Концептуальные этапы развития химии

 

В развитии химии выделяют несколько концептуальных этапов:

-учение о составе (возникло в 1660-е годы);

-структурная химия (1800-е годы);

-учение о химических процессах (1950-е годы);

-эволюционная химия (1970-е годы).

Первоначально свойства веществ связывались с их составом. В этом суть учения о составе. В основе учения лежала философская концепция атомизма. Основоположником учения о составе является Р.Бойль. Он считал, что характеристики и превращения веществ могут быть объяснены атомами.

Важную роль в становлении научной химии оказало понятие молекулы, которое сформулировал Гассенди. Учение о составе было дополнено концепцией структурной химии, которая устанавливает связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул. Структурная концепция позволила превратить химию из преимущественно аналитической в синтетическую науку.

В 1811 году А.Авогадро предложил атомно-молекулярную теорию строения вещества. Молекула – это устойчивая совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию. Именно молекулы определяют свойства вещества, которую вместо атома следует рассматривать в качестве единицы вещества.

В настоящее время понятие молекулы претерпело изменение. В категорию молекулы вошли макромолекулы - монокристаллы и полимеры. Полимеры – гигантские органические молекулы. Макромолекулы наиболее сложных веществ – высших белков и нуклеиновых кислот – построены из сотен тысяч атомов.

На основе атомно-молекулярной теории Авогадро была разработана теория химического строения, согласно которой свойства вещества определяются порядком связей атомов в молекулах. В 1857 году немецкий химик Ф.Кекуле создал теорию валентности - установил связь между структурой химического вещества и валентностью атомов. Валентность – способность атомов одного химического элемента соединяться с определенным количеством атомов другого химического элемента. Все элементы Кекуле разделил на одно-, двух- и трехвалентные. Он также обосновал четырехвалентность углерода.

В 1861 А.М.Бутлеров углубил понимание молекулярного уровня организации материи. На основе учения о валентности он разработал теорию химического строения. Бутлеров утверждал, что по строению молекул можно предвидеть свойства химического вещества. Он сделал вывод, что различие веществ, обладающих одинаковым составом, можно объяснить только различием их химического строения. Таким образом, в конце XIX века химики пришли к выводу, что свойства веществ зависят не только от состава (элементов), но и от структуры (способа взаимодействия элементов).

Изомеры – молекулы одинакового состава, но различной структуры. Их химические свойства обычно значительно различаются. Пример: графит и алмаз, состоящие из атомов углерода.

Химия XX века продолжила изучение свойств веществ в зависимости от их состава и структуры. Новым направлением стало учение о химических процессах. Открытия в этой области позволили создавать химические соединения с заранее заданными свойствами. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические (температура, давление и др.) и кинетические факторы (все, что связано с переносом веществ). Химическая кинетика (учение о скоростях химических реакций) выявляет механизм реакции – элементарные стадии процесса (качественные изменения) и количественные его описания. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и от условий протекания. Важнейшими из них являются концентрация, температура и катализатор.

Катализатор – вещество изменяющее скорость реакции, но не участвующее в ней.

Основателем органической химии является шведский химик Й.Я.Берцелиус. Он установил, что основой химии живого организма являются каталитические химические реакции - биокатализ. В XIX веке Луи Пастер предложил идею ведущей роли ферментов в процессах жизнедеятельности. Подавляющее большинство химических реакций трудноуправляемые. Методы управления химическими процессами подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых ведущую роль играют те или иные катализаторы. В живой клетке многочисленные химические реакции осуществляются с помощью ферментов, которые можно определить как биологические катализаторы. Чтобы эти реакции протекали вне организма, потребовалась бы высокая температура или иные факторы. Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов.

Следующий этап концептуального развития химии связан с использованием принципов, реализованных в химизме живой природы. Раскрытие в середине ХХ века структуры ДНК послужило началом интенсивных исследований не только в биологии, но и химии. Новым разделом стала эволюционная химия. В ее основе лежит идея происхождения органической материи (и жизни) из неорганической. По существу речь идет о самоорганизации химических процессов в клетках живых организмов, представляющих собой микроскопический химический реактор.

Эволюционная химия

 

Эволюционная химия является ярко выраженным проявлением в химии принципа глобального эволюционизма в науке. Центральной задачей эволюционной химии является решение проблемы возникновения жизни из неорганической материи. Поэтому эволюционную химию называют предбиологией.

Универсальная модель химической эволюции пока не разработана. Существуют два основных подхода к решению проблемы эволюции предбиологических систем. В основе субстратного подхода лежит идея естественного отбора химических элементов и структур. Функциональный подход концентрирует внимание на идее самоорганизации материальных систем. Крайней точкой зрения в последнем является безразличие к материалу эволюционных систем. Живые системы здесь моделируются даже из металлических систем.

Можно выделить третий подход – возникновение биологических систем в результате случайности. Но этот вариант практически невозможен. Пример: подход, основанный на идее генобиоза. Он утверждает первичность возникновения в результате химической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода. Но случайная его «сборка» невозможна – расчеты показывают вероятность порядка 1/10²⁰⁰⁰.

Под эволюционными понимают процессы самопроизвольного синтеза химических соединений. Центральная идея – отбор химических элементов по тем свойствам, которые давали бы преимущество при переходе на более высокий уровень организации материи – биологический. Химическая эволюция пытается объяснить переход от химогенеза к биогенезу, проблему происхождения жизни.

Как отмечалось, в основе эволюционной химии лежит идея химогенеза – своеобразного процесса «химического естественного отбора веществ». К участию в живой материи природа отобрала ограниченный набор элементов. Многие из химических элементов участвуют в жизнедеятельности живых организмов. Но основу живых систем составляют всего шесть – органогены. Это углерод (C), водород (H), кислород (O), азот (N), фосфор (P) и сера (S). Их общая весовая доля в живой материи составляет 97.4 %. Эволюцией органогеном №1 был отобран углерод. Он, как никакой другой элемент, способен образовывать одновременно прочные и лабильные (перестраиваемые) химические связи. Углерод образует колоссальное разнообразие органических соединений.

Факт принадлежности элементов к органогенам нельзя объяснить их распространенностью на Земле. Из органогенов на Земле распространены лишь кислород и водород. А углерод занимает 16 место. Общая весовая доля углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли около 0.24 %. В Космосе господствуют водород и гелий, остальное можно рассматривать как примесь.

Предполагается, что кроме органогенов в результате предбиологической эволюции шел отбор и химических соединений. Ученые поражаются многообразию живого, составленному из минимума химических элементов и химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живых систем участвует только несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в состав белков всех живых организмов входит только 20.

Современная теория происхождения жизни – химическая теория эволюции – опирается на идею самозарождения жизни. Однако в ее основе лежит не идея внезапного зарождения живых существ из неживой материи, а эволюция химических соединений, составляющих живую материю. Согласно этой концепции возникновение жизни – результат длительной химической, а затем биохимической эволюции на Земле. Теория связана с именами А.И.Опарина, Д.Холдейна, Г.Юри, А.П.Руденко. Общий подход к химической эволюции впервые был сформулирован советским биохимиком А.И.Опариным. В 1924 году была опубликована его первая книга, посвященная этому вопросу. Опыты под его руководством по искусственному воспроизводству жизни из неживой природы показали, что при соответствующих условиях жизнь может возникнуть в любом месте Вселенной, однако природа редко создает такие условия.

Опарин подчеркивал, что специфика земной жизни заключается в эволюции соединений углерода и формировании из них углеродных систем. Он предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать с ней обмен веществ.

Подобные взгляды поддерживал британский биолог Джон Холдейн. Суть взглядов в том, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4.5 млрд лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни.

Первый этап возникновения жизни связан с эволюцией углеродных (простейших органических) соединений. Органические соединения возникли в процессе взаимодействия кислорода, углерода, азота и водорода под воздействием высокой температуры на поверхности Земли (4000-8000 ⁰С в начальный период), ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного электричества. Предполагается, что земная жизнь имеет углеродную основу, т.к. соединения углерода с водородом, азотом, кислородом, серой, железом и т.п. обладают высокими каталитическими свойствами. Тем не менее, не исключается возможность возникновения жизни и на иной основе.

Второй этап связан с эволюцией в воде (обладающей свойствами растворителя) сложных органических соединений. В первичном океане, представлявшем концентрированный «органический бульон» углеродных и других соединений, осуществлялся синтез сложных органических молекул – углеводов, жиров, аминокислот, белков и нуклеиновых кислот. Эта возможность была показана в середине XIX века опытами А.М.Бутлерова.

Одним из условий синтеза биополимеров является наличие бескислородной среды, т.к. кислород как сильный окислитель разрушил бы исходные органические соединения. Американский ученый Г.Юри предположил, что первичная атмосфера была бескислородной и насыщена инертными газами – гелием, неоном, аргоном, содержала водород, метан, аммиак. Вторичный состав атмосферы, состоявший на 20 % из кислорода, стал следствием развития жизни. Для его образования понадобилось более 1 млрд лет.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров была доказана в 1953 году, когда американский ученый С.Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал жирные кислоты, уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты, пропуская электрические заряды через смесь инертных газов.

Согласно гипотезе А.И.Опарина высокомолекулярные органические соединения способны образовать фазовообособленные белковоподобные системы – коацерваты или протоклетки (пробионты), обладающие некоторыми свойствами простейших живых существ. Коацерваты объясняют происхождение биологических мембран. Они способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, но не способны к воспроизводству и саморегуляции. На этой стадии предбиологической эволюции, вероятно, происходил отбор коацерватов.

Третий этап связан с формированием благодаря катализаторам у органических соединений способности к самовоспроизводству. Только с появлением таких систем можно говорить о возникновении жизни. Первой формой живого являются не белки и ДНК, а более простые - РНК. Предположительно, именно РНК впервые стали самовоспроизводиться и синтезировать белок. Из РНК сформировались ДНК, обладающие более совершенными механизмами самовоспроизводства (репликации) и синтеза белка. На первых этапах самовоспроизводство не было точным. Об этом свидетельствует существование вирусов и фагов, – возможно, остатков форм предбиологической эволюции.

В 1960-е годы открыты случаи самосовершенствования катализаторов в реакции, когда обычно они дезактивировались. Это проявление самоорганизации в химическом процессе.

В 1969 году А.П.Руденко сформулировал общую теорию химической эволюции на основе синтеза субстратного и функционального подходов. Сущность теории в утверждении, что химическая эволюция есть саморазвитие каталитических систем, т.е. эволюционирующим веществом являются катализаторы. Он сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей вероятностью происходят те эволюционные изменения катализатора, которые увеличивают его активность.

В 2009 году британские ученые в лабораторных условиях синтезировали рибонуклеотид, из которых собираются молекулы РНК.

В настоящее время появились работы, предполагающие, что возникновение жизни связано с информационными и адаптационными свойствами супрамолекулярных соединений.