Самоорганизация в химических и биологических процессах. Химико-биологические предпосылки и механизмы жизни
Особенности химии и ее концептуальные уровни В концептуальном плане между химией и физикой много общего, иногда химию даже называют физикой молекул. Но это уже другая физика. В различных космологических сценариях химические свойства включаются после физических, порой всего лишь минуты и секунды спустя.
Молекулы, действительно, синтезируются после возникших в «вакууме» элементарных частиц и атомов, и это остается ключом для понимания химических явлений. С другой стороны, разве химические процессы не способствуют пониманию физических явлений и свойств, их возможной коэволюции? Судя по всему, уместнее говорить о корреляции, синергии химических и физических свойств, своеобразной физико-химической самоорганизации, будь это глобальная космологическая эволюция или эволюция биологических структур. В свете антропного принципа имеет смысл рассматривать и биологическую эволюцию как составляющую единого физико-химико-биологического процесса. Хотя биологические свойства возникают значительно позже, вероятно, они «закладываются» в общую синергическую «программу» одновременно с физико-химическими свойствами и служат в той же степени их причиной, что и следствиями. В концептуальном плане химию с физикой сближает и то, что здесь также уместен поиск «первокирпичиков» — строительных элементов, носителей свойств, подобно атомам. Поиск элементов, или начал, составляет первый концептуальный уровень химии, восходящий к ретортам средневековых алхимиков, разлагающих химические соединения на составные части в поисках философского камня. (Мы не уверены, что от приоритета в этом вопросе отказались бы древние халдеи или египтяне.) Но только в периодической системе Менделеева каждый элемент был выделен по своим объективным характеристикам — атомному весу. Впоследствии были обнаружены изотопы — «варианты» одного и того же химического элемента с незначительными различиями по массе, и поэтому базисным свойством стал заряд ядра, определяющий номер элемента в периодической системе. Д.И. Менделеев предсказал не только новые химические элементы, оставив для них места в таблице, но даже их свойства. При жизни ученого было известно 62 элемента, 92-й (уран) был обнаружен к 1930 г. Благодаря физическому синтезу атомных ядер к настоящему моменту открыто более 100 элементов, и каждый новый все более неустойчив, иногда существуя лишь доли секунды. Предполагается выйти на некий островок стабильности на 126-м номере, возможно, стабильные состояния или новые элементы обнаружатся в космосе. Так, технеций, трудноуловимый в земных условиях и крайне необходимый для современной промышленности, «видит око» в происходящих на Солнце ядерных реакциях. С позиций атомизма решается проблема химических соединений. Долгое время не удавалось определить, что считать смесью, а что — соединением. К началу XIX в. сложилось убеждение (Ж. Пруст, Дж. Дальтон), что определяющим свойством химических соединений является постоянство состава.
Однако в XX столетии были обнаружены химические соединения переменного состава (бертоллиды), и четкое различие вновь исчезло. Это связано и с переосмыслением классического определения молекул — мельчайших частиц вещества, обладающих его свойствами и могущих существовать самостоятельно. К молекулам ныне относят и разнообразные квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и их цепочки). Второй концептуальный уровень относится к структуре. Структурные различия определяют свойства не только на уровне простых молекул: именно изучение сложных структурных цепей (впервые на примере бензола — «змеи, кусающей себя за хвост») позволило выяснить генетический код в виде ДНК и РНК. Еще в прошлом веке структуру стали связывать с понятием валентности (Ф. Кекуле). Комбинируя атомы химических элементов по валентности, можно конструировать соединения с заданными свойствами. Важное значение при этом имеет степень напряжения, или энергия связи, находя объяснение с квантово-механических позиций. Таким образом, структура включает в себя не только упорядоченную связь, но и характер взаимодействия между элементами. Конечно, в эволюционном плане наибольшее внимание привлекают динамичные структуры. Третий уровень — исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов — температуры, давления, скорости протекания реакций. Дальнейшее углубление на этом уровне составляет изучение природы реагентов, участников химических реакций, а также катализаторов и ингибиторов. После этого мы выходим на явления синергии, самоорганизации, составляющие четвертый уровень. Влияние катализаторов особенно значительно в химических соединениях переменного состава с ослабленными связями между компонентами. В таких случаях катализаторы играют решающую роль, а некоторые реакции попросту невозможны без них. Благодаря катализаторам удалось «оживить» химических «мертвецов», например, нефтяные углеводороды типа парафина, с большой отдачей для промышленности. В других случаях катализаторы заменяют колоссальные температуры и давления, позволяя получать те же соединения (например, химические удобрения) в комнатных условиях. Аналогом может служить явление сверхпроводимости, которое удается получать при доступных температурах вместо сверхнизких. Все это привлекает внимание к явлениям самоорганизации и к катализаторам в качестве их элементов. Важные изменения концептуальных установок происходят в исследовании синтеза жизни. Здесь особое место принадлежит ферментам — живым катализаторам, белковым по природе. Ферменты — неизменные спутники таких процессов, как брожение. Каждый вид ферментов катализирует лишь превращение определенных веществ в единственном направлении, формируя и регулируя обмен веществ в организме. В концептуальном плане внимание привлекает наличие в ферментах двух неравновесных компонентов — активных центров и их носителей.