предопределена, а носит вероятностный характер.

В этой связи борьба со старением представляется в принципе не безнадежным делом, поскольку речь идет лишь о снижении максимального показателя смертности в старших возрастных группах. Вышеизложенные статистические данные, противоречат, однако предположениям об участии в старении процесса маргинотомии, теоретически способному привести организм к запрограммированной, а не вероятностной гибели.

Представления о старении как об общесистемном явлении не могут рассматриваться как выводы, теоретически запрещающие создание средств, полностью снимающих признаки старения. Для сложных, самоорганизующихся систем старение неизбежно только в том случае, если в систему ограничен поток информации извне. О какой информации здесь может идти речь в отношении человека? Имеется в виду медико-биологическая информация, касающаяся строения и функционирования самых разнообразных структур организма. Иными словами, вполне возможно и оправданно изучать конкретные механизмы (болезни) возрастной гибели, находя соответствующие методы борьбы с ними.

Тем не менее, необходимо отметить, что некоторые исследователи допускают возможным существования некого "гена старения", возникшего в процессе эволюции, нарушив который, можно было бы очень легко достигнуть полной победы над старением. Это противоречит, однако, тому факту, что до настоящего времени не известно ни одного случая наблюдения "нестареющих" людей, появившихся бы в обществе вследствие неизбежности мутаций такого гена.

Вне зависимости от своих теоретических взглядов большинство геронтологов предпринимали и предпринимают попытки создания конкретных препаратов, замедляющих старение.

Так, например, известно, что процесс старения в значительной степени обусловлен повреждением биополимеров (ДНК и белка) под воздействием внутренней химической среды организма, содержащей альдегиды, перекиси, т.н. свободные радикалы и активные формы кислорода. Последние образуются в ходе функционирования дыхательных путей метаболизма.

В 2000-2005 г. большие успехи в разработке препаратов, препятствующих образованию в митохондриях активных форм кислорода, достигнуты российским ученым, академиком В.П. Скулачевым. Предполагается, что с их помощью удастся продлить жизнь человека не менее чем на 20-30%.

Делаются попытки замедлить процесс старения путем искусственной регуляции гормонального баланса, оптимизации качества и режима питания, коррекции возрастных нарушений в органах при помощи использования т.н. стволовых, т.е. неспециализированных, клеток, способных превращаться в специализированные.

По-видимому, применение стволовых клеток сделает уже в ближайшем будущем возможным массовую практику полноценного восстановления утраченных зубов.

Некоторые специалисты делают вывод о том, что через 20-30 лет комплексное применение разнообразных гериатрических средств, сделает вполне реальным продление жизни человека в 1,5 - 2 раза.

Однако, как это ни парадоксально, на разработку средств, замедляющих старение, в мире тратится финансовых ресурсов приблизительно в 1000-2000 раз меньше, чем денег на разработку косметических средств, скрывающих внешние признаки старения - морщины, облысение и т.д.

Мир химии

Если физика своим рождением во многом обязана стремлению человека к удовлетворению своих потребностей в создании новых механизмов и устройств (т.е. макросистем), то возникновение химии отражало растущие человеческие потребности в получении практически необходимых ему веществ.

В отличие от механизмов вещество - это однородный объект. Его качественные свойства мало зависят от того, какое количество взято. Средневековые исследователи верили, что химические свойства, качества вещества отражаются в неких, свойственным им символам. В этом состоит суть алхимии - прародительницы химии.

Алхимия (позднелатинское alchemia, alchimia, alchymia) представляла собой не только зачаток химии, но и своеобразное явление культуры, особенно широко распространённое в Западной Европе в эпоху позднего средневековья. Термин "алхимия" производят от арабского аль-кимия, которое восходит к греческому chзmйia, от chйф - лью, отливаю, что указывает на родство алхимии с искусством плавки и литья металлов, либо от слова Chemia - Египет, связывающего алхимию с местом возникновения этого искусства. В другой интерпретации алхимия происходит от египетского слова хеми, к которому в последствии была прибавлена приставка ал. - в результате в буквальном смысле получается "наука черной земли" или наука о первовеществе.

С точки зрения алхимиков, даже нарисованный символ имел связь со своим качеством-первообразом, заключенном в веществе. Такое символическое мировидение имело мистические корни и придавало алхимии магическую окраску. Например, обратимая реакция обозначалась иногда в виде дракона, проглатывающего свой собственный хвост, семь металлов соотносились с семью планетами, ртуть и сера - с материнским и отцовским началами и т. п.

Алхимики верили, что металлы являются не простейшими элементами, а составными субстанциями и построены из трех элементов, входящих в них в различных пропорциях. Это философская ртуть, философская сера и соль, или мышьяк. По видимому, имея условно-аллегорические названия, описывающие скорее свойства, перечисленные элементы не имели реального отношения к настоящим ртути, сере и мышьяку. Если все металлы состоят из одних и тех же элементов, то напрашивался вполне логичный вывод: эти пропорции можно изменить с помощью катализатора - философского камня. Исходя из подобных рассуждений, алхимики пришли также к выводу, что в Природе существует единое первовещество.

Применение философского камня алхимики видели в осуществлении трансмутации, т.е. превращения неблагородных металлов в благородные. Однако это была не главная задача. По-видимому, основной целью применения философского камня являлось получение т.н. эликсира жизни, а трансмутация была необходима для проведения эксперимента, позволяющего получить подтверждение, получен ли настоящий эликсир, или нет. Согласно легенде, приняв эликсир, алхимик не только преображал себя физически, достигая бессмертия, но и духовно. На первом этапе физического преобразования выпадали волосы, ногти и зубы, которые затем вырастали здоровыми и крепкими. Вскоре ненужной становилась пища. Влияние философского камня в десятки раз усиливало интеллектуальные способности человека.

Алхимики и их труды оставили заметный след в средневековой философии и культиуре. Среди них такие выдающиеся (считавшиеся "посвященными" личности, как Раймунд Луллий (1235-1315) - "Завещание, излагающее в двух книгах всеобщее химическое искусство", Арнальдо де Виланова (1250-1313?) - "О ядах", Альберт Великий (около 1193-1280) - "О металлах и минералах", Фра Бонавентура (1214-1274), установивший факт растворения серебра в азотной кислоте и золота в царской водке, Роджер Бэкон (около 1214 - 1292) - "Могущество алхимии", "Зеркало алхимии"

Кроме "Посвященных" алхимиков, считавшихся обладателями глубоких, "истинных" алхимических знаний, существовали еще т.н. пафферы, одержимые исключительно идеей получения золота. В основном это были люди второго сорта - шарлатаны, мошенники, пустые мечтатели, колдуны, гадатели и т.п. Если "посвященная" алхимическая элита работала по готовым рецептам, не экспериментируя и не сомневаясь в их действенности, то пафферы экспериментировали с совершенно невообразимыми смесями веществ, нередко заканчивая свою жизнь взрывами и отравлениями.

Тем не менее, именно благодаря пафферам мистическая алхимия постепенно стала постепенно преобразовываться в "экспериментальную". Сохранившиеся до настоящего времени алхимические трактаты свидетельствуют, что алхимикам-пафферам удавалось создавать различные способы получения практически ценных соединений и всевозможных смесей (минеральных и растительных красок, стекол, эмалей, металлических сплавов, кислот, щелочей, солей, лекарственных препаратов). Благодаря им были созданы также приёмы лабораторной работы (перегонка, возгонка, фильтрование), изобретены новые лабораторные приборы (например, печи для длительного нагревания, перегонные аппараты).

Иногда алхимикам можно удавалось предвосхитить некоторые, открытые позднее законы химии. Например, в труде Р. Бэкона "Зеркало алхимии" обнаруживаются описательные элементы, вполне соответствующие современному закону постоянства состава. Говоря о приготовлении "красного эликсира" из ртути и серы, Бэкон пишет: "...выбери вещество, содержащее чистую... ртуть, смешанную по определённому правилу равномерно и в должных пропорциях с серой..." Алхимикам можно приписать и натурфилософские обобщения. Такова вышеупомянутая идея генезиса металлов из трех элементов, основанная на материальном единстве мира и принципиальной возможности взаимных превращений веществ.

Интересно, что алхимические труды иногда служили источником вдохновения для ученых - создателей современных естественнонаучных концепций.

В частности, своими достижениями в области алхимии всегда гордился основоположник современной физики Исаак Ньютон, в личной библиотеке которого имелось около сотни алхимических трудов. Именно алхимическим исследованиям, а также толкованию Библии и эзотерике Ньютон посвятил большую часть своей жизни.

Один из крупнейших физиков-ядерщиков XX века, лауреат Нобелевской премии, полученной за открытие изотопов, Фредерик Содди (1877-1956) в своей книге "Радий - интерпретация радиоактивности" писал:

"Любопытно размышлять, например, о происхождении замечательной легенды о Философском Камне - старейшей и знаменитейшей из всех легенд, которые мы знаем. Исторические сведения о прошлом человечества не дают нам возможности выяснить ее источник. Философскому Камню приписывается не только способность превращать металлы, но и качества эликсира жизни. Каким бы ни было происхождение этой идеи, кажущейся на первый взгляд абсурдной, само представление о Философском Камне может служить хорошей аллегорией нашего способа мышления. Не требуется больших усилий воображения, чтобы увидеть в Энергии настоящую жизнь Вселенной. Сейчас известно, что жизнь во Вселенной возникла в результате превращений Энергии. Неужели древние случайно сблизили представления о силе превращений и о эликсире жизни? Я верю, что это, может быть прошедшее через многие века эхо давно минувших событий, когда в доисторические времена люди вступили на тот путь, по которому мы идем сейчас. Но с тех времен прошло столько времени, что атомы тех времен уже, должно быть, полностью распались..."

Поворотный этап науки о веществе, ознаменовавший смену алхимических идей и переход к современной химии, связан с именем французского химика Антуана Лавуазье (1743-1794) Биография дана по И. Леенсону (Энциклопедия "Кругосвет", 2005). Именно по его инициативе алхимия оказалась окончательно отвергнута наукой.

Лавуазье стал известен среди химиков благодаря работам по химическому анализу минералов, привезенных им из различных экспедиций (статью "Анализ гипса" он представил во Французскую Академию наук еще в 1765). В 1768 г. ученый избран сверхштатным адъюнктом Французской Академии наук по химии, в 1774 - экстраординарным, а в 1778 - ординарным (т.е. действительным) академиком. Во время Великой Французской Революции Лавуазье прилагал все силы, чтобы спасти Академию, но это ему не удалось: в 1793 г. академия была упразднена, а в следующем году жертвой революции стал и он сам.

Огромный вклад Лавуазье в науку заключался не только в получении новых фактов - этим занимались многие. Лавуазье фактически создал новую философию химии, новую систему ее понятий. В лаборатории, оборудованной по последнему слову науки и техники конца XVIII в., Лавуазье провел эксперименты, выводы из которых оказали огромное влияние на химию и другие науки. Например, он показал, как с помощью точного взвешивания можно не только получить новые научные данные, но и подтвердить научную теорию.

В качестве примера можно привести опровержение одного заблуждения (свойственного и алхимикам). В то время полагали, что вода при нагревании может самопроизвольно превращаться в твердое вещество. Действительно, когда "чистую" воду упаривали досуха, всегда обнаруживали некоторое количество сухого остатка, который называли "землей", поэтому и считали возможным превращение воды в твердое вещество - "землю". Это положение Лавуазье и решил проверить экспериментально в 1770 г. Прежде всего он постарался получить как можно более чистую воду. В те времена это можно было сделать единственным способом - перегонкой. Лавуазье взял наиболее чистую природную воду - дождевую, перегнал ее последовательно восемь раз, налил в предварительно точно взвешенный стеклянный сосуд, который затем герметично закупорил, и снова взвесил. После этого Лавуазье нагревал сосуд с водой почти до кипения в течение 100 дней. После прекращения опыта оказалось, что в воде действительно появилась "земля"! Однако повторное точное взвешивание сухого сосуда показало, что его масса уменьшилась, причем ровно настолько, сколько в нем образовалось твердого вещества. Таким образом, Лавуазье убедительно показал, откуда в воде появляется "земля" - она выщелачивается горячей водой из стекла; понятно, что при повышении температуры этот процесс идет значительно быстрее. В сильно упрощенном виде этот опыт и сейчас показывают на уроках естествознания в младших классах, выпаривая каплю водопроводной воды на стеклянной пластинке: сухой остаток показывает, что даже очень чистая с виду вода содержит небольшое количество солей. А термин "земля", как его понимали химики XVIII в., до сих пор сохранился в названии щелочноземельных и редкоземельных элементов.

Самый важный вклад Лавуазье в науку - опровержение господствовавшей многие десятилетия теории флогистона и создание теории горения, основанной на опытных данных. Еще со времен Бойля большинство ученых полагало, что превращение многих металлов (железа, ртути, цинка, меди, свинца и др.) в оксиды при их прокаливании совершается за счет "присоединения огня". Опровержение этого постулата имело огромное значение для развития химии. В одном из опытов Лавуазье поместил в герметически закрытый стеклянный сосуд олово и нагрел его с помощью большой линзы. Олово превратилось в порошок оксида, что сопровождалось увеличением массы, однако общий вес сосуда остался неизменным, и это означало, что никакой огонь извне внутрь не проникал, а к металлу присоединилась какая-то часть воздуха.

Более известен знаменитый "двенадцатидневный опыт", который провел Лавуазье. Он нагревал ртуть в запаянной реторте, где она превращалась в оксид HgO, соединяясь с кислородом. Опыт продолжался так долго, потому что ртуть - малоактивный металл и при обычной температуре на воздухе не окисляется. Для проведения реакции Hg + 1/2O2 = HgO требовалось длительное нагревание при температуре, близкой к температуре кипения ртути 357° C. Нагревать же реторту еще сильнее, чтобы ускорить реакцию кислорода с парами ртути, было нельзя, поскольку при температурах выше 400° C оксид ртути снова разлагается на металлическую ртуть и кислород. Поэтому и пришлось непрерывно прокаливать реторту в течение многих суток, пока содержащаяся в ней ртуть не превратилась полностью в оксид.

С помощью точного взвешивания Лавуазье показал, что масса оксида ртути равна массе металла и соединившегося с ним кислорода, и наоборот - образовавшийся оксид ртути разлагается с выделением тех же самых количеств ртути и кислорода. Увеличение массы металлов при прокаливании, за несколько десятилетий до Лавуазье, установил еще М.В. Ломоносов, однако его труды в то время оставались неизвестными в европейских странах. Таким образом, Лавуазье фактически заново открыл закон сохранения материи, который иногда называют законом Лавуазье - Ломоносова. Но Лавуазье не ограничился взвешиванием сосудов, а проанализировал изменения происходящие с воздухом, находящимся в контакте с металлом. Было известно, что при этом из воздуха исчезает 1/5 часть, но никто не знал, что собой представляет эта израсходованная часть воздуха и чем она отличается от оставшейся. Как показали эксперименты, остаток воздуха не поддерживает горения и дыхания лабораторных животных. Аналогичные результаты были получены при сжигании серы и фосфора.

Открытый в 1774 г. шведским химиком К.В. Шееле и английским химиком Дж. Пристли кислород помог Лавуазье понять, что именно кислород - это та пятая часть воздуха, которая присоединяется к металлу при прокаливании. (О своем открытии Пристли лично сообщил Лавуазье во время своего посещения Парижа в 1774 г.). Развитая Лавуазье теория горения и окисления окончательно покончила с флогистоном - мифической горючей субстанцией, которая в процессе горения якобы выделяется из тел. Одновременно Лавуазье первым показал, что воздух - это не простое вещество, как считали до этого, а смесь "жизненного воздуха", или кислорода, и "нездорового воздуха", или азота, причем их объемы относятся примерно как 1:4. Лавуазье не только провел анализ воздуха, но осуществил его синтез, смешивая азот с искусственно полученным из оксида ртути кислородом.

Он объяснил также, какие изменения происходят с воздухом и при горении в нем свечи, и при дыхании мыши в замкнутом пространстве. Лавуазье показал, что дыхание - это по сути медленное горение, дающее животному энергию. При этом поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Он также установил состав углекислого газа. Для этого в одном из опытов он сжег алмаз, повторив эксперимент флорентийских академиков, которые еще в 1649 "испаряли" алмазы с помощью большого зажигательного зеркала. Доклад Опыты над дыханием животных и об изменениях, которые совершаются в воздухе, проходящем через их легкие, Лавуазье зачитал на заседании Академии 3 мая 1777 г. Эти опыты были исключительно важны для развития не только химии, но и физиологии.

Лавуазье подробно исследовал роль кислорода в образовании кислот. Известные тогда кислоты содержали этот элемент, поэтому он и получил латинское название oxygenium, то есть "рождающий кислоты". Особенно важную роль сыграли тщательные эксперименты по соединению с кислородом "горючего воздуха", то есть водорода, открытого Генри Кавендишем в 1767. Лавуазье, в соответствии со своей теорией, надеялся при сгорании водорода в кислороде получить какую-либо кислоту. Оказалось, однако, что при горении водорода образуется чистая вода. Горение водорода в кислороде и образование воды Лавуазье продемонстрировал, в сотрудничестве с физиком и математиком Пьером Симоном Лапласом, на заседании Академии наук 2-4 июня 1783 г. Собрав немного продукта реакции горения, Лавуазье и Лаплас обнаружили, что это совершенно чистая вода.

Спустя два года Лавуазье, работая совместно с инженером Жаном Батистом Мёнье, получил уже 45 г "искусственной воды". Для этого им пришлось сжечь в кислороде 60 л водорода. Количественные измерения показали, что 12 объемов водорода соединяются с 22,92 объемами кислорода. Отклонение этих результатов от истинного соотношение объемов (1:2) объясняется, очевидно, примесями в изучаемых газах. Одновременно было установлено соотношение масс этих газов, которое показало, что 1 часть водорода требует для сгорания примерно 8 частей воздуха. Таким образом, Лавуазье и воду "перевел" из разряда простых тел в сложные.

После синтеза воды Лавуазье провел ее анализ, как он привык поступать при работе с другими веществами. Вместе с Мёнье он разложил пары воды, пропуская их через раскаленный ружейный ствол и собирая выделяющийся газ. Одновременно железный ствол покрылся изнутри окалиной, то есть соединением металла с кислородом: 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2, а газ оказался водородом. Это подтвердило качественный состав воды. А взвешивание продуктов реакции позволило рассчитать и ее количественный состав: 85% кислорода и 15% водорода (современные значения - 88,81 и 11,19%). Более того, Лавуазье теперь мог правильно истолковать такие реакции, как восстановление металлов из их оксидов водородом (например, CuO + H2 = Cu + H2O) и выделение водорода при действии кислот на металлы (например, Fe + Н 2SO4 = FeSO4 + H2).

Лавуазье сделал также много других научных открытий. Найдя, что при сжигании органических соединений образуется вода и углекислый газ, он установил, что в состав этих соединений входят углерод, кислород и водород. Одновременно Лавуазье выполнил первые анализы органических соединений, сжигая навески спирта, масла, воска и т.п. в определенном объеме кислорода и определяя объем выделившегося углекислого газа. Для сжигания он использовал также вещества, легко отдающие кислород: HgO, MnO2, KClO3. Исследуя процессы брожения сахаристых веществ, Лавуазье установил, что виноградный сахар при этом расщепляется с образованием спирта и углекислого газа. Вместе с Лапласом Лавуазье сконструировал ледяной калориметр, провел измерения тепловых эффектов химических реакций и этим заложил основы новой науки - термохимии.

В своем "Курсе химии" Лавуазье дал классификацию тел, деля их на простые и сложные, отнеся к последним оксиды, кислоты и соли. Всего он классифицировал в качестве элементов более 30 веществ, среди которых, помимо кислорода, азота, водорода, серы, фосфора, углерода и металлов, были также "теплород", "известь", "кремнезем" и т.п. Правда, он не утверждал, что все тела в его таблице действительно простые. "Элементами будут считаться все соединения, - писал он, - которые нельзя разложить никаким образом на более мелкие части; иными словами, если у нас нет способов разделить какое-либо вещество, то мы должны рассматривать его как элемент, как простое тело и не должны пытаться рассматривать его как сложное тело до той поры, пока эксперименты и наблюдения не приведут нас к противоположному выводу". Это определение сыграло важную роль на начальном этапе развития химии. Лавуазье предугадал сложный состав некоторых щелочей и кислот, ряда минералов, которые ранее считались элементарными, то есть неразложимыми на более простые. Очень важно, что Лавуазье, как истинный ученый, четко разделял опытные факты и гипотезы. Так, по поводу возможности в будущем разложить некоторые "земли" на металл и кислород (что было сделано Г.Дэви в начале XIX в.) Лавуазье пишет: "Я высказываю здесь простое предположение и надеюсь, что читатель не смешает то, что я даю как фактическую и опытную истину, с тем, что еще только гипотетично." Большое значение для науки имела работа Лавуазье в составе комиссии по химической номенклатуре. В 1787 Лавуазье, совместно с рядом известных французских химиков, предложил новую рациональную химическую номенклатуру. В соответствие с ней, получили современные названия многие простые и сложные неорганические соединения. Названия элементов подбирались так, чтобы по возможности отразить их свойства: кислород, водород, углерод, азот (в переводе с греческого - "нежизненный"). Кислоты получили название от элементов или веществ, из которых они получались: серная кислота, соляная, азотная, угольная, фосфорная и т.д. Это значительно облегчило систематизацию веществ.

Современные историки науки единодушны в мнении о том, что "...работы Лавуазье произвели в химии, пожалуй, такую же революцию, как два с половиной века до того открытия Коперника в астрономии." (Вильгельм Штрубе).

Со времен Лавуазье, к концу XIX века учеными было открыто уже несколько десятков химических элементов. Остро стоял вопрос о причинах различий между ними и о законах, по которым изменяются их характеристики. Первые попытки систематизации химических элементов связаны с именами нескольких известных химиков. Еще в 1817 г. И.В. Дёберейнер обратил внимание на то, что атомный вес стронция приблизительно совпадает со средним значением атомных весов кальция и бария, причем свойства элементов, составляющих триаду Ca-Sr-Ba, сходны. В 1829 г. он указал и на другие триады.

Спустя 14 лет Л. Гмелин создает таблицу близких по своим свойствам химических элементов, сгруппированных в вертикальные столбцы. Вверху столбцов расположились "базисные" элементы - кислород, азот и водород. Под ними Гмелин расставил триады, тетрады и пентады (группы из трех, четырех и пяти элементов), причем под кислородом находились группы т.н. металлоидов, т.е. электроотрицательных элементов, а электроположительные и электроотрицательные свойства групп элементов убывали сверху вниз.

Закономерное изменение свойств элементов с возрастанием атомного веса использовали в своих таблицах А. де Шанкуртуа (1863), Д. Ньюлендс (1864), У. Одлинг (1868), Л. Мейер (1864).

Но только Дмитрий Иванович Менделеев (1834 - 1907) догадался включить в свою периодическую таблицу еще не открытые элементы! Так было предсказано существование и свойства эка-алюминия (галлия).

После работ Лавуазье и создания периодической таблицы, следующим революционным шагом, предопределившим лицо современной химии, стала теория строения органических веществ Александра Михайловича Бутлерова (1828-1886). Ее основные положения заключаются в следующем:

1. Атомы расположены в молекулах не хаотично, а соединены друг с другом в определенную структуру, в соответствии с их валентностью.

2. Химические свойства веществ зависят не только от количественного соотношения отдельных элементов в молекулах, но и от химического строения молекул.

3. Атомы или группы атомов в молекулах взаимно влияют друг на друга, непосредственно или посредством других атомов.

4. Соединения, у которых один и тот же элементный состав, но различный порядок связи атомов в молекуле (т.е. различная молекулярная структура), называются изомерами. Явление изомерии - также одна из причин многообразия органических соединений.

По-прежнему незыблемой основой очень многих разделов современной химии остаются структурные формулы и стереохимические (т.е. пространственные) представления, сложившиеся в конце XIX-го века. Однако сегодняшние данные о строении молекулы далеко не исчерпываются привычными валентными штрихами (черточками) в структурных формулах.

Основная метаморфоза, которую претерпела химия в 20-м столетии, по словам проф. МГУ П.М. Зорького 1.Зоркий П.М. Критический взгляд на основные понятия химии. Росс.хим.журнал, 1996, т.XL, №3, с.5. заключается в том, что из "экспериментальной науки о веществах и их превращениях" она превратилась в систему представлений, методов, знаний и теоретических концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем (АМС).

Что из себя представляет АМС? Нельзя рассматривать молекулу, как несколько атомов, соединенных отдельно взятыми связями, в образовании которых участвуют отдельно взятые электронные пары. В реальности необходимо рассматривать молекулярную структуру как сложнейшее пространственное распределение электронной плотности, где характеристики каждой его точки зависят не только от конкретной связи, но и от организации молекулы в целом. Структура стала основным средством описания, интерпретации, прогноза и использования АМС. Не будет преувеличением назвать всю современную химию структурной.

Сегодня химия оказалась перед лицом серьезной проблемы: возникла необходимость на новом уровне согласовать данные классической химии и традиционной физической химии с быстро развивающимися структурными представлениями, со стремительно увеличивающейся в объеме структурной информацией.

К новым структурным представлениям в химии можно отнести понятие микрогетерогенности. Многие химические вещества, которые ранее считались гомогенными (однородными), в действительности представляют собой микрогетерогенные фазы. Это проявляется, например, в том, что в жидкостях молекулы часто объединены в агломераты - небольшие группы, в пределах которых молекулы взаимодействуют сильнее, чем молекулы, относящиеся к разным агломератам.

В воде, например, агломераты существуют благодаря водородным связям между молекулами. В расплаве или растворе многих органических веществ микрогетерогенность обусловлена существованием более или менее стабильных, хаотически перемещающихся относительно друг друга агломератов. Они представляют собой фрагменты молекулярных цепей, лент, стержней, слоев, имеющих вполне определенное строение. Такая структура жидкого вещества, несомненно, влияет на его свойства, например, на параметры, предопределяющие лечебное действие лекарств, растворенных в физиологических жидкостях.

Структурная химическая информация, как раньше, так и сейчас всегда основывалась на экспериментальных фактах и получаемых из них выводах, опирающихся на модельные представления. Специфика современной химии, однако, заключается в том, что моделирование экспериментальных результатов производится компьютерными методами, тогда как раньше оно было чисто умозрительным. Это и не удивительно, поскольку стремительное увеличение объема химической информации, т.е. рост ее количества, должно приводить и к качественным изменениям.

В середине 20-го века структурная информация заключалась в основном в учебниках химии (неорганической, органической, аналитической) чаще всего представших собой увесистые тома или даже многотомные издания, содержащие огромное множество экспериментальных данных. Все эти сведения химику следовало запомнить или хотя бы иметь в виду. Стремительный рост числа научных работников сделал возможным накопление огромных массивов однообразной информации для широкого круга химических соединений (инфракрасные спектры, масс-спектры, диэлектрические постоянные, магнитная восприимчивость, дипольные моменты, термохимические данные и многое другое). Наряду с толстыми учебниками появились очень толстые справочники.

Подобная информация разрослась настолько, что перестала умещаться уже и в справочники; к тому же пользоваться такими изданиями стало дорого и неудобно. В последнюю четверть XX-го века однообразную информация стали сводить в централизованные компьютерные базы (банки) данных. Одна из самых крупных баз данных такого рода - Кембриджская база структурных данных (Cambridge Structural Database, CSD), содержащая сведения о результатах приблизительно 230 тыс. специализированных физико-химических исследований (в основном это т.н. рентгеноструктурные и нейтронографические данные). Быстро увеличивается в объеме и приобретает все большее значение Брукхейвенский банк, накапливающий результаты кристаллографического изучения белков и других биополимеров. Кроме централизованных, получают распространение локальные базы данных. Так, например, к хроматографам, оснащенным т.н. масс-спектроскопическими детекторами, обычно прилагаются базы данных, охватывающие более 100 тыс. масс-спектров органических веществ, что необходимо для идентификации исследуемых компонентов путем сравнения их спектров с известными спектрами.

Научная информация, используемая для наполнения компьютерных банков, поступают в основном от исследователей, имеющих доступ к дорогостоящему и весьма сложному специализированному ("фирменному") оборудованию, предназначенному преимущественно для "физических" методов исследования. Что касается структурных данных, то здесь основными источниками информации служат т.н. инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния, ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса, дифракционные методы (рентгеноструктурный анализ и нейтронография). Объем сведений, полученных с помощью названных методов в последние три-четыре десятилетия 20-го века, в тысячи раз превысил объем опытных данных, накопленных за предыдущие три века существования научной химии. При этом разрабатываемые в настоящее время новые экспериментальные методики (например, использование т.н. синхротронного излучения в рентгеноструктурном анализе) открывают фантастические возможности не только ускоренного накопления информации, но и ее полной перепроверки и уточнения, осуществляемого за очень короткие сроки.

Применение мощных физических методов с использованием "фирменной" аппаратуры, стандартизированной обработки и существование компьютерных банков данных не только открывает химикам новые возможности, но и имеет отрицательные последствия. К таким последствиям можно отнести снижение творческой инициативы исследователя, направленной на нешаблонный анализ, осмысление результатов, выходящих за пределы существующей научной доктрины. Высокая стоимость научного оборудования зачастую приводит к тому, что экспериментальная научная задача ставится в ущерб научной целесообразности, исходя в основном из имеющихся в данной лаборатории технического оснащения.

Унификация способов обработки и представления данных, принятая в компьютерных банках, поддерживаемая научными журналами и устанавливаемая научными сообществами как общепринятая норма, нередко заставляет исследователя осуществляют не тот эксперимент, который задуман исходя из поставленной научной задачи. Вместо него выполняется тот, который позволит хорошо смотреться на конференции, без проблем опубликовать результаты и заложить их в банк.

Еще одной важной стороной химических исследований является задача разделения сложной смеси веществ, относящаяся к аналитической химии.

В один ряд с Лавуазье, Менделеевым и Бутлеровым можно поставить российского исследователя, профессора Михаила Семеновича Цвета (1872-1919). Его заслугой является открытие хроматографического процесса. Перед ученым стояла задача разделение смеси желтых и зеленых пигментов листьев растений. Для ее решения он использовал стеклянную трубку (колонку), заполненную сорбентом (порошком мела) и закрытую в нижней части пористой пластинкой таким образом, чтобы мел из трубки не высыпался. Разделяемую пробу - смесь пигментов в растворителе - Цвет помещал в верхнюю часть трубки, пропитывая этой пробой верхний слой сорбента. Ученый обнаружил, что если после нанесения пробы начать промывать колонку растворителем, то окрашенная зона, содержащая пигменты, постепенно начнет двигаться вниз по колонке и со временем разделится на две зоны, окрашенные в желтый и зеленый цвета. Это происходит за счет того, что разные компоненты пробы с разной силой адсорбируются на поверхности сорбента и поэтому двигаются вдоль него с разной скоростью. Разбив колонку и выделив окрашенные области сорбента можно извлечь соответственно желтые (ксантофиллы) и зеленые (хлорофиллы) пигменты листа. Согласно современной терминологии Цвет открыл проявительный вариант хроматографии (проявительную жидкостно-адсорбционную хроматографию). Основные итоги исследований по развитию созданного им варианта хроматографии Цвет изложил в книге "Хромофиллы в растительном и животном мире" (1910), которая является его докторской диссертацией.

Если разделение пробы на колонке Цвет мог наблюдать только постольку, поскольку ее компоненты были окрашены, то позднее были изобретены устройства (детекторы), позволяющие обнаруживать их при выходе из колонки. Теперь оказалось возможным разделять даже бесцветные компоненты, масса которых не превышала долей микрограмма.

В середине XX века были изобретены еще несколько разновидностей хроматографических методов - это газовая, высокоэффективная жидкостная, тонкослойная, ионообменная, аффинная хроматография и некоторые другие методы. Исследователи получили в свое распоряжение невероятные возможности химического анализа.

Так, например, пользуясь капиллярной газовой хроматографией в сочетании с т.н. масс-спектроскопией за 30-40 мин можно разделить смесь из 100 - 150 веществ, установив при этом название и точное количество каждого из них. Масса анализируемой пробы может составить менее одного нанограмма (10-9 г.). Интересно, что в капиллярной газовой хроматографии форма колонки уже совсем другая: она представляет собой кварцевый капилляр длиной до 100 м, свернутый в бухту.

В отличие от первых опытов Цвета современные хроматографические методы требуют применения сложнейшей аппаратуры. Серийно выпускаемый газовый или жидкостный хроматограф стоит обычно порядка 20-30 тыс. долларов и требует подключения к компьютеру со специальным программным обеспечением. Существуют хроматографы, стоимость которых превышает миллион долларов.

В настоящее время около 1/3 всех работ в области химии и биологии так или иначе связаны с использованием хроматографии.

Не будет преувеличением сказать, что открытие М.С. Цвета - не просто новая научная информация, а это информация о том, как можно получать новую информацию.