Специфика химии, ее роль в естествознании

     Водородная связь названа так из-за атома водорода, который соединен ковалентной связью с другим атомом (например, кислорода или азота) так, что положительной оказывается водородная часть молекулы. Этот частично положительный водородный «край» притягивается третьим, отрицательно заряженным атомом (опять же кислорода или азота). Эта связь слабее, чем две предыдущие, но широко распространена в живой материи. Практически, можно сказать, что на ней держится мир живого.

     Силы  взаимодействия между атомами являются короткодействующими (радиус действия r ~10-9 м, размер атома ~ 10-10м). Причем одновременно действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но они по-разному зависят от расстояния. При r = r0 – состояние устойчивого равновесия, на этом расстоянии и находятся атомы, образующие молекулу. Если увеличить r - увеличиваются силы притяжения и возвращают систему в исходное состояние. При r < r0 силы отталкивания также возвращают систему в состояние устойчивого равновесия.

     Химические  связи можно рассматривать с  точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы ее энергия  меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то она может существовать, т.е. ее связь устойчива. Устойчивым считается состояние, в котором  потенциальная энергия минимальна, поэтому при образовании молекулы атомы находятся в потенциальной  яме, совершая небольшие тепловые колебания  около положения равновесия (см. рис.2). Расстояние от вертикальной оси до дна ямы соответствует равновесию – на этом расстоянии находились бы молекулы, если бы прекратилось тепловое движение. Точки левее дна соответствуют отталкиванию, правые – притяжению. Крутизна кривой выражает силу взаимодействия между атомами: чем круче кривая, тем больше сила взаимодействия.

     Для разных пар атомов различны не только расстояния от вертикальной оси до дна ямы, но и глубина ям. Действительно, для того, чтобы выбраться из ямы, нужна энергия, соответствующая  глубине ямы. Поэтому глубину  ямы можно назвать энергией связи  частиц, или энергией ассоциации. Энергия, необходимая для разложения молекулы на атомы, называется энергией диссоциации. Она равна энергии ассоциации.

     Насыщаемость  молекул, т.е. способность присоединять атомы, определяет их постоянный состав для данного вещества и связана  с валентностью – свойством атомов (или группы атомов) соединяться  с некоторым числом других атомов. Величина валентности определяется числом атомов водорода (или другого  одновалентного элемента), с которыми соединяется атом данного элемента.  

     Глава 3.Химические реакции  и условия их возникновения. Эволюционная химия. 

     Химические  реакции – это основа химии. Одни реакции идут в обе стороны (тогда и стрелки в уравнении реакции рисуют в обе стороны), т.е. являются обратимыми, другие только в одну, третьи – вообще не идут. Здесь важно представлять, от чего зависит возможность осуществления реакции, т.е. перестройки химических связей. Ответ на этот вопрос дает термодинамика. Рассмотрим условия самопроизвольного развития химической реакции и условия ее возникновения. Допустим, вы прижгли ранку перекисью водорода (неустойчивое соединение),  но обратной реакции не будет. Термодинамика объясняет это так: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии¹. В самом деле, энтропия растет, так как в малой молекуле воды (она меньше, чем молекула перекиси водорода) расположение атомов менее упорядочено, чем в большой. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии

     F = E – TS. (Пример с камнем: когда  он падает в поле сил тяготения,  его потенциальная энергия уменьшается  – обратно он самопроизвольно  не поднимется). В химических реакциях  обязателен и учет изменения  энтропии, так как возможность  реакции еще не означает, что  она самопроизвольно пойдет.

     Развитие  квантовой химии позволило рассмотреть  на микро уровне протекание реакций, отдельные молекулы и их электронные структуры. Использование термодинамического подхода, описывающего не отдельные объекты, а систему в целом, позволяет глубже понять тенденции протекания реакций.

     Свободные радикалы. В прошлом столетии только два типа частиц считали участвующими в химических реакциях: атомы и молекулы. В 1900 г. Мозес Гомберг обнаружил третью – свободный радикал. Он выделил некоторое соединение, способное вступать в реакции, и доказал, что оно представляет из себя половину молекулы (обозначается точкой над символом, например).

     Подводя некоторый итог, можно сказать, что  при химических превращениях на первый план выступают реакционная способность, энергетические и энтропийные возможности, каталитические и кинетические закономерности.  

     Понятие энтропии первоначально возникло в  термодинамике. Это слово ввел еще  в 19-м веке Клаузис для определения  термодинамических циклов. В 1945 году Клод Шеннон ввел энтропию в теорию информации, ставшую основой кибернетики. Энтропия у него означала меру информации. Статистическая физика рассматривала  энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии 

     В общем случае, в химической системе  имеют место как прямые, так  и обратные реакции, причем большинство  химических реакций не идут до конца. Здесь становится важным понятие  равновесия между прямой и обратной реакциями. В какой-то момент их скорости сравняются, и в данной системе  при данных условиях установится  динамическое равновесие. Вывести систему  из равновесия можно, только изменив  условия согласно принципу, предложенному  в 1884 г. Анри Луи Ле Шателье (1850-1936): «если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия. Например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот. Если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие». Другая, современная формулировка этого принципа следующая:

     «Внешнее воздействие, которое выводит систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия.»

     Ле  Шателье применял этот закон в  промышленных условиях для оптимизации  синтеза аммиака, производства стекла и цемента, выплавки металлов, получения  взрывчатых веществ. Как оказалось, катализаторы не влияют на положение  равновесия: они одинаково влияют на прямую и обратную реакции, ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его.

     В настоящее время принцип Ле Шателье  рассматривается как общий принцип  стабильности, согласующий взаимосвязи  между элементами Вселенной (Универсума), в своей расширенной трактовке он может быть распространен на живые системы, на социальные системы. Так, с появлением жизни возникает принцип отбора, основанный на стремлении живого сохранить свой гомеостаз, т.е. целостность и равновесие, как самого организма, так и популяции. Принцип Ле Шателье, таким образом, связан с глубокими основами мироздания.

     Эволюционная  химия вошла в науку и практику сравнительно недавно - в 50-60-х годах. Если биологи к тому времени широко использовали эволюционную теорию Дарвина, то химики не проявляли активного  интереса к происхождению видов, составляющему сущность эволюционной теории. Не без оснований считалось, что получение любого нового химического  вещества всегда было делом рук и  достоянием разума человека: молекулы нового химического соединения конструировались по законам структурной химии  из атомов и атомных групп, как  здание строится из кирпичей или блоков. Живые же организмы подобным образом  собрать нельзя. Но, несмотря на это, назревали эволюционные проблемы и  для химических объектов, связанные  с самопроизвольным (без участия  человека) синтезом новых химических соединений - более сложных и высокоорганизованных продуктов по сравнению с исходными  веществами. В этой связи эволюционную химию считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

     Истоки  эволюционной химии уходят в далекое  прошлое. Они связаны с давнишней  мечтой химиков - освоить опыт лаборатории  живого организма и понять, как  из неорганической материи возникает  органическая, а вместе с нею и  жизнь. Первым ученым, осознавшим важность исключительно высокой упорядоченности, организованности и эффективности  процессов в живых организмах, был один из основателей органической химии, шведский ученый Якоб Берцелиус (1779- 1848). Именно он впервые установил, что основой лаборатории живого организма является катализ, а точнее, биокатализ. Идеально совершенные превращения  посредством катализа способна производить лаборатория живого организма - так считали немецкий ученый Ю. Либих (1803- 1873), французский естествоиспытатель М. Бертло (1827-1907) и многие другие химики XIX в.

     Химический  анализ живой природы остается актуальным и по сей день.

     Предполагается, что, используя принципы химии организмов, можно построить совершенно новую  химию, основанную на необычном управлении химическими процессами. Будут созданы  аналогичные катализаторы, далеко превосходящие  промышленные аналоги последнего времени. Тогда станет возможным преобразование солнечной энергии с большим  коэффициентом полезного действия в другие виды энергии: химическую, электрическую, тепловую. Возможно, сочетание  биохимической энергетики с синтезом полимерных материалов приведет к созданию такой макромолекулы, которая подобно  нашим мышцам будет способна превратить химическую энергию в механическую.

     Такие задачи могут показаться фантазией. Можно привести примеры, когда в  науке многие проблемы вначале казались тоже фантастическими. В свое время  это были проблемы строения атома  и его ядра. Прошло около полстолетия  экспериментальных и теоретических  исследований - и первоначальные идеи вылились в реальную возможность  получения атомной энергии.

     Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального  состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме. Такие  по содержанию исследования проводят и химики-органики, и биохимики, и  даже медики. При этом, решая одни и те же задачи, они ставят разные цели. Химиков-органиков интересуют перспективы создания более сложных  веществ путем конструирования  их молекул для реализации возможностей синтеза аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследуют цель изучения субстратной  и функциональной основ жизнедеятельности  организмов. Медики стремятся выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяет все эти исследования идея о ведущей роли ферментов или, в более широком смысле, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, впервые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером (1822- 1895), остается основополагающей и по сей день при изучении химии живой природы в рамках динамической биохимии, основной предмет которой - химические процессы, происходящие в живом организме. В то же время изучением молекулярного состава и структуры ткани живого и неживого организма занимается статическая биохимия.

     Динамическая  биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX столетий, когда начали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции  и диссимиляции как некие превращения  веществ. История исследования брожения включает не только определенные этапы  познания действительности, но и трудности  проникновения в тайны живого: веру в жизненную силу, надежды  Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организмов, упрощенные представления "чистых химиков" - Либиха и Бертло о брожении как действии обычных химических сил, гениальные предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожениям и ферментом живой деятельности дрожжевых клеток и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации, а вслед за этим участия на различных стадиях брожения различных ферментов.

     Исследование  брожения составляет основной предмет  ферментологии - стержневой отрасли  знаний о процессах жизнедеятельности. На протяжении весьма длительной истории  исследования процесс биокатализа  рассматривался с двух разных точек  зрения. Одной из них, условно названной  химической, придерживались Ю. Либих  и М. Бертло, а другой - биологической - Л. Пастер.

     В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому катализу. Несмотря на упрощенный подход в рамках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонентов - активных центров и носителей; заключение о важной роли ионов переходных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими агентами.

     В начале развития биологическая концепция не располагала столь обширными экспериментальными подтверждениями. Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его прямые наблюдения за деятельностью молочнокислых бактерий, которые позволили выявить брожение и способность микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельности путем брожения. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов. Однако все его доводы, если и были не опровергнуты, то,  по крайней мере, отодвинуты на задний план после открытия внеклеточного брожения.

     Однако  с течением времени концепция  Пастера победила. О перспективности  данной концепции свидетельствуют  современные эволюционный катализ  и молекулярная биология. С одной  стороны, установлено, что состав и  структура биополимерных молекул  представляют собой единый набор  для всех живых существ, вполне доступный  для исследования физических и химических свойств - одни и те же физические и  химические законы управляют как  абиогенными процессами, так и  процессами жизнедеятельности. С другой стороны, доказана исключительная специфичность  живого, проявляющаяся не только в  высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых  систем на молекулярном уровне, на котором  отражаются закономерности других уровней. Специфичность молекулярного уровня живого заключается в существенном различии принципов действия катализаторов  и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров, структура которых определяется только генетическим кодом и, наконец, в своем необычном факте: многие химические реакции окисления-восстановления в живой клетке могут происходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. А это означает, что в живых системах могут происходить такие химические превращения, которые не обнаруживались в неживом мире.