Химическая эволюция. Этапы химической эволюции Химическая эволюция в истории земли кратко
Химию обычно рассматривали как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить
свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Ведь для того чтобы понять, что именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. Поэтому, несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, по сути дела, до открытия в 1 869 г. Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (1834-1907) не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал, а следовательно, представить все наличное знание как систему теоретической химии.
Было бы, однако, неправильно не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал, или носителей, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Р. Бойля (1627-1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе. Этот первый концептуальный уровень можно назвать уровнем исследования различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Здесь мы видим поразительную аналогию с той концепцией атомизма, о которой ранее шла речь. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которой пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.
Второй концептуальный уровень познания свойств связан с исследованием структуры, т.е. способа взаимодействия элементов веществ. Эксперимент и производственная практика
убедительно доказывали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от их структуры Именно поэтому в познании и использовании химических явлении необходимо было учитывать структуру, т.е. характер взаимодействия составных элементов вещества.
Третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакции и некоторые другие. Все эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.
Наконец, четвертый концептуальный уровень, являющийся дальнейшим развитием предыдущего уровня, связан с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также с применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.
Для определения свойств веществ необходимо установить, из каких элементов они состоят, а это предполагает наличие точного понятия химического элемента. Упоминавшееся выше определение Р. Бойля элемента как «простого тела», а тем более ранние попытки отождествить элементы непосредственно со свойствами и качествами веществ, не достигали этой цели. В самом деле, ни сам Р. Бойль, ни его сторонники не имели ясного представления о «простом веществе» и поэтому принимали за него, по сути дела химическое соединение. Так, например, железо, медь и другие известные в то время металлы они рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их прокаливании, - за простое тело. Теперь мы знаем, что окалина, или оксид металла, представляет собой соединение металла с кислородом, т.е. это сложное тело. Такое ошибочное представление было навязано ученым господствовавшей в то время ложной гипотезой флогистона, согласно которой сложные тела состоят из соответствующего элемента и особого «невесомого тела» - флогистона. Эта гипотеза была опровергнута известным французским химиком Антуаном Лавуазье (1743-1794) после открытия кислорода и выявления его роли в процессах окисления и горения. Он же первый
предпринял попытку систематизации открытых к тому времени химических элементов, хотя при этом отнес к ним и некоторые химические соединения (известь, магнезию и др.). А. Лавуазье считал элементами только такие тела, которые не поддавались в его время реакции разложения. Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную концептуальную систему. Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.
Великая заслуга Д.И. Менделеева состоит в том, что, открыв периодический закон, он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических знаний. В качестве системообразующего фактора, или «неизменного общего в изменяемом и частном», он выбрал атомную массу, или атомный вес. В соответствии с атомным весом, он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от атомного веса. Более того, он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты химиками, и свойства их оказались такими, какие предсказал Д.И. Менделеев. Благодаря этому его периодическая система получила широкое признание в научном мире. Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от их атомного номера, определяемого зарядом ядра. Атомный же вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по своей массе. Тем самым была решена и проблема химического элемента, которая с XVIII в. оставалась предметом многочисленных дискуссий.
В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, (хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами).
С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом? Еще в начале XIX в. по этим вопросам возникла острая дискуссия между известными французскими химиками Ж. Прустом (1754-1826) и К. Бертолле (1748-1822). Пруст считал, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, неизменным составом, и это свое убеждение сформулировал в виде закона постоянства состава. По его мнению, именно постоянный состав отличает химические соединения от смесей. Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал выдающийся английский химик Д. Дальтон (1 7661 844). Он утверждал, что всякое индивидуальное вещество -простое или сложное - состоит из мельчайших частиц -молекул, которые, в свою очередь, образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества. Например, молекула такого простого вещества как кислород (О2) образована из двух атомов и характеризуется всеми свойствами, которые присущи этому веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например, вода Н2О представляет собой жидкость, а образована она из двух газов - водорода и кислорода. Важно подчеркнуть, что каким бы способом она или другое химическое соединение ни были получены, они всегда будут иметь тот же самый состав. Долгое время закон постоянства состава считался «абсолютной» истиной, не допускающей никаких исключений, хотя уже К. Бертолле указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава, в частности, в школе известного русского физико-химика Н.С. Курнакова (1860-1940), которые он назвал бертоллидами в честь К. Бертолле. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения, например, соединения двух металлов. Химики открыли другие соединения переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают молекулярным строением. Однако такой вывод оказался неубедительным с точки зрения современных научных представлений о строении атомов и молекул. Было установлено, что постоянство и непостоянство состава химических соединений являются внешней их характеристикой и сами нуждаются в дальнейшем анализе. Такой анализ показывает, что природа соединения, т.е. характер связи атомов в его молекуле, зависит от их химических связей, определяемых обменным взаимодействием валентных электронов. В связи с этим изменилось и само классическое понятие молекулы, хотя основное его содержание сохранилось: молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также другие разнообразные квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы). Таким образом, в свете современных физических представлений исчезает не только прежнее резкое противопоставление химических соединений постоянного состава как обладающих молекулярным строением и соединений переменного состава, лишенных этого строения, но и отождествление химического соединения со сложным веществом, состоящим из нескольких элементов. В принципе соединение может состоять и из одного элемента. Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходилось заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между их элементами. В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула, и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершен-ствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от весьма общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью систематических химических экспериментов. Если, например, по мнению известного шведского химика Й. Берцелиуса (1779-1848), структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп, то французский химик Ш. Жерар (1816-1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер такого представления. В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность, или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали практических указаний, как применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами. Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтеза новых веществ предпринял известный немецкий химик Ф. Кекуле (1829-1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с определенными модификациями пользуются при изучении органической химии в школе. В этих формулах элементы связывались с друг другом по числу единиц их сродства, или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки. Дальнейший шаг эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения А.М. Бутлерова (1828-1886), который хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения, или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи А.М. Бутлерова нашли не только широкое применение в практике химического синтеза, но и получили свое обоснование в квантовой механике. Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей, или элементов, а с другой - установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций.
К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов а других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.
Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений. Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций. Меньшее влияние оказывают на реакции такие термодинамические факторы, как температура и давление. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вначале его не удавалось получить с помощью ни большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось
преодолеть после того, когда был использован металлорганический катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной температуре (18 °С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы не только для производства удобрений, но в будущем такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), когда они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях химической промышленности, в особенности в «тонком» и «тяжелом» органическом синтезе. Не приводя более примеров о чрезвычайно высокой эффективности катализаторов в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны без существования ферментов, служащих, по сути дела, живыми катализаторами. Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения. Речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично - практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций. Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т.е. на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники В.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако, в отличие от самоорганизации открытых физических систем, в указанных химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию с
самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно отметить, что из более чем ста химических элементов лишь шесть, названных органогенами, служат основой для построения живых систем.
Таким образом, в общем контексте естественно-научного знания химия занимает особое положение. Дело в том, что она непосредственно связана с физикой, биологией и вместе с ними выходит на изучение всей физико-химико-биологической цепи единого мирового (природного) процесса. Такая высокая общность объекта химии делает эту науку не только специальной областью знания, но и междисциплинарной, по-своему комплексной. Появление биохимии, геохимии, космохимии, физической химии свидетельствует о широком включении «материнской» науки в общеприродный научный комплекс.
Химическая реальность имеет свою ярко выраженную специфику: на уровне химической формы движения материи возникают зачатки живого. Исследование сущности, направленности и закономерностей химической эволюции позволяет соответствующей науке проследить не только образование предбиологических систем, но и выяснить, каким образом и при каких усло-виях появляется жизнь. Внутри самой химической формы движения материи также происходят изменения от низшего к высшему, от простого к сложному, от неорганической ступени химичес-кого движения к органической и далее к химико-биологической. Химическое взаимодействие начинается с того момента, когда выступает на первый план взаимодействие превращающихся друг в друга физических форм движения, пока, наконец, не будет достигнут тот пункт, с которого начинает давать себя знать химическое сродство, когда химически индифферентные до тех пор элементы дифференцируются один за другим, приобретают химические свойства и вступают друг с другом в соединения.
В современной химии теория в основном базируется на физическом фундаменте; это происходит во многом за счет того, что атомный уровень вещества относится и к физической, и к химической формам движения материи. Область физической формы движения материи сводится здесь к уровню элементарных частиц, ядерному и некоторым аспектам более высокого (атомного) уровня.
Атом представляет собой сложную систему взаимодействующих элементарных частиц, состоит из ядра, образованного нуклонами (протонами и нейтронами), и электронов. В содержание понятия атомной частицы включается как изолированный атом, так и атомный, т.е. одноатомный, ион, атомный радикал, атомный ион-радикал, образующийся как результат ионизации или возбуждения атома. Атомная частица является исходным уровнем химической формы движения материи, и усложнение ее направлено к образованию различных атомных ассоциатов. Атомные (А...А), атомно-радикальные (А...А.), радикал-радикальные (А. ... А.) ассоциаты образуются при высоких температурах.
Область химической формы движения материи начинается с атомного уровня, потом переходит к молекулярному, а затем к уровню полимеров (высокомолекулярных соединений). Получается, что атомный уровень является высшим для физической формы движения материи и низшим - для химической. Свойства атомов как химических элементов изучает химия, а состав и строение атомов - физика.
Химическую форму движения материи можно представить в виде иерархии структурных уровней в порядке возрастания их сложности: атомная, молекулярная, макромолекулярная и различные надмолекулярные. На уровне химической формы движения материи имеются различные химические частицы, являющиеся материальными носителями разновидностей химического движения. Между ними существует такое взаимодействие атомов, при котором сами атомы радикально не изменяются, изменяются лишь их электронные оболочки за счет перегруппировки валентных электронов, но в то же время значительно изменяется порядок их взаимосвязи в молекулах, радикалах, соединениях.
Среди химических частиц, образующих структурные уровни химической формы движения материи, необходимо выделить
молекулярные ассоциаты и агрегаты как наиболее сложные образования результата взаимодействия атомных и молекулярных частиц. Ассоциаты существуют чаще всего в газообразном состоянии и в растворах, агрегаты - в твердом и жидком состоянии. К атомно-молекулярным агрегатам относятся кристаллы: молекулярные, ионные, атомные, металлические. В процессе возникновения атомно-молекулярных агрегатов происходит образование новой фазы с надмолекулярной (кристаллической) структурой. Наиболее сложными молекулярными частицами считаются молекулярные ассоциаты высших порядков, как, например, белки, которые состоят из нескольких различных по природе надмолекулярных структур. Надмолекулярная структура атомно-молекулярных частиц по сравнению с молекулярной структурой характеризуется большей сложностью состава и симметрии. Надмолекулярная структура образуется в системах из двух или большего числа молекул со слабыми взаимодействиями между ними. В белках, нуклеиновых кислотах, полисахаридах суммарные силы связи между молекулярными структурами оказываются очень большими.
Усложнение вещества можно представить следующим образом: элементарные частицы - атомные частицы - молекулярные частицы - ассоциаты - агрегаты.
Химическая форма движения материи как главная существует в единстве с физической, подчиненной ей. Но при переходе на уровень органической жизни химические процессы занимают место подчиненных форм. В связи с этим для главной формы движения материи характерен такой материальный носитель, без которого ее существование будет невозможным. Например, в процессах, происходящих на уровне неорганической химии, подобными носителями являются атомы. При их отсутствии химические изменения невозможны, хотя они могут происходить не только на уровне атомов, но и молекул, и макротел. Таким образом, химия изучает качественное многообразие материальных носителей химических явлений, химической формы движения материи. Несмотря на то, что структурно химия пересекается в определенных областях и с физикой, и с биологией, она, тем не менее, сохраняет свою специфику. При этом специфически объективным основанием выделения химии является признание наличия специфической химической формы движения материи, связанной с ее носителем - атомными частицами. Представления химии не исчерпываются на каком-то одном уровне знания, каждый из них имеет свою специфику и во многом зависит от исследователя.
Высшее возникает в результате развития низшего на основе возможностей, заложенных в нем. Часто высшее познается через изучение низшего, т.е. той основы, на которой оно строится. Применение методов квантовой механики в химии ознаменовало новый этап в познании тайн вещества. Стало возможным рассчитывать энергию связей молекулы, выявлять пространственное расположение атомов, распределение электронной плотности, физического механизма химических превращений и т.д.
Интеграция физики и химии оказала влияние не только на дальнейшее развитие химии, но и стала для физики генератором идей при исследованиях в области ядерной физики. Электронная теория вещества изучает атомные ядра и электроны, т.е. частицы субатомного уровня материи. Это дает возможность более четко и во многих случаях количественно характеризовать многие важные моменты, которые установлены уже в рамках классической теории строения. Тем не менее как новый, более высокий этап познания структуры вещества теория электронной структуры вырабатывает ряд понятий и положений, которые либо отсутствовали, либо только намечались в классической теории. Электронное строение лежит в основе учения о валентности. Теория валентности включает в себя несколько методов описания образования химических связей (методы молекулярных орбиталей, валентных связей и теорию поля лигандов). Теория валентности явилась новым качественным этапом в познании тайн материи в основном благодаря применению методов квантовой механики, а квантовая теория стала теорией и физики, и химии. Квантовая химия представляет собой основу всей современной химической науки, поскольку исходит прежде всего из химических представлений о веществе как совокупности связанных между собой атомов, характеристики которых изменяются при формировании химических связей между ними. Поэтому одна из основных задач квантово-механического исследования - валентность, определение того, насколько отличается связанный атом в соединении от свободного атома и к каким последствиям в свойствах соединения приводят такие различия.
Если более ранние этапы развития химии характеризуются изучением состава вещества и структуры химических соединений, то на современном этапе в центре внимания находится механизм химических превращений. Большие успехи должны быть достигнуты в изучении нестабильных промежуточных частиц и переходного состояния, поскольку исследования в этом направлении позволят перейти на более глубокий уровень в познании законов природы, обеспечивающий возможность выявления качественных особенностей, сущности химических процессов.
Теоретический подход осуществляется методами квантовой химии, экспериментальный - физическими методами, в том числе методом изучения сверхбыстрых процессов. Таким образом, еще раз подтверждается положение о том, что теория в современной химии в основном базируется на физическом фундаменте. Вместе с тем необходимо отметить, что в литературе порой приводится точка зрения, согласно которой химию можно свести к физике, т.е. все химические взаимодействия не отличаются от физических, физика как бы «поглотила» химию, из-за чего последняя якобы потеряла свою специфику. Особенно настойчиво эту точку зрения стали отстаивать после ряда достижений в области квантовой химии.
Процессы взаимодействия физики и химии, интеграции соответствующего научного знания отчетливо прослеживаются во многих методах химической науки и ее теоретических концепциях. Главными методами научного исследования с давних времен и до наших дней в химии стали анализ и синтез в их диалектическом единстве. Ф. Энгельс в «Диалектике природы» сделал пометку на полях: «Химия, в которой преобладающей формой исследования является анализ, ничего не стоит без его противоположности - синтеза». На основе синтеза в химии образуются новые «этажи» объекта исследования. В настоящее время считают, что химический процесс следует рассматривать как единство синтеза (ассоциации) и распада (диссоциации), и, применяя диалектический принцип единства противоположностей, можно познать суть химизма. При исследованиях в химии находят применение явления, обусловленные электронными процессами в веществе. Это оптические и рентгеновские методы; явления, связанные с влиянием химической природы вещества на ядерные процессы. Когда в структурных исследованиях используют явления аннигиляции позитронов, то образование позитрония можно характеризовать как факт проникновения в химию физики элементарных частиц. Макропроцессы, молекулярные и атомные явления, ядерные эффекты на элементарных частицах - все это химическая наука широко использует в своих методах исследования.
Взаимодействие методов познания физики и химии привело к тому, что статистические и динамические характеристики химических явлений исследуются во взаимосвязи, а в каталитических процессах в новом свете предстают положения теории промежуточных (хемосорбционных) соединений в части взаимосвязи физической и химической форм движения и идей о роли непрерывной химической организации вещества.
Применение методов квантовой механики в химической науке позволило изучить глубинный механизм существования как атомов и молекул, так и явлений, протекающих на структурных уровнях материи, выяснить природу химической связи и валентности, дать физическую интерпретацию периодическому закону Д.И. Менделеева. Ему подчиняются все химические изменения.
Химическая форма движения материи включает такие процессы изменения частиц вещества, которые определяются действием периодического закона элементов. Причина периодичности химических свойств заключается в периодичности строения электронных оболочек, где главное значение имеет заполнение последних вместо последовательного заполнения отдельных периодов. Таким образом, выясняется причинная связь между структурой электронной оболочки атомов и периодичностью в системе элементов.
На химическом уровне интерпретации периодической системы прослеживается периодическое изменение свойств элементов от увеличения их атомных весов, а на физическом, атомном или электронном уровне выявляется периодическое повторение определенных типов электронных конфигураций атомов в зависимости от роста зарядов их ядра. Периодический закон оказался ключом к раскрытию сущности новых физических явлений, связанных с радиоактивностью, электроном и лучами Рентгена, а эти физические открытия оказались ключом для проникновения в более глубокую сущность самого периодического закона химических элементов.
Проникновение методов физики в химическую науку позволяет понять более глубинную сущность изучаемых явлений, но при этом сохраняется специфика, свойственная как химии, так и физике. Химия рассматривает химическое взаимодействие, которое состоит в перекрывании электронных орбиталей атомов, в результате чего образуются определенные связи, а физика - физическое как на атомном, так и на молекулярном уровнях.
Взаимное проникновение физики и химии в познании вещества показывает, что окружающий мир в своей основе един и представляет собой единство в многообразии и общее в особенном. Резкой границы между физическими и химическими процессами не существует, а наблюдается их всеобщая связь, отражаемая во взаимосвязи наук (физики и химии), которые их изучают, каждая выявляет их специфику с присущими им особыми свойствами и закономерностями. Нет никаких оснований считать, что применение квантово-механических расчетов в химии сводит ее (химию) к физической форме движения материи. Справедливо подчеркнул Б.М. Кедров, что «даже самые крупные успехи квантовой химии ясно показывают, что до сих пор никак не удается «свести» (в смысле «исчерпать») химическую форму движения к физической, химические закономерности к физическим, в частности к квантово-механическим. Последние обнаруживают свое неоспоримое большое познавательное значение лишь в тех случаях, за редким исключением, когда речь идет об истолковании с физической точки зрения закономерностей, ранее уже найденных химией».
Физическими методами невозможно познать многие закономерности, которые характерны только для химической формы движения материи. Физические свойства и процессы, входящие в сферу действия химической формы движения материи, сохраняют свою относительную самостоятельность и в то же время уже не имеют превалирующего значения, а служат средством возникновения и существования химических связей и соединений. Это свидетельствует о том, что химическая форма движения материи более сложна и совершенна, ее можно назвать высшей по сравнению с физической, а высшее как бы подчиняет низшее.
Многие авторы считают, что атом является низшей границей, исходной основой для химического движения и верхней границей действия физики. С этим можно спорить, но тем не менее именно химическая форма движения определяет (тип химической связи) разнообразие свойств твердых, жидких и газообразных тел. Атомный уровень физической формы движения материи подразделяют на субатомный и молекулярно-физический.
Материальные носители и первого, и второго вида характеризуются гравитационными, электрическими, магнитными свойствами и энергией. Взаимодействия, осуществляемые на физическом уровне движения, могут быть электромагнитными, гравитационными, сильными и слабыми. Скомпенсированность мощных физических сил определяет слабость химических взаимодействий, что обусловливает их подвижность, вариабельность, легкость перестройки молекул, возможность образования чрезвычайно сложно организованных надмолекулярных комплексов. Развитие структурных уровней материи от элементарных частиц к ядру, затем к атому и молекулам, к полимерам и белковым соединениям дает возможность убедиться, что начиная с атомов и по мере дальнейшего усложнения первостепенную роль играют химическое взаимодействие и химические процессы, возникающие на его основе.
При химических превращениях важными факторами являются реакционная способность, энергетические возможности, скорость химической реакции, каталитические свойства и кинетические закономерности. К ним относятся многостадийность химических реакций с участием промежуточных соединений и химических частиц (молекулы, радикалы, ионы), распространение цепных механизмов превращений. Превращение молекул можно рассматривать в виде основы качественной характеристики химической формы движения материи, а образование химической связи обусловлено физическим взаимодействием атомов. Явный результат химических превращений можно обнаружить на молекулярном уровне, поскольку этот уровень чаще всего образуется как новое качество после изменения на атомном уровне. Химические связи, возникающие на уровне химической формы движения материи, указывают на сложность химических взаимодействий в конкретных молекулярных системах и на то, что участие в химических взаимодействиях принимают не отдельные электроны и ядра, а атомы и молекулы. Получается, что природа химической связи зависит от условий, в которых протекают химические взаимодействия. Например, при переходе валентных электронов от одного атома к другому возникает ионная связь, а при образовании общих электронных пар - ковалентная связь. Типы связи в веществах отличаются от типа связи в отдельной молекуле. Например, в молекуле хлористого натрия связь полярная ковалентная, а в кристалле хлористого натрия - связь ионная. Или в молекуле натрия связь ковалентная, а в кристалле металла натрия - металлическая. От типа связи (ионной, ковалентной, металлической, водородной или другой) зависит образование веществ с новой структурой и соответственно новыми химическими свойствами.
Понятие химической связи отражает непосредственное взаимодействие атомов и его результат. Еще в период создания теории валентности отсутствие свободных связей и насыщенности валентных сил в молекуле показало, что в системах внутренние связи преобладают над внешними. Получалось, что внутримолекулярные связи обладают некоторой самостоятельностью, а сама химическая связь выступает как аддитивное целое. Химическую связь надо рассматривать в качестве результата взаимодействия, который характеризуется определенным составом, специфическими связями составляющих его элементов и наличием новых, особых в сравнении с ними свойств. Химическая связь является следствием стремления атомов к образованию молекулы как целостности.
Многообразие химических связей проявляется в различных свойствах молекул. В качестве примера можно привести энергетику молекул, электронные спектры поглощения, ядерный магнитный резонанс, дипольные моменты, реакционную способность. Через них отчетливо выявляется различие типов химических связей. Объяснив природу химической связи на физической основе как особую форму проявления волновых свойств валентных электронов, квантовая механика помогла химии выделить и обосновать собственно само понятие химизма в качестве стержня всего понятийного аппарата этой науки, в качестве того всеобщего, вокруг которого и за счет которого происходит формирование множеств единичного и особенного - миллионов химических соединений и реакционных систем.
При химическом взаимодействии на атомно-молекулярном уровне возникают новые вещества, и этот процесс связан с образованием или разрушением (например, испарение) химических связей. Образование или разрушение связей наиболее ярко характеризует проявление химизма. При физическом взаимодействии на атомно-молекулярном уровне не возникают новые вещества, но может отмечаться переход газообразных веществ в жидкое состояние (кислород, водород) или образование атомных или молекулярных кристаллов (бензол и большинство органических веществ, не содержащих сильных полярных группировок атомов).
Физические взаимодействия существуют и на уровне химической формы движения материи, но можно провести довольно четкую границу между химической и физической формами движения материи на основании одновременного учета двух признаков: во-первых, сохранения или несохранения внутренней структуры молекул вещества, и, во-вторых, сохранения или несохранения атомов, участвующих в данном процессе.
В настоящее время возрастает специализация наук, которая позволяет глубоко изучить не только формы движения материи, но и взаимопереходы между ними. Это в первую очередь касается физической химии, химической физики, биохимии, биоэлектроники, биотехнологии и др. Химическая эволюция создала предпосылки еще большего усложнения молекулярных структур, образования белковых молекул, аминокислот, являющихся основами живых организмов.
Теория абиогенной молекулярной эволюции жизни из неоргани-ческих веществ была создана русским учёным А. И. Опариным (1924) и английским учёным Дж. Холдейном (1929). По мнению естествоведов, Земля появилась примерно 4,5—7 млрд лет назад. Вначале Земля представляла собой пылевидное облако , температура которого колебалась в пределах 4000—8000°С. Постепенно в процессе охлаждения тяжёлые элементы начали располагаться в центре нашей планеты , а более лёгкие — по периферии.
Предполагается, что самые простые живые организмы на Земле появились 3,5 млрд лет назад. Жизнь есть результат сначала химической , а затем биологической эволюции .
Протобионты также ещё не являются законченной формой жизни. Предполагается, что у них постепенно абиогенным путём появлялись соединения, подобные ферментам (коферменты, собственно ферменты), АТФ.
Возникновение клетки (матричный синтез)
В превращении протобионтов в настоящие клетки большую роль сыграло возникновение матричного синтеза в результате взаимного приспособления и слияния функций белков и нуклеиновых кислот.
Матричный синтез — это биологический синтез белковых молекул на основе информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах.
С возникновением процесса матричного синтеза химическая эволюция уступила место биологической. Развитие жизни продолжалось теперь путём биологической эволюции.
А. И. Опарин первым выдвинул идею экспериментального изучения возникновения жизни. И действительно, С. Миллер (1953) создал опытную модель первичных условий Земли. Воздействуя на нагретый метан, аммиак, водород и водяные пары электрическим разрядом, он осуществил синтез таких аминокислот, как аспарагин, глицин, глутамин (в такой системе газы имитировали атмосферу , электрический разряд — молнии; рис. 57).
Д. Оро, нагревая цианистый водород, аммиак и воду, осуществил синтез аденина. Путём воздействия на метан, аммиак и воду иони-зирующими излучениями были синтезированы рибоза и дезокси-рибоза. Результаты подобных опытов подтвердились многочислен-ными исследованиями. В процессе эволюции мономеры постепенно превращались в биологические полимеры (полипептиды, полинук-леотиды), что также подтвердилось опытным путём. Так, в опытах С. Фокса были синтезированы протеиноиды (белковообразные вещества) путём нагревания смеси аминокислот. Впоследствии в опытах были синтезированы полимеры нуклеотидов.
Соединения, подобные коацерватам, были синтезированы опытным путём и досконально изучены А. И. Опариным и его учениками. Материал с сайта
Однако было неизвестно, что в ходе биохимической эволюции жизни возникло прежде: белки или нуклеиновые кислоты. Согласно теории А. И. Опарина, первыми появились молекулы белка. Сторонники генетической гипотезы, наоборот, считали, что сначала возникли нуклеиновые кислоты. Такое предположение было выдвинуто в 1929 г. Г. Миллером. Лабораторные исследования доказали возможность репликации нуклеиновых кислот и без воздействия ферментов. По мнению учёных, первичные рибосомы состояли только из РНК, и свойство синтезировать белок у них могло появиться впоследствии. Позже были получены новые данные, подтверждающие это предположение. Репликация рибонуклеиновой кислоты без участия ферментов, обратная транскрипция, т. е. возможность синтеза ДНК на основе РНК — все это является доказательством генетической гипотезы.
Как отмечалось выше, основной особенностью современного уровня анализа химической формы материи является переход от третьей теоретической системы - учения о химических процессах - к четвертой, получившей название эволюционной химии. Само возникновение эволюционной химии стало результатом предшествующего пути развития, пройденного этой наукой. Оно подготовлено изучением и созданием все более сложных веществ и все более глубоким проникновением в законы их строения и механизмы изменений.
«Идея эволюции, развития в химии возникла, выкристаллизовалась не сразу. Первоначально она расплывалась, растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ». До сих пор химию часто рассматривают как науку о составе, строении и свойствах химических соединений. «Химию можно определить как науку о веществах - об их строении, свойствах и реакциях, в результате которых одни вещества превращаются в другие», - считают Л. Поллинг и П. Поллинг. По мнению Ю.А. Жданова, в настоящее время» ее можно назвать наукой об атомно-молекулярной истории природных и искусственных тел. Эта история включает в себя космический круговорот веществ на Земле и в ее оболочках, на иных планетах, в межзвездной среде, где условия допускают существование молекулярных структур. Но в бесконечных циклах и круговоротах мы фиксируем вполне определенное направление, которое состоит в прогрессивной эволюции химической формы движения».
Идея перехода химического знания к эволюционной парадигме в своем наиболее абстрактном аспекте связана с общефилософской концепцией развитии как бесконечного восхождения от низшего к высшему, роста богатства содержания предметов и явлений. Эта интерпретация учения о развитии основана на большом ансамбле фактов из всех областей научного знания - физики, химии, биологии, наук об обществе. Факты показывают, например, что в известной нам части Вселенной действует ярко выраженная тенденция материальных объектов к усложнению, доминирующая над тенденциями деградации и распада. По подсчетам Г. Кастлера и Л. Блюменфельда, в случае равенства вероятности процессов упрощения и усложнения материи вероятность возникновения жизни из аминокислот, пиримидинов, пуринов, полифосфатов, сахаров и т.д. за 2 на 10 в 9-й степени лет развития Земли оказалась бы равной 10 в минус 255-й степени или даже 10 в минус 800-й, что делает это событие, по существу, невозможным. С точки зрения уровня квантово-механических процессов вероятность появления жизни оказывается практически равной нулю. Таким образом, направленность процесса развития материи в целом от низшего к высшему, от простого к сложному должна быть признана объективной закономерностью, изучение которой становится одной из главных задач научного знания на достаточно высокой ступени его развития. Именно такая ступень достигнута в настоящее время химической наукой.
Существует целый рад подходов к раскрытию механизмов развитии химического вещества. Так, Н.А. Будрейко высказывает соображения, согласно которым последовательность качественных и количественных изменений в гомологических рядах органических соединений (предельных углеводородов, спиртов, кислот и т.д.) уже выражает процесс развития веществ этих классов. Однако более детальное рассмотрение природы этих процессов показывает, что явления гомологии нельзя принимать за точную и репрезентативную модель химической эволюции. Количественное прибавление атомов в органических молекулах не является, строго говоря, реальным развитием, так как прогрессивная эволюция вещества не идет, например, от муравьиной кислоты к мелиссиновой. «Отдельные вещества данного класса гомологов (например, муравьиная, уксусная, пропионовая и т.д. кислоты) несомненно представляют собой внутреннее единство, но между ними не существует генетической связи, связи происхождения. Конечно, можно, скажем, получить из одной кислоты другую, но эти переходы множественны, произвольны и не заключают в себе какой-то внутренней линии развития». Значительным эволюционным содержанием обладает периодический закон Д.И. Менделеева. Однако это эволюционное содержание присутствует в нем в скрытом, имплицитном виде, так как периодичность в повторении свойств элементов сама по себе еще не является прямым проявлением прогрессивного развития (которое вовсе не направлено примитивным образом от водорода к трансурановым элементам). В современной химии начинают формулироваться также другие законы, более прямо и непосредственно описывающие процесс развития - например, закон возрастания абсолютной каталитической активности в теории саморазвития открытых каталитических систем А.П. Руденко, о которой пойдет речь ниже.
Перспективный путь исследования процессов химической эволюции основывается на анализе реакционной способности химических веществ как важнейшего проявления природы химического объекта.
Реакционная способность химических элементов (то есть их способность вступать в реакции с другими веществами) включает в себя две стороны: количественную и качественную. Количественная сторона реакционной способности - это легкость и быстрота образования связей, а также число атомов, которые может интегрировать данный элемент. Качественная сторона выражается в многообразии различных химических элементов, с которыми может вступать в реакции данный элемент, и многообразие образуемых ими соединений. Реакционная способность одного и того же элемента может оцениваться по-разному в зависимости от того, с какой точки зрения - качественной или количественной - мы будем подходить к ней. Так, с количественной точки зрения наибольшей реакционной способностью обладает фтор: он легко и быстро вступает в реакции со множеством веществ, является, например, единственным элементом, который окисляет кислород. Почти такой же активностью обладают другие галогены, все они в количественном плане намного активнее, чем элементы-органогены. Однако соединения, которые образуют галогены, в большинстве своем оказываются низкомолекулярными и обладают слабой реакционной способностью, которая ограничивает возможности дальнейших превращений. Элементы-органогены, наоборот, образуют огромное количество высокомолекулярных и очень активных соединений. Это объясняется прежде всего природой атомов углерода, их уникальной способностью образовывать сложные разветвленные цепи, обладать разными степенями окисления в составе одной и той же молекулы. Благодаря этому они могут создавать чрезвычайно сложные органические вещества. Следовательно, с качественной стороны углерод превосходит по реакционной способности все остальные химические элементы.
Качественная сторона реакционной способности выражается не только в непосредственно получаемых продуктах, но и во всем наборе отдаленных, конечных результатов реакции. В оценке реакционной способности химических веществ необходимо, таким образом, учитывать весь набор возможностей дальнейших превращений, которым они располагают. Рассматриваемая в этом аспекте реакционная способность выступает как показатель возможностей дальнейшего развития, связанного с тем или иным химическим элементом (соединением), как его эволюционный потенциал, или потенциал развития. По своему эволюционному потенциалу реакционная способность элементов-органогенов намного превосходит реакционные способности всех других элементов. Только соединения углерода, имеющие наибольший эволюционный потенциал, способны вывести химическую форму материи за ее собственные пределы и стать основой для возникновения жизни. Главный «соперник» углерода - кремний, которому иногда приписывают гипотетическую способность создавать химическую структуру для «кремниевой жизни» во Вселенной, не может образовать стабильного аналога даже простейшей уксусной кислоты. Возможность возникновения на основе кремния веществ, сопоставимых по сложности с белками и нуклеиновыми кислотами, представляется в современной химии скорее фантастической, чем реальной.
Понятие эволюционного потенциала служит конкретизацией, дальнейшим углублением понятия реакционной способности под углом зрения теории развития. Эволюционный потенциал химического элемента или соединения - это внутренняя, глубинная сторона его реакционной способности, характеризующая фонд возможностей дальнейшего изменения и развития. Это понятие аналогично понятиям эволюционного потенциала в физических, биологических и социальных науках. В процессах изменения любой формы материи сокращение эволюционного потенциала свидетельствует о том, что данное направление развития является не основным, магистральным, а тупиковым. Так, в химии затухание эволюционного потенциала наблюдается в гомологических радах, высшие члены которых (стеарин, воск, парафин) становятся чрезвычайно похожими друг на друга по химической инертности. Гомологический ряд с его строгой периодичностью ведет, по выражению Ю.А. Жданова, в «химический тупик». Наиболее эволюционно перспективными оказываются не гигантские монотонные цепи, а реакции другого рода, происходящие в коллоидных растворах и каталитических системах, к которым мы вернемся ниже.
В химии ярко проявляется одна из общих закономерностей материального мира - неравномерность распределения интенсивности процесса развития в пространстве и во времени. Преобладание прогрессивного направления развития в живой природе не означает, что все биологические виды во все эпохи эволюционируют с одинаковой интенсивностью. Идея общественного прогресса также не подразумевает, что все человеческие индивиды и все социальные структуры постоянно находятся в состоянии прогрессивного развития. Аналогичным образом современная химия обнаруживает в природе два существенно различных типа реакций. Первый из них не включает в себя в непосредственном виде процессы эволюции веществ, второй, наоборот, закладывает основы для эволюционных изменений.
Первая группа реакций характеризуется коренным изменением природы реагирующей молекулы, ее трансформацией в совершенно новое состояние. Гегель называл подобные процессы движением от «одного» к «другому» - старое качество здесь просто теряется, а не аккумулируется, не «снимается». Такие реакции типичны для неорганических веществ (кислота и щелочь превращаются в соль, кислород и водород образуют воду), но они встречаются и в органической химии. В то же время среди органических соединений становятся более распространенными процессы, при которых молекула не исчезает полностью, а лишь модифицируется, сохраняя некоторые черты исходного типа. Это встречается при реакциях замещения одного атома в молекуле на другой, при таутомерных перегруппировках, при рацемизации оптически активных соединений (рацемизация - возникновение такой смеси изомеров оптически активного вещества, которая теряет оптическую активность). Фактически в этих случаях начинает формироваться черта, получившая полное развитие позже, в биологической форме материи - возникает устойчивая индивидуальность, способная сохранить себя в ходе химических превращений. Особенно важно то, что органические молекулы под внешним воздействием могут вообще химически не изменяться, а лишь переходить в другое состояние в результате перераспределения энергии, возбуждения, поворотов отдельных групп, обратимой миграции некоторых атомов, образования временных межатомных связей и т.п.
Таким образом, химический индивид приобретает способность изменить свою природу, сохранив себя. На данном этапе развития материи становится хорошо заметен диалектический процесс отрицания отрицания. Слабые и эфемерные физические силы, проявляющие себя при взаимодействии частиц и лишь слегка модифицирующие молекулу при сохранении ее химической структуры, накапливаются в макромолекулах и их комплексах. Эти силы формируют специфическую структуру живого, включающую фермент-субстратные агрегаты, межмолекулярные образования нуклеопротеидов, гликолепидов, комплементарные соответствия в двойной спирали ДНК, взаимодействия ДНК, РНК и белков. Все эти слабые физические взаимодействия определяются водородными связями, полярными, диполь-дипольными и вандерваальсовыми силами, которые предваряют химический процесс, готовят его, но еще не исчерпывают.
химия естествознание эволюционный материя
- 215.50 КбХимическая эволюция
Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.
Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел», осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и/или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остается открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.
Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0,5-1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ - альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.
Методология исследования химической эволюции (теория)
Исследование химической эволюции осложняется тем, что в настоящее время знания о геохимических условиях древней Земли не являются достаточно полными.
Поэтому, кроме геологических, привлекаются также астрономические данные. Так, условия на Венере и Марсе рассматривают как близкие к тем, что были на Земле на различных этапах её эволюции.
Основные данные о химической эволюции получены в результате модельных экспериментов, в ходе которых удалось получить сложные органические молекулы при имитации различных химических составов атмосферы, гидросферы и литосферы и климатических условий.
На основе имеющихся данных был выдвинут ряд гипотез о конкретных механизмах и непосредственных движущих силах химической эволюции.
Абиогенез
Абиогене́з - образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов.
В широком смысле абиогенез - возникновение живого из неживого, то есть исходная гипотеза современной теории происхождения жизни
Существует также теория гиперциклов; согласно которой первые проявления жизни были соответственно в виде гиперциклов - комплекса сложных каталитических реакций, продукты выхода которых являются катализаторами для последующих реакций.
В 2008 году американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды активированные нуклеотиды - «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК . В 2011 году японские ученые сообщили, что им удалось создать синтетическую клетку с оболочкой и элементами ДНК внутри, способную к размножению при нагревании "первичного бульона" до 94 градусов по Цельсию.
Эволюция
Биологическая эволюция - естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.
Существует несколько эволюционных теорий, объясняющих механизмы, лежащие в основе эволюционных процессов. В данный момент общепринятой является синтетическая теория эволюции (СТЭ), являющаяся развитием теории Дарвина. СТЭ позволяет объяснить связь субстрата эволюции (гены) и механизма эволюции (естественный отбор). В рамках СТЭ эволюция представляет собой процесс изменения наследственных черт в популяциях организмов в течение времени, превышающего продолжительность жизни одного поколения.
Чарльз Дарвин первым сформулировал теорию эволюции путем естественного отбора. Эволюция путем естественного отбора - это процесс, который следует из трех фактов о популяциях: 1) рождается больше потомства, чем может выжить; 2) у разных организмов разные черты, что приводит к различиям в выживаемости и вероятности оставить потомство; 3) эти черты - наследуемые. Таким образом, в следующем поколении увеличится количество таких особей, черты которых, способствуют выживанию и размножению в этой среде. Естественный отбор - единственная известная причина адаптаций, но не единственная причина эволюции. К числу неадаптивных причин относятся генетический дрейф, поток генов и мутации.
Несмотря на неоднозначное восприятие в обществе, факт эволюции является одним из наиболее доказанных в биологии. Открытия в эволюционной биологии оказали огромное влияние не только на традиционные области биологии, но и на другие академические дисциплины, такие как антропология и психология.
Введение
Эволюция происходит в течении периода времени превышающего срок жизни одного поколения и заключается в изменении наследуемых черт организма. Первым этапом этого процесса является изменение частот аллелей генов в популяции. В идеальной популяции, в которой отсутствует влияние внешней среды, дрейф и поток генов, согласно закону Харди-Вайнберга частота аллелей будет неизменна от поколения к поколению. Мутации увеличивают изменчивость в популяции за счет появления новых аллельных вариантов генов - мутационной изменчивости. Кроме мутационной, также есть комбинативная изменчивость, обусловленная рекомбинацией, но она не приводит не к изменениям частот аллелей, а к их новым сочетаниям. Ещё одним фактором приводящим к изменению частот аллелей является поток генов.
Два других фактора эволюции - естественный отбор и дрейф генов «сортируют» созданную мутациями и потоком генов изменчивость приводя к установлению новой частоты аллелей в популяции. Дрейф генов - вероятностный процесс изменения частот генов и наиболее ярко проявляется в популяциях относительно небольшого размера. Дрейф может приводить к полному исчезновению определенных аллелей из популяции. Естественный отбор является главным творческим фактором эволюции. Под его действием особи с определенным фенотипом (и определенным набором наследственных черт) будут более успешны чем другие, то есть будут иметь более высокую вероятность выжить и оставить потомство. Таким образом, в популяции будет увеличиваться доля таких организмов, у которых есть наследственные черты, обладающие селективным преимуществом. Взаимное влияние дрейфа и естественного отбора однозначно оценить сложно, но в целом, вероятно, оно зависит от размера популяции и интенсивности отбора. Кроме выше названных факторов важное значение может иметь и горизонтальный перенос генов, который может приводить к появлению совершенно новых, для данного организма генов.
Естественный отбор повышает приспособленность организмов, приводя к формированию адаптаций. Протекающие в течении длительного времени эволюционные процессы могут привести как к образованию новых видов и их дальнейшей дивергенции, так и к вымиранию целых видов.
Наследственность
Наследственность - это свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом. Эволюция организмов происходит посредством изменения наследственных признаков организма. Примером наследственного признака у человека может служить коричневый цвет глаз, унаследованный от одного из родителей. Наследственные признаки контролируются генами. Совокупность всех генов организма образует его генотип.
Наследуемость также может встречаться и в более крупных масштабах. Например, экологическое наследование посредством строительства ниши. Таким образом, потомки наследуют не только гены, но и экологические особенности местообитания, созданного активностью из предков. Другими примерами наследования, не находящегося под контролем генов, может служить наследование культурных черт и симбиогенез.
Изменчивость
Фенотип организма обусловлен его генотипом и влиянием окружающей среды. Существенная часть вариаций фенотипов в популяциях вызвана в различиях их генотипов. В СТЭ эволюция определяется как изменение с течением времени генетической структуры популяций. Частота одной из аллелей изменяется, становясь более-менее распространенной среди других форм этого гена. Действующие силы эволюции ведут к изменениям в частоте аллели в одну или в другую стороны. Изменение исчезает, когда новая аллель достигает точки фиксации - целиком заменяет предковую аллель или исчезает из популяции.
Изменчивость складывается из мутаций, потока генов и рекомбинации генетического материала. Изменчивость также увеличивается за счет обменов генами между разными видами, таких как горизонтальный перенос генов у бактерий, гибридизация у растений. Несмотря на постоянные увеличение изменчивости за счет этих процессов, большая часть генома идентична у всех представителей данного вида. Однако даже сравнительно небольшие изменения в генотипе могут вызвать огромные различия в фенотипе, например, геномы шимпанзе и людей различаются всего на 5 %.
Мутации
Случайные мутации постоянно происходят в геномах всех организмов. Эти мутации создают генетическую изменчивость. Мутации - изменения в последовательности ДНК. Они вызваны радиацией, вирусами, транспозонами, мутагенными веществами, а также ошибками, происходящими во время репликации ДНК или мейоза. Мутации могут не иметь никакого эффекта, могут изменять продукт гена или препятствовать его функционированию. Исследования, проведенные на дрозофиле, показали, что, если мутация изменяет белок, производимый геном, то примерно в 70 % случаев это будет иметь вредные воздействия, а в остальных случаях нейтральные или слабоположительные. Для уменьшения негативного эффекта мутаций в клетках существует механизмы репарации ДНК. Оптимальный уровень мутаций - это баланс между высоким уровнем вредных мутаций и затратами на поддержание системы репарации. У РНК-вирусов уровень мутабильности высокий, что, видимо, является преимуществом, помогая избегать защитных ответов иммунной системы.
Мутации могут вовлекать большие участки хромосом. Например, при дупликации, которая вызывает появление дополнительных копий гена в геноме. Эти копии становятся основным материалом для возникновения новых генов. Это важный процесс, поскольку новые гены развиваются в пределах семейства генов от общего предка.
Рекомбинация
У бесполых организмов гены во время размножения не могут смешиваться с генами других особей. В отличие от них, у организмов с половым размножением потомство получает случайные смеси хромосом своих родителей. Это происходит за счет процесса гомологичной рекомбинации в ходе которого происходит обмен участков двух гомологичных хромосом. При рекомбинации не происходит изменения частоты аллелей, но происходит образование их новых комбинаций. Таким образом, половое размножение обычно увеличивает наследственную изменчивость и может ускорять темп эволюции организма. Однако, бесполое размножение зачастую выгодно и может развиваться у животных с половым размножением. Это может позволить двум наборам аллелей в геноме дивергировать с приобретением новых функций.
Рекомбинация позволяет наследоваться независимо даже аллелям, которые находятся близко друг от друга в ДНК. Однако, уровень рекомбинации низок - примерно две рекомбинации на хромосому за поколение.
Поток генов
Потоком генов называют перенос аллелей генов между популяциями. Поток генов может осуществляться за счет миграций особей между популяциями в случае подвижных организмов, либо, например, с помощью переноса пыльцы или семян в случае растений. Скорость потока генов сильно зависит от подвижности организмов.
Степень влияние потока генов на изменчивость в популяциях до конца не ясна. Существуют две точки зрения, одна из них, что поток генов может иметь значительное влияние на крупных популяционных системах, гомогенизируя их и, соответственно, действую против процессов видообразования; вторая, что скорости потока генов достаточно, только для воздействия на локальные популяции.
Механизмы эволюции
Естественный отбор
Эволюция посредством естественного отбора - это процесс, при котором закрепляются мутации, увеличивающие приспособленность организмов. Естественный отбор часто называют «самоочевидным» механизмом, поскольку следует из таких фактов как:
- Наследственные изменения существуют в популяциях организмов;
- Организмы производят потомков больше, чем может выжить;
- Эти потомки различаются тем, что имеют различную выживаемость и способность размножаться.
Такие условия создают конкуренцию между организмами в выживании и размножении. Таким образом, организмы с наследственными чертами, которые дают им конкурентное преимущество, имеют большую вероятность передать их своим потомкам, чем организмы с наследственными чертами, не имеющими подобного преимущества.
Центральное понятие концепции естественного отбора - приспособленность организмов. Приспособленность определяется как способность организма к выживанию и размножению, которая определяет размер его генетического вклада в следующее поколение. Однако, главным в определении приспособленности является не общее число потомков, а число потомков с данным генотипом (относительная приспособленность). Естественный отбор для черт, которые могут изменяться в некотором диапазоне значений (например, размер организма), можно разделить на три типа:
Описание работы
Химическая эволюции или пребиотическая эволюция - первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углерод-содержащие молекулы.