К основным химическим понятиям относится понятие химического равновесия, под которым понимается одинаковость скоростей прямой и обратной реакций. Химическое равновесие называют динамическим, поскольку протекают и прямая, и обратная реакции, но изменения в системе отсутствуют.
Выдающееся достижение химии заключалось в том, что она открыла так называемые цепные реакции еще до того, как в физике был обнаружен радиоактивный распад. Суть цепной реакции Н.Н. Семенов описывает так: «Энергии кванта достаточно для того, чтобы двухатомная молекула хлора распалась на отдельные атомы. Каждый из них активнее первоначальной молекулы и потому легко вступает в реакцию с молекулой водорода. Она также двухатомна. Один из ее атомов вместе с атомом хлора дает молекулу продукта — хлористого водорода, а другой атом водорода остается свободен. Теперь он легко вступает в реакцию с ближайшей молекулой хлора, образуя вторую молекулу хлористого водорода и отдельный атом хлора… Это повторяется много-много раз, возникает как бы длинная цепь реакций»[84].
Советскому ученому Н.Н. Семенову предстояло открыть разветвленные цепные реакции. Его описание данного открытия раскрывает внутренний механизм научного творчества как такового. «Я уже сейчас не помню хорошо, когда у меня мелькнула догадка, что реакция окисления фосфора отличается от реакции хлора с водородом… Не помню, как мне пришла в голову главная мысль, что в ходе этой реакции образуются не обычные молекулы пятиокиси фосфора, а молекулы возбужденные — имеющие избыточную энергию, что и является причиной испускания света при соединении фосфора с кислородом. Но иногда возбужденная молекула пятиокиси фосфора может столкнуться с неактивной молекулой кислорода, еще не успев испустить свет. Тогда эта избыточная энергия вызывает расщепление кислородной молекулы на активные атомы, каждый из которых, в свою очередь, начинает боденштейновскую прямую цепь реакции окисления фосфорных паров»[85].
Теория разветвленных цепных реакций дала начало новому направлению исследований — химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.
В химии были также открыты колебательные реакции, получившие название «химических часов». «Ведь, что, в самом деле, происходит? Основа колебательной реакции — наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой — В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция — это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия далеки от равновесных, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом… Такое поведение традиционно приписывалось только живому — теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых»[86].
Химия делится на органическую, изучающую вещества, в состав которых входит углерод, и неорганическую. Органический синтез — синтез природных соединений — имеет важнейшее практическое значение. Основной практической задачей химии является получение веществ с заданными свойствами. На протяжении XX в. было синтезировано огромное количество веществ, которые до этого человечество находило лишь в природном состоянии, — различные лекарства, витамины, удобрения, детергенты, каучук и т. д. В настоящее время ведутся работы по выработке технологии создания новых материалов не только из неорганических соединений, но и из растительного сырья: кукурузы (из ее стеблей, которые сжигают) и т. п. Одно из перспективных направлений — создание биодеградируемой упаковки. Представьте, баночка из-под йогурта, брошенная не очень-то культурным человеком в воду или на газон, в считанные дни исчезнет, разложившись до углекислого газа и воды, и количество углекислого газа при этом не увеличивается, как при использовании нефти. Это получило название «зеленая химия».
Химия идет по технологическому пути, так как свойства естественных молекул уже достаточно хорошо изучены, и задача — создавать новые вещества с новыми, неизвестными природе свойствами, как, например, пластмассы. Ежегодно синтезируется более 6 000 новых химических соединений. И необходимо включать их в природные кругообороты, чтобы не осложнялись экологические проблемы.
С появлением новых промышленных процессов, средств связи (например, сотовой связи) возникает все большая потребность в новых материалах. Необычное и даже неожиданное словосочетание — интеллектуальные, или разумные, материалы. Это вещества нового поколения, которые оптимизируют свои характеристики в зависимости от внешних условий. Такие материалы откликаются на всякое физическое воздействие: крыло новой машины автоматически меняет свою форму, чтобы оптимально соответствовать аэродинамическим условиям или оптимизировать угол атаки. Некоторые детали (например, лопатки турбин) выращивают из расплава как кристалл — целиком нужной формы. Такова химия XXI века.
Биохимия изучает химические реакции, происходящие в живых организмах, химический состав живых организмов и клеток. Эта промежуточная между биологией и химией наука получила развитие именно в XX в. Объяснение функционирования какого-либо уровня организации материи в биохимии заключается в переводе его на более низкий уровень. Мы говорили в связи с этим о принципе редукционизма, имеющем важнейшее значение в науке. Биохимия стремится объяснить функционирование живых тел на молекулярном уровне, поэтому говорят также о молекулярной биологии.
Из всех химических элементов, которых более 100, для жизни необходимы главным образом 16, причем 99 % входящих в состав живых организмов химических элементов составляют углерод, водород, кислород и азот. Биохимия изучает роль химических элементов и веществ, таких как вода, в создании и функционировании живого. Биохимию называют химией живых организмов. Она является фундаментом для физиологии и выполняет объяснительную роль для всех биологических процессов. Биохимия изучает такие важные соединения, как аминокислоты и белки, макромолекулы которых содержат до 1 000 аминокислот. Пример белковой молекулы — гемоглобин. В животной клетке находится порядка 5000 различных видов белка.
Основоположником биогеохимии стал выдающийся русский ученый XX в. В.И. Вернадский, чье имя будет не раз встречаться на страницах этой книги. Биогеохимия изучает распространение химических элементов по поверхности Земли под влиянием живых организмов. Это пример пограничной науки, которая состоит из трех наук — биологии, химии и геологии.
Согласно двум биогеохимическим принципам В.И. Вернадского биогенная миграция атомов в биосфере стремится к максимальному проявлению, и в биосфере должны возникать виды и формы организованности, увеличивающие биогенную энергию. Другими словами, эволюция биосферы имеет направленность.
В.И. Вернадский шел от геохимии к биогеохимии, а от нее — к учению о биосфере. Иным путем — от изучения взаимодействий живых организмов с окружающей средой к понятию биосферы пришла экология.
1. Что такое структурный подход, и каково его значение в современной науке?
2. Каковы основные выводы теории химической связи?
3. Что такое цепная реакция?
4. Каково практическое значение химии в XX в.?
5. Что вы можете сказать о предмете биохимии?
6. Каков предмет биогеохимии?
I. Ответьте на вопросы.
1. Чем отличается атом от молекулы?
2. Где и как образуются и превращаются друг в друга химические элементы?
3. В чем суть биогеохимических принципов В.И. Вернадского?
4. Как В.И. Вернадский пришел к созданию биогеохимии?
II. Прокомментируйте высказывание.
«Нельзя не отметить принципиальное концептуальное различие между физикой и химией. В классической физике мы можем представлять себе обратимые процессы, такие как движения маятника без трения. Пренебрежение необратимыми процессами в динамике всегда соответствует идеализации, но, по крайней мере, в некоторых случаях эта идеализация разумна. В химии все обстоит совершенно иначе. Процессы, изучением которых она занимается (химические превращения, характеризуемые скоростями реакций), необратимы. По этой причине химию невозможно свести к лежащей в основе классической или квантовой механики идеализации, в которой прошлое и будущее играют эквивалентные роли» (И. Пригожин, И. Стенгерс).
Азимов А. Краткая история химии. — М., 1983.
Вернадский В.И. Химическое строение Земли. — Различные издания.
О том, как делаются научные открытия // Краткий миг торжества: Сб. — М., 1989.
Глава 11Эволюционная биология
Одним из наиболее трудных и в то же время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что когда наука подходит к проблемам развития как создания качественно нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.
Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Методологическая трудность заключается в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни, так как уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода.