Предпосылки возникновения эволюционной химии, Понятия "организация" и "самоорганизация" и их познавательные функции в химии - Концепции современного естествознания: химическая составляющая
Первым практическим поводом к осознанию необходимости изучения химической эволюции явились исследования в области моделирования биокатализаторов. Представляя собой, искусственный отбор каталитических структур, изыскания в этой области не могут не ориентироваться на естественный отбор, который осуществляла природа на путях эволюции от неорганической материи к живым системам.
Вторым и главным поводом к развитию исследований в области эволюционной химии являются реально ощутимые успехи "нестационарной кинетики", или динамики химических систем.
В 1960-х годах были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в процессе их работы дезактивировались, ухудшались и выбрасывались.
Понятия "организация" и "самоорганизация" и их познавательные функции в химии
Понятия "организация" и "самоорганизация" имеют очень широкое распространение во многих отраслях знаний и обычно характеризуются как общенаучные понятия. Они обозначают упорядоченность существования качественно изменяющихся, или процессуальных систем. В отличие от понятия "организация", "самоорганизация" отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности.
Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем. Это называемые "субстратный" и "функциональный" подходы.
К первому из них относят те теории происхождения жизни, отправным пунктом которых является строго определенный состав элементов - органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений. Рациональными результатами субстратного подхода к проблеме биогенеза, является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.
Отбор химических элементов - этого подвижного строительного материала эволюционирующих систем - выступает как красноречивый факт. Ныне известны более ста химических элементов. Однако основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших наименование органогенов; это - углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%.
За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: - натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт, марганец. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%.
Картина химического мира отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Теперь известно около десяти миллионов химических соединений.
Из них подавляющее большинство (около 96%) - это органические соединения, основной строительный материал которых - все те же 6-18 элементов. И как это ни парадоксально, из всех остальных 95-99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.
По распространенности на Земле углерод занимает 16 место. Углерод в литосфере земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний и в 88 раз меньше, чем алюминий. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и невелика - около 0,24%. Следовательно, геохимические условия не играют сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают и требования соответствия между строительным материалом и теми сооружениями, о которых говорилось как о структурах высокоорганизованных.
С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию:
достаточно прочных и, следовательно, энергоемких химических связей;
связей лабильных, т. е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению.
Вот почему углерод выбран элементом номер один. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовывать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия. Атомы углерода в одном и том же соединении способны выполнять роль и акцептора, и донора электронов. Они образуют почти все типы связей, какие знает химия: менее чем одноэлектронные и одноэлектронные (при хемосорбции углеводородов на графите); двухэлектронные (в этане); трехэлектронные (в бензоле); четырехэлектронные (в этилене); шестиэлектронные (в ацетилене).
Кислород и водород следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств - окислительных и восстановительных. Дж. Бернал рассматривал вопрос об отборе элементов и отметил, что лабильные атомы серы, фосфора и железа, имеют основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы, такие как кремний, алюминий или натрий, составляющие большую часть земной коры, играют второстепенную роль или отсутствуют вовсе.
О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов да 10-15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу биосистем, так же в результате эволюции шел тщательный отбор химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвует лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.
Как химики, так и биологи называют поразительным тот факт, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен трудно обозримый мир животных и растений. Каким образом проводилась та "химическая подготовка", в результате которой из минимума химических элементов и минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистема?
Занавес, отделявший нас от этих тайн, стал понемногу подниматься. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Примером чего может служить система пиррольных циклов в гемине, обеспечивающая повышение активности атома железа в окислительно-восстановительных реакциях в миллиарды раз.
Первой и наиболее простой из этих структур можно назвать различные фазовые границы. Они служили основой физической и химической адсорбции, которая служила фактором появления каталитического эффекта. Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. Третий структурный фрагмент, необходимый для эволюционных систем - это группировки, ответственные за энергетическое обеспечение. Сюда входят окси - (ОН) и оксогруппы (-С=О), фосфорсодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями. Следующим фрагментом эволюционирующих систем является уже развитая полимерная структура типа РНК и ДНК, выполняющая ряд функций, свойственных перечисленным выше структурам, и главное - роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе подобных структур.
Обращает на себя внимание ряд выводов, полученных самыми разными путями и в самых разных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, биохимии, термодинамике, химической кинетике):
На ранних стадиях химической эволюции мира катализ вовсе отсутствует. Роль катализа возрастала по мере того, как физические условия (главным образом, температура) приближались к земным условиям;
роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т. е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой;
отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.
Отличительной чертой второго - функционального - подхода к проблеме предбиологической эволюции является сосредоточение внимания на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.
Похожие статьи
-
Выводы - Концепции современного естествознания: химическая составляющая
1. Основой процессов в живом организме является биокатализ под действием ферментов. 2. По принципу ферментов создаются катализаторы высокой степени...
-
Структурная химия - Естественнонаучные концепции развития химических знаний
Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы (молекулы). Под данное определение подпадают все структуры, которые исследуются...
-
Перспективными путями освоения опыта живой природы представляются те, которые ведут к определенным практическим результатам - к созданию промышленных...
-
В данном разделе речь идет об особом уровне развития химических знаний, на котором главенствующую роль играет структура молекулы реагента. Свойства...
-
Исследования, направленные на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме,...
-
Система химии, логика ее развития и построения Что такое химия? Химия является высокоупорядоченной - постоянно развивающейся системой знаний о веществах,...
-
Способ решения основной проблемы химии - проблемы происхождения свойств веществ - стал выражаться посредством схемы: СОСТАВ > СВОЙСТВА Этот способ...
-
До недавнего времени об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, химиков не интересовал вопрос о "происхождении видов"...
-
Возникновение структурной теории позволило химикам впервые обрести мощный инструмент для целенаправленного качественного преобразования веществ. Именно в...
-
Новый класс металлорганических соединений, имеющий двухслойную структуру, называется "сэндвичевые соединения". Наиболее изученным из них является...
-
Химия экстремальных состояний - Концепции современного естествознания: химическая составляющая
В отличие от каталитической химии, особенностью которой является химическая активизация молекул реагента, т. е. расслабление исходных химических связей...
-
Важность представлений о Системе химии лучше всего охарактеризовал Д. И. Менделеев. "Как там ни рассуждайте и не критикуйте историю, - писал он, - а...
-
Учение о химических процессах - это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. На этом уровне...
-
Третья проблема заключается в расширении производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза. В первой половине двадцатого века...
-
Предмет органической химии. Изучая неорганическую химию, мы знакомились с веществами самого разнообразного состава и при этом ни разу не встречали, чтобы...
-
Современная картина химических знаний - Естественнонаучные концепции развития химических знаний
Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, которые схематично представлены на рис.1. Рис.1. На рисунке...
-
Катализ - Концепции современного естествознания: химическая составляющая
Наиболее сильное влияние на скорость реакции оказывает присутствие в реагирующей системе Катализатора -- вещества, которое повышает (а иногда и уменьшает...
-
Кинетика химических реакций - Концепции современного естествознания: химическая составляющая
Одна из особенностей химических реакций заключается в том, что они протекают во времени. Одни реакции протекают медленно, месяцами, как, например,...
-
Химия 20 века - Этапы становления химии
Конец 19 в. ознаменовался тремя выдающимися открытиями в области физики, в результате которых была доказана сложная структура атома, прежде считавшегося...
-
От алхимии к научной химии - Естественнонаучные концепции развития химических знаний
Во второй половине ХVII в. алхимическая традиция постепенно исчерпывает себя. В течение более чем тысячи лет алхимики исходили из уверенности в...
-
Лавуазье: революция в химии - Естественнонаучные концепции развития химических знаний
Центральная проблема химии XVIII в. - проблема горения. Вопрос состоял в следующем: что случается с горючими веществами, когда они сгорают в воздухе? Для...
-
Введение, Химия древности - Естественнонаучные концепции развития химических знаний
Химия - наука, изучающая вещества и их превращения. Превращения веществ, изменение их состава и (или) строения происходят в результате химических...
-
Рассмотрим реакцию между веществами А и В, протекающую по схеме: А А + в В = с С + d D Количественно зависимость между скоростью реакции и концентрациями...
-
Вторая проблема состоит в последовательной замене металлов различными видами керамики. Металлы и керамика - это два вида материалов, которые на 90%...
-
Представления Дмитрия Ивановича Менделеева - Становление понятий о химическом элементе
Пребывание в Германии позволило Менделееву участвовать в уже ранее упоминавшемся конгрессе химиков в Карлструэ. На него, как и на Лотара Мейера, большое...
-
ХИМИЯ КАК НАУКА О ВЕЩЕСТВАХ, Общее понятие химии - Этапы становления химии
Общее понятие химии Вещества и их взаимные превращения являются предметом изучения химии. Химия - это наука о веществах и законах, которым подчиняются их...
-
Дмитрий Иванович Менделеев - Становление понятия о химическом элементе
Пребывание в Германии позволило Менделееву участвовать в уже ранее упоминавшемся конгрессе химиков в Карлструэ. На него, как и на Лотара Мейера, большое...
-
Самоорганизация сложных систем - Основы естественно-научных знаний
Синергетика - теория самоорганизации. Она возникла на основе современных глобальных тенденций объединении всех естественнонаучных дисциплин и занимается...
-
Самоорганизация как общая закономерность развития мира - Основы естественно-научных знаний
Самоорганизация как общая закономерность развития мира. В определенной части своего смысла синергетика и такие понятия как самоорганизация, саморазвитие...
-
С кислородом большинство металлов образует оксиды - амфотерные и основные: 4Li + O2 = 2Li2O, 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Щелочные металлы, за исключением лития,...
-
Химическая связь - Квантовые концепции в химии
Химия изучает процессы превращения молекул при воздействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного...
-
Развитие учения о строении вещества - Строение вещества
В основе структурной химии лежит химическая атомистика Дж. Дальтона, согласно которой Любой химический индивид стоит из совокупности молекул, обладающих...
-
Углерод (лат. Carboneum), С - химический элемент IV группы периодической системы Менделеева. Известны два стабильных изотопа 12С (98,892 %) и 13С (1,108...
-
Зарождение современной химии, Теория флогистона и система Лавуазье - Химия сегодня
Представления древнегреческих натурфилософов оставались основными идейными истоками естествознания вплоть до XVIII в. До начала эпохи Возрождения в науке...
-
Рассмотрим теперь, какое влияние на свойства веществ оказывает порядок соединения атомов в молекуле. Обратимся сначала к историческим фактам. Изучая...
-
Основы новой теории сформулировал 1861 г. профессор Казанского университета Александр Бутлеров. В химии к тому времени уже значительное распространение...
-
Представления Йенса Якоба Берцелиуса - Становление понятий о химическом элементе
Особенно большое значение имели работы шведского химика Берцелиуса, который дал более точные определения атомных масс. Уже до Берцелиуса Дальтон...
-
Химическая связь и строение молекул вещества. - Роль химии в повседневной жизни
Атомистические воззрения возникли первоначально на Древнем Востоке, в античных Греции и Риме. Первоначально атомное учение предполагало существование...
-
Химическая технология и тенденции ее развития - Этапы становления химии
Потребности общества породили химическую технологию. По выражению Бертло, химия начинает творить свой собственный объект исследования, создавая сотни...
-
А) Углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (РЬ) - элементы 4 группы главной подгруппы ПСЭ. На внешнем электронном слое атомы этих...
Предпосылки возникновения эволюционной химии, Понятия "организация" и "самоорганизация" и их познавательные функции в химии - Концепции современного естествознания: химическая составляющая