Взаємозв'язок хімії з біологією
Хімія й біологія довгий час розвивалися незалежно одна від одної, хоча давньою мрією хіміків було створення в лабораторних умовах живого організму.
Сама по собі ця ідея виникла ще в період алхімії і аж до XVI століття була однією з її головних цільових установок. Проте до XVII століття серед учених затвердилося переконання про нездійсненність і, отже, помилковість ідеалів алхімії. Такій переоцінці сприяли ті позитивні знання, які були накопичені у результаті розвитку самої алхімії. У результаті були дискредитовані такі напрямки алхімії, як пошуки «філософського каменя» і універсального розчинника. Третій же ідеал алхімії - еліксир довголіття - не втратив своєї популярності завдяки застосуванню хімічних препаратів для збереження здоров'я і лікування хвороб.
«Біологічні ідеали» ранніх етапів становлення хімічного знання визначили стійку традицію цікавості хіміків до проблем біології, хоча тоді ж склались уявлення про непереборну грань між живим і неживим.
Процес взаємодії хімії і біології значно посилився на початку XIX століття, коли у складі хімії утворилися дві самостійні наукові дисципліни - неорганічна і органічна хімія. Стосовно питання взаємодії хімії й біології найбільший інтерес становитьорганічна хімія.
Органічна природа надала хімікам-органікам прекрасні зразки свого творіння - речовини рослинного і тваринного походження - для наслідування і відтворення подібних речовин у хімічних лабораторіях. Так, для хіміків виник «біологічний ідеал», що істотно вплинув на розвиток органічної хімії, особливо на початковому етапі її становлення.
|
|
|
Різке зміцнення взаємозв'язку хімії з біологією відбулося у результаті створення А.М. Бутлеровим теорії хімічної будови органічних сполук. Керовані цією теорією хіміки-органіки вступили у бій зі своєю «суперницею» природою. Подальші покоління хіміків проявили велику винахідливість, працелюбність, фантазію і творчий пошук у спрямованому синтезі речовини. Їх задумом було не тільки наслідувати природу, вони хотіли перевершити її. Сьогодні ми можемо впевнено заявити, що у багатьох випадках це вдалося.
Поступовий розвиток науки XIX століття, що привів до розкриття структури атома та детального пізнання будови і складу клітини, відкрив перед хіміками і біологами практичні можливості спільної роботи над хімічними проблемами вчення про клітину, серед яких питання про характер хімічних процесів у живих тканинах, про обумовленість біологічних функцій хімічними реакціями.
Дійсно, якщо подивитися на обмін речовин в організмі з чисто хімічної точки зору, як це зробив А.І. Опарін, ми побачимо сукупність великого числа порівняно простих і одноманітних хімічних реакцій, які поєднуються між собою у часі, відбуваються не випадково, а у строгій послідовності, внаслідок чого утворюються довгі ланцюги реакцій. Цей порядок закономірно спрямований до постійного самозбереження і самовідтворення всієї живої системи у цілому в даних умовах навколишнього середовища.
|
|
|
Таким чином, такі специфічні властивості живого, як ріст, розмноження, рухливість, збудливість, здатність реагувати на зміни зовнішнього середовища пов'язані з певними комплексами хімічних перетворень.
Тому хімії серед наук, що вивчають життя, належить основна роль. Саме хімією виявлена найважливіша роль хлорофілу як хімічної основи фотосинтезу, гемоглобіну як основи процесу дихання, встановлена хімічна природа передачі нервового збудження, визначена структура нуклеїнових кислот і т. ін. Але головне полягало у тому, що об'єктивно у самій основі біологічних процесів, функцій живого є хімічні механізми. Всі функції і процеси, що відбуваються у живому організмі, виявляються можливими для викладення мовою хімії у вигляді конкретних хімічних процесів.
Однак було б неправильно зводити явища життя тільки до хімічних процесів. Це було б грубим механістичним спрощенням. Яскравим доказом цього є специфіка хімічних процесів у живих системах у порівнянні з неживими. Вивчення цієї специфіки розкриває єдність і взаємозв'язок хімічної і біологічної форм руху матерії. Свідченням цього й висновки інших наук, що виникли на стику біології, хімії і фізики: біохімія - наука про обмін речовин і хімічні процеси в живих організмах; біоорганічна хімія - наука про будову, функції і шляхи синтезу сполук, що входять до складу живих організмів; фізико-хімічна біологія як наука про функціонування складних систем передачі інформації і регулювання біологічних процесів на молекулярному рівні, а також біофізика, біофізична хімія і радіаційна біологія.
|
|
|
Науковими досягненнями цього процесу стало визначення хімічних продуктів клітинного метаболізму (обміну речовин у рослинах, тваринах, мікроорганізмах); встановлення біологічних шляхів і циклів біосинтезу цих продуктів, був реалізований їх штучний синтез, відкриття матеріальних основ регулятивного і спадкового молекулярного механізму, а також значною мірою з'ясоване значення хімічних процесів в енергетиці процесів клітини і взагалі живих організмів.
|
|
|
На цей час для хімії особливо важливим стає застосування біологічних принципів у технологічних процесах. Ще у XIX столітті вчені зрозуміли, що основою виняткової ефективності біологічних процесів є біокаталіз. Тому хіміки ставлять за мету створити нову хімію, що базується на каталітичному досвіді живої природи. У результаті з'явиться можливість нового підходу до керування хімічними процесами, де почнуть застосовуватися принципи синтезу собі подібних молекул, за принципом ферментів будуть створені каталізатори з такою різноманітністю якостей, які істотно перевершать ті, що існують у промисловості.
Незважаючи на те, що ферменти мають загальні властивості, притаманні всім каталізаторам, вони не тотожні останнім, оскільки функціонують у рамках живих систем. Тому всі спроби використовувати досвід живої природи для прискорення хімічних процесів у неорганічному світі стикаються з серйозними обмеженнями. Поки що мова може йти тільки про моделювання деяких функцій ферментів і використання цих моделей для теоретичного аналізу діяльності живих систем, а також частково-практичного застосування виділених ферментів для прискорення деяких хімічних реакцій.
Тут найперспективнішим напрямком, очевидно, є дослідження, орієнтовані на застосування принципів біокаталізу у хімії і хімічній технології, для чого необхідно вивчити весь каталітичний досвід живої природи, у тому числі і досвід формування самого ферменту, клітини і навіть організму. Саме тут і виникли основи еволюційної хімії як нової науки, що прокладає шляхи принципово нової хімічної технології, здатної стати аналогом живих систем.
Той факт, що каталіз відігравав вирішальну роль у процесі переходу від хімічних систем до біологічних, тобто на передбіологічній стадії еволюції, у наш час підтверджується багатьма даними. Такі реакції супроводжуються утворенням специфічних просторових і часових структур за рахунок утворення нових і видалення використаних хімічних реагентів. Проте на відміну від самоорганізації відкритих фізичних систем у даних хімічних реакціях важливого значення набувають каталітичні процеси.
Роль цих процесів посилюється у міру ускладнення складу і структури хімічних систем. Саме на цій підставі деякі вчені безпосередньо пов'язують хімічну еволюцію з самоорганізацією і саморозвитком каталітичних систем. Іншими словами, така еволюція якщо не цілком, то значною мірою пов'язана з процесами самоорганізації каталітичних систем. Однак слід пам'ятати, що перехід до простих форм життя припускає також особливий диференційований відбір лише таких хімічних елементів і їх сполук, які є основними будівельними матеріалами для утворення біологічних систем. Такі елементи у хімії одержали назву органогенів.
У результаті такого підходу з'явилася інформація про механізми відбору хімічних елементів і більш складних структур, який виявився подібним до біологічної еволюції. На цей час наукою відкрито 116 хімічних елементів. Більшість із них потрапляє у живі організми і бере участь у їх життєдіяльності. Проте основу життєдіяльності організмів забезпечують тільки шість хімічних елементів-органогенів. Це вуглець, водень, кисень, азот, фосфор і сірка. Їх сумарна вагова частка у структурі живого організму становить 97,4%. За ними за ступенем важливості йдуть 12 елементів, які беруть участь у побудові багатьох фізіологічно важливих компонентів біологічних систем.Ценатрій, калій, кальцій, магній, алюміній, залізо, кремній, хлор, мідь, цинк, кобальт, нікель. Їх вагова частка в організмі становить 1,6%. Крім того, є ще 20 елементів, які беруть участь у побудові і функціонуванні окремих вузькоспецифічних біосистем і вагова частка яких становить близько 1%. Уся решта елементів у побудові біосистем практично не бере участі.
Загальна картина хімічного світу також досить переконливо свідчить про відбір елементів. У наш час хімічній науці відомо близько 8 млн хімічних сполук. З них переважну більшість (96%) становлять органічні сполуки, які утворені все з тих самих 6 - 18 елементів. З інших 98 - 112 хімічних елементів природа створила лише 300 тисяч неорганічних сполук. З органогенів на Землі найбільш поширені кисень і водень. Ступінь поширеності вуглецю, азоту, фосфору і сірки в поверхневих шарах Землі приблизно однаковий і загалом невеликий - близько 0,24 вагових відсотка. У космосі неподільно панують тільки два елементи - водень і гелій, а решту елементів можна розглядати тільки як добавки до них.
Така різка диспропорція між органічними і неорганічними сполуками, а також виключно диференційований відбір мінімуму органогенів не можуть бути пояснені різною поширеністю хімічних елементів у космосі і на Землі.
Це означає, що визначальними чинниками у відборі хімічних елементів при формуванні органічних систем, а тим більше біосистем виступають умови відповідності цих елементів певним вимогам:
1 Здатність утворювати міцні і, отже, енергоємні хімічні зв'язки.
2 Ці зв'язки повинні бути лабільними (тобто здатними до утворення нових різноманітних зв'язків).
Саме тому вуглець і був відібраний природою з багатьох інших елементів як органоген номер один. Він, як ніякий інший елемент, здатний поєднувати найрідкісніші хімічні протилежності, реалізовувати їх єдність, виступати як носій внутрішніх суперечностей. Про те, як відбувався відбір хімічних сполук, найбільш придатних для утворення життя, який його механізм, поки що сказати досить важко. Але цей процес залишив нам своєрідний музей. Подібно до того, як із усіх хімічних елементів тільки 6 органогенів та 10 - 15 інших елементів відібрані природою, щоб скласти основу біосистем, так само в результаті еволюції відбувався ретельний відбір оптимальних хімічних сполук.
З мільйонів органічних сполук у побудові живого беруть участь лише декілька сотень, із 100 відомих амінокислот до складу білків входять тільки 20, лише по чотири нуклеотиди ДНК і РНК покладені в основу всіх складних полімерних нуклеїнових кислот, відповідальних за спадковість і регуляцію білкового синтезу у будь-яких живих організмах.
Сьогодні зрозуміло, що у ході еволюції відбиралися ті структури, які сприяли різкому підвищенню активності і селективності дії каталітичних груп. Сформульовані вже і деякі висновки:
1 На ранніх етапах хімічної еволюції світу каталіз був зовсім відсутній. Умови існування високих температур (більше 5000 0С), електричних розрядів і радіації, з одного боку, перешкоджають утворенню конденсованого стану, а з іншого - перекривають ті порції енергії, які необхідні для подолання енергетичних бар'єрів хімічних реакцій.
2 Перші прояви каталізу починаються при пом'якшенні умов і утворенні первинних твердих тіл.
3 У міру того як фізичні умови наближалися до земних, роль каталізу зростала. Але загальне значення каталізу аж до утворення більш - менш складних органічних молекул усе ще не могло бути високим.
4 Роль каталізу у розвитку хімічних систем після досягнення стартового стану, тобто певного кількісного мінімуму органічних і неорганічних сполук, почала зростати з фантастичною швидкістю.
Теорія саморозвитку елементарних відкритих каталітичних систем у найзагальнішому вигляді висунута професором МГУ А.П. Руденко у 1964 р., є загальною теорією хімічної еволюції і біогенезу. Вона вирішує питання про рушійні сили і механізми еволюційного процесу, тобто про закони хімічної еволюції, про відбір елементів і структур та їх причинну обумовленість, про глибину хімічної організації та ієрархію хімічних систем як наслідок еволюції.
Суть цієї теорії полягає у тому, що хімічна еволюція є саморозвитком каталітичних систем і, отже, еволюціонуючою речовиною є каталізатори.У ході реакцій відбувається природний відбір тих каталітичних центрів, які мають найбільшу активність. Саморозвиток, самоорганізація і самоускладнення каталітичних систем відбувається за рахунок постійного припливу трансформованої енергії. А оскільки основним джерелом енергії є базова реакція, то максимальні еволюційні переваги одержують каталітичні системи, що розвиваються на базі екзотермічних реакцій. Звідси базова реакція є не тільки джерелом енергії, але і знаряддям відбору найбільш прогресивних еволюційних змін каталізаторів.
Тим самим А.П. Руденко сформулював основний закон хімічної еволюції, згідно з яким з найбільшою швидкістю і ймовірністю здійснюються ті шляхи еволюційних змін каталізатора, на яких відбувається максимальне збільшення його абсолютної активності.
Практичним наслідком теорії саморозвитку відкритих каталітичних систем є так звана «нестаціонарна технологія», тобто технологія зі змінними умовами реакції. Сьогодні дослідники приходять до висновку, що стаціонарний режим, надійна стабілізація якого здавалася запорукоювисокої ефективності промислового процесу, є лише окремим випадком нестаціонарного режиму. При цьому виявлено безліч нестаціонарних режимів, що сприяють інтенсифікації реакції.
Сьогодні вже абсолютно зрозумілі перспективи створення і розвитку нової хімії, на основі якої будуть створені маловідходні, безвідходні і енергозберігаючі промислові технології.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 433; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!