Состав речовини й хімічні системи. Розвиток біологічних поглядів

Для визначення властивостей речовин необхідно встановити, з яких елементів вони складаються, а це припускає наявність точного поняття хімічного елемента. Визначення Р. Бойлем елемента як «простого тіла», а тим більше ранні спроби ототожнити елементи безпосередньо 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 як складні тіла, а окалину, що виходить при їхньому прожарюванні, - за просте тіло. Тепер ми знаємо, що окалина, або оксид металу, являє собою сполуку металу з киснем, тобто це складне тіло.

Таке помилкове уявлення було нав'язано вченим помилковою гіпотезою, що панувала в той час, відповідно до якої складні тіла складаються з відповідного елемента й особливого «невагомого тіла» - флогістону. Ця гіпотеза була спростована відомим французьким хіміком Антуаном Лавуазьє (1743-1794) після відкриття кисню й виявлення його ролі в процесах окислювання й горіння. Він же перший почав спробу систематизації відкритих на той час хімічних елементів, хоча при цьому відніс до них і деякі хімічні сполуки (вапно, магнезію й ін.). А. Лавуазьє вважав елементами тільки такі тіла, які не піддавалися в його час реакції розкладання.

Поступово хіміки відкривали всі нові й нові хімічні елементи, описували їхні властивості й реакційну здатність і завдяки цьому нагромадили величезний емпіричний матеріал, якому необхідно було привести в певну систему. Такі системи пропонувалися різними вченими, але були досить недосконалими тому, що в якості системного фактора бралися несуттєві, другорядні й навіть чисто зовнішні ознаки елементів.

Велика заслуга Д. І. Менделєєва полягає в тому, що, відкривши періодичний закон, він заклав фундамент для побудови справді наукової системи хімічних знань. У якості системного фактора, або «незмінного загального в змінюваному й частці», він вибрав атомну масу, або атомну вагу. Відповідно до атомної ваги він розташував хімічні елементи в систему й показав, що їхні властивості перебувають у періодичній залежності від атомної ваги. Більше того, він пророчив існування невідомих елементів, залишивши для них порожні клітки у своїй таблиці. Згодом ці елементи були відкриті хіміками й властивості їх виявилися такими, які пророчив Д. И. Менделєєв. Завдяки цьому його періодична система одержала широке визнання в науковому світі.

Подальший розвиток науки дозволив уточнити, що властивості хімічних елементів залежать від їхнього атомного номера, обумовленого зарядом ядра. Атомна ж вага є середнім арифметичним величин мас ізотопів, з яких складається елемент. Ізотопами називаються різновиди атомів, які мають однаковий заряд ядра, але відрізняються по своїй масі. Тим самим була вирішена й проблема хімічного елемента, що з XVIII в. залишалася предметом численних дискусій.

У цей час хімічним елементом називають речовина, всі атоми якого мають однаковий заряд ядра, хоча й різняться по своїй масі, внаслідок чого атомні ваги елементів не виражаються цілими числами.

З позицій атомізму вирішується також проблема хімічної сполуки. Що вважати сумішшю, а що хімічною сполукою? Чи володіє така сполука постійною або змінною сполукою?

Ще на початку XIX в. із цих питань виникла гостра дискусія між відомими французькими хіміками Жозефом Прустом (1754-1826) і Клодом Бертолле (1748-1822). Пруст уважав, що будь-яка хімічний склад повинен мати цілком певну, незмінну сполуку, і це своє переконання сформулював у вигляді закону сталості сполуки. На його думку, саме постійна сполука відрізняє хімічні сполуки від сумішей. Згодом закон сталості сполуки з позицій атомно-молекулярного навчання обґрунтував видатний англійський хімік Джон Дальтон (1766-1844). Він затверджував, що всяка індивідуальна речовина - проста або складна - складається із дрібних часток - молекул, які у свою чергу утворені з атомів. Саме молекули є найменшими частками, що володіють властивостями речовини. Наприклад, молекула такої простої речовини як кисень утворений із двох атомів і характеризується всіма властивостями, які властиві цій речовині. Молекули складних речовин, або хімічних сполук, утворені з різних атомів і тому мають властивості, відмінними від властивостей складових частин. Так, наприклад, вода Н2О являє собою рідина, а утворена вона із двох газів - водню й кисню. Важливо підкреслити, що яким би способом вона або інша хімічна сполука не були б отримані, вони завжди будуть мати ту ж саму сполуку.

Довгий час закон сталості хімічного складу вважався абсолютною істиною, що не допускає ніяких виключень, хоча вже К. Бертолле вказував на існування сполук змінної сполуки у формі розчинів і сплавів. Згодом були знайдені більше переконливі докази існування хімічних сполук змінної сполуки, зокрема, у школі відомого російського фізико-хіміка Миколи Семеновича Курнакова (1860-1940), які він назвав бертолідами на честь К. Бертолле. До них він відніс ті сполуки, сполуки яких залежить від способу їхнього одержання, наприклад, сполуки таких двох металів, як марганець і мідь, магній і срібло й ін. Згодом хіміки відкрили інші сполуки змінної сполуки й прийшли до висновку, що вони відрізняються від сполук постійної сполуки тим, що не мають молекулярну будову. Однак такий висновок виявився непереконливим з погляду сучасних наукових уявлень про будову атомів і молекул. Було встановлено, що сталість і мінливість сполуки хімічних сполук є зовнішньою їхньою характеристикою й самі мають потребу в подальшому аналізі. Такий аналіз показує, що природа сполуки, тобто характер зв'язку атомів у його молекулі, залежить від їхніх хімічних зв'язків, обумовлених обмінною взаємодією валентних електронів. У зв'язку із цим змінилося й саме класичне поняття молекули, хоча основний його зміст зберігся: молекулою як і раніше називають найменшу частку речовини, що визначає його властивості й може існувати самостійно. Однак до молекул тепер відносять також різноманітні інші квантово-механічні системи (іонні, атомні монокристали, полімери й інші макромолекули).

Таким чином, у світлі сучасних фізичних уявлень зникає не тільки колишнє різке протиставлення хімічних сполук постійної сполуки як володіють молекулярною будовою й сполук змінної сполуки, позбавлених цього будови, але й ототожнення хімічної сполуки зі складною речовиною, що складається з декількох елементів. У принципі сполука може складатися й з одного елемента.

Структура речовини й хімічні системи

Характер будь-якої системи, як відомо, залежить не тільки від сполуки й будови її елементів, але й від їхньої взаємодії. Саме така взаємодія визначає специфічні, цілісні властивості самої системи. Тому при дослідженні різноманітних речовин і їхньої реакційної здатності вченим доводилося займатися й вивченням їхніх структур. Відповідно рівню досягнутих знань мінялися й уявлення про хімічну структуру речовин. Хоча різні вчені по-різному витлумачували характер взаємодії між елементами хімічних систем, проте всі вони підкреслювали, що цілісні властивості цих систем визначаються саме специфічними особливостями взаємодії між їхніми елементами.

У якості первинної хімічної системи розглядалася при цьому молекула й тому, коли мова заходила про структуру речовин, то малася на увазі саме структура молекули як найменшої одиниці речовини. Самі уявлення про структуру молекули поступово вдосконалювалися, уточнювалися й конкретизувалися, починаючи від досить загальних 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 або атомних груп, то французький хімік Шарль Жерар (1816-1856) справедливо вказував на досить обмежений характер такого уявлення. На противагу цьому він підкреслював, що при утворенні структур різні атоми не просто взаємодіють, але відомим образом перетворять один одного, так що в результаті виникає певна цілісність або, як ми сказали б тепер, система. Однак ці загальні й у цілому правильні уявлення не містили практичних вказівок, як застосувати їх для синтезу нових хімічних сполук і одержання речовин із заздалегідь заданими властивостями.

Таку спробу розкриття структури молекул і синтезування нових речовин почав відомий німецький хімік Фрідріх Кекуле (1829-1896). Він став зв'язувати структуру з поняттям валентності елемента або числа одиниць його спорідненості. На цій основі й виникли ті структурні формули, якими з певними модифікаціями користуються при вивченні органічної хімії в школі. У цих формулах елементи зв'язувалися один з одним по числу одиниць їхньої спорідненості або валентності. Комбінуючи атоми різних хімічних елементів по їхній валентності, можна прогнозувати одержання різних хімічних сполук залежно від вихідних реагентів. Таким шляхом можна було управляти процесом синтезу різних речовин із заданими властивостями, а саме це становить найважливіше завдання хімічної науки.

Подальший крок еволюції поняття хімічної структури пов'язаний з теорією хімічної будови Олександра Михайловича Бутлерова (1828-1886), що, хоча й визнавав, що утворення нових молекул з атомів відбувається за рахунок їхньої хімічної спорідненості, але звертав особливу увагу на ступінь напруги або енергії, з якої вони зв'язуються один з одним. Саме тому нові ідеї А.М. Бутлерова знайшли не тільки широке застосування в практиці хімічного синтезу, але й одержали своє обґрунтування у квантовій механіці.

Цей короткий екскурс в історію хімії показує, що еволюція поняття хімічної структури здійснювалася в напрямку, з одного боку, аналізу її складових частин або елементів, а з іншого боку - установлення характеру фізико-хімічної взаємодії між ними. Останнє особливо важливо для ясного розуміння структури з погляду системного підходу, де під структурою мають на увазі впорядкований зв'язок і взаємодію між елементами системи, завдяки якій і виникають нові цілісні її властивості. У такій хімічній системі, як молекула, саме специфічний характер взаємодії тридцятилітніх її атомів визначає властивості молекули.

Хімічні процеси, самоорганізація й еволюція хімічних систем

Здатність до взаємодії різних хімічних реагентів визначається не тільки їхньою атомно-молекулярною структурою, але й умовами протікання хімічних реакцій.

До умов протікання хімічних процесів ставляться насамперед термодинамічні фактори, що характеризують залежність реакцій від температури, тиску й деяких інших умов. У ще більшому ступені характер і особливо швидкість реакцій залежать від кінетичних умов, які визначаються наявністю каталізаторів і інших добавок до реагентів, а також впливом розчинників, стінок реактора й інших умов.

Не треба, однак, забувати, що ці умови можуть впливати на характер і результат хімічних реакцій при певній структурі молекул хімічних сполук. Найбільш активні щодо цього сполуки змінної сполуки з ослабленими зв'язками між їхніми компонентами. Саме на них і спрямовано в першу чергу дія різних каталізаторів, які значно прискорюють хід хімічних реакцій. Менший вплив роблять на реакції такі термодинамічні фактори, як температура й тиск. Для порівняння можна привести реакцію синтезу аміаку з азоту й водню. Спочатку його не вдавалося одержати ні за допомогою великого тиску, ні високої температури, і тільки використання як каталізатор спеціально обробленого заліза вперше привело до успіху. Однак ця реакція сполучена з більшими технологічними труднощами, які вдалося перебороти після того, коли був використаний каталізатор. У його присутності синтез аміаку відбувається при звичайній температурі (18°С) і нормальному атмосферному тиску, що відкриває більші перспективи не тільки для виробництва добрив, але в майбутньому такої зміни генної структури злаків (жита й пшениці), коли вони не будуть мати потребу в азотних добривах. Ще більші можливості й перспективи виникають із використанням каталізаторів в інших галузях хімічної промисловості, особливо в «тонкому» і «важкому» органічному синтезі.

Не приводячи більше прикладів про надзвичайно високу ефективність каталізаторів у прискоренні хімічних реакцій, варто звернути особливу увагу на те, що виникнення й еволюція життя на Землі були б неможливі без існування ферментів, що служать по суті справи живими каталізаторами.

Незважаючи на те що ферменти мають загальні властивості, властивим всім каталізаторам, проте вони не тотожні останніми, оскільки функціонують у рамках живих систем. Тому всі спроби використовувати досвід живої природи для прискорення хімічних процесів у неорганічному світі натрапляють на серйозні обмеження. 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.

Той факт, що каталіз відігравав вирішальну роль у процесі переходу від хімічних систем до біологічних, тобто на предбіотичної стадії еволюції, у цей час підтверджується багатьма даними й аргументами. Найбільш переконливі результати пов'язані з досвідами по самоорганізації хімічних систем, які спостерігали наші співвітчизники Б. П. Белоусов і О. М. Жаботинський. Такі реакції супроводжуються утворенням специфічних просторових і тимчасових структур за рахунок надходження нових і видалення використаних хімічних реагентів. Однак на відміну від самоорганізації відкритих фізичних систем у зазначених хімічних реакціях важливого значення набувають каталітичні процеси.

Роль цих процесів підсилюється в міру ускладнення сполуки й структури хімічних систем. На цій підставі деякі вчені, наприклад, прямо зв'язують хімічну еволюцію із самоорганізацією й саморозвитком каталітичних систем. Інакше кажучи, така еволюція якщо не цілком, те значною мірою пов'язана із процесами самоорганізації каталітичних систем. Треба, однак, пам'ятати, що перехід до найпростіших форм життя припускає також особливий диференційований відбір лише таких хімічних елементів і їхніх сполук, які є основним будівельним матеріалом для утворення біологічних систем. У зв'язку із цим досить відзначити, що з більш ніж ста хімічних елементів лише шість, названих органогенами, є основою для побудови живих систем.

Дотримуючись принципів системного підходу, будемо розглядати величезну розмаїтість форм і явищ живої природи також з погляду рівня визначальних їхніх біологічних структур. Хоча подібне вивчення й не треба тому історичному шляху, яким розвивалася біологія, але воно дасть можливість теоретично представити, як могли виникнути перші живі системи на Землі і як відбувався процес еволюції від найпростіших і менш організованих систем до систем більше складним і високоорганізованим.

Історично біологія розвивалася як описова наука про різноманітні форми й види рослинного й тваринного світу. Тому найважливіше місце в ній зайняли методи аналізу, систематизації й класифікації величезного емпіричного матеріалу, накопиченого натуралістами. Перші класифікації рослин, найбільш відомої з яких була система Карла Лінея (1707-1778), а також класифікація тварин Жоржа Бюффона (1707-1788), носили значною мірою штучний характер, оскільки не враховували походження й розвитку живих організмів. Проте, вони сприяли об'єднанню всього відомого біологічного знання, його аналізу й дослідженню причин і факторів походження й еволюції живих систем.

Без такого дослідження неможливо було б, по-перше, перейти на новий рівень пізнання, коли об'єктами вивчення біологів стали живі структури спочатку на клітинному, а потім на молекулярному рівні.

По-друге, узагальнення й систематизація знань про окремі види й роди рослин і тварин вимагали переходу від штучних класифікацій до природних, де основою повинен стати принцип генезису, походження нових видів, а отже, розробка теорії еволюції. Такі спроби створення природної класифікації, що опираються на досить недосконалі ще принципи еволюції, уживали Жан Батистом Ламарком (1744-1829) і Етьеном Жоффруа Сент-Ілером (1772-1844). Не підлягає сумніву, що вони послужили важливою віхою на шляху створення першої наукової теорії еволюції видів рослин і тварин Чарльзом Дарвіном.

По-третє, саме описова, емпірична біологія послужила тим фундаментом, на основі якого сформувався цілісний погляд на різноманітний, але в той же час єдиний мир живих систем. Можна навіть сказати, що перші уявлення про системи й рівні їхньої організації були запозичені з досвіду вивчення живої природи й навіть зараз для ілюстрацій ми часто звертаємося саме до живих систем. Адже перед тим як пояснити функціонування частин або елементів живих організмів, ми повинні зрозуміти життєдіяльність єдиного, цілісного організму, а таке розуміння спочатку досягається саме на описовому, емпіричному рівні. Подальший, теоретичний крок у розумінні неминуче пов'язаний з аналізом безпосередньо даної живої системи, її розчленовуванням на окремі підсистеми й елементи, вивченням структури системи, виявленням різних структурних рівнів організації живих систем.

Молекулярно-генетичний рівень біологічних структур

Уявлення про структурні рівні організації живих систем сформувалося під впливом відкриття клітинної теорії будови живих тел. У середині 19 століття клітка розглядалася як остання одиниця живої матерії, на зразок атома неорганічних тел. Із кліток завдяки відповідному принципу впорядкованості мислилися побудованими всі живі системи різного рівня організованості. Такі ідеї висловлював, наприклад, один із творців клітинної теорії Маттіас Шлейден (1804-1881). Інший видатний біолог Ернст Геккель (1834-1919) ішов далі й висунув гіпотезу, відповідно до якої протоплазма клітки також має певну структуру й складається із субмікроскопічних частин. Таким чином, у живій системі можна виділити новий структурний рівень організації.

Ці ідеї, що далеко випереджають наукові знання своєї епохи, зустрічали явний опір, з одного боку, послідовників редукціонизма, які бажали звести процеси життєдіяльності до сукупності певних хімічних реакцій, а з іншого боку - захисників віталізму, які намагалися пояснити специфіку живих організмів наявністю в них особою «життєвої сили» (від лат. vitalis - життєвий).

Ідеї редукціоністів знаходили підтримку з боку представників механістичного й «вульгарного» матеріалізму, перші з яких намагалися пояснити закономірності живої природи за допомогою найпростіших механічних і фізичних понять і принципів, другі ж прагнули редукувати, звести ці закони до закономірностей хімічних 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, як печінка виділяє жовч.

Незважаючи на ці філософські дискусії між механіцистами й віталістами, учені-експериментатори намагалися конкретно з'ясувати, від яких саме структур залежать специфічні властивості живих організмів, і тому продовжували досліджувати їх на рівні не тільки клітки, але також і клітинних структур.

У першу чергу вчені досліджували структуру білків і з'ясували, що вони побудовані з 20 амінокислот, які з'єднані довгими поліпептидними зв'язками, або ланцюгами.

Хоча до складу білків людського організму входять всі 20 амінокислот, але зовсім обов'язкові для нього тільки 9 з них. Інші, очевидно, виробляються самим організмом.

Характерна риса амінокислот, що втримуються не тільки в людському організмі, але й в інших живих системах (тварин, рослинах і навіть вірусах), полягає в тому, що всі вони є лівообертальними, хоча в принципі існують амінокислоти й правого обертання. Обидві форми таких ізомерів майже однакові між собою й різняться тільки просторовою конфігурацією, і тому кожна з молекул амінокислот є дзеркальним відображенням іншої. Уперше це явище відкрив видатний французький учений Луї Пастер (18221895), досліджуючи будову речовин біологічного походження. Він виявив, що такі речовини здатні відхиляти поляризований промінь і тому є оптично активними, внаслідок чого були згодом названі оптичними ізомерами. На відміну від цього в молекул неорганічних речовин ця здатність відсутня й побудовані вони зовсім симетрично.

На основі своїх досвідів Л. Пастер висловив думку, що найважливішою властивістю всієї живої матерії є їх молекулярна асиметричність, подібна асиметричності лівої й правої рук. Опираючись на цю аналогію, у сучасній науці цю властивість називають молекулярною хіральністью. (Цей термін походить від греч. cheir - рука). Цікаво помітити, що якби людина раптом перетворилася у своє дзеркальне відображення, те його організм функціонував би нормально доти, поки він не став би вживати їжу рослинного або тваринного походження, яку б він не зміг би переварити.

На питання, чому саме живаючи природа вибрала білкові молекули, побудовані з амінокислот лівого обертання, дотепер немає переконливої відповіді. Сам Л. Пастер уважав, що оскільки живе виникає з неживого, те необхідною попередньою умовою для цього процесу повинне стати перетворення симетричних неорганічних молекул в асиметричні. По його припущенню, таке перетворення могло бути викликане різними космічними факторами, зокрема, геомагнітними коливаннями, обертанням Землі, електричними розрядами й т.п. Спроби експериментально перевірити цю гіпотезу не увінчалися успіхом. Тому висловлювалися припущення й про чисто випадковий характер виникнення перших живих молекулярних систем, утворених з амінокислот лівого обертання. Надалі ця особливість могла бути передана в спадщину й закріпитися як невід'ємна властивість всіх живих систем.

Поряд з вивченням структури білка в останні піввіку особливо інтенсивно вивчалися механізми спадковості й відтворення живих систем. Особливо гостро це питання встало перед біологами у зв'язку з визначенням границі між живим і неживим. Більші суперечки виникли навколо природи вірусів, які мають здатність до самовідтворення, але не в 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 віруси не можна назвати живими організмами, але якщо такою властивістю вважати відтворюваність, те їх варто віднести до живих тіл. Так природно виникає питання: які властивості або ознаки характерні для живих систем?

На це питання вчені відповідали по-різному в різні історичні етапи розвитку природознавства залежно від досягнутого рівня досліджень.

Поки не існувало розвинених методів біологічного дослідження й скільки-небудь ясних теоретичних концепцій, сутність живого зводили до наявності якоїсь таємничої «життєвої сили», що відрізняє живе від неживого. Однак таке визначення залишалося чисто негативним, тому що не розкривало ні справжньої причини, ні механізму відмінності живого від неживого, а все зводилося до ірраціональної, непізнаваної і тому таємничої здатності живих організмів. На цій підставі прихильників такого погляду звичайно називають віталістами.

Література

1. Вонсовський С. В. Сучасна природничо-наукова картина 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 природознавства в Європі (з 1300 по 1900 р.). - К., 1999

5.Холтон Дж. Тематичний аналіз науки. - К., 1999