Концепция вакуума в структуре современной науки. Инфляционные сценарии развития Вселенной в современной космологии

Современная космология рассматривает в качестве одного из наи­более вероятных сценариев эволюции Вселенной сценарий, включаю­щий инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматривается из состояния, когда вся материя была пред­ставлена только физическим вакуумом. Возможно, наша Вселенная — это лишь мини-Вселенная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь нашего типа.

Инфляция (от лат. слова тт1ат,ю) означает «вздутие». Инфляцион­ная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. При этом ваку­ум той эпохи Вселенной — «ложный вакуум». Он отличается от ис­тинного вакуума (считается, что истинный вакуум — это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Кванто­вая природа наделяет «ложный вакуум» стремлением к гравитацион­ному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «лож­ный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной предстает в контек­сте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкну­той системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем — физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Считается, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного со­стояния Вселенная разогрелась до Большого Взрыва. Дальнейший ^Х.9Д ее истории пролегал через критические точки — точки бифурка­ции, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии ис­ходного вакуума, причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейше-^Го развития в моменты бифуркаций оказались именно такими, что в Результате появилась жизнь нашего типа.

Любой физический объект со своими характеристиками рас­сматривается в современной теории как момент, элемент космологи-^Ческой эволюции Вселенной.

 

Антропный принцип и диалектическая концепция взаимопревращения материи и сознания

Попытка связать основные особенности того мира, в котором мы живем, с самим фактом существования человека, познающего этот мир, привела к формулированию принципа, который вряд ли можно на­звать строго физическим принципом, но который, тем не менее, осно­вывается на неоспоримом факте существования человека в нашей Вселенной. Этот принцип был назван антропным.

Антропный принцип в физике впервые был сформулирован в 1961 г. Д. Дикке, а в дальнейшем развит Б. Картером, которому и принадле­жит сам термин «антропный принцип».

Сущность антропного принципа заключается в том, что все без исключения физической константы Вселенной могут быть только та­кими, как они есть в реальности. А эта реальность неизбежно приво­дит к появлению жизни, человека и человеческого сознания, как буд­то это цель развития Вселенной.

Антропный принцип концентрирует внимание на следующем об­стоятельстве: свойства окружающего нас мира явились результатом определенной согласованности соответствующих фундаментальных констант, интервал возможных значений которых, обеспечивающий нам мир, пригодный для жизни, очень мал.

Существуют различные версии антропного принципа: слабый ант­ропный принцип, сильный, финалистский антропный принцип, антропный принцип, включающий соучастника-наблюдателя. Появляются и тео логические нотки при обсуждении антропного принципа. Все это по влияло на то, что многие физики-ученые с настороженностью отно сятся к этому принципу, рассматривая его как ненаучный. Однакс положение резко меняется, если антропный принцип рассматривать ь контексте синергетического самоорганизующегося процесса эволю­ции Вселенной. Здесь на Первый план выдвигается идея о корреля­ции свойств наблюдателя и свойств мира. То есть речь идет о веро­ятности того, что мир имеет наблюдаемые нами свойства. А это зна­чит, что можно сравнивать вероятности оказаться в разных мирах с разными свойствами. Следовательно, антропный принцип получает не­теологическое объяснение при условии существования множества миров. Надо сказать, что инфляционные сценарии раздувания Вселен­ной содержат в себе результаты, предсказывающие разбиение Все-

 

ленной на неограниченно большое число мини-Вселенных — огром­ных областей, внутри которых реализуется свои типы физических ва-куумов, размерностей пространства-времени, цепочек спонтанного нарушения симметрии. Так что вероятность возникновения из этого огромного числа разных мини-Вселенных, которые подобны нашей, в которых возможна жизнь, подобная нашей, существует.

Современная физика с использованием антропного принципа как бы расширяет границы своего традиционного рассмотрения вопросов. Человек, рассматриваемый ранее лишь в качестве непосредственного потомка прогрессивной эволюции жизни в биосферных условиях, пред­стает уже в качестве непосредственного продукта космологической эволюции Вселенной. И, как считают многие физики, трудности в пост­роении единой теории поля могут быть связаны как раз с тем фактом, что такое свойство материи, присущее ей на всех уровнях организации, как отражение, и высшая форма его развития — сознание, остается вне рамок исследования. Не окажется ли, что поставленная современной физикой задача принципиально неразрешима вне исследования тех факторов, которые привносит с собой в ход мирового процесса мысля­щий дух? Иными словами, антропный принцип с методологической точ­ки зрения является предвестником более глубокого диалектического понимания взаимо-превращения материи и сознания.

 

ХИМИЯ В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

Место и роль химии в современной цивилизации

 

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, таких как энергетика, металлургия, машино­строение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зави­сит от состояния и развития химии. Огромное значение химия имеет Аля успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацев­тической промышленности, обеспечения быта человека.

Таким образом, химизация, как процесс внедрения химических Методов в общественное производство и быт, позволила человеку Решить многие технические, экономические и социальные проблемы.

 

Однако химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей среды — сушу, атмосферу, воду Мирового океана, внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого нарушилось сложившееся в течение миллионов лет равнове­сие природных процессов на планете, химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. За последние 30—40 лет в результате этого пострадали сотни миллионов жителей планеты. Воз­никла в связи с этим самостоятельная ветвь экологической науки — химическая экология (е1коз, гр. — учение о доме).

Основными источниками, загрязняющими окружающую среду, кроме собственно химической промышленности, являются металлургия, ав­томобильный транспорт, тепловые электростанции. Они дают боль­шой объем газообразных отходов, загрязняют реки и озера сточными водами, используемыми в технологических целях. Газообразные от­ходы содержат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, ртути, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших объемах возникла проблема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере, получившая название «кислородного голодания».

К твердым отходам относятся отходы горнодобывающей промыш­ленности, строительный и бытовой мусор. Сточные воды содержат мно­гие неорганические соединения — ионы ртути, цинка, кадмия, меди, нике­ля и т.д. Пятая часть вод Мирового океана загрязнена нефтью и нефте­продуктами. Вредные вещества из воздуха и воды попадают в почву, в которой накапливаются тяжелые металлы, радиоактивные элементы.

В организм человека вредные вещества попадают через воздух, воду и пищу. Таким образом, человечество, пройдя ряд этапов разви­тия — от огня до термоядерной бомбы, — в начале XXI в. оказалось в условиях, когда в очередной раз встал вопрос о его выживании.

Человечество выживет при условии, если его потребности в ресурсах биосферы (П) не будет превышать возможности биосферы (В), П < В при которых сохраняется ее устойчивость. Сохранение баланса между потребностями и возможностями должно стать основным законом ци­вилизации XXI века при взаимоотношениях общества и природы.

Новые технологии по своим параметрам должны приближаться к природным процессам, отличаться от промышленных своей безотход-ностью или малоотходностью. В настоящее время наметились следу­ющие пути решения сложных экологических проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных процессов и схем полу­чения известных продуктов; внедрение бессточных и замкнутых схем водопотребления; очистка выбрасываемых газов; использование

 

промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных и энергетических потоков.

Однако, опираясь на идеи В.И. Вернадского о перерастании био­сферы в ноосферу, можно говорить о неслучайности появления чело­века на Земле, о его предназначении в кризисной ситуации сыграть роль спасителя природы. Главная причина деградации окружающей природной среды заключается в ценностных установках человече­ской деятельности, в соответствии с которыми природа рассматрива­ется как средство достижения экономических целей.

Вопрос состоит не только в том, чтобы остановить процесс разру­шения природы техническими средствами. Вопрос состоит в том, что­бы в корне изменить потребительское отношение человека к ок­ружающему миру.

Место и роль химии в современной цивилизации — активный эле­мент сложной системы «общество—природа», представляющего со­бой, в свою очередь, открытую систему со Своей структурой и взаимо­обменом между веществом, энергией и информацией.

Фундаментальные основы современной химии

 

На определенном этапе эволюции Вселенной в ней реализуются условия, допускающие формирование атомов вещества. Определен­ный набор атомов способен образовать новую систему — моле­кулу. Организация материи на атомно-молекулярном уровне приводит к появлению новых свойств материи — к возможнос­ти существования множества веществ с громадным разнообра­зием свойств.

Наукой, исследующей закономерности, проявляющиеся на атомно-молекулярном уровне организации материи, является химия. Задача химии состоит в изучении строения молекул и процессов изменения этого строения в результате их взаимодействия.

Фундаментальными основами химии стали квантовая меха­ника, атомная физика, термодинамика, статистическая физика, * также физическая кинетика. На основе физики построена теоре­тическая химия. Из этого не следует, что химия не существует как самостоятельная наука: химия «выводится» из физики, но не сво­дится к ней.

На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом ^частиц, участвующих в квантово-механических процессах обмена элек­тронами (химических реакциях). Базовое понятие химии — валент-

 

ность — это макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий.

Эмпирическая химическая формула соединения показывает, ка­кие элементы и в каком соотношении входят в состав химического соединения. Эмпирическая формула устанавливается опытным путём. На основе эмпирической формулы некоторого вещества может быть найдена его молекулярная формула. В химии выработаны правила определения молекулярной формулы. Молекулярные формулы позво­ляют отобразить химические превращения. Для этого используются химические уравнения, которые являются эффективным и простым способом описания химических процессов.

Благодаря тому, что химии удалось выработать свой собственный язык, свое феноменологическое описание свойств веществ и химичес­ких превращений, химия стала великой наукой задолго до того, как квантовая механика вскрыла сущность химических явлений.

Язык химии разнообразен; он содержит возможности отображе­ния особенностей химических реакций и различных свойств веществ. Например, структурные формулы показывают последовательность и пространственный порядок соединения атомов в молекулах.

Таким образом, атомно-молекулярный уровень организации материи, чрезвычайно сложно описываемый на фундаменталь­ном уровне, на уровне квантовой механики, потребовал выра­ботки своего химического языка. Развитие современной химии, ее основные концепции оказались тесно связанными не толь­ко с физикой, но и с другими естественными науками, особен­но с биологией.

Особенность и двуединая задаче современной химии

Как и другие составляющие естествознания, химия имеет много­численные практические приложения. Однако еще Д.И. Менделее­вым было обращено внимание на существенную особенность этой науки: химия.в значительной мере сама создает свой объект изучения. Самые разнообразные исследования в ней направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реа­лизованы искусственно, на получение и изучение веществ, большин­ство из которых в природе не встречается. Химия как наука тесней-

 

 

шим образом связана с химией как производством. Д.И. Менделеев рассматривал химические заводы как лаборатории больших разме­ров. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в получении веществ с задан­ными свойствами. Это и определяет содержание двуединой цент­ральной задачи химии: исследование генезиса (то есть проис­хождения) свойств веществ и разработка на этой основе мето­дов получения веществ с заранее заданными свойствами.

Концептуальные уровни современной химии

 

По мере развития химии до ее современного уровня в ней сло­жились четыре совокупности подходов к решению основной задачи. Развитие этих подходов обусловило формирование че­тырех концептуальных систем химических знаний. Для их пред­ставления воспользуемся наглядной схемой (рис. 2).

Концептуальные подходы к решению основной проблемы химии, показанные на схеме, появлялись последовательно.

Первоначально свойства веществ связывались исключительно с их составом (в этом суть учения о составе). На этом уровне развития содержание химии исчерпывалось ее традиционным, менделеевским определением — как науки о химических элементах и их соединениях.

Далее учение о составе было дополнено концепцией структур­ной химии. Структурная концепция объединяет теоретические пред­ставления в химии, устанавливающие связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие «реакционная способность», включающее пред­ставление о химической активности отдельных фрагментов молеку­лы — отдельных ее атомов (и даже отдельных химических связей)

		4. Эволюционная химия
		3. Учение о химических процессах
		2. Структурная химия
	1. Учение о составе 1--------------------------------------.------------------------,-----------------------------в».

XVII век XIX век 1950-е гг. 1970-е гг. Развитие химии

Рис. 2. Системы химических знаний

 

или целых атомных групп. Структурная концепция позволила превра­тить химию из преимущественно аналитической науки в науку синте­тическую. Этот подход позволил в конечном итоге создать промыш­ленные технологии синтеза многих органических веществ.

Затем было развито учение о химических процессах. В рам­ках этой концепции химия вскрыла механизмы управления реакция­ми и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

Последний этап концептуального развития химии связан с ис­пользованием в ней некоторых принципов, реализованных в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется по­иск таких условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование катализаторов реакций. По существу, речь идет о самоорганизации химических процессов, происходящих в клетках живых организмов.

Последовательное дополнение химии названными концептуальными системами составляет логику развития этой науки.

Понятие «химический элемент» и «химическое соединение» с точки зрения современности

Исходным в учении о составе является вопрос: «Что считать хими­ческим элементом — элементарным, неразложимым «кирпичиком» ве­щества?» Отправной точкой решения этой проблемы стало формули­рование Д.И. Менделеевым знаменитого периодического закона. В основу систематизации свойств химических элементов Менделеевым была положена идея зависимости свойств элемента от атомной массы. Он доказал, что признаком элемента является место в периодической системе, определяемое атомной массой. Позднее, в связи с успехами квантовой теории, физика помогла составить представление об атоме элемента как о сложной квантово-механической системе. Место эле­мента получило новый смысл, оказавшись обусловленным зарядом ядра атома (2). На этой основе были выяснены особенности строения элек­тронных орбит всех элементов и раскрыт физический смысл периоди­ческого закона. Химический элемент — это вид атомов с одинако­вым зарядом ядра, то есть совокупность изотопов.

Во времена Д.И. Менделеева было известно 64 элемента. В 1930-е гг. система элементов заканчивалась ураном (2=92). С нача-

.

ла 1940-х гг. таблица пополнялась принципиально новым путем — путем физического синтеза. До середины 50-х гг. были синтезиро­ваны 9 элементов. Элемент под номером 101 был назван «менделе-евий». В последующие годы синтез ядер новых элементов продол­жался, но ядра с номером от 102 и далее оказались крайне неустой­чивыми. Самый тяжелый из известных на сегодняшний день элемен­тов (порядковый номер 112) был получен при слиянии ядра цинка с ядром свинца. Его время жизни' измеряется тысячными долями секун­ды. Однако, по оценкам физиков, в ряду тяжелых ядер могут существо­вать «островки стабильности» элементов при 2=126, 164 и даже 184.

В физически доступном слое Земли всего восемь химических эле­ментов представлены в значительном количестве. Это — кислород — 47,0 %, кремний — 27,5; алюминий — 8,8; железо — 4,6; кальций — 3,6; натрий — 2,6; калий — 2,5 и магний — 2,1 %.

Практически все элементы проявляются в земных условиях в со­ставе тех или иных химических систем — химических соединений.

Какие из многокомпонентных тел следует отнести к химическим соединениям, а что считать простыми смесями?

Проблема химического соединения традиционно решалась с по­зиций атомистической концепции. В начале XIX в. английский химик Дж. Дальтон обосновал закон постоянства состава, отражающий неизменное соотношение компонентов данного вещества. Впослед­ствии были найдены доказательства существования химических со­единений переменного состава.

Суть проблемы химического соединения состоит в физической природе сил, объединяющих атомы в молекулу. Эти силы символизи­руются химическими связями. В общем случае химические связи обус­ловлены проявлением волновых свойств валентных электронов: пере­крытием электронных облаков, обобществлением электронов. В ре­зультате выяснения физической сущности химической связи понятие молекулы претерпело изменение. Теперь в категорию молекулы вошли и такие кваНтово-механические системы, как моно­кристаллы, а также полимеры, образованные за счет водородных свя­зей. Но это уже макроскопические молекулы (макромолекулы). Преж­де к макромолекулам относили только гигантские органические мо­лекулы (полимеры), имеющие молекулярную массу порядка 10⁶, пост­роенные из многих повторяющихся частей — более простых органи­ческих систем (мономеров).

В соответствии с современной точкой зрения химическое соеди­нение — это вещество, атомы которого за счет химических свя­зей объединены в молекулы, комплексы, макромолекулы, мо-

 

 

нокристаллы или иные квантово-механические системы. В на­стоящее время состав любого вещества в строго математичес­ком смысле переменен.

Таким образом, проблема химического соединения, так же как и проблема химического элемента, решена в современной химии на основе представлений квантовой физики.

Учение о химических процессах, его вклад в развитие химии

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомарно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термо­динамические факторы (температура, давление и др.) и кинетические факторы (все, что связано с переносом веществ, образованием их промежуточных форм). Их влияние на химические реакции вскрыва­ется на концептуальном уровне химии, который обобщенно называют учением о химических процессах.

Учение о химических процессах является областью глубо­кого взаимопроникновения физики, химии и биологии. Действи­тельно, в основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, которые в равной степени относятся и к химии, и к физи­ке. А живая клетка, исследуемая биологической наукой, представляет собой в то же время микроскопический химический реактор, в кото­ром происходят превращения, изучаег^ые химией, и многие из которых химия пытается реализовать в макроскопическом масштабе. Таким образом 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.

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 та* называемая химия экстремальных состояний, использующая выс°

 

кие 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, з 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.

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.

Уже давно 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 про­возглашен академиком А.Е. Арбузовым в 1930 г., является целепола-гающей идеей развития эволюционной концепции в химии.

Концептуальное представление о ведущей роли ферментов, био­регуляторов в процессе жизнедеятельности идея, предложенная вели­ким французским естествоиспытателем Луи Пастером в XIX в., остает­ся основополагающей и сегодня.

Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является иссле­дование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия. Ферменты — это белковые молекулы, синтезируемые живыми "летками. В каждой клетке имеются сотни различных фермен­те. С их помощью осуществляются многочисленные химиче-кие реакции, которые благодаря каталитическому действию фер-

 

 

ментов 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). Задача изучения и освоения всего многообразия ката­литических процессов в живой природе — это пролог эволюционной

ХИМИИ.;

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. В 1960-х гг. было обнаружено явление самосовершенствования катализаторов в ходе реакции (тог­да, как обычно, катализаторы в процессе их работы дезактивирова­лись, ухудшались и выбрасывались). Речь идет о проявлении самоор­ганизации в химическом процессе. Здесь понятие «самоорганизация» означает такое изменяющееся состояние химической системы, кото­рому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченно­сти. 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».

Сущность химической эволюции

V

Картина хемогенеза отчетливо свидетельствует о своеобразном химическом «естественном отборе» веществ. Как уже отмечалось выше, на сегодняшний день известны 112 химических элементов, од-

 

нако 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 (г4), фосфор (Р) и сера (8). Их общая весовая доля в живой материи составляет 97,4 %: Еще 12 элементов (№а, К, Са, Мд, Ре, 8!, А1, С1, Си, 2п, Со, Мп) 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 млн 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 тыс. неорганических соединений.

На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. Совместная же весовая доля важнейших органогенов (С, Ы, Р, 5) 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? 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. 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 (V, N. О, Р и 5). 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, "абильные 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 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? 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 5000 К). Роль катализаторов возрастала по мере того, как физические условия становились все менее экстремальны­ми.

3. После достижения некоторого минимального набора неорга­нических и органических соединений роль катализа начала резко возрастать.

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. 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.

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