Факти, що не укладаються в рамки існуючих теорій, особливо цінні для науки. (А. М. Бутлеров).
У 1987 році Нобелівський лауреат Жан-Марі Лен, засновник супрамолекулярної хімії. ввів поняття супрамолекулярної самоорганізації і самозборки для опису явищ впорядкування в системах високомолекулярних сполук. Супрамолекулярної самосборке є процес спонтанної асоціації двох і більше компонентів, що приводить до утворення супермолекул або полімолекулярних ансамблів, що відбувається за рахунок нековалентних взаємодій. Цей процес був описаний при вивченні спонтанного освіти неорганічних комплексів (подвійних гелікатов), що протікає як процес самозбірки. Найбільш відомим проявом самозборки в живій природі є самосборка молекул нуклеїнових кислот, матричний синтез білків.
Розділи сторінки про хімііческой еволюції і еволюційної хімії.
- Еволюційна хімія - вчення про еволюційний каталіз
- Проблема пребіотичної еволюції [абиогенной самоорганізації]
Еволюційна хімія - вчення про еволюційний каталіз
Еволюційна хімія - четверта концептуальна система хімії, пов'язана з включенням в хімічну науку принципу історизму і поняття часу, з побудовою теорії хімічної еволюції матерії. Еволюційна хімія вивчає процеси самоорганізації речовини. від атомів і найпростіших молекул до живих організмів.
Одним з перших відкриттів, які відносять до еволюційної хімії, є ефект самовдосконалення каталізаторів в реакціях, досліджений в роботах американських хіміків А. Гуотмі і Р. Каннінгем в 1958-1960 рр. У 1964-1969 рр. радянський хімік А. П. Руденко. з огляду на це відкриття, створив теорію саморозвитку відкритих каталітичних систем. У роботах німецького хіміка М.Ейген була розвинена теорія гіперциклу, пояснює об'єднання самовідтворюються макромолекул в замкнуті автокаталитические хімічні цикли. Теорія гіперциклу є абіогенетіческой теорією хімічної еволюції і походження життя. (З Вікіпедії - Еволюційна хімія)
Крім того, еволюційна хімія спирається на супрамолекулярних хімію. тому розглядає також взаємодія цілих ансамблів органічних молекул (і неорганічних мінералів) між собою.
Еволюційна хімія зародилася в 1950 1960 рр. Під еволюційними проблемами слід розуміти проблеми самовільного синтезу нових хімічних сполук (без участі людини). Ці сполуки є більш складними і більш високоорганізованим продуктами в порівнянні з вихідними речовинами. В основі еволюційної хімії лежать процеси биокатализа. ферментології; орієнтована вона головним чином на дослідження молекулярного рівня живого, що основою живого є Біокаталізу, тобто присутність різних природних речовин в хімічній реакції, здатних управляти нею, сповільнюючи або прискорюючи її протікання. Ці каталізатори в живих системах визначені самою природою, що служить ідеалом для багатьох хіміків.
Ідея концептуального уявлення про провідну роль ферментів. биорегуляторов в процесі життєдіяльності, запропонована французьким натуралістом Луї Пастером в XIX столітті, залишається основоположною і сьогодні. Надзвичайно плідною з цієї точки зору є дослідження ферментів і розкриття тонких механізмів їх дії. Ферменти - це білкові молекули, синтезовані живими клітинами. У кожній клітині є сотні різних ферментів. З їх допомогою здійснюються численні хімічні реакції, які завдяки каталітичного дії ферментів можуть йти з великою швидкістю при температурах, що підходять для даного організму, тобто в межах приблизно від 5 до 40 градусів. Можна сказати, що ферменти - це біологічні каталізатори.
У еволюційної хімії істотне місце відводиться проблемі «самоорганізації» систем. Теорія самоорганізації «відображає закони такого існування динамічних систем, яке супроводжується їх сходженням на все більш високі рівні складності в системної упорядкованості, або матеріальної організації».
Наука вважає, що тільки шість елементів - вуглець, водень, кисень, азот, фосфор, сірка (C, H, O, N, P, S) складають основу живих систем, через що вони отримали назву органогенов. Вагова частка цих елементів в живому організмі становить 97,4%. Крім того, до складу біологічно важливих компонентів живих систем входять ще 12 елементів: натрій, калій, кальцій, магній, залізо, цинк, кремній, алюміній, хлор, мідь, кобальт, бор (Na, K, Ca, Mg, Fe, Zn , Si, Al, Cl, Cu, Co, B). Особлива роль відведена природою вуглецю, атом якого здатний організувати зв'язку з елементами, що протистоять один одному, і утримувати їх у собі. Атоми вуглецю утворюють майже всі типи хімічних зв'язків. На основі 6 органогенов і ще близько 20 інших елементів природа створила близько 8 мільйонів [!] Різних хімічних сполук, виявлених до теперішнього часу. 96% з них припадає на органічні сполуки.
Щоб відкрити секрети природи, що призвели до появи життя, хіміки шукають різного роду природні каталізатори, які допомагають речовини самоорганізовуватися. До цієї ідеї різними шляхами прийшли також геологія, геохімія, космохімія, термодинаміка, хімічна кінетика. Функціональний підхід до пояснення предбиологической еволюції зосереджений на дослідженні процесів самоорганізації матеріальних систем, виявленні законів, яким підкоряються такі процеси. Це в основному позиції фізиків і математиків. Крайня точка зору тут схиляється до того, що живі системи можуть бути змодельовані навіть з металевих.
У 1969 р з'явилася загальна теорія хімічної еволюції і біогенезу, висунута раніше в найзагальніших положеннях професором Московського університету А. П. Руденко. В основі цієї теорії лежить твердження про те, що процес саморозвитку хімічних каталізаторів рухався в бік їх вдосконалення, йшов постійний відбір все нових каталізаторів з більшою реактивної активністю. Відкритий А. П. Руденко основний закон хімічної еволюції говорить, що еволюційні зміни каталізатора відбувається в тому напрямку, де проявляється його максимальна активність. Саморозвиток, самоорганізація і самоускладнення каталітичних систем відбуваються за рахунок енергії базисної реакції. Тому еволюціонують каталітичні системи з більшою енергією. Такі системи руйнують хімічну рівновагу і в результаті є інструментом відбору найбільш стійких еволюційних змін в каталізаторі. Теорія саморозвитку каталітичних систем дає наступні можливості:
- виявити етапи хімічної еволюції і на цій основі класифікувати каталізатори за рівнем їх організації;
- використовувати принципово новий метод вивчення каталізу;
- дати конкретну характеристику меж в хімічній еволюції і переходу від хімогенеза (хімічного становлення) до біогенезу. пов'язаного з подоланням другого кінетичного межі саморозвитку каталітичних систем.
Набирає теоретичний і практичний потенціал новітній напрям, що розширює уявлення про еволюцію хімічних систем, - нестаціонарна кінетика. Розвиток хімічних знань дозволяє сподіватися на вирішення багатьох проблем, які постали перед людством у результаті його наукомісткої і енергоємної практичної діяльності. Хімічна наука на її вищому еволюційному рівні поглиблює уявлення про світ. Концепції еволюційної хімії, в тому числі про хімічну еволюцію на Землі, про самоорганізацію і самовдосконаленні хімічних процесів, про перехід від хімічної еволюції до біогенезу, є переконливим аргументом, який підтверджує наукове розуміння походження життя у Всесвіті. Хімічна еволюція на Землі створила всі передумови для появи живого з неживої природи. Життя у всьому її різноманітті на Землі, мимовільно з'явившись з неживої матерії, збереглася і функціонує мільярди років. Життя повністю залежить від збереження відповідних умов її функціонування. А це багато в чому залежить від самої людини.
Проблема пребіотичної еволюції [абиогенной самоорганізації]
Хімічна еволюція чи пребіотіческіх еволюція - етап передував появі життя. в ході якого органічні, пребиотические речовини виникли з неорганічних молекул під впливом зовнішніх енергетичних і селекційних факторів і в силу розгортання процесів самоорганізації, властивих всім щодо складних систем, якими безперечно є все вуглець-містять молекули.
Також цими термінами позначається теорія виникнення і розвитку тих молекул, які мають принципове значення для виникнення і розвитку живої речовини.
Четверту концептуальну хімічну систему і, разом з тим, верхню межу сучасної хімії утворює вчення про еволюційний каталіз. або еволюційна хімія. Своїм виникненням ця теоретична система зобов'язана відкритим в 60-і роки минулого століття радянським хіміком А. П. Руденкоелементарних відкритих каталітичних систем (ЕОКС), закономірності розвитку, а, точніше, саморозвитку яких пов'язані з необоротним зміною каталізаторів. Ці відкриття, зроблені ще в рамках третьої концептуальної хімічної системи, послужили підставою для переходу хімічного знання на принципово новий, більш високий рівень розвитку. Взагалі кажучи, саморозвиток і незворотність демонструють не тільки ЕОКС, але і цілий ряд інших хімічних процесів, таких як коливальні, періодичні, процеси, що призводять до утворення дисипативних структур і т.д.
Тому область досліджень, що утворюють сьогодні верхню межу сучасної хімії, більш обширна і включає цілий ряд теоретично і емпірично обґрунтованих концепцій хімічної еволюції. До них відносяться
- синергетика Г. Хакена,
- термодинаміка незворотних процесів І. Пригожина,
- теорія саморозвитку ЕОКС А. П. Руденко.
Ці концепції істотно змінили наші погляди на хімічну еволюцію і обосновавшие 4-ю концептуальну систему хімії як вчення про вищі формах хімізму.
Термін "хімічна еволюція" був введений в науку М. Кальвіном в 50-х роках. Відображаючи складаються в природознавстві і філософії уявлення про розвитку речовини, М. Кальвін виділив наступні 4 основні етапи розвитку матерії:
Піонерській була робота А. І. Опаріна. який запропонував коацерватной теорію походження життя. Заслуга гіпотези Опаріна полягає в тому, що в ній походження життя розглядається як багатостадійний історичний процес, найважливішою складовою частиною якого є хімічна еволюція речовини від найпростіших з'єднань до неймовірно складних молекул білкової природи.
Гегель зробив ще один крок в розумінні хімізму як процесу розвитку. Він вважав що органічні і неорганічні процеси треба зв'язати єдине поняття: "Якби хімічний процес міг тривати сам собою, він і був би життям".
Історичний метод в хімії виник в першу чергу в результаті прогресу двох гілок природознавства: геохімії та біохімії. Перша простежує дійсну долю хімічних сполук в неживої, а друга - в живій природі. Вищі форми прояву хімізму, пов'язані з функціонуванням живих систем, досліджує нині цілий комплекс наук: біохімія, молекулярна біологія, палеобіохімія.
Включення в хімічну науку принципу історизму стало одним з вирішальних факторів повороту хімічних досліджень до проблеми хімічної еволюції.
- По-перше, виникнення еволюційної хімії сприяли дослідження в області моделювання біокаталізаторів. З'ясувалося, що використання таких каталізаторів призводить до того, що хімічні системи починають мимовільно змінюватися в бік хімічних систем з ще більш високим ступенем організації.
- По-друге, в самій каталітичної хімії поступово накопичується все більше емпіричного матеріалу, що не вкладається в рамки класичної кінетики про незмінність складу, енергетичних параметрів і специфічності дії каталізаторів. З'являється велика кількість робіт, результати яких свідчать про фізичних і хімічних змінах каталізаторів, про самопристосування їх до вимог базисної (основний) каталітичної реакції.
Перший пролом в традиційному погляді на каталітичні процеси пробила робота американських хіміків А. Гуотмі і Р. Каннінгема. які в 1958-1960 роках відкрили і детально досліджували зовсім незвичайне для каталітичної хімії явище самовдосконалення каталізаторів в реакціях, які зазвичай приводили до їх отруєння і дезактивації. Тим самим було встановлено наявність реакцій, здатних "самі для себе" перебудовувати каталізатор в сторону підвищення його активності.
Нарешті, приблизно в ті ж роки стала накопичуватися інформація про коливальних хімічних реакціях, історія дослідження яких починається ще в середині XIX століття. У 80-х роках XX століття, проте, в науці вже позначилася позиція, яка ставить коливальні хімічні реакції на передній край досліджень. Б. П. Белоусовим і пізніше А. М. Жаботинським було вивчено поведінку хімічної реакції окислення лимонної кислоти броматом калію в присутності каталізатора - пари іонів трьох- і церію, що отримала назву "хімічні годинник". Періодичне поведінку цієї реакції в мимовільному переході її в режим концентраційних коливань - реакційна середу змінювала свій колір з червоного на синій з періодом близько хвилини.
Як говорив А. М. Бутлеров. факти, що не укладаються в рамки існуючих теорій, особливо цінні для науки. Знову відкриті факти в області дослідження каталітичних, коливальних, періодичних реакцій зажадали перегляду цілого ряду принципів хімічної кінетики і заміни їх новими. Ці принципи наступні:
- зміна природи і активності каталізаторів в ході реакції;
- спрямованість змін каталітичних систем в бік підвищення рівня хімічної організації;
- іманентна (внутрішньо властивий) характер цих змін, обумовлений законами хімічної еволюції.
Ці принципи є щось нове в самій теоретичної хімії. Цілком очевидно, що саме тут знаходяться витоки тієї нової концептуальної системи хімії, яка отримала назву "еволюційної хімії". Об'єктом її дослідження виступають відкриті самоорганізуються хімічні системи, що знаходяться в стані, далекому від рівноважного. Розвиток таких систем протікає шляхом утворення наростаючою впорядкованості, тобто в напрямку систем, все більше і більше організованих.