Концепции и законы химических процессов (реакций)
Третья концептуальная система в химии возникла на
стыке химии, физики и открывает пути к пониманию биологических систем.
Химический процесс в этой концепции —
это мост от объектов физики к объектам биологии, так как возникает
возможность последовательно проследить путь от простых микрообъектов, таких как
электрон, протон, атом, молекула и полимер, в конечном итоге к биополимеру, к
клетке, в которой совершаются немыслимые химические реакции.
Течение многих химических реакций
весьма сложно, а иногда попросту трудноуправляемо: одни из них почему-то
невозможны, другие невозможно или сложно остановить (горение, взрыв), третьи
ветвятся и т. п. Методы управления химическими реакциями подразделяются на
термодинамические и кинетические, при которых главенствующую роль играют те или
иные катализаторы.
Каждая химическая реакция обратима. Обратимость служит основанием
равновесия между прямой и обратимой реакциями. В зависимости от природы
реагентов и условий процесса, равновесие может смещаться в прямую либо в
обратную сторону изменением температуры, давления и концентрации реагентов.
Подобрать, однако, условия осуществления тех или иных, на первый взгляд
простых, реакций, иногда не удавалось в течение ста и более лет. Такой реакцией
оказалась реакция синтеза аммиака из молекулярных азота и водорода, впервые
успешно осуществленная в 1913 г., после открытий Я. Вант-Гоф-фом и А. Ле
Шателье принципа, получившего их имена. Согласно этому принципу любое изменение
одного из условий равновесия вызывает смещение системы в таком
направлении,
которое уменьшает первоначальное изменение. Оказалось, что аммиак может
синтезироваться в присутствии металлоорганического катализатора (первоначально специально обработанного железа) при
высоком давлении и нормальной температуре.
Термодинамическое воздействие
оказывает влияние на направленность реакции, а вот функции управления скоростью
химической реакцией выполняет химическая ки-нетика, ускоряя или замедляя
реакции с помощью катализаторов и ингибиторов, соответственно. Химический
катализ был открыт в 1812 г. русским химиком Константином Кирхгофом (не путать
с немецким физиком Густавом Кирхгофом, установившим законы для электрической
цепи, первооткрывателем спектроскопии вместе с Р. Бун-зеном и т. д.). Среди
катализаторов особая роль принадлежит ферментам, своеобразным живым
катализаторам, сыгравшим ключевую роль в возникновении жизни.
Система
и концепции эволюционной химии стали формироваться в 60-70-е годы XX века и в своей основе отвечают
давней мечте химиков освоить и перенять опыт лаборатории живого организма,
понять, как из неорганической (косной) материи возникает органическая, а затем
и живое вещество — жизнь. Здесь опять можно упомянуть И. Берцелиуса, а
дополнительно немца Ю. Либиха, француза М. Бертло.
Наш выдающийся химико-физик,
Нобелевский лауреат по химии Николай Николаевич Семенов представлял химические
процессы в тканях растений и животных как
химическое
производство живой природы, как производство неких «молекулярных машин»
совершенно исключительной точности, быстроты и необычайного совершенства. Это подтверждается открытым недавно синтезом
больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. Клетки
имеют в своем составе субмикроскпические «сборные заводики» — рибосомы, содержащие
рибонуклеиновые кислоты (РНК), как сборные «машины». Каждый вид коротких
молекул транспортных РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет
их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации,
содержащейся в молекулах РНК. Тут же к аминокислотам подходят
катализаторы-ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это
настоящий природный завод, строящий молекулу по плану, выработанному
организмами в процессе эволюции. Вот эти планы живых организмов и
предполагается использовать в новой эволюционной химии.
А начиналось это направление в
трудах великого французского биолога Луи Пастера при исследовании процесса
брожения, осуществляемого деятельностью молочнокислых бактерий. Из своих
наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации
ферментов, что в конечном итоге привело к созданию такой науки, как
ферментология, к успехам эволюционного катализа и молекулярной биологии. Так
было установлено, что состав и структура биополимеров имеют единый набор для
всех живых организмов и что одни и те же физические и химические законы
управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. Кроме
того, была доказана уникальная специфичность живого, проявляющаяся не только на
высших уровнях организации
клетки, но и в поведении фрагментов живых организмов
на молекулярном уровне, на котором также действуют закономерности других
уровней.
Специфика молекулярного уровня
живых и неживых систем — в существенном различии принципов действия ферментов и
катализаторов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров.
Структура указанных полимеров определяется только генетическим кодом (сегодня
точно известным науке), и, наконец, в таком поразительном факте, что многие
химические реакции окислительно-восстановительного
характера могут происходить в клетке без непосредственного контакта
между реагирующими молекулами. Таким образом, в живых организмах могут
происходить и происходят такие химические превращения, которые, казалось бы,
невозможно было встретить в неживой природе. Но постепенно они стали доступны
химикам, когда удалось освоить каталитический опыт природы, живой клетки.
Факт
того, что ферментный катализ играл решающую, фундаментальную роль в процессе
перехода от химических систем к системам биологическим, т. е. на
предбиоло-гической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими
данными. Исключительно важную роль сыграла реакция по самоорганизации
химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Борисом
Павловичем Белоусовым, затем тщательно изученная А. М. Жаботинским, вошедшая в
арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова
-Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфизических пространственных и временных структур
(например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых
и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоор-
ганизации как раз
решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам.
Понятие «самоорганизации»(более подробно см. в гл. 12) означает упорядоченность существования
материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических
процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических
систем. Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли
работы отечественных ученых И. В. Березина, А. А. Баландина и особенно А. П.
Руденко, создавшего в 1964-1969 гг. единую теорию химической эволюции и
биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах
эволюционного процесса, т. е. о законах
химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной
обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как
следствия эволюции. Сущность теории Руденко состоит в утверждении и обосновании
принципа того, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие
открытых каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим
веществом являются катализаторы. В ходе реакций происходит естественный отбор
тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.
Александр
Прокопьевич 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.
Следует
также отметить, что эволюционный процесс предполагает
особый дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и
соединений, которые являются основным строительным материалом для образования
биологических систем. В связи с этим достаточно
упомянуть, что более чем из ста химических элементов лишь шесть —
углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — общая весовая
доля которых в организмах составляет 97,4%, получивших название органо- или
биогенов, служат основой для построения живых систем.
Резюме
Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях»; другие определяют ее как «науку о веществах и их превращениях» либо как «науку, изучающую процессы качественного превращения веществ» и т. д., наиболее полное определение: «химия — наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения».
Главная задача химии — задача получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача и научная и производственная, что определяет основную, можно сказать, двуединую основную проблему химии: 1. Получение веществ с заданными
свойствами как производственная, практическая задача; 2. Выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская.
Решение этих проблем породило четыре основных этапа (концептуальные системы) в развитии химии с XVII века
по настоящее время.
Первая концептуальная система — учение об элементном
составе веществ, вторая — о структуре химических соединений, третья — учение о химических процессах и последняя, четвертая концептуальная система, — эволюционная химия.
Последняя, четвертая система, представляет собой единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюци-
онного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности,
уровне
химической организации, иерархии химических систем как следствие эволюции.
Вопросы для обсуждения
- Сформулируйте основные положения учений Дальтона и Берцелиуса. Чем разрешилась проблема о химическом элементе?
- Какие проблемы охватывает учение о химических процессах?
- В чем сущность обратимости химических реакций и в чем состоит роль температуры и давления для течения реакции?
- Какова сущность катализа, катализаторов и ингибитаров?
- В чем состояли идеи Луи Пастера при исследовании процесса
брожения? - Какова роль ферментов в живой клетке?
- В чем заключается естественный отбор химических элементов для образования живых организмов? Чем определяется основополагающая роль углерода
для жизни? - Как возникает самоорганизация
эволюционных систем? Охарактеризуйте реакцию Белоусова-Жаботинского.