Вопрос 21. Основные концепции эволюционной химии

1) Химия -- одна из самых древних наук, Человек всегда наблюдал вокруг себя изменения, когда одни вещества давали жизнь другим или неожиданно меняли свою форму, окраску, запах. Во все исторические эпохи человек стремился осуществить превращение веществ. Химия как наука о веществах и их превращениях сформировалось приблизительно к концу XVIII века. Но истоки химического искусства находятся в глубокой древности, когда люди в ходе повседневной практической деятельности имели возможность наблюдать и использовать для своих целей различные химические процессы. Древняя «химия» представляла собой некоторую совокупность сведений практического характера. Первоначальное накопление химических знаний осуществлялось в области ремесленной прикладной химии. В первую очередь эти сведения касались процессов выплавки и обработки металлов. Еще в древности возникли ремесла, в основе которых лежали химические процессы: выплавка металлов, получение стекла, керамики, красителей, лекарств, ядов, освоение бальзамирования и т.д. Первыми металлами, которые использовались человечеством, были медь, свинец, золото и серебро. В древности широко использовался также сплав золота с серебром (егип. – азем, греч. – электрон). Высокий уровень развития техники обжига, усовершенствование высокотемпературных технологий привели к изготовлению изделий из железа приблизительно в середине II тыс. до н.э. В древности железо обычно изготавливали в горнах так называемым сыродутным способом с применением древесного угля. Постепенно техника выплавки и обработки железа достигла очень высокого уровня. Наступил «железный век». Возникновение металлургии позволило человечеству практически овладеть двумя важнейшими химическими процессами: обжигом – окислением металла и обратным превращением – восстановлением оксида в металл. Металлы стали основным естественным объектом, при изучении которого возникло понятие о веществе и его превращениях. Другим важным ремеслом, требовавшим «химических» навыков, было производства красителей. И в Месопотамии, и в Египте уже в глубокой древности было развито получение как минеральных красок (сурик, белила, сажа и др.), так и красителей, выделенных из растительных и животных организмов. Например, для окраски в желтый цвет использовали корень куркумы, а известный по меньшей мере со II тыс. до н.э. красно-малиновый краситель, пурпур, получали из моллюсков. Химические знания в эпоху Средневековья Период, охватывающий более тысячелетия, начиная примерно с IV в. н.э., характеризуется медленным прогрессом науки. С историко-химической точки зрения интересным явлением, во многом определяющим «химическую» картину мира того времени, является алхимия – специфическая область средневековой культуры, которую связывают с попытками осуществления трансмутации – взаимопревращения металлов (главным образом, с целью получения золота). Зарождение алхимии в первые века нашей эры явилось результатом взаимодействия древнегреческой натурфилософии (учения Платона, Аристотеля и их последователей) с практическими знаниями древних ремесленников. Под влиянием взглядов Аристотеля об общей основе всех тел и их различии в соотношении составляющих элементов-качеств во взглядах на материю сформировалось убеждение в возможности путем взаимопревращения элементов-качеств изменить это соотношение (и соответственно, превратить одно вещество в другое). Известные в то время практические факты подтверждали подобное убеждение. Так, изменения, которым подвергаются твердость, вязкость, цвет и другие свойства веществ (например, металлов) под влиянием многочисленных химических агентов, воспринимались как подтверждение превращения этих веществ и способствовали укреплению идеи об их общей сущности. «Металлы сходствуют в эссенции; они различаются только своей формой», - отмечено в сочинениях крупнейшего средневекового ученого, философа и богослова Альберта Великого. С 1-й половины 16 в. и до 2-й половины 17 в. свой вклад в развитие химии и медицины вносили ятрохимики (химики-врачи): немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс(В начале 16 в. наряду с алхимией возникает ятрохимия – врачебная химия, разрабатывавшая новые лечебные препараты). Одним из ее родоначальников был Ф. фон Гогенгейм (Парацельс). Отвергая достижения предшественников, он, по сути, не ушел далеко от них в теории, но как практик ввел ряд новых лекарственных препаратов., голландские учёные Я. Б. ван Гельмонт, Ф. Сильвий и др., занимавшиеся исследованием пищеварительных соков, жёлчи, а также процессов брожения (см. Ятрохимия). Сильвий, прославленный врач, придавал особенно большое значение правильному соотношению в организме человека кислот и щелочей; он полагал, что в основе многих, если не всех, болезней лежит расстройство этого соотношения. Большая часть принятых ятрохимиками положений была наивной, полной заблуждений; однако нельзя забывать, что научной химии тогда ещё не существовало. На Руси химия развивалась преимущественно самобытно. В Киевской Руси осуществляли выплавку металлов, производство стекла, солей, красок, тканей. При Иване Грозном в Москве в 1581 г. была открыта аптека. При Петре I были построены купоросные и квасцовые заводы, первые химические мануфактуры, а в Москве насчитывалось уже восемь аптек. Дальнейшее развитие химии в России связано с работами М.В. Ломоносова. Исследования великого английского ученого Бойля положили начало рождению новой химической науки. Он выделил химию в самостоятельную науку и показал, что у нее свои проблемы, свои задачи, которые надо решать своими методами, отличными от медицины. Систематизируя многочисленные цветные реакции и реакции осаждения, Бойль положил начало аналитической химии. Он же стал автором одного из первых законов рождающейся физико-химической науки. Наиболее интересными и разнообразными были его опыты по химии. Он считал, что химия, отпочковавшись от алхимии и медицины, вполне может стать самостоятельной наукой. Р. Бойль сделал важный вывод: качество и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит. Принято считать, что химия стала подлинной нау-кой во второй половине XVIII в., когда первый рос-сийский ученый-естествоиспытатель M.В. Ломоносов(1711 — 1765) сформулировал закон сохранения материии движения, исключив из числа химических агентов флогистон — невесомую материю Возникновению учения о химическом равновесие относится к XVIII в. Основополагающие принципы учения о химическом равновесии были выдвинуты в трудах выдающегося французского химика К. Л. Бертолле. Он показал, что «избирательные сродства действуют не как абсолютные силы, посредством которых одно вещество могло бы быть вытеснено другим. Напротив, во всех соединениях и разложениях, которые являются результатом избирательного сродства, происходит распределение соединения между веществами, действие которых направлено в противоположные стороны. Пропорция этого распределения определяется не только энергией сродства этих веществ, но также и количеством, которым они действуют, так что для произведения равных степеней насыщения количество может возмещать недостаточность силы сродства».Ясно понимая, что «сила» химического взаимодействия зависит от массы реагентов, Бертолле считал, что реакции идут лишь до определенного предела, так как прямые реакции тормозится обратными. Состояние равновесия, по Бертолле, зависит также от действия теплоты и от агрегатного состояния вступающих в реакцию и образующихся веществ. 3) ЭВОЛЮЦИОННАЯ ХИМИЯ Эволюционная химия — четвёртая концептуальная система химии, связанная с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов. Одним из первых открытий, которые относят к эволюционной химии, является эффект самосовершенствования катализаторов в реакциях, исследованный в работах американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингем в 1958—1960 гг. В 1964—1969 гг. советский химик А. П. Руденко, учитывая это открытие, создал теорию саморазвития открытых каталитических систем. В работах немецкого химика М.Эйген была развита теория гиперциклов, объясняющая объединение самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические химические циклы. Теория гиперциклов является абиогенетической теорией химической эволюции и происхождения жизни. В 1987 году Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен, основатель супрамолекулярной химии, ввёл понятие супрамолекулярной самоорганизации и самосборки для описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений. Супрамолекулярной самосборкой является процесс спонтанной ассоциации двух и более компонентов, приводящий к образованию супермолекул или полимолекулярных ансамблей, происходящий за счет нековалентных взаимодействий. Это процесс был описан при изучении спонтанного образования неорганических комплексов (двойных геликатов), протекающего как процесс самосборки. Наиболее известным проявлением самосборки в живой природе является самосборка молекул нуклеиновых кислот, матричный синтез белков. Еще до недавнего времени, до 50 - 60-х гг. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличии от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химиков вопрос о происхождении вещества не волновал, потому что получение любого нового химического индивида всегда было делом рук и разума человека: молекула нового химического соединения конструировалась по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же организмы из блоков собрать нельзя. Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. Искусственный выбор каталитических структур ориентировался на естественную, осуществляемую природой эволюцию от неорганической химии к живым системам. Другим основанием для развития исследований в области эволюционной химии являются реальные достижения «нестационарной кинетики». В результате этих достижений у химиков появилась возможность решать эволюционные проблемы применительно к своим объектам. Это проблемы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают предбиологией - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. ВЗАИМОСВЯЗЬ ХИМИИ С БИОЛОГИЕЙ Химия и биология долгое время шли каждая своим собственным путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма. Процесс взаимодействия химии и биологии значительно усилился в начале XIX века, когда в составе химии образовались две самостоятельные научные дисциплины - неорганическая и органическая химия. Применительно к вопросу взаимодействия химии и биологии наибольший интерес представляет органическая химия. Органическая природа предоставила химикам-органикам прекрасные образцы своего творения - вещества растительного и животного происхождения - для подражания и воспроизведения подобных веществ в химических лабораториях. Так для химиков возник «биологический идеал», оказавший большое влияние на развитие органической химии, особенно на первоначальном этапе ее становления. Резкое укрепление взаимосвязи химии с биологией произошло в результате создания А.М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений. Руководимые этой теорией химики-органики вступили в соревнование со своей «соперницей» - природой. Последующие поколения химиков проявили большую изобретательность, труд, фантазию и творческий поиск в направленном синтезе вещества. Их замыслом было не только подражать природе, они хотели превзойти ее. И сегодня мы можем уверенно заявить, что во многих случаях это удалось. Лишь постепенное развитие науки XIX века, приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке, среди них вопросы о характере химических процессов в живых тканях, об обусловленности биологических функций химическими реакциями. Действительно, если посмотреть на обмен веществ в организме с чисто химической точки зрения, как это сделал А.И. Опарин, мы увидим совокупность большого числа сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между собой во времени, протекают не случайно, а в строгой последовательности, в результате чего образуются длинные цепи реакций. И этот порядок закономерно направлен к постоянному самосохранению и самовоспроизведению всей живой системы в целом в данных условиях окружающей среды. Таким образом, такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений. Поэтому химии среди наук, изучающих жизнь, принадлежит основная роль. Именно химией выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых кислот и т.д. Но главное заключалось в том, что объективно в самой основе биологических процессов, функций живого лежат химические механизмы. Все функции и процессы, происходящие в живом организме, оказывается возможным изложить на языке химии, в виде конкретных химических процессов.