Идея эволюции, развитая в химии, возникла и выкристаллизовалась не сразу. Первоначально она расплывалась, растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ. Натурфилософия классической древности не знала различий между процессами химическими и физическими, изменениями агрегатного состояния тел и химическими преобразованиями веществ. Стихийная диалектика древних включала в себя учение о всеобщем круговороте веществ на основе взаимных переходов, трансмутации первичных элементов, установленных еще Фалесом, родоначальником греческой науки.
Вот как впоследствии писал об этом Платон в своем диалоге «Тимей»: «Но возьмем для начала хотя бы то, что мы теперь называем водой: когда она сгущается, мы полагаем, что видим рождение камней и земли, когда же она растекается и разрежается, соответственно рождаются ветер и воздух, а последний, возгораясь, становится огнем . затем начинается обратный путь, так что огонь, сгустившись и угаснув, снова приходит к виду воздуха, а воздух опять собирается и сгущается в облака и тучи, из которых при дальнейшем уплотнении изливается вода, чтобы в свой черед дать начало земле и камням».
Эти натурфилософские представления во многом были заимствованы средневековыми алхимиками и затем включены в систему классического немецкого идеализма. Даже Гегель полагал, что падающие с неба метеориты рождаются путем сгущения воздуха. Алхимики в своих поисках философского камня не только надеялись- найти способ превращения неблагородных металлов в золото, но и рассчитывали создать самодвижущуюся, циклически эволюционирующую химическую систему. Так, Парацельс и его ученики верили, что им при помощи химических выделений и растворений удастся создать микрокосм и «сохранить его в вечном движении». Английский химик Р. Бойль (1627—1691) утверждал, что на основе непрерывной химической реакции ему удалось создать самодвижущуюся жидкость.
Лавинообразное накопление в XIX в. конкретного материала о тысячах химических соединений потребовало его общего рассмотрения и систематизации. Элементы периодической таблицы Менделеева первоначально рассматривались как неизменные, не связанные друг с другом единой цепью происхождения. Но открытие радиоактивности коренным образом изменило понимание периодического закона, вскрыв его внутреннюю эволюционную природу. По утверждению российского химика Б. Кедрова, «идея развития вещества получает теперь новое блестящее подтверждение . это и есть как раз то новое, что внесла наука XX в. в понятие «химический элемент». Открытие изотопов как разновидностей элементов, равно как и обнаружение радиоактивности, сохранило основу менделеевского определения (место в системе определяет вид атомов), но подорвало разделявшееся Менделеевым дальтоновское истолкование элементов в духе их полной неизменности».
Исторический метод в химии возник в первую очередь в результате прогресса двух ветвей естествознания: геохимии и биохимии. Первая прослеживает действительную судьбу химических соединений в неживой, а вторая — в живой природе. Высшие формы проявления химизма, связанные с функционированием живых систем, исследует ныне целый комплекс наук: биохимия, молекулярная биология, палеобиохимия. Химические превращения, свойственные неорганической природе, являются объектом собственно геохимии и ее многочисленных дочерних наук (гидрохимии, химии атмосферы, радиохимии и др.). Связь между этими областями природы осуществляет созданная В.И. Вернадским биогеохимия, которая рассматривает судьбу химических элементов в поле биологического действия.
Конкретный естественнонаучный подход к решению загадки происхождения жизни был предложен российским ученым А.И. Опариным (1894—1980). Заслуга гипотезы Опарина состоит в том, что в ней биопоэз рассматривается как многостадийный исторический процесс, важнейшей составной частью которого является химическая эволюция вещества от простейших соединений до невероятно сложных молекул белковой природы. Гипотеза Опарина открыла ключ к химическому моделированию процессов формирования исходных молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, углеводов в условиях гипотетической первичной атмосферы Земли. После исследований С. Миллера и других ученых стало известно, что эти важные биоорганические молекулы могут образовываться в самых разнообразных смесях, содержащих комбинации водорода, воды, аммиака, азота, синильной кислоты, углекислого газа, метана и др., под воздействием различных видов излучения.
В космосе были обнаружены такие сложные молекулы, как цианацетилен, ацетальдегид, формамид, метилформиат. Большинство молекул, обнаруженных в космосе, непосредственно причаастны к привычным для нас биоорганическим соединениям или очень легко могут трансформироваться в них. Так, цианацетилен при взаимодействии с водой легко может быть превращен в жизненно важную пировиноградную кислоту и также относительно просто в аминокислоту — аланин.
Следующие, более сложные звенья эволюционной цепочки были обнаружены при изучении вещественного состава метеоритов и лунных пород, доставленных с нашего вечного спутника космическими аппаратами. В этих космических телах присутствуют весьма сложные и разнообразные органические молекулы. В лунном грунте и в метеоритах Оргейль, Муррей, Мерчисон обнаружены аминокислоты: глицин, глутаминовая кислота, аланин, аспараги-новая кислота, серин. В метеоритах найдены алифатические и ароматические углеводороды, предшественники нуклеиновых кислот, аденин и гуанин, а также простейший химический предшественник хлорофилла — порфирин.
Дополнительные сведения для восстановления картины химической эволюции дают успехи палеобиохимии и палеоорганической химии, наук об исторической судьбе соединений углерода на протяжении миллиардов лет развития нашей планеты. В древних отложениях, насчитывающих сотни миллионов и миллиарды лет обнаружено множество органических соединений, которые постепенно проливают свет на пути развития жизни (аминокислоты, углеводороды фитан и пристан, порфирины и др.).
Эволюция химических соединений на нашей планете прошла три основные стадии: неорганическую, органическую и биохимическую. Каждая последующая стадия базировалась на предыдущей, исторически вырастала из нее и потом подчиняла себе, становясь ведущей формой развития. Поразительная общность основных кирпичиков жизни (аминокислот, углеводов, нуклеотидов, витаминов) для всех организмов говорит в пользу единого происхождения всего живого.
Проблемы зарождения химических элементов коснулся американский физик российского происхождения Г. Гамов в своей теории «Великий синтез химических элементов при Большом взрыве Вселенной». Он разработал теорию образования химических элементов, согласно которой все вещество изначально состояло из нейтронов. Сталкиваясь, два нейтрона образуют дейтрон (ядро, состоящее из нейтрона и протона) и электрон. Захватывая нейтрон, дейтрон превращается в ядро трития (ядро, содержащее два нейтрона и один протон), которое всвою очередь тоже может захватить нейтрон, и так до образования ядер с массой порядка 250.
Согласно модели Гамова синтез всех элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием квантов и последующим распадом тяжелых ядер. Однако детальные расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование элементов тяжелее Li. На начальном этапе эволюции Вселенной, примерно через 100 с после Взрыва, в термоядерных реакциях образовались лишь самые легкие атомные ядра: изотопы водорода и гелия.
Согласно современным представлениям, образование более тяжелых ядер на этом этапе оказывается невозможным. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. В 1939 г. Г. Бете впервые рассмотрел CNO-цикл как один из путей образования гелия из водорода в звездах. Особенность СNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному добавлению четырех протонов с образованием в конце CNO- циклаядра 4He.
М. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 г. дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер:
· горение водорода, в результате которого образуются ядра 4Не .
· горение гелия, в результате которого из 4Hе образуются ядра 12С .
· α-процесс, когда в результате последовательного захвата α-частиц образуются ядра 160,30Ne, 24Мg, 28Si… .
· е-процесс: при достижении температуры (5*10 9)º К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до F е и Ni. Ядра с Z ~ 60 — наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них кончается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением энергии .
· процесс: ядра тяжелее Fе образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов, последующий β-распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер, интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов β-распада .
· процесс: если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости β-распада атомного ядра, то оно успевает захватить большое число нейтронов и лишь затем, в результате последовательной цепочки β-распадов, превращается в стабильное ядро (обычно считается, что γ-процессы происходят в результате взрывов сверхновых) .
· процесс: некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (b,п) или в реакциях под действием нейтрино .
· процесс: образование легких ядер Li, Ве, В (в то время не был известен . образовавшись в звездах, эти ядра должны были интенсивно разрушаться в реакциях под воздействием протонов). Сегодня считается, что эти ядра образуются в результате взаимодействия космических лучей с космической пылью.
Наиболее подробно разработанным вариантом общей теории химической эволюции и биогенеза является теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем. В общем виде она была выдвинута российским химиком А. Руденко в 1964 г. Эта теория решает 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, об уровне химической организации и об иерархии химических систем в процессе эволюции. Ряд химических процессов невозможно провести без участия катализаторов. На химическом уровне организации материи возникает способность многократного самоускорения, изменения и развития. Каталитические реакции исключительно разнообразны, многочисленны и являются главным предметом Исследований современной химии.
Свою теорию А. Руденко считает развитием мультиплетной теории катализа А. Баландина. Выделив четыре принципа описания процесса развития (вероятностный, кинетический, термодинамический и информационный), Руденко сформулировал с их помощью основной закон саморазвития: «В процессе развития каталитических систем складываются механизмы конкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитической активности.
Основой существования любой элементарной открытой каталитической системы является базисная реакция и катализатор, способом существования — обмен веществ и энергии базисной реакции, а формой неравновесной структурной и функциональной организации — устойчивый порядок функционирования катализатора (механизм базисной реакции), зависящий только от природы базисной реакции и катализатора. Таким образом, сама химическая эволюция представляет собой последовательное изменение и усложнение механизма (аппарата осуществления) базисной реакции при неизменной природе последней.
Гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необходимых для строительства белка, высказана Эйгеном в работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971). Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарвиновского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Циклы, работающие быстрее и эффективнее остальных, выживают и побеждают в конкурентной борьбе. Пищей служат молекулы мономеров, которые поглощаются при полимеризации или в ходе циклов реакций. В «первичном бульоне» присутствуют и катализаторы химических реакций, которые образуются в них как промежуточные продукты, т.е. возникает автокаталитическая самоорганизующаяся система.
Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от органического материала, образовавшегося на еще более ранней стадии эволюции Земли. Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планете отодвигается более чем на 4 млрд лет назад.
Таким образом, проблема химической эволюции и биогенеза вызвала своеобразную экспансию других наук в область химии, привнесшую новые для традиционной химии подходы к проблеме и собственное понимание задач исследования и предмета в области химической эволюции. При этом был разработан биохимический подход к проблеме, рассматривающий осуществившуюся когда-то на Земле химическую эволюцию ретроспективно, со стороны биологии, на основе ее известного конечного результата.
В настоящее время именно успехи «стыковых» (синтетических) наук и направлений обеспечивают фундаментальность современных химических исследований. Химическая картина мира, являясь дополнительной по отношению к представлениям об объективной реальности, формируется в рамках единой системы наук о природе.
В заключение главы отметим факт постоянно возрастающего влияния, которое достижения современной химии оказывают на развитие человечества и окружающей среды в целом.
Важным последствием этого влияния является химизация человеческой деятельности, включающая в себя:
· рост масштабов количества используемых химических веществ, как естественных, так и синтетических (полимерных материалов, полупроводников и др.) .
· расширение применения химических технологий и частичная замена технологий механического типа .
· повышение эффективности производства аграрной сферы (создание минеральных и органических удобрений, химических средств борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур).
Химия во все большей мере ориентируется на создание структур (от микро- до макроуровня), связанных с удовлетворением технологических потребностей. Создаются новые вещества, не встречающиеся в природе (синтетика). Химический синтез приобретает медико-биологическую направленность (получение лекарственных средств, заменителей тканей, антибиотиков и др.).
Химические вещества и технологии являются фактором отрицательного воздействия на биосферу. Традиционные химические технологии связаны с выбросами в природную среду различного рода вредных веществ. Поэтому современные формы химические технологии (относительно замкнутые производственные циклы) позволяют рационализировать использование материальных и энергетических ресурсов, уменьшить выбросы в биосферу, осуществить экологизацию химической технологии.
