Владимир Соломатин - Система гуманитарного и социально-экономического знания
Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций (термодинамические факторы, наличие катализаторов, влияние растворителей и т. д.).
Химические реакции обратимы и представляют собой перераспределение химических связей. Поскольку большинство химических реакций не идет до конца, постольку становится важным понятие равновесия между прямой и обратной реакциями. В зависимости от природы реагентов и условий протекания процесса на практике это равновесие смещается в ту или иную сторону. Я. Вант-Гофф, используя термодинамический подход, классифицировал химические реакции и исследовал их прохождение в растворах, а также открыл законы химической кинетики; А. Ле Шателье сформулировал общий закон смещения термодинамического равновесия в химических реакциях под влиянием внешних факторов. Н. Семенов и С. Хиншелвуд разработали теорию цепных реакций.
Подавляющее большинство химических реакций трудноуправляемы. Вместе с тем в науке разработаны методы управления химическими процессами, которые подразделяются на термодинамические и кинетические. Эффективное управление химическими реакциями достигается с помощью катализаторов и ингибиторов, а в последнее время все чаще используют селективные воздействия, так как с созданием лазеров разных типов появилась возможность концентрировать энергию в узком спектральном и временном интервалах.
Среди возможных соединений реагентов есть образования с разной степенью устойчивости. Менее устойчивое соединение обладает большей свободной энергией, поэтому вновь образованная группировка менее устойчивая, чем исходные компоненты. Чтобы преодолеть эту разницу в значениях свободной энергии, необходим дополнительный запас энергии – энергия активации. Она определяет скорость протекания реакции, но ее бывает недостаточно для преодоления барьера, и реакция не идет. Поэтому стараются снизить величину энергии активации путем введения катализаторов (каталитические реакции).
Реакции с утечкой тепла в окружающую среду называют экзотермическими. Например, таковой является реакция соединения углерода с кислородом:
С+О2=СО2+94250 кал.
Эндотермическая реакция связана с взятием энергии извне. Основы химической кинетики, изучающей скорость химических реакций и особенности их протекания, были заложены Вант-Гоффом и Аррениусом, открывшими закономерности, связывающие скорости реакций с концентрацией реагентов и температурой. Было выявлено, что скорость реакции зависит от локализации энергии и вероятности ее скопления в рассматриваемой области. Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некий энергетический барьер, соответствующий энергии активации, возможность накопления которой сильно зависит от температуры.
Обычно реакция протекает в несколько промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию. Скорость ее зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых она протекает.
7.4. Эволюционная химия
Эволюционная химия вошла в науку в 50—60-х годах. Под эволюционными проблемами химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высоко организованными продуктами по сравнению с исходными веществами[88]. Развитие эволюционной химии связано со стремлением ученых понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Разработкой этих вопросов занимались Й. Берцелиус, Ю. Либих, П.Э. Бертло и многие другие.
Исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме.
Перечислим основные проблемы современной эволюционной химии:
• развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты природы;
• моделирование биокатализаторов (в частности, построение моделей ферментов);
• создание иммобилизованных систем (закрепление выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции);
• изучение и освоение всего каталитического опыта живой природы (формирование фермента, клетки и организма).
Одним из основных понятий эволюционной химии является понятие «самоорганизация». Самоорганизация отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации[89].
Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. Субстратный подход к проблеме биогенеза связан с накоплением информации об отборе химических элементов и структур. Многие из химических элементов участвуют в жизнедеятельности биоорганизмов. Но основу живых систем составляют только шесть элементов (органогенов): углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера (общая их весовая доля в организмах составляет 97,4 %). Еще двенадцать элементов принимают участие в построении компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель (весовая доля ≈1,6 %). К этому добавляются около двадцати элементов, участвующих в построении и функционировании узко специфических биосистем.
Известно около восьми миллионов химических соединений, из которых 96 % – органические; ≈300 тысяч – неорганические.
Биохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем. Определяющими факторами здесь выступают требования соответствия между «строительным материалом» и объектами с высокоорганизованной структурой. Эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию достаточно прочных и энергоемких химических связей, а также лабильных связей. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.
Предполагают, что процесс химической эволюции включал в себя несколько этапов:
• протекание процессов физической и химической адсорбции, которые вносили элементарное упорядочение во взаимное расположение частиц, увеличивали их концентрацию и служили фактором проявления каталитического эффекта;
• создание группировок, обеспечивающих процессы переноса электронов и протонов;
• формирование группировок, дающих энергетическое обеспечение;
• развитие полимерных структур типа РНК и ДНК.
На ранних стадиях химической эволюции отсутствовал катализ. Катализ начинает появляться по мере того, как физические условия приближаются к земным. Отбор активных соединений в природе происходил из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических способов и обладали широким каталитическим спектром.
Суть функционального подхода к осмыслению проблемы предбиологической эволюции состоит в исследовании самих процессов самоорганизации, в выявлении их закономерностей.
Синтез субстратного и функционального подходов к химической эволюции был осуществлен А. Руденко. Так появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, которая решает вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса. Данная теория утверждает, что химическая эволюция – это саморазвитие каталитических систем, а эволюционирующим веществом выступают катализаторы. Происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.
В данной теории выделяются следующие моменты:
• классификация этапов химической эволюции как классификация катализаторов по уровню их организации;
• новый метод изучения катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакций;
• конкретная характеристика пределов химической эволюции и переход к биогенезу.
Эволюционная химия активно развивается. Среди новейших ее направлений – нестационарная кинетика, которая изучает управление нестационарными процессами.
Тема 8
Особенности биологического уровня организации материи
К естественным наукам относится и биология – наука о живом, его строении, формах активности, природных сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой[90].
