Химия Жизни

Сейчас трудно назвать  область современной физики, которая  бы прямо или косвенно не оказывала  влияние на химию. Взять, например, далекую  от мира молекул, построенного из ядер и электронов, физику нестабильных элементарных частиц. Может показаться удивительным, что на специальных  международных конференциях обсуждается  химическое поведение атомов, имеющих  в своем составе позитрон или  мюон, которые, в принципе, не могут  дать устойчивых соединений. Однако уникальная информация о сверхбыстрых реакциях, Которую такие атомы позволяют  получать, полностью оправдывает  этот интерес. 

Оглядываясь на историю  взаимоотношений физики и химии, мы видим, что физика играла важную, подчас решающую роль в развитии теоретических  концепций и методов исследования в химии. Степень признания этой роли можно оценить, просмотрев, например, список лауреатов Нобелевской премии по химии. Не менее трети в этом списке — авторы крупнейших достижений в области физической химии. Среди  них — те, кто открыл радиоактивность  и изотопы (Резерфорд, М. Кюри, Содди, Астон, Жолио-Кюри и др.), заложил  основы квантовой химии (Полинг и  Малликен) и современной химической кинетики (Хиншелвуд и Семенов), развил новые физические методы (Дебай, Гейеровский, Эйген, Норриш и Портер, Герцберг).

Наконец, следует  иметь в виду и то решающее значение, которое начинает играть в развитии науки производительность труда  ученого. Физические методы сыграли  и продолжают играть в этом отношении  в химии революционизирующую  роль. Достаточно сравнить, например, время, которое затрачивал химик-органик  на установление строения синтезированного соединения химическими средствами и которое он затрачивает теперь, владея арсеналом физических методов. Несомненно, что этот резерв применения достижений физики используется далеко не достаточно. 

В заключении можно  удидеть, что физика во все большем  масштабе и все более плодотворно  вторгается в химию. Физика вскрывает  сущность качественных химических закономерностей, снабжает химию совершенными инструментами исследования. Растет относительный объем физической химии, и не видно причин, которые могут замедлить этот рост. 
 

Взаимосвязь химии  и биологии

Общеизвестно, что  химия и биология долгое время  шли каждая своим собственным  путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма.

Резкое укрепление взаимосвязи химии с биологией  произошло в результате создания А.М. Бутлеровым теория химического  строения органических соединений. Руководствуясь этой теорией, химики-органики вступили в соревнование с природой. Последующие  поколения химиков проявили большую  изобретательность, труд, фантазию и  творческий поисках 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.

Поступательное развитие науки XIX в., 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, над вопросами  о характере хи-мических процессов  в живых тканях, об обусловленности  биологических функций химическими  реакциями. 

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  добей 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.

Словом, такие специфические  свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность  реагировать на изменения внешней  среды, связаны с определенными  комплексами химических превращений. 

Значение химии  среди наук, изучающих жизнь, исключительно  велико. 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 заключается  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. 

Разумеется, было бы неверным сводить явления жизни  к химическим процессам. Это было бы грубым механистическим упрощением. И ярким свидетельством этого  выступает специфика химических процессов в живых системах по сравнению с неживыми. Изучение этой специфики раскрывает единство и  взаимосвязь химической и биологической  форм движения материи. Об этом же говорят  и другие науки, возникшие на стыке  биологии, химии и физики: биохимия — наука об обмене веществ и  химических процессов в живых  организмах; биоорганическая химия  — наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих живые организмы; физико-химическая биология как наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических  процессов на молекулярном уровне, а также биофизика, биофизическая  химия и радиационная биология. 

Крупнейшими достижениями этого процесса стали определение  химических продуктов клеточного метаболизма (обмена веществ в растениях, животных, микроорганизмах), установление биологических  путей и циклов биосинтеза этих продуктов; был реализован их искусственный  синтез, сделано открытие материальных основ регулятивного и наследственного  молекулярного механизма, а также  в значительной степени выяснено значение химических процессов энергетике процессов клетки и вообще живых  организмов.

Ныне для химии  особенно важным становится применение биологических принципов, в которых  сконцентрирован опыт приспособления живых организмов к условиям Земли  в течение многих миллионов лет, опыт создания наиболее со-вершенных  механизмов и процессов. На этом пути есть уже определенные достижения. 

Более столетия назад  ученые поняли, что основой исключительной эффективности биологических процессов  является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую  химию, основанную на каталитическом опыте  живой природы. В ней появится новое управление химическими процессами, где начнут применяться принципы, синтеза себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности.

Несмотря на то, что  ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем  не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки  использовать опыт живой природы  для ускорения химических процессов  в неорганическом мире сталкиваются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только о моделировании  некоторых функций ферментов  и использовании этих моделей  для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично-практического  применения выделенных ферментов для  ускорения некоторых химических реакций. 

Здесь самым перспективным  направлением, очевидно, являются исследования, ориентированные на применение принципов  биокатализа в химии и химической технологии, для чего нужно изучить  весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, в самом общем виде выдвинутая профессором МГУ А.П. Руденко в 1964 г., является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Она решает вопросы о движущих силах и  механизмах эволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и  их причинной обусловленности, о  высоте химической организации и  иерархии химических систем как следствии  эволюции. 

Теоретическим ядром  этой теории является положение о  том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В  ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие, самоорганизация я  самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока  трансформируемой энергии. А так  как основным источником энергии  является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических  реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии, но и  орудием отбора наиболее прогрессивных  эволюционных изменений катализаторов. 

Развивая эти взгляды, А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью  и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая нестационарная технология, то есть технология с меняющимися  условиями реакции. Сегодня исследователи  приходят к выводу, что стационарный режим, надежная стабилизация которого казалась залогом высокой эффективности  промышленнoro процесса, является лишь частным случаем нестационарного  режима. При этом обнаружено множество  нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции.

В настоящее время  уже видны перспективы возникновения  и развития новой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и энергосберегающие  промышленные технологии. 

Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет построить  принципиально новую химию, новое  управление химическими, процессами, где  начнут применяться принципы синтеза  себе подобных молекул. Предвидится  создание преобразователей, использующих с большим КПД солнечный свет, превращая его в химическую и  электрическую энергию, а также  химическую энергию в свет большой  интенсивности. 

Для освоения каталитического  опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленном производстве химики наметили рад перспективных  путей.

Первый — развитие исследований в области металлокомплексного  катализа с ориентацией на соответствующие  объекты живой природы. Этот катализ  обогащается приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также способами классического  гетерогенного катализа. 

2-ой путь заключается  в моделировании биокатализаторов. В настоящее время за счет  искусственного отбора структур  удалось построить модели многих  ферментов характеризующихся высокой  активностью и селективностью, иногда' почти такой же, как и у оригиналов, или с большей простотой строения. 

Правда, пока все  же полученные модели не в состоянии  заменить природные биокатализаторы  живых систем. На данном этапе развития химических знании проблема эта решается чрезвычайно сложно. Фермент выделяется из живой системы, определяется его  структура, он вводится в реакцию  для осуществления каталитических функций. Но работает непродолжительное  время и быстро разрушается, поскольку  является выделенным из целого, из клетки. Цельная клетка со всем ее ферментным аппаратом — более важный объект, чем одна, выделенная из нее деталь. 

3-ий путь к освоению  механизмов лаборатории живей  природы связывается с достижениями  химии иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации состоит  в закреплении выделенных из  живого организма ферментов на  твердой поверхности путем адсорбции,  которая и превращает их в  гетерогенный катализатор и обеспечивает  его стабильность и непрерывное  действие. 

Четвертый путь в  развитии исследований, ориентированных  на применение принципов биокатализа  в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой  широкой задачи — изучением и  освоением всего каталитического  опыта живой природы, в том  числе и формирования фермента, клетки и даже организма. Это ступень, на которой основы эволюционной химии  как действенной науки с ее рабочими функциями. Ученые утверждают, что это движение химической науки  к принципиально новой химической технологии с перспективой создания аналогов живых систем. Решение названной  задачи займет важнейшее место в  создании химии будущего. 

Заключение

Современная химия  представлена множеством различных  направлений развития знаний:

— природа вещества