Химия в жизни человека

Химия в жизни человека 

Значение химии  в жизни человека трудно переоценить. Приведём фундаментальные области, в которых химия оказывает  своё созидательное воздействие  на жизнь людей. 

  1. Возникновение и развитие жизни человека невозможно без химии. Именно химические процессы, многие тайны которых учёные ещё не раскрыли, ответственны за тот гигантский переход от неживой материи к простейшим одноклеточным, и далее к вершине современного эволюционного процесса - человеку. 

  2. Большинство материальных потребностей, возникающих в жизни человека, обслуживается природной химией или получает удовлетворение в результате использования в производстве химических процессов. 

  3. Даже возвышенные и гуманистические устремления людей в своей основе опираются на химию человеческого организма, и, в частности, сильно зависят от химических процессов в мозге человека.

Конечно же, всё  богатство и разнообразие жизни  нельзя свести только к химии. Но наряду с физикой и психологией, химия  как наука, представляет собой определяющий фактор развития человеческой цивилизации.

Химия жизни

Насколько сейчас известно, наша планета образовалась приблизительно 4.6 миллиарда лет  назад, а простейшие ферментирующие одноклеточные формы жизни существуют 3.5 миллиарда лет. Уже 3.1 миллиарда  лет они могли бы использовать фотосинтез, но геологические данные об окислительном состоянии осадочных  отложений железа указывают, что  атмосфера Земли приобрела окислительный  характер лишь 1.8-1.4 миллиарда лет  назад. Многоклеточные формы жизни, которые, по-видимому, зависели от изобилия энергии, возможного только при дыхании  кислородом, появились на Земле приблизительно от миллиарда до 700 миллионов лет  назад, и именно в то время наметился  путь дальнейшей эволюции высших организмов. Наиболее революционным шагом, после  зарождения самой жизни, было использование  внеземного источника энергии, Солнца. В конечном итоге, именно это превратило жалкие ростки жизни, которые использовали случайно встречающиеся природные  молекулы с большой свободной  энергией, в огромную силу, способную  преобразовать поверхность планеты  и даже выйти за её пределы.

 
 Первые живые организмы получали энергию, разлагая молекулы небиологического происхождения с большой свободной энергией на меньшие молекулы без их окисления. Предполагается, что на ранней стадии существования Земли она имела восстановительную атмосферу, состоящую из таких газов как водород, метан, вода, аммиак и сероводород, но содержащую очень мало свободного кислорода или вообще его не имевшего. Свободный кислород разрушал бы органические соединения быстрее, чем они могли синтезироваться в результате естественно протекающих процессов (под воздействием электрического разряда, ультрафиолетового излучения, теплоты или естественной радиоактивности). В этих восстановительных условиях органические молекулы, которые образовались небиологическими способами, не могли разрушаться в результате окисления, как это происходит в наше время, а продолжали накапливаться в течении тысячелетий, до тех пор, пока, наконец, не появились компактные локализованные образования из химических веществ, которые можно уже считать живыми организмами. 
Появившиеся живые организмы могли поддерживать существование за счёт разрушения естественно образующихся органических соединений, поглощая их энергию. Но если бы это был единственный источник энергии, то жизнь на нашей планете была бы крайне ограниченной. К счастью, около 3 миллиардов лет назад появились важные соединения металлов с порфиринами, и это открыло путь к использованию совершенно нового источника энергии – солнечного света. Первым шагом, который поднял жизнь на Земле над ролью простого потребителя органических соединений, было включение в неё процессов координационной химии.

По-видимому, перестройка  явилась побочным следствием появления  нового способа запасания энергии  – фотосинтеза*, – который давал  его обладателям огромное преимущество над простыми ферментативными поглотителями  энергии. Организмы, в которых развилось  это новое свойство, могли использовать энергию солнечного света для синтеза своих собственных энергоёмких молекул и уже не зависеть от того, что находится среди их окружения. Они стали предшественниками всех зелёных растений. 
Сегодня все живые организмы можно подразделить на две категории: те, которые способны изготовлять свою собственную пищу при помощи солнечного света, и те, которые не имеют такой возможности. Некоторые нынесуществующие бактерии сегодня являются живыми ископаемыми, потомками тех древних, способных к ферментации анаэробов, которые отступили в редкие анаэробные области мира, когда атмосфера в целом накопила большие количества свободного кислорода и приобрела окислительный характер. Поскольку организмы второй категории существуют за счёт  поедаемых ими организмов первой категории, накопление энергии посредством фотосинтеза является источником движущей силы для всего живущего на Земле.

Общая реакция  фотосинтеза в зелёных растениях  обратна реакции сгорания глюкозы  и проходит с поглощением значительного  количества энергии.  

                                           6 CO₂ + 6 H₂O --> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂  

Вода расщепляется на элементы, что создаёт источник атомов водорода для восстановления углекислого газа в глюкозу, а  нежелательный газообразный кислород выделяется в атмосферу. Энергия, необходимая  для осуществления этого в  высшей степени несамопроизвольного  процесса, обеспечивается солнечным  светом. В наиболее древних формах бактериального фотосинтеза в качестве источника восстановительного водорода использовалась не вода, а сероводород, органические вещества или сам газообразный водород, но лёгкая доступность воды сделала этот источник наиболее удобным, и в настоящее время он используется всеми водорослями и зелёными растениями. Простейшими организмами, в которых осуществляется фотосинтез с высвобождением кислорода, являются сине-зелёные водоросли. Их правильнее обозначать современным названием  цианобактерии, поскольку это, в  самом деле бактерии, научившиеся  добывать собственную пищу из углекислого  газа, воды и солнечного света.

К сожалению, фотосинтез приводит к высвобождению опасного побочного продукта, кислорода. Кислород был не только бесполезен для ранних организмов, он конкурировал с ними, окисляя естественно образующиеся органические соединения прежде, чем  они могли быть окислены в процессе метаболизма этими организмами. Кислород представлял собой гораздо  более эффективный «пожиратель» энергоёмких соединений, чем живая  материя. Ещё хуже было то, что слой озона, который постепенно образовывался из кислорода в верхней части атмосферы, преграждал доступ ультрафиолетовому излучению Солнца и ещё более замедлял естественный синтез органических соединений. Со всех современных точек зрения, появление свободного кислорода в атмосфере представляло собой угрозу для жизни. 
Но, как часто случается, жизнь сумела обойти это препятствие и даже обратила его в преимущество. Отходами жизнедеятельности первичных простейших организмов были такие соединения, как молочная кислота и этанол. Эти вещества намного менее энергоёмки по сравнению с сахарами, но они способны высвобождать большое количество энергии, если полностью окисляются до СО₂ и Н₂О. В результате эволюции возникли живые организмы, способные «фиксировать» опасный кислород в виде Н₂О и СО₂, а взамен получать энергию сгорания того, что прежде было их отходами. Преимущества сжигания пищи с помощью кислорода оказались столь велики, что подавляющее большинство форм жизни – растения и животные – пользуются в настоящее время кислородным дыханием.      

Когда появились  новые источники энергии, возникла новая проблема, связанная уже  не с получением пищи или кислорода, а с транспортировкой кислорода  в надлежащее место организма. Малые  организмы могли обходиться простой  диффузией газов через содержащиеся в них жидкости, но этого недостаточно для многоклеточных существ. Так  перед эволюцией возникла очередная  преграда. 
Выход из тупика в третий раз оказался возможен благодаря процессам координационной химии. Появились такие молекулы, состоящие из железа, порфирина и белка, в которых железо могло связывать молекулу кислорода, не окисляясь при этом. Кислород просто переносится в различные участки организма, чтобы высвободиться при надлежащих условиях – кислотности и недостатке кислорода. Одна из таких молекул, гемоглобин, переносит О₂ в крови, а другая, миоглобин, получает и запасает (хранит) кислород в мышечных тканях до тех пор, пока он не понадобится в химических процессах. В результате появления миоглобина и гемоглобина были сняты ограничения на размеры живых организмов. Это привело к появлению разнообразных многоклеточных, и, в конечном итоге, человека.

*    Фотосинтез – это процесс преобразования энергии света в энергию химической связи получающихся веществ.

**  Метаболизм – расщепление богатых энергией веществ и извлечение их энергии. 
 

Химия как зеркало жизни  человека.

Оглянитесь вокруг, и Вы увидите, что жизнь современного человека невозможна без химии. Мы используем химию при производстве пищевых  продуктов. Мы передвигаемся на автомобилях, металл, резина и пластик которых  сделаны с использованием химических процессов. Мы используем духи, туалетную  воду, мыло и дезодоранты, производство которых немыслимо без химии. Есть даже мнение, что самое возвышенное  чувство человека, любовь, это набор  определённых химических реакций в  организме.  
     Такой подход к рассмотрению роли химии в жизни человека, является, на мой взгляд, упрощённым, и я предлагаю Вам его углубить и расширить, перейдя в совершенно новую плоскость оценки химии и её влияния на человеческое общество.  

  Относительно недавно человек понял, что сознательное подражание природе в технике может дать великолепный результат. Скопировав крыло птицы, мы создали самолёт. Рассмотрев способ передвижения червя, получили гусеницы трактора. Внимательнее приглядевшись к движениям кожи дельфинов и акул, смогли значительно увеличить скорость торпеды, при её движении в воде. Таких примеров можно привести ещё много, а ещё больше их станет, если мы чаще будем применять этот подход.

А что же химия? Неужели она, являясь на самом  деле более «тонкой» и глубокой наукой, по сравнению с механикой макрообъектов, не даст нам никаких намёков и  подсказок, рассмотрев которые, человек  сделал бы очередной шаг в своём  развитии. Оказывается, такие подсказки  есть, просто их никто ещё не пытался  найти и использовать. И оказалось, что эти подсказки касаются более  высокой области, чем даваемые механикой.  

   Мир людей богат и разнообразен, но всё же поведение каждого человека в отдельности, и устойчивых человеческих групп или общностей, можно свести к определённому набору качеств. И здесь мы можем провести аналогию между атомом и человеком. Действительно, хотя количество различных атомов и ограничено, они могут располагаться в молекулах совершенно различными способами и на самом деле взаимодействовать по-разному, в зависимости от того, с чем приходится вступать в реакцию. Таков и человек. 

   Теперь дадим сравнение свойств атома (с точки зрения химии) и человека ( с точки зрения человеческих взаимоотношений).

Самыми активными  являются атомы щелочных металлов. Их отталкивающая защита из электронов мала и слаба, но зато они могут  взаимодействовать практически  со всеми химическими элементами. Человек такого типа, тоже может  прекрасно общаться  и уживаться с другими людьми. Но он потеряет при этом свою индивидуальность. Ведь и щелочные металлы не встречаются в чистом виде в природе, а находятся только в виде соединений. 

   С другой стороны инертные газа создают вокруг себя непреодолимый барьер из восьми электронов, и надо создать особые условия, чтобы заставить их вступить в реакцию. Так и люди. Отгораживаясь от всего мира, человек или общество, теряет способность к изменениям и к развитию, потому что взаимодействие – это взаимное действие. В его процессе изменяются обе стороны. 

   И наконец, идеал мира химических элементов – углерод. В этом элементе гармонично сочетаются защищённость (4 электрона) и открытость (4 вакансии). Причём распределение электронов может достаточно легко изменяться, не требуя больших энергетических затрат. Углерод способен образовать двойные и тройные связи, взаимодействуя с себе подобными.

В поисках идеала человека мы должны использовать эту  информацию. Проявляя в своём поведении  разумный компромисс между отстаиванием своих интересов (защита) и учётом мнения оппонента, изменяя слегка свои подходы к решению проблем, как  атом углерода в процессе реакций  изменяет расположение своих электронов и вакансий, мы продвинемся в деле получения результатов значительно  дальше, чем, если бы сохраняли свою позицию неизменной. 

   С учётом того, что такой подход может быть применён большим количеством людей, то они, как одинаковые атомы углерода, смогут образовать прочные (двойные и тройные) связи. Тоже самое можно сказать и в отношении человеческих общностей (небольших групп, общественных объединений и целых государств).

Развивая эту  мысль можно предположить, что  наиболее перспективным путём развития человечества является направление, при  котором в обществе будет существовать большое разнообразие взглядов и  мнений, будет разрешено законом  значительное количество способов действия, но большинство людей будет обладать универсальностью, способностью понимать других людей и взаимодействовать  с ними, схожей с универсальность  атома углерода. При таких условиях жизнь общества будет гармоничной  и стабильной.

Пример водорода, в этом вопросе также очень  показателен. Сократите сферу своего влияния (или уменьшите область  своих запросов) и Вы, подобно  атому водорода, сможете взаимодействовать  и объединяться со значительно большим  числом людей (элементов).

Итак, резюмируя всё  выше сказанное, отметим, что химия в  жизни человека может  стать путеводной звездой для гармоничного развития всего человеческого  общества.

Прикладные  вопросы влияния  химии на развитие жизни человека.

В предыдущей главе  мы осветили философский подход к  оценке химии в жизни человека. Это был, так сказать общий  взгляд. Здесь же мы рассмотрим роль химии и её влияние на жизнь  человека с позиций стратегии. 

  Если принять за главную цель существования человеческой цивилизации её гармоничное и всестороннее развитие, особенно в интеллектуальных вопросах, то встаёт вопрос, что на этом пути может сделать химия. Изучая поведение людей и особенно влияние на их поведение того, чем они питаются, можно сделать однозначное заключение. В натуральной здоровой пище содержатся вещества, которые могут не только повысить физическую отдачу организма, но и стимулировать его мозговую деятельность. Поэтому, применяя такую пищу в нужное время в нужных количествах, мы могли бы ускорить развитие человеческой цивилизации, не затрачивая на это больше ресурсов, чем сейчас. Такой подход является новой социальной инновацией, а, следовательно, роль химии в жизни человека возрастёт еще больше.

Необходимо провести крупномасштабные научные исследования в этой области и применить  их результаты в повседневной жизни. Ведь даже такое социальное зло, как  алкоголизм можно победить, грамотно используя «пищевой вопрос» в  отношении страдающих этим недугом  людей.