Раздел 3. Химический уровень организации материи и проблемы самоорганизации в живой и неживой природе

Система химии, логика ее развития и основные проблемы

Решение проблемы химического элемента. Проблемы эволюционной химии. Состав живой материи: биомолекулы. нуклеиновые кислоты. Химия наследственности.Энергетика биохимических процессов.

Существует множество определений химии. Химия - наука о химических элементах и их соединениях, наука о веществах и их превращениях, наука о процессах качественного превращения веществ и т.д. Ни одно из этих определений не дают полного ответа на вопрос "что такое химия". Объясняется это тем, что химия является не просто суммой знаний о веществах, но высоко упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний.

Можно оттолкнуться от самого понятия "химия". Согласно одной из версий, это название произошло от египетского слова "хеми", что означает Египет, а также "черный". Историки науки переводят этот термин как "египетское искусство". Таким образом, химия - искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро и их сплавы.

Все химические знания, начиная с алхимии, объединяются в систему благодаря определенным критериям. Прежде всего, как никакая другая наука она является одновременно и наукой, и производством. Химические заводы Д. Менделеев рассматривал как "лабораторию больших размеров", поэтому все химические знания, приобретаемые за многие столетия и представленные в форме теорий, законов, методов, технологических прописей и т.д., объединяет одна-единственная, непреходящая, главная задача химии, - задача получения веществ с необходимыми свойствами. Но это производственная задача, и путь к ней идет через решение теоретической задачи генезиса (происхождения) вещества. Итак, основанием химии выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества.

Вся история химии является закономерным процессом смены способа решения ее основной проблемы. Важнейшей особенностью этой проблемы является то, что она имеет всего только четыре способа решения, или свойства вещества зависят от четырех факторов: 1) от элементного и молекулярного состава; 2) от структуры его молекул; 3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции, и 4) от высоты химической организации вещества.[8]

Первый способ решения проблемы связан с именем английского ученого Р. Бойля (1627-1691), а также с утверждением экспериментального подхода к изучению природы. Исследования Бойля показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены. Вывод этот явился принципиально новым потому, что: 1) он отверг господствовавшие представления об элементах-качествах, о том, что свойства определяются свойствами-стихиями; 2) он утвердил новое представление о химических элементах как простых, далее неразложимых телах, из которых составлены все смешанные тела, то есть химические соединения; 3) на основе признания материальности элементов он впервые установил общность разрозненных ранее учений атомизма Демокрита и элементаризма Аристотеля; этой общностью стала идея о том, что наименьшей частицей простого тела является состоящая из атомов молекула. Способ решения основной проблемы химии стал выражаться посредством схемы: состав ® свойства. Этот способ положил начало учению о составе вещества, которое явилось первым уровнем научных химических знаний: с работы Бойля и до первой половины ХIХ в. учение о составе веществ представляло собой всю тогдашнюю химию. Поэтому Д.И. Менделеев и назвал химию своего времени "наукой о химических элементах и соединениях".

В ХIХ веке в химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественное разнообразие которых потрясающе велико. Объяснения необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном их элементном составе были найдены в явлениях, получивших название "изомерия" и "полимерия". Стало ясно, что свойства веществ, а следовательно и их качественное разнообразие обусловливаются не только их составом, но еще и структурой их молекул. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название "структурная химия". На этом уровне химия превращалась из науки аналитической в науку, главным образом, синтетическую. На этом уровне развития химии возникла технология органических веществ. Под влиянием новых требований производства возник третий способ решения проблемы генезиса свойств. Химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения веществ. Появилась технология нефтехимических производств, производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта. Все это стало возможным через изменение свойств вещества в результате влияния температуры, давления, катализаторов и других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов.

Четвертый способ решения основной проблемы химии связан с развитием химических знаний, со становлением эволюционной химии. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения целевых продуктов таких условий, которые приводят к совершенствованию катализаторов химических реакций, то есть к самоорганизации химических систем - это своеобразная биологизация химии. В сущности речь идет об использовании химического опыта живой природы. Химический реактор на уровне эволюционной химии предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Таким образом, в развитии химии происходит не смена, а строго закономерное последовательное появление концептуальных систем: учение о свойстве - структурная химия - учение о химических процессах - эволюционная химия.

Решение проблемы химического элемента

Исторические корни решения этой проблемы находятся в глубокой древности (ок. 400 до н.э.), более всего в греческой натурфилософии. От древних греков проистекают представления об элементах-свойствах и элементах-качествах, просуществовавшие около двух тысячелетий и подхваченные в XIII-ХV столетии в модернизированном виде алхимией. Р.Бойль в 1660-х годах положил начало современному представлению о химическом элементе как о "простом теле", или как о пределе химического разложения вещества, переходящем без изменений из состава одного сложного тела в состав другого сложного тела. Ни химия того времени, ни сам Р. Бойль не знали ни одного химического элемента. При помощи прокаливания, универсального для того времени, получали окалины и их принимали за элементы. То, что было известно - железо, медь и т.д., принимали за сложные тела, состоящие из соответствующего элемента и универсального "невесомого тела" - флогистона. Теория флогистона была одной из первых научных теорий химии. Исходным пунктом для появления этой теории служило стремление уточнить феноменологическую картину горения. Основателями теории флогистона считают химиков-врачей И. Бехера и Г. Шталя. С точки зрения Шталя, горение есть разложение тел, при котором выделяется газообразная материя, невесомое и неуловимое вещество - флогистон. Выделившийся флогистон рассеивается в воздухе, откуда его извлекают растения и через них он попадает в животные организмы. Изучение флогистока привело к развитию аналитического метода и, как следствие, к открытию ряда химических элементов. В 70-х годах ХVIII в. был открыт кислород, а затем и его роль в образовании кислот, оксидов, воды.

Главная роль в опровержении теории флогистона принадлежит французскому ученому А.Л. Лавуазье. В результате эмпирических исследований он пришел к выводу о наличии "наиболее чистой части воздуха" или "весьма удобновоздыхаемого" или "живительного воздуха". В мемуаре "О горении вообще" Лавуазье дал характеристику явлению горения, и один из выводов следующий: при всяком горении происходит разрушение, или разложение "чистого воздуха", а вес сгоревшего тела увеличивается точно на количество поглощенного воздуха. Ему же принадлежит первая в истории химии попытка систематизации химических элементов. Эта проблема была решена впоследствии русским химиком Д.И. Менделеевым, и результатом стало создание периодической системы химических элементов (между Лавуазье и Менделеевым можно привести большой список имен ученых, предвосхищавших решение этой проблемы). Место элемента в периодической системе оказалось не просто его порядковым номером, который в общем случае обусловлен не атомной массой, но зарядом атомного ядра. Это означает, что не атомная масса, а именно заряд ядра, и только он, обеспечивает индивидуальность химического элемента. Под элементом (по Д.И. Менделееву) "должно подразумевать те материальные составные части простых и сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств. Элементу отвечает понятие атом. Углерод есть элемент, уголь, графит, алмаз есть тела простые".

Во времена Д.И. Менделеева было известно всего 62 элемента. В 1930-е годы система заканчивалась ураном (Z= 92), на сегодняшний день можно говорить о 109 элементах, но при этом все элементы от 102 до 109 крайне неустойчивы: период их полураспада измеряется сотыми и тысячными долями секунды. Считают, что элементы далее 109-110 номеров могут быть настолько короткоживущими, что будут разваливаться в момент их образования. А пока нам точно не известен элементарный состав тел природы.

Проблемы эволюционной химии.

Эволюционная химия как научное направление оформляется во второй половине ХХ века. До этого, в отличие от биологов, химиков "происхождение видов" вещества не интересовало. Эволюционную химию считают как бы предбиологией - наукой о самоорганизации и о саморазвитии химических систем. Под эволюционными проблемами химии следует понимать проблемы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Первым практическим поводом к осознанию необходимости изучения химической эволюции явились исследования в области моделирования биокатализаторов.

В 1964 г. была выдвинута общая теория химической эволюции и биогенеза А.П. Руденко. В ней осуществлен синтез двух подходов - "субстратного" и "функционального" - к проблеме самоорганизации предбиологических систем. Здесь решался вопрос о движущих силах и механизме эволюционного процесса, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.

А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятность 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. Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий. Первое: стала возможна общая классификация этапов химической эволюции, а на ее основе - классификация катализаторов по уровню их организации, от кристаллов, близких к идеальным, к микрогетерогенным и коллоидным системам. Второе: изучение катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакций. Третье: была дана конкретная характеристика предела химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу.

На основании выводов, полученных в самых разных областях науки, можно представить логику эволюции катализа. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Условия высоких температур, электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния. Проявление катализа начинается при смягчении температурных условий и образовании первичных твердых тел.

Роль катализаторов возрастала по мере того, как физические условия приближались к земным. Появление оксикислот, аминокислот и первичных сахаров было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа. Роль катализа в развитии химических систем начинает возрастать с достижением минимума органических и неорганических соединений. Начался отбор активных соединений из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

Состав живой материи: биомолекулы

Молекулы, из которых состоят живые организмы, подчиняются всем известным законам химии. Большинство химических компонентов живых организмов представляют собой органические соединения, то есть соединения углерода, водорода, азота и кислорода, это макромолекулы белка и нуклеиновых кислот. Каждый вид живых организмов содержит свой набор белков и нуклеиновых кислот, можно говорить о неограниченном разнообразии биохимической основы жизни, но это разнообразие сводится к нескольким типам простых и небольших молекул, используемых в качестве строительных блоков. Так, белки представляют собой цепи, состоящие из 20 различных ковалентно связанных друг с другом аминокислот. Структура нуклеиновых кислот представляет собой определенное расположение четырех нуклеотидов. Эти нуклеотиды и аминокислоты являются одинаковыми во всех организмах, включая животных, растения и микроорганизмы (что свидетельствует в пользу того, что все живые организмы произошли от одного предка).

Для различных форм живого необходимы лишь 27 из 92 природных химических элементов, присутствующих в земной коре. В живых организмах в наибольших количествах встречаются четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот, в большинстве клеток на их долю приходится более 99% общей массы. Химические свойства живых организмов в значительной степени зависят от углерода, на долю которого приходится более половины сухого веса. Атомы углерода обладают способностью к образованию одинарных и двойных ковалентных связей. Вещества, имеющие скелеты из ковалентно связанных углеродных атомов, называются органическими соединениями, их разнообразие практически неограниченно. Почти все органические биомолекулы можно рассматривать как производные углеродов - соединений, состоящих из атомов углерода и водорода. Практически все сухое вещество клеток составляют органические соединения, представленные четырьмя основными видами молекул: белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и липидами. На долю белков приходится основная часть живой материи. Термин "протеин" (белок) происходит от греческого слова prоteios, означающего "первый" или "главный". Белки служат теми инструментами, посредством которых генетическая информация получает свое реальное воплощение. Белки - это не только наиболее многочисленные, но и исключительно разнообразные по своим функциям макромолекулы. Независимо от функций и биологической активности они построены из одного и того же основного набора 20 стандартных аминокислот, каждая из которых, взятая в отдельности, не обладает никакой биологической активностью. От чего зависят свойства белков и как белки различаются химически? Оказывается, белки отличаются друг от друга тем, что имеют свою последовательность аминокислотных звеньев. Аминокислоты - это алфавит белковой структуры. Двадцать аминокислот могут дать достаточное число последовательностей, чтобы их хватило не только для тысячи белков, присутствующих у каждого из тысяч существующих видов организмов, но и для белков всех тех видов, которые когда-либо существовали или же появятся в будущем. В зависимости от последовательности аминокислот белки выполняют различные функции.

Самый многообразный и наиболее высокоспециализированный класс белков составляют ферменты - белки, обладающие каталитической активностью. К настоящему времени открыто более 2000 различных ферментов, каждый служит катализатором какой-то определенной химической реакции. Ферменты - это функциональные единицы клеточного метаболизма. Ферменты - это истинные катализаторы, они значительно повышают скорость строго определенных химических реакций, но они не могут влиять на положение равновесия ускоряемых ими реакций, и при этом они не расходуются и не претерпевают изменений.

Существует два пути повышения скорости химической реакции. Первый - повышение температуры (повышение t на 10^оС вызывает ускорение химической реакции приблизительно в 2 раза). Второй путь - добавление катализатора. Катализаторы ускоряют химическую реакцию, находя "обходные пути", позволяющие молекулам преодолевать активационный барьер на более низком энергетическом уровне.

Ферменты, осуществляющие в клетке различные метаболические процессы, например, превращение глюкозы в молочную кислоту в скелетных мышцах, организованы в виде последовательных цепей или систем, в которых они действуют согласованно. В каждой ферментной системе есть хотя бы один фермент, выполняющий роль "дирижера", который задает скорость всей последовательной реакции. Такие ферменты, активность которых изменяется под воздействием молекулярных сигналов разных типов, называются регуляторными. Для каталической активности многих ферментов требуются те или иные кофакторы небелковой природы (коферменты или металлы в форме ионов). Предшественниками многих коферментов служат витамины - органические соединения, которые в малых количествах должны обязательно присутствовать в пище людей, животных для поддержания нормального развития и жизнедеятельности организма. В настоящее время известно 13 различных витаминов. О биохимической функции некоторых витаминов впервые стало известно в 1930-е годы. Примерно в то же время было выяснено, что в пище человека и животных должен присутствовать целый ряд неорганических элементов, которые, так же как и коферменты, необходимы для активности определенных ферментов.

В настоящее время существует классификация белков, основанная на их биологических функциях: ферменты, транспортные белки, пищевые и запасные белки, сократительные и двигательные белки, структурные, защитные, регуляторные белки. Так, например, некоторые белки участвуют в системе регуляции клеточной и физиологической активности. К ним относятся многие гормоны, такие как инсулин, регулирующий обмен глюкозы, гормон роста, синтезируемый в гипофизе, другие регуляторные белки, называемые репрессорами, регулируют биосинтез ферментов в бактериальных клетках. Многие белки защищают организм от вторжения других организмов или предохраняют его от повреждений. Иммуноглобулины или антитела - это специализированные белки, вырабатываемые в лимфоцитах, они способны распознавать проникшие в организм бактерии, вирусы или чужеродные белки и нейтрализовать их.

Огромную роль в метаболизме клеток играют углеводы, поскольку их можно считать основой существования большинства организмов. Центральное место углеводы занимают в метаболизме зеленых растений и других фотосинтезирующих организмов, утилизирующих солнечную энергию для синтеза углеводов из СО₂ и Н₂О. Происхождение названия углеводы связано с тем, что большинство веществ этого класса представляют собой соединения углерода с водой, соотношение между числом атомов углерода, водорода и кислорода в молекулах углеводов составляет 1:2:1. Так, эмпирическая формула Д-глюкозы С₆Н₁₂О₆, ее можно записать (СН₂О)₆ или С₆(Н₂О)₆. Большинство распространенных углеводов имеют эмпирическую формулу (СН₂О)₄.

Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды, полисахариды. В природе большинство углеводов представлено в виде полисахаридов с высокой молекулярной массой. Биологическое значение ряда полисахаридов состоит в том, что они обеспечивают накопление моносахаридов, другие же служат структурными элементами клеточных стенок и соединительных тканей. Наиболее важный резервный полисахарид в клетках растений - крахмал, а в клетках животных - гликоген. Структурные полисахариды защищают клетки, ткани и органы, придают им форму и поддерживают ее. Крахмал и гликоген легко гидролизируются, это и позволяет им играть определенную роль в энергетическом обмене. Целлюлоза является линейным неразветвленным гомополисахаридом, ее полимерные цепи сильно вытянуты и соединяются друг с другом бок о бок, образуя длинные нерастворимые фибриллы.

Нуклеиновые кислоты. Химия наследственности.

ДНК - это чрезвычайно длинные полимерные цепи, состоящие из многих тысяч соединенных друг с другом мономерных единиц - дезоксирибонуклеотидов четырех разных типов, образующих характерные для каждого организма специфические последовательности. Молекулы ДНК обычно состоят из двух частей. Функция ДНК состоит в том, что она хранит запас генетической информации, необходимой для кодирования структуры всех белков и всех РНК каждого вида организма, регулирует во времени-пространстве биосинтез компонентов клеток и тканей, определяет деятельность организма в течение его жизненного цикла и обеспечивает индивидуальность данного организма. В клетках содержится РНК трех основных классов: матричная, рибосомная и транспортная. Они представляют собой одноцепочечные полирибонуклеотиды, для которых характерна строго определенная молекулярная масса, специфическая нуклеотидная последовательность и определенная биологическая функция. Строительным блоком нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Нуклеотиды состоят из трех компонентов: азотистого основания, пектозы и фосфорной кислоты. Известно 5 азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил, при этом тимин встречается часто в ДНК, а урацил - в РНК.

История ДНК начинается с Ф. Мишера, который провел систематическое исследование клеточного ядра. Однако первое прямое доказательство того, что ДНК - носитель генетической информации, было получено только в 1940-е годы. Было обнаружено, что четыре основания встречаются в ДНК разных организмов в разных соотношениях и что между основаниями существует определенная количественная связь.

1. Препараты ДНК, выделенные из разных тканей одного организма, имеют одинаковый нуклеотидный состав.

2. Нуклеотидный состав ДНК у разных видов различен.

3. Нуклеотидный состав ДНК у данного вида не меняется с возрастом.

4. Было обнаружено соотношение: Г+Ц=Т+А.

В 1953 г. американский генетик Д. Уотсон и английский физик Ф.Крик предложили трехмерную модель ДНК. Модель состоит из двух цепей ДНК, закрученных в спираль вправо вокруг одной и той же оси с образованием двойной спирали. Дуплекс образуется за счет водородных связей между комплементарными образованиями, а гидрофильный сахарофосфатный остов располагается с наружной стороны макромолекулы. Комплементарность цепей в двойной спирали позволяет понять механизм их точной репликации. Структурные гены - это участки ДНК, с помощью специальных методов были определены нуклеотидные последовательности ряда генов и вирусных ДНК.

Энергетика биохимических процессов

Процессы роста и поддержания жизни требуют затрат энергии. Живые организмы создают и поддерживают сложные, упорядоченные и целенаправленные элементы своей структуры за счет свободной энергии окружающей среды; эту энергию они потом возвращают в среду в менее пригодной для них форме. Живые клетки представляют собой химические машины, работающие при постоянной температуре и в условиях сколько-нибудь значительных перепадов давления.

Для всех живых организмов в земной биосфере источником энергии служит в конечном счете солнечное излучение, которое возникает в результате реакции ядерного синтеза - слияния ядер водорода с образованием ядер гелия, протекающего на Солнце при необычайно высокой температуре.

Фотосинтезирующие клетки растений улавливают эту энергию и расходуют ее на превращение углекислого газа и воды в разнообразные органические соединения (например, крахмал и целлюлозу) и выделяют в атмосферу молекулярный кислород: 6СО₂ + 6Н₂О ^hn С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Другие организмы получают необходимую им энергию путем окисления богатых энергией растительных продуктов атмосферным кислородом. Таким образом, энергетические потребности для всех живых организмов прямо или косвенно удовлетворяются за счет солнечной энергии, не является исключением и человек. Так, наше тело вырабатывает тепло, и это наблюдение привело Лавуазье примерно в 1870 г. к заключению, что дыхание представляет собой медленное сгорание питательных веществ в организме. Позднее, после открытия первого и второго законов термодинамики, было установлено точное количественное соотношение между теплотой, энергией и работой. Современная биохимия использует термодинамические величины: энергию Е, энтальпию Н, энтропию S и свободную энергию Гиббса G.

Термодинамика занимается количественным описанием изменений теплоты и энергии системы, связанных, в частности, с достижением химического равновесия. Зная изменения термодинамических величин, таких как Н и S, можно предсказать пойдет в данных условиях реакция или нет, и описать состояния равновесия, но при этом учитывая, что живая система находится в стационарном состоянии, но для биохимии важно знать энергетические соотношения для биохимических реакций.

Термодинамика неравновесных, необратимых процессов представляет собой в настоящее время довольно развитую область физической химии. Характерной особенностью термодинамики необратимых процессов является то, что в нее в явном виде входит время. При этом рассматриваются открытые системы. Вполне очевидно, что живые организмы не могут считаться замкнутыми системами, с которыми оперирует классическая термодинамика, и являются открытыми системами. Для любой открытой системы характерно наличие непрерывного потока вещества в каком-то направлении. За счет этого в системе устанавливается градиент концентраций и одно из первостепенных значений приобретает явление переноса. Серьезной проблемой, ограничивающей применение в биологии термодинамики необратимых процессов, является то, что большая часть выводов этой науки справедлива лишь для состояний, близких к равновесию, в то время как живые существа весьма далеки от него. Однако в любом случае подход этот достаточно важен и при изучении биохимических процессов без него нельзя обойтись.

Литература:

1. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

2. Фигуровский Н.А. История химии. М., 1979.

3. Шептунова З.И. Историографический анализ работ по истории химии в России. М., 1995.

4. Ленинджер А. Основы биохимии.: В 3 т. М., 1985.

5. Руденко А.П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М., 1969.

6. Мецлер Д. Биохимия. М., 1980.

7. Концепции современного естествознания./Под ред. В.Н. Лавриненко и В.П. Ратникова. - М., 1997.