99278

Эволюционная химия и биогенез. Проблеме химической эволюции и происхождения жизни

Реферат

Химия и фармакология

Условия существования и развития элементарных открытых каталитических систем Для разработки общей теории химической эволюции необходима полная теоретическая модель элементарной открытой каталитической системы ЭОКС пригодная для любых проявлений катализа во всех его областях независимо от природы реагирующих веществ и катализаторов и фазовых взаимоотношений между ними. В модели нашли отражение все особенности и элементы катализа: и сам по себе феномен влияния катализатора на скорость реакции и химическая природа взаимодействие катализатора...

Русский

2016-09-06

236.5 KB

0 чел.

Введение

Современная наука признает лишь естественное происхождения жизни путем эволюции неживой материи. Это убеждение – результат длительной борьбы материалистических и идеалистических представлений и последовательное проведение принципа материального единства мира. Не ставя своей целью анализ становления такого взгляда, ученные обратили внимание лишь на существующие сейчас научные концепции эволюционного происхождения жизни в результате химической эволюции.

Среди них можно выделить оригинальные гипотезы и теории, отличающихся лежащими в их основе эволюционирующими моделями: теория Опарина, рассматривающую эволюцию коацерватных капель, образующихся при рассматривании растворов высоко молекулярных, в том числе белковоподобных веществ; идею Кальвина о молекулярной эволюции автокаталитического свойства некоторых молекул; гипотезу Кастлера об эволюции молекулы полинуклеотидов со свойствами репликации возникающих в случайных химических процессах; теорию эволюции элементарных открытых каталитических систем. Кроме того, можно отметить ряд взглядов и теорий, развивающих и моделирующих уже известные гипотезы, вносящие что-то новое лишь в частные аспекты проблем или же просто обобщающих и систематизирующих материал по вопросам происхождения жизни. Здесь следует отметить концепцию Бернала о химической эволюции в адсорбционных пленках на поверхности глин и об эволюции в пузырьках и пене, образуемых поверхностно-активными веществами в прибрехных зонах океана; гипотезу Фокса и Дозе об эволюции протенноидных микросфер, объединяющую в себе идеи Опарина и Бернала о возможности химической эволюции лишь в объектах с границей раздела фаз и идеи Кальвина о молекулярной эволюции; теории эволюции белково-нуклеотидных гиперциклов Энгена.

Анализ достоинств и недостатков моделей эволюционирующих объектов, лежащих в основе известных теорий происхождения жизни, в сопоставлении с моделью элементарных открытых каталитических систем. Главным выводом этого анализа является то, что ни одна из указанных теорий, кроме теории эволюционного катализа, не вскрывает причины, движущие силы и законы химической эволюции. Поэтому хотя эти теории и описывают в определенном приближении химическую эволюцию и отвечают на вопрос как она происходит, но не отвечают на вопрос почему осуществляется эволюция.

1. Два подхода к проблеме химической эволюции и

происхождения жизни

Причина столь больших различий в эвристических возможностях теорий связана с диаметрально противоположным подходом к проблеме химической эволюции и происхождения жизни, свойственным всем перечисленным теориям и взглядам, с одной стороны, и теории эволюционирующего катализа - с другой. Хотя и в том и в другом случае подход материалистический и соответствует историческому взгляду на возникновение жизни, но в первом случае он основан на взгляде в прошлое со стороны биологии и существующей жизни (биологический, актуалистический подход), а во втором же случае - на взгляде в будущее со стороны химии, обусловливающей саморазвитие из неживой материи (химический, естественноисторический подход).

Актуалистический подход дает описание истории прошлых событий на основе настоящих при предположении неизменности действующих законов во времени, по принципу «изучение настоящего есть ключ к познанию прошлого». Он взят из исторической геологии, где о картине прошлых событий вынуждены судить лишь по их следам, дошедшим до нас. При решении проблемы происхождения жизни этот метод применяется во всех случаях, или когда происхождение жизни пытаются понять на основании знания вещественного состава, структурной и функциональной организации современных живых организмов путем обратных исторических экстраполяций (ретросказаиия) в область давнопрошедшей химической эволюции.

Естественноисторический подход позволяет рассматривать последовательное саморазвитие, самоорганизацию и самоусложнение элементарных объектов химической эволюции от простых их форм до живых организмов на основе свойств этих объектов и законов химии, в том числе и законов химической эволюции. При этом учитывается не только последовательное развитие и усложнение объектов эволюции, но и самих законов химической эволюции вплоть до перехода их в законы биологии. Благодаря этому становится возможным детальное теоретическое описание всех естественных этапов химической эволюции вплоть до перехода ее в биологическую эволюцию.

В Отличие от актуалистического, естественноисторический подход не исходит из данных о молекулярных основах и сущности процессов метаболизма известной нам жизни для основания и описания будущих целей и состояний, к которым как бы стремится химическая эволюция, а выявляет необходимость последовательного формирования тех или иных свойств и функций эволюционирующих объектов, все более и более приближающихся к свойствам и функциям новых организмов, строго детерминировано как физико-химические формы проявления законов эволюции в конкретных условиях на разных этапах эволюции, т. е. решает вопросы биогенеза фундаментально и однозначно. Обратные исторические экстраполяции, свойственные актуалистическому подходу, часто имеют форму неоднозначных предположений, не говоря уже о том, что в их основу заведомо введен источник ошибок, так как предположение о правомерности распространения законов настоящего (биология) на прошлое (химическая эволюция) несостоятельно. С другой стороны, выводы, получаемые при естественноисторическом подходе, не только не нуждаются для своего обоснования в данных о составе, строении и функциях существующего живого, а наоборот, будучи независимыми от них и имея фундаментальное обоснование со стороны химии, могут дать научно-теоретическое обоснование всем особенностям состава, структуры, свойств и функций живых организмов и законам биологической эволюции, которые последовательно формируются в ходе биогенеза.

2.Эволюционная химия и биогенез

Естественноисторический подход и эволюционная химия

Химическая эволюция и биогенез вплоть до появления простейших живых организмов относятся к области проявлений химической формы движения материи. Следовательно, изучение этих явлений, выяснение природы эволюционных объектов, причин и закономерностей химической эволюции составляет предмет химической науки, особой ее области эволюционной химии.

Хотя это было очевидно давно, и актуальность решения проблемы химической эволюции несомненна, так как с этим связывалось выяснение сущности и происхождения жизни, являющееся важнейшей проблемой современного естествознания, в науке создалась странная ситуация. Как пишет Кузнецов, проблема химической эволюции как бы временно выпала из круга интересов химиков, оказалась где-то в стороне от главных путей развития химии. В то же время проблемой химической эволюции интенсивно интересовались биохимики и биологи, геохимики и геологи, космохимики и космологи в плане поиска решения вопроса происхождения жизни; они внесли в эту область свое представление о предмете (изучение путей происхождения биогенных веществ и биохимических механизмов) и актуалистический метод изучения проблемы. Следует рассмотреть причину того, что одна из самых актуальных химических проблем химиками не изучалась, и крупная область химии ими практически не разрабатывалась.

Это было связано с тем, что в отличие от биологии, где существовало четкое представление, об эволюции как о происхождении одних видов из других, в химии до появления работ в области эволюционного катализа отсутствовало конкретное понимание химической эволюции, так как не были известны ни ее объекты, ни особенности происходящих при эволюции процессов, отличающих их от обычных химических превращений. Не зная предмета исследований, химики не ставили и задачу изучения химической эволюции и, в то же время, не могли воспользоваться формулировками этих задач, даваемыми биохимией, так как актуалистический подход, на основании которого они давались, был чужд химии, стремившейся, в отличие от описательных наук, строить все свои выводы на основе строгого эксперимента и доказанных положений.

Учитывая эту специфику химии, подход эволюционной химии к проблеме химической эволюции мог быть только естественноисторическим, т. е. основанным на рассмотрении свойств и особенностей, присущих самим объектам эволюции, условий и закономерностей их существования и последовательного саморазвития, самоорганизации и самоусложнения от простейших до сложнейших форм и живых организмов, выявляемых лишь с учетом свойств объектов, факторов внешней среды и законов химической эволюции, в том числе принципа естественного отбора.

Следовательно, для того чтобы эволюционная химия могла применить присущий ей естественноисторический· подход к проблеме химической эволюции и биогенеза, должны были быть известны в общих чертах не только природа объектов химической эволюции и сущность химического эволюционного процесса, но и особенности и свойства этих объектов, условия и причины эволюции и ее основной закон. Другими словами, это было бы возможно только после разработки общей теории химической эволюции, решающей эти вопросы и создающей научно-теоретические основы эволюционного учения в химии.

Стоящая перед химией задача оказалась более сложной, чем та, которую решал Ч.Дарвин при разработке эволюционной теории в биологии. В биологии хорошо были известны объекты эволюции (организмы и популяции); была известна полная эволюционная систематика всех существующих и ископаемых организмов, разработанная Ж.Б. Ламарком; требовалось лишь вскрыть причины эволюции и установить ее основной закон, что и сделал Ч. Дарвин. В химии же до установления причин и закона эволюции требовалось еще выявить сами объекты эволюции, которые были неизвестны, и установить суть химического эволюционного процесса, которая была неясна, так как были неизвестны объекты. При этом не существовало никакой эволюционной систематики объектов, которая могла бы помочь установить причины и закон эволюции.

Тем не менее, эту задачу удалось решить. Началом послужили исследования изменений катализаторов в реакциях. При этом было обнаружено явление саморазвития открытых элементарных каталитических систем в ходе самопроизвольно протекающей базисной каталитической реакции, имеющей большой термодинамический потенциал, установлены условия и закономерности саморазвития, самоорганизации и самоусложнения таких систем, найден основной закон их эволюции, определяющий ее направленность, причины и механизм действия естественного отбора. Разработанная при этом теория эволюционного катализа помогла выявить специфические свойства элементарных открытых каталитических систем, установить, что цепочки эволюционных изменений этих систем и представляют собой проявление химической эволюции. Из всех возможных химических объектов,- будь то простые или сложные молекулы и всевозможные полимолекулярные химические системы, к последовательной химической эволюции способны лишь элементарные открытые каталитические системы, имеющие необходимую для этого исходную структурную и функциональную организацию. Из этого следует, что теория эволюционного катализа, разработанная для описания частного явления - саморазвития элементарных открытых каталитических систем, является одновременно основой общей теории химической эволюции. А так как саморазвитие свойств и функций элементарных открытых каталитических систем, происходящее, согласно теории эволюционного катализа, при преодолении вероятностных и кинетических пределов развития, позволяет выявить естественные этапы химической эволюции и постепенное формирование и усложнение свойств и функций систем вплоть до их перехода в живые системы, то указанная теория является теорией добиологической химической эволюции, т. е. теорией биогенеза.

С появлением указанной теории приобретает полное право на существование и эволюционная химия как самостоятельная область химии. Ибо благодаря этой теории в конце концов оказываются определенными объекты, условия и закономерности химической эволюции, и появляется научно-теоретическая база и концептуальная система эволюционного учения в химии. Необходимость выделения эволюционной химии как самостоятельной области химии подчеркивается также и тем обстоятельством, что элементарные открытые каталитические системы, являющиеся объектами химической эволюции, обладают совокупностью специфических химических свойств, отличающихся от химических свойств отдельно взятых молекул и веществ, обычно рассматриваемых в химии. Это - системные, динамические и эволюционные свойства, характеризующие существование, поведение и развитие целостных полимолекулярных открытых химических систем при их взаимодействии с факторами внешней среды. Эти свойства целесообразно выделить в особую группу химических свойств, считая их проявлением химизма, так как именно благодаря этим свойствам возможна реализация химической эволюции и биогенеза и развитие простых химических проявлений до уровня биологических явлений.

Учитывая все это, в предмет эволюционной химии должны, входить: феноменология явления существования и развития элементарных открытых каталитических систем, характеристики условий и свойств, эволюционные законы химии, общая теория химической эволюции и биогенеза, принципы и механизмы естественного отбора, пределы и естественные этапы химической эволюции, описание тупиковых форм и биогенеза, эволюционная систематика объектов эволюции, методы исследования высших проявлений химизма, моделирование биокатализаторов и биохимических процессов и освоение каталитического опыта живой природы, практическое использование явлений высшего химизма и законов химической эволюции. У эволюционной химии должны быть постоянные и эпизодические связи со следующими областями науки: с катализом и кинетикой (эволюционным катализом), с физической химией и термодинамикой, с неорганической и органической химией, с бионеорганической и биоорганической химией, с химией комплексных соединений, с коллоидной химией, с физикой и химией жидкого состояния, с фотохимией, с биохимией, биологией и эволюционным учением, с молекулярной биологией, с геохимией, геологией и химией почв, с космохимией и космологией, с кибернетикой, с теорией систем и общей теорией развития с химической технологией. Методологический подход к проблеме биогенеза в эволюционной химии – естественноисторический. Однако это не исключает сочетание естественно исторического подхода как основного с элементами актуалистического, что может дать даже определенные преимущества при конкретизации естественных этапов химической эволюции и физико-химических форм преодоления предела развития в условиях выполнения основного закона эволюции.

3. Общая теория химической эволюции и биогенеза

Объекты и сущность химической эволюции

Согласно естественноисторическому подходу, к химической эволюции относятся не все возможные химические процессы, а лишь некоторые, организованные определенным образом в объектах эволюции. При этом отдельные молекулы, молекулярные структуры или механизмы химических процессов самостоятельно эволюционировать не могут, а эволюционируют лишь целостные полимолекулярные с заведомо обладающие необходимой для этого структурной и функциональной организацией. Такой совокупностью свойств обладают лишь элементарные открытые каталитические системы.

Рассмотрение молекулярной химической эволюции ряд последовательных изменений и усложнений молекул определенных веществ, предсказываемых актуалистически, оставляет без внимания самое главное в действительном содержании эволюции: динамику направленных изменений объектов эволюции, движущие силы изменений, механизм изменений и естественного отбора, взаимосвязь объектов окружающей средой. Хотя определенные молекулярные структуры (те самые, которые предсказываются актуалитически) и появляются в ходе химической эволюции, их суть - это процесс самих изменений полимолекулярных объектов эволюции, происходящих в механизмах внутренних реакций, их сложности и скорости.

Поэтому в явлении химической эволюции естественноисторический метод, прежде всего, выделяет процессы, в процессе которых осуществляется эволюция, а затем уже рассматриваются результаты этих процессов, т. е. те эволюционные изменения в веществе объекта эволюции, к которым они приводят. С исторических позиций химическая эволюция - не что иное, как постоянно усложняющийся сложный химический процесс, в котором происходят направленные и взаимосвязанные изменения механизма реакций и веществ. Так как в химической эволюции ведущая роль принадлежит процессам, то и в характеристике объекта эволюции главную роль также должен иметь процесс.

Такая связь между процессами и веществами с ведущей ролью процессов существует лишь в химических системах представляющих собой промежуточный реакционный комплекс в ходе его образования и распада на продукты. Для этого объекта химической эволюции должны быть присвоены черты промежуточного активного комплекса некоторой реакции, являющейся главным (базисным) процессом обеспечивающим цельность объектов эволюции и преемственность последовательных эволюционных изменений и неразрывность ее самой во времени. Это возможно, если существует обязательная зависимость всех процессов и изменений, совершающихся в объекте эволюции, от энергии базисной реакции, что реализуется в результате образования единого веществ и реакций, составляющих элементарный (неделимый) объект эволюции.

Из этого следует, что химическая эволюция возможна только в элементарных открытых химических системах, существующих за счет обмена веществ и энергии базисной реакции, и должна представлять собой последовательные изменения этих систем. Могут изменяться как конституционная сфера систем (состав, строение, надмолекулярная структура так и кинетическая сфера (характер, скорость, взаимодействия и превращения веществ). Для того, чтобы базисная реакция выполняла свою организующую функцию, она должна оставаться одной и той же в ходе всей химической эволюции, т.е. происходящие при эволюции изменения конституционной и кинетической сферы должны быть связаны только с изменениями внестехиометрических компонентов этой реакции, а не катализатора. Отсюда нетрудно придти к выводу, что единственным видом химических систем способных к химической эволюции являются открытые элементарные каталитические системы; вся химическая эволюция сводится к саморазвитию, самоорганизации, самоусложнению таких систем; эволюционные изменения веществ в указанные системы и определяющих структурную и функциональную организацию, прежде всего, связаны с изменениями катализаторов; эволюционирующие системы заведомо многомолекулярные, так как включают в себя и компоненты базисной реакции, и катализаторы и вспомогательные структурирующие вещества, и другие вещества, вступающие в реакцию с катализаторами во внутренних сопряженных процессах.

4.Условия существования и развития элементарных открытых каталитических систем

Для разработки общей теории химической эволюции необходима полная теоретическая модель элементарной открытой каталитической системы (ЭОКС), пригодная для любых проявлений катализа во всех его областях независимо от природы реагирующих веществ и катализаторов и фазовых взаимоотношений между ними. Такая модель была получена при предельном обобщении всех случаев реального катализа с учетом всех его свойств и особенностей, в том числе специфических свойств, связанных с изменениями катализаторов в катализируемых ими реакциях.

В модели нашли отражение все особенности и элементы катализа: и сам по себе феномен влияния катализатора на скорость реакции, и химическая природа взаимодействие катализатора с компонентами реакций, и особенность структурных и энергетических характеристик при образовании промежуточного каталитического комплекса, и системные и динамические характеристики этого промежуточного комплекса, с учетом которых он становится элементарной каталитической системой, и открытый характер элементарных каталитических систем при многократном их возобновлении в каталитических актах, и способность ЭОКС к динамическому существованию и взаимодействию с факторами среды, приводящая к их изменениям и эволюции. В исключении из модели свойства ЭОКС изменяться и эволюционировать в результате взаимодействия с факторами внешней среды получаем ограниченную модель классического катализа, с учетом же этого свойства – получаем новую модель эволюционного катализа.

Такая унифицированная модель дает возможность теоретического описания явления химической эволюции. Она помогает ограничить условия существования и саморазвития ЭОКС, вскрывая специфические свойства ЭОКС и закономерности их саморазвития, ответить на вопрос как и почему происходит химическая эволюция.

Динамическое существование ЭОКС (проявления классического катализа) описывает модель со стационарным катализатором

A,B,C,D…- компоненты и продукты базисной каталитической реакции; Кi- катализатор и. другие внестехиометрические по отношению к базисной реакции компоненты {(A+B+...→С+D+…)/ Кi}.Обмен веществ и энергии базисной реакции с окружающей средой является способом динамического существования ЭОКС. При осуществлении последовательных каталитических актов ЭОКС находится в состоянии стационарного неравновесия, поддерживаемого постоянным потоком энергии, освобождающейся обратимой базисной реакцией. Поэтому для существования ЭОКС необходимо, чтобы базисная реакция проходила с участием катализатора Кi и имела отрицательный динамический потенциал

где G(∆F) -изменения мольного изобарно-изотермического (или изохорно-изотермического) потенциала базисной реакции;α- коэффициент, зависящий от стехиометрии и механизма реакции;NA -число Авогадро;f- элементарное химическое сродство базисной реакции. Поэтому же абсолютная каталитическая активность в базисной реакции должна быть больше нуля

а= n/t=1/t*>0

гдеn- число каталитических актов на одном центре катализа в единицу времениt; t*- длительность одного каталитического акта. Величинаа при постоянной температуре в условиях кажущегося нулевого порядка базисной реакции по ее компонентам является абсолютной константой, зависящей только от природыKi.Эта величина является важнейшим параметром ЭОКС определяющим возможность их существования и устойчивость систем, она входит практически во все эволюционные характеристики и функции ЭОКС и является параметром естественного отбора.

Так как обмен веществ и энергии базисной реакции является способом динамического существования ЭОКС, то тип устойчивости этих открытых систем - динамический. Мера. устойчивости определяется интенсивностью обмена, равнойaf,и она тем выше, чем больше отличаются от нуля положительные величиныа иf. Приаf=0, что равносильно прекращению обмена, ЭОКС погибают и распадаются. С динамическим типом устойчивости ЭОКС связана их элементарность (целостность и функциональная неделимость). Нарушение элементарности также приведет к прекращению обмена и распаду ЭОКС. Следовательно, механизмом устойчивости и основой цельности и неделимости ЭОКС является обмен веществ и энергии базисной реакции в системе, в которой все вещества и элементарные реакции (сколько бы их не было) связаны в единый кинетический континуум самим ходом базисной реакции. Все свойства ЭОКС связаны с особенностями возникновения, существования и изменения этого кинетического континуума. Так как свойства континуума определяются и веществами, и процессами, то в ЭОКС следует различать структурно-молекулярный аспект (конституционную сферу) и функциональный аспект (кинетическую сферу) .

Следовательно, в комплекс условий длительного существования ЭОКС должны входить постоянный приток компонентов базисной реакции и удаление ее продуктов и рассеиваемой энергии (основной обмен веществ и энергии), экзергонический (f>О) характер базисной реакции, невозможность ее протекания без катализатора, активность катализатора больше нуля и сохранение других постоянных условий, обеспечивающих протекание базисной реакции (температура, давление, концентрация исходных веществ и пр.). При сохранении таких условий ЭОКС соответствующая природе Ki,способна динамически существовать неограниченно долгое время, а ее катализатор Ki будет стабилен. Стационарный уровень существования ЭОКС в данном случае эквивалентен стационарному протеканию каталитического процесса на идеально работающем неизменяющемся катализаторе, как это должно быть в классическом катализе.

Однако стационарный уровень существования ЭОКС при сохранении всех вышеприведенных условий может быть нарушен в результате взаимодействия системы в целом со случайными факторами внешней средыФl(не входящими в постоянный комплекс условий существования). Например, вместе с исходными компонентами базисной реакции в систему могут попасть примеси других веществ, на систему могут действовать ионизирующие излучения, свет, электрические и магнитные поля и т. д. При этом, если затрагивается лишь кинетическая сфера, то после прекращения внешнего воздействия ЭОКС возвращается к прежнему стационарному уровню существования. Если же затрагивается и конституционная сфера, то могут произойти необратимые изменения природы катализатора

В последнем случае изменится механизм и скорость базисной реакции, и ЭОКС либо прекратит существование, если произойдет неэволюционное изменение, сопровождаемое потерей активности (а=0), либо продолжит существование на новом уровне стационарности, если произойдет эволюционное изменение и абсолютная каталитическая активность хотя и изменится, но останется больше нуля. Так как базисная реакция будет протекать только в системах с а>0, произойдет первичный естественный отбор эволюционных изменений ЭОКС от неэволюционных, причем при многократных последовательных изменениях выявятся цепи саморазвития ЭОКС

К 0→К1 → К2→ К3→ ... →Kq (5)

В качестве условий развития ЭОКС должен, прежде всего, выполняться комплекс постоянных условий ее существования; кроме того, должен существовать переменный комплекс случайных условий, связанных с воздействием на ЭОКС факторов внешней среды, которые способны вызывать ее эволюционные изменения.

5. Природа эволюционных изменений механизма

базисной реакции

На каждом стационарном уровне существования ЭОКС при сохранении постоянных условий и неизмененной природы Ki механизм базисного процесса воспроизводится в точности во всех каталитических актах. Строгий порядок его воспроизведения в каждом акте целиком обусловлен свойствами ЭОКС. Поэтому можно сказать, что этот порядок наследуется ЭОКС после каждого каталитического акта, и он является наследственным порядком функционирования ЭОКС при их динамическом существовании.

При взаимодействии ЭОКС со случайными факторами внешней среды может произойти изменение порядка функционирования в последующих каталитических актах. При этом происходят как обратимые, так и необратимые изменения механизма базисной реакции в зависимости от того, не затрагивается, или затрагивается конституционная сфера ЭОКС этими изменениями. Обратимые изменения, исчезающие после прекращения действия возмущающего фактора, не наследуется системой, а необратимые - наследуются, так как сопряжены с изменением наследственного порядка функционирования ЭОК. Реакция ЭОКС как единого целоговоздействия факторов внешней среды, вызывающая их приспособление к изменениям внешних условий, есть не что иное, как примитивная форма отражения системой «внешнего мира» на физико-химическом уровне, сопровождаемая определенным ее ·поведением.

Учитывая это, цепи эволюционных изменений природы ЭОКС (формула 5) должны быть, связаны с такими последовательными изменениями механизма, в которых адекватно изменяется наследственный порядок функционирования при сохранении целостности системы и основных черт механизма и при росте объема эволюционной информации. А так как основой поведения ЭОКС являются присущие ей свойства, а факторы внешней среды лишь вызывают ту или иную ее реакцию, то реализация цепей (5) действительно является саморазвитием ЭОКС, а не случайными ее изменениями, вызванными внешними силами; точно так же изменения механизма являются его саморазвитием, направленным усложнением.

Можно отметить следующие общие черты саморазвития механизма базисной реакции, независимые от конкретной природы базисной реакции и катализаторов, т. е. присущие унифицированной модели ЭОКС.

Саморазвитие механизма базисной реакции не может происходить в результате замены одного катализатора на другой. Ибо замена катализатора приведет к уничтожению одной ЭОКС и созданию другой, не имеющей никакой генеалогической связи с прежней системой, и саморазвитие ЭОКС с новым катализатором началось бы от нуля. Следовательно, если предположить возможность какого-то обмена катализаторов ЭОКС со средой, то образуется ряд модификаций ЭОКС на одной базе:

Кi1↔ Кi2↔ Кi3…

который не составляет цепь развития, но каждая из модифицированных форм может положить начало самостоятельной цепи эволюционных ·изменений ЭОКС на одинаковой базе

К01↔ К11↔ К21↔ ... ↔ Kq1

К02↔ К12↔ К22↔ …↔ Кq2 и т.д.

Саморазвитие механизма базисной реакции происходит только в результате необратимых изменений катализатора и других внестехиометрических компонентов ЭОКС внутри системы. Возможны два направления изменений природы ЭОКС: .модифицирование механизма при сохранении сложности за счет изменений состава и структуры катализатора, или же усложнение механизма с дроблением процесса на элементарные стадии и появлением специальных катализаторов этих стадий и систем их точного воспроизведения. НА новые катализаторы стадий, возникающих при усложнение механизма, появляются не за счет захвата их из внешней среды, а за счет эволюционных изменений конституционной сфера ЭОКС (факторы внешней среды здесь также и причиной, вызывающей изменения ЭОКС, соответствующие их природе). При этом в ЭОКС не просто появляются катализаторы новых стадий, но и системы их синтеза, и система запоминания этих изменений, связанные в единое целое со всеми другими системами кинетического континуума обозначивающими новый наследственный порядок функционирования ЭОКС после совершения каждого эволюционного превращенияКi→Кi+1.Такие системы синтеза катализатора стадий и сохранения наследственного порядка функционирования ЭОКС в дальнейшей эволюции могут совершенствовать свои функции за счет модифицирований первого типа (при хранении достигнутой сложности) и усложняться за счет дальнейшего дробления элементарных стадий и появления катализаторов новых стадий и систем их воспроизведения.

Следовательно, саморазвитие механизма базисной реакции происходит по принципу дробления, усложнения и степенного совершенствования элементарных стадий. Рассматриваемый процесс представляет собой динамическую многомерную фракталь, для которой каждая предыдущая форма механизма в результате дробления при усложнении заменяется себе подобными элементами более сложного строения и более высоким сохранением цельности ЭОКС и генеалогической связью среди последующих форм с предыдущими. В данном случае фрактальность в усложнении механизма подобна трехмерной «губке Серпипского» с системой сквозных кружев. Фрактальную сущность имеют многие особенности существования и саморазвития ЭОКС, пример, взаимосвязи химических процессов при энергетическом сопряжении экзергонической базисной реакции со внутренними эндергоническими рабочими процессами образует двухмерную фракталь типа разветвленной сети, но действующей в обратную сторону, так как направление потока .свободной энергии, его последовательного накопления в рабочих процессах и конечной диссипации, противоположно направлению речного стока фрактальность должна быть. также в усложнении строения ЭОКС в эволюции и т. д.

Как следует из сказанного, ЭОКС при их динамическом существовании, реагировании на воздействия внешней среды и саморазвитии проявляют ряд новых специфических свойств присущих этим химическим системам в целом и отличаются от химических свойств отдельно взятых молекул и компонентов системы, обычно рассматриваемых химией. Это оправдывает введение нового понятия «высшие проявления химии» для обозначения этих свойств, в отличий от появлений элементарной химии.

6.Закономерности саморазвития элементарных открытых каталитических систем, естественный отбор и принципы

химической эволюции

Возможность реализации длинных цепей саморазвития ЭОКС (5), т.е. возможность химической эволюции, определяется соблюдением четырех феноменологических принципов развития, выводимых из сути самого явления.

1. Вероятностный (статистический) - возможность эволюции связана с вероятностью измененияW природы ЭОКС под влиянием внешней среды. ЕслиW=0, то катализ протекает без изменения катализаторов. ЕслиW=1, то катализатор становится реагентом. Реальный катализ характеризуется интервалом 0<W<1.

2. Кинетический – эволюция связана с изменением абсолютной каталитической активностиа. Приа=0 эволюция невозможна.

3. Термодинамический – указывает на возможность самоорганизации и длительной эволюции ЭОКС за счёт способности базисной реакции производить в системе полезную работу, направленную против равновесия. Этот принцип указывает на создание устойчивого неравновесия ЭОКС, которое только и является основным условием и формой существования саморазвивающихся химических систем.

4. Информационный (генетический) - саморазвитие ЭОКС выражается в непрерывном росте объёма и запоминании эволюционной информации в необратимых физико-химических изменениях ЭОКС, в изменении наследственного порядка их функционирования

Можно вывести ряд следствий из этих принципов, уточняющих условия химической эволюции и их ограничения. В частности, если не выполняется вероятностный принцип, развитие ЭОКС прекращается, но сама система не гибнет и продолжает существовать на ранее достигнутом уровне. Если не выполняется кинетический принцип, то не только прекращается развитие ЭОКС, но и ее существование. Если же не выполняются термодинамический и информационный принципы, то существование и развитие ЭОКС может некоторое время продолжаться, затем системы деградируют.

При соблюдении указанных условий и принципов развития, ходом самой базисной реакции автоматически выявляются цепи саморазвития ЭОКС (5) в соответствии с первичным естественным отбором эволюционных изменений от неэволюционных по признаку существования систем. При этом не имеет значения сама величина абсолютной каталитической активности, лишь бы она была больше нуля.

Направленность химической эволюции, ее причину, механизм действия естественного отбора по величине абсолютной каталитической активности и эволюционных характеристик включающих ее значение, определяет основной закон эволюции ЭОКС. Он проявляется как принцип саморазвития, самоорганизации и самоусложнения ЭОКС. Согласно основному закону, с наибольшей скоростью и вероятностью осуществляются те пути эволюционных изменений, на которых происходит максимальное увеличение абсолютной каталитической активности или же других эволюционных свойств, зависящих от кинетического параметраа.

Основной закон эволюции вскрывается при сопоставлении эволюционных функций систем, описывающих изменения эволюционных свойств по разным' путям развития. Эти свойства описываются двумя видами эволюционных функций: потоковыми функциями (полная характеристика изменения свойства ЭОКС по всему пути развития) и функциями которые показывают свойство ЭОКС на данной стадии эволюции. Основной переменной величиной эволюционных функций является абсолютная каталитическая активностьа.

Основной закон проявляется при строгом выполнении не только кинетического, но и информационного принципа развития. Ибо только в этом случае существует однозначная связь любых изменений параметра а с изменениями природы того, чтобы эволюционный эффект любого изменения ЭОКС, «оцениваемый» базисной реакцией только по изменениюамог быть связан е определенными изменениями свойства, строения, надструктуры системы и метаболизма процесса, вызвавшими это изменение параметраа.В противном случае естественный отбор по параметруане будет адекватен отбору изменений природы ЭОКС, вызванных изменения этого параметра, т.е. самого отбора не будет. Такая связь имеет место в строго определенных кинетических условиях, соответствующие условиям существования ЭОКС, в которыха- константа, зависящая только от природы ЭОКС. При этом одним из важных условий является постоянная температура. Следовательно, в указанных условиях параметр а, количественно характеризует не только скорость реакции, интенсивность обмена, динамическое существование, устойчивость и стационарное неравновесие ЭОКС, но и эволюционныe свойства и эволюционный эффект

Изменения параметраапри реализации любых цепей эволюционных изменений ЭОКС (5) в общем виде подчиняется статистическому закону

гдеао- абсолютная каталитическая активность исходной системы;āi - средняя активность систем послеi-того эволюционного изменения;kg- средняя геометрическое значение коэффициента развития, показывающего во сколько раз увеличивается или уменьшается каталитическая активность в одной эволюционной стадии;j - уровень развития ЭОКС наi-той стадии. Кинетический закон (6) является статистическим усреднением реальных диаграмм развития при фиксировании величиныkg.

Уравнение (6) является уровневой эволюционной функцией, которую можно изобразить графически в координатах где ординатаj=lоgkg āi =0,±1, ±2, ±3..., а абсцисса - номер эволюционной стадииq,в виде кинетической диаграммы развития ЭОКС (рис. 1). По диаграмме можно проследить все возможные пути развития ЭОКС до стадииq.При этом горизонтальные линии соответствуют периодам существования ЭОКС на каждом уровне развития, стрелки - эволюционным переходамkjki+l как к более высокому, так и к более низкому уровням.

Последовательность эволюционных стадий и значение уровней развития однозначно описывает каждый путь - развития в виде функции

гдеq- любая выборочная траектория до стадииq; -номер траектории. Например, частные значения этой случайной марковской функции для наиболее прогрессивного (происходит только увеличение) или регрессивного (происходит только уменьшение) пути до стадии 7 имеют вид:

J(71,j)7=0+1+2+4+ 5+6

J(76 4,j)7=0-1-2-3-4-5-6

Алгебраическая сумма такой последовательности уровнейjдает потоковую эволюционную функцию

отражающую степень развития ЭОКС. Так, степени развития ЭОКС для двух приведенных примеров имеют значения +21 и -21 соответственно.

При помощи аналогичных эволюционных функций и диаграмм, подобных рис. 1,. могут быть описаны и другие эволюционные свойства и характеристики ЭОКС, связанные с величинойа, например интенсивность обмена и потоки освобождаемой энергии, скорость развития и т. д. Каждая из этих функций, представляющих либо уровни, достигаемые ЭОКС в любой точке пути, либо потоки экстенсивных эволюционных характеристик по всему пути развития, описывают количественные изменения качественно-постоянных эволюционных свойств ЭОКС,зависящих либо только от параметраа,либо от параметраа и других параметров(r- коэффициента полезного действия базисного процесса во внутренних рабочих процессах системы;q- числа эволюционных стадий;р- вероятности эволюционных изменений ЭОКС).

РИС. 1. Кинетическая диаграмма изменений абсолютной каталитической активности элементарных открытых каталитических систем по всем путям до стадииq=7.

При этом с учетом лишь параметра,аэволюционные функции описывают саморазвитие ЭОКС и степень развития, интенсивность обмена веществ и энергии, а также потоки освобождаемой и рассеиваемой энергии, т. е. все то, что связано с самопроизвольным ростом в. ходе эволюции интенсивности обменааfи общей мощности базисной реакции.

С учетом термодинамического параметраrнаряду саэволюционные функции описывают самоорганизацию ЭОКС. Степень организации определяется величиной полезной работы базисного процесса, затрачиваемой на эволюционные изменения и разные внутренние рабочие процессы в ЭОКС, направленные против равновесия. При этом

гдеfi- сродство сопряженных процессов, потребляющих энергию базисной реакции. При эволюции растет степень организации и стационарное неравновесие ЭОКС, коэффициент полезного действияrи полезная мощность базисной реакцииafr.

Следует заметить, что для описания существования и эволюции микроскопических систем, которыми являются ЭОКС, непригоден пригожинский аппарат термодинамики нео6ратимых процессов, разработанный для макроскопических систем. С существенными изменениями смысла следует для структурной и функциональной самоорганизации ЭОКС применять также и понятие «диссипативные структуры», введенное Пригожиным и относящейся к макросистемам. Конечно, структурная и функциональная организация ЭОКС является одним из следствий обмена веществ и энергии базисной реакции, т. е. связана с рассеиванием (диссипацией) ее энергии, но она определяется не только рассеиванием энергии, и не вся рассеиваемая энергия характеризует организацию системы. Так, значительная часть энергии базисной реакции, не, используемая для внутренних рабочих процессов, рассеивается ЭОКС, но не приводит к самоорганизации системы; самоорганизация системы, согласно связана лишь с энергией, затрачиваемой на внутренние рабочие процессы, причем только часть ее, затраченная на рабочие процессы в кинетической сфере, рассеивается, а другая часть, поглощенная в конституционной сфере, не рассеивается, но также характеризует степень организации системы. Следовательно самоорганизация ЭОКС может быть охарактеризована диссипацией энергии менее точно, чем полезной работой базисного процесса внутри системы.

С учетом наряду с параметроматакже и информационного параметраqирэволюционные функции описывают само усложнение ЭОКС и интенсивность роста и накопления эволюционной информацииaqp.При использовании всех параметров могут быть описаны уровень эволюцииa3f2rqp и прогрессивность эволюции, являющаяся суммой уровней по всему пути развития.

Анализ этого материала показывает, что при сопоставлении однородных эволюционных функций для различных путей развития ЭОКС, ограниченных номером эволюционной стадии или одним и тем же временем, обнаруживается, но наиболее вероятно осуществление тех путей и наиболее велика скорость развития по тем путям эволюции ЭОКС, по которым происходит максимальное увеличение эволюционных характеристик, описываемых этими функциями и зависимости· от параметраа.Это и есть основной закон эволюции ЭОКС определяющий ее направленность, и механизм действия естественного отбора по максимальным значениям эволюционных характеристик. И здесь, как и в случае первичного естественного отбора по существованию систем, отбор максимального эволюционного эффекта осуществляется автоматически.

Направленность действия основного закона эволюции ЭОКС иллюстрируют кинетические диаграммы развития ЭОКС, рассчитанные при ограничении времени развития (рис. 2), а также расчет меры прогрессивности

и селективности естественного отбора ЭОКС

Развитие ЭОКС исходит с большей скоростью по наиболее прогрессивным путям, и селективность естественного отбора по этим же и выше.

Следует подчеркнуть, что естественный отбор наиболее прогрессивных эволюционных изменений ЭОКС идет не по их качественным параметрам (изменению состава, структуры и надмолекулярной структуры ЭОКС и механизма базисной реакции), а по эволюционному эффекту изменений природы ЭОКС, т. е. по их количественным параметрам (изменению абсолютной каталитической активности и других эволюционных свойств и характеристик ЭОКС, являющихся функциями от величиныа).Ибо на скорость базисной реакции непосредственно может влиять лишь эволюционный эффект изменений природы, а не они сами по себе, и преимущественно тех или иных эволюционных изменений ·природы ЭОКС могут быть «оценены» базисной реакцией, являющейся орудием отбора, лишь по их, эволюционному эффекту, измеряемому величинойа.Отбор по качественным' параметрам эволюционных изменение ЭОКС опосредован отбором по, количественным параметрам и сходит лишь постольку, поскольку эти изменения природы ЭОКС обусловили данный эволюционный эффект. Поэтому несмотря на то, что причиной изменения величиныапо условиям развития ЭОКС являются только изменения их природы, причиной естественного отбора тех или иных изменений природы ЭОКС является отбор по параметруа,т. е. между изменениями природы ЭОКС и изменениями параметра с одной стороны, и отборомпо изменениям природы ЭОКС по изменениям параметраасуществует обратная причинно-следственная связь.

Из этого следует, что в условиях проявления 'основного закона, обеспечивающего действие естественного отбора, прогрессивная химическая эволюция строго детерминирована. Ибо, какие бы сложные изменения природы ЭОКС не требовались для проявления максимального эволюционного эффекта, они обязательно произойдут в ходе длительного существования ЭОКС и будут отобраны среди других изменений ходом базисной реакции, если в природе самих ЭОКС учетом действия факторов внешней среды имеются потенциальные возможности этих изменений. Это справедливо, как и отбор изменений природы ЭОКС при их саморазвитии и при самоорганизации и самоусложнении.

С учетом механизма отбора, определяемого основным законом эволюции, находит простое объяснение появление в конституционной сферы ЭОКС в ходе саморазвития механизма базисной реакции веществ с определенным составом, структурой и оптической.

Основной закон эволюции ЭОКС имеет вероятностный характер и проявляется тем более заметно, чем больше становится эволюционных изменений проходить система (см.рис. 2), Также чем больше химическое сродство базисной реакции, устойчивость основного закона может быть оценена величиной

РИС. 2. Динамика саморазвития элементарных открытых каталитических систем по параметруаiпри ограничении времени развития:а- дляkg=1,2;б - дляkg=2

Из этого видно, что саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение ЭОКС, реализуемые при проявлении основного закона, происходят за счет постоянного потока трансформируемой в ЭОКС энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, и ее природа в ходе химической эволюции не может изменяться, то максимальные эволюционные преимущества получают ЭОКС, развивающиеся на базе реакций с самым большим сродством (экзотермические реакции). Этим обеспечивается возможность отбора эволюционных процессов по виду базисной реакции и типу основного ·метаболизма ЭОКС.

Легко видеть, что движущей силой направленной химической эволюции ЭОКС является тенденция к самопроизвольному росту рассеивания свободной энергии базисной реакции в ходе обмена веществ и энергии эволюционирующей системы с окружающей средой, т. е. движущая сила химической эволюции имеет энергетическую природу.

7.Пределы и естественные этапы химической эволюции

Без анализа абстрактной теоретической модели ЭОКС нельзя было описать основные свойства ЭОКС, границы условий их существования и развития и вскрыть основной закон их эволюции. Зная основной закон химической эволюции и механизм естественного отбора эволюционных изменений ЭОКС и рассматривая физико-химические формы проявления основного закона при последовательной эволюции модели ЭОКС, можно выявить новые закономерности химической эволюции, ее пределы, естественные этапы и механизм саморазвития свойств и функций систем,

Саморазвитие ЭОКС не беспредельный процесс, оно ограничено пределами вероятностного, и кинетического характера. Вероятностные пределы связаны со специфическими особенностями самих ЭОКС и внешней среды и определяются числом потенциально возможных необратимых изменений системы. Кинетические пределы связаны с постоянным уровнем температуры при эволюции (1 предел) и ограниченностью концентрации компонентов базисной реакции (2 кинетический предел). При достижении какого-либо из пределов эволюция прекращается и возникает тупиковая форма. Тупиковая форма ЭОКС продолжает существовать, так как приобретенная ею каталитическая активность сохраняется, и катализатор работает идеально, как в классическом катализе. Если же имеются потенциальные физико-химические возможности формирования новых свойств и функций ЭОКС, то пределы преодолеваются, и химическая эволюция продолжается в новом качестве до достижения нового предела. Поэтому механизм преодоления пределов при эволюции ЭОКС является по существу механизмом формирования новых свойств и функций систем, отсутствовавших у их генеалогических предшественников, что представляет собой саморазвитие поведения ЭОКС.

Весь ход химической эволюции разбивается такими пределами на определенные естественные этапы, на каждом из которых эволюция продолжается с сохранением определенного наследственного порядка функционирования и поведения систем. Существует несколько таких этапов соответственно числу пределов развития и числу последовательно и параллельно эволюционирующих признаков. Формы преодоления тех или иных пределов эволюции оказываются строго детерминированными, так как определяются только природой ЭОКС на данном этапе, потенциальными возможностями ее изменения, зависящими от природы ЭОКС и окружающей среды, и действием основного закона эволюции.

Ряд свойств и функций ЭОКС и соответствующих им черт поведения развиваются и формируются последовательно, причем не могут возникнуть новые свойства и функции если ЭОКС еще не приобрели определенные эволюционно предшествующие свойства и функции; другие же свойства и особенности поведения систем развиваются и формируются параллельно, если их формирование сопряжено с одним и тем же эволюционным изменением природы ЭОКС.

Литература

  1. Г. Николис, И. Пригожий. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир. 1979. 512 с.
  2. А.П. Руденко. Термодинамические закономерности химической эволюции и основы биоэнергетики. В кн.: Методологические и теоретические проблемы биофизики. 1979. М.: Наука. 120–127 с.
  3. А.П. Руденко. Физико–химические основания химической эволюции. ЖФХ. 1983. Т. 57. 1597–1608 с.; 2641–2658 с.; 1987. Т. 61. 1457–1471 с.
  4. А.П. Руденко. Эволюционная химия и естественноисторический ПОДХОД к проблеме происхождения жизни. // Ж. ВХО им. Д.И. Менделеева. 1980. Т. 23. N4. 890–404 с.
  5. А.П. Руденко. Теория и методология систем с циклической формой внутренних процессов с учетом проблем развития материи. // В кн.: «Циклы природы и общества» (Материалы IV Международной конференции). Часть7nbsp;II. 1996. Ставрополь: Изд. Ставропольского университета. 11–20 с.
  6. А.П. Руденко. Равновесная и неравновесная структурная организация природных объектов как основа их системной классификации. // В кн.: Система планета Земля. (Материалы научных семинаров). М.: РОО «Гармония». 1999. 7–12 с.
  7. А.П. Руденко. Пути и перспективы решения экологических проблем в связи с развитием эволюционной химии. В кн.: Философские проблемы глобальной экологии. М.: Наука. 1983. 173–196 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6816. Предложение SELECT в SQL Oracle. Основные возможности 283 KB
  Предложение SELECT в SQL Oracle. Основные возможности Цели лабораторной работы Изучить основные возможности SQL Oracle по поиску данных в таблицах базы данных. Приобрести практический опыт по поиску данных в таблицах базы данных с...
6817. The SELECT statement in SQL Oracle. Basic features 287 KB
  The SELECT statement in SQL Oracle. Basic features Purpose of the lab To study general SQL Oracle possibilities in searching data in database tables. To acquire practical skills in searching data in database tables by using SQL*Plu...
6818. Базова VTP конфігурація 200 KB
  Базова VTP конфігурація Мета роботи Після виконання цієї лабораторної роботи ви зможете: Створити мережу відповідно до діаграми топології Видалити стартову конфігурацію і перезавантажити комутатор у режим по замовчуванню Налаштуват...
6819. Вивчення роботи протокольного стеку ТСР/ІР 162.5 KB
  Вивчення роботи протокольного стеку ТСР/ІР. Мета роботи: ознайомитись з роботою протокольного стеку ТСР/ІР. Навчитись здійснювати конфігурування ТСР/ІР протоколу. Порядок виконання роботи. Ознайомитись з короткими теоретичними відомостями...
6820. Контроль целостности файловой системы Linux с помощью утилиты Tripwire 122.5 KB
  Контроль целостности файловой системы Linux с помощью утилиты Tripwire Путем вычисления контрольной суммы можно не только определить подлинность дистрибутива перед установкой, но и регулярно проверять целостность системных файлов в процессе работы в...
6821. SQL Oracle functions. Additional clauses of SELECT statement 272 KB
  SQL Oracle functions. Additional clauses of SELECT statement Purpose of the lab To study SQL Oracle functions and SGROUPBY, HAVING, ORDERBY clauses of SELECT statement. To acquire practical skills in SQL Oracle function...
6822. Исследование организации переходов в программе 213.5 KB
  Исследование организации переходов в программе Контрольные вопросы Назовите три типа команды безусловного перехода. JMP - переход безусловный: переход типа short (короткий переход) - если адрес перехода находится в пределах от...
6823. Базовий Spanning Tree Protocol 266 KB
  Базовий Spanning Tree Protocol Мета роботи Після виконання цієї лабораторної роботи ви зможете: Створити мережу відповідно до діаграми топології Видалити стартову конфігурацію і перезавантажити комутатор у режим по замовчуванню...
6824. Функции SQL Oracle. Дополнительные фразы предложения SELECT 370 KB
  Функции SQL Oracle. Дополнительные фразы предложения SELECT Цели лабораторной работы Изучить функции SQL Oracle, а также фразы GROUPBY, HAVING, ORDERBY предложения SELECT. Приобрести практический опыт по использованию ф...