Особенности современной химии. Эволюционная химия

Возникновение эволюционной химии связано с необходимостью понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Эволюционная химия – наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Она изучает процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами.

Главным предметом изучения в эволюционной химии является эволюция химических соединений (хемогенез), которая обеспечила переход к биогенезу. Биогенез — образование органических соединений живыми организмами. Понимание механизма хемогенеза важно для прояснения проблемы происхождения жизни на Земле и процессов самоорганизации материальных систем.

Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем - субстратный и функциональный.

Согласно субстратному подходу в процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор тех химических элементов, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Известно, что только шесть элементов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — составляют основу живых систем. Они называются органогены, и их доля в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Их доля составляет 1,6%. Еще около 20 элементов участвуют в жизнедеятельности живых систем в зависимости от среды обитания и состава питания. Их доля равна 1%. Следовательно, из 118 химических элементов, открытых к настоящему времени, химическая эволюция для построения основы жизни «отобрала» всего 37.

Особая роль в химической эволюции отведена углероду. На основе химических элементов природа создала около 8 млн. различных соединений, но из них 96% являются органическими, т.е. соединениями углерода. Этот элемент обладает особыми свойствами. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей с самыми разными элементами, с помощью которых он способен создавать самые разнообразные структуры, может формировать цепи и полимерные молекулы. Его соединения активны при невысокой температуре, они хорошо растворяются в воде.

Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен. Например, из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Почему же именно эти элементы и соединения были отобраны в процессе химической эволюции? На это вопрос отвечают теории, которые лежат в основе функционального подхода в решении вопросов химической эволюции.

Отличительной чертой функционального подхода является исследование закономерностей самоорганизации химических систем. В 1964 г. советским ученым А.П. Руденко была предложена теория, где было показано, что преимущества в эволюции предбиологических систем получали те структуры и органические соединения, которые усиливали активность и селективность действия катализаторов. Химическая эволюция представляет собой саморазвитие именно каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом в хемогенезе являются катализаторы. При протекании реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Катализаторы, изменение которых связано с уменьшением активности реагирующих веществ, «выключаются» из химических реакций.

Саморазвитие, самоорганизация каталитических систем происходит за счет постоянного притока энергии, источником которой является химическая реакция. Следовательно, преимущество получают те системы, которые развиваются на базе экзотермических (с выделением энергии) реакций.

Химическая эволюция создала все предпосылки для появления живого из неживой природы, а планета Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться. Эволюционная химия углубляет представления о мире, ее концепции являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной. Сегодня химики пришли к выводу, что, используя принципы, на которых построена химия организмов, в будущем можно создать принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул, будут созданы катализаторы высокой степени специфичности, построят преобразователи, способные с большим КПД фиксировать солнечную энергию.

Выводы

1. Химия – наука о веществах и их превращениях, которые сопровождаются изменением состава и строения вещества.

2. В истории развития химии как науки выделяют четыре этапа, в течение каждого формируется определенная концептуальная система знаний:учение о составе вещества, учение о структуре вещества, учение о химических процессах, эволюционная химия.

3. Основой химии являются атомно-молекулярное учение о составе вещества и основные химические законы: закон сохранения массы, закон постоянства состава вещества, закон кратных отношений, закон объемных отношений, закон Авогадро, периодический закон Д.И.Менделеева.

4. Вещество состоит из молекул. Молекула - это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из атомов. Х имический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Атомы способны образовывать химические связями согласно валентности. Различают ковалентную, ионную, металлическую и водородную химические связи.

5. Химическая связь образуется в определенном направлении в пространстве и задает пространственную ориентацию (структуру) молекулы. Теория химического строения вещества определяет зависимость свойств вещества от структуры молекулы. Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав, но разное строение молекулы. Изомерия может быть структурной и пространственной.

6. Учение о химическом процессе изучает возможности и условиях протекания химических реакций и способы управления ими. Химическая реакция – процесс превращения исходных веществ в отличающиеся по химическому составу и строению другие вещества. Учение о химическом процессе рассматривает энергетику химических реакций, химическое равновесие и условия его смещения, кинетику (скорость) и механизмы реакций. Особое значение имеют каталитические реакции, так как основой процессов в живом организме является биокатализ, который протекает под действием ферментов.

7. Эволюционная химия изучает процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами. Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем - субстратный и функциональный.

8. Согласно субстратному подходу в процессе самоорганизации предбиологических систем были отобраны те химические элементы, которые являются основным строительным материалом живого. Основу живых систем составляют шесть элементов-органогенов: углерод С, водород Н, кислород О, азот N, фосфор Р и сера S.

9. Согласно функциональному подходу из продуктов, которые получались в результате разнообразных химических реакций, отбирались те химические соединения, которые обладали широким спектром каталитического действия. Следовательно, химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и эволюционирующим веществом являются катализаторы.