Самоорганизация и эволюция химических систем

Экспериментальные исследования процессов самоорганизации в неравновесных химических системах во многом способствовали становлению нелинейной динамики, развитие которой в свою очередь стимулировало исследование неравновесных состояний не только в химических, но и во многих других (физических, биологических, социальных, политических) системах. Безусловно, эти процессы протекают не вопреки, а сообразно фундаментальным законам природы (закон сохранения энергии, закон сохранения энтропии-информации, второе начало термодинамики и другие).

Работы наших соотечественников Б.Б. Белоусова и А.М. Жаботинского по исследованию автокаталитических реакций, выполненные в шестидесятых годах, стали отправным пунктом изучения процессов самоорганизации и сегодня считаются классическими. Ими исследовалось окисление некоторых органических кислот (лимонной, малоновой и других) броматом калия в присутствии ионов церия, которые выполняли роль катализатора. Реакция протекает в сернокислом растворе при температуре 298 К. При хорошем перемешивании cреды в начальной стадии процесса наблюдаются периодические колебания концентраций реагентов (что фиксировалось по изменению окраски растворов). В замкнутой системе при отсутствии поступления исходных реагентов извне автоколебательный процесс длится около часа. Затем эти колебания начинают затухать, и система из сильно неравновесного состояния переходит в состояние термодинамического равновесия. В семидесятые годы была предложена модель процесса, содержащая более одиннадцати промежуточных стадий. Не вдаваясь в математические и химические подробности, отметим, что процесс развивается по сценарию, описанному во второй части настоящей книги.

Изучение кинетики подобных процессов в лабораторных условиях крайне важно для практических целей, так как проливает свет на процессы самоорганизации и эволюции многих технологических систем и позволяет грамотно ими управлять. С другой стороны, эти исследования помогают понять механизмы химической эволюции геосферы, учитывать их при разработке новых химических технологий и использовать только те из них, которые не нарушают природные биогеохимические циклы.

На определенном уровне развития макросистемы возникают автокаталитические процессы, благодаря которым повышается уровень обратных связей и качество информации. Случайно появившаяся молекула катализатора начинает управлять ходом химического процесса и воспроизводить себе подобные молекулы. Этот процесс уже носит упорядоченный характер и осуществляется под воздействием возникшей ранее информации. Безусловно, при воспроизводстве вещества, вследствие действия изменяющихся внешних факторов, возможны сбои и случайные искажения структур, в результате чего появляются вещества-мутанты. Благодаря этому автокаталитический процесс может пойти по другому пути или даже возникнет множество автокаталитических процессов, конечным продуктом которых является одно и то же вещество. Как и в случае простейших химических реакций, здесь наблюдается конкуренция различных автокаталитических процессов, исход которой определяет скорость синтеза и энергетика. В процессе химической эволюции геосферы таким путем происходило образование вначале неорганических (солей, оксидов и др.), а затем и органических соединений. В процессе стратификации вещества геосферы при отвердевании расплавов, выпаривании перенасыщенных растворов солей или под действием высоких давлений в глубинах земной коры происходила упаковка некоторых неорганических соединений в низкоэнтропийные, геометрически правильные упорядоченные структуры - кристаллы. Органические кристаллы (а к ним относится большинство биополимеров) образовались в результате эволюции органических молекул.

По некоторым оценкам, сегодня насчитывается около 300 тысяч неорганических и шести миллионов органических соединений, созданных природой. Основу органики составляют всего шесть элементов - органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их доля в структуре органических соединений составляет около 97%. В основу органики природа заложила углерод, химические связи которого образуют остов молекул. Углерод по сравнению с другими химическими элементами обладает уникальными возможностями: образует как ковалентные, так и ионные (в металлоорганических соединениях) связи, которые легко активируются и в то же время достаточно прочны. Разнообразие классов органических соединений обусловлено способностью углерода к образованию одно-, двух-, трех-, четырех- и шестиэлектронных связей.

Конечно, современная химия создала огромное количество кремний-, германий- и оловоорганических аналогов, но они менее лабильны, чем углеродные, и проигрывают последним по массе показателей. Появление автокаталитических реакций и повышение уровня информационных связей повысило скорость упорядочения материи и образование все более сложных, информационно насыщенных соединений. Однако при синтезе таких сложных образований, как белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, природа «использовала» далеко не все имеющиеся в ее арсенале простые органические соединения. Например, для построения белков из ста аминокислот используется всего лишь двадцать.

Автокаталитические системы со временем становятся основой простейших самоорганизующихся биохимических систем. Появляется циклическая организация процессов. Первичная химическая реакция дает продукт, который становится исходным для последующей реакции и в то же время является катализатором для первой реакции и управляет ее развитием. С реакцией второго уровня происходит аналогичный процесс. Над первым циклом как бы надстраивается второй и управляет первым. Конечный продукт второго цикла становится исходным продуктом для третьего и т. д.

Процессы, протекающие на вышележащем уровне, управляют процессами нижележащего уровня. Но и нижележащие уровни оказывают влияние на вышележащие. Создается пирамида (иерархия) циклов, управление в которой осуществляется по принципу обратной связи. Такую структуру немецкий ученый М. Эйген (р. 1927) назвал гиперциклом. (Предполагается, что он-то и является основой возникновения живой материи.) В гиперцикле, как и в одиночной автокаталитической реакции, возможно появление мутантов, но благодаря конкуренции выживают наиболее оптимальные с точки зрения фундаментальных законов природы. Они-то и составляют биохимическую основу более сложных структур. По этому принципу развивается большинство биохимических реакций.

Ученые предполагают, что этот механизм лежал в основе перехода от косной материи к примитивному самовоспроизводящемуся (живому) веществу, а период формирования иерархических самоуправляющихся автокаталитических циклов называют ранним этапом предбиологической эволюции вещества. По всей вероятности, образование циклов и их организация в гиперциклы, как и вообще самоорганизация систем, были необходимым этапом в эволюции материи и переходе от косного к живому.

В шестидесятых годах А.П. Руденко разработал теорию химической эволюции, в основу которой были заложены идеи самоорганизации и саморазвития каталитических систем и самосовершенствования катализаторов в процессе синтеза. Исследование механизмов самопроизвольных реакций самосовершенствования катализаторов в химических системах и ферментативных процессов в живой природе стимулировали попытки моделирования биокатализаторов и некоторых функций ферментов, а также попытки использования принципов биокатализа в живой природы для нужд химических технологий. А.П.Руденко сформулировал основной закон химической эволюции:

- с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его активности.