загрузка...
загрузка...
На головну

ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК ХІМІЇ З біології

  1. II. Стехіометричні закони хімії
  2. Аналітичний облік матеріалів на складі і в бухгалтерії, їх взаємозв'язок
  3. Атомно молекулярні вчення в хімії. Атом. Молекула. Хімічний елемент. Моль. Прості складні речовини. Приклади.
  4. Біогеографія є наукою, прикордонну між географією і біологією, тому вона тісно пов'язана з іншими науками.
  5. БІООРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ
  6. БІОХІМІЇ
  7. Взаємозв'язок абсолютних і відносних величин. Функції статистичних показників.

Хімія і біологія довгий час йшли кожна своїм власним шляхом, хоча давньою мрією хіміків було створення в лабораторних умовах живого організму.

Сама по собі ця ідея виникла ще в період алхімії і аж до XVI століття була однією з головних цільових установок. Однак до XVII століття серед вчених утвердилось переконання про нездійсненність і, отже, хибності ідеалів алхімії. Такий переоцінці сприяли ті позитивні знання, які були накопичені в результаті розвитку самої алхімії. В результаті були дискредитовані такі напрямки алхімії, як пошуки «філософського каменя» і універсального розчинника. Третій же ідеал алхімії -еліксір довголіття, - не втратив своєї популярності завдяки застосуванню хімічних препаратів для збереження здоров'я і лікування хвороб.

Проте «біологічні ідеали» ранніх етапів становлення хімічного знання визначили сталу традицію звернення хіміків до проблем біології, хоча тоді ж склалися уявлення про непрохідною межі між живим і неживим.

Процес взаємодії хімії та біології значно посилився на початку XIX століття, коли в складі хімії утворилися дві самостійні наукові дисципліни - неорганічна і органічна хімія. Що стосується питання взаємодії хімії та біології найбільший інтерес представляє органічна хімія.

Органічна природа надала хімік-органік прекрасні зразки свого творіння - речовини рослинного і тваринного походження - для наслідування і відтворення подібних речовин в хімічних лабораторіях. Так для хіміків виник «біологічний ідеал», що зробив великий вплив на розвиток органічної хімії, особливо на початковому етапі її становлення.

Різке зміцнення взаємозв'язку хімії з біологією відбулося в результаті створення А. М. Бутлеров теорії хімічної будови органічних сполук. Керовані цією теорією хіміки-органіки вступили в змагання зі своєю «суперницею» - природою. Наступні покоління хіміків проявили велику винахідливість, праця, фантазію і творчий пошук в направленому синтезі речовини. Їх задумом було не тільки наслідувати природі, вони хотіли перевершити її. І сьогодні ми можемо впевнено заявити, що в багатьох випадках це вдалося.

Лише поступовий розвиток науки XIX століття, що призвело до розкриття структури атома і детальному пізнання будови і складу клітини, відкрило перед хіміками і біологами практичні можливості спільної роботи над хімічними проблемами вчення про клітину, серед них питання про характер хімічних процесів в живих тканинах, про обумовленість біологічних функцій хімічними реакціями.

Дійсно, якщо подивитися на обмін речовин в організмі з чисто хімічної точки зору, як це зробив А. І. Опарін, ми побачимо сукупність великого числа порівняно простих і одноманітних хімічних реакцій, які поєднуються між собою в часі, протікають не випадково, а в суворій послідовності, в результаті чого утворюються довгі ланцюги реакцій. І цей порядок закономірно спрямований до постійного самозбереження і самовідтворення всієї живої системи в цілому в даних умовах навколишнього середовища.

Таким чином, такі специфічні властивості живого, як зростання, розмноження, рухливість, збудливість, здатність реагувати на зміни зовнішнього середовища, пов'язані з певними комплексами хімічних перетворень.

Тому хімії серед наук, що вивчають життя, належить основна роль. Саме хімією виявлена ??найважливіша роль хлорофілу як хімічної основи фотосинтезу, гемоглобіну як основи процесу дихання, встановлена ??хімічна природа передачі нервового збудження, визначена структура нуклеїнових кислот і т.д. Але головне полягало в тому, що об'єктивно в самій основі біологічних процесів, функцій живого лежать хімічні механізми. Всі функції і процеси, що відбуваються в живому організмі, виявляється можливим викласти на мові хімії, у вигляді конкретних хімічних процесів.

Звичайно, було б невірним зводити явища життя до хімічних процесів. Це було б грубим механістичним спрощенням. І яскравим свідченням цього виступає специфіка хімічних процесів в живих системах в порівнянні з неживими. Вивчення цієї специфіки розкриває єдність і взаємозв'язок хімічної і біологічної форм руху матерії. Про це ж говорять і інші науки, що виникли на стику біології, хімії та фізики: біохімія - наука про обмін речовин і хімічних процесів в живих організмах;

біоорганічна хімія - наука про будову, функції і шляхи синтезу сполук, що складають живі організми; фізико-хімічна біологія як наука про функціонування складних систем передачі інформації і регулювання біологічних процесів на молекулярному рівні, а також біофізика, біофізична хімія і радіаційна біологія.

Науковими досягненнями цього процесу стало визначення хімічних продуктів клітинного метаболізму (обміну речовин в рослинах, тварин, мікроорганізмах); встановлення біологічних шляхів і циклів біосинтезу цих продуктів, був реалізований їх штучний синтез, відкриття матеріальних основ регулятивного і спадкового молекулярного механізму, а також в значній мірі з'ясовано значення хімічних процесів в енергетиці процесів клітини і взагалі живих організмів.

Зараз для хімії особливо важливим стає застосування біологічних принципів, в яких сконцентрований досвід пристосування живих організмів до умов Землі протягом багатьох мільйонів років, досвід створення найбільш досконалих механізмів і процесів. Про це слід поговорити докладніше.

Ще в XIX столітті вчені зрозуміли, що основою виняткової ефективності біологічних процесів є Біокаталізу. Тому хіміки ставлять собі за мету створити нову хімію, засновану на каталітичному досвіді живої природи. З'явиться нове управління хімічними процесами, де почнуть застосовуватися принципи синтезу собі подібних молекул, за принципом ферментів будуть створені каталізатори з таким розмаїттям якостей, які далеко перевершать існуючі в нашій промисловості.

Незважаючи на те, що ферменти мають загальні властивості, притаманні всім катализаторам, проте вони не тотожні останнім, оскільки функціонують в рамках живих систем. Тому всі спроби використовувати досвід живої природи для прискорення хімічних процесів в неорганічний мир стикаються з серйозними обмеженнями. Поки мова може йти тільки про моделювання деяких функцій ферментів і використанні цих моделей для теоретичного аналізу діяльності живих систем, а також частково-практичного застосування виділених ферментів для прискорення деяких хімічних реакцій.

Тут найперспективнішим напрямом, очевидно, є дослідження, орієнтовані на застосування принципів биокатализа в хімії та хімічної технології, для чого потрібно вивчити весь каталітичний досвід живої природи, в тому числі і досвід формування самого ферменту, клітини і навіть організму. Тут і виникли основи еволюційної хімії як нової науки, прокладає шляхи принципово нової хімічної технології, здатної стати аналогом живих систем.

Той факт, що каталіз відігравав вирішальну роль в процесі переходу від хімічних систем до біологічних, тобто на предбиологической стадії еволюції, в даний час підтверджується багатьма даними. Такі реакції супроводжуються утворенням специфічних просторових і часових структур за рахунок утворення нових і видалення використаних хімічних реагентів. Однак на відміну від самоорганізації відкритих фізичних систем в даних хімічних реакціях важливого значення набувають каталітичні процеси.

Роль цих процесів посилюється в міру ускладнення складу і структури хімічних систем. Саме на цій підставі деякі вчені безпосередньо пов'язують хімічну еволюцію з самоорганізацією і саморозвитком каталітичних систем. Іншими словами, така еволюція якщо не цілком, то значною мірою пов'язана з процесами самоорганізації каталітичних систем. Тут, однак, слід пам'ятати, що перехід до найпростіших форм життя передбачає також особливий диференційований відбір лише таких хімічних елементів і їх з'єднань, які є основним будівельним матеріалів для утворення біологічних систем. Такі елементи в хімії отримали назву органогенов.

В результаті такого підходу з'явилася інформація про відбір хімічних елементів і структур, який виявився подібний біологічної еволюції. В даний час хімічної наукою відкрито 110 хімічних елементів. Більшість з них потрапляє в живі організми і бере участь в їх життєдіяльності. Однак основу життєдіяльності організмів забезпечує тільки шість хімічних елементів-органогенов. Це вуглець, водень, кисень, азот, фосфор і сірка. Їх сумарна вагова частка в структурі живого організму становить 97,4%. За ними за ступенем важливості ідуть 12 елементів, які беруть участь в побудові багатьох фізіологічно важливих компонентів біологічних систем. Це натрии, калій, кальцій, магній, алюміній, залізо, кремній, хлор, мідь, цинк, кобальт, нікель. Їх вагова частка в організмі становить 1,6%. Крім того є ще 20 елементів, які беруть участь в побудові та функціонуванні окремих вузько-специфічних біосистем і вагова частка яких становить близько 1%. Всі інші елементи в побудові біосистем практично не беруть участь.

Загальна картина хімічного світу також вельми переконливо свідчить про відбір елементів. В даний час хімічної науці відомо близько 8 млн. Хімічних сполук. З них переважна більшість (96%) складають органічні сполуки, які утворені на основі все тих же 6 - 18 елементів. А з решти 95 - 99 хімічних елементів природа створила лише 300 тисяч неорганічних сполук. З органогенов на Землі найбільш поширені кисень і водень. Ступінь поширеності вуглецю, азоту, фосфору і сірки в поверхневих шарах Землі приблизно однакова і в загальному невелика - близько 0,24 вагових відсотка. У космосі безроздільно панують тільки два елементи - водень і гелій, а інші елементи можна розглядати тільки як добавки до них.

Така різка диспропорція між органічними і неорганічними сполуками, а також виключно диференційований відбір мінімуму органогенов не можуть бути пояснені різної поширеністю хімічних елементів в космосі і на Землі.

Це означає, що визначальними факторами у відборі хімічних елементів при формуванні органічних систем, а тим більше біосистем виступають умови відповідності цих елементів певним вимогам:

1. Здатність утворювати міцні і, отже, енергоємні хімічні зв'язки.

2. Ці зв'язки повинні бути лабільні (тобто здатні до утворення нових різноманітних зв'язків).

Ось тому вуглець і відібраний з багатьох інших елементів як органоген номер один. Він, як ніякий інший елемент, здатний вміщати і утримувати всередині себе самі рідкісні хімічні протилежності, реалізовувати їх єдність, виступати в якості носія внутрішнього протиріччя.

Про те, як відбувається відбір структур, який його механізм, сказати досить важко. Але цей процес залишив нам свого роду музей. Подібно до того, як з усіх хімічних елементів тільки 6 органогенов та 10 - 15 інших елементів відібрані природою, щоб скласти основу біосистем, так само в результаті еволюції йшов ретельний відбір хімічних сполук.

З мільйонів органічних сполук в побудові живого беруть участь лише кілька сотень, з 100 відомих амінокислот до складу білків входить тільки 20, лише за чотири нуклеотиду ДНК і РНК лежать в основі всіх складних полімерних нуклеїнових кислот, відповідальних за спадковість і регуляцію білкового синтезу в будь-яких живих організмах .

Сьогодні ясно, що в ході еволюції відбиралися ті структури, які сприяли різкого підвищення активності та селективності дії каталітичних груп. Є вже і деякі висновки:

1. На ранніх етапах хімічної еволюції світу каталіз зовсім відсутній. Умови високих температур (понад 5000 К), електричних розрядів і радіації, з одного боку, перешкоджають утворенню конденсованого стану, а з іншого-з лишком перекривають ті порції енергії, які необхідні для подолання енергетичних бар'єрів.

2. Перші прояви каталізу починаються при пом'якшення умов і утворення первинних твердих тіл.

3. У міру того, як фізичні умови наближалися до земних, роль каталізатора зростала. Але загальне значення каталізу аж до утворення більш-менш складних органічних молекул все ще не могло бути високим.

4. Роль каталізу в розвитку хімічних систем після досягнення стартового стану, тобто відомого кількісного мінімуму органічних і неорганічних сполук, почала зростати з фантастичною швидкістю.

Теорія саморозвитку елементарних відкритих каталітичних систем, в найзагальнішому вигляді висунута професором МГУ А. П. Руденко в 1964 р, є загальною теорією хімічної еволюції і біогенезу. Вона вирішує питання про рушійні сили і механізми еволюційного процесу, тобто про закони хімічної еволюції, про відбір елементів і структур та їх причинного обумовленості, про висоту хімічної організації та ієрархії хімічних систем як наслідок еволюції.

Сутність цієї теорії полягає в тому, що хімічна еволюція являє собою саморозвиток каталітичних систем і, отже, еволюціонуючим речовиною є каталізатори. В ході реакції відбувається природний відбір тих каталітичних центрів, які мають найбільшу активність. Саморозвиток, самоорганізація і самоускладнення каталітичних систем відбувається за рахунок постійного припливу трансформованою енергії. А так як основним джерелом енергії є базисна реакція, то максимальні еволюційні переваги отримують каталітичні системи, що розвиваються на базі екзотермічніреакцій. Звідси базисна реакція є не лише джерелом енергії, але і знаряддям відбору найбільш прогресивних еволюційних змін каталізаторів.

Тим самим А. П. Руденко сформулював основний закон хімічної еволюції, згідно з яким з найбільшою швидкістю і ймовірністю утворюються ті шляхи еволюційних змін каталізатора, на яких відбувається максимальне збільшення його абсолютної активності.

Практичним наслідком теорії саморозвитку відкритих каталітичних систем є так звана «нестаціонарна технологія», тобто технологія з мінливими умовами реакції. Сьогодні дослідники приходять до висновку, що стаціонарний режим, надійна стабілізація якого здавалася запорукою високої ефективності промислового процесу, є лише окремим випадком нестаціонарного режиму. При цьому виявлено безліч нестаціонарних режимів, що сприяють інтенсифікації реакції.

Сьогодні вже абсолютно зрозумілі перспективи створення і розвитку нової хімії, на основі якої будуть створені маловідходні, безвідходні та енергозберігаючі промислові технології.

План семінарського заняття (2 години)

1. Хімія як наука. Структура хімії.

2. Взаємозв'язок хімії і фізики. Тепловий ефект хімічної реакції.

3. Проблема хімічного елемента. Реакційна здатність речовини.

4. Структурна хімія, її сучасні завдання.

5. Вчення про хімічному процесі. Каталозі.

6. Еволюційна хімія. Зв'язок хімії і біології. Теорія А. П. Руденко.




ПЕРІОД ЗАРОДЖЕННЯ НАУКОВОЇ ХІМІЇ | теорії флогістону | ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ МАСИ Лавуазьє | ВІДКРИТТЯ ОСНОВНИХ ЗАКОНІВ ХІМІЇ | ХІМІЯ ЯК НАУКА | СТРУКТУРА ХІМІЇ | ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК ХІМІЇ З фізики | ПРОБЛЕМА ХІМІЧНОГО ЕЛЕМЕНТА | КОНЦЕПЦІЇ СТРУКТУРИ ХІМІЧНИХ СПОЛУК | Вчення про ХІМІЧНИХ ПРОЦЕССАХ |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати