Хімічні процеси, самоорганізація й еволюція хімічних систем
Здатність до взаємодії різних хімічних реагентів визначається не тільки їхньою атомно-молекулярною структурою, але й умовами протікання хімічних реакцій.
До умов протікання хімічних процесів ставляться насамперед термодинамічні фактори, що характеризують залежність реакцій від температури, тиску й деяких інших умов. У ще більшому ступені характер і особливо швидкість реакцій залежать від кінетичних умов, які визначаються наявністю каталізаторів і інших добавок до реагентів, а також впливом розчинників, стінок реактора й інших умов.
Не треба, однак, забувати, що ці умови можуть впливати на характер і результат хімічних реакцій при певній структурі молекул хімічних сполук. Найбільш активні щодо цього сполуки змінної сполуки з ослабленими зв'язками між їхніми компонентами. Саме на них і спрямовано в першу чергу дія різних каталізаторів, які значно прискорюють хід хімічних реакцій. Менший вплив роблять на реакції такі термодинамічні фактори, як температура й тиск. Для порівняння можна привести реакцію синтезу аміаку з азоту й водню. Спочатку його не вдавалося одержати ні за допомогою великого тиску, ні високої температури, і тільки використання як каталізатор спеціально обробленого заліза вперше привело до успіху. Однак ця реакція сполучена з більшими технологічними труднощами, які вдалося перебороти після того, коли був використаний каталізатор. У його присутності синтез аміаку відбувається при звичайній температурі (18°С) і нормальному атмосферному тиску, що відкриває більші перспективи не тільки для виробництва добрив, але в майбутньому такої зміни генної структури злаків (жита й пшениці), коли вони не будуть мати потребу в азотних добривах. Ще більші можливості й перспективи виникають із використанням каталізаторів в інших галузях хімічної промисловості, особливо в «тонкому» і «важкому» органічному синтезі.
Не приводячи більше прикладів про надзвичайно високу ефективність каталізаторів у прискоренні хімічних реакцій, варто звернути особливу увагу на те, що виникнення й еволюція життя на Землі були б неможливі без існування ферментів, що служать по суті справи живими каталізаторами.
Незважаючи на те що ферменти мають загальні властивості, властивим всім каталізаторам, проте вони не тотожні останніми, оскільки функціонують у рамках живих систем. Тому всі спроби використовувати досвід живої природи для прискорення хімічних процесів у неорганічному світі натрапляють на серйозні обмеження. Мова може йти тільки про моделювання деяких функцій ферментів і використанні цих моделей для теоретичного аналізу діяльності живих систем, а також частково - практичного застосування виділених ферментів для прискорення деяких хімічних реакцій.
Той факт, що каталіз відігравав вирішальну роль у процесі переходу від хімічних систем до біологічних, тобто на предбіотичної стадії еволюції, у цей час підтверджується багатьма даними й аргументами. Найбільш переконливі результати пов'язані з досвідами по самоорганізації хімічних систем, які спостерігали наші співвітчизники Б. П. Белоусов і О. М. Жаботинський. Такі реакції супроводжуються утворенням специфічних просторових і тимчасових структур за рахунок надходження нових і видалення використаних хімічних реагентів. Однак на відміну від самоорганізації відкритих фізичних систем у зазначених хімічних реакціях важливого значення набувають каталітичні процеси.
Роль цих процесів підсилюється в міру ускладнення сполуки й структури хімічних систем. На цій підставі деякі вчені, наприклад, прямо зв'язують хімічну еволюцію із самоорганізацією й саморозвитком каталітичних систем. Інакше кажучи, така еволюція якщо не цілком, те значною мірою пов'язана із процесами самоорганізації каталітичних систем. Треба, однак, пам'ятати, що перехід до найпростіших форм життя припускає також особливий диференційований відбір лише таких хімічних елементів і їхніх сполук, які є основним будівельним матеріалом для утворення біологічних систем. У зв'язку із цим досить відзначити, що з більш ніж ста хімічних елементів лише шість, названих органогенами, є основою для побудови живих систем.
Дотримуючись принципів системного підходу, будемо розглядати величезну розмаїтість форм і явищ живої природи також з погляду рівня визначальних їхніх біологічних структур. Хоча подібне вивчення й не треба тому історичному шляху, яким розвивалася біологія, але воно дасть можливість теоретично представити, як могли виникнути перші живі системи на Землі і як відбувався процес еволюції від найпростіших і менш організованих систем до систем більше складним і високоорганізованим.
Історично біологія розвивалася як описова наука про різноманітні форми й види рослинного й тваринного світу. Тому найважливіше місце в ній зайняли методи аналізу, систематизації й класифікації величезного емпіричного матеріалу, накопиченого натуралістами. Перші класифікації рослин, найбільш відомої з яких була система Карла Лінея (1707-1778), а також класифікація тварин Жоржа Бюффона (1707-1788), носили значною мірою штучний характер, оскільки не враховували походження й розвитку живих організмів. Проте, вони сприяли об'єднанню всього відомого біологічного знання, його аналізу й дослідженню причин і факторів походження й еволюції живих систем.
Без такого дослідження неможливо було б, по-перше, перейти на новий рівень пізнання, коли об'єктами вивчення біологів стали живі структури спочатку на клітинному, а потім на молекулярному рівні.
По-друге, узагальнення й систематизація знань про окремі види й роди рослин і тварин вимагали переходу від штучних класифікацій до природних, де основою повинен стати принцип генезису, походження нових видів, а отже, розробка теорії еволюції. Такі спроби створення природної класифікації, що опираються на досить недосконалі ще принципи еволюції, уживали Жан Батистом Ламарком (1744-1829) і Етьеном Жоффруа Сент-Ілером (1772-1844). Не підлягає сумніву, що вони послужили важливою віхою на шляху створення першої наукової теорії еволюції видів рослин і тварин Чарльзом Дарвіном.
По-третє, саме описова, емпірична біологія послужила тим фундаментом, на основі якого сформувався цілісний погляд на різноманітний, але в той же час єдиний мир живих систем. Можна навіть сказати, що перші уявлення про системи й рівні їхньої організації були запозичені з досвіду вивчення живої природи й навіть зараз для ілюстрацій ми часто звертаємося саме до живих систем. Адже перед тим як пояснити функціонування частин або елементів живих організмів, ми повинні зрозуміти життєдіяльність єдиного, цілісного організму, а таке розуміння спочатку досягається саме на описовому, емпіричному рівні. Подальший, теоретичний крок у розумінні неминуче пов'язаний з аналізом безпосередньо даної живої системи, її розчленовуванням на окремі підсистеми й елементи, вивченням структури системи, виявленням різних структурних рівнів організації живих систем.
Молекулярно-генетичний рівень біологічних структур
Уявлення про структурні рівні організації живих систем сформувалося під впливом відкриття клітинної теорії будови живих тел. У середині 19 століття клітка розглядалася як остання одиниця живої матерії, на зразок атома неорганічних тел. Із кліток завдяки відповідному принципу впорядкованості мислилися побудованими всі живі системи різного рівня організованості. Такі ідеї висловлював, наприклад, один із творців клітинної теорії Маттіас Шлейден (1804-1881). Інший видатний біолог Ернст Геккель (1834-1919) ішов далі й висунув гіпотезу, відповідно до якої протоплазма клітки також має певну структуру й складається із субмікроскопічних частин. Таким чином, у живій системі можна виділити новий структурний рівень організації.
Ці ідеї, що далеко випереджають наукові знання своєї епохи, зустрічали явний опір, з одного боку, послідовників редукціонизма, які бажали звести процеси життєдіяльності до сукупності певних хімічних реакцій, а з іншого боку - захисників віталізму, які намагалися пояснити специфіку живих організмів наявністю в них особою «життєвої сили» (від лат. vitalis - життєвий).
Ідеї редукціоністів знаходили підтримку з боку представників механістичного й «вульгарного» матеріалізму, перші з яких намагалися пояснити закономірності живої природи за допомогою найпростіших механічних і фізичних понять і принципів, другі ж прагнули редукувати, звести ці закони до закономірностей хімічних реакцій, що відбуваються в організмі. Більше того, деякі представники «вульгарних» матеріалістів - Людвіг Бюхнер (1824-1899) і Якоб Молешотт (1822-1893) - навіть затверджували, що мозок породжує думку подібно тому, як печінка виділяє жовч.
Незважаючи на ці філософські дискусії між механіцистами й віталістами, учені-експериментатори намагалися конкретно з'ясувати, від яких саме структур залежать специфічні властивості живих організмів, і тому продовжували досліджувати їх на рівні не тільки клітки, але також і клітинних структур.
У першу чергу вчені досліджували структуру білків і з'ясували, що вони побудовані з 20 амінокислот, які з'єднані довгими поліпептидними зв'язками, або ланцюгами.
Хоча до складу білків людського організму входять всі 20 амінокислот, але зовсім обов'язкові для нього тільки 9 з них. Інші, очевидно, виробляються самим організмом.
Характерна риса амінокислот, що втримуються не тільки в людському організмі, але й в інших живих системах (тварин, рослинах і навіть вірусах), полягає в тому, що всі вони є лівообертальними, хоча в принципі існують амінокислоти й правого обертання. Обидві форми таких ізомерів майже однакові між собою й різняться тільки просторовою конфігурацією, і тому кожна з молекул амінокислот є дзеркальним відображенням іншої. Уперше це явище відкрив видатний французький учений Луї Пастер (18221895), досліджуючи будову речовин біологічного походження. Він виявив, що такі речовини здатні відхиляти поляризований промінь і тому є оптично активними, внаслідок чого були згодом названі оптичними ізомерами. На відміну від цього в молекул неорганічних речовин ця здатність відсутня й побудовані вони зовсім симетрично.