Жанр: Электронное издание
55_83
...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?
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
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
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.
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
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 ес
Закладка в соц.сетях
