Эволюционная химия

В 60 – 70-е гг. XXв. появился четвертый способ решения основной проблемы химии, использующий в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, какие только возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.

Под эволюционными процессами в химии понимают процесс самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

До последней трети XXв. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.

Первые шаги на пути изучения и освоения опыта живой природы были сделаны еще И.-Я. Берцелиусом, которой установил, что в основе функционирования живого организма лежит биокатализ. Затем исследования в этом направлении велись учеными Ю. Либихом, П.Э.М Бертло и Н.Н. Семеновым. Их работы способствовали укреплению связи химии с биологией.

Постепенное развитие науки XIXв., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.

Во-первых, ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).

Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри клетки, вне нее быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем, благодаря которой биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.

В-четвертых, химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.

Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.

Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.

Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов и химических соединений образовались сложнейшие биосистемы.

Только 6 элементов составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов.

К ним относятся:

• углерод;

• водород;

• кислород;

• азот;

• фосфор;

• сера.

Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%.

В состав биологически важных компонентов живых систем вхо­дят еще 12 элементов:

• натрий;

• калий;

• кальций;

• магний;

• железо;

• цинк;

• кремний;

• алюминий;

• хлор;

• медь;

• кобальт;

• бор.

Еще около 20 элементов участвуют в жизнедеятельности жи­вых систем в зависимости от среды их обитания и состава пи­тания.

Можно предположить, что определяющими факторами в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям:

- способность образовывать прочные и энергоемкие связи;

- способность образовывать лабильные (изменчивые) связи.

Сегодня также ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Есть уже и некоторые выводы.

На ранних этапах химической эволюции мира катализ вовсе отсутствовал. Условия высоких температур (выше 5000К), электрических разрядов и радиации, с одной стороны, препятствовали образованию конденсированного состояния вещества, а с другой – перекрывали те порции энергии, которые необходимы для протекания большинства реакций.

Первые проявления катализа начались при смягчении условий и образовании первичных твердых тел.

Роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия приближались к земным. Но общее значение катализа вплоть до образования более или менее сложных молекул все еще не могло быть высоким.

После того как был накоплен определенный количественный минимум органических и неорганических соединений, прежде всего сахаров и аминокислот, роль катализа начала резко возрастать.