Ббк я 19-6 [Жданов] ж 42


Новейшая революция в космохимии



жүктеу 5.04 Mb.
бет2/25
Дата03.04.2019
өлшемі5.04 Mb.
түріКнига
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   25

2. Новейшая революция в космохимии
Конкретный естественнонаучный подход к решению загадки происхождения жизни был предложен академиком А.И. Опариным. Заслуга гипотезы Опарина состоит в том, что в ней био-

17

поэз 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 пионерских работ С. Миллера и других исследователей 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 т.п., под воздействием различных видов излучения. Однако возникал естественный вопрос: насколько проведенные модельные синтезы отражают реальный исторический процесс? Известный биохимик П. Мора скептически называл их упражнениями по органической химии.



Надо полагать, значение этих синтезов разъяснилось в связи с открытиями последних лет, которые обнаружили перед естествознанием совершенно новые горизонты и масштабы химической эволюции [16]. Эти новые сведения буквально свалились с неба, поскольку явились результатом астрофизических исследований космоса.

Изучение химического состава космических объектов ведется с тех пор, как были разработаны спектральные методы исследования вещества, т.е. со времен Бунзена. Эти исследования имели огромное значение; они позволили установить состав звездных атмосфер, туманностей, комет, планет Солнечной системы. При этом был получен принципиальной важности вывод о единстве состава космических тел, открылись пути к пониманию происхождения вещественного состава Вселенной, эволюции атомов. Исследования видимого спектра не были эффективными при попытках установить молекулярный состав космических объектов, этим путем удалось открыть лишь несколько простейших молекул или осколков типа С2, СН и т.п.

Революционизирующее воздействие на судьбы космохимии оказал новый метод исследований: обнаружение молекул в радиочастотном диапазоне. Развитие радиоастрономии привело к неожиданным открытиям, преобразующим наши представления

18

о химических явлениях в космосе. Еще недавно было распространено мнение, будто межзвездная среда представляет собой весьма однородное и скучное пространство, наполненное преимущественно водородом с концентрацией 10см-3 при температуре около абсолютного нуля. Ныне методами радиоастрономии установлено, что межзвездная среда заключает в себе облака пыли и газа, в которых формируется, развивается и достигает большого многообразия химическая эволюция материи. Как считают некоторые авторы, за последние три года в области физики и химии облаков газа и пыли, составляющих значительную часть межзвездной среды, произошел подлинный переворот.



Если раньше мы считались с возможностью возникновения в космосе простых систем типа Н2, С2, ОН, СН, то теперь обстановка круто изменилась. В космосе обнаружены многие простейшие неорганические молекулы: Н2О, NH3 SO, SiO, H2S, видимо, присутствуют и некоторые соединения металлов. Но что самое поразительное, межзвездная среда оказалась гигантской лабораторией органического синтеза. Если в своих модельных синтезах биоорганических соединений С. Миллер, Оро, Павловская, Пасынский, Харада, Фокс, Кальвин, Поннамперума и другие исследователи весьма осторожно брали простейшие исходные соединения, то химический состав межзвездной среды превзошел самые смелые фантазии. Здесь обнаружен формальдегид, способный легко образовывать многообразные углеводы, установлено присутствие производных циана, необходимых для синтеза нуклеиновых оснований, выявлено наличие органических кислот (муравьиная и уксусная), непредельных соединений, сложных эфиров, нитрилов, аминопроизводных.

Воображение химика поражено обнаружением в космосе таких сложных молекул, как цианацетилен (I), ацетальдегид (II), формамид (III), метилформиат (IV):


NC–O≡CH (I)

СН3СНО (II)

H2NCHO (III)

НСООСН3 (IV)


Весьма пикантным событием явилось обнаружение космических облаков этилового спирта. Температура этих молекулярных масс достигает 200°К; в некоторых системах молекулы находятся в возбужденных состояниях, дают мощное излучение лазерной природы. Концентрация молекул достигает 1012–1013 в 1 см.

19

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что большинство молекул, обнаруженных в космосе, непосредственно причастно к привычным для нас биоорганическим соединениям или очень легко может трансформироваться в них. Так, цианацетилен при взаимодействии с водой гладко 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. Ныне можно считать доказанным, что 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, аспарагиновая кислота, серин [17]. В метеоритах найдены алифатические и ароматические углеводороды, предшественники нуклеиновых кислот – аденин и гуанин, а также простейший химический предшественник хлорофилла – порфирин.

Однако не только небесные, но и вполне земные события последних десятилетий далеко продвинули наше понимание химической эволюции. В первую очередь здесь следует упомянуть возникновение и быстрые успехи палеобиохимии и палеоорганической химии – наук об исторической судьбе соединений углерода на протяжении миллиардов лет развития нашей планеты. В древних, насчитывающих сотни миллионов и миллиарды лет отложениях обнаружено множество органических соединений, которые постепенно проливают свет на пути развития жизни (аминокислоты, углеводороды: фитан и пристан, порфирины и др.).

Таким образом, постепенно в естествознании Новейшего времени прокладывается единый путь от эволюционной космохимии к эволюционной биохимии, от химии межзвездных облаков материи к химии метеоритов, планет, Луны и, наконец, Земли. Тем самым и в этой сфере химической науки ее первоначально геоцентрический характер оказался в достаточной степени подорванным и превзойденным. Оказывается, сама природа охотно осуществляет то, что П. Мора назвал упражнениями по органической химии. При этом все более ясным и определен-

20

ным становится вывод, что весьма случайные смеси биогенных атомов (С, Н, О, N) и их простейших молекул с необходимостью приводят к синтезу соединений, важных для формирования белков, углеводов, нуклеиновых оснований и липидов.



Открытия в области космохимии заставляют сделать и другой, крайне важный вывод: становление химической формы движения материи и процесс возникновения предбиологических систем непосредственно связаны между собой, выступают в определенном, необходимом единстве.

Новейшие открытия в области космохимии вновь возвращают нас к проблеме диалектики случайного и необходимого в эволюции Вселенной, поставленной еще Кантом. В своем труде «Всеобщая естественная история и теория неба» Кант со всей ясностью определил две крайние позиции, возможные в рамках данного противоречия. Критикуя некоторых древних и современных ему атомистов, занимавших механистические позиции в вопросах теории развития, Кант отмечал: «...сторонники учения о механическом происхождении мироздания выводили всякий наблюдаемый в нем порядок из слепого случая, который столь удачно объединил атомы, что они составили одно стройное це­лое» [18]. Надо сказать, что этот взгляд дожил до наших дней в трудах ряда естествоиспытателей. Они отстаивали и отстаивают его как строго научный, гарантирующий от проникновения в чистую сферу познания представлений о чуде, предопределении, телеологии. И в этом нельзя с ними не согласиться. Но сами естествоиспытатели, проведя необходимые расчеты, пришли к неутешительному выводу, что случайное, спонтанное возникновение даже единственной молекулы белка или нуклеиновой кислоты находится за пределами всякой разумной возможности. Так, Л. Блюменфельд [19] подсчитал, что вероятность случайного возникновения хотя бы одной из существующих на Земле молекул ДНК за всю земную историю при частоте синтеза 100 млн вариантов в секунду составляет бессмысленную величину 10-800. Не лучше обстоит дело с синтезом полипептидов, обладающих заданной последовательностью аминокислот.

Но если случайное возникновение упорядоченных химических структур биоорганических молекул не может быть принято во внимание, то остается альтернатива, предложенная Кантом, который писал: «Я считаю, наоборот, что материя подчинена

21

некоторым необходимым законам. Я вижу, как из ее состояния полнейшего разложения и рассеяния вполне естественно развивается некое прекрасное и стройное целое. И происходит это не случайно, и не вслепую, а, как мы видим, необходимо вытекает из естественных свойств» [18, с. 123–124]. Определив эволюцию Вселенной как необходимый процесс, Кант в силу ограниченности знаний своей эпохи и особенностей своего мировоззрения не мог устоять перед выводом, что совершенство и порядок органической природы являются результатом вмешательства сверхъестественной творческой силы. Данная позиция находит свое отражение во взглядах ряда естествоиспытателей нашего времени. Так, уже упоминавшийся нами П. Мора предлагает искать решение проблемы происхождения жизни на путях телеологии. На теле­ологические позиции сбивается и Д. Кеньон, соавтор книги «Биохимическое предопределение». Он бьется над проблемой случайного и необходимого и, не найдя истинного решения, заявляет: «...новые данные по проблеме происхождения жизни согласуются с идеей целенаправленного процесса космической эволюции» [20]. Но самого Кеньона такая позиция, видимо, беспокоит, и он стремится объяснить ее примером, взятым из сферы жизни. Он считает, что образцом «классической телеологии» является эмбриогенез. В этом случае конечный результат – взрослый организм – задан в яйце, запрограммирован в наследственном веществе. Отсюда он делает заключение по аналогии, что и жизни «присущи свойства исходных материалов, а именно наиболее широко распространенных реакционноспособных элементов космического пространства» [20]. Кеньон явно бьется здесь над категорией исторической необходимости, но сбивается в сторону телеологии, к признанию «цели космической эволюции».



В сознании естествоиспытателей еще имеет место смешение необходимости с телеологией. Камень под действием силы тяжести с необходимостью падает на Землю, но это не значит, что Земля является целью его движения. Наблюдая процесс химической эволюции в Космосе, мы видим ныне, что вещество Вселенной с необходимостью движется в сторону образования сложных молекулярных структур – носителей жизни. На этом пути также может возникнуть миллион случайных препятствий, но где-то и когда-то в просторах Вселенной процесс возникно-

22

вения жизни осуществит себя с железной закономерностью. Путь познания жизни пересечен Гималаями непонятного и неизвестного, однако и эти Гималаи будут преодолены, о чем свидетельствуют успехи современной космохимии.



Надо отметить, что существует еще одно важное наблюдение, которое свидетельствует как в пользу космического происхождения предбиологических систем, так и в пользу тезиса о единстве начал химической и биологической эволюции. Если сопоставить химический состав Космоса и химический состав Земли, планет, метеоритов, то выявляется одна любопытная закономерность. Наиболее распространены в нашей Галактике такие элементы, как водород, углерод, азот, кислород; но эти же элементы составляют основу живого. В то же время в земной коре, в составе лунных пород содержатся ничтожные количества таких органогенных элементов, как водород, азот, углерод, и в проти­воположность этому преобладают кремний, алюминий, железо, которых никак нельзя отнести к главным элементам живого. Отсюда можно сделать заключение, что живое вещество ближе к «звездному», т.е. оно имеет не локально планетарную, а общекосмическую природу.

Революция в космохимии дает основания для оптимистического заключения: жизнь во Вселенной не чуждое ей, случайное и «несчастное» образование, а результат необходимого развития ее сущностных сил, закономерное порождение природы. В живом веществе трепещет и бьется энергия космических солнц, строит и созидает, рождая миллионы причудливых форм, порыв и удо­вольствие, мысль и страдание, активная звездная материя. Тем самым подтверждается идея Спинозы: жизнь, мыслящий разум не случайный модус, а необходимый атрибут материи.


3. Факторы химической эволюции
Умы естествоиспытателей с давних пор волновал вопрос: как же, по каким направлениям, под влиянием каких факторов осуществляется в природе развитие на химическом уровне? На заре химических исследований образование и усложнение органических соединений объяснялись действием таинственной жизненной силы, формирующей материю. Не следует думать, что эта идея была полностью похоронена в середине прошлого

23

века. К ней в наши дни склоняется В. Деккельман, который в работе «Онтологическое значение основных понятий химии» не исключает наличия в природе «упорядочивающего фактора», «целокупного Телоса» [21].



Принцип развития был воплощен в статической системе гомологических рядов Жерара. Он пробивал себе дорогу через учение о единстве магнитных, электрических, термодинамических и химических форм движения материи: химизм предстал как определенная форма движения, связанная со всеми другими. Идея развития находит свое воплощение в учении о различных струк­турно-динамических уровнях организации материи: атомном, молекулярном, макромолекулярном, мицеллярном, межмолекулярном и т.п. Ныне существенный интерес вызывают работы, посвященные проблемам эволюции каталитических свойств вещества. Не стремясь исчерпать все подходы к анализу процессов развития в химии, попытаемся остановиться на некоторых из них, обычно реже обсуждающихся. Исследователей давно беспокоит вопрос: почему молекулы живых организмов построены преимущественно из атомов первых трех периодов таблицы Менделеева и в чем специфическая особенность главного из них – атома углерода?

А.М. Эмме полагает, что органогенные свойства углерода связаны с его уникальной способностью образовывать длинные цепи с большим числом изомеров [22]. Действительно, упомянутый им углеводород С200Н402 имеет 1087 изомеров, однако вряд ли этот факт имел какое-то отношение к эволюции живого, поскольку не только изомеров, но и самого нормального углеводорода такого состава в природе никто не видел. Он находится в сфере абстрактной возможности, пустого множества, через которое эволюция не проходила. Дж. Уолд [23] объясняет органогенные свойства углерода его способностью образовывать наиболее устойчивые, а также кратные химические связи. Однако какой-либо ясной системы аргументации в пользу подобного вывода автор не приводит.

Более подробно обсуждает проблему Л. Блюменфельд, который анализирует физические особенности важнейших биоорганических молекул: «При более детальном анализе этих низкомолекулярных «кирпичиков» выясняется ряд интересных общих закономерностей. Хотя эти закономерности и не являются спе-

24

цифическими именно для живой материи, тем не менее они могут заставить задуматься о том, не кроется ли в «подборе» свойств таких элементарных блоков нечто весьма существенное для функций живых систем» [19, с. 14]. При этом автор обращает внимание на то, что молекулы нуклеотидов, порфиринов, флавинов, каротиноидов, ряда аминокислот характеризуются низкой энергией электронного возбуждения, низким потенциалом ионизации, высоким сродством к электрону, высокой электронной поляризуемостью. Все эти черты связаны с повышенным динамизмом упомянутых молекул, высокой подвижностью и изменяемостью их электронного облака, а следовательно, и с высокой химичес­кой активностью. Видимо, это наблюдение существенно.



Вместе с тем хотелось бы обратить внимание на такие черты строения типичных органических молекул, которые обычно не принимают во внимание при обсуждении пригодности или непригодности тех или иных химических элементов для процессов развития живых систем. Можно утверждать, что даже не столь сложные органические молекулы представляют собою уникальное средоточие противоположных свойств и определений, воплощенное противоречие.

Рассмотрим достаточно типичную для живых систем и вместе с тем несложную органическую молекулу аминокислоты аланина. Аланин не является каким-то особым «порождением жизненной силы», поскольку легко образуется в модельных экспериментах С. Миллера, найден в метеоритах, весьма доступен в условиях лабораторного синтеза. Строение аланина изображается следующей структурной формулой:


Этот спокойный чертеж заключает в себе множество противоречивых определений. Если в неорганической природе кислоты и основания существуют всегда порознь, то в молекуле ала-

25

нина присутствует одновременно кислотная карбоксильная группа – СООН и основная аминогруппа – NH2. За счет этих групп молекула аланина обладает бифункциональной способностью образовывать разными путями две амидные связи и включаться в молекулу белка. В мире неорганических молекул трудно найти пример такой бифункциональности. Элементарные расчеты показывают, что введение в органическую молекулу группы NH2 повышает, а введение группы СООН понижает свободную энергию молекулы, эту меру ее химической активности.



С точки зрения окислительно-восстановительных отношений молекула аланина содержит атомы углерода в окисленном (СООН) и восстановленном (СН3) состояниях. Эти группы отличаются по их электронным свойствам: первая оттягивает на себя электронную плотность, вторая подает электроны за счет индукционного эффекта. Различная полярность этих групп приводит к тому, что карбоксильная группа в водных растворах проявляет гидрофильные, а метильная – гидрофобные свойства (подобно парафину). Это отличие оказывается важным при формировании третичной структуры белковых макромолекул.

Молекула аланина заключает в себе связанные ковалентными связями и свободные (на озоне и кислороде) электронные пары. Она содержит предельные и непредельные (С=О) химические связи. Внутри нее существуют нуклеофильные центры, стремящиеся взаимодействовать с электронно-дефицитными группами, и электрофильные центры, тяготеющие к соединению с группами, несущими избыток электронов.

Центральный углеродный атом аланина является асимметричным, т.е. может находиться либо в форме левой, либо в форме правой конфигурации. Эти определения симметрии не равнодушны и не внешни друг другу. Напротив, сама эта асимметрия крайне асимметрична: если в лабораторном синтезе химик получает равное число левых и правых молекул аланина, то живое вещество знает лишь одну левую форму. Объяснить это явление еще никому не удалось, ссылки на первоначально случайное образование одной из форм ничего не объясняют.

Наконец, молекула аланина обладает сложной внутренней химической динамикой: ион водорода может от одного атома кислорода мигрировать к другому или перебегать к атому азота, образуя внутреннюю соль. Надо сказать, что сами атомы водо-

26

рода в аланине делятся на две группы: подвижные (в NH2 и СООН) и малоподвижные (в С-Н). Подвижные водороды образуют внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи.



Мы бегло перечислили многообразные характеристики простенькой молекулы аланина. Никакой самый сложный алюмосиликат не сравнится с ней по богатству противоречивых свойств и определений. А ведь аланин не триптофан, не нуклеозид, не фолиевая или пантотеновая кислота. Образование молекул биополимера сохраняет все богатство свойств входящих в него мономеров и приводит к возникновению качественно новых определений. Они не падают с неба, а физически строго вытекают из характеристик исходных молекул. Гидрофобность алифатических групп аминокислот, суммируясь в полипептиде и сочетаясь с конформационными переходами, рождает способность молекулы белка менять свою структуру и тем самым реакционную способность в водных и неводных системах. Эфемерные, слабые водородные связи, умноженные на структурную упорядоченность биологических микромолекул, создают условия для явления комплементарности, репликации молекул.

Но вернемся к аланину. Невероятная насыщенность его молекулы противоречивыми свойствами и характеристиками заставляет вспомнить Гегеля: «Нечто жизненно, только если оно содержит в себе противоречие и есть именно та сила, которая в состоянии вмещать в себе это противоречие и выдерживать его» [24]. Противоречивая природа типичных органических молекул есть та черта, которая сделала их основой эволюции живых систем. Наличие такой противоречивости приводит к двум важным последствиям: во-первых, такие молекулы оказываются способными к многообразным связям с окружающей средой, во-вторых, им внутренне присущи имманентная пульсация, самодвижение.

Рассмотрим первую сторону вопроса. Для типичных неорганических молекул изменения химических условий среды обычно приводят к исчезновению данного и возникновению нового химического индивидуума. Для типичной органической молекулы возникает некоторый спектр внешних химических условий, воздействие которых модифицирует молекулу, но не уничтожает ее химической индивидуальности. Так, изменение кислотности (рН) среды в некоторых пределах вызовет внутри

27

молекулы аланина определенную перегруппировку атомов водорода по таутомерному механизму, но не приведет к ее уничтожению. Способность к такой перегруппировке является следствием противоположных свойств карбоксильной и аминогрупп. Тем самым возникают явления гомеостаза, обратной связи, столь характерные для кибернетических систем, формируется адаптация, динамическое равновесие с условиями внешней среды, зарождается на химическом уровне своеобразная приспособительная реакция, которая с точки зрения сохранения молекулы носит целесообразный характер.



Что касается внутренней устойчивости органических молекул, то следует особо подчеркнуть их способность удерживать в своей структуре атомы углерода различной степени окисления. Этого свойства лишены другие химические элементы. Существует лишь крайне незначительное число искусственных химических соединений, в которых имеются окисленные и восстановленные атомы одного и того же элемента.

Главный соперник углерода, которому упорно хотят приписать способность создавать структуру для «кремниевой жизни» во Вселенной, не может образовать стабильного аналога простейшей уксусной кислоты:

В способности выдержать, вынести противоречие – тайна углеродных соединений как носителей жизни. При этом какие-либо физические законы не нарушаются.

Однако этой способностью дело не исчерпывается. На ее основе возникают два диалектически связанных процесса, непосредственно относящиеся к проблеме химической эволюции: закономерное образование внутренне противоречивых, противоположно определенных по своим свойствам органических молекул за счет вещества Вселенной и космической энергии звезд, а затем закономерный распад, деструкция этих молекул по определенным путям с выделением и рассеиванием поглощенной космической энергии. Попутно открывается возможность превращения этой энергии в другие виды: механическую, световую и т.п.

28

Науке еще предстоит выяснить все пути и объективные тенденции превращения органических соединений, однако некоторые важные закономерности уже очевидны. Так, расчеты свободных энергий показывают, что органические соединения реализуют такие химические процессы, в ходе которых осуществляется окислительно-восстановительное диспропорционирование с тенденцией выделения из молекулы углекислоты и воды [25]. В простейших случаях спонтанное окислительно-восстановительное диспропорционирование известно и для элементов неорганической природы. Так, четырехвалентный ион плутония распадается на трех- и пятивалентный:


2Рn4+→Рn3+ + Рn5+.
В свое время подобное явление, обнаруженное для ионов марганца, привлекло внимание Гегеля: «Химические явления, подобные, например, таким, когда в процессе окисел низводится на низшую ступень окисления, на которой он может соединиться с воздействующей кислотой, тогда как другая часть окисляется, наоборот, сильнее, дали химии повод ввести в свои объяснения момент целесообразности, момент некоего начального самоопределения понятия из себя в его реализации, которая с этой точки зрения детерминирована уже не одними только внешне наличными условиями» [8, с. 356]. Для подобных процессов нет нужды вводить объяснения, основанные на целесообразности. Однако они дают представления о том, как в природе объективно формулируется то, что потом становится целесообразностью.

В органической химии окислительно-восстановительное диспропорционирование играет огромную роль. К нему сводятся многочисленные реакции превращения гликолей в кетоны, оксикетонов в кислоты, декарбоксилирования и т.д. В живой природе важнейшим процессом, протекающим без участия кислорода, является гликолиз, или брожение – превращение сахаров в молочную или уксусную кислоты с выделением энергии. Это процесс окислительно-восстановительного диспропорционирования атомов углерода молекулы сахара:

По такому же механизму протекают многие биохимические процессы. В окружающей нас неживой природе идет распад ор-

29

ганического вещества, который также сводится главным образом к диспропорционированию и выделению углекислоты и воды.



В результате лишь этой прослеженной нами на ряде примеров тенденции мы можем сделать вывод о некоторых направлениях в эволюции химического вещества. Мы наблюдаем процессы прогрессивного развития, критериями которого являются усложнение функции, обогащение возможностей химических преобразований, возрастание внутренней противоречивости, активности молекул, с одной стороны, а с другой – постепенный регресс, примитивизация функций, снижение химических возможностей, распад до угля, карбонатов, углеводородов, углекислоты. Это пепел грандиозного химического процесса, протекающего в биосфере, проследить его во всех деталях – задача и важная и сложная.

Исследования планет Солнечной системы подтверждают заключение, что при отсутствии жизни крайне вяло и примитивно текут химические процессы. Грандиозный кругооборот веществ на Земле – результат химического проявления жизни. Только зеленые растения, обитающие на суше, ежегодно синтезируют 1,73 1011 тонн органического вещества и усваивают 7,3 1017 больших калорий энергии. Эта химически и энергетически активная масса живого вещества подчиняет себе, инициирует движение химических элементов в биосфере. Тем самым высшая, биологическая форма движения в природе, возникая из неорганических условий химизма, подчиняет их себе, включает в сферу своего функционирования.

Как мы видим, проблема химической эволюции требует разностороннего подхода, включающего становление химизма, выявление его внутренних тенденций движения, прогрессивной и регрессивной ветвей.

Этапы и звенья на пути развития химизма выявляются лишь постепенно; здесь еще очень много неясного, нераскрытого. Поле исследований обширно и привлекательно: они приведут нас к пониманию процесса становления жизни. В то же время уже достигнутое свидетельствует о превращении химии в историческую науку, о торжестве исторического метода и в данной сфере естествознания.

При рассмотрении судьбы химического индивида неизбеж-

30

но проявляется диалектика дискретного и непрерывного. «Новая атомистика, – писал Энгельс, – отличается от всех прежних тем, что она (если не говорить об ослах) не утверждает, будто материя только дискретна, а признает, что дискретные части различных ступеней (атомы эфира, химические атомы, масса, небесные тела) являются различными узловыми точками, которые обусловливают различные качественные формы существования единой материи» [12, с. 608]. Эта мысль имеет необычайно глубокое содержание. Она особенно важна для понимания эволюции материи на химическом уровне. Дело в том, что химическая эволюция органических молекул приводит к возникновению целой системы субординированных и координированных индивидов, что крайне обогащает химическую форму движения. Уже для простых органических соединений обнаруживается, что реальными «атомами», их составляющими, являются не одни только атомы химических элементов, но и дискретные, способные к длительному существованию, к перемещению из молекулы в молекулу, к известной изменчивости с сохранением индивидуальности; многоатомные радикалы – истинные атомы органической химии.



Накопление в молекуле таких однотипных радикалов обусловливает явление гомологии: от простейших в ряду алканов до более сложных – винилогии, фенилогии, карбинологии. Этот принцип находит затем свое полное раскрытие в цепях полипептидов, полисахаридов и нуклеиновых кислот и, наконец, в гомологичных рядах растительных организмов (Н.И. Вавилов), в гомологичных органах. Кооперирование химических индивидов с очевидностью проявляется при формировании молекулярных комплексов вплоть до четвертичных белковых структур.

Так шаг за шагом образуются сложные, высокоорганизованные химические индивиды, устойчивые и лабильные, способные действовать как целые в кооперативных атаках и отдельными своими функциональными группами, впитавшие, вобравшие в себя многие условия внешней среды и потому приспособленные к ним. Для сложных химических индивидов открывается возможность одновременно как бы вступать и не вступать в данное взаимодействие, сохраняя себя в нем.

Но если в органической молекуле существует сила, способная выдержать противоречие, то эта сила не должна вместе с

31

тем позволить этому противоречию окаменеть внутри молекулы. В самом деле, заключенные внутри органической молекулы противоречия как бы стремятся вырваться наружу, распасться на свои внешние противоположности. Необходимость внешней энергии для поддерживания химического процесса на планете связана с тем, что сам по себе он конечен, ограничен, склонен к затуханию, к окостенению во внешних, абстрактных противоположностях.



Ассимиляция внешних условий в ходе химической эволюции выступает в качестве основы для отражения внешнего воздействия на химическом уровне. Если внешнее условие не ассимилировано указанным образом, то оно не может быть адекватно отражено. Поскольку внутриядерные процессы и частицы лишь хаотически разрушают, раскалывают, беспорядочно и случайно дезорганизуют молекулу, то они не ассимилируются на химическом уровне и мы не можем ощущать их нашими химическими рецепторами, не можем «нюхать» частицу или различать на вкус мезоны. В то же время химическое соединение в определенных пределах воздействия строго дифференцированно реагирует на внешние факторы, видоизменяющие его физико-химическую природу: химический реагент, свет, звук, механическое изменение. Очевидно, не всякая молекула способна к этому, а лишь та, которая не только изменяется в ходе указанного воздействия, но при этом и сохраняет себя. Это свойство присуще типичным органическим молекулам живых структур.

При изучении химических превращений мы сталкиваемся с двумя видами реакций. Для первой группы характерно коренное изменение природы реагирующей молекулы, ее трансформация в совершенно новое соединение; такие реакции типичны для неорганических веществ (кислота и щелочь превращаются в соль, кислород и водород образуют воду), но они имеют место и в органической химии. В то же время для органических соединений более распространенными становятся процессы, при которых молекула не исчезает полностью, а лишь модифицируется, сохраняя некоторый исходный тип. Это встречается при реакциях замещения одного атома в молекуле на другой, при таутомерных перегруппировках, при рацемизации оптически активных соединений. Фактически здесь речь идет о становлении устойчивой индивидуальности, способной сохранить себя в ходе

32

химических превращений. Особенно существенно то, что органические молекулы под внешним воздействием вообще могут химически не измениться, а переходить лишь в иное состояние в результате перераспределения энергии, возбуждения, поворотов отдельных групп, обратимой миграции некоторых атомов, образования временных лабильных связей и т.п.



Этот момент крайне важен для биохимической эволюции материи: химический индивидуум оказывается способным изменить свою природу, полностью сохранив себя. На этом этапе раскрывается грандиозный процесс отрицания отрицания в развитии материи: слабые и эфемерные физические силы, лишь слегка модифицирующие молекулу при сохранении ее химической структуры, накапливаясь в макромолекулах и их комплексах, становятся основой для формирования структур живого. Переход от химии к биологии выступает как возврат к господству слабых физических взаимодействий.

Сохранение себя в ходе воздействия извне является существенной основой для возникновения функции отражения как общего свойства материи. Важно подчеркнуть, что это сохранение себя означает не кататоническое отсутствие всякой реакции на внешнее воздействие, а именно изменение с одновременным сохранением своей индивидуальности. Господство обратимых реакций в химии обеспечивает длительное сохранение, пребывание и возвращение к себе указанной индивидуальности как носителя свойства (не скажем субъекта) отражения.

Способность материи к отражению впервые заметно проявляется как формирование себя по внешнему предмету на химическом уровне. На низшей ступени неорганической природы эта способность выступает как пассивное приспособление себя к окружающему – кристалл, который представляется статическим, мертвым, однообразно бесконечным уподоблением себя себе подобному. В кристалле внутренняя определенность положена во внешней форме, но не во внешней границе. Отсюда – пассивная подчиненность случайным факторам и воздействиям, которые определяют характер роста кристалла, его размеры, дислокации, включения, искажения формы. Такое пассивное, «кристалличес­кое» уподобление, растворение себя в себе подобной окружающей среде является необходимым моментом всякого химического взаимодействия, но не сводится к нему. Сложная

33

органическая молекула формирует себя по внешнему предмету в момент взаимодействия как система динамическая. Этому способствуют гибкость, лабильность, внутренняя подвижность молекулы, наличие полярных по своим свойствам групп.



Химическая комплементарность, первоначально возникающая как специфическая адсорбция молекул, как структура переходного состояния в акте реакции, достигает своего высшего выражения в четвертичных структурах биополимеров, в фермент-субстратном комплексе, во взаимодействии антигена и антитела, наконец, в химической рецепции организма (обоняние, вкус). Комплементарность есть одна из форм отражения на химическом уровне, и она подводит нас к ощущению, к работе органов чувств.

Современная теория показывает, что в ходе химического взаимодействия двух молекул или фермента с субстратом происходит взаимное изменение, искажение структуры: нарушаются межатомные расстояния, валентные углы, перераспределяется электронная плотность, атомы могут приобрести ненормальную валентность.

Расчеты показывают, что в момент такого взаимодействия энергия системы максимальна, т.е. она наиболее возбуждена, наиболее деятельна, наиболее богата возможностями дальнейших превращений и изменений. Процесс отражения на химическом уровне есть момент наибольшей активности материи, наиболее тесного и полного формирования химического индивида по предмету, наиболее глубокого изменения самого предмета отражения. Именно этот момент и заключает в себе специфику и труднодоступную тайну химического движения, а не расфасованные в банках конечные мертвые продукты превращения, по которым мы судим о том, что же произошло за миллиардную долю секунды химического акта. Непрерывное деление переходных состояний и есть жизнь.

Поскольку химическая форма движения содержит в себе в снятом виде физическую, то химическая молекула может выступить рецептором изменений внешней физической среды. Электрические и магнитные поля, свет, звук, тепло, механические влияния в конечном итоге воздействуют на химическую молекулу, оставляют определенный след, который может сказаться на ее дальнейшем физическом или химическом поведе-

34

нии. Сохраняя свою индивидуальность, она становится носителем сведений о внешнем мире, фиксируя информацию в виде возбуждения, поляризации, конформационного поворота. Эта информация может быть передана при последующих взаимодействиях с другими молекулами. Физические поля открывают возможность для дистантной передачи взаимодействия молекул, для своеобразной межмолекуляр­ной «сигнализации».



Отмеченная нами способность молекулы отражать, фиксировать внешние физические и химические воздействия при одновременном сохранении своей индивидуальной природы может быть охарактеризована как химическое кодирование. Его особенностью является обратная, зеркальная адекватность внешнему воздействию. Уже на этой стадии видно, что кодирование представляет собой лишь одну сторону процесса отражения, не исчерпывая его полностью. Понятие кодирования, в частности, не раскрывает активности отражения, его воздействия на отражаемый объект. В то же время кодирование на молекулярном уровне есть существенный момент в развитии свойств отражения. Способность органических соединений образовывать полимерные цепи, пучки молекул, фибриллы лежит в основе формирования каналов связей, по которым может пробегать специфическая волна возбуждения, передаваться информация.

В процессах на химическом уровне мы сталкиваемся с усилением роли того типа причинности, которую мы назвали пусковой. В этом случае конечный эффект оказывается относительно независимым от первоначального воздействия. Подобно тому как зрительное ощущение в глазу может быть вызвано не только светом, но и электрическим импульсом или ударом, так нестабильная химическая система выходит из состояния неустойчивого равновесия под воздействием самых неожиданных и неадекватных причин. Здесь мы видим зарождение кибернетического принципа управления с помощью команды. Эволюция этого свойства должна быть тщательно прослежена на химическом уровне и соотнесена с эволюцией каналов связи.

Еще раз подчеркиваем, что во всех описанных свойствах и характеристиках органических молекул нет каких-либо особых черт, отличных от их бытия. И тем не менее при их взаимодействии зарождается нечто третье, возникает результат, не исчерпываемый описанием взаимодействия. Это зачатки свойств от-

35

ражения, которые лежат в основе дальнейшего развития материи в сторону жизни.




Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   25


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет