Концептуальные системы химии. IV

Т.И.Оранова

Светлой памяти моей бабушки
Татьяны Ивановны Кравченко
—посвящается.

IV.Химическая эволюция и биогенез

«Si les miracles existent, c'est que nous
ne connaissons pas la nature, et non pas
parce que cela est caract;ristique de celle-ci»
«Если чудеса и существуют,
то только потому, что мы
недостаточно знаем природу,
а вовсе не потому, что это ей
свойственно.»
Мишель Монтень. «Опыты»

«Важно не то, что строго,
а то, что верно».
А.Н. Колмогоров

Изложение построено на основе публикаций [1–3 ] с внесением необходимых изменений, не искажающих исходный смысл материала. Данный подход представляется автору наиболее релевантным для раскрытия заявленной темы. Он также позволил достичь краткости и информативности изложения.

На основе историко-методологического анализа развития научной химии
В.Н.Кузнецов установил, что существуют определенные закономерности этого развития.
Согласно В.И. Кузнецову, вся история химии укладывается в рамки развития и появления
новых концептуальных систем, представляющих собой совокупность законов, теорий,
взглядов, характеризующих уровень знания химического явления [4].
Развитие концептуальных систем по В.И. Кузнецову.
I –Учение о составе вещества(17-18века), II-Учение о структуре вещества (60-е гг. 19 века, III – Учение о реакциях( Конец 19 века ) ,IV-Учение о химической эволюции(60-70-е гг.20 века),V- Биология ИЖС.
ИЖС – искусственные живые системы.
От времени возникновения атомно-молекулярного учения, когда, собственно, и
возникла научная химия, до настоящего времени в химической науке четко выделяются
четыре концептуальные системы: учение о составе веществ, учение о структуре, учение о реакциях, учение о химической эволюции. В качестве основного критерия концептуальных систем выбран способ решения основной проблемы химии – проблемы генезиза свойств и реакционной способности, который и определяет переход от одной концептуальной системы к другой.
Длительное время центральной проблемой химизма было соотношение состава и
свойства, стремление объяснить все многообразные свойства химических соединений их
элементарным составом: состав • ***• свойства.
В последующий период центральным понятием химии стало строение (структура),
именно на его основе нашли свое объяснение разнохарактерные свойства много-численных химических соединений, был открыт путь к синтезу новых веществ.
Появление представлений о структуре привело к дифференциации понятия свойства с
выделением нового понятия – реакционной способности (р.с.), или более общей функции как производного, и от понятия структуры, и от понятия свойств.
Реакционная способность, в свою очередь, потребовала учета еще и кинетических
факторов, от которых она зависит, по меньшей мере, в такой же степени, как и от
структурных факторов. Категориальная схема при переходе к кинетическим теориям
дополняется понятием организации, которое, аналогично понятию структуры, является
атрибутом химической системы (но уже более сложной, чем молекула кинетической
системы).
Дальнейший переход к изучению и теоретическому описанию систем высшего уровня
организации, например, открытых самоорганизующихся каталитических систем, можно
предусмотреть на основе логического завершения этой схемы.

Теперь появилось новое понятие поведения, которое выражает нечто иное по
сравнению с понятиями свойств и реакционной способности. Именно с этим связаны
проблемы химии, лежащие в основе четвертой концептуальной системы. Она исследует
вопрос о поведении сложных предбиологических систем, об уровнях их организации.
Узловым вопросом здесь в настоящее время является детерминация поведения систем
в зависимости от их организации.
Каждая концептуальная система подготавливается всем предыдущим развитием
химии и основывается на всех предыдущих системах. Относительно новое учение о химической эволюции (IV концептуальная система) возникло на базе современных представлений химической кинетики, термодинамики и катализа (относятся к III системе), а именно: теорий активированного комплекса или переходного состояния, термодинамики необратимых процессов и эволюционного катализа.
Истоки этой новой концептуальной системы находятся все же непосредственно в
каталитической химии. Работы Гуотми, Каннигема, Борескова и многих других заложили эмпирические основания идей самоприспособления или самодвижения состава и структуры катализаторов в сторону повышения уровня организации. Теоретическую интерпретацию этих идей дал А.П. Руденко в разработанной им теории саморазвития открытых каталитических систем [5].
Из схемы видно, что эта концептуальная система, являясь предпосылкой
фундаментального объяснения механизма биогенеза, представляет собой своего рода
верхнюю границу химии (границы справа нет), при которой она себя исчерпывает в
отношении дальнейшего развития собственных концептуальных систем. Она создает
научно-теоретическую и экспериментальную базу для обоснования биологических
закономерностей, построения теоретической биологии.

Главная проблема современного естествознания – вопрос о происхождении жизни
непосредственно связана с химической эволюцией. Эволюция химических неравновесных
систем представляет собой путь, ведущий к пространственной, временной и
пространственно-временной упорядоченности. В данном параграфе мы попытаемся
рассмотреть принципы возникновения, развития и самоорганизации химических систем и выделить те признаки, которые усиливаются и начинают доминировать по мере
приближения химических систем к биологическим.

В основе химической и биологической эволюции лежит морфогенез, т.е.
направленное развитие структур. Под химической эволюцией обычно понимают
происхождение и прогрессивное развитие химической организации вещества в целом, во всех ее проявлениях.

Химическая организация вещества по Кузнецову может выступать:
1) в форме дальтонидных соединений;
2) в форме бертоллидных соединений;
3) в форме переходного состояния или активированного комплекса.
Ю.А. Жданов определяет химические вещества как дискретные точки в континууме
переходных состояний.
Исходя из этого, различают два аспекта химической эволюции:
1) молекулярно-структурный;
2) функциональный (кинетический).
Молекулярно-структурная эволюция
В этом случае в результате обобщения различных подходов к химической эволюции
(геохимического, космохимического, биогеохимического и биохимического)
разрабатывают схемы эволюционной иерархии, которые указывают на различные
направления развития вещества.
Химическая эволюция в направлении живого в молекулярно-структурном аспекте
представляется в виде стадий:
I – простейшие неорганические и органические вещества (H2O, CO2, CO, CH4, NH3,
HCN, CH2O, H3PO4, H2S и др.);
II – малые биомолекулы или мономеры (аминокислоты, пурины, пиримидины,
карбоновые кислоты, спирты, моносахариды и др.);
III – сложные органические вещества и биополимеры (белки, нуклеотиды,
полисахариды, липиды и др.);
IV – надмолекулярные комплексы биополимеров;
V – живая клетка (или внеклеточные организмы – вирусы).

В опытах по биогенезу было показано, что почти все молекулярные составляющие
живого вещества могут быть синтезированы абиогенно из простейших веществ с
привлечением реальных для условий первичной Земли источников нехимической энергии
(ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов, радиоактивных излучений, тепла
вулканических извержений, ударных волн и пр.).
То есть период химической подготовки – период интенсивных и разнообразных
превращений, о которых можно лишь строить осторожные гипотезы, сменился периодом
биологической эволюции.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. В пределах общего направления химической эволюции выделяется главное, или
магистральное, ведущее от уровня химических элементов к живой материи. Все остальные
направления можно отнести к побочным или тупиковым направлениям.

2. Направленность химической эволюции отчасти заключена в самом химическом –
отборе элементов и структур, которые обладают наибольшей сложностью, т.е. имеют
наибольшие эволюционный потенциал, информационную емкость и интегративную
способность (см. далее), и отчасти обусловлена средой.

3. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые обеспечивали наиболее совершенные виды связей (В том числе и обратной связи. Здесь имеется в виду не только химическая связь, но и всякая иная, обеспечивающая взаимоотношения между системами, подсистемами и элементами систем) и регулирования.
Последовательность форм эволюции вещества.
Первой и наиболее простой из этих структур можно назвать различные фазовые
границы. Они служили основой химической и физической адсорбции, которая:
а) вносила элементарное упорядочение во взаимное расположение частиц;
б) увеличивала концентрацию последних;
в) служила фактором появления каталитического эффекта.
Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечивающие процессы
переноса электронов и протонов. Сюда относят полупроводниковые цепи и структуры,
ответственные за так называемое трансгидрирование, или перенос водорода. Этот тип
структурных фрагментов связан с необходимостью привлечения углерода, а также других органогенов, способных образовывать двойные связи и служить донорами и акцепторами электронов. Эти группировки также служат началом окислительно-восстановительного или кислотно-основного катализа. Поясним, что к элементам-органогенам относят C, H, O, N, P,S, общая массовая доля которых в организмах составляет 97,4 %. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важныхкомпонентов биосистем: Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co. Их массовая доля в организмах равна примерно 1,6 %. Вместе с тем полагают, что в живых организмах могут присутствовать почти все химические элементы. Так, в сыворотке крови человека в концентрациях от 10–4 мг/мл и выше было обнаружено 76 элементов (анализ на инертные газы и большинство актиноидов не проводился).
Третий структурный фрагмент, необходимый для эволюционирующих систем, – это
группировки, ответственные за энергетическое обеспечение. Сюда входят окси-оксогруппы, фосфорсодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями.
Высказывалось предположение, что эти структурные единицы тоже выполняют роль
катализатора по отношению к ряду реакций, но, скорее всего, их назначение состоит в снятии термодинамических запретов путем сопряжения реакций диспропорционирования и разрушения макроэргических связей с ферментативными реакциями.
Следующим фрагментом эволюционирующих систем является уже развитая
полимерная структура типа РНК или ДНК, выполняющая ряд функций, свойственных
перечисленным структурам, и главное – роль шаблона или каталитической матрицы, на
которой осуществляется воспроизведение себе подобных структур.
Одним из очень важных структурных фрагментов биохимических систем служит
структура порфина, или точнее порфириновые структуры, уже содержащие металло-азотуглеродные связи. Известно, что порфириновые соединения, содержащие железо, магний, медь, цинк, кобальт, играют выдающуюся роль в качестве жизненно важных фрагментов.

Литература
1. Хапачев Ю.П., Дышеков А.А., Оранова Т.И., Шустова Т.И. Современная естественнно-научная картина мира Курс лекций. I - II части. Актуальные вопросы современного естествознания. Нальчик. 2017. Вып. 115. 130c.
2. Yurii Khapachev, Arthur Dyshekov, Tatyana Oranova and Tatyana Shustova. The Modern Natural Science Picture of the World.2020.P.113-115. Cambridge Scholars Publishing.
3.Ю.П.Хапачев, А.А.Дышеков, Т.И.Оранова, Т.И.Шустова Панорама современного естествознания. © Copyright: Юрий Хапачев, 2024.Свидетельство о публикации №224041801307  https://www.khapachev.com/
4.Кузнецов В.И.Диалектика развития химии.М.,Наука.1973.
5.Руденко А.П. Теория саморазвития открытых каталитических систем.М.,Изд-во МГУ.1969.