8.3. Самоорганизация в микромире. Формирование элементного состава вещества материи

На основе достижений ядерной физики в первой половине прошлого века удалось понять механизм образования химических элементов в природе. В 1946–1948 гг. американский физик Д. Гамов разработал теорию образования химических элементов на основе термоядерного синтеза. В дальнейшем данная теория нашла блестящее экспериментальное подтверждение.

Согласно указанной теории, существующие в природе химические элементы образовались в результате длительной эволюции от Большого взрыва до наших дней (~15–20 млрд. лет). Эволюция химического состава в природе связана со звездообразованием и эволюцией звезд и включает несколько этапов.

На первом этапе происходило образование атомов нейтрального водорода из появившихся во время Большого взрыва электронов и протонов – первых частиц вещественной материи.

Второй этап – образование из рассеянного в космосе водородного газа под действием гравитации все более уплотняющихся сгустков водородного вещества. Постепенное возрастание давления внутри сжимающегося облака в соответствии с физическими законами привело к возрастанию температуры. При температуре порядка 107 К происходил термоядерный водородный синтез.

Циклы ядерных реакций. В 1939 г. американский физик-теоретик Г. Бете разработал теорию двух циклов ядерных реакций, идущих в недрах звезд: протон-протонного и углеродного.

Протонный цикл идет по схеме:

¹H + ¹H → ²D; ²D + ¹H → ³He; ³He + ³He → ⁴He + 2¹H,

где ¹Н — протон;

²D — ядро изотопа водорода – дейтерия;

³Не — ядро изотопа гелия;

⁴Не — ядро атома гелия.

Конечным результатом данной последовательности реакций, называемой протон-протонной цепочкой, или водородным циклом, является превращение четырех ядер атомов водорода в одно ядро гелия (т.е. для протекания реакции требуется только водород).

Другой цикл ядерных реакций – углеродный – требует наличия углерода, служащего катализатором процессов всего дальнейшего ядерного синтеза. Углерод в звездах образуется следующим образом. После того как в результате слияния четырех ядер водорода и образования одного ядра гелия постепенно «выгорает» весь водород, внутреннее ядро звезды составляет только гелий.

Сжатие гелиевого ядра звезды приводит к дальнейшему повышению его внутренней температуры, в результате чего в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра, и протекает синтез всех химических элементов.

После водородных реакций при температурах свыше 150∙10⁶ К начинает идти реакция слияния ядер гелия.

Изучение реакций синтеза ядер гелия показало, что слияние циух ядер гелия ⁴Не приводит к образованию неустойчивых ядер бериллия ⁸Ве, а слияние трех ядер гелия ⁴Не – к образованию устойчивых ядер углерода ¹²С.

На следующем этапе в результате слияния ядер углерода ¹²С и гелия ⁴Не образуется ядро кислорода ¹⁶О, который, присоединяя ядро гелия ⁴Не, образует ядро неона ²⁰Ne и т.д.

Таким образом, в звездах за время их жизни в процессе ядерных реакций синтезируется определенное количество различных элементов, которые в ряде случаев после угасания звезд рассеиваются в пространстве, изменяя тем самым состав межзвездного газа. Вновь образовавшиеся звезды уже из другого по составу межзвездного вещества имеют иные исходные условия для протекания последующих в них термоядерных реакций. Данный процесс формирования химических элементов веществ в природе происходит непрерывно.

Современные астрофизические исследования спектров звезд позволили установить их химический состав. Оказалось, что полученные временные ряды звезд разных поколений и разного элементного состава находятся в хорошем согласии с рассмотренной теорией. Имеются звезды, в основном состоящие только из водорода и гелия (в них реализуется только протон-протонный термоядерный цикл), а также звезды с относительно большим содержанием более тяжелых элементов таблицы Менделеева в соответствии с углеродным циклом,

Химическая эволюция на молекулярном уровне

До возникновения жизни на Земле в течение длительного времени, продолжавшегося около двух миллиардов лет, происходил химическая эволюция неживой (косной материи).

В связи с существованием фундаментальных физических законов в природе, касающихся различных форм движения материи (таких, как тепловая, механическая, электромагнитная и т.д.), и в результате соударений различных атомов между собой возникали различные химические соединения. Между ними образовывались химические связи, появлялись новые устойчивые молекулярные системы. Иными словами, происходили химические реакции, в результате которых постепенно появилось огромное разнообразие молекул. Последующие химические реакции приводили к образованию еще более сложных химических веществ, обладающих более высокой организацией по сравнению с исходными веществами.

Очевидно, что из первичной смеси частиц могут образовываться самые разнообразные упорядоченные структуры (конечные продукты), но преимущественное распространение получают те, для которых скорость процесса образования превышает скорость распада, т.е. происходит конкуренция образовавшихся структур и отбор на более устойчивых.

На определенном уровне развития микросистемы возникают автокаталитические процессы, благодаря которым повышается уд вень обратных связей. Случайно появившаяся молекула катализатора начинает управлять ходом химического процесса и воспроизводить себе подобные молекулы. Этот процесс уже носит упорядоченный характер и осуществляется под воздействием возникшей ранее информации. Безусловно, при воспроизводстве вещества вследствие действия изменяющихся внешних факторов возможны сбои и случайные искажения структур, в результате чего появляются вещества-мутанты. Благодаря этому автокаталитический процесс может пойти по другому пути или же могут возникнуть множество автокаталитических процессов, конечным продуктом которых является одно и то же вещество. Как и в случае простейших химических реакций, здесь наблюдается конкуренция различных автокаталитических процессов, исход которой определяется скоростью синтеза и энергетикой.

В процессе химической эволюции геосферы таким путем происходило образование вначале неорганических соединений (солей, оксидов и др.), а затем и органических. В процессе стратификации вещества геосферы при отвердевании расплавов, выпаривании перенасыщенных растворов солей или под действием высоких давлений в глубинах земной коры происходила упаковка некоторых неорганических соединений в геометрически правильные упорядоченные структуры – кристаллы. Органические кристаллы (а к ним относится большинство биополимеров) образовались в результате эволюции органических молекул.

По некоторым оценкам, сегодня насчитывается около 300 тысяч неорганических и шести миллионов органических соединений, созданных природой. Основу органики составляют всего шесть элементов-органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их доля в структуре органических соединений составляется 97%. В основу органики природа заложила углерод, химические связи которого образуют остов молекул. Углерод по сравнению с другими химическими элементами обладает уникальными возможностями: образует как ковалентные, так и ионные (в металлоорганических соединениях) связи, которые легко активируются и в то же время достаточно прочны. Разнообразие классов органических соединений обусловлено способностью углерода к образованию одно-, двух-, трех-, четырех- и шестиэлектронных связей.

Появление автокаталитических реакций и повышение уровня информационных связей повысило скорость упорядочения материи и образования все более сложных, информационно насыщенных соединений. Однако при синтезе таких сложных соединений, как белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, природа «использовала» далеко не все имеющиеся в ее арсенале простые органические соединения. Например, для построения белков из ста аминокислот используется всего лишь двадцать.

Автокаталитические системы со временем становятся основой простейших самоорганизующихся биохимических систем. Появляется циклическая организация процессов. Первичная химическая реакция дает продукт, который становится исходным для последующей реакции и в то же время является катализатором для первой реакции и управляет ее развитием. С реакцией второго уровня происходит аналогичный процесс. Над первым циклом как бы надстраивается второй и управляет первым. Конечный продукт второго. цикла становится исходным продуктом для третьего и т.д.

Процессы, протекающие на вышележащем уровне, управляют процессами нижележащего уровня. Создается пирамида (иерархия) циклов, управление которыми осуществляется по принципу обратной связи. Такую структуру немецкий ученый М. Эйген назвал гиперциклом. В гиперцикле, как и в одиночной автокаталитической реакции, возможно появление мутантов, но благодаря конкуренции выживают наиболее оптимальные с точки зрения фундаментальных законов природы. Они и составляют биохимическую основу более сложных структур. По этому принципу развивается большинство биохимических реакций. Ученые предполагают, что данный механизм лежал в основе перехода от косной материи к примитивному самовоспроизводящемуся (живому) веществу. Период формирования иерархических самоуправляемых автокаталитических циклов называют ранним этапом предбиологической эволюции вещества.

По всей вероятности, образование циклов и их организация в гиперциклы, как и вообще самоорганизация систем, были необходимым этапом в эволюции материи и переходе от косного вещества к живому.

В 60-х гг. XX в. А.П. Руденко разработал теорию химической эволюции, в основу которой были положены идеи самоорганизации и саморазвития каталитических систем и самосовершенствования катализаторов в процессе синтеза.