КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ В ХИМИИ КАТАЛИЗА
(на материале отечественных исследований)
В-И. Кузнецов
Прежде чем перейти к освещению концепций самоорганизации, су
ществующих в химии, здесь нельзя не указать на некоторые особенности
того подхода к проблемам, обсуждаемым в настоящей книге, который
сложился у автора данной статьи. Дело в том, что я начал исследовать
эти проблемы около тридцати лет тому назад, установив непосред
ственные связи между ними и только что открытыми тогда явлениями
саморазвития каталитических систем [см. (20, 21, 22, 23)]. Как было
выяснено, последние послужили основанием для подъема всей химии на
принципиально новый, более высокий уровень развития. И в этой связи -
в качестве рабочего инструмента - были введены такие методологические
понятия, как "химическая организация вещества" [20, 21], "эволюционный
катализ" и "эволюционная химия" [23]. Рассмотрены вопросы о само
развитии открытых каталитических систем и о критериях высоты их
химической организации. Все эти нововведения были продиктованы
возникновением de facto новых, явно не классических разделов химии и,
прежде всего, - "нестационарной кинетики", а вскоре и "нестационарной
химической технологии" (главным образом, в работах Г.К. Верескова и
возглавляемого им тогда Института катализа Сибирского отделения АН
СССР [5] "общей теории, изучающей эволюцию химических систем"
(в работах М.Г. Слинько и его лаборатории в Физико-химическом инсти
туте им. Л.Я. Карпова [45]), "теории неравновесных и нестационар
ных процессов в гетерогенном катализе" (в работах 0.В. Крылова,
В.В. Карелка и др. [38]. Затем представления об эволюционной химии как
новом, высшем уровне развития химических знаний были развиты в
книгах [см. (25, 26)], где критерием выделения этой области химии
выдвинут тезис о самоорганизации, или саморазвитии химических систем.
Несмотря на то, что в последние годы проблемы самоорганизации во
обще и химических систем, в частности, все чаще начинают рассматри
ваться в аспекте идей И.Р. Пригожина 1см. (35, 36, 37)] и синергетики
Г. Хакена [47], мне представляется неправомерным ограничиваться лишь
рамками этого аспекта. Пригожинский и хакеновский подходы к концеп
циям самоорганизации - это действительно "идеология" синергетического
движения. Рано или поздно она, вероятно, включит в себя если не все, то
большинство концепций самоорганизации и саморазвития также и хими
ческих систем. Но сегодня она пока что богата не столько конкретным,
сколько общим. Она снимает термодинамический запрет с переходов к по
рядку от хаоса, указывает как будто на стратегические направления поис
ка механизмов этого перехода, однако оставляет без объяснения многие
даже и хорошо известные факты самоорганизации химических систем, в
том числе самый яркий и самый загадочный факт отбора химических
элементов и структурных фрагментов в ходе прогрессивной эволюции ма
териальных систем. Более того, далеко не всегда бывают ясными в
концепции синергетизма критерии высоты упорядоченности систем, т.е. их
иерархии.
Поэтому концепции самоорганизации в химической науке будут
рассмотрены прежде всего с учетом их сообразности с тенденциями
развития химических знаний и химического производства, их соответствия
актуальным задачам, вставшим перед исследователями и прежде всего
перед экспериментирующими химиками, в связи с началом реализации их
вековой мечты - открытием фактов саморазвития химических объектов,
указавших реальный путь к освоению каталитического опыта живой
природы. По тем же причинам у меня нет оснований отказываться от тех
представлений о путях формирования исследований в области самоорга
низации химических систем, которые я использовал ранее (см. (20, 21, 22,
23, 26, 35)] и с которыми связал тенденции развития химии. Речь идет о
роли в этом вопросе истории учения о катализе. И наконец, сохранились
все основания для того, чтобы при освещении проблем самоорганизации
химических систем оперировать ранее предложенными понятиями, - та
кими, например, как "химическая организация вещества", "химическая
эволюция", "саморазвитие открытых каталитических систем" и др., - ко
торые не всегда строго коррелируют с терминами синергетизма.
1. Предпосылки возникновения научных исследований
в области самоорганизации 'химических систем
Можно смело утверждать, что до 60-х годов идеи самоорганизации
химических объектов, причем в форме химической эволюции, занимали
главным образом лишь тех исследователей, - более всего геологов и би
ологов, - которые ставили перед собой цель изучения проблем проис
хождения нашей планеты и жизни на ней. В этих двух направлениях
хорошо известны труды В.И. Вернадского, Дж. Бернала, Дж. Холдейна,
М. Кальвина, А.И. Опарина и других исследователей. Многие из них
рассмотрены в книгах [см. (18, 46)]. Что же касается специалистов,
работающих в области химии, то их эти идеи в практическом плане не
волновали. Собственно в самой химии вопрос is "происхождении видов" до
поры до времени вообще не возникал потому, что получение любого
нового химического индивида всегда было делом рук и разума человека:
молекула нового химического соединения конструировалась из атомов и
атомных групп, как здание из кирпичей. Недаром среди химиков бытует
положение, некогда высказанное М. Бертло, о том, что химия сама
создает для себя предмет. Другое дело - проблема происхождения видов в
биологии: живые организмы из блоков собрать нельзя; биолог должен
установить эволюционные пути их образования.

Но в 60-х годах возникла необходимость решать эволюционные проб
лемы применительно к своим объектам и у химиков. Именно в направ
лении практического воплощения в жизнь вечно волнующей химиков
задачи подражания лаборатории живого организма явились исследования в
области моделирования биокатализаторов. Представляя собой искусст
венный отбор каталитических структур, изыскания в этой области не мо
гут не ориентироваться на естественный отбор, который осуществляла

56

природа на путях эволюции от неорганической материи к живым
системам. Вторым и более важным поводом к развитию исследований в
области эволюционной химии послужили экспериментально установленные
факты прогрессивной эволюции химических индивидов уже собственно
через их естественный отбор. Это обстоятельство оказалось столь су
щественным, что даже и единичные факты саморазвития химических ин
дивидов сразу же заставили искать объяснения тем принципиально новым
химическим превращениям, которые выходили за рамки учения о хими
ческих процессах.
Первую брешь в традиционном дзгляде на химические процессы как на
обычное перераспределение межатомных связей пробила работа
американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингема, выполненная в 19581960
гг. [см. (9)]. Эти авторы открыли и детально исследовали совершенно
необычное в истории химии явление самосовершенствования катализато
ров в реакциях, которые обычно приводили к отравлению и дезактивации
любых агентов, ускоряющих химический процесс. Конечно, было невоз
можно пройти тогда мимо всесторонне обоснованного, хотя и парадоксаль
ного заявления этих исследователей о том, что они установили наличие
химических реакций, способных "сами для себя" перестраивать катали
затор в сторону повышения его активности и селективности 1Там же,
с. 106-110].
А в 1964-1969 гг. советские специалисты в области катализа, развивая
идеи А.А. Баландина о перестройке поверхности гетерогенных катализа
торов под влиянием базисной реакции, обобщили накопившиеся к тому
времени уже довольно многочисленные факты структурных и функцио
нальных изменений катализаторов в ходе их эксплуатации и выдвинули на
этой основе ряд гипотез о саморазвитии открытых каталитических систем
[см.(39,40)].
Но надо признать, что всю полноту и всю важность исследований в об
ласти самоорганизации химических систем тогда, в начале 70-х годов, еще
никто себе не представлял. Процессы химической эволюции, подводящие
к биогенезу, невольно воспринимались все еще в духе идей А.И. Опарина
[см. (33)], протекающими лишь при невысоких температурах, нормальном
давлении и, как правило, в растворах. Эти представления о "предбиологической
эволюции" господствовали длительное время. Химия экстремаль
ных состояний, предметом которой являются системы, функционирующие
в условиях плазмы или, наоборот, при температурах вблизи 0 К, пони
малась ввиду этого как нечто альтернативное эволюционной химии.
Однако вывод об альтернативных отношениях между эволюционным
катализом и, следовательно, химией нормальных состояний, с одной сто
роны, и химией экстремальных состояний, с другой - оказался эфемер
ным. Уже в середине 70-х годов В .И. Гольданским была показана возмож
ность самопроизвольного перехода от простейших химических соединений
ко все более сложным вплоть до аминокислот при температурах около 46
К[см.(8)].
Конечно, химия нормальных состояний с ее созидательными, синтети
ческими тенденциями, ведущими к 'высокомолекулярным соединениям, и
химия высоких энергий (например, плазмохимия) с ее разрушительными,

57

пиролитическими тенденциями, ведущими к расщеплению молекул, - это
антиподы. Но нет сомнения и в том, что эти антиподы представляют
собой полюса химии как единой, целостной науки. Неожиданным и потому
в высшей степени интересным в оценке отношений между этими двумя
отраслями химии оказались теперь уже реально ощутимые успехи "не
стационарной кинетики", или "динамики химических систем". Эти резуль
таты получены совершенно неожиданно в условиях нарушенного стацио
нарного режима работы гетерогенных катализаторов. Но, как и многие
другие неожиданные открытия, они оказались заманчивыми как в идейном
плане, так и в практическом отношении. И это вызвало необходимость в
специальных теоретических исследованиях: в русле общей химической
технологии встала задача формирования теории эволюции химических
систем. Изучению подверглись те каталитические системы, которые
оказывались на пути саморазвития, т.е. увеличения высоты организации с
ориентиром на лабораторию живого организма [25, с. 281-287].

Сегодня решение проблемы саморазвития химических систем поставле
но, по-видимому, на прочные теоретические рельсы. Вместо актуалистических
теорий, предположительно или даже спекулятивно заполнявших
эволюционные пути восхождения вещества к высшим формам его
химической организации различными "вероятными" соединениями от
аминокислот до белковоподобных тел, появились разносторонне - и
теоретически и эмпирически - обоснованные концепции химической
эволюции. К ним относятся, в частности, теория А.П. Руденко [40],
термодинамика необратимых процессов И.Р. Пригожина [35, 36, 37],
синергетика Г. Хакена [47], существенно изменившие наши взгляды на
химическую эволюцию и обосновавшие новый уровень развития химии
как учение о высших формах химизма.
В соответствии с проблематикой, рассматриваемой в настоящей книге,
теории саморазвития химических систем представляют интерес в двух
аспектах. Во-первых, в практическом аспекте - с точки зрения реализации
давнишней и никогда не угасавшей мечты химиков - достигнуть того
совершенства в осуществлении химических реакций, которое присуще
живой природе. А во-вторых, в аспекте проблемы биогенеза, решение
которой средствами химии .окажется такой же великой услугой биологии в
раскрытии сущности жизни, какую получила сама химия на рубеже XIX и
XX столетий от физики, разъяснившей сущность химизма как обменного
взаимодействия электронов. Оба эти аспекта вместе с тем имеют прямое
отношение к вопросу о предпосылках появления концепций самоорганиза
ции в химии.
2. "Лаборатория живого организма" - идеал химиков
Важно отметить, что ранний витализм как учение, объясняющее
процессы жизнедеятельности действием нематериальных факторов, уже в
начале XIX столетия - под влиянием первых успехов химических
исследований органической природы - стал утрачивать не только свой
прежний авторитет, но и прежний смысл. Витализм XIX столетия в трудах

58

основоположников классической органической химии базировался на
представлениях о жизненной силе как сугубо материальном, а не
сверхъестественном начале. Показательной в этом отношении является
эволюция взглядов Я. Берцелиуса, одного из основателей органической .
химии, у которого уже можно видеть истоки идей химической эволюции.
С 1812 г. - со времени открытия К.С. Кирхгофом реакции гидролиза
крахмала под влиянием незначительного количества серной кислоты -
Берцелиус наблюдал за ходом первых каталитических открытий,
объединил их в 1835 г. в одно целое, назвал катализом и увидел в нем
связующее звено между неорганической и живой природой.
"Если мы обратимся теперь с этой идеей к химическим процессам в
живой природе, - пишет Берцелиус в своем ежегоднике за 1835 г., - то...
мы получаем обоснованный повод думать, что в живых растениях и
животных происходят тысячи каталитических процессов и вызывают
образование множества разнообразных химических соединений". Причину
их создания "мы в будущем, может быть, откроем в каталитической силе
органической ткани, из которого состоят органы живого тела" [5].
Но и в XX в. химизм живой природы оставался идеалом исследова
телей. Так, академик А.Е. Арбузов в 1930 г. отметил: "Подражание
живой природе есть химия будущего!.. И в тот день, когда в лаборатории
будет синтезирован первый энзим, мы можем сказать, что наука получила
в свои руки ключ, который она так долго и упорно ищет, - это ключ к
химии живой природы" [1, с. 294-295].
Много внимания вопросам ориентации на опыт живой природы уделяет
Н.Н. Семенов: "Природа при зарождении и эволюции новых организмов
создала молекулярные машины совершенно исключительной точнос
ти, быстроты действия и необычайного совершенства... в будущем (не
повторяя в точности природу) можно будет построить новую химию,
новое управление химическими процессами, где начнут применять
принципы синтеза себе подобных молекул, по принципу ферментов будут
созданы катализаторы такой степени специфичности, что далеко
превзойдут существующие в нашей промышленности. Мы сможем создать
преобразователи, использующие с большим КПД солнечный свет, прев
ращая его в химическую и электрическую энергию, и, обратно, хими
ческую энергию - в свет большой интенсивности. Быть может, совме
щение биохимической энергетики с полимерными материалами даст
возможность создать макромолекулы, превращающие химическую энер
гию в механическую, подобно нашим мышцам.

Это кажется фантазией. Но ведь есть в науке великие проблемы
познания. Такой была проблема изучения строения атома и особенно его
ядра. Прошло 50 лет экспериментального и теоретического исследования
пока появилась реальная возможность использования атомной энергии.
Рассматриваемая нами проблема носит такой же характер, но решить ее
нужно в более короткие сроки" [44, с. 192-194].
Здесь приведены высказывания ученых пока только как ориентир на
что-то бесконечно совершенное. Достижим ли, однако, этот идеал практи
чески?
Ответ на этот вопрос представляется вполне оптимистическим. Если

59

когда-то Берцелиус смог лишь выразить надежду на будущие успехи в
области изучения химизма живой природы через катализ, если Г.Т. Густ
авсон, Ш. Фридель и Дж. Крафтс уже в недрах классической орга
нической химии проложили пути к каталитическому органическому
синтезу, то XX век стал его триумфом. Правда, в 1930 г., когда А.Е. Ар
бузов выступил со своей речью, призывая к подражанию природе, пред
посылок к конкретному решению задач химической бионики по сути дела
еще не было. Теперь же они появились и можно говорить о том, что
химия в этом направлении прошла уже несколько ступеней, и все они
связаны с развитием учения о катализе, но в конечном итоге каждая из
этих ступеней - есть путь к эволюционной химии.
Первой из этих ступеней является некая общая область исследований
биохимии и органической химии. Биологи называют ее статической
биохимией. Химики же рассматривают ее как одну из основных областей
структурной органической химии. Речь идет об открытии, химическом
анализе и изучении строения характерных для живой природы веществ.
Исторические корни этой области уходят в далекое прошлое, но она не
утратила своей актуальности и теперь. И нельзя не отметить, что к ней
относятся даже такие поистине эпохальные исследования, как раскрытие
структуры терпенов и сесквитерпенов Л. Ружичкой, хлорофилла и гемина
Р. Вильштеттером и Э. Фишером, холевых кислот и стереинов О. Вил
андом и А. Виндаусом, моно- и полисахаридов У.Н. Хеуорсом.каратиноидов
и флавинов Р. Купам и П. Каррером. Все эти исследования от
мечены Нобелевскими премиями.
Изучение субстанционального состава живого организма носило не
только аналитический характер. А. Бутенанд, например, не только
выделял в кристаллическом виде андростерон (для получения 15 мг
которого ему понадобилось переработать 15 т мочи), но и синтезировал
эстрон (СщНггОу) и прогестерон (СиНуаОг). Р. Робинсон выделил ряд ал
калоидов, чтобы установить их строение, и вместе с тем синтезировал бикукуллин
и берберин. В. Дю-Виню осуществил в 1932 г. первый структур
ный анализ и первый синтез полипептидного гормона - окситоцина, а за
тем и витаминов группы В. И, наконец, триумфальным в этом направ
лении исследований является ювелирный труд Ф. Сэнгера, установившего
полную структуру инсулина (C*hH*NqsO-fsSq), и принципиальный синтез
этого белка методами классической органической химии, осуществленный
тремя группами химиков (в США, ФРГ и Китае) с выходом (!) 0,02-0,07%
[49].
Но при всех необычайных успехах "статической биохимии", а в равной
мере и структурной органической химии, по расшифровке состава и
строения сложных химических соединений - фрагментов живого организ
ма, исследования в этом направлении служили и служат всего лишь
предпосылкой по отношению к более важным и, конечно, более сложным .
исследованиям химических процессов жизнедеятельности. Эти последние
исследования до середины XX в. составляли так называемую динамичес
кую биохимию, теперь же они относятся и к биоорганической химии, и к
молекулярной биологии, и к такой сугубо синтетической науке, которую
Ю.А. Овчинников назвал физико-химической биологией.
Исторические корни динамической биохимии являются тоже довольно
глубокими. Еще на рубеже XVm и XIX столетий в физиологии различали
процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие
превращения веществ.
Исследование явлений брожения стало своего рода и прологом и
программой дальнейшего развития энзимологии и выявило две
противоположные, но отнюдь не альтернативные концепции в изучении
биокатализа вообще, которые весьма условно можно назвать химической
и биологической. Наиболее видными адептами химической концепции в
XIX в. были К). Либих, М. Бертло, Х.Ф. Шенбейн, Г. Тамман, Э. Фишер,
а биологической, - если говорить действительно о видных ученых, -
пожалуй, лишь Л. Пастер.

Хотя химическая концепция брожения в тенденции сводила весь
биокатализ к обычному химическому катализу [см. (4)], ее заслуги в
развитии энзимологии бесспорны. Именно она помогла установить многие
положения, прочно вошедшие в современную энзимологию, а именно:
1) аналогию между биокатализом и катализом, между ферментами и
катализаторами; 2) наличие в ферментах двух неравноценных компо
нентов - своего рода активных центров и носителей; 3) заключение о
важной роли ионов переходных металлов в активных центрах многих фер
ментов; 4) вывод о распространении на биокатализ законов химической ки
нетики; 5) сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорга
ническими агентами (гидролиз крахмала до глюкозы - далеко не единст
венный случай). Все это нашло отражение в утверждении С. Аррениуса,
что следует искать законы в общей химии, аналогичные законам в
биологической химии. "Если таковые в ней находятся, они оказываются в
большинстве случаев гораздо легче объяснимыми; а после того, как для
них бывает найдено удовлетворительное объяснение, вполне естествен
ным является его же применение к биохимическим проблемам, которые
тем самым оказываются выясненными до конца" [2, с. 13].
В основном так именно и происходило развитие энзимологии до тех пор,
пока и химики и биологи еще не видели тех принципиально различных
уровней материальной организации, на которых осуществляются
химические процессы in vitro и биохимические - in viva. Но Аррениус
возложил на химию чересчур болапие функции в решении "биохимических
проблем... до конца',не заметив-в силу объективных обстоятельств своего
времени дозвоДенных границ идеализации. Теперь известно, что
химическая концепция в энзимологии не смогла доказать постулируемое
ею тождество между катализом и биокатализом.
Биологическая концепция на первых этапах развития энзимологии
(Х1Х в. - первая треть XX в.) не имела под собой столь мощной основы,
какая находилась под химической концепцией, ибо химия разрушила саму
необходимость обращения к каким-либо надхимическим, или, в общем
случае, надмеханическим силам. Известным основанием биологической
концепции служили работы Ш. Каньяр-Латура, Т. Шванна, Ф. Кютцинга и
Э. Тюрпена, указавшие на то, что дрожжи относятся не к химическим
соединениям, а к живым организмам. Но эти работы были отвергнуты,
хотя и не опровергнуты химиками. Конечно самой фундаментальной

61

опорой биологической концепции были труды Л. Пастера, в частности, его
прямые наблюдения за деятельностью молочно-кислых бактерий
(см. (10)]. Одним из самых веских оснований в его выводах об особом
уровне материальной организации ферментов является открытая им
строгая стереоспецифичность живой природы. Но, как известно, и эти
основания были, если не отвергнуты, то отодвинуты на задний план
открытием внеклеточного брожения, а позиция Пастора была объявлена
виталистической (см. (24)].
0 достоверности и перспективности идей Пастора свидетельствуют
сегодня и химия и биология. И именно неклассические формы -
эволюционный катализ и молекулярная биология. С одной стороны,
получен вывод о том, что состав и структура биополимерных молекул
представляют единый стандартизованный набор для всех живых существ.
С другой стороны, была показана исключительная специфичность
живого, которая проявляется не только в высоких уровнях организации
клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном
уровне, где, как в капле воды, отражающей солнце, находят отражение
закономерности других уровней (см. (4)].
Конкретно эта специфичность молекулярного уровня живого прояв
ляется в целом ряде совершенно чуждых классическому химическому
мышлению фактов: в существенном различии принципов действия ката
лизаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и
биополимеров, структура которых определяется только генетическим
кодом, и, наконец, в совсем уж необычном факте: многие химические ре
акции окисления-восстановления в живой клетке "могут происходить без
непосредственного контакта между реагирующими молекулами" (44, с.
30]. Все это говорит о том, что "в живых системах осуществляются такие
типы химических превращений, какие никогда не обнаруживалио, в нежи
вом мире" (50]. И в высшей степени примечательно то, что об этом сви
детельствует именно молекулярная биология, изучающая организм
на уровне химизма. Живое, говорит Н.Н. Семенов, не является "прос
то сложной комбинацией тривиальных физико-химических процессов" (43,
с. 100].

Утверждения Пастора оказались, таким образом, достоверными, а
обвинения его в витализме - эфемерными. Но сейчас важно обратить
внимание не только на то, что в конце концов Пастор в споре со своими
оппонентами оказался прав. Более интересным является наличие перспек
тив в учении Пастера, или "научной программе Пастора", приблизительно
в том ее методологическом аспекте, который обрисован в концепции
развития науки Лакатоша. Эта программа была сформулирована Пастером
в форме исследовательских задач еще в период его кристаллографи
ческих исследований.
Первое положение программы Пастора - это задача теоретического
обоснования открытых им "диссимметрических сил" в живой природе и
отсутствия таковых в абиогенных системах. Второе положение - утверж
дение о существенных отличиях структурно-функциональных изменений
химических объектов от поведения "организованного существа" и вы
движение принципиально нового понятия - "организация", что предполага62
ло разработку проблемы иерархии уровней организации неорганических и
органических веществ. Третье положение программы Пастора, вытека
ющее из его утверждения о том, что "брожение проявляется всегда в
связи с жизнью, с организацией... а не в связи со смертью", что "брожение
не является контактным процессом, в котором превращение сахара
происходит в присутствии фермента, ничего ему не давая и ничего от него
не беря" Щит, по (1)], было, по сути, направлено против метафизической
трактовки сущности жизни, против какого бы то ни было противопостав
ления предмета и процесса, части и целого. И, наконец, четвертое поло
жение программы заключалось в четко выраженном историческом под
ходе к проблеме происхождения специфичности живого, в его тезисе о
том, что специфичность живого следует рассматривать не как результат
простой композиции, а как "эволюционно сложившийся жизненный по
тенциал".
Программа исследования живого, выдвинутая Пастором, и сегодня так
же актуальна, как и программа изучения неорганического мира, предло
женная в самом начале XIX в. Бертолле.
3. Принципиально возможные и реальные пути освоения
каталитического опыта живой природы
Несмотря на то, что химия в настоящее время еще далека от того
совершенства, которым обладает "лаборатория живого организма", пути к
этому идеалу не только ясны, но и практически намечены. По-видимому,
теперь можно говорить даже о множестве путей освоения каталитичес
кого опыта живой природы. Наиболее перспективными представляются те
из них, которые уже сегодня ведут к определенным практическим резуль
татам, - даже к созданию промышленных аналогов химических процессов,
происходящих в живой природе.
Первый из этих путей - это развитие исследований в области
металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответст
вующие объекты живой природы. Начальные шаги в этом направлении
сделаны в 1954 г. К. Циглером и Дж. Натта, обнаружившими стереоспецифическую
полимеризацию олефинов и диенов в присутствии
комплексных титан-алюминийорганических соединений. Далее под дейст
вием комплексных металлоорганических соединений были осуществлены
реакции гомогенного гидрирования непредельных соединений и ароматики,
окисления олефинов в альдегиды и кетоны. В 1964 г. М.Е. Вольпин и сот
рудники открыли фиксацию атмосферного азота в присутствии металлакомплексов,
что послужило началом многолетних исследований М.Е. Вольпиным
и А.Е. Шиповым кинетики и механизма этой реакции электромет
аллокомплексного катализа. Ныне реализовано более 40 многотонн
ажных промышленных процессов с участием металлокомплексных
катализаторов 1см. (6)].
Второй путь основан на определенных успехах моделирования биокат
ализаторов. В. Лангенбеку в ГДР, Л.А. Николаеву в СССР и другим
исследователям путем искусственного отбора структур удалось построить

63

модели многих ферментов с высокой активностью и селективностью и
вместе с тем большей простоты строения. Полное представление о
работах в этой области можно получить из книги Л.А. Николаева - из
обзора этих работ вытекают два "очевидных вывода" [29, с. 166]:

1. Моделирование-отдельных функций изолированных ферментов не
только возможно, но в ряде случаев достигается даже несколькими
путями.
2. Ни одна до сих пор полученная модель не в состоянии заметить
"нативные катализаторы", действующие в биосистемах.
По поводу первого вывода можно сказать, что если практика подбора
катализаторов пока еще и не базируется на работах в области модели
рования ферментов, то путь к этому уже открыт.
Что же касается второго вывода, то такая задача - речь идет о замене
биокатализатора в биосистеме искусственной моделью - невероятно
трудна; она сравнима с задачей создания искусственных органов, например
сердца, для организма человека.
Существует и обратная сторона этой задачи - заменить малоактивные
неорганические катализаторы, которыми сейчас в основном оперирует
химия, неизмеримо более активными катализаторами, хотя бы в какой-то
степени воспроизводящими функции ферментов. Здесь встречаются
принципиально те же трудности, что и в замене фермента его моделью.
Катализаторами в химии выступают, как правило, берчюллидные
системы. Только они .обладают столь широким набором различных
активных центров, что среди этого набора почти всегда найдутся центры,
способные обеспечить как структурное, так и энергетическое соот
ветствие (по принципам Баландина). Поэтому в химическом катализе
широко распространены случаи каталитической активации одним итем же
катализатором (например, окисью хрома, хлористым алюминием,
фтористым бором, платиной) целой гаммы реакций и, наоборот, один и тот
же субстрат может активироваться самыми различными катализаторами.
Совсем иное дело в биокатализе. Биокатализаторами являются особого
рода системы, в некотором роде промежуточные между бертоллидными и
дальтонидными-молекулярными; их бертоллидные качества состоят в
различной энергоемкости (т.е. весьма широком спектре электронных
зарядов) связей, а их дальтонидные качества состоят в строго определен
ном составе и строении частиц. Широкий спектр электронных зарядов
связей в биокатализаторах служит основой лабильности системы, но
отнюдь не набором разных активных центров. Активные же центры
биокатализаторов строго локализованы, энергетически определенны, т.е.
высоко стерео- и энергетически специфичны, и поэтому являются
единственным ключом к замку - субстрату, именно данному и только
данному субстрату. В отличие от обычных реакций биокаталитические
процессы протекают не путем увеличения энтропии переходного
состояния, а посредством уменьшения энтропии промежуточного про
дукта. Образование промежуточного комплекса фермент-субстрат (ключз
амок) означает опять-таки повышение степени организации. Если же
происходило бы повышение энтропии переходного состояния, то это
угрожало бы хаотизацией системы.

64

По-видимому, уже из этого суждения следует вывод о необходимости
изучения законов химической эволюции и законов биогенеза для решения
проблемы освоения каталитического опыта живой природы.
Но среди химиков пока еще немного исследователей, которые бы
отчетливо представляли себе связь между проблемами катализа, биокат
ализа и эволюции. Пожалуй, идеи Берцелиуса в этом направлении можно
считать не только самыми ранними, но и наиболее передовыми.
Ныне взгляды на роль проблемы химической эволюции в изучении
катализа существенно изменились. При моделировании биокатализаторов
теперь принимаются во внимание уже не только "некоторые общие
закономерности биогенеза"' , но по возможности и вся совокупность такого
рода закономерностей. Принципы искусственного отбора структур в нап
равлении совершенствования моделей все более приближаются к принци
пам естественного отбора. В самой каталитической химии накапливается
все больше эмпирического материала, не укладывающегося в рамки от
правных постулатов классической кинетики. Появляется все больше ра
бот, свидетельствующих о физических и химических изменениях катали
заторов, о самоприспособлении их к требованиям каталитической базисной
реакции.
Третий путь к освоению "приемов", которыми пользуется живая при
рода в своих лабораториях in viva состоит в использовании достижений
химии иммобилизованных систем. Энзимология давно уже накопила
информацию об уникальных качествах биокатализаторов. Но вместе с
тем она указала и на их крайнюю лабильность, неустойчивость при хра
нении и быструю потерю активности при перенесении в реакционные
системы, функционирующие in vitro. Ведь именно поэтому "техническая
биохимия" не могла пойти далее нескольких ограниченных областей
промышленности, где применяются преимущественно гидролитические
ферменты, выделяемые микроорганизмами. Эти области - производство
вин, пива, чая, хлеба и некоторых других пищевых продуктов, обработка
кожи. Все попытки использовать богатейший набор ферментов, которым
располагает природа, для осуществления лабораторных и промышленных
процессов наталкивались на, казалось бы, неразрешимые проблемы:

1) трудную доступность чистых ферментов и их непомерно высокую
стоимость; 2) их нестабильность при хранении и транспортировке;
3) быстро наступающую потерю их активности в работе, даже если
удалось их выделить и пустить в дело. Но теперь оказалось, что эти
проблемы удается решить. Благодаря успехам микробиологической про
мышленности стало возможным получать многие ранее трудно доступные
или недоступные ферменты по ценам в 100-1000 раз (!) ниже цен на
ферменты растительного и животного сырья. Но, главное, теперь откры
ты пути стабилизации ферментов, и именно это обстоятельство стало
основанием химии иммобилизованных систем, или "биоорганического ката
лиза". Сущность этого открытия и всех последующих исследований,
направленных на разработку научно обоснованных принципов иммобили
зации, состоит в такой химической модификации выделенных из живого
' Так именно назвал первую часть своей книги Л.А. Николаев (см. (29)].
5. Концепция самоорганизации... 65
организма (или живым организмом) ферментов, которая превращает
последние в гетерогенный катализатор, обеспечивает его стабильность и
непрерывное действие в условиях in vim).
Несмотря на то, что основная масса работ в области химии иммоби
лизованных систем появилась относительно недавно, в этой области
в значительной степени благодаря систематическим исследованиям
И.В. Березина и его сотрудников достигнуты большие успехи. Решены
вопросы использования иммобилизованных ферментов в тонком органичес
ком синтезе, в трансформации стероидов, в модификации малостабильных
соединений, в разделении рецематов на оптически активные формы. Не
которые из названных процессов реализованы в промышленных масшта
бах. Намечаются пути применения иммобилизованных оксидаз, выде
ленных микроорганизмами, для тяжелого органического синтеза, в част
ности, для получения на основе парафинов и ароматических углеводо
родов спиртов, альдегидов, кетонов, кислот, окисей. Изучаются перспек
тивы ферментативного обезвреживания сточных вод (Подробно о дости
жениях химии иммобилизованных систем см. (4, с. 164-268)].
Следующий, четвертый путь, в развитии исследований, ориентирован
ных на применение принципов биокатализа в химии и химической тех
нологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи - изучением
и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и
опыта формирования "выходного устройства" - фермента, клетки, орга
низма. Это - такая ступень, на которой возникают основы эволюцион
ной химии как действенной науки с ее эвристическими и рабочими
функциями, - как пролога к принципиально новой химической технологии,
способной стать аналогом живых систем.
4. 0 различных подходах
к проблеме самоорганизации химических систем
В настоящем параграфе необходимо назвать подходы к проблеме само
организации пред биологических систем, которые все чаще обсуждаются в
естественнонаучной и в философской литературе [см. (19, 27)]. Это так
называемые субстратный и функциональный подходы.
К первому из них относят теории биогенеза, отправным постулатом
которых является специфика вещественной основы биологических систем,
т.е. строго определенный состав элементов-органогенов и не менее
определенная структура входящих в живой организм химических соеди
нений. Все особе*ости функционирования организмов, с позиций этих
теорий, выводят из свойств конкретного биохимического состава орга
низмов-белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров. Решение
проблемы биогенеза представители этого подхода видят в выяснении
путей постепенного усложнения органических соединений вплоть до белковоподобных
тел и биорегуляторов. Легко видеть, что к субстратному
подходу в его рафинированном виде относятся все актуалистические те
ории, о недостатках которых было сказано выше.
Рациональными результатами субстратного подхода к проблеме био66
генеза является накопленная информация об отборе химических элемен
тов и структур.
Отбор химических элементов - этого подвижного строительного мате
риала эволюционирующих систем - выступает прежде всего как весьма
красноречивый научный факт. Ныне известно 107 химических элементов.

Есть основания полагать, что большинство из них попадает в те или иные
живые организмы и так или иначе участвует в жизнедеятельности. Одна
ко основу живых систем составляют только шесть элементов, давно полу
чивших наименование органогенов; это - углерод, водород, кислород,
азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составля
ет 97,4%! За ними следуют 12 элементов, которые участвуют в построе
нии многих физиологически важных компонентов биосистем; это - натрий,
калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, ко
бальт. Их весовая доля в организмах равна примерно 1,6%. Можно наз
вать еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании
отдельных узко специфических биосистем (например, водорослей, состав
i которых определяется в известной мере составом питательной среды). Их
* доля в организмах составляет около 1%. Участие всех остальных эле*
ментов в построении биосистем практически не зафиксировано.
' Картина собственно химического мира тоже весьма отчетливо свиде
тельствует об отборе элементов. Теперь известно всего около 6-7 млн
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 280 тыс. неорганических соединений.
Столь резкая диспропорция между едва обозримым множеством орга
нических соединений и каким-то минимумом составляющих их органо
генов, так же как и исключительно дифференцированный отбор того же
минимума элементов для построения живых систем, нельзя всецело
объяснить факторами различной распространенности элементов в Космосе
и на Земле. В Космосе вообще безраздельно господствуют лишь два
элемента - водород и гелий, тогда как все остальные элементы можно
рассматривать только как примесь к ним.
На Земле наиболее распространены железо, кислород, кремний,
магнии, алюминии, кальции, натрии, калии, никель, тогда как углерод
занимает лишь 16-е место. В атмосфере Земли углерода не более
0,01 весового процента, в океанах - около 0,002, в литосфере - 0,1.
Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем
кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий, и даже в 6 раз меньше, чем
относительно редкий титан. Из органогенов наиболе? распространены
лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота,
фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в
общем невелика - всего около 0,24 весовых процента.
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 требования соответствия между строительным мате67
риалом и теми сооружениями, о которых выше говорилось как о струк
турах высокоорганизованных.
С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору эле
ментов, способных к образованию, во-первых, достаточно прочных и сле
довательно, энергоемких химических связей и, во-вторых, связей лабиль
ных, т.е. легко подвергающихся гомолизму, гетеролизу или циклическому
перераспределению. Вот почему углерод избран, или отобран, из многих
других элементов как органоген Л" 1. Этот элемент действительно отве
чает всем требованиям лабильности. Он, как никакой другой элемент,
способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические
противоположности, реализовать их единство, выступать в качестве
носителя внутреннего противоречия [см. (13)].
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: а) менее чем одноэлектронные и одноэлектронные
(например, при хемосорбции углеводородов на графите); б) двухэлектронные
(например, в этапе); в) трехэлектронные (в бензоле); г) четырехэлектронные
(С = С); д) шестиэлектронные (С s С - связи) со все
возможными промежуточными значениями зарядов связей. Среди углеродуглеродных
связей можно встретить чисто ковалентные, почти чисто
ионные и ионоидные с самыми различными значениями зарядов атомов.
Едва ли есть необходимость подробно характеризовать другие орга
ногены. Кислород и водород нельзя, конечно, считать столь же лабиль,ными
элементами; их скорее следует рассматривать в качестве носителей
крайних и односторонних свойств - окислительных и восстановительных.

Что же касается таких органогенов, как азот, фосфор и сера, или неко
торых элементов, составляющих активные центры ферментов, например,
железа, магния, то они подобно углероду отличаются также особой ла
бильностью. Рассматривая вопрос об отборе элементов, Дж. Бернал от
мечает, что лабильные атомы серы, фосфора и железа, которые пре
терпевают очень большие превращения в неорганическом мире, имеют
основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы, такие
как кремний, алюминий или натрий, составляющие несравненно большую
часть земной коры, играют лишь второстепенную роль или отсутствуют
вовсе [см. (3)].
Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что внутримолекуляр
ное или внутрикомплексное взаимодействие атомов таких элементов, как
С, N, 5, Р, Н, О, Fe, Mg, Ti создает исключительное богатство химических
связей. Сюда относятся и сопряженные связи, имитирующие полупровод
никовые свойства, и кумулированные связи, обладающие еще более высо
кой п-электронной проводимостью. Сюда относятся богатые энергией,
так называемые макроэргические связи в соединениях типа аденозинтрифосф
ата и одновременно слабые водородные связи. Наряду с попарными
межатомными связями типа С-Н, С-С в соединениях этих элементов
встречаются явно многоцентровые, к которым относится, в частности, как
можно полагать, и связь Fe - пиррольные кольца в геминах.
О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать
довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей.

68

Подобно тому как из 107 химических элементов только 6 органогенов да
10-15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу
биосистем, так же в результате эволюции шел тщательный отбор и хими
ческих соединений. Из миллионов органических соединений в построении
живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в
состав белков входит только 20; лишь четыре нуклеотида лежат в основе
всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наслед
ственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.
Исследователи - 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. По
лагают, что, когда период химической подготовки - период интенсивных и
разнообразных превращений сменился периодом биологической эволюции,
химическая эволюция словно застыла. Теперь находят массу доказа
тельств тому, что аминокислотный состав гемоглобина самых низших поз
воночных животных и человека практически один и тот же; более или
менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав фермен
тативных средств, состав веществ, накапливаемых впрок, и т.д.
Каким образом проводилась та "химическая подготовка", в результате
которой из минимума химических элементов и минимума химических
соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс -
биосистема, обладающая способностью затрачивать минимум работы,
чтобы снова производить максимум организации? Л.А. Николаев удачно
подметил, что все механизмы клетки функционируют так, что на каждом
этапе всей последовательности реакций организационная работа мини
мальна. Синтез белка осуществляется только тогда, когда и пространст
венные, и энергетические условия таковы, что ферментному аппарату
остается лишь замыкать цепочки аминокислот [см. (29, с. 1 1)].
Химику важно все это понять для того, чтобы таким образом научиться
у природы (а затем, может быть, и пойти дальше ее) так легко и просто
приспосабливать для своих нужд "менее организованные материалы",
например фиксировать азот воздуха при нормальных температурах и
давлениях, синтезировать сахара из Col, СО, Н2 и *О, получать
стереоспецифические соединения и т.д. и т.п.
Занавес, отделявший нас от этих тайн, стал понемногу подниматься. В
ходе эволюции отбирались те структуры, которые обеспечивали наиболее
совершенные виды связей* (в том числе обратной связи) и регулирования.
Первой и наиболее простой из этих структур можно смело назвать
различные фазовые границы. Они служили основой физической и хими
ческой адсорбации, которая а) вносила элементарное упорядочение во
взаимное расположение частиц, б) увеличивала концентрацию последних и
в) служила фактором появления каталитического эффекта.

Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечи
вающие процессы переноса электронов и протонов. Сюда относят
полупроводниковые цепи и структуры, ответственные за так называемое
Здесь имеестя в виду не столько химическая связь, сколько всякая иная,
обеспечивающая взаимоотношения между системами, подсистемами и элементами систем.

69

трансгидрирование, или перенос водорода. Легко видеть, что этот тип
структурных фрагментов всецело связан с необходимостью привлечения
углерода, а также других органогенов, способных образовывать двойные
связи и служить донорами и акцепторами протонов. Не трудно видеть
также, что эти группировки служат началом для полупроводникового, т.е.
окислительно-восстановительного, или кислотно-основного катализа.
Третий структурный фрагмент, необходимый для эволюционирующих
систем - это группировки, ответственные за энергетическое обеспечение.
Сюда входят оксиоксо-группы, фосфорсодержащие и другие фрагменты с
макроэргическими связями. Высказывалось предположение, что эти струк
турные единицы тоже выполняют роль катализаторов по отношению к
ряду реакций, но скорее всего их назначение состоит в снятии термодина
мических запретов путем сопряжения реакций диспропорционирования и
разрушения макроэргических связей с ферментативными реакциями [см.
(13)].
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 воспроизведе
ние себе подобных структур.
Если попытаться найти нечто общее между всеми только что назван
ными структурными фрагментами, то этим общим окажется не столько
элементный состав, сколько развитая поверхность вещества, в частности
близость к коллоидному состоянию и отношение к катализу.
В этой связи обращает на себя внимание ряд выводов, полученных
самыми различными путями и в самых различных областях науки (геоло
гии, геохимии, космохимии, биохимии, биологии, термодинамике, химичес
кой кинетике). Эти выводы сформулированы в работах Дж. Бернала [см.
(3)], Ю.А. Жданова (см. (13)] и Л.А. Николаева (см. (29)]:
1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ вовсе от
сутствует. Условия высоких температур (*5000 К), электрических разря
дов и радиации, с одной стороны, препятствуют образованию конденси
рованного состояния, а с другой - с лихвой перекрывают те порции энер
гии, которые необходимы для преодоления энергетических барьеров.
2. Первые проявления катализа начинаются при смягчении условий
(*5000 К) и образовании первичных твердых тел.
3. Роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия
(главным образом, температура) приближались к земным условиям. Но
общее значение катализа вплоть до образования более или менее
сложных органических молекул все еще не могло быть высоким: твердые
неорганические тела выполняли роль или неспецифических катализаторов
цепных газовых реакций, которые и без того могли легко осуществиться
под влиянием радиации, или специфических катализаторов роста
бесконечно однообразных кристаллических неорганических же тел.
4. Появление таких даже относительно несложных систем, как СНзОН,
N*-i2-NH2, НС*СН, Н2СОз, НСООН, HC*N, а тем более оксикислот,
аминокислот и первичных сахаров было своеобразной некаталитической
подготовкой старта для большого катализа. С этого момента катализ

70

вошел в новую и весьма оригинальную стадию развития: он претерпел
своего рода дивергенцию, дав две противоположные ветви - неорга
ническую и органическую. Неорганическая ветвь сравнительно короткая.
Она начинается с неорганических веществ типа окислов (МеО),,. Извест
но, что каталитическая активность свежеприготовленных продуктов вы
ше активности природных минералов того же состава. Следовательно,
неорганическая ветвь ведет к дезактивации каталитических систем, к
потуханию каталитической активности неорганических тел и постепен
ному исключению их масс из того химического круговорота, в котором
участвуют, например, углерод, азот [см. (29)].

Органическая ветвь, наоборот, оказывается и более длинной, и плодо
носной. Л.А. Николаев в качестве примера этому приводит каталити
ческую активность железа. Ионы железа - хорошие катализаторы многих
реакций. Вовлечение этих ионов в минеральные соединения снижает их
каталитическую активность на 2-3 порядка. Вовлечение тех же ионов в
органические соединения, например в порфириновые системы, увеличи
вает их каталитическую активность примерно на 10 (!) порядков [см. (Там
же, с. 9)]. Однако примерами исключительно плодотворного развития ка
талитических систем органической ветви могут служить и чисто орга
нические катализаторы.
5. Роль катализа в развитии химических систем после достижения
стартового состояния, т.е. известного количественного минимума органи
ческих и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической
быстротой. "Можно с уверенностью утверждать, - говорит Л.А. Ни
колаев, - что отбор активных соединений происходил в природе из тех
продуктов, которые получались относительно большим числом химических
путей... обладали широким каталитическим спектром. Таким образом,
"уникальность биохимических машин" высшего ранга организации покоит
ся на обширном основании... На ранних стадиях развития наибольшие
шансы сохраниться и не быть разрушенным в результате химических атак
внешней среды имели соединения, обладавшие разнообразными каталити
ческими возможностями" (см. (Там же, с. 47)].
Как следует из этих выводов, информация, полученная в русле
субстратного подхода, указывает на две возможные формы вещественной
основы химической эволюции. Одна из них - это химические соединения,
выступающие в качестве реагентов органического синтеза, приводящего
ко все более сложным по составу и молекулярной структуре веществам.
Вторая форма - это агенты, или катализаторы химических реакций.
Отличительной чертой второго - функционального - подхода к проб
леме предбиологической эволюции является сосредоточение внимания на
исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выяв
лении законов, которым подчиняются такие процессы.
Среди естествоиспытателей такого подхода придерживаются преиму
щественно физики и математики, которые рассматривают эволюционные
процессы с позиций кибернетики и теории информации (например,
А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, Л.А. Блюменфельд и др.) или термоди
намики (К.С. Тринчер, М.В. Волькенштейн и др.). Крайней точкой зрения
в этом подходе является безразличие к природе субстрата эволюциони71
рующих систем. Так, согласно А.Н. Колмогорову, функциональное пред
ставление о жизни совершенно освобождено от произвольных предпосы
лок о конкретных формах ее вещественного субстрата 1см. (27, с. 26; 34,
с. 48-57)]. Функционального подхода к проблеме биогенеза придержива
лись также некоторые философы. Например, А.Я. Ильин 1см. (17)] и
М.Г. Чепиков (см. (48)] считали, что при изучении сущности предбиологических
и биологических процессов важен не столько анализ конкретных
вещественных носителей саморазвития, сколько выявление свойств, явно
не присущих неорганической материи. По мнению А.Я. Ильина, главное в
отношениях Ф. Энгельса к проблеме биогенеза заключается не в
подчеркивании белковой природы жизни, а в принципиальном признании
того обстоятельства, что этот носитель жизни возникает как продукт
закономерного саморазвития материи [см. (27, с. 23; 17)].
Если не считать названной выше крайней точки зрения, ведущей к
предположению о возможности существования жизненных форм даже и на
безуглеродной основе, то в общем функциональный подход, несмотря на
его односторонность, приводит к очень важному рациональному выводу.
Специфика вещественной основы саморазвивающихся объектов, согласно
этому подходу, предстает в качестве следствия из законов эволюции
(см. (27, с. 23-26)].
Что касается взглядов термодинамики на проблему биогенеза, то сегод
ня подробно обсуждать их уже не имеет смысла. Созданная И.Р. Пригожиным
обобщенная термодинамика 1см. (35)] снимает препятствия, воз
двигнутые классической термодинамикой на пути самоорганизации матери
альных систем. Впрочем, о том, что нового в развитие представлений о
самоорганизации внесли труды И.Р. Пригожина, будет сказано ниже.
5. Самоорганизация химических систем
как критерий химической эволюции

Некоторые авторы полагают, что термин "химическая эволюция" был
введен в науку М. Кальвином в 50-х годах (см. (28, с. 412)]. Они ссы
лаются при этом на его книгу "Химическая эволюция" (см. (18)], в которой
дан обзор предшествующих работ, связанных с изучением проблемы
перехода от неорганической материи к органической. Однако сам Кальвин
в той же книге указывает, что уже "у Дарвина была мысль о "хи
мической" эволюции, но он сознавал ограниченность научных знаний того
времени" (Там же, с. 13]. В качестве свидетельства правильность такого
утверждения М. Кальвин приводит слова Ч. Дарвина: "Я преднамеренно
отказался от обсуждения вопроса о происхождении жизни, так как он при
нынешнем состоянии наших знаний является ultra vires.." (Там же, с. 12].
Вместе с тем Дарвин предполагал, что в будущем эволюционный принцип
"позволит показать, что законы жизни являются частью, или следствием,
некоторого более общего закона" (Там же). Можно думать, что он имел в
виду в данном случае закон, или принцип отбора.
Во всяком случае, эволюционное учение Дарвина, ставшее теоре
тическим фундаментом биологии, есте6твенно, не могло не оказать

72

влияния на развитие других отраслей естествознания. И несмотря на то
что в химии, благодаря могуществу ее структурных теорий и порази
тельным успехам органического синтеза, в течение длительного времени
не было столь острой нужды в решении вопросов, которые встали перед
Дарвином, идеи химической эволюции проникли в нее преимущественно из
биологии в связи с проблемами биокатализа и биогенеза. Именно таким
путем проявились биохимические теории эволюции добиологических сис
тем А.И. Опарина, Дж. Холдейна, того же Кальвина и другие.
Можно ли, однако, говорить, что эти теории объясняли или хотя бы
описывали тот самый фрагмент истории природы, который имеет право
называться химической эволюцией и быть аналогом биологической эволю
ции, ставшей предметом учения Дарвина?
Вопрос о критериях химической эволюции очень важен, но отнюдь не
так прост. Ответ на него, очевидно, может быть получен лишь посред
ством поиска каких-то параллелей между линиями формирования дарви
новских идей о биологической эволюции и биохимических представлений о
химической эволюции.
"Историческая заслуга Дарвина, - как считают по крайней мере не
которые видные современные специалисты в области теории эволюции, -
состоит не в том, что он показал существование эволюционного процесса,
а в том, что он вскрыл движущий фактор эволюции - естественный отбор
и тем самым выявил причины биологической эволюции" [7, с. 297].
Если же теперь, ориентируясь на историю формирования дарви
новского учения, рассмотреть ближе названные выше биохимические тео
рии происхождения жизни, то окажется, что они в сущности и не являются
теориями химической эволюции, потому что в них химическая эволюция
представлена не столько как природный объект изучения, сколько как
гипотетическая конструкция, созданная во многом на иллюзорной основе
химического актуализма.
Дело в том, что в биологии принцип актуализма имеет несравненно
более действенный характер, чем в химии. В биологии он выступает в
форме очевидного, хотя, может быть, и грубого различия между видами и
потому приводит к более или менее адекватной их иерархии. Химия же
пока не располагает каким-либо надежным мерилом высоты организации
своих объектов - соединений. Она может однозначно указать только раз
личия между простыми по элементному составу и структуре соединениями
и сложными, например:
"H2C=CH2 -" i Н2С-СН2 in
"Be Clz -"-( Be CI2)"
2AKCH3)*-" *AI* *AI* *
CH/ CH3* CH3
Здесь во всех случаях слева представлены ансамбли простых молекул,
а справа - макромолекулы и димер. Направление усложнения в этих
примерах является очевидным. Но можно ли всякую более сложную
частицу считать в то же время и более высокоорганизованной?

73

Чтобы ответить на этот вопрос, адепты биохимических теорий био
генеза обычно принимают за наиболее высокоорганизованные соединения
те, которые входят в состав живых организмов: сахара и другие угле
воды, жиры, аминокислоты, пептиды, полинуклеотиды, ферменты и т.д.
На основании выделения таких соединений в качестве высокооргани
зованных они строят варианты "химической эволюции", представляя ее
как последовательность возможных реакций синтеза. Сахара образуются
из простейших соединений
6СО + 6H2-+ 6СН20 -" С*Ой
6СН4 + 302 -" 6СНзОН -" 6СН20 -" Сан*
Жиры легко и просто синтезируются из элементов, как о том поведал
еще в 40-х годах прошлого века М. Бертло. Аденин получается из циа
нида калия, нуклеотиды - из аденина, цитидина, уридина (см. (46)].
На основе цианистого водорода, как утверждает М. Кальвин (см. (18,
с. 137-148)], можно получать любые аминокислоты, пуриновые основания,
порфирины. Для придания наибольшей вероятности синтезам блоков,
составляющих живой организм, биохимические теории привлекают идеи
использования электрических разрядов, развитой поверхности коллоидных
систем, катализ и аутокатализ.
Легко понять, что все варианты таких синтезов не только вероятны, но
р реальны. Можно не обращаться к лабораторным экспериментам для их
подтверждения, потому что уже в классическом органическом синтезе
найдутся примеры образования в побочных продуктах сколь угодно
сложных соединений с мизерными выходами. А этого вполне достаточно
для предположений об истинных путях биосинтеза тех же природных
соединений in viva. Однако нетрудно понять, что все попытки построения
такого рода моделей химической эволюции не выходят за пределы
гипотез, оставляющих в стороне вопросы о закономерностях химической
эволюции, о ее движущих силах, о факторах отбора элементов и структур
высокоорганизованных соединений, о причинах самосборки блоков в еди
ные системы, объединяющие биополимеры и биорегуляторы в одну це
лостность. В конечном итоге не дают они ответа и на вопрос о критериях
высоты химической организации. Почему, например, аналогичные по
сложности и по структуре геминовые (а) и фталоцианиновые (б) со
единения имеют совершенно различное отношение к живой природе?
Первые образуются в организме, а вторые синтетическими продуктами.
h-m-h * ft' m
Вопросы: I) о высоте химической организации (не о степени сложности
состава), 2) об отборе элементов и структур, 3) о факторах этого отбора -
неотделимы друг от друга. Биохимические же теории происхождения
жизни на Земле занимаются лишь первым вопросом. Но начало биогенеза
не может быть ничем иным, кроме завершения химической эволюции.
Следовательно, адекватное решение проблемы хемогенеза как проблемы
происхождения все более высокоорганизованных "химических популяций"
есть в то же время и решение проблемы биогенеза.
6. 0 понятиях "организация" и "самоорганизация"
и их познавательных функциях в химии
Понятия "организация" и "самоорганизация" очень широко распро
странены во многих отраслях знания и обычно характеризуются как
"общенаучные" понятия. В связи с появлением нового направления в
системных исследованиях - синергетики, в котором эти понятия играют
ведущую роль, они стали теперь предметом обсуждения философов 1см.,
например (30, 31, 42)]. При этом последние под влиянием Г. Хакена,
основателя синергетики, понятие "организация'" связывают с понятием
"цель" и рассматривают как упорядоченность, образуемую исключительно
сознательной деятельностью человека. В этом аспекте Л.Я. Няпинен
интерпретирует и введенное нами понятие химической организации
вещества, относя кинетические системы к искусственным устройствам,
организуемым человеком (см. (30)].
Для химии это понятие будет иметь познавательное значение лишь в
том случае, если оно отразит упорядоченность химических систем как
объективную, независящую от воли человека, закономерность их су
ществования и функционирования. Мною было дано следующее опре
деление этого понятия применительно к химии: "Химическая организация
вещества - это основанная на обменном взаимодействии упорядоченность
отношений между атомами и (или) атомными агрегатами, вследствие
которой образуется единая система: в случае устойчивой упорядоченнос
ти - частица химического соединения, в случае неустойчивой упоря
доченности - кинетический континуум, в том числе переходное состояние"
[23,0.68].

Это определение нуждается только в одномрточнении: под устойчивой
упорядоченностью следует понимать структуру качественно неизменной
химической системы, т.е. молекулы в широком смысле этого слова. Под .
неустойчивой же упорядоченностью надо понимать химическую органи
зацию, или кинетические закономерности, качественно изменяющейся сис
темы, т.е. химического процесса. Неустойчивой эта упорядоченность наз
вана только потому, что она зависит от множества переменных факторов,
о которых подробно было сказано раньше, - катализаторов, раство
рителей, примесей, материала стенки реактора, терма- и гидроди
намических факторов, словом, всего того, что вызывает неустойчивость
действия одного физико-химического закона под воздействием другого,
т.е. что образует как бы переплетение законов, обусловливающих тече75
hue процесса. Но при всем этом любые такие законы (кинетические и
плюс к ним термодинамические, гидродинамические) объективны: это за
коны природы. И несмотря на то что человек ставит перед собою цель
так провести химический процесс, чтобы в результате был получен про
дукт с максимальным выходом при минимальных энергетических затра
тах, он не в состоянии обойти законы природы. Человек только тогда
достигает означенной цели и приобретает возможность управлять
химическим процессом, когда познает эти законы и будет поступать в
соответствии с ними.
Итак, химическая организация кинетической системы - это объ
ективные законы существования данной системы. Если угодно, это - тео
рии кинетики и химической термодинамики, макрокинетики и химической
технологии. Понятие '*организация" скорее связано с понятием "произ
водительность"; с понятием же "цель", как о том говорит Л.Я. Няпинен
(см. (30, 31, 32)], оно не может быть связано непосредственно. Человек не
создает, а только познает законы природы, в том числе и химическую
организацию.
Существенно иное содержание вкладывается в понятие "самоорганиза
ция". Подобно понятию "организация" оно тоже обозначает объективные
законы (упорядоченность) существования материальных динамических,
т.е. качественно изменяющихся, или процессуальных систем. Но в отли
чие от понятия "организация" оно отражает законы такого существования
динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все
более высокие уровни упорядоченности, или материальной организации.
Именно такое содержание вкладывают в понятие "самоорганизация" все
исследователи, занятые решением проблем хемо- и биогенеза.
Можно заметить, что еще в 1971 г. в наших (совместно с А.А. Печенкиным)
работах была представлена схема скоординированных понятий:
Оргоигоадяя** Поведение
Структурам Функция
Состав L* Свойства
После многократных обсуждений этой схемы среди специалистов,
занимающихся химическими системами в теории химической технологии,
теперь мы пришли к выводу о том, что координация понятий "состав"-
"структура"-"организация"-"самоорганизация" применительно к химии
должна быть отражена несколько видоизмененной схемой:
Самоорганизация * Поведение
Организация * Пронзвэдикльиость реактора
Структура * реакционнажжоаДносп,
Состав I* Свойства
Собственно, этим можно было бы и завершить выяснение смысла
понятия "самоорганизация", если бы был совершенно ясен вопрос о том,
как оценивать уровни упорядоченности материальных систем, или, что

76

одно и то же, - высоту их организации. Как было уже сказано, в биологии
применительно к живым системам этот вопрос представляется более
ясным, чем в химии, хотя при этом нельзд не вспомнить замечания
Дарвина о том, что почти безнадежной является попытка сравнивать
высоту организации разных типов, например пчелы и каракатицы. Еще
более безнадежными оказались попытки биохимиков найти мерило высоты
организации химических соединений в их отношениях к "лаборатории
живого организма" путем спуска по построенной ими лестнице вниз от
биополимеров до метана.

Но теперь, после того как выяснена ничтожная вероятность обратного
движения вверх по той же лестнице - от метана до биополимеров, а
вероятность эта оценивается чудовищно малой величиной (Ю-*-Ю-T), -
химики сами проявили интерес к эволюционной систематике своих
объектов. И сегодня можно считать, что решение вопроса об иерархии
химических систем поставлено на строгие научные основания.
Во-первых, здесь хотелось бы сказать о пионерских работах в этом
направлении Ю.А. Жданова. Являясь активным поборником введения
принципа историзма в химию, Ю.А. Жданов еще с 50-х годов раз
рабатывает вопросы химической эволюции [см. (11, 12, 14, 15, 16)] и, в
частности, определения высоты химической организации веществ. В 60-х
годах он предложил применять два параметра для оценки структурного и
энергетического уровней органических соединений [см. (13, с. 38-72)].
Один из них - информационная емкость соединения в расчете на один
атом (1). Этот параметр не зависит от величины и сложности молекулы и
служит объективным критерием структурных богатств как одного со
единения, так и всего класса (углеводы, аминокислоты, терпеноиды,
нуклеиновые кислоты, стероиды, алкалоиды). В качестве энергетического
параметра Ю.А. Ждановым выбрана средняя степень окисления атома
углерода в молекуле; она характеризует электронное окружение атома и
отражает соотношение в органическом соединении противоположных
тенденций к спонтанному окислительно-восстановительному диспропорциониров
анию. Эта величина выявляет отношение данного соединения к
всеобщей среде живого - воде, взаимодействие с которой даже в от
сутствие окислителей может привести одни органические соединения к
окислению, другие - к восстановлению.
Оба параметра Жданова коррелируются с биохимическими функциями
соединений разных классов в организме и проливают свет на некоторые
общие закономерности "поведения" добиологических химических систем в
образовании биосистем различных эволюционных периодов и разной
высоты организации (см. (Там же)].
Во-вторых, сегодня вопрос об оценке уровней химической организации
вещества можно решать уже не только посредством создания отдельных
моделей иерархии химических систем, - даже и таких, которые имеют со
лидное обоснование, но путем выявления общих закономерностей хими
ческой эволюции, позволяющих получить решение данного вопроса в ка
честве вывода или следствия. В таком случае модель иерархии химичес
ких систем перестанет играть роль произвольной конструкции, задающей
схему решения всей проблемы хемогенеза. Она будет находиться в

77

органическом единстве с решением всех других вопросов химической
эволюции. Путь к этому - та теория химической эволюции и биогенеза,
которая разработана в школе А.А. Баландина.
О том, как конкретно в этой теории решается вопрос об оценке
уровней химической организации вещества, будет сказано ниже. Здесь же
можно пока ограничиться априорным сообщением о том, что результаты
решения этого вопроса в данной теории во многом коррелируются с
результатами, полученными Ю.А. Ждановым, а в ряде случаев и с посту
латами актуалистических теорий биогенеза. Во всяком случае, сегодня
общие и далеко не всегда определенные представления о беспорядке,
порядке и процессах перехода химических систем на более высокие уровни
упорядоченности приобрели конкретные формы и содержание. А это дает
возможность направленно, более осознанно и адекватно оперировать в
химии понятием "самоорганизация".
7. Теория химической эволюции А.П. Руденко
Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем,
в самом общем виде выдвинутая А.П. Руденко в 1964 г. 1см. (39)] и в
развернутой форме появившаяся в 1969 г. [см. (40)], может быть названа
общей теорией химической эволюции потому, что она представляет собой
поистине унитарную теорию хемо- и биогенеза. В ней осуществлен синтез
рациональных сторон субстратного и функционального подходов. Она ре
шает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного
процесса, т.е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и
структур и их причинной обусловленности, о высоте химической органи
зации и иерархии химических систем как следствии эволюции.
Уже только поэтому она, - и пока только она, - может служить
основанием эволюционной химии как нового уровня развития химических
знаний, возвышающегося над тремя низлежащими уровнями, в том числе
учением о химическом процессе. Важно отметить особенности объекта
эволюционной химии. К ним относятся: во-первых, совершенно свое
образные химические процессы, характеризующиеся самоорганизацией, и,
во-вторых, столь же специфическая субстанциональная основа - не
молекулы или их совокупности, т.е. не обычные химические соединения в
привычном смысле этих слов, а целостные полимолекулярные открытые
химические системы, взаимодействующие с факторами внешней среды и
потому обладающие динамическими эволюционными свойствами. Эти
свойства представляют собой высшие формы химизма, характеризую
щиеся не столько перераспределением электронов межатомных связей
(что составляет основу всякого химического превращения),

А С А-С
1 1 *
В D В-D
сколько тенденциями к образованию все более высоких форм химической
организации, преемственностью эволюционных изменений и единством
дискретности и непрерывности этих изменений во времени.

78

Эмпирические основания теории
О побудительных мотивах появления идей о саморазвитии открытых
каталитических систем было сказано ранее. Здесь хотелось бы подчерк
нуть то обстоятельство, что этими мотивами являются научные открытия
поистине революционного значения.
В классической химии катализаторами называют вещества, изменяю
щие скорость реакции, но не изменяющие своего состава и состояния.
Давно известно, однако, что такое определение катализаторов является
идеализацией [см. (21)]. Вся история каталитической химии свидетельст
вует об изменениях состава и структуры катализаторов, об их отравле
нии, дезактивации и необходимости регенерации или полной замены.
Открытие А. Гуотми и Р. Каннингемом [см. (9)] целой серии случаев
самосовершенствования катализаторов под влиянием базисной реакции
было первым указанием не только на необходимость коренного изменения
взглядов на сущность катализа, но, главное, на принципиально новый в
науке эмпирический факт саморазвития химической системы. Много
летняя практика органического синтеза давала возможность получения
сколь угодно сложных соединений из самых простых. Но она указывала
при этом лишь на возможности человека, осуществляющего синтез, ис
тория химии не знала ни одного факта, свидетельствующего о том
саморазвитии химических реагентов в органическом синтезе, которое по
стулируется актуалистическими теориями химической эволюции. История
каталитической химии предоставила подобные факты саморазвития, но не
реагентов, а катализаторов.
Сквозь лупу мультиплетной теории катализа, развиваемой А.А. Бал
андиным и касающейся изменений состава и структуры гетерогенных
катализаторов в ходе реакций, А.П. Руденко рассмотрел множество слу
чаев саморазвития каталитических систем, так или иначе описанных раз
личными исследователями. С обобщения этих случаев и началось создание
"теории эволюционного катализа", а вместе с тем и теории хемо- и
биогенеза (см. (39)].
Теоретические основания выводов
о саморазвитии каталитических систем
Теория А.П. Руденко строилась на основе обобщения материала как
фактического, так и теоретического, составляющего учение о катализе.
Очевидно, можно считать, что главной исходной позицией при разработке
этой теории были положения мультиплетной теории А.А. Баландина,
основные из которых сводятся к следующему:
катализ может быть только положительным, т.е. катализаторы уве
личивают скорость реакции;
катализаторы способны ориентировать реакцию в одном из ряда
возможных направлений;
катализаторы химически взаимодействуют с реагентами и в соот
ветствии со структурными и энергетическими принципами образуют про79
межуточный (мультиплетный) комплекс, обладающий свойствами пере
ходного состояния.
А.П. Руденко называет такой промежуточный комплекс элементарной
каталитической системой, что с позиций системного анализа является
вполне правомерным: все элементы этого комплекса - атомы (ядра) ин
дексных групп реагентов, связанные с ними сложные радикалы реагентов,
атомы катализаторов - в целом представляют собой ядерно-электронный
комплекс, образованный посредством химических связей различных и при
этом изменяющихся электронных зарядов. Естественно, что такой комп
лекс, подобно всякому переходному состоянию существует в форме
непрерывно изменяющихся конфигураций на некотором малом отрезке
пути реакции. Поэтому время его существования определяется величи
ной, имеющей характер дифференциала. Однако в ходе каталитических
реакций, сопровождающихся постоянным притоком извне новых порций
реагентов и отводом готовых продуктов, происходит многократное
возобновление комплексов, и они, по выражению А.П. Руденко, при
обретают статус элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС)
[см.(41)].

Основные положения теории
В модели ЭОКС, предложенной А.П. Руденко, нашли отражение все
основные представления классического учения о катализе, и в частности
только что названные выше. Это утверждение можно считать, пожалуй,
первым положением его теории, - причем положением важным и прин
ципиальным, потому что оно характеризует прочность фундамента, на
котором воздвигается здание теории.
Из этого первого положения вытекает второе: указание на особый,
динамический тип устойчивости ЭОКС, что находит количественное вы
ражение через интенсивность обмена веществ и энергии базисной реак
ции, равной произведению активности центра катализа - -а на элемен
тарное химическое средство базисной реакции -f. Отсюда следует, что
условиями существования ЭОКС должны быть: 1) экзэргонический
характер базисной реакции, т.е.*" О; 2) невозможность ее протекания без
катализатора и активность последнего выше нуля а* О; 3) постоянный
приток реагентов и удаление продуктов реакции; 4) постоянная тем
пература, поддерживаемая выделением тепла базисной реакции, с одной
стороны, и рассеиванием избытка энергии не использованного ЭОКС, с
другой. При сохранении всех этих условий неизмененными ЭОКС спо
собна динамически существовать неограниченное время, находясь на
одном стационарном уровне. При нарушении этих условий под воз
действием случайных факторов среды возможны три варианта изменений
ЭОКС: 1) под влиянием некоторых факторов, например облучения и, 1)
или *-частицами, может произойти изменение кинетики реакции; но ввиду
того что эти факторы не затронут катализатор, система вновь воз
вратится к прежнему стационарному уровню после прекращения внешнего
воздействия; 2) под влиянием других факторов, например примесей к

80

реагентам, может произойти изменение состава и (или) структуры ката
лизатора, что вызовет падение активности a-i " а) или даже az = О; это
случай частичного или полного отравления катализатора; 3) под влиянием
тех же факторов катализатор может увеличить активность - а* * л), т.е.
произойдет его промотирование и подъем ЭОКС на более высокий
уровень стационарности.
Как подчеркивает А.П. Руденко, события (2) и (3) равновероятны. Но
навстречу статистическому фактору идет кинетический фактор: только в
случае (3) при д2 * at интенсивность базисной реакции возрастает, час
тота каталитических актов в единицу времени nit увеличивается. А это
неизбежно приводит к увеличению вероятности цепи прогрессивных
изменений центра катализа И*нр по отношению к вероятности цепи
регрессивных изменений Ире,* за один и тот же промежуток времени и при
одной и той же вероятности единичных событий: И/,,р/Ир"р * 1.
Таким образом, А.П. Руденко приходит к выводу о том, что в процессе
саморазвития ЭОКС происходит естественный отбор тех центров
катализа, которые обладают наибольшей активностью; на них все более
сосредоточивается базисная реакция. Те же центры, изменение которых
связано с уменьшением активности (а) " а*, постепенно выключаются из
кинетического континуума, "не выживают". При многократных после
довательных необратимых изменениях ЭОКС переход на все более
высокие уровни стационарности сопровождается эволюцией механизма
базисной реакции за счет как изменений состава и структуры ка
тализаторов, функционировавших в начале реакции, так и дробления
химического процесса на элементарные стадии и появления новых
катализаторов этих стадий. Эти новые катализаторы появляются не за
счет захвата их из внешней среды, а за счет изменения конституционной
сферы ЭОКС. Следовательно, в обоих случаях имеет место увеличение
высоты химической организации катализаторов. "При этом, - подчер
кивает А.П. Руденко, - в ЭОКС не просто появляются катализаторы
новых стадий, но и системы их синтеза, и системы запоминания этих
изменений, связанные в единое целое со всеми другими системами
кинетического континуума и обеспечивающие новый наследственный
порядок функционирования ЭОКС после совершения каждого эво
люционного превращения... Следовательно, саморазвитие механизма ба
зисной реакции происходит по принципу дробления, усложнения и
постепенного совершенствования элементарных стадий с сохранением
генеалогической преемственности и цельности ЭОКС..." [41, с. 396].
Для описания химической эволюции А.П. Руденко использует, как он
сам говорит, "четыре феноменологических принципа развития, выводимых
из сути самого явления" (Там же]. Принципы эти следующие.

1. Вероятностный, или статистический, о котором частично было уже
сказано выше. Он связывает возможность эволюции с вероятностью из
менения природы ЭОКС Низы под влиянием внешней среды. Если Wwim =
= О, то катализ протекает идеально без изменения катализаторов. Если
H/h3m= 1, то катализатор становится реагентом. Реальный же катализ
характеризуется неравенством О " Wnyh " 1. А это означает, что одной из
6. Концепция самоорганизации... 81
основ саморазвития каталитических систем должен быть статистический
фактор.
2. Кинетический принцип, связывающий возможность эволюции с из
менением абсолютной каталитической активности и указывающий на то,
что при а = О эволюция невозможна.
3. Термодинамический принцип, указывающий на возможность само
организации и длительной эволюции ЭОКС при ее эндергоническом ха
рактере за счет способности базисной реакции производить в системе
полезную работу, направленную против равновесия, т.е. на создание
устойчивого неравновесия ЭОКС, которое только и является основным
условием и формой существования саморазвивающихся химических
систем.
4. Информационный, или генетический принцип, согласно которому
саморазвитие элементарных открытых каталитических систем выража
ется в непрерывном нарастании объема и запоминания эволюционной ин
формации в необратимых физико-химических изменениях ЭОКС, в из
менении наследственного порядка их функционирования.
Названные принципы, собственно, можно воспринимать как зако
номерности, характеризующие возможность химической эволюции. На их
основе А.П. Руденко сформулировал основной закон эволюции ЭОКС,
согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются
те пути эволюционных изменений, на которых происходит максимальное
увеличение абсолютной каталитической активности - а. Именно в этом
законе содержатся указания на причины и движущие силы химической
эволюции, протекающей в форме саморазвития ЭОКС, на ее направ
ленность в сторону увеличения высоты их химической организации и,
наконец, на ее механизм - естестаенный отбор той все более высоко
организованной вещественной основы, которая несет с собой увеличение
абсолютной каталитической активности, а вместе с нею и увеличение
вероятности цепи прогрессивных изменений катализаторов. А.П. Руденко
всюду для пояснения существа его теории прибегает к математическим
методам, посредством которых он показывает, в частности, как может
быть развернута формулировка основного закона химической эволюции и
какую роль отводит этот закон различным факторам, обусловливающим
направленность и механизм эволюции.
Основной закон эволюции ЭОКС, по Руденко, "имеет вероятностный
характер и проявляется тем более заметно, чем больше стадий эво
люционных изменений проходит система" [41, с. 399]. Но вместе с тем его
вероятностный характер неотделим от других сторон процесса само
развития ЭОКС, с 'которыми связана определяющая роль кинетических,
термодинамических и информационных факторов. Особое внимание в
теории саморазвития ЭОКС уделено термодинамическим факторам, а
точнее, энергетической стороне эволюционного процесса, которой посвя
щены специальные работы (см. (15, 41)].
"Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение ЭОКС... происхо
дят за счет постоянного потока трансформируемой в ЭОКС энергии. А
так как основным источником энергии является базисная реакция, то мак
симальные эволюционные преимущества получают ЭОКС, развивающи82
сея на базе реакций с самым большим сродством (экзотермические реак
ции). Этим обеспечивается возможность отбора эволюционных процессов
по виду базисной реакции и типу основного метаболизма ЭОКС" [41].
Базисная реакция является, таким образом, не только источником
энергии, необходимой для полезной работы в системе, которая направлена
против равновесия, но и орудием отбора наиболее прогрессивных
эволюционных изменений ЭОКС. И хотя этот отбор определяется
количественными параметрами эволюционных изменений, и в первую
очередь величиной абсолютной каталитической активности, от которой
всецело зависит скорость базисной реакции, он служит предпосылкой
отбора качественной вещественной основы химической эволюции, т.е.

отбора элементов, структур и надмолекулярных образований. Таким об
разом, знание механизма отбора, определяемого основным законом эво
люции, дает исчерпывающее объяснение хемогенезу веществ строго
определенного состава, строения, оптической активности, определенной
очередности мономерных фрагментов в высокоорганизованных полимерах
с определенным комплексом физико-химических свойств.
Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд
важных следствий.
Первое из них - общая классификация этапов химической эволюции, а
на ее основе - классификация катализаторов по уровню их организации. В
самом общем виде эта последняя классификация может быть пред
ставлена следующим рядом катализаторов с последовательным повы
шением уровня организации: кристаллы, близкие к идеальным, -"
реальные кристаллы после раскристаллизации -" реальные кристаллы с
включением примесей из сферы реакций -" твердые кристаллы с
хемосорбированными комплексами -" гомогенные каталитические
системы, в том числе металлоорганические, металлокомплексные
катализаторы стереоспецифического действия -" микрогетерогенные и
коллоидные системы.
Второе важное следствие - принципиально новый метод изучения ка
тализа как динамического явления, связанного с изменением катализа
торов в ходе реакций.
И, наконец, третье следствие теории - конкретная характеристика пре
делов химической эволюции и перехода от хемо- к биогенезу в результате
преодоления так называемого второго кинетического предела саморазви
тия каталитических систем.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Арбузов А-Е. Химия, ее пути и цели 11 Уч. зал. Казанского ун-та. 1930. Кн. 3/4. С. 277295.
2. Аррениус С. Количественные законы в биологической химии. М.: Л., 1925.
3. БерналДж. Возникновение жизни. М., 1969.
4. Биокатализ: История моделирования опыта живой природы 1 Ред. И.В. Березин,
В.И. Кузнецов. М., 1984.
5. Борее/сои Г-К., Яйлонский Г-С. Эволюция представлений о закономерностях кинетики
реакций гетерогенного катализа 11 ЖВХО им. Д.И. Менделеева, 1977. Т. 22. К 5.
С. 556-561.
6. Вольпин М.Е., Моисеев И-И., Шили" А-Е. Металлокомплексный катализ в химии и
химической промышленности 11 Там же. 1980. Т. 25, ь 5. С. 5 15-524.

83

Закладка в соц.сетях