Практическое значение представлений о концептуальных системах химии
Проблема вовлечения новых химических элементов в производство материалов
Эволюция понятия «структура» в химии
Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах
Проблемы энергетики будущего
Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний. Ближайшие перспективы химии
Пути освоения каталитического опыта живой природы
Общая теория химической эволюции и биогенеза А.П. Руденко
Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ
Навигация
Пути освоения каталитического опыта живой природы
Концепции современного естествознания (химическая составляющая)
79959
знаков
0
таблиц
0
изображений
5.3 Пути освоения каталитического опыта живой природы
Перспективными путями освоения опыта живой природы представляются те, которые ведут к определенным практическим результатам - к созданию промышленных аналогов химических процессов, происходящих в живой природе.
Первый из этих путей – это развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Ныне реализовано более 40 многотоннажных промышленных процессов с участием металлокомплексных катализаторов. Сегодня металлокомплексный катализ постепенно обогащается такими приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также приемами гетерогенного катализа.
Второй путь, ведущий к решению конкретных задач освоения каталитического опыта живой природы, заключается в определенных успехах моделирования биокатализаторов. В. ангенбеку, Л.А. иколаеву и другим исследователям путем искусственного отбора удалось построить модели многих ферментов, характеризующиеся высокой активностью и селективностью, иногда почти такой же, как и у оригиналов. Но ни одна до сих пор полученная модель не в состоянии заменить природные аналоги. Этот вывод не так уж пессимистичен. Речь идет о замене биокатализаторов в биосистеме искусственной моделью. Такая задача очень трудная, она сравнима с задачей создания искусственных органов.
Фермент можно выделить из живой системы, можно точно определить его структуру. Фермент можно ввести в реакцию и заставить осуществлять каталитические функции. Но при этом оказывается, что он работает всего лишь несколько минут. Во время работы он разрушается. Цельная клетка со всем ее ферментным аппаратом – более важный объект, чем одна, грубо удаленная деталь. Биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза, происхождения жизни, и какими бы трудными не казались эти вопросы, у исследователя ничего другого не остается.
Третий путь к освоению «приемов», которыми пользуется живая природа в своих «лабораториях» in vivo, состоит в значительных достижениях химии иммобилизованных систем.
«Техническая биохимия» не могла пойти далее нескольких ограниченных областей промышленности, где применяются преимущественно гидролитические ферменты, выделяемые микроорганизмами. Эти области – производство вин, пива, чая, хлеба и некоторых пищевых продуктов, обработка кожи. Все попытки использовать богатейший набор ферментов, которым располагает природа, для осуществления лабораторных и промышленных процессов наталкивались на неразрешимые проблемы:
трудную доступность чистых ферментов и их высокую стоимость;
их нестабильность при хранении и транспортировке;
быстро наступающую потерю их активности в работе, даже если удалось их выделить и ввести в реакцию.
В настоящее время эти проблемы удалось частично решить. Открыты пути стабилизации ферментов, и именно это обстоятельство стало основанием химии иммобилизованных систем, или «биоорганического катализа». Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности или в геле, что обеспечивает его стабильность и непрерывное действие в условиях in vitro. Решены вопросы использования иммобилизованных ферментов в тонком органическом синтезе, в трансформации стероидов, в модификации малостабильных состояний, в разделении рацематов на оптически активные формы. Изучаются перспективы ферментативного обезвреживания сточных вод.
Следующий, 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 опыта формирования самого фермента, клетки и даже организма. Это такая ступень, на которой возникают основы эволюционной химии, как пролога к принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.
5.4 Предпосылки возникновения эволюционной химии
Первым практическим поводом к осознанию необходимости изучения химической эволюции явились исследования в области моделирования биокатализаторов. Представляя собой, искусственный отбор каталитических структур, изыскания в этой области не могут не ориентироваться на естественный отбор, который осуществляла природа на путях эволюции от неорганической материи к живым системам.
Вторым и главным поводом к развитию исследований в области эволюционной химии являются реально ощутимые успехи «нестационарной кинетики», или динамики химических систем.
В 1960-х годах были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в процессе их работы дезактивировались, ухудшались и выбрасывались.
5.5 Понятия «организация» и «самоорганизация» и их познавательные функции в химии
Понятия «организация» и «самоорганизация» имеют очень широкое распространение во многих отраслях знаний и обычно характеризуются как общенаучные понятия. Они обозначают упорядоченность существования качественно изменяющихся, или процессуальных систем. В отличие от понятия «организация», «самоорганизация» отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности.
Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем. Это называемые «субстратный» и «функциональный» подходы.
К первому из них относят те теории происхождения жизни, отправным пунктом которых является строго определенный состав элементов – органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений. Рациональными результатами субстратного подхода к проблеме биогенеза, является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.
Отбор химических элементов – этого подвижного строительного материала эволюционирующих систем – выступает как красноречивый факт. Ныне известны более ста химических элементов. Однако основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших наименование органогенов; это – углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%.
За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: – натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт, марганец. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%.
Картина химического мира отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Теперь известно около десяти миллионов химических соединений.
Из них подавляющее большинство (около 96%) – это органические соединения, основной строительный материал которых – все те же 6-18 элементов. И как это ни парадоксально, из всех остальных 95-99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.
По распространенности на Земле углерод занимает 16 место. Углерод в литосфере земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний и в 88 раз меньше, чем алюминий. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и невелика – около 0,24%. Следовательно, геохимические условия не играют сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают и требования соответствия между строительным материалом и теми сооружениями, о которых говорилось как о структурах высокоорганизованных.
С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию:
достаточно прочных и, следовательно, энергоемких химических связей;
связей лабильных, т.е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению.
Вот почему углерод выбран элементом номер один. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовывать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия. Атомы углерода в одном и том же соединении способны выполнять роль и акцептора, и донора электронов. Они образуют почти все типы связей, какие знает химия: менее чем одноэлектронные и одноэлектронные (при хемосорбции углеводородов на графите); двухэлектронные (в этане); трехэлектронные (в бензоле); четырехэлектронные (в этилене); шестиэлектронные (в ацетилене).
Кислород и водород следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных. Дж. Бернал рассматривал вопрос об отборе элементов и отметил, что лабильные атомы серы, фосфора и железа, имеют основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы, такие как кремний, алюминий или натрий, составляющие большую часть земной коры, играют второстепенную роль или отсутствуют вовсе.
О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов да 10-15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу биосистем, так же в результате эволюции шел тщательный отбор химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвует лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.
Как химики, так и биологи называют поразительным тот факт, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен трудно обозримый мир животных и растений. Каким образом проводилась та «химическая подготовка», в результате которой из минимума химических элементов и минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистема?
Занавес, отделявший нас от этих тайн, стал понемногу подниматься. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Примером чего может служить система пиррольных циклов в гемине, обеспечивающая повышение активности атома железа в окислительно-восстановительных реакциях в миллиарды раз.
Первой и наиболее простой из этих структур можно назвать различные фазовые границы. Они служили основой физической и химической адсорбции, которая служила фактором появления каталитического эффекта. Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. Третий структурный фрагмент, необходимый для эволюционных систем – это группировки, ответственные за энергетическое обеспечение. Сюда входят окси- (ОН) и оксогруппы (-С=О), фосфорсодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями. Следующим фрагментом эволюционирующих систем является уже развитая полимерная структура типа РНК и ДНК, выполняющая ряд функций, свойственных перечисленным выше структурам, и главное – роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе подобных структур.
Обращает на себя внимание ряд выводов, полученных самыми разными путями и в самых разных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, биохимии, термодинамике, химической кинетике):
на ранних стадиях химической эволюции мира катализ вовсе отсутствует. Роль катализа возрастала по мере того, как физические условия (главным образом, температура) приближались к земным условиям;
роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т.е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой;
отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.
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.
Похожие работы
... инерциальных системах отсчета. Пространственно-временной континуум – неразрывная связь пространства и времени и их зависимость от системы отсчета. Тема 11. Основные концепции химии 1. Химия как наука, ее предмет и проблемы Важнейшим разделом современного естествознания является химия. Она играет большую роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современного общества. К ...
... сущность теории химической эволюции и биогенеза. Опишите историю открытия и изучения клетки. Зав. кафедрой -------------------------------------------------- Экзаменационный билет по предмету КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Билет № 30 Назовите и охарактеризуйте междисциплинарные естественные науки. Сформулируйте третий закон механического движения Ньютона. Каким ...
... вещей (»арден 1987: 53-68, Назаретян 1991: 60, Абдеев 1994: 150- 160). Атрибутивная концепция информации - информация как мера упорядоченности структур и их взаимодействий на всех стадиях организации материи (Абдеев 1994: 162). Одна из самых сложных проблем современного естествознания - функционирование отражения в неживом мире (существует ли в неживом мире опосредующее звено между ...
... галактик и Вселенной. Материальные системы микро-, макро- и мегамира различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются. Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях ...
0 комментариев