Следующей специфической формой причинности в химии является каталитический контроль, способный ускорять или замедлять процесс, не нарушая положения равновесия. Вся биохимия является царством сложно построенных органических катализаторов - ферментов. Весьма важной разновидностью катализа являются автокаталитические реакции, при которых возникающий продукт содействует образованию себе подобных молекул.
Наконец, химия сталкивается с цепньми реакциями, возникающими по механизму пусковой причинности, когда исходный, подчас кажущийся случайным толчок приводит в действие лавинообразный процесс синтеза или распада вещества. Эти явления можно обнаружить и при полимеризации малых молекул в высокомолекулярное соединение, и при взрыве порохового заряда.
На уровне каталитических и цепных процессов возникает проблема внутренних механизмов регулирования скорости и направленности химической реакции. Здесь происходит смыкание с явлениями, которые описываются в терминах кибернетики и теории управления: возникают обратные связи, автоколебательные изменения системы, перераспределение энергии между основной реакцией и регуляторными механизмами (сорбция, конформационные изменения, транспорт). Так постепенно формируются свойства молекул как носителей информации.
Таким образом, исследование химической формы движения материи приводит к расширению и обогащению понятия причинности как одной из форм всеобщего взаимодействия явлений в природе.
Говоря о формах движения и силах, объединяющихся в химизме, мы не коснулись жизненной силы, которую в не столь далеком прошлом считали ответственной за синтез сложных органических соединений с присущими им свойствами подвижности, лабильности, неустойчивости. Заимствованные химией из биологии виталистические представления рухнули, когда удалось абиогенным путем получить мочевину (Велер), углеводы (Бутлеров), жиры (Бертло). Но крушение виталистических взглядов оставило нерешенным вопрос: чем же определяется особая активность, динамизм органических молекул? Картина здесь прояснилась лишь постепенно. Шаг за шагом, анализируя конкретные данные своей науки, химики-исследователи приходили к пониманию того, что химический процесс есть проявление общего свойства внутренней активности, самодвижения материи. Этому способствовало обнаружение возбужденных состояний молекул, нестабильных, коротко живущих частиц (ионов, свободных радикалов), уяснение того фундаментального факта, что химические реакции проходят через стадию переходного состояния, активированного комплекса взаимодействующих частиц. Подобно тому, как нельзя понять движущие силы биологической эволюции, рассматривая гербарии и музейные экспонаты, так и химическую эволюцию нельзя уяснить, созерцая банки с реактивами в лабораторном шкафу. Только понимание химизма как самодвижения материи, проявления ее активности, внутренней напряженности дает ключ к химической эволюции.
Вопреки утвердившемуся и широко распространенному мнению современная химия не исчерпывается изучением состава, строения и свойств химических соединений. Скорее ее можно назвать наукой об атомно-молекулярной истории природных и искусственных тел. Эта история включает в себя космический круговорот веществ на Земле и в ее геосферах, на иных планетах, в межзвездной среде, где условия допускают существование молекулярных структур. Но в бесконечных циклах и круговоротах вещества мы фиксируем вполне определенное направление поисков, которое определяет прогрессивную эволюцию химической формы движения. Это направление приводит нас к формированию, происхождению живых организмов.
Вопреки Гегелю, который снял проблему возникновения живого в ходе химической эволюции, Энгельс, опираясь на данные современной ему науки и принципы материалистической диалектики, вскрыл эволюционную направленность химического процесса. В «Диалектике природы» он писал: «Химия же находит настоящий ключ к истинной природе наиважнейших тел только при исследовании органических соединений; с другой стороны, она и синтезирует такие тела, которые встречаются только в органической природе. Здесь химия подводит к органической жизни, и она продвинулась достаточно далеко вперед, чтобы гарантировать нам, что она одна объяснит нам диалектический переход к организму» [12]. Далее Энгельс подчеркивает, что действительный переход химической формы движения в биологическую совершается только в истории, будь это на Земле или в Солнечной системе в целом. Изложенные Энгельсом мысли фактически явились программой для естествознания Нового времени.
Изучение химической формы движения материи в настоящее время невозможно рассматривать вне познания этапов химической эволюции вещества, т.е. вне временных и исторических характеристик химизма. Для современного естествознания, пронизанного идеями развития, такой подход представляется достаточно тривиальным, однако в реальных условиях каждой науки проследить генетическую цепь становления, возникновения, функционирования и гибели отдельных материальных форм и образований - задача не из простых.
Для химиков проблема времени, эволюции, истории возникла еще с давних алхимических, донаучных времен. Она просматривается в представлениях о круговороте стихий и элементов, а главное - в упорных попытках использовать химию для уничтожения, устранения времени. Отсюда ясный социальный заказ исследователю: открыть эликсир вечной молодости, добиться нескончаемого богатства путем превращения любых металлов в золото, обеспечить неизбывное бессмертие, создать вечный двигатель.
Такое «устранение времени» (time-elimination), как говорит Уитроу [13], проникло в методологию самой химической науки и стало на целый ряд столетий важной характеристикой этой сферы научного исследования. Нельзя не согласиться с весьма едким замечанием О. Бенфи, высказанным им в статье «Концепция времени в химии»: «Довольно заманчиво характеризовать историю химии как непрерывное стремление избежать открытого употребления понятия времени в химических теориях» [14]. В самом деле, время никак не присутствует ни в уравнениях химических реакций, ни в термодинамических представлениях о химическом равновесии, ни в уравнении Шредингера, которое по своей природе может описать лишь квазистационарные состояния атомов и молекул.
Конечно, химиков не могло удовлетворить такое вневременное рассмотрение их объекта исследования. В качестве некоего манифеста Шарль Жерар еще в середине XIX в. утверждал, что «химия занимается последовательными преобразованиями материи. Она вникает в происхождение тел, исследует их прошедшее и будущее» [15]. Но это, в общем, было лишь благим пожеланием и в лучшем случае - программой на будущее, поскольку «прошедшее и будущее» было известно лишь для веществ, полученных в лабораторных колбах и ретортах. Изучать по ним историю естественных химических тел было бы почти так же трудно, как прослеживать становление жизни на основе данных сельскохозяйственной селекции.
В современной химической теории «устранение времени» приобретает подчас весьма сложные и изощренные формы. В их основе лежит замена движения во времени суммой неподвижных состояний. Такой «цайтраферный», как выразились бы кинематографисты, подход прослеживается в попытках представить химическое превращение как цепь промежуточных продуктов или как суперпозицию нескольких реюнансных форм. И тем не менее этот подход, не выражая всей полноты и истинности химической эволюции, позволяет обнаруживать ее прерывистые звенья, последовательность превращений. Здесь к объектам химии может быть применен принцип, оправдавший себя в биологии: составление своеобразной палеонтологической летописи веществ. Соответствующая ей палеонтологическая летопись живых существ еще не раскрывает перед нами путей, движущих сил, механизмов эволюции, но уже подводит к ее пониманию.
В химии такая внешняя связь явлений была представлена в системе Жерара, которая рассматривала ряды гомологов, обладающих единой химической функцией, но различным молекулярным весом (накопление СН2-групп), и гетерологов, характеризующих переход от одной функции к другой (углеводороды, спирты, кислоты и т. п.). Так, отдельные вещества данного класса гомологов (например, муравьиная, уксусная, пропионовая и т. д. кислоты), несомненно, представляют собой внутреннее единство, но между ними не существует генетической связи, связи происхождения. Конечно, можно, например, получить из одной кислоты другую, но эти переходы множественны, произвольны и не заключают в себе какой-то внутренней линии развития. Видимо, именно поэтому подобного рода классификации играют в химии второстепенную роль и не лежат в основе исторического процесса развития, усложнения вещества. Интересно отметить, что генетический характер таких классификаций проявляется не в естественной истории, а в химической технологии, где действительно можно найти методы прямого перехода от низшего гомолога к высшему и т. д. Не опыт природы, а опыт химической лаборатории и производства позволил М. Бертло с гордостью утверждать, что химия свою генетическую классификацию реально воспроизводит путем синтеза.
Пути химического превращения вещества в природе иные, их обнаружение создало основу для понимания химической эволюции. 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.
Можно много говорить о результатах, полученных в каждой из упомянутых отраслей знаний, можно длительно перечислять вскрытые ими закономерности, но для наших целей следует найти, вычленить ту центральную проблему, которая объединяет, скрепляет и пронизывает материал всех химических наук. На современном этапе научного познания таковой является проблема происхождения жизни. Эта великая научная задача была поставлена перед естествознанием еще в трудах Энгельса: «Здесь остается добиться еще только одного: объяснить возникновение жизни из неорганической природы» [12, с. 512].
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 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 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 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 10 см-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, NН3, 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, Фокc, 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):
NС - С СН (I) СН3СНО (II)
Н2NСНО (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 см3.
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 определенным 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.
10-09-2015, 22:55