Химия жизни

Химия наших дней составляет одну из наиболее обширных областей человеческих знаний и играет исключительно важ-ную роль в народном хозяйстве. Объекты и методы исследова-ния химии настолько разнообразны, что многие ее разделы являются по существу самостоятельными научными дисцип-линами. Современную химию принято подразделять в наибо-лее общем плане, по крайней мере, на 5 разделов: неоргани-ческую, органическую, физическую, аналитическую и химию высокомолекулярных соединений. Однако четких границ меж-ду этими разделами не существует. Например, координацион-ные и элементоорганические соединения представляют собой объекты, находящиеся в сфере исследований, как неоргани-ческой, так и органической химии. Развитие же этих разде-лов невозможно без широкого использования методов и пред-ставлений физической и аналитической химии.

К важнейшим особенностям современной химии отно-сятся:

1. Дифференциация основных разделов химии на отдельные, во многом самостоятельные научные дисциплины. Эта дифференциация основана на различии объектов и мето-дов исследования. Так, на значительное число быстро раз-вивающихся дисциплин подразделяется физическая хи-мия.

2. Интеграция химии с другими науками. В результате этого процесса возникли биохимия, биоорганическая химия и молекулярная биология, изучающие химические процес-сы в живых организмах. На границе химии и геологии развивается геохимия, исследующая закономерности по-ведения химических элементов в земной коре. Задачи космохимии -- изучение особенностей элементного состава космических тел (планет и метеоритов) и различных со-единений, содержащихся в этих объектах.

3. Появление новых, главным образом, физико-химических в физических методов исследования (структурный рентгеновский анализ, масс-спектроскопия, методы радиоспект-роскопии и др.)

Взаимосвязь химии и физики

Наряду с процессами дифференциации самой химической науки, в настоящее время идут в интеграционные процессы химии с другими отраслями естествознания. Особенно ин-тенсивно развиваются взаимосвязи между физикой и хими-ей. Этот процесс сопровождается возникновением все новых и новых смежных физико-химических отраслей знания.

Вся история взаимодействия химии я физики полна при-меров обмена идеями, объектами и методами исследования. На разных этапах своего развития физика снабжала химию понятиями в теоретическими концепциями, оказавшими сильное воздействие на развитие химии. При этом, чем боль-ше усложнялись химические исследования, тем больше ап-паратура и методы расчетов физики проникали в химию. Необходимость измерения тепловых эффектов реакции, раз-витие спектрального и рентгеноструктурного анализа, изучение изотопов и радиоактивных химических элементов, крис-таллических решеток вещества, молекулярных структур по-требовали создания и привели к использованию сложнейших физических приборов эспектроскопов, масс-спектрографов, дифракционных решеток, электронных микроскопов и т.д.

Развитие современной науки подтвердило глубокую связь между физикой и химией. Связь эта носит генетический ха-рактер, то есть образование атомов химических элементов, соединение их в молекулы вещества произошло на опреде-ленном этапе развития неорганического мира. Также эта связь основывается на общности строения конкретных видов мате-рии, в том числе и молекул веществ, состоящих в конечном итоге из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Возникновение химической формы движения в природе вызвало дальнейшее развитие представ-лений об электромагнитном взаимодействии, изучаемом фи-зикой. На основе периодического закона ныне осуществляет-ся прогресс не только в химии, но и в ядерной физике, на границе которой возникли такие смешанные физико-хими-ческие теории, как химия изотопов, радиационная химия.

Химия и физика изучают практически одни и те же объек-ты, но только каждая из них видит в этих объектах свою сторону, свой предмет изучения. Так, молекула является пред-метом изучения не только химии, но и молекулярной физи-ки. Если первая изучает ее с точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие атомы, то последняя стати-стически изучает поведение масс молекул, обусловливающее тепловые явления, различные агрегатные состояния, перехо-ды из газообразной в жидкую и твердую фазы и обратно, явления, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения. Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс мо-лекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых молекулах убеди-тельно свидетельствуют о тесной связи химических и физи-ческих явлений. Так, энергетика химических процессов тес-но связана с законами термодинамики. Химические реак-ции, протекающие с выделением энергии обычно в виде теп-ла и света, называются экзотермическими. Существуют так-же эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождается одновремен-но с уменьшением внутренней энергии системы. В эндотер-мических реакциях идет повышение внутренней энергии си-стемы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Он измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль).

Еще один пример. Частным случаем первого начала тер-модинамики является закон Гесса. Он гласит, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакции в тех случаях, когда его непосредственное измере-ние почему-либо неосуществимо.

С возникновением теории относительности, квантовой механики и учения об элементарных частицах раскрылись еще более глубокие связи между физикой и химией. Оказа-лось, что разгадка объяснения существа свойств химических соединений, самого механизма превращения веществ лежит в строении атомов, в квантово-механических процессах его элементарных частиц и особенно электронов внешней обо-лочки, Именно новейшая физика сумела решить такие воп-росы химии, как природа химической связи, особенности химического строения молекул органических и неорганичес-ких соединений и т.д.

В сфере соприкосновения физики и химии возник и ус-пешно развивается такой сравнительно молодой раздел из числа основных разделов химии как физическая химия, ко-торая оформилась в конце XIX в. в результате успешных попыток количественного изучения физических свойств хи-мических веществ и смесей, теоретического объяснения мо-лекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой для этого послужили работы Д.И. Менделеева (откры-тие Периодического закона), Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролити-ческой диссоциации) и т.д. Предметом ее изучения стали об-щетеоретические вопросы, касающиеся строения и свойств молекул химических соединений, процессов превращения веществ в связи с взаимной обусловленностью их физически-ми свойствами, изучение условий протекания химических реакций и совершающихся при этом физических явлений. Сейчас физхимия -- это разносторонне разветвленная наука, тесно связывающая физику и химию.

В самой физической химии к настоящему времени выде-лились и вполне сложились в качестве самостоятельных раз-делов, обладающих своими особыми методами и объектами исследования, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX в. выделилась также в само-стоятельную науку выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX в. в связи с ин-тенсивной разработкой проблем ядерной энергии возникли и получили большое развитие новейшие отрасли физической Химии -- химия высоких энергий, радиационная химия (пред-метом ее изучения являются реакции, протекающие под дей-ствием ионизирующего излучения), химия изотопов.

Физическая химия рассматривается сейчас как наиболее широкий общетеоретический фундамент всей химической науки. Многие ее учения и теории имеют большое значение для развития неорганической и особенно органической хи-мии. С возникновением физической химии изучение веще-ства стало осуществляться не только традиционными хими-ческими методами исследования, не только с точки зрения его состава и свойств, но и со стороны структуры, термодина-мики и кинетики химического процесса, а также со стороны связи и зависимости последнего от воздействия явлений, при-сущих другим формам движения (световое и радиационное облучение, световое и тепловое воздействие и т.д.).

Примечательно, что в первой половине XX в. сложилась пограничная между химией и новыми разделами физики (кван-товая механика, электронная теория атомов и молекул) на-ука, которую стали позднее называть химической физикой. Она широко применила теоретические и экспериментальные методы новейшей физики к исследованию строения химиче-ских элементов и соединений и особенно механизма реакций. Химическая физика изучает взаимосвязь и взаимопереход химической и субатомной форм движения материи.

В иерархии основных наук, данной Ф. Энгельсом, химия непосредственно соседствует с физикой. Это соседство и обес-печило ту быстроту и глубину, с которой многие разделы физики плодотворно вклиниваются в химию. Химия грани-чит, с одной стороны, с макроскопической физикой -- термо-динамикой, физикой сплошных сред, а с другой -- с микро-физикой -- статической физикой, квантовой механикой.

Общеизвестно, сколь плодотворными эти контакты оказа-лись для химии. Термодинамика породила химическую термодинамику -- учение о химических равновесиях. Статиче-ская физика легла в основу химической кинетики -- учения о скоростях химических превращений. Квантовая механика вскрыла сущность Периодического закона Менделеева. Со-временная теория химического строения и реакционной спо-собности -- это квантовая химия, т.е. приложение принципов квантовой механики к исследованию молекул и «X превра-щений.

Еще одним свидетельством плодотворности влияния фи-зики на химическую науку является все расширяющееся применение физических методов в химических исследовани-ях. Поразительный прогресс в этой области особенно отчет-диво виден на примере спектроскопических методов. Еще совсем недавно из бесконечного диапазона электромагнитных излучений химики использовали лишь узкую область види-мого и примыкающего к нему участков инфракрасного и уль-трафиолетового диапазонов. Открытие физиками явления магнитного резонансного поглощения привело к появлению спектроскопии ядерного магнитного резонанса, наиболее ин-формативного современного аналитического метода и метода изучения электронного строения молекул, и спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, уникального мето-да изучения нестабильных промежуточных частиц - свобод-ных радикалов. В коротковолновой области электромагнит-ных излучений возникла рентгеновская и гамма-резонанс-ная спектроскопия, обязанная своим появлением открытию Мессбауэра. Освоение синхротронного излучения открыло новые перспективы развития этого высокоэнергетического раздела спектроскопии.

Казалось бы, освоен весь электромагнитный диапазон, и в этой области трудно ждать дальнейшего прогресса. Однако появились лазеры -- уникальные по своей спектральной ин-тенсивности источники -- и вместе с ними принципиально новые аналитические возможности. Среди них можно назвать лазерный магнитный резонанс -- быстро развивающийся вы-сокочувствительный метод регистрации радикалов в газе. Другая, поистине фантастическая возможность -- это штуч-ная регистрация атомов с помощью лазера -- методика, основная на селективном возбуждении, позволяющая зарегис-трировать в кювете всего несколько атомов посторонней при-Л0еи. Поразительные возможности для изучения механизмов радикальных реакций дало открытие явления химической поляризации ядер.

Сейчас трудно назвать область современной физики, кото-рая бы прямо или косвенно не оказывала влияние на химию. Взять, например, далекую от мира молекул, построенного из ядер и электронов, физику нестабильных элементарных час-тиц. Может показаться удивительным, что на специальных международных конференциях обсуждается химическое по-ведение 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 оправ-дывает этот интерес.

Оглядываясь на историю взаимоотношений физики и хи-мии, мы видим, что физика играла важную, подчас решаю-щую роль в развитии теоретических концепций и методов исследования в химии. Степень признания этой роли можно оценить, просмотрев, например, список лауреатов Нобелев-ской премии по химии. Не менее трети в этом списке -- авто-ры крупнейших достижений в области физической химии. Среди них -- те, кто открыл радиоактивность и изотопы (Резерфорд, М. Кюри, Содди, Астон, Жолио-Кюри и др.), зало-жил основы квантовой химии (Полинг и Малликен) и совре-менной химической кинетики (Хиншелвуд и Семенов), раз-вил 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 производитель-ность труда ученого. Физические методы сыграли и продол-жают играть в этом отношении в химии революционизирую-щую роль. Достаточно сравнить, например, время, которое затрачивал химик-органик на установление строения синте-зированного соединения химическими средствами и которое он затрачивает теперь, владея арсеналом физических мето-дов. Несомненно, что этот резерв применения достижений физики используется далеко не достаточно.

Подведем некоторые итоги. Мы видим, что физика во все большем масштабе и все более плодотворно вторгается в хи-мию. Физика вскрывает сущность качественных химических закономерностей, снабжает химию совершенными инструмен-тами 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 каж-дая своим собственным путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма.

Резкое укрепление взаимосвязи химии с биологией про-изошло в результате создания А.М. Бутлеровым теория хими-ческого 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 рас-крытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами прак-тические 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 хи-мической точки зрения, как это сделал А.И. Опарин, мы уви-дим 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 ре-акций. И этот порядок закономерно направлен, к постоянно-му самосохранению и самовоспроизведению всей живой систе-мы в целом в данных условиях окружающей среды.

Словом, такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реа-гировать на изменения внешней среды, связаны с определен-ными комплексами химических превращений.

Значение химии среди наук, изучающих жизнь, исклю-чительно велико. Именно химией выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемогло-бина как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена струк-тура нуклеиновых Кислот и т.д. Но главное заключается в том, что объективно в самой основе биологических процес-сов, функций живого лежат химические механизмы. Все

функции и процессы, происходящие в живом организме, ока-зывается возможным изложить на языке химии, в виде кон-кретных химических процессов.

Разумеется, было бы неверным сводить явления жизни к химическим процессам. Это было бы грубым механистиче-ским упрощением. И ярким свидетельством этого выступает специфика химических процессов в живых системах по срав-нению с неживыми. Изучение этой специфики раскрывает единство и взаимосвязь химической и биологической форм движения материи. Об этом же говорят и другие науки, воз-никшие 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 жи-вые 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 радиа-ционная биология.

Крупнейшими достижениями этого процесса стали опре-деление химических продуктов клеточного метаболизма (об-мена веществ в растениях, животных, микроорганизмах), установление биологических путей и циклов биосинтеза этих продуктов; был реализован их искусственный синтез, сдела-но открытие материальных основ регулятивного и наслед-ственного молекулярного механизма, а также в значитель-ной степени выяснено значение химических процессов» энер-гетике процессов клетки и вообще живых организмов.

Ныне для химии особенно важным становится примене-ние 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 исклю-чительной эффективности биологических процессов являет-ся 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 дале-ко превзойдут существующие в нашей промышленности.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойства-ми, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рам-ках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в не-органическом мире сталкиваются с серьезными ограничени-ями. Пока речь может идти только о моделировании некото-рых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а так-же частично-практического применения выделенных фермен-тов 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 фермен-та, клетки и даже организма.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитиче-ских 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 хи-мической эволюции, об отборе элементов и структур и их при-чинной 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 самораз-витие каталитических систем и, следовательно, эволюцио-нирующим веществом являются катализаторы. В ходе реак-ции происходит естественный отбор тех каталитических цен-тров, которые обладают наибольшей активностью. Самораз-витие, самоорганизация я самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформи-руемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развива-ющиеся на базе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии, но и ору-дием отбора наиболее прогрессивных эволюционных измене-ний катализаторов.

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

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая «нестацио-нарная технология», то есть технология с меняющимися ус-ловиями реакции. Сегодня исследователи приходят к выво-ду, что стационарный режим, надежная стабилизация кото-рого казалась залогом высокой эффективности промышленнoro процесса, является лишь частным случаем нестационар-ного режима. При этом обнаружено множество нестационар-ных режимов, способствующих интенсификации реакции.

В настоящее время уже видны перспективы возникнове-ния и развития новой химии, на основе которой будут созда-ны малоотходные, безотходные и энергосберегающие промыш-ленные технологии.

Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в буду-щем (не повторяя в точности природу) можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химически-ми, процессами, где начнут применяться принципы синтеза себе подобных молекул. Предвидится создание преобразовате-лей, использующих с большим КПД солнечный свет, превра-щая 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 производ-стве химики наметили рад перспективных путей.

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

Второй путь заключается в моделировании биокатализа-торов. В настоящее время за счет искусственного отбора струк-тур удалось построить модели многих ферментов характери-зующихся высокой активностью и селективностью, иногда' почти такой же, как и у оригиналов, или с большей просто-той строения.

Правда, пока все же полученные модели не в состоянии заменить природные биокатализаторы живых систем. На данном этапе развития химических знании проблема эта реша-ется 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.

Третий путь к освоению механизмов лаборатории живей природы связывается с достижениями химии иммобилизо-ванных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорб-ции, которая и превращает их в гетерогенный катализатор и обес-печивает его стабильность и непрерывное действие.

Четвертый путь в развитии исследований, ориентиро-ванных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи -- изучением и освоением всего каталити-ческого 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 важней-шее место в создании химии будущего.

Заключение

Современная химия представлена множеством различных направлений развития знаний о природе вещества и способах его преобразования. В то же время химия является не просто суммой знаний о веществах, а высоко упорядоченной, посто-янно развивающейся системой знаний, имеющей свое место в ряду других естественных наук.

Химия изучает качественное многообразие материальных носителей химических явлений, химической формы движе-ния материи. Хотя структурно она пересекается в определен-ных областях и с физикой, и с биологией, и с другими есте-ственными науками, но сохраняет при этом свою специфику.

Одним из наиболее существенных объективных оснований выделения химии в качестве самостоятельной естественно-научной дисциплины является признание специфичности химизма взаимоотношения веществ, проявляющегося, прежде всего, в комплексе сил и различных типов взаимодействий, обусловливающих существование двух- и многоатомных со-единений. Этот комплекс принято характеризовать как хи-мическую связь, возникающую либо разрывающуюся в ходе взаимодействия частиц атомного уровня организации мате-рии. Для возникновения химической связи характерно зна-чительное перераспределение электронной плотности по сравнению с простым положением электронной плотности несвя-занных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи. Эта особенность наиболее точно отделяет химическую связь от разного рода проявлений межмолеку-лярных взаимодействий.

Происходящее ныне неуклонное возрастание в рамках естествознания роли химии как науки сопровождается быст-рым развитием фундаментальных, комплексных и приклад-ных исследований, ускоренной разработкой новых материа-лов с заданными свойствами и новых процессов в области технологии производства и переработки веществ.

Литература

1. Большой энциклопедический словарь. Химия. М., 2001.

2. Грушевицкая T.T., Садохин А.П. Концепции современного естествознания. М., 1998.

3. Концепции современного естествознания. Под. ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. М., 1997.

4. Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденции развития. М., 1989.

5. Кузнецов В.И., Идлис ГМ., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

6. Молин Ю.Н. О роли физики в химических исследования. Методологические и философские проблемы химии. Но-восибирск, 1981.

7. Химия//Химический энциклопедический словарь. М., 1983.

Страницы: 1, 2