САМООРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических к биологическим системам, т.е. на предбиологичес- кой стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Наиболее убедительные результаты, как мы отмечали, связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники Б.П. Белоусов и А.М. Жа- ботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации открытых физических систем в указанных химических реакциях важную роль играют каталитические процессы.

Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые, например А.П. Руденко, напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно отметить, что из более ста химических элементов лишь шесть, названных органогенами, служат основой для построения живых систем. Такими органогенами являются углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Они составляют примерно 98% весовой доли живых организмов. Аналогично этому из миллионов органических соединений в их построении принимают участие лишь несколько сотен органических соединений, а из ста аминокислот в состав белков входит только 20.

Все это свидетельствует о том, что в ходе предбиологической эволюции происходит отбор тех органических структур, которые отличаются особой активностью и своим содействием усилению действия каталитических систем. Ключевую роль таких биокатализаторов, как ферменты, отмечали многие выдающиеся химики и биологи XIX—XX вв. Однако если химики склонны были рассматривать ферменты как обычные катализаторы, то биологи вслед за Луи Пастером (1822—1895) подчеркивали их специфическую природу. В настоящее время такое противопоставление преодолено и установлено, что единые физические и химические законы управляют процессами развития в природе. Однако в живой природе мы встречаемся с весьма сложными процессами эволюции, связанными с упорядочением и самоорганизацией систем. В сущности, как мы убедимся в дальнейшем, подлинная самоорганизация, основанная на самообновлении, усовершенствовании и усложнении систем, встречается именно в живой природе.

Решающую роль на предбиологической стадии эволюции, т.е. при переходе от химической эволюции к биологической, сыграли каталитические системы, которые в значительной степени ускорили процессы химических реакций. Наряду с другими формами катализа особое значение здесь приобрело явление автокатализа, которое основано на использовании продуктов реакции как катализаторов для ускорения реагирования вновь поступающих веществ.

Многие исследователи не без оснований считают важнейшим условием перехода от химической формы движения материи к жизни — эволюцию каталитических систем. Так, упоминавшийся выше проф. МГУ А.П. Руденко рассматривает химическую эволюцию как процесс саморазвития и самоорганизации открытых каталитических систем. Такие системы являются открытыми, поскольку их функционирование основано на постоянном притоке новой энергии и выводом готовых продуктов.

Основным источником энергии является базисная химическая реакция, которая служит для совершения полезной работы, направленной против равновесия, а также самоорганизации каталитических систем. В конкуренции этих систем преимущество получает та из них, которая развивается на основе реакции с большим выделением тепла. С наибольшей вероятностью и скоростью реализуются при этом наиболее прогрессивные пути развития каталитических систем, связанные с максимальным ростом их активности. Благодаря возникновению автокатализа происходит самоускорение базисной реакции, которое на определенном этапе будет сдерживаться постоянным уровнем температуры в системе. Возникает первый кинетический предел, который преодолевается за счет превращения отдельных каталитических центров, осуществлявших раньше один цикл, в центр функциональных циклов.

В дальнейшем развитии скорость реакции может сдерживаться концентрацией реагирующих веществ, и тогда появится второй кинетический предел. Этот предел преодолевается пространственным дублированием сложных каталитических систем, их разъединением и дальнейшим самостоятельным существованием. Самовоспроизведение и дубликация системы означают уже переход от химической эволюции к биологической. С появлением второго кинетического предела, таким образом, кончается химическая эволюция и начинается новая, биологическая эволюция.

Следует, однако, отметить, что в изложенной концепции А.П. Руденко главное внимание обращается на эволюцию каталитических систем. Но предбиологическая эволюция не могла осуществиться без отбора тех химических элементов и их соединений, которые сыграли решающую роль в самоорганизации процессов вместе с каталитическими системами, являющимися необходимым условием их возникновения и значительно ускорившими эволюционные процессы.

Библиографический список

• 1. Браун Т., Лемей Т. Химия — в центре наук. Т. 1,2. — М., 1983.
• 2. Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденция развития. — М.: Высшая школа, 1989.
• 3. Поплине Л. Общая химия. — М.: Мир, 1964.

Подумайте и ответьте

• 1. Что изучает химия? Какие основные методы она использует?
• 2. Что называется простым и сложным веществом?
• 3. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?
• 4. Что называют химическим элементом?
• 5. Перечислите основные уровни химических структур.
• 6. Что лежит в основе деления веществ на соединения постоянного и переменного состава?
• 7. От чего зависит динамика химических процессов?
• 8. Какие вещества называют катализаторами?
• 9. Какую роль играет катализ в эволюции химических систем?
• 10. Что называют автокатализом?
• 11. Что служит катализатором в живых системах?
• 12. Как происходит самоорганизация химических систем?
• 13. Какой опыт может извлечь химия из изучения живых систем?
• 14. Какие элементы называются органеллами?
• 15. Как связана химическая эволюция с катализом?
• 16. Чем отличаются ферменты от химических катализаторов?