Современная (постклассическая) химия, продолжая оставаться наукой о превращениях и свойствах веществ, проявляющихся при трансформации их структуры на атомно-молекулярном уровне, приобрела в то же время новые особенности по сравнению с классическим периодом. Прежде всего, как сказано, она опирается на квантовую механику и учение о строении атома. Под этим углом зрения переосмысливаются все классические понятия. Например, валентность по-прежнему трактуется как количественная мера способности элемента к образованию химических связей, но в XXв. связи эти трактуются как электростатические силы, причем выяснилось, что упомянутая способность образовывать связи зависит от характера внешней (валентной) оболочки атомов (см.1.3.6). Конечно, для этого необходимы были по меньшей мере открытие электрона и боровская планетарная модель атома.
Еще недавно не имели применения, да почти что и не были известны изотопы - разновидности одного и того же химического элемента, имеющие один номер в периодической таблице, но отличающиеся друг от друга по атомной массе. Порядковый номер (число протонов в ядре) у изотопов одного и того ж элемента одинаков, но имеются добавочные или недостающие нейтроны, так что атомная масса получается неодинаковая. Первые изотопы были получены в процессе радиоактивного распада урана и тория в 1906-1907 гг., что явилось важным компонентов происходившей тогда тотальной перестройки естественнонаучных концепций. Оказалось, что порядковый номер элемента в менделеевской таблице является значительно более сложным показателем, чем полагали ранее, и под ним могут скрываться разновидности этого элемента с неодинаковыми свойствами, хотя и с одним зарядом ядра (конечно, такие формулировки смогли появиться только после принятия планетарной модели атома, каковая и была предложена в 1911 г.Э. Резерфордом, хотя еще и в несовершенной форме по сравнению с раннеквантовой моделью Бора, см.2.1.). Вскоре изотопы были открыты и у стабильных элементов, раньше всего у неона, а в 1934 г.И. Кюри и Ф. Жолио получили изотопы искусственным путем (а именно, отсутствующие в природе радиоактивные изотопы азота 12N, кремния 28S; и фосфора 30Р - слева вверху стали писать массовое число изотопа). Затем путем ядерных реакций синтезировали еще много изотопов, в основном радиоактивных.
Широко распространилась за последние годы и представляет уже отчасти переход к биологии концепция эволюционной химии, основанная на введении в химию идеи саморазвития путем восхождения на более высокие уровни сложности и упорядоченности. Эволюция понимается в данном случае как спонтанный - в природе или специально подобранных (чтобы сделать минимальным участие человека) условиях - синтез новых химических соединений, являющихся более сложными по сравнению с исходными материалами. Сюда же примыкает моделирование каталитических систем, к которому мы вернемся в связи с проблемами биологии. Для химического же уровня организации несомненно, что раннему этапу возникновения жизни предшествовали сложные молекулярные процессы, которые можно отнести к категории химической эволюции и без которых жизнь не возникла бы.
На этом этапе в атмосфере Земли взаимодействовали сначала очень простые углеродосодержащие и безуглеродные вещества (вода, углекислый газ, аммиак, сероводород, цианистый водород, фосфорная кислота и т.д.), затем получившиеся из них малые биомолекулы (мономеры: сахара, аминокислоты, пурины, пиримидины, моносахариды и т.п.), затем сложные органические вещества и биополимеры (липиды, полисахариды, белки, нуклеотиды и др.) - и это уже была преджизнь, переход к живому веществу. Механизмы этого процесса перехода во многом неясны и представляют собой одну из тех наиболее увлекательных областей исследования, которые обещают обогатить естествознание новыми и углубленными концепциями. Для них отчасти уже готовы наименования: теория самоорганизации, биогенез, синергетика и т.д. Однако мы еще далеки от редукции реальных эволюционных и биологических процессов к химической основе, если такая редукция вообще возможна.
Редукцию химических концепций и в целом химического уровня организации к физическому можно считать практически состоявшейся, как можно видеть, в частности, на примере валентности, периодического закона Менделеева (см. выше) и многих других концепций и категорий. Редукция биологического уровня к химическому, видимо, представляет собой гораздо более трудную задачу, нежели редукция химического уровня к физическому. Многие применяемые в биологии понятия не имеют аналогии на низших уровнях организации. Таковы понятия органа, стимула, пола, инстинкта и др. Тем не менее во все возрастающей степени в биологии используется концептуальный аппарат физики и химии, а потому концепции современной биологии необходимо рассматривать как в их специфике, так и в контексте физических и химических данных и категорий.
Многообразие имеющихся на Земле живых систем поразительноЧасти организмов (клетки, ткани, органы), далее сами организмы, популяции, нередко рассматриваются в виде особых, всевозрастающих в отношении сложности объектов - уровней организации. “Лестница" этих уровней представляет собой часть более общей шкалы повышения организации в природе, начиная от атомов и молекул и кончая человеком, человеческим обществом и ноосферой (см. ниже).
В плане построения четкой картины многоуровневости живой природы в настоящее время наиболее адекватным представляется выделение следующих уровней: (1) молекулярного, составляющего предмет молекулярной биологии; (2) субклеточного - органелл и других внутриклеточных структур; (3) клеточного; (4) тканевого; (5) органного; (6) организменного; (7) популяционного - как сказано, ключевого с точки зрения СТЭ; (8) видового (сюда же примыкают уровни более высоких систематических единиц: рода, семейства, класса и т.д.); (9) биогеоценотического и (10) биосферного. Два последних уровня включают в себя не только организмы, но и участки земной поверхности и вообще местообитания организмов и будут рассмотрены ниже.
Отличительные особенности живых существ заключаются, во-первых, в их составе, во-вторых, в строении и функциях. По составу они относятся к тому региону материального бытия, в основе которого лежат органические соединения. Какие именно, есть разные мнения. Раньше считали, что в основе жизни лежат белки; однако сейчас представляется более вероятным (как мы увидим ниже, при изучении генетических концепций), что еще важнее нуклеиновые кислоты - биополимеры построенные из нуклеотидов (азотистых оснований - пуриновых и пиримидиновых), углеводов и остатка фосфорной кислоты и лежащие в основе процессов хранения и передачи негенетической информации, т.е. информации, передающейся от одного поколения организмов к другому. Белки важны в осуществлении самых разнообразных функций в течение онтогенеза. Но при передаче признаков по наследству, а значит, и при филогенезе их роль сравнительно с нуклеиновыми кислотами пассивна, она лишь реализует программу, заложенную в последних. Теоретически возможны, например, на других планетах, и формы жизни, основанные на каких-либо других соединениях, например, не углеродных, а кремниевых. Сейчас для описания феномена жизни в наиболее общем виде берут за основу чаще всего не состав, а функции и структуру живых объектов как систем.
Под этим углом зрения первостепенными для определения некоторой системы как живого организма являются ее целостность; далее, уже упомянутый факт онтогенеза (согласно теории эволюции, также и филогенеза - исторического, т.е. в геологическом времени, формирование видов, родов, классов и других систематических групп организмов); обмен веществ и энергии с окружающей средой; способность целесообразно реагировать на ее изменения; сложность (высокоупорядоченность) строения; размножение. Взятые порознь, все эти аспекты специфики живого не являются абсолютными. Так, в определенной мере целостность характерна уже для кристаллов; в процессе кристаллизации в растворах, когда около “зародышевых” центров в течение определенного времени образуются “взрослые" кристаллы, с основанием можно видеть нечто подобное онтогенезу, т.е. индивидуальному развитию. Видимо, этот процесс в каких-то формах, возможно, напоминающих современные вирусы, также и исторически предшествовал появлению типичной жизни. Обмен веществ и энергии (иногда в том же смысле, т.е. как осуществляющих этот обмен, говорят о живых системах как открытых) тоже не столь уникальный случай: открытых систем и вне жизни много (например, газовые оболочки гигантских планет, где нет жизни, но идут потоки вещества и энергии к поверхности планеты и в космос). Вообще неорганические (“косные”) системы весьма нередко обмениваются (хотя бы в элементарной форме) веществом и энергией со своей средой и реагируют на ее изменения, и если это реагирование трудно определить как “целесообразное”, то по крайней мере есть системы, определенным образом “направленные" на поддержание своего равновесия: например, смесь уксусной кислоты с ее же натриевой солью или вообще буферные растворы, сохраняющие в известных рамках при добавлении воды, кислот или оснований на одном и том же уровне свою важнейшую характеристику - кислотность.