5. Химическая эволюция

5.1 Геохимическая стадия эволюции

Открытые автокаталитические системы являются единственными неорганическими химическими объектами, способными к прогрессивной химической эволюции вплоть до перехода её в биологическую эволюцию.

А.П. Руденко

При Т<4000º свободные электроны взаимодействуют с лёгкими и тяжёлыми ядрами – образуются атомы (химические элементы). Это создаёт условия для начала геохимической стадии УИ. Устойчивость химических систем достигается не только наращиванием энергии связей, но и наращиванием структурного и поведенческого разнообразия.

До 60-х гг. ХХ в. об эволюционной химии ничего не было известно, химиков вопрос о происхождении видов вещества не интересовал. Впервые в лабораторных условиях процесс химической Э был воспроизведён в конце 60-х С. Спигельманом. Первые работы по теории химической Э появились в 70-х: Ю.А. Жданов, А.П. Руденко, С.Э. Шноль, М. Кальвин, М. Эйген, К. Фокс, М. Руттен, Дж. Джойс. Под эволюционной химией следует понимать науку о самоорганизации химических систем, исследующую проблемы спонтанного синтеза новых химических систем, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами (Шноль 1979; Джойс 1993: 32; Кузнецов и др. 1996: 232).

Рассмотрим кратко историю химии. Д.И. Менделеев, определяя химию как науку о химических элементах и их соединениях, к характеристике химии как системы применил принцип неизменности химических элементов в химических реакциях. Атомная масса Н в разных соединениях всегда равна единице. Главная задача химии – получение веществ с необходимыми свойствами, но чтобы решать эту задачу, химия должна знать происхождение свойств вещества. Основанием химии по Менделееву выступает двуединая проблема: получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества.

Вся история химии является закономерным процессом смены способов решения основной проблемы. Основной вопрос химии: от чего зависят свойства веществ? В зависимости от того, как отвечали на этот вопрос, в истории химии можно выделить 4 периода.

• С XVII в. возникает учение о составе: свойства вещества зависят от элементарного и молекулярного состава. Первую попытку систематизировать химические элементы (33 х. э.) предпринял А.Л. Лавуазье, он установил роль О в образовании кислот, оксидов и воды. В 1860 г. закрепляются понятия атом и молекула.

• Структурная химия связана с Э понятия структура в химии. Основные этапы развития структурной химии: химическая атомистика Дж. Дальтона, теория химических связей атомов в молекуле И. Берцелиуса, теория валентности А. Кекуле и теория химического строения А.М. Бутлерова. Бутлеров, как и Кекуле признаёт: образование молекул из атомов происходит за счёт свободных единиц сродства (валентностей).

Он впервые доказывает: свойства зависят не только от качества и количества атомов, но и от расположения их в молекуле. Теория химического строения стала для химиков руководством в практике синтеза органических веществ.

• Выделение химической термодинамики в самостоятельное направление учения о химических процессах связывают с появлением книги Очерки по химической динамике Я. Вант-Гоффа и открытием принципа подвижного равновесия А. Ле Шателье. В 1812 г. К.С. Кирхгоф с помощью катализатора – серной кислоты получил из крахмала сахар. С 50-х гг. ХХ в. открывают зависимость свойств веществ от термодинамических и кинетических условий, в которых находится вещество в процессе химической реакции, возникает учение о химических процессах.

• С 70-х гг. начинает разрабатываться эволюционная химия. Её основой явились: исследования в области моделирования биокатализаторов, отбора каталитических систем, и успехи динамики химических систем, открытия самосовершенствования катализаторов⁵⁹ (Кузнецов и др. 1996: 168-240).

Уже периодическая система Менделеева содержала идею Э атомов от Н и Не к более сложным атомам (Li и Be, B и С). Все атомы являются производными или полимерами Н, в основе всех химических элементов – протон, ядро Н. Таблица химических элементов это ещё и пример порядка, системности в природе. В основе закона Менделеева:

• повторяемость свойств у каждого восьмого (атомный вес) и переход количества в качество и качества в количество (философский закон меры);

• диалектика общее – единичное, возможность предсказания “новых” атомов.

Геохимическая стадия УИ начинается с образования химических элементов и систем: кристаллов, минералов, молекул⁶⁰, смесей и химических реакций. Химические системы на нашей планете прошли 3 стадии Э: неорганическую, органическую и биохимическую (Жданов 1983: 76).

Геохимические структуры эволюционировали от инертных газов (Не, Ne, Ar) и кристаллов, которые не образуют молекул к низкомолекулярным неорганическим соединениям. Большинство химических элементов образуют молекулы. Молекулами называются системы, которые состоят из двух или более атомов, связанных между собой, расположенных в определённом порядке и образующих единое целое. Молекула есть не просто сумма атомов, а качественно новый продукт. Эволюционировали молекулы от низкомолекулярных соединений к макромолекулярным (Эрдеи-Груз 1976: 268-269):

• инертные газы не образуют молекул;

• большинство химических элементов образуют двухатомные (Н и F, О и С) и трёхатомные (Fe и О) неорганические молекулы;

• некоторые молекулы могут образовывать молекулярные кристаллические решётки;

• “точкой прорыва” к высокомолекулярным соединениям стал четырёхвалентный С, способный образовывать органические макромолекулы, биополимеры и ГЦ.

В процессе космофизической Э, устойчивость микросистем достигалась наращиванием энергии связей сильных взаимодействий. Образование мегамиров (скоплений галактик, галактики и звёзды) шло за счёт сил гравитационного взаимодействия.

Новый геохимический этап УИ дополняется: новым уровнем неравновесия, новыми формами самоорганизации и новой формой отражения. В химических системах возникает новый тип устойчивости систем: за счёт наращивания структурного и поведенческого разнообразия. На уровне молекул появляется селективное, избирательное отражение, а в каталитических реакциях появляется блок управления и память. Химическая диссипативная система хранит память о своём эволюционном пути, если заставить систему двигаться вспять, то она проделает путь через последовательность тех же автопоэтических структур (Янч 1999: 151).

В Э происходил отбор химических элементов, строительного материала эволюционирующих систем. Сегодня известно 116 элементов (атомов). Росло и структурное, поведенческое разнообразие химических систем: атомов – 116, а неорганических низкомолекулярных соединений – сотни тысяч, высокомолекулярных систем – миллионы. Но разнообразие ограничивалось: из 116 атомов только 6 органогенов “образовали жизнь”, из миллионов органических молекул – углеводы и липиды, белки и нуклеиновые кислоты образовали ГЦ и живую клетку (Эрдеи-Груз 1976: 267-275, 333-348; Назаретян 1991: 71-72; Кузнецов и др. 1996: 241).

Самыми ранними на Земле были кристаллы, они не образуют молекул и образуются за счёт ионных связей (внешние электронные оболочки соприкасаются). Например, кристаллы твёрдого хлористого Na представляют собой равномерную решётку, образованную ионами Na и Cl. В них нет молекул, NaCl, кристалл построен из относительно самостоятельных ионов. Кристаллы можно надстроить и разделить без изменения химических свойств. Молекула же завершённая система и образуется за счёт ковалентных связей (образование общих электронных орбит).

Эмпирическими основаниями Э неорганических молекул являются:

• данные палеобиохимии и обнаружение многих неорганических молекул в радиочастотном диапазоне космического Пр методами радиоастрономии: Н²О, NH³, SO, SiO, H²S, C²H⁵OH;

• в метеоритах, лунном грунте, на Марсе обнаружили аминокислоты;

• исследования явлений самоорганизации химических реакций школой И. Пригожина. Вдали от равновесия химические системы с каталитическими механизмами могут порождать диссипативные структуры (открытые, неравновесные системы, стремящиеся перейти от хаоса к порядку). Неорганические каталитические химические реакции можно рассматривать как прототипы сложных ферментативных биохимических реакций.

Самым простым примером такой структуры является реакция химической самоорганизации (модель брюсселятора И. Пригожина). Упорядоченность проявляется в поведении миллиардов молекул, а макроскопически это проявляется в периодичном изменении цвета реакционной смеси (Жданов 1983: 59; Пригожин 1985: 116; Пригожин, Стенгерс 1986: 202-203).

В 70-х гг. А.П. Руденко предложил теорию эволюционного катализа, теорию саморазвития открытых автокаталитических систем или химических реакций (ОАС). Эволюционные свойства ОАС проявляются в их реакции на воздействие среды, необратимом изменении (когда изменениями затрагивается природа центра катализа). ОАС переходят на новый уровень стационарности и сохраняют его даже после прекращения действия вызвавшего их фактора внешней среды. Модель катализа позволяет вскрыть необычные, эволюционные свойства ОАС:

• энергетическое сопряжение процессов, направленных против равновесия;

• синхронизация элементарных процессов, усложнение катализаторов;

• реакция ОАС на воздействия среды, их приспособление к изменению условий.

Ряд из этих свойств обнаруживается экспериментально. В результате конкуренции за энергию и Пр происходит отбор реакций по трём общеэволюционным критериям прогресса.

• Более высокий уровень неравновесия со средой, автономности ОАС. Саморазвитие ОАС происходит за счёт постоянного потока трансформируемой энергии. Основным источником энергии является базисная реакция. Максимальное эволюционное преимущество получают ОАС, развивающиеся на базе реакций с самым большим сродством (экзотермические реакции).

• Более высокой степенью разнообразия: для поддержания внутреннего гомеостазиса катализаторы должны эффективно управлять ходом реакции. Происходит дробление реакции на элементарные стадии, появляются более прогрессивные изменения катализаторов. Новые катализаторы появляются не за счёт захвата их из внешней среды, а за счёт их саморазвития. А.П. Руденко сформулировал основной закон геохимической Э: с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его Абс активности.

• Лучшее отражение воздействий среды. ОАС способны реагировать на воздействия факторов внешней среды как единое целое, изменяться, приспосабливаться к внешней среде и, отражая её воздействие на физико-химическом уровне, саморазвиваться (Руденко 1983: 260, 1988: 165-166; Кузнецов и др. 1996: 245-247).

Переход к эволюционирующей модели ОАС открывает перспективы для выявления законов химической Э, решения проблемы происхождения жизни. Здесь осуществляется переход к новой области химии – эволюционной химии, изучающей проблемы химической Э, биогенеза, рассматривающей ОАС в качестве единственно возможных объектов геохимической Э (Руденко 1983: 263, 1988: 166).

Объединение концепций Руденко и Пригожина даёт возможность понять механизм возникновения организации молекул, обладающей пониженной S и повышенной по сравнению с косной средой организованностью. Объяснение термодинамического механизма этого возникновения даёт теория диссипативных структур. Пределом Э ОАС, усложнения моделей катализа будет переход к модели живой системы, переход от хемогенеза к биогенезу, образованию макромолекул (Серебровская 1988: 174-187).