Идеи и модели эволюционной химии

Отличительной чертой второго - функционального - подхода к проблеме предбиологической эволюции является сосредоточение внимания на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым  подчиняются такие процессы.

 

4. Общая теория химической эволюции и биогенеза А. П. Руденко

 

Профессор МГУ А.П. Руденко  в 1964 г. создал теорию саморазвития открытых каталитических систем, которую по праву можно считать общей  теорией хемо- и биогенеза. Сущность этой теории состоит в том, что  химическая эволюция представляет собой  саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом  являются катализаторы. Можно сказать, что в ходе предбиологической  эволюции происходит отбор тех органических структур, которые отличаются особой активностью и своим содействием  усилению действия каталитических систем.

А.П. Руденко сформулировал  и основной закон химической эволюции: с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений  катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.  Саморазвитие, самоорганизация  и самоусложнение каталитических систем происходят за счет энергии базисной реакции. Поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией.

Свою теорию А. П. Руденко  основывал на мультиплетной теории катализа академика А. А. Баландина.

Основные положения теории А. А. Баландина сводятся к трем выводам:

- катализатор увеличивает скорость реакции, то есть катализ может быть только положительным.

- катализаторы способны ориентировать реакции в одном из возможных направлений.

- катализаторы химически взаимодействуют с реагентами и образуют промежуточный (мультиплетный) комплекс, обладающий свойствами переходного состояния (по иной терминологии — активированный комплекс).

А. П. Руденко называет такой  промежуточный комплекс элементарной каталитической системой. Если каталитическая реакция сопровождается постоянным притоком извне новых реактивов, отводом готовых продуктов и  выполнением еще некоторых условий, реакция может протекать неограниченно  долго, находясь на одном и том  же стационарном уровне. Такие многократно  возобновляемые комплексы приобретают  статус элементарных открытых каталитических систем.

Благодаря автокатализу реакции  становятся самоускоряющимися, причем на некоторой ступени развития ЭОКС достигается первый кинетический (температурный) предел саморазвития, когда рост абсолютной скорости базисной реакции начинает лимитироваться постоянным уровнем температуры в системе. Отдельные элементарные каталитические центры приобретают способность осуществлять одновременно не один, как ранее, а несколько полных циклов базисной реакции, т. е. пpи пpеодолении 1 КП пpоисходит фоpмиpование свойства yмножения каталитических фyнкций.

При дальнейшем развитии скорость реакции начинает лимитироваться концентрацией  реагирующих веществ, и ЭОКС достигает  второго кинетического предела  саморазвития.

Пpи пpеодолении 2 КП фоpмиpyется свойство точной пpостpанственной pедyбликации ЭОКC в целом (свойство pазмножения). Пpи достижении 2 КП достигается общий пpедел химической эволюции, а пpи его пpеодолении химическая эволюция пеpеходит в биологическyю, неживые ЭОКC пpевpащаются в пpостейшие живые системы.

Элементарная открытая каталитическая система – это целостный, неделимый  в функциональном отношении объект – кинетический континуум. Каталитическая система открытая, так как условием её существования является непрерывный  обмен веществ и энергией с  окружающей средой. 

Пpи взаимодействии с фактоpами внешней сpеды ЭОКC pеагиpyет как единое целое. Пpи этом возможны обpатимые и необpатимые изменения ЭОКC и поpядка ее фyнкциониpования.

По целомy pядy пpизнаков ЭОКC ближе стоят к свойствам живых оpганизмов, чем стабильных молекyл. Так, способом их сyществования является беспpеpывный обмен веществ и энеpгии с окpyжающей сpедой. Они пpедставляют собой динамические обpазования с неpавновесной стpyктypой и фyнкциональной оpганизацией вещества. Эти обpазования отличаются цельностью, фyнкциональной неделимостью и yстойчивостью динамического типа. Они обладают сложным химическим поведением, способны pеагиpовать на воздействия pазличных фактоpов внешней сpеды как единое целое и пpиспосабливаться к ним, и кpоме того, обладают гомеостазисом. Объекты способны способны эволюциониpовать и запечатлевать эволюционные изменения в физикохимических изменениях своей конститyционной сфеpы и т.д. Такой комплекс свойств, подобный некотоpым важным свойствам живых оpганизмов, пpисyщ ЭОКC с начальных стадий химической эволюции и необходим для их сyществования и pазвития; без этого начального комплекса свойств невозможна была бы сама эволюция.

 

5. Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем

Г.К. Боресков убедительно  доказал, что под влиянием реакционной  среды свежие катализаторы изменяют свой состав и структуру, достигая стационарного  состава и соответствующей ему  удельной каталитической активности. Считается и ныне, что подавляющее  большинство промышленных каталитических процессов осуществляется в стационарных условиях.

Начиная с 1970-х годов, химики все больше стали обращать внимание на то, что те же самые причины  воздействия реакционной среды  на катализаторы, которые обусловили появление кинетики стационарных процессов, оказываются ответственными и за наличие нестационарных режимов  работы каталитических систем. Было установлено, что в одних случаях стационарное состояние катализаторов не реализуется  из-за блокировки их поверхности плотным  слоем какого-либо адсорбата, скорость образования которого выше скорости движения стационарности. В других случаях в ходе реакций было зафиксировано несколько нестационарных режимов со скачкообразными переходами между ними. Открыто и изучено множество автоколебательных процессов, свидетельствующих об особом типе нестационарности.

Исследователи приходят к  выводам, что стационарный режим, стабилизация которого казалась залогом высокой  эффективности промышленного процесса, является лишь частным случаем нестационарного  режима. С 1970-х годов обнаружено много  случаев нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакций. Появились работы, описывающие искусственно создаваемые нестационарные режимы, при которых оказывается возможным не только легче реализовать оптимальные условия реакций, но и достигнуть улучшения качества продуктов (например, более эффективного распределения молекулярных весов в полимерах).

Одним из ведущих звеньев  в развитии нестационарной кинетики является теория саморазвития открытых каталитических систем. Первой прикладной областью, где теория развития открытых каталитических систем может быть широко и эффективно использована, являются уже исследованные в лабораторных условиях процессы, в основу которых  положено энергетическое сопряжение реакций, в том числе таких, на которые  наложены строгие термодинамические  ограничения. В этом случае одна реакция  помогает другой; в системе развиваются  процессы, направленные против равновесия, сама же система приобретает динамическую устойчивость, или «устойчивое не равновесие». Этот принцип использован  для осуществления ряда реакций, которые пока не были реализованы  другими путями.

В результате развития учения о химических процессах химия  теперь имеет реальные предпосылки  для решения таких общих задач, как:

- моделирование и интенсификация фотосинтеза;

- фотолиз воды с получением водорода как самого эффективного топлива;

- промышленный синтез широкого спектра органических продуктов и в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты, на основе углекислого газа;

- промышленный синтез многочисленных фтор материалов.

Это обстоятельство является залогом успешного претворения  в жизнь задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих  промышленных процессов, рачительного использования каждого килограмма сырья и каждого киловатта  энергии для производства необходимых  материалов.

6. Освоение опыта живой природы

Химики сегодня пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно создать принципиально  новую химию, новое управление химическими  процессами, где начнут применять  принципы синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов будут созданы  катализаторы высокой степени специфичности, превосходящие существующие. Построят преобразователи, использующие с большим  КПД солнечную энергию, превращая  ее в химическую и электрическую, и обратно. Быть может, совмещение биохимической энергетики с полимерными материалами даст возможность создать макромолекулы, превращающие химическую энергию в механическую, подобно нашим машинам.

Иммобилизованные ферменты -  ферменты, искусственно связанные  с нерастворимым носителем, но сохраняющие  свои каталитические свойства.

Принцип связывания ферментов  с различными структурами клетки в настоящее время используют в биотехнологии. При этом ферменты прикрепляют (иммобилизуют) к поверхности  какого-либо твердого носителя (целлюлоза  и ее производные, полиакриламид, пористое стекло, нейлон, алюмосиликаты и др.), что позволяет не только сохранить их каталитические свойства, но и повысить стабильность. Такие ферменты получили название 

иммобилизованных.

 Возможно, изучив и  освоив весь каталитический опыт  живой природы, можно будет  сформировать не только отдельные  ферменты и клетки, но и весь  организм.

 

 

 

 

 

 

Заключение

В химии исторически сложились четыре уровня изучения веществ: с позиций их состава, строения, химического действия и самоорганизации.

Со второй половины XX в. в  химии плодотворно развивается  концепция, нацеленная на изучение возможностей использования в процессах получения  целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию  катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. Эволюционная химия обратилась к постижению путей получения  наиболее высокоорганизованных химических систем, которые только возможны в  настоящее время.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Руденко А. П., Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: Изд-во МГУ, 1969, 276 с.

2. Эйген М., Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М.: Мир, 1973, 224 с.

3. Кокина А. В., Концепции современного естествознания: учебное пособие. М.: изд-во «Приор Эксперт бюро», 1998.

 

Интернет –  ресурсы:

http://www.gumer.info/

http://do.gendocs.ru/

http://milogiya.narod.ru/