Эволюционная химия: сущность и основные проблемы

Проявления катализа начинаются при смягчении условий (“5000°К) и образовании первичных твердых тел. Роль катализатора возрастала по мере того как физические условия (главным образом температура) приближались к земным. Но общее значение катализа, вплоть до образования более или менее сложных органических молекул, все еще не могло быть высоким. Появление таких даже относительно несложных систем, как СНзОН, СН2 = СН2, НС = СН, Н2СО, НСООН, а тем более оксикислот, аминокислот и первичных сахаров было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа.

Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, известного количественного минимума органических и неорганических соединений начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром. Отличительной чертой второго, функционального, подхода к проблеме предбиологической эволюции является сосредоточение внимания на исследовании самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Среди естествоиспытателей данного подхода придерживаются преимущественно физики и математики, которые рассматривают эволюционные процессы с позиции кибернетики. Крайней точкой зрения в нем является утверждение о полном безразличии к материалу эволюционных систем. Живые системы, вплоть до интеллекта, могут быть смоделированы даже из металлических систем.

Так в 80-х гг. прошлого века появилось новое научное направление - искусственная жизнь (ИЖ, ALife), оно, как отдельное выделилось из теории искусственного интеллекта (ИИ), когда состоялась первая Международная конференция ALife I (1989г., Лос-Аламос). Вскоре за ней последовали Европейская конференция по искусственной жизни и Международная конференция по моделированию адаптивного поведения (обе - 1991 г., Париж). Одной из главных задач ИЖ считается создание искусственных существ, способных действовать не менее эффективно, нежели живые организмы. С первых дней своего официального существования участники ИЖ-проектов в существенной степени (гораздо активнее, нежели классические исследователи ИИ) ориентировались на робототехнику. Однако со временем их интерес переместился к моделям коллективного поведения. Поэтому фантастика А. Азимова о роботах, может воплотиться в жизнь. И для человечества возникнет опасность столкнуться с “Терминатором” и “восстанием машин”. Что может привести к уничтожению “венца творения” - человека, своим же творением, следующим витком эволюции - искусственной жизнью. И появлению цивилизации искусственной (созданной человеком) неорганической жизни, которая может посчитать, что органическая жизнь не имеет права на существование.

2.2 Общая теория химической эволюции и биогенеза Руденко

В 1969г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза. Это теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, которая в общем виде была выдвинута в 1964 г., профессором Московского университета А.П. Руденко. В ней осуществлен синтез рациональных сторон субстратного и функционального подходов. Она решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Пока только эта теория может служить основанием эволюционной химии как новой концептуальной системы, возвышающейся над учением о химическом процессе. Сущность данной теории состоит в утверждении, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Те же центры, изменение которых связано с уменьшением активности, постепенно выключаются из кинетического процесса, “не выживают”. При многократных последовательных необратимых изменениях катализатора переход его на все более высокие уровни сопровождается эволюцией механизма базисной реакции как за счет изменений состава и структуры катализаторов, функционировавших в начале реакции, так и за счет дробления химического процесса на элементарные стадии и появления на них новых катализаторов. Эти новые катализаторы появляются не путем захвата их из внешней среды, а благодаря саморазвитию.

А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного, потока трансформируемой энергии. А так как главным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на основе реакций с самым большим средством (экзотермические реакции). Базисная реакция является, таким образом, не только источником энергии, необходимой для полезной работы в системе, которая направлена против равновесия, но и орудием отбора наиболее совершенных эволюционных изменений в катализаторе.

Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий. Первое - общая классификация этапов химической эволюции, а на ее основе классификация катализаторов по уровню их организации. Эта классификация может быть представлена следующим рядом катализаторов с последовательным повышением уровня организации: кристаллы, близкие к идеальным, - реальные кристаллы после раскристаллизации - реальные кристаллы с включением примесей из сферы реакций - твердые кристаллы с хемосорбированными комплексами - гомогенные каталитические системы, в том числе металлоорганические, металлокомплексные катализаторы стереоспецифического действия - микрогетерогенные и коллоидные системы. Второе следствие - принципиально новый метод изучения, катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакций. И, наконец, третье следствие - конкретная характеристика пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу в результате преодоления, так называемого второго кинетического предела саморазвития каталитических систем. Наибольший же интерес представляет собственно процесс усложнения химических веществ вплоть до создания живого, т. е. биогенез. А.П. Руденко выделяет два подхода к рассмотрению химической эволюции: актуалисгический (биохимический) и естественноисторический. Первый подход к проблеме дает возможность рассмотреть химическую эволюцию ретроспективно, со стороны биологии, исходя из известных свойств существующего живого, т. е. на основе конечного результата химической эволюции. Такой путь решения проблемы, по мнению А.П. Руденко, заводит в тупик.

“Хотя многие биополимеры были также синтезированы в абиогенных условиях... однако условия синтеза оказались резко отличными от условий, предполагающихся для возникновения жизни в водной среде. Все эти синтезы... имеют положительный потенциал Гиббса и требуют дополнительной затраты химической энергии, реальные источники которой неизвестны. Без дополнительной энергии эти синтезы не могут осуществиться, а имевшиеся биополимеры не смогли бы сохраниться длительное время, так как равновесие процесса в этих условиях сдвинуто в сторону их гидролиза. Еще большие трудности и противоречия возникают при объяснении последующих этапов молекулярной эволюции, ее причин, движущих сил, механизмов естественного отбора, происхождения генетического кода. Неясно, почему вообще происходит химическая эволюция и чем она отличается от неорганизованных химических процессов, почему для построения живого было использовано ограниченное число веществ из всех возможных, почему химическая эволюция приводит к системам, удаляющимся от равновесия, характерным свойством которых является стационарное неравновесие, а все остальные процессы приводят к равновесию и т. д.” С точки зрения естественноисторического подхода все эти вопросы, как считает А.П. Руденко, вполне разрешимы. Данный подход был разработан им в рамках теории эволюционного катализа, которая показала существование особых объектов с неравновесной структурой и функциональной организацией (элементарных открытых каталитических систем - сокращенно ЭОКС), способных к прогрессивной химической эволюции. Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика, которая занимается теорией управления нестационарными процессами.

Заключение

Развитие химических знаний уже на сегодняшний день позволяет надеяться на разрешение многих проблем, стоящих перед человечеством. Это, прежде всего возможность значительного ускорения химических превращений в "мягких" условиях за счет объединения в катализаторах будущего следующих достоинств: гетерогенного, гомогенного и металлоэнзимного катализа; достижение близкой к 100% селективности процессов; осуществление новых важных энергетически затрудненных процессов путем сопряжения эндо и экзотермических реакций; существенная экономия углеводородного сырья и переход от нефти к углю как более распространенному сырьевому источнику. Химия имеет реальные предпосылки для моделирования интенсификации фотосинтеза: фотолиз воды с получением водорода как самого высокоэффективного и экологически чистого топлива; промышленный синтез на основе углекислого газа широкого спектра органических продуктов, и в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравьной кислоты; промышленный синтез многочисленных материалов. Сегодня созрели условия для создания малоотходных, безходных и энергосберегающих промышленных производств, рачительного использования каждого килограмма сырья и киловатта энергии для получения необходимых материалов.

Анализ современного состояния проблем эволюционой химии свидетельствует о том, что она вызывает стойкий интерес специалистов в различных областях знания. Достигнуты и определенные успехи: наметились направления философских и естественнонаучных исследований, осознана важность понимания эволюционных механизмов на химическом уровне для создания принципиально новых технологий. Вместе с тем остается целый ряд вопросов, требующих более глубокой проработки. В первую очередь - это проблема времени в химии. Здесь необходим всесторонний анализ - и философский, и естественнонаучный. Актуализируется и проблема более четкого определения черт химического процесса как стадии химической эволюции, что позволит глубже понять эволюцию материи. Разработка проблемы химической эволюции важна также для понимания современного вида периодической системы элементов Д. И. Менделеева, качественный и количественный состав которой требует дальнейшего объяснения.

Так же перед философией эволюционная химия ставит задачу более четкого определения таких понятий, как “эволюция”, “движение”, “развитие”, “форма движения материи”, “форма существования материи”, “сложность”, “иерархия”, “структура”, “система”, “организация”, “направленность”, “время”. Сейчас перед химией и философией остро встал вопрос о специфике химического. В связи с этим большое значение для всей проблемы эволюции имеет выявление специфических черт химического пространства и химического времени. Можно отметить, что эволюционная химия имеет большой потенциал и поэтому междисциплинарный подход имеет большое значение, так как объединив методологию гуманитарных и естественных наук возможен новый виток развития науки.

Список литературы

1. Урсул А.Д., Семенюк Э.П., Мельник В.П. Технические науки и интегративные процессы. - Кишинев, 1987. С. 116.

2. Философия и социология науки и техники. - М., 1987; Химия и мировоззрение. - М., 1986.

3. Васильева Т.С., Орлов В.В. Химическая форма материи. - Пермь, 1983; Васильева Т.С. Химическая форма материи и закономерный мировой процесс. - Красноярск, 1984.

4. Комаров В.Е., Рязанова Г.Е. Пространство и время химического движения (вопросы методологии). - Саратов: 1984.

5. Оноприенко В.И., Симаков К.В., Дмитриев А.Н. Методология и понятийный базис геохронологии. - К.: 1984; Трубников Н.Н. Время человеческого бытия. М., 1987.

6. Спенсер Г. Опыты научные, политические и философские. - Киев: Совр. литератор, 1998. -С. 1408.

7. Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр: Краткая история времени. - М.: Мир, 1990.

8. Ишханов Б.С., Кэбин Э.И. Физика ядра и частиц, XX век. - М.: Изд-во МГУ, 2000.

9. Бухбиндер И.Л. Фундаментальные взаимодействия // Соросовский образовательный журнал. -1997. -№ 5. -С. 66-73.

10. Зельдович Я.Б., Блинников С.И., Шакура Н.И. Физические основы строения и эволюции звезд. - М.: Изд-во МГУ, 2003.

11. Семиохин И.А. Физическая химия. - М.: Изд-во МГУ, 2001. -С. 272.

12. Руденко А.П. Эволюционная химия и естественноисторический подход к проблеме возникновения жизни // Жypн. Всесоз. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. - 1980. -Т. 25, № 4.

13. Эйген М., Шустер П. Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул. - М.: Мир, 1982.

14. Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки: В 3 т. - М.: Мир, 1994.

15. Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. - М.: Мир, 1983.

16. Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 1986

17. Красилов В.А. Нерешенные проблемы теории эволюции. - Владивосток, 1986.

18. Опарин А.И. Современные представления о происхождении жизни на Земле // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева, 1980, №3, с.251.

19. Опарин А.И. Философский и естественно-исторический аспект проблемы происхождения жизни // Известия АН СССР. Серия биологическая, 1970, №5, с. 637.

20. Пригожин И., Стенгерс И., Порядок из хаоса. - М.,1986.

21. Философские проблемы естествознания / Под ред. С.Т. Мелюхина. - М.: Высш. шк., 1985, с.296-303.

22. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: АГАР, 1996.

23. Бобровский С. Эволюция и искусственная жизнь PC Week / RE № 3 от 01.02.2005 г., стр. 26; № 4 от 08.02.2005 г., с. 32; № 5 от 15.02.2005 г., стр. 34.

24. Руденко А.П. Вклад общей теории химической эволюции и биогенеза в развитие философии биологии // Философия биологии: вчера, сегодня, завтра. М.: ИФРАН, 1996. С. 98-109.

25. Руденко А.П. Роль химии в решении проблемы химической эволюции и биогенеза // Химия и мировоззрение. - М., 1986. С. 270-271.

Размещено на Allbest.ru