Эволюционная химия

Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов -- веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.    

В современной химии получило развитие также направление, принципом которого является энергетическая активация  реагента (то есть подача энергии извне) до состояния полного разрыва  исходных связей. В данном случае речь идет о больших энергиях. Это так называемая химия экстремальных состояний, использующая высокие температуры, большие давления, излучение с большой величиной энергии кванта (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение). К этой области относятся плазмохимия (химия на основе плазменного состояния реагентов), а также технологии, в которых активация процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков (элионные технологии).    

Химия экстремальных состояний позволяет получать вещества и материалы, уникальные по своим свойствам: композитные материалы, высокотемпературные сплавы и металлические порошки, нитриды, силициды и карбиды тугоплавких металлов, разнообразные по своим свойствам покрытия. Интересно, что «золотой» блеск и высокая коррозионная стойкость пленок нитрида титана позволили с успехом применить технологию его нанесения при изготовлении кровли куполов церквей взамен традиционной и дорогой технологии золочения.

6. Эволюционная концепция в химии    

Природа в процессе эволюции живых организмов создала своеобразные химические технологии необычайной эффективности. При изучении химизма живой природы биохимией и молекулярной биологией было установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и химическими методами. С другой стороны, было установлено, что в живых системах осуществляются такие типы химических превращений, какие никогда не обнаруживались в живом мире.    

Важнейшее значение в современной химии  придается проблеме поиска эффективных катализаторов для множества процессов химической технологии. Между тем, давно уже было установлено, что основой химии живого являются каталитические химические реакции, т.е. биокатализ. Химизм живой природы являлся идеалом для исследователей. «Подражание живой природе есть химизм будущего!» Этот девиз, который был высказан академиком А.Е.Арбузовым в 1930 г., является целеполагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.    

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи. Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах; биологов -- вещественная и функциональная основы жизнедеятельности; исследователи-медики пытаются выяснить биохимические границы между нормой и патологией в организме. Объединяет все эти работы концептуальное представление о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером в XIX в., остается основополагающей и сегодня.     

Изучив  принципы, заложенные эволюцией в  химизм живой природы, можно использовать их для развития химической науки  и технологии. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия. Ферменты -- это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, то есть в пределах примерно от 5 до 40° С. (Чтобы эти реакции протекали вне организма, потребовалась бы их активация за счет высокой температуры или иных факторов активации. Для живой клетки такие условия означали бы гибель.) Следовательно, ферменты можно определить как биологические катализаторы.Биокатализаторы обладают высокой селективностью (избирательностью) -- один фермент катализирует обычно только одну реакцию. По принципу биокатализаторов будут созданы искусственные катализаторы.     

Биокатализ  нельзя отделить от проблемы биогенеза (происхождения жизни), какой бы трудной она ни являлась. Задача изучения и освоения всего многообразия каталитических процессов в живой природе -- это пролог эволюционной химии. Уже обозначены основные подходы к освоению каталитического опыта живой природы.    

Проблемы  моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции, то есть установления закономерностей самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.    

Проблема  биологической самоорганизации (и  биологической эволюции) оказывается  самым непосредственным образом  связана с проблемой химической самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления -- эволюционной химии, понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».  
     

7. Сущность химической  эволюции    

Картина хемогенеза отчетливо свидетельствует  о своеобразном химическом «естественном отборе» веществ. Как уже отмечалось выше, на сегодняшний день известны 112 химических элементов, однако основу живых систем составляют только 6 из них, которые в связи в этим обстоятельством получили название органогенов. Это углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и cepa(S). Их общая весовая доля в живой материи составляет 97,4%. Еще 12 элементов (натрий, калий, кальций, алюминий, железо, магний, цинк и др.) составляют примерно 1,6%. Остальные слабо представлены в живой материи, то есть к участию в живой материи природа отобрала ограниченный набор элементов. К настоящему моменту науке известно всего около 8 000 000 химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96%) -- это органические соединения, основной «строительный материал» которых -- перечисленные выше элементы. Из остальных химических элементов природа создала лишь около 300 000 неорганических соединений.     

Резкая  диспропорция между громадным множеством органических соединений и малым  количеством составляющих их элементов, а также факт принадлежности этих же элементов к органогенам, нельзя объяснить на основе различной распространенности элементов. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. Совместная же весовая доля важнейших органогенов  в поверхностных слоях Земли всего около 0,24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.    

Тогда возникает вопрос: по каким признакам  химическая эволюция отобрала малую  часть элементов в число органогенов? С химической точки зрения видны  признаки, по которым происходил этот «естественный отбор» элементов. Это, во-первых, способность образовывать достаточно прочные, энергоемкие химические связи. Во-вторых, образуемые связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми, перестраиваемыми.     

Именно  поэтому углерод был отобран  эволюцией как органоген № 1. Он в полной мере отвечает перечисленным выше требованиям. Атом углерода образует почти все типы химических связей, какие знает химия, с самыми разными значениями энергии связи. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные и стабильные углеродные скелеты молекул в виде цепей и (или) колец. Углеродные атомы образуют связи с остальными элементами-органогенами. Соединение с этими и другими элементами в различных комбинациях обеспечивает колоссальное разнообразие органических соединений, Оно проявляется в размерах, форме молекул и их химических свойствах.    

Кислород  и водород нельзя считать столь  же лабильными, как углерод; их, скорее, следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних  свойств -- окислительных и восстановительных. Лабильные атомы серы, фосфора и железа имеют большое значение в биохимии, в то время как стабильные -- кремний, алюминий, натрий, составляющие несравненно большую часть земной коры, играют второстепенную роль.    

Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов, да еще 10-15 других элементов отобраны природой в основу биосистем, так же и в предбиологической эволюции шел отбор и химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белка входит только 20.    

Каким образом из минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс -- биосистема? Химикам важно  это понять для того, чтобы научиться  у природы создавать технологии синтеза сложных соединений из самого простого сырья. В связи с этой проблемой уже могут быть сделаны следующие предварительные выводы.    

1.  На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация обеспечивают энергию, необходимую для активации любых химических взаимодействий.     

2.  Первые проявления катализа возникают при смягчении условия (температура менее 5 000 К). Роль катализаторов возрастала по мере того, как физические условия становились все менее экстремальными. Но общее значение катализа вплоть до образования достаточно сложных органических молекул еще не могло быть высоким.    

3.  После достижения некоторого минимального набора неорганических и органических соединений роль катализа начала резко возрастать. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.    

4.  В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.    

5.  Следующим фрагментом эволюции, сшивающим химическую и биологическую линию эволюции, являются развитые полимерные структуры типа РНК и ДНК, выполняющие роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.    

Теория  саморазвития элементарных открытых каталитических систем, выдвинутая в 1964 г. А.П. Руденко, по существу представляет собой единую теорию хемо- и биогенеза. Она решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур, о сложности химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.    

Эта теория является в настоящее время  основанием эволюционной концепции  в химии. Одно из важнейших следствий этой теории -- установление пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу.  

 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 

Заключение    

В заключение данного реферата можно  сделать выводы, о том, что:    

- успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благодаря развитию химии, становлению различных химических технологий. Успехи многих отраслей человеческой деятельности, во многом зависят от состояния и развития химии;    

- изучая условия протекания и  закономерности химических процессов,  человек вскрывает глубокую связь  существующую между физическими,  химическими и биологическими  явлениями и одновременно перенимает  у живой природы опыт, необходимый  ему для получения новых веществ и материалов. Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления -- эволюционной химии, понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».     

- эффективность технологий на  основе химии экстремальных состояний очень высока. Характерным для них является энергосбережение при высокой производительности, высокая автоматизация и простота управления технологическими процессами, небольшие размеры технологических установок;    

- масштабность химизации, а нередко и неуправляемость процесса внедрения химических методов обернулась «второй стороной медали». Химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей среды: сушу, атмосферу, воду Мирового океана -- внедрилась в природные круговороты веществ.    

- эволюционная химия совместно другими естественными науками, постепенно подступает к расшифровке механизма предбиологической эволюции и зарождения живого, а вместе с этим -- и к созданию новейших технологий на принципах, позаимствованных у живой природы.  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 

Список  используемой литературы     

1. Концепции современного естествознания: учебное пособие, под ред. А.В.  Кокина, изд-во «Приор Эксперт  бюро», - Москва, 1998 год    

2. Проблемы развития химии под ред. Г.А. Фединой, - Ленинград, 1989 год    

3. Концепции современного естествознания: учебник для вузов, под ред.  А.П. Садохина, из-во Эксмо,  - Москва, 2006 год.    

4. Концепции современного естествознания. Хрестоматия для студентов гуманитарных ВУЗОВ, Высшая школа, изд-во Астрель, АСТ, 2004 год.