Составречовини й хімічні системи. Розвиток біологічних поглядів
Для визначеннявластивостей речовин необхідно встановити, з яких елементів вони складаються, аце припускає наявність точного поняття хімічного елемента. Визначення Р. Бойлемелемента як «простого тіла», а тим більше ранні спроби ототожнити елементибезпосередньо із властивостями і якостями речовин не досягали цієї мети.Справді, ні сам Р. Бойль, ні його прихильники не мали ясного уявлення про«просту речовину» і тому приймали за нього по суті справи хімічні сполуки. Так,наприклад, залізо, мідь і інші відомі в той час метали вони розглядали якскладні тіла, а окалину, що виходить при їхньому прожарюванні, — за простетіло. Тепер ми знаємо, що окалина, або оксид металу, являє собою сполуку металуз киснем, тобто це складне тіло.
Таке помилковеуявлення було нав'язано вченим помилковою гіпотезою, що панувала в той час,відповідно до якої складні тіла складаються з відповідного елемента йособливого «невагомого тіла» — флогістону. Ця гіпотеза була спростована відомимфранцузьким хіміком Антуаном Лавуазьє (1743-1794) після відкриття кисню йвиявлення його ролі в процесах окислювання й горіння. Він же перший почавспробу систематизації відкритих на той час хімічних елементів, хоча при цьомувідніс до них і деякі хімічні сполуки (вапно, магнезію й ін.). А. Лавуазьєвважав елементами тільки такі тіла, які не піддавалися в його час реакціїрозкладання.
Поступово хімікивідкривали всі нові й нові хімічні елементи, описували їхні властивості йреакційну здатність і завдяки цьому нагромадили величезний емпіричний матеріал,якому необхідно було привести в певну систему. Такі системи пропонувалисярізними вченими, але були досить недосконалими тому, що в якості системногофактора бралися несуттєві, другорядні й навіть чисто зовнішні ознаки елементів.
Велика заслуга Д.І. Менделєєва полягає в тому, що, відкривши періодичний закон, він заклавфундамент для побудови справді наукової системи хімічних знань. У якості системногофактора, або «незмінного загального в змінюваному й частці», він вибрав атомнумасу, або атомну вагу. Відповідно до атомної ваги він розташував хімічніелементи в систему й показав, що їхні властивості перебувають у періодичнійзалежності від атомної ваги. Більше того, він пророчив існування невідомихелементів, залишивши для них порожні клітки у своїй таблиці. Згодом ці елементибули відкриті хіміками й властивості їх виявилися такими, які пророчив Д. И.Менделєєв. Завдяки цьому його періодична система одержала широке визнання внауковому світі.
Подальшийрозвиток науки дозволив уточнити, що властивості хімічних елементів залежатьвід їхнього атомного номера, обумовленого зарядом ядра. Атомна ж вага єсереднім арифметичним величин мас ізотопів, з яких складається елемент.Ізотопами називаються різновиди атомів, які мають однаковий заряд ядра, алевідрізняються по своїй масі. Тим самим була вирішена й проблема хімічногоелемента, що з XVIII в. залишалася предметом численних дискусій.
У цей часхімічним елементом називають речовина, всі атоми якого мають однаковий зарядядра, хоча й різняться по своїй масі, внаслідок чого атомні ваги елементів невиражаються цілими числами.
З позиційатомізму вирішується також проблема хімічної сполуки. Що вважати сумішшю, а щохімічною сполукою? Чи володіє така сполука постійною або змінною сполукою?
Ще на початку XIXв. із цих питань виникла гостра дискусія між відомими французькими хімікамиЖозефом Прустом (1754-1826) і Клодом Бертолле (1748-1822). Пруст уважав, щобудь-яка хімічний склад повинен мати цілком певну, незмінну сполуку, і це своєпереконання сформулював у вигляді закону сталості сполуки. На його думку, самепостійна сполука відрізняє хімічні сполуки від сумішей. Згодом закон сталостісполуки з позицій атомно-молекулярного навчання обґрунтував видатнийанглійський хімік Джон Дальтон (1766-1844). Він затверджував, що всякаіндивідуальна речовина — проста або складна — складається із дрібних часток — молекул, які у свою чергу утворені з атомів. Саме молекули є найменшимичастками, що володіють властивостями речовини. Наприклад, молекула такоїпростої речовини як кисень утворений із двох атомів і характеризується всімавластивостями, які властиві цій речовині. Молекули складних речовин, абохімічних сполук, утворені з різних атомів і тому мають властивості, відміннимивід властивостей складових частин. Так, наприклад, вода Н2О являє собою рідина,а утворена вона із двох газів — водню й кисню. Важливо підкреслити, що яким биспособом вона або інша хімічна сполука не були б отримані, вони завжди будутьмати ту ж саму сполуку.
Довгий час законсталості хімічного складу вважався абсолютною істиною, що не допускає ніякихвиключень, хоча вже К. Бертолле вказував на існування сполук змінної сполуки уформі розчинів і сплавів. Згодом були знайдені більше переконливі доказиіснування хімічних сполук змінної сполуки, зокрема, у школі відомогоросійського фізико-хіміка Миколи Семеновича Курнакова (1860-1940), які вінназвав бертолідами на честь К. Бертолле. До них він відніс ті сполуки, сполукияких залежить від способу їхнього одержання, наприклад, сполуки таких двохметалів, як марганець і мідь, магній і срібло й ін. Згодом хіміки відкрили іншісполуки змінної сполуки й прийшли до висновку, що вони відрізняються від сполукпостійної сполуки тим, що не мають молекулярну будову. Однак такий висновоквиявився непереконливим з погляду сучасних наукових уявлень про будову атомів імолекул. Було встановлено, що сталість і мінливість сполуки хімічних сполук єзовнішньою їхньою характеристикою й самі мають потребу в подальшому аналізі.Такий аналіз показує, що природа сполуки, тобто характер зв'язку атомів у йогомолекулі, залежить від їхніх хімічних зв'язків, обумовлених обмінною взаємодієювалентних електронів. У зв'язку із цим змінилося й саме класичне поняттямолекули, хоча основний його зміст зберігся: молекулою як і раніше називаютьнайменшу частку речовини, що визначає його властивості й може існуватисамостійно. Однак до молекул тепер відносять також різноманітні іншіквантово-механічні системи (іонні, атомні монокристали, полімери й іншімакромолекули).
Таким чином, усвітлі сучасних фізичних уявлень зникає не тільки колишнє різке протиставленняхімічних сполук постійної сполуки як володіють молекулярною будовою й сполукзмінної сполуки, позбавлених цього будови, але й ототожнення хімічної сполукизі складною речовиною, що складається з декількох елементів. У принципі сполукаможе складатися й з одного елемента.
Структураречовини й хімічні системи
Характербудь-якої системи, як відомо, залежить не тільки від сполуки й будови їїелементів, але й від їхньої взаємодії. Саме така взаємодія визначає специфічні,цілісні властивості самої системи. Тому при дослідженні різноманітних речовин іїхньої реакційної здатності вченим доводилося займатися й вивченням їхніхструктур. Відповідно рівню досягнутих знань мінялися й уявлення про хімічнуструктуру речовин. Хоча різні вчені по-різному витлумачували характер взаємодіїміж елементами хімічних систем, проте всі вони підкреслювали, що ціліснівластивості цих систем визначаються саме специфічними особливостями взаємодіїміж їхніми елементами.
У якостіпервинної хімічної системи розглядалася при цьому молекула й тому, коли мовазаходила про структуру речовин, то малася на увазі саме структура молекули якнайменшої одиниці речовини. Самі уявлення про структуру молекули поступововдосконалювалися, уточнювалися й конкретизувалися, починаючи від доситьзагальних припущень відверненого характеру й кінчаючи гіпотезами,обґрунтованими за допомогою систематичних хімічних експериментів. Якщо,наприклад, на думку відомого шведського хіміка Йенса Берцелиуса (1779-1848)структура молекули виникає завдяки взаємодії різнойменно заряджених атомів абоатомних груп, то французький хімік Шарль Жерар (1816-1856) справедливо вказувавна досить обмежений характер такого уявлення. На противагу цьому вінпідкреслював, що при утворенні структур різні атоми не просто взаємодіють, алевідомим образом перетворять один одного, так що в результаті виникає певнацілісність або, як ми сказали б тепер, система. Однак ці загальні й у ціломуправильні уявлення не містили практичних вказівок, як застосувати їх длясинтезу нових хімічних сполук і одержання речовин із заздалегідь заданимивластивостями.
Таку спробурозкриття структури молекул і синтезування нових речовин почав відомийнімецький хімік Фрідріх Кекуле (1829-1896). Він став зв'язувати структуру зпоняттям валентності елемента або числа одиниць його спорідненості. На ційоснові й виникли ті структурні формули, якими з певними модифікаціямикористуються при вивченні органічної хімії в школі. У цих формулах елементизв'язувалися один з одним по числу одиниць їхньої спорідненості або валентності.Комбінуючи атоми різних хімічних елементів по їхній валентності, можнапрогнозувати одержання різних хімічних сполук залежно від вихідних реагентів.Таким шляхом можна було управляти процесом синтезу різних речовин із заданимивластивостями, а саме це становить найважливіше завдання хімічної науки.
Подальший крокеволюції поняття хімічної структури пов'язаний з теорією хімічної будовиОлександра Михайловича Бутлерова (1828-1886), що, хоча й визнавав, що утвореннянових молекул з атомів відбувається за рахунок їхньої хімічної спорідненості,але звертав особливу увагу на ступінь напруги або енергії, з якої вонизв'язуються один з одним. Саме тому нові ідеї А.М. Бутлерова знайшли не тількишироке застосування в практиці хімічного синтезу, але й одержали своєобґрунтування у квантовій механіці.
Цей короткийекскурс в історію хімії показує, що еволюція поняття хімічної структуриздійснювалася в напрямку, з одного боку, аналізу її складових частин абоелементів, а з іншого боку — установлення характеру фізико-хімічної взаємодіїміж ними. Останнє особливо важливо для ясного розуміння структури з поглядусистемного підходу, де під структурою мають на увазі впорядкований зв'язок івзаємодію між елементами системи, завдяки якій і виникають нові цілісні їївластивості. У такій хімічній системі, як молекула, саме специфічний характервзаємодії тридцятилітніх її атомів визначає властивості молекули.
Хімічніпроцеси, самоорганізація й еволюція хімічних систем
Здатність довзаємодії різних хімічних реагентів визначається не тільки їхньоюатомно-молекулярною структурою, але й умовами протікання хімічних реакцій.
До умовпротікання хімічних процесів ставляться насамперед термодинамічні фактори, щохарактеризують залежність реакцій від температури, тиску й деяких інших умов. Уще більшому ступені характер і особливо швидкість реакцій залежать відкінетичних умов, які визначаються наявністю каталізаторів і інших добавок дореагентів, а також впливом розчинників, стінок реактора й інших умов.
Не треба, однак,забувати, що ці умови можуть впливати на характер і результат хімічних реакційпри певній структурі молекул хімічних сполук. Найбільш активні щодо цьогосполуки змінної сполуки з ослабленими зв'язками між їхніми компонентами. Самена них і спрямовано в першу чергу дія різних каталізаторів, які значноприскорюють хід хімічних реакцій. Менший вплив роблять на реакції такітермодинамічні фактори, як температура й тиск. Для порівняння можна привестиреакцію синтезу аміаку з азоту й водню. Спочатку його не вдавалося одержати ніза допомогою великого тиску, ні високої температури, і тільки використання яккаталізатор спеціально обробленого заліза вперше привело до успіху. Однак цяреакція сполучена з більшими технологічними труднощами, які вдалося переборотипісля того, коли був використаний каталізатор. У його присутності синтез аміакувідбувається при звичайній температурі (18°С) і нормальному атмосферному тиску,що відкриває більші перспективи не тільки для виробництва добрив, але вмайбутньому такої зміни генної структури злаків (жита й пшениці), коли вони небудуть мати потребу в азотних добривах. Ще більші можливості й перспектививиникають із використанням каталізаторів в інших галузях хімічноїпромисловості, особливо в «тонкому» і «важкому» органічному синтезі.
Не приводячибільше прикладів про надзвичайно високу ефективність каталізаторів уприскоренні хімічних реакцій, варто звернути особливу увагу на те, щовиникнення й еволюція життя на Землі були б неможливі без існування ферментів,що служать по суті справи живими каталізаторами.
Незважаючи на тещо ферменти мають загальні властивості, властивим всім каталізаторам, протевони не тотожні останніми, оскільки функціонують у рамках живих систем. Томувсі спроби використовувати досвід живої природи для прискорення хімічних процесіву неорганічному світі натрапляють на серйозні обмеження. Мова може йти тількипро моделювання деяких функцій ферментів і використанні цих моделей длятеоретичного аналізу діяльності живих систем, а також частково — практичногозастосування виділених ферментів для прискорення деяких хімічних реакцій.
Той факт, щокаталіз відігравав вирішальну роль у процесі переходу від хімічних систем добіологічних, тобто на предбіотичної стадії еволюції, у цей час підтверджуєтьсябагатьма даними й аргументами. Найбільш переконливі результати пов'язані здосвідами по самоорганізації хімічних систем, які спостерігали нашіспіввітчизники Б. П. Белоусов і О. М. Жаботинський. Такі реакціїсупроводжуються утворенням специфічних просторових і тимчасових структур зарахунок надходження нових і видалення використаних хімічних реагентів. Однак навідміну від самоорганізації відкритих фізичних систем у зазначених хімічнихреакціях важливого значення набувають каталітичні процеси.
Роль цих процесівпідсилюється в міру ускладнення сполуки й структури хімічних систем. На ційпідставі деякі вчені, наприклад, прямо зв'язують хімічну еволюцію ізсамоорганізацією й саморозвитком каталітичних систем. Інакше кажучи, такаеволюція якщо не цілком, те значною мірою пов'язана із процесами самоорганізаціїкаталітичних систем. Треба, однак, пам'ятати, що перехід до найпростіших формжиття припускає також особливий диференційований відбір лише таких хімічнихелементів і їхніх сполук, які є основним будівельним матеріалом для утвореннябіологічних систем. У зв'язку із цим досить відзначити, що з більш ніж стахімічних елементів лише шість, названих органогенами, є основою для побудовиживих систем.
Дотримуючисьпринципів системного підходу, будемо розглядати величезну розмаїтість форм іявищ живої природи також з погляду рівня визначальних їхніх біологічнихструктур. Хоча подібне вивчення й не треба тому історичному шляху, якимрозвивалася біологія, але воно дасть можливість теоретично представити, якмогли виникнути перші живі системи на Землі і як відбувався процес еволюції віднайпростіших і менш організованих систем до систем більше складним івисокоорганізованим.
Історичнобіологія розвивалася як описова наука про різноманітні форми й види рослинногой тваринного світу. Тому найважливіше місце в ній зайняли методи аналізу,систематизації й класифікації величезного емпіричного матеріалу, накопиченогонатуралістами. Перші класифікації рослин, найбільш відомої з яких була системаКарла Лінея (1707-1778), а також класифікація тварин Жоржа Бюффона (1707-1788),носили значною мірою штучний характер, оскільки не враховували походження йрозвитку живих організмів. Проте, вони сприяли об'єднанню всього відомогобіологічного знання, його аналізу й дослідженню причин і факторів походження йеволюції живих систем.
Без такогодослідження неможливо було б, по-перше, перейти на новий рівень пізнання, колиоб'єктами вивчення біологів стали живі структури спочатку на клітинному, апотім на молекулярному рівні.
По-друге,узагальнення й систематизація знань про окремі види й роди рослин і тваринвимагали переходу від штучних класифікацій до природних, де основою повиненстати принцип генезису, походження нових видів, а отже, розробка теоріїеволюції. Такі спроби створення природної класифікації, що опираються на доситьнедосконалі ще принципи еволюції, уживали Жан Батистом Ламарком (1744-1829) і ЕтьеномЖоффруа Сент-Ілером (1772-1844). Не підлягає сумніву, що вони послужиливажливою віхою на шляху створення першої наукової теорії еволюції видів рослині тварин Чарльзом Дарвіном.
По-третє, самеописова, емпірична біологія послужила тим фундаментом, на основі якогосформувався цілісний погляд на різноманітний, але в той же час єдиний мир живихсистем. Можна навіть сказати, що перші уявлення про системи й рівні їхньої організаціїбули запозичені з досвіду вивчення живої природи й навіть зараз для ілюстраційми часто звертаємося саме до живих систем. Адже перед тим як пояснитифункціонування частин або елементів живих організмів, ми повинні зрозумітижиттєдіяльність єдиного, цілісного організму, а таке розуміння спочаткудосягається саме на описовому, емпіричному рівні. Подальший, теоретичний крок урозумінні неминуче пов'язаний з аналізом безпосередньо даної живої системи, їїрозчленовуванням на окремі підсистеми й елементи, вивченням структури системи,виявленням різних структурних рівнів організації живих систем.
Молекулярно-генетичнийрівень біологічних структур
Уявлення проструктурні рівні організації живих систем сформувалося під впливом відкриттяклітинної теорії будови живих тел. У середині 19 століття клітка розглядаласяяк остання одиниця живої матерії, на зразок атома неорганічних тел. Із клітокзавдяки відповідному принципу впорядкованості мислилися побудованими всі живісистеми різного рівня організованості. Такі ідеї висловлював, наприклад, одиніз творців клітинної теорії Маттіас Шлейден (1804-1881). Інший видатний біологЕрнст Геккель (1834-1919) ішов далі й висунув гіпотезу, відповідно до якоїпротоплазма клітки також має певну структуру й складається із субмікроскопічнихчастин. Таким чином, у живій системі можна виділити новий структурний рівеньорганізації.
Ці ідеї, щодалеко випереджають наукові знання своєї епохи, зустрічали явний опір, з одногобоку, послідовників редукціонизма, які бажали звести процеси життєдіяльності досукупності певних хімічних реакцій, а з іншого боку — захисників віталізму, якінамагалися пояснити специфіку живих організмів наявністю в них особою «життєвоїсили» (від лат. vitalis — життєвий).
Ідеїредукціоністів знаходили підтримку з боку представників механістичного й«вульгарного» матеріалізму, перші з яких намагалися пояснити закономірностіживої природи за допомогою найпростіших механічних і фізичних понять іпринципів, другі ж прагнули редукувати, звести ці закони до закономірностейхімічних реакцій, що відбуваються в організмі. Більше того, деякі представники«вульгарних» матеріалістів — Людвіг Бюхнер (1824-1899) і Якоб Молешотт(1822-1893) — навіть затверджували, що мозок породжує думку подібно тому, якпечінка виділяє жовч.
Незважаючи на ціфілософські дискусії між механіцистами й віталістами, учені-експериментаторинамагалися конкретно з'ясувати, від яких саме структур залежать специфічнівластивості живих організмів, і тому продовжували досліджувати їх на рівні нетільки клітки, але також і клітинних структур.
У першу чергувчені досліджували структуру білків і з'ясували, що вони побудовані з 20амінокислот, які з'єднані довгими поліпептидними зв'язками, або ланцюгами.
Хоча до складубілків людського організму входять всі 20 амінокислот, але зовсім обов'язковідля нього тільки 9 з них. Інші, очевидно, виробляються самим організмом.
Характерна рисаамінокислот, що втримуються не тільки в людському організмі, але й в іншихживих системах (тварин, рослинах і навіть вірусах), полягає в тому, що всі вониє лівообертальними, хоча в принципі існують амінокислоти й правого обертання.Обидві форми таких ізомерів майже однакові між собою й різняться тількипросторовою конфігурацією, і тому кожна з молекул амінокислот є дзеркальним відображенняміншої. Уперше це явище відкрив видатний французький учений Луї Пастер(18221895), досліджуючи будову речовин біологічного походження. Він виявив, щотакі речовини здатні відхиляти поляризований промінь і тому є оптичноактивними, внаслідок чого були згодом названі оптичними ізомерами. На відмінувід цього в молекул неорганічних речовин ця здатність відсутня й побудованівони зовсім симетрично.
На основі своїхдосвідів Л. Пастер висловив думку, що найважливішою властивістю всієї живоїматерії є їх молекулярна асиметричність, подібна асиметричності лівої й правоїрук. Опираючись на цю аналогію, у сучасній науці цю властивість називаютьмолекулярною хіральністью. (Цей термін походить від греч. cheir — рука). Цікавопомітити, що якби людина раптом перетворилася у своє дзеркальне відображення,те його організм функціонував би нормально доти, поки він не став би вживатиїжу рослинного або тваринного походження, яку б він не зміг би переварити.
На питання, чомусаме живаючи природа вибрала білкові молекули, побудовані з амінокислот лівогообертання, дотепер немає переконливої відповіді. Сам Л. Пастер уважав, щооскільки живе виникає з неживого, те необхідною попередньою умовою для цьогопроцесу повинне стати перетворення симетричних неорганічних молекул в асиметричні.По його припущенню, таке перетворення могло бути викликане різними космічнимифакторами, зокрема, геомагнітними коливаннями, обертанням Землі, електричнимирозрядами й т.п. Спроби експериментально перевірити цю гіпотезу не увінчалисяуспіхом. Тому висловлювалися припущення й про чисто випадковий характервиникнення перших живих молекулярних систем, утворених з амінокислот лівогообертання. Надалі ця особливість могла бути передана в спадщину й закріпитисяяк невід'ємна властивість всіх живих систем.
Поряд з вивченнямструктури білка в останні піввіку особливо інтенсивно вивчалися механізмиспадковості й відтворення живих систем. Особливо гостро це питання встало передбіологами у зв'язку з визначенням границі між живим і неживим. Більші суперечкивиникли навколо природи вірусів, які мають здатність до самовідтворення, але нев змозі здійснювати процеси, які ми звичайно приписуємо живим системам:обмінюватися речовиною, реагувати на зовнішні подразники, рости й т.п.Очевидно, якщо вважати визначальною властивістю живий обмін речовин, то вірусине можна назвати живими організмами, але якщо такою властивістю вважативідтворюваність, те їх варто віднести до живих тіл. Так природно виникаєпитання: які властивості або ознаки характерні для живих систем?
На це питаннявчені відповідали по-різному в різні історичні етапи розвитку природознавствазалежно від досягнутого рівня досліджень.
Поки не існувалорозвинених методів біологічного дослідження й скільки-небудь ясних теоретичнихконцепцій, сутність живого зводили до наявності якоїсь таємничої «життєвоїсили», що відрізняє живе від неживого. Однак таке визначення залишалося чистонегативним, тому що не розкривало ні справжньої причини, ні механізмувідмінності живого від неживого, а все зводилося до ірраціональної,непізнаваної і тому таємничої здатності живих організмів. На цій підставіприхильників такого погляду звичайно називають віталістами.
Література
1. Вонсовський С. В. Сучасна природничо-науковакартина світу. — К., 2002
2.Кузнецов Б. Г. Эволюция картины мира. — М., 1996
3.Окладный В. А. Возникновение и соперничество научных теорий. — Свердловск, 1990
4.Таннері П. Історичний нарис розвитку природознавствав Європі (з 1300 по 1900 р.). — К., 1999
5.Холтон Дж. Тематичний аналіз науки. — К., 1999