Fasi dell'evoluzione chimica
L'evoluzione chimica è un processo di cambiamenti irreversibili, che porta all'emergere di nuovi composti chimici - prodotti che sono più complessi e altamente organizzati rispetto ai materiali di partenza. Questi processi iniziarono a essere attivamente e deliberatamente investigati negli anni '70. in connessione con lo studio del problema dei processi chimici in costante aumento a un livello che ha contribuito alla nascita della materia vivente sulla Terra. L'interesse per questi processi risale ai tentativi di lunga data di comprendere in che modo l'organico, e quindi la vita, emergono dalla materia inorganica. Il primo a rendersi conto dell'alta ordinanza e dell'efficienza dei processi chimici negli organismi viventi fu il fondatore della chimica organica J.Ya. Berzelius (fine del XVIII - inizi XIX secolo.). Ha trovato che la base dei laboratori di un organismo vivente è la biocatalisi. Grande importanza per l'esperienza catalitica della natura vivente è stata collegata al XX secolo. Quindi, l'accademico N.N. Semenov considerava i processi chimici che avvengono nei tessuti delle piante e degli animali, come una sorta di "produzione chimica" della natura vivente.
Consideriamo brevemente le fasi dell'evoluzione chimica. Probabilmente, dobbiamo ammettere che è iniziato con l'apparizione della portatrice più semplice: l'atomo. Secondo il concetto del Big Bang, gli elementi chimici esistenti sono sorti durante l'evoluzione dell'universo dallo stato superdenso e surriscaldato al mondo moderno di stelle e galassie. Si presume che il primo formi gli atomi più semplici (o meglio i loro nuclei) di idrogeno. Circa 1 secondo dopo il Big Bang, la densità della materia è scesa a 1 tonnellata / cm 3, la temperatura è fino a 100 miliardi di K, e il diametro è cresciuto fino a 1500 miliardi di km. La sostanza era in uno stato di plasma completamente ionizzato costituito da nucleoni (protoni e neutroni) ed elettroni. In altri 10 secondi, quando la temperatura scese a 10 miliardi di K, apparvero le condizioni per la reazione nucleare di formare deuteroni-nuclei di deuterio (idrogeno pesante).
Tuttavia, se questo equilibrio di temperatura di questa reazione è fortemente spostata a sinistra (si sposta verso destra solo quando la temperatura 1 miliardo di K - dopo circa 100 secondi dopo il Big Bang) e deutoni non potevano accumulare dal momento che sono in queste condizioni vengono convertiti in un nucleo di elio (questo schema è abbastanza soddisfacente spiega la quantità di elio nell'universo). Nella fase di sviluppo nuclei materia prestellare di altri elementi chimici non si formano, perché la densità e temperatura riducono rapidamente universo in espansione. Il processo di educazione 4Egli (figura in alto a sinistra - peso atomico, cioè massa atomica, espressa in unità di massa atomica, che è 1/12 della massa di un isotopo carbonio con numero di massa 12 1,6605,655 mila (86) 10 "27 kg), inizio circa . 2 minuti dopo Big Bang, terminato alla fine del 4 ° minuto At raffreddamento universo ad una temperatura di 3500 K (. dopo circa 1 mA) ricombinazione avviene nuclei di elio e le restanti nuclei di idrogeno ed elettroni: atomi di elio formate e idrogeno - la fonte. materiale per gas interstellare e sistemi stellari.
Un'ulteriore sintesi di elementi chimici continua nelle viscere delle stelle con l'aumentare della temperatura. Nel processo di condensazione in una protostella di un gas interstellare costituito da idrogeno ed elio, come risultato della compressione gravitazionale, la temperatura aumenta e diventa possibile la reazione della formazione di elio dall'idrogeno. Questo stadio è caratterizzato da temperature non superiori a 20 106 K.
Dopo i nuclei di elio, i nuclei più stabili sono 12 C e 16 O. L'epoca termonucleare della formazione di tali nuclei (T <100 milioni di K) si verifica dopo che l'idrogeno è stato "bruciato" al primo stadio. In questa epoca, la formazione diretta di carbonio e ossigeno (non di atomi, ma di nuclei) è possibile in nuclei densi bruciati di stelle giganti. Un'ulteriore fusione di nuclei di elio porta alla formazione di 20 Ne, 24 Mg e simili. Una successiva epoca nucleare, quando la temperatura è mantenuta a 1 miliardo di K, è caratterizzata da una "combustione" di carbonio. In questo caso, si formano nuclei fino a 27 Al e 28 Si. Oltre i 30 miliardi di K, i nuclei più pesanti entrano nella reazione, a cominciare dal silicio 32Si. In condizioni in cui i pieghevoli termodinamici di equilibrio elementi sintetizzati fino agli atomi di ferro e chiudere gli elementi di cui nuclei sono i nuclei più stabili. Allo stesso tempo, viene raggiunta l'energia minima dell'intero sistema e i nuclei più pesanti non vengono sintetizzati. Preparazione di elementi con elevato numero atomico viene eseguita da un diverso meccanismo - cattura di neutroni seriale da nuclei e successiva 3 decadimento. In tali processi, il bi- nuclide l81 Bi può essere il più pesante . I nuclei più pesanti 181 Bi, sono sintetizzati durante l'esplosione di nuovi e supernovae in una grande densità di flusso di neutroni, quando possibile cattura di neutroni da nuclei di non uno, ma in gruppi.
È possibile ipotizzare con un alto grado di probabilità che diverse fasi della fusione nucleare siano cambiate nel sistema solare. Confrontando la composizione chimica del Sole e la composizione chimica del materiale stellare può concludere che tutto il processo di fusione nucleare sopra descritto si è verificato nel sistema solare, la massa iniziale formata in questa porzione Star Galaxy superato il critico (pari a 1,44 massa del sole), e si è rivelata essere instabile. Sotto l'influenza dell'attrazione gravitazionale, la protostella fu compressa, la sua temperatura aumentò, fornendo i primi stadi della fusione nucleare. L'energia rilasciata durante questo processo era troppo grande, a seguito della quale si verificò un'esplosione e formò i nuclei degli elementi più pesanti. La massa della stella è diminuita a causa del rilascio di materia. Questo processo è stato ripetuto molte volte, La massa della stella massiccia centrale non è scesa al di sotto del limite critico. Tale meccanismo fornisce un intervallo di tempo sufficiente per l'evoluzione chimica, geologico-geografica e biologica.
Attualmente, molti ricercatori ritengono che i pianeti del sistema solare siano stati formati dalla materia solare espulsa dal Sole, quando divenne una supernova. Il raffreddamento della nebulosa a forma di disco formata attorno al Sole ha permesso di combinare gli atomi in molecole, ad es. La vera evoluzione chimica è iniziata.
Molecole potrebbero essere formati a temperature stellari dove la maggioranza degli atomi esiste sotto forma di ioni (ad esempio, nella corona solare a 1 milione. Con gli atomi di ferro sono ioni Fe 13+ ). molecole biatomiche trovati negli spettri di solo le stelle più fredde, con una temperatura superficiale di 2000-3000 K (ossidi di Al, Mg, Ti, Zr, C, Si e qualche altra molecola biatomica con il legame chimico più durevole). Così nello spazio interstellare ha un gran numero di molecole, tra cui abbastanza complessa. Si presume che la composizione di detta prima molecola corrisponde alla composizione delle molecole, formata a seguito di raffreddamento materia stellare. Trovato e altre molecole, ma in quantità molto più piccole.
Quando la temperatura della nebulosa protoplanetaria è diminuita a 1000-1800 K, hanno iniziato a condensare, vale a dire. diventare liquido e solido, le sostanze più refrattarie, in particolare le goccioline formate di ferro, e successivamente i silicati (sali di acidi silici).
A temperature 400-1000 K, sono stati condensati altri metalli e i loro composti con zolfo e ossigeno. Le goccioline solidificate di materiale di silicato in condri forma (piccoli corpi sferici) formate, apparentemente, durante le successive asteroidi ispessimento pluralità - corpi primari chondrite meteoriti. Si può presumere che, a seguito della differenziazione del gas primario dal vento solare (deflusso plasma corona solare nello spazio interplanetario) ed un gradiente di temperatura atomi degli elementi più leggeri sono stati gettati alla periferia del sistema solare e situato vicino al Sole, del tipo pianeta terra originata condensando più elevata frazione contenuto di ferro elevato.
Il contenuto di componenti volatili, che potrebbero colpire la sostanza planetaria principalmente per adsorbimento sulle particelle di polvere o reazioni chimiche con loro, era molto piccola. Pertanto, il peso del idrosfera della terra è solo 0,024% e l'atmosfera - 0,00009% della massa totale della terra.
Con la formazione della Terra come pianeta, l'evoluzione della Terra ha iniziato a esercitare un effetto sull'evoluzione chimica. Questa influenza è espresso (espressa in questo momento) per modificare la distribuzione della concentrazione di elementi chimici nel corpo della Terra e le sue conchiglie (in atmosfera, l'idrosfera, nucleo manto crosta), e di creare le condizioni (temperatura, pressione) per la formazione di nuove sostanze .
Naturalmente, c'era anche un effetto contrario. La formazione di nuove sostanze e l'emergere di opportunità per nuovi processi chimici hanno causato la formazione di nuove formazioni geologiche, ad esempio rocce sedimentarie. Pertanto, l'evoluzione geologica e chimica procede in larga misura insieme, influenzandosi a vicenda. L'evoluzione chimica ha portato alla nascita della vita. Ciò era dovuto allo sviluppo non di sostanze, ma dei sistemi e processi chimici che si stanno verificando in essi.
Cantano substrati e approcci funzionali per risolvere i problemi di auto-organizzazione dei sistemi chimici prebiologici in quelli biologici. Il risultato dell'approccio del substrato al problema della biogenesi è l'informazione accumulata sulla selezione di elementi e strutture chimiche.
Si ritiene che molti dei 109 elementi chimici scoperti oggi, entrando negli organismi viventi, partecipino alla loro vita. La base dei sistemi viventi sono sei elementi: l'organogeno: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo. La frazione di peso totale di questi elementi negli organismi è di circa il 97,4%. Sono seguiti da altri 12 elementi che prendono parte alla costruzione di molti componenti fisiologicamente importanti dei biosistemi. Questi includono: sodio, potassio, calcio, magnesio, alluminio, ferro, silicio, cloro, rame, zinco, cobalto, nichel. La loro frazione in peso negli organismi è di circa l'1,6%. Circa 20 elementi coinvolti nella costruzione e il funzionamento del strettamente specifico alghe Biosystems esempio la cui composizione è determinata come un mezzo nutriente nota. La partecipazione di tutti gli altri elementi nella costruzione di biosistemi non è praticamente fissa. Allo stesso tempo, ora ci sono più di 5 milioni di composti chimici, di cui il 96% è organico, costituito dai 6-18 elementi elencati. I restanti 90 elementi chimici nelle condizioni della Terra sono solo 300mila composti inorganici.
Gli organismi organogenici più comuni sulla Terra sono l'ossigeno e l'idrogeno. Prevalenza di carbonio, azoto, fosforo e zolfo negli strati superficiali della Terra è circa la stessa ed è generalmente piccolo - circa 0,24% in peso. Allo stesso tempo, siamo in grado di parlare il dominio dell'universo di due elementi - l'idrogeno e l'elio e tutti gli altri elementi per essere considerato come impurezza per loro. Pertanto, le condizioni geochimiche non svolgono un ruolo importante nella selezione degli elementi chimici nella formazione di sistemi biologici e biologici. Determinare i fattori sono i requisiti della corrispondenza tra il materiale da costruzione e le strutture altamente organizzate da cui sono costruiti.
Da un punto di vista chimico, questi requisiti sono ridotti alla selezione di elementi in grado di formare legami forti e ad alta intensità energetica, e le connessioni sono labili. Queste condizioni sono soddisfatte dal carbonio, che è in grado di contenere e trattenere al suo interno gli opposti chimici più rari. Anche l'azoto, il fosforo, lo zolfo come organogeni e il ferro e il magnesio, che costituiscono i centri attivi degli enzimi, hanno una labilità. L'ossigeno e l'idrogeno non sono così labili, ma sono portatori di processi di ossidazione e riduzione.
Proprio come tutti gli elementi chimici, solo sei organogens 10-16 e gli altri elementi della natura selezionati per Scienze Biologiche, e nel corso dell'evoluzione c'era una selezione di composti chimici. Dei milioni di composti organici nella costruzione dei viventi, solo alcune centinaia sono coinvolte. Inoltre, di 100 amminoacidi conosciuti nelle proteine sono 20 e solo quattro nucleotidi di DNA (acido desossiribonucleico - composto ad alto peso molecolare contenuta nei nuclei delle cellule di organismi viventi insieme con le proteine che formano i cromosomi DNA sostanza - il vettore di informazioni genetiche) e RNA (acido ribonucleico - composti macromolecolari coinvolti nell'attuazione delle informazioni genetiche nelle cellule di tutti gli organismi viventi) sono alla base di tutto il complesso degli acidi nucleici polimerici,
Da una gamma così ristretta di sostanze organiche, è stata costruita l'intera diversità del mondo degli animali e delle piante. Si ritiene che quando il periodo di preparazione chimica fu sostituito da un periodo di evoluzione biologica, l'evoluzione chimica in qualche modo si irrigidì. La prova di ciò è il fatto che la composizione di amminoacidi dell'emoglobina dei vertebrati e degli esseri umani più bassi è praticamente la stessa. La composizione degli agenti enzimatici, la composizione delle sostanze accumulate per uso futuro, ecc., Rimangono più o meno le stesse per le diverse specie vegetali.
Uno dei compiti più importanti della scienza è legato alla determinazione del percorso di preparazione chimica, in conseguenza del quale un complesso complesso altamente organizzato, il biosistema, è emerso dal minimo di elementi chimici e composti chimici. E 'importante sapere, al fine di imparare dalla natura (e poi magari andare su di esso) per adattarsi alle loro esigenze "materiali meno organizzata", ad esempio per sintetizzare lo zucchero da C0 2 , CO, H 2 e H 20 e così via. Recenti scoperte scientifiche dimostrano che nel corso dell'evoluzione chimica sono state selezionate quelle strutture che hanno contribuito ad aumentare l'attività e la selettività dell'azione dei gruppi catalitici. La prima e la più semplice struttura sono diversi confini di fase. Servivano come base per l'adsorbimento fisico e chimico, che introduceva l'ordinamento elementare nella disposizione reciproca delle particelle, aumentava la loro concentrazione e agiva come un fattore nella manifestazione dell'effetto catalitico. Il secondo frammento strutturale è considerato come raggruppamenti che forniscono i processi di trasferimento di elettroni e protoni, catene di semiconduttori e strutture responsabili del trasporto dell'idrogeno. La terza struttura, necessaria per i sistemi in evoluzione, sono i gruppi che assolvono il compito di approvvigionamento energetico; Questi includono ossi e ossi, gruppi contenenti fosforo e altri.
Il prossimo frammento di sistemi in evoluzione è una struttura polimerica sviluppata come RNA e DNA. Svolge un certo numero di funzioni inerenti alle strutture di cui sopra e, soprattutto, il ruolo della matrice catalitica, su cui viene eseguita la riproduzione di strutture simili. A questo proposito, richiama l'attenzione su una serie di conclusioni ottenute in vari modi in vari campi della scienza (geologia, geochimica, cosmochimica, termodinamica, cinetica chimica). In primo luogo, si ritiene che nelle prime fasi dell'evoluzione chimica del mondo, la catalisi fosse assente. Le alte temperature (molto più di 5000 K), le scariche elettriche e le radiazioni impediscono la formazione di uno stato condensato e si sovrappongono a quelle parti di energia necessarie per superare le barriere energetiche. Nel - la seconda, manifestazioni di catalisi sono possibili quando le condizioni per la formazione di solidi primari sono ammorbidite. In terzo luogo, il ruolo del catalizzatore è aumentato man mano che le condizioni (principalmente la temperatura) si sono avvicinate a quelle esistenti sulla Terra. Ma il valore totale della catalisi non potrebbe ancora essere alto fino alla formazione di molecole organiche più o meno complesse. In quarto luogo, la comparsa di sistemi relativamente semplici come C3 OH, CH 2 = CH 2 , HC = CH, H 2 CO, HCOOH, HCsN, e più così idrossi acidi, amminoacidi e zuccheri primari, era una preparazione di partenza non catalitica per una grande catalisi. In quinto luogo, il ruolo della catalisi nello sviluppo di sistemi chimici ha cominciato ad aumentare fortemente dopo aver raggiunto lo stato iniziale - un minimo quantitativo noto di composti organici e inorganici. La selezione di composti attivi proveniva da quei prodotti che erano stati ottenuti da un numero relativamente grande di vie chimiche e avevano un ampio spettro catalitico.
Una caratteristica distintiva dell'approccio funzionale al problema dell'evoluzione prebiologica è la concentrazione degli sforzi sullo studio dell'auto-organizzazione dei sistemi materiali, sull'identificazione delle leggi a cui tali processi sono soggetti. Questo approccio è diventato molto popolare tra fisici e matematici, che considerano i processi evolutivi dal punto di vista della cibernetica. Il punto di vista estremo qui è l'affermazione di completa indifferenza verso il materiale dei sistemi evolutivi, quindi i sistemi viventi, fino all'intelletto, possono essere modellati, ad esempio, dai sistemi metallici.
Negli anni '60. AP Rudenko propose una teoria generale dell'evoluzione chimica e della biogenesi. Ha realizzato la sintesi degli aspetti razionali del substrato e degli approcci funzionali. La sua teoria in un complesso risolve domande circa le forze motrici e il meccanismo del processo evolutivo, vale a dire. sulle leggi dell'evoluzione chimica, la selezione di elementi e strutture e il loro condizionamento causale, l'organizzazione chimica e la gerarchia dei sistemi chimici come conseguenza dell'evoluzione. Finora, solo questa teoria può servire come base per la chimica evolutiva come un nuovo sistema concettuale.
L'essenza di questa teoria è l'affermazione che l'evoluzione chimica è un auto-sviluppo di sistemi catalitici e, pertanto, i catalizzatori sono una sostanza in evoluzione. Durante la reazione, si verifica la selezione naturale dei siti catalitici più attivi. Gli stessi centri, la cui variazione è associata ad una diminuzione dell'attività, vengono gradualmente eliminati dal processo cinetico. Quando più catalizzatore irreversibile consecutivo cambia transizione a livelli più alti si accompagna l'evoluzione della reazione basale sia da cambiamenti nella composizione e struttura del catalizzatore, che funzionava all'inizio della reazione e perché frantumazione processo chimico in passi elementari e la comparsa di questi nuovi catalizzatori, che non compaiono catturandoli dall'ambiente esterno, ma attraverso l'autosviluppo.
Rudenko formulato legge fondamentale dell'evoluzione chimica, secondo il quale con la massima velocità e la probabilità di percorsi sono realizzate catalizzatore cambiamenti evolutivi, che provoca il maggior aumento della sua attività assoluto.
Si ritiene che l'autosviluppo, l'autorganizzazione e l'auto-complicazione dei sistemi catalitici siano causati da un flusso costante di energia trasformata. E poiché la principale fonte di energia è la reazione di base, i massimi vantaggi evolutivi sono ottenuti da sistemi catalitici che si sviluppano sulla base di reazioni con la massima affinità (reazioni esotermiche). Pertanto, la reazione di base non è solo una fonte di energia necessaria per il lavoro utile in un sistema che è diretto contro l'equilibrio, ma anche la selezione degli strumenti più avanzati di cambiamenti evolutivi nel catalizzatore.
La teoria dell'autosviluppo di sistemi catalitici aperti ha una serie di conseguenze importanti. In primo luogo, è possibile classificare le fasi di evoluzione chimica, e su questa base per classificare i catalizzatori base al loro livello di organizzazione come segue: cristalli, vicino al ideale - cristalli reali dopo cristallizzazione - Mostra cristalli con l'inclusione di impurità dall'ambito di reazioni - cristalli solidi con chemisorbimento-Rowan complessi - sistemi catalitici omogenei - sistemi microeterogenei e colloidali.
In secondo luogo, appare un metodo fondamentalmente nuovo per studiare la catalisi come un fenomeno dinamico associato al cambiamento dei catalizzatori durante le reazioni.
In terzo luogo, una caratteristica specifica dei limiti dell'evoluzione chimica e del passaggio dalla chemogenesi alla biogenesi viene data come risultato del superamento del cosiddetto secondo limite cinetico di autosviluppo di sistemi catalitici.
Al momento attuale, sta acquisendo una nuova direzione, che amplia la nozione dell'evoluzione dei sistemi chimici - cinetica non stazionaria, che si occupa della teoria del controllo dei processi non stazionari. Lo sviluppo della conoscenza chimica ci permette di sperare di risolvere molti dei problemi che l'umanità deve affrontare: una significativa accelerazione delle trasformazioni chimiche in condizioni "morbide"; implementazione di nuovi processi, energeticamente impediti, accoppiando reazioni endo- ed esotermiche; la possibilità di risparmiare materie prime di idrocarburi e il passaggio dal petrolio al carbone è una fonte più comune di materie prime. La chimica ha reali prerequisiti per modellare e intensificare la fotosintesi; fotolisi dell'acqua per produrre idrogeno come combustibile più efficiente ed ecocompatibile; sintesi industriale a base di anidride carbonica una vasta gamma di prodotti organici, principalmente metanolo, etanolo, formaldeide e acido formico; sintesi industriale di numerosi materiali fluoro. Oggi le condizioni per la creazione di produzioni industriali a basso consumo di rifiuti e di risparmio energetico sono mature.
Processi simili si verificano durante l'auto-organizzazione di organismi multicellulari. Anche qui i processi di auto-organizzazione si basano sulla comunicazione di elementi e sulla formazione di regolatori aggiuntivi. Negli organismi multicellulari, l'assemblaggio viene effettuato utilizzando due sistemi di comunicazione: il nervoso e l'ormonale. Le piante hanno solo un sistema ormonale. Alcuni autori osservano che "come risultato dell'interazione delle informazioni tra gli elementi, si formano le cooperazioni cellulari ei tessuti". Le cellule vengono combinate nel tessuto con l'aiuto di vari meccanismi: "attaccamento" e "comunicazione". L'organizzazione dei tessuti è associata alla presenza nelle cellule dello scambio di informazioni, che si ottiene con il rilascio di cellule di sostanze chimiche che svolgono la funzione di segnali per altre cellule,
Pertanto, l'auto-organizzazione degli organismi e degli organi biologici è pienamente spiegata dai processi di comunicazione, interazione, assemblaggio e regolazione senza la partecipazione di processi sinergici.
risultati
Analizzando i processi di auto-organizzazione a vari livelli di organizzazione della materia, possiamo trarre le seguenti conclusioni.
Primo, il principio più comune dell'auto-organizzazione è la creazione di strutture più stabili basate su strutture meno stabili. Questo principio funziona sia per la materia vivente che per quella non vivente. Le principali forze motrici (meccanismi) sono autoassemblaggio (selezione composto e sintesi, elementi di integrazione) e selezione naturale, creando così un più organizzati, composti più stabili e sufficientemente decadimento strutture stabili. Come si può vedere, questo principio è ben lungi dall'essere l'idea di base di sinergica auto-organizzazione considerata come un processo di sistemi non in equilibrio aperti.
In secondo luogo, una condizione necessaria per l'auto-organizzazione è la comunicazione tra elementi (o aggregati), da cui l'organizzazione "auto-assemblaggio" viene eseguita. La comunicazione si basa su diversi canali di trasferimento delle informazioni principali:
- attraverso il contatto diretto degli elementi originali (o aggregati);
- tramite segnali chimici distanti (comuni nello spazio);
- dalla percezione delle onde elettromagnetiche o di altri campi fisici;
- attraverso le onde sonore, che è particolarmente caratteristico degli animali superiori (canale acustico), e anche attraverso la comunicazione non verbale.
In terzo luogo, il processo di auto-organizzazione dipende dalle caratteristiche di "costruzione" materiale "utilizzato nel montaggio di organizzazioni. Così, con l'avvento di una proteina avente la proprietà di selettivamente rispondere agli stimoli, è possibile "raccogliere" l'organizzazione biologica, molto più complesso di quanto i prodotti chimici e composti che preservano l'integrità e la stabilità dai legami covalenti tra gli atomi. A questo proposito, non si può dimenticare A. Bogdanov, che, confrontando il cristallo con sistemi sociali e biologici, ha scritto: "Crystal conserva e mantiene la sua integrità a causa di vincoli fisici nel reticolo cristallino. Il sistema socio-biologico mantiene e mantiene la sua integrità attraverso la capacità di attività intelligente ".
Quarto, la condizione necessaria per l'auto-organizzazione delle organizzazioni biologiche e sociali è l'emergere (nel processo di comunicazione tra elementi o aggregati) di regolatori speciali, grazie ai quali è garantita l'integrità e la stabilità dell'organizzazione.
Come vediamo, questi principi di auto-organizzazione della materia vivente e inanimata, derivati dall'analisi della letteratura scientifica e dalla ricerca dell'autore, non usano né l'apparato concettuale categoriale né le idee di sinergetica e teoria dei sistemi. Semplicemente non ne hanno bisogno.
Consideriamo brevemente le fasi dell'evoluzione chimica. Probabilmente, dobbiamo ammettere che è iniziato con l'apparizione della portatrice più semplice: l'atomo. Secondo il concetto del Big Bang, gli elementi chimici esistenti sono sorti durante l'evoluzione dell'universo dallo stato superdenso e surriscaldato al mondo moderno di stelle e galassie. Si presume che il primo formi gli atomi più semplici (o meglio i loro nuclei) di idrogeno. Circa 1 secondo dopo il Big Bang, la densità della materia è scesa a 1 tonnellata / cm 3, la temperatura è fino a 100 miliardi di K, e il diametro è cresciuto fino a 1500 miliardi di km. La sostanza era in uno stato di plasma completamente ionizzato costituito da nucleoni (protoni e neutroni) ed elettroni. In altri 10 secondi, quando la temperatura scese a 10 miliardi di K, apparvero le condizioni per la reazione nucleare di formare deuteroni-nuclei di deuterio (idrogeno pesante).
Tuttavia, se questo equilibrio di temperatura di questa reazione è fortemente spostata a sinistra (si sposta verso destra solo quando la temperatura 1 miliardo di K - dopo circa 100 secondi dopo il Big Bang) e deutoni non potevano accumulare dal momento che sono in queste condizioni vengono convertiti in un nucleo di elio (questo schema è abbastanza soddisfacente spiega la quantità di elio nell'universo). Nella fase di sviluppo nuclei materia prestellare di altri elementi chimici non si formano, perché la densità e temperatura riducono rapidamente universo in espansione. Il processo di educazione 4Egli (figura in alto a sinistra - peso atomico, cioè massa atomica, espressa in unità di massa atomica, che è 1/12 della massa di un isotopo carbonio con numero di massa 12 1,6605,655 mila (86) 10 "27 kg), inizio circa . 2 minuti dopo Big Bang, terminato alla fine del 4 ° minuto At raffreddamento universo ad una temperatura di 3500 K (. dopo circa 1 mA) ricombinazione avviene nuclei di elio e le restanti nuclei di idrogeno ed elettroni: atomi di elio formate e idrogeno - la fonte. materiale per gas interstellare e sistemi stellari.
Un'ulteriore sintesi di elementi chimici continua nelle viscere delle stelle con l'aumentare della temperatura. Nel processo di condensazione in una protostella di un gas interstellare costituito da idrogeno ed elio, come risultato della compressione gravitazionale, la temperatura aumenta e diventa possibile la reazione della formazione di elio dall'idrogeno. Questo stadio è caratterizzato da temperature non superiori a 20 106 K.
Dopo i nuclei di elio, i nuclei più stabili sono 12 C e 16 O. L'epoca termonucleare della formazione di tali nuclei (T <100 milioni di K) si verifica dopo che l'idrogeno è stato "bruciato" al primo stadio. In questa epoca, la formazione diretta di carbonio e ossigeno (non di atomi, ma di nuclei) è possibile in nuclei densi bruciati di stelle giganti. Un'ulteriore fusione di nuclei di elio porta alla formazione di 20 Ne, 24 Mg e simili. Una successiva epoca nucleare, quando la temperatura è mantenuta a 1 miliardo di K, è caratterizzata da una "combustione" di carbonio. In questo caso, si formano nuclei fino a 27 Al e 28 Si. Oltre i 30 miliardi di K, i nuclei più pesanti entrano nella reazione, a cominciare dal silicio 32Si. In condizioni in cui i pieghevoli termodinamici di equilibrio elementi sintetizzati fino agli atomi di ferro e chiudere gli elementi di cui nuclei sono i nuclei più stabili. Allo stesso tempo, viene raggiunta l'energia minima dell'intero sistema e i nuclei più pesanti non vengono sintetizzati. Preparazione di elementi con elevato numero atomico viene eseguita da un diverso meccanismo - cattura di neutroni seriale da nuclei e successiva 3 decadimento. In tali processi, il bi- nuclide l81 Bi può essere il più pesante . I nuclei più pesanti 181 Bi, sono sintetizzati durante l'esplosione di nuovi e supernovae in una grande densità di flusso di neutroni, quando possibile cattura di neutroni da nuclei di non uno, ma in gruppi.
È possibile ipotizzare con un alto grado di probabilità che diverse fasi della fusione nucleare siano cambiate nel sistema solare. Confrontando la composizione chimica del Sole e la composizione chimica del materiale stellare può concludere che tutto il processo di fusione nucleare sopra descritto si è verificato nel sistema solare, la massa iniziale formata in questa porzione Star Galaxy superato il critico (pari a 1,44 massa del sole), e si è rivelata essere instabile. Sotto l'influenza dell'attrazione gravitazionale, la protostella fu compressa, la sua temperatura aumentò, fornendo i primi stadi della fusione nucleare. L'energia rilasciata durante questo processo era troppo grande, a seguito della quale si verificò un'esplosione e formò i nuclei degli elementi più pesanti. La massa della stella è diminuita a causa del rilascio di materia. Questo processo è stato ripetuto molte volte, La massa della stella massiccia centrale non è scesa al di sotto del limite critico. Tale meccanismo fornisce un intervallo di tempo sufficiente per l'evoluzione chimica, geologico-geografica e biologica.
Attualmente, molti ricercatori ritengono che i pianeti del sistema solare siano stati formati dalla materia solare espulsa dal Sole, quando divenne una supernova. Il raffreddamento della nebulosa a forma di disco formata attorno al Sole ha permesso di combinare gli atomi in molecole, ad es. La vera evoluzione chimica è iniziata.
Molecole potrebbero essere formati a temperature stellari dove la maggioranza degli atomi esiste sotto forma di ioni (ad esempio, nella corona solare a 1 milione. Con gli atomi di ferro sono ioni Fe 13+ ). molecole biatomiche trovati negli spettri di solo le stelle più fredde, con una temperatura superficiale di 2000-3000 K (ossidi di Al, Mg, Ti, Zr, C, Si e qualche altra molecola biatomica con il legame chimico più durevole). Così nello spazio interstellare ha un gran numero di molecole, tra cui abbastanza complessa. Si presume che la composizione di detta prima molecola corrisponde alla composizione delle molecole, formata a seguito di raffreddamento materia stellare. Trovato e altre molecole, ma in quantità molto più piccole.
Quando la temperatura della nebulosa protoplanetaria è diminuita a 1000-1800 K, hanno iniziato a condensare, vale a dire. diventare liquido e solido, le sostanze più refrattarie, in particolare le goccioline formate di ferro, e successivamente i silicati (sali di acidi silici).
A temperature 400-1000 K, sono stati condensati altri metalli e i loro composti con zolfo e ossigeno. Le goccioline solidificate di materiale di silicato in condri forma (piccoli corpi sferici) formate, apparentemente, durante le successive asteroidi ispessimento pluralità - corpi primari chondrite meteoriti. Si può presumere che, a seguito della differenziazione del gas primario dal vento solare (deflusso plasma corona solare nello spazio interplanetario) ed un gradiente di temperatura atomi degli elementi più leggeri sono stati gettati alla periferia del sistema solare e situato vicino al Sole, del tipo pianeta terra originata condensando più elevata frazione contenuto di ferro elevato.
Il contenuto di componenti volatili, che potrebbero colpire la sostanza planetaria principalmente per adsorbimento sulle particelle di polvere o reazioni chimiche con loro, era molto piccola. Pertanto, il peso del idrosfera della terra è solo 0,024% e l'atmosfera - 0,00009% della massa totale della terra.
Con la formazione della Terra come pianeta, l'evoluzione della Terra ha iniziato a esercitare un effetto sull'evoluzione chimica. Questa influenza è espresso (espressa in questo momento) per modificare la distribuzione della concentrazione di elementi chimici nel corpo della Terra e le sue conchiglie (in atmosfera, l'idrosfera, nucleo manto crosta), e di creare le condizioni (temperatura, pressione) per la formazione di nuove sostanze .
Naturalmente, c'era anche un effetto contrario. La formazione di nuove sostanze e l'emergere di opportunità per nuovi processi chimici hanno causato la formazione di nuove formazioni geologiche, ad esempio rocce sedimentarie. Pertanto, l'evoluzione geologica e chimica procede in larga misura insieme, influenzandosi a vicenda. L'evoluzione chimica ha portato alla nascita della vita. Ciò era dovuto allo sviluppo non di sostanze, ma dei sistemi e processi chimici che si stanno verificando in essi.
Cantano substrati e approcci funzionali per risolvere i problemi di auto-organizzazione dei sistemi chimici prebiologici in quelli biologici. Il risultato dell'approccio del substrato al problema della biogenesi è l'informazione accumulata sulla selezione di elementi e strutture chimiche.
Si ritiene che molti dei 109 elementi chimici scoperti oggi, entrando negli organismi viventi, partecipino alla loro vita. La base dei sistemi viventi sono sei elementi: l'organogeno: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo. La frazione di peso totale di questi elementi negli organismi è di circa il 97,4%. Sono seguiti da altri 12 elementi che prendono parte alla costruzione di molti componenti fisiologicamente importanti dei biosistemi. Questi includono: sodio, potassio, calcio, magnesio, alluminio, ferro, silicio, cloro, rame, zinco, cobalto, nichel. La loro frazione in peso negli organismi è di circa l'1,6%. Circa 20 elementi coinvolti nella costruzione e il funzionamento del strettamente specifico alghe Biosystems esempio la cui composizione è determinata come un mezzo nutriente nota. La partecipazione di tutti gli altri elementi nella costruzione di biosistemi non è praticamente fissa. Allo stesso tempo, ora ci sono più di 5 milioni di composti chimici, di cui il 96% è organico, costituito dai 6-18 elementi elencati. I restanti 90 elementi chimici nelle condizioni della Terra sono solo 300mila composti inorganici.
Gli organismi organogenici più comuni sulla Terra sono l'ossigeno e l'idrogeno. Prevalenza di carbonio, azoto, fosforo e zolfo negli strati superficiali della Terra è circa la stessa ed è generalmente piccolo - circa 0,24% in peso. Allo stesso tempo, siamo in grado di parlare il dominio dell'universo di due elementi - l'idrogeno e l'elio e tutti gli altri elementi per essere considerato come impurezza per loro. Pertanto, le condizioni geochimiche non svolgono un ruolo importante nella selezione degli elementi chimici nella formazione di sistemi biologici e biologici. Determinare i fattori sono i requisiti della corrispondenza tra il materiale da costruzione e le strutture altamente organizzate da cui sono costruiti.
Da un punto di vista chimico, questi requisiti sono ridotti alla selezione di elementi in grado di formare legami forti e ad alta intensità energetica, e le connessioni sono labili. Queste condizioni sono soddisfatte dal carbonio, che è in grado di contenere e trattenere al suo interno gli opposti chimici più rari. Anche l'azoto, il fosforo, lo zolfo come organogeni e il ferro e il magnesio, che costituiscono i centri attivi degli enzimi, hanno una labilità. L'ossigeno e l'idrogeno non sono così labili, ma sono portatori di processi di ossidazione e riduzione.
Proprio come tutti gli elementi chimici, solo sei organogens 10-16 e gli altri elementi della natura selezionati per Scienze Biologiche, e nel corso dell'evoluzione c'era una selezione di composti chimici. Dei milioni di composti organici nella costruzione dei viventi, solo alcune centinaia sono coinvolte. Inoltre, di 100 amminoacidi conosciuti nelle proteine sono 20 e solo quattro nucleotidi di DNA (acido desossiribonucleico - composto ad alto peso molecolare contenuta nei nuclei delle cellule di organismi viventi insieme con le proteine che formano i cromosomi DNA sostanza - il vettore di informazioni genetiche) e RNA (acido ribonucleico - composti macromolecolari coinvolti nell'attuazione delle informazioni genetiche nelle cellule di tutti gli organismi viventi) sono alla base di tutto il complesso degli acidi nucleici polimerici,
Da una gamma così ristretta di sostanze organiche, è stata costruita l'intera diversità del mondo degli animali e delle piante. Si ritiene che quando il periodo di preparazione chimica fu sostituito da un periodo di evoluzione biologica, l'evoluzione chimica in qualche modo si irrigidì. La prova di ciò è il fatto che la composizione di amminoacidi dell'emoglobina dei vertebrati e degli esseri umani più bassi è praticamente la stessa. La composizione degli agenti enzimatici, la composizione delle sostanze accumulate per uso futuro, ecc., Rimangono più o meno le stesse per le diverse specie vegetali.
Uno dei compiti più importanti della scienza è legato alla determinazione del percorso di preparazione chimica, in conseguenza del quale un complesso complesso altamente organizzato, il biosistema, è emerso dal minimo di elementi chimici e composti chimici. E 'importante sapere, al fine di imparare dalla natura (e poi magari andare su di esso) per adattarsi alle loro esigenze "materiali meno organizzata", ad esempio per sintetizzare lo zucchero da C0 2 , CO, H 2 e H 20 e così via. Recenti scoperte scientifiche dimostrano che nel corso dell'evoluzione chimica sono state selezionate quelle strutture che hanno contribuito ad aumentare l'attività e la selettività dell'azione dei gruppi catalitici. La prima e la più semplice struttura sono diversi confini di fase. Servivano come base per l'adsorbimento fisico e chimico, che introduceva l'ordinamento elementare nella disposizione reciproca delle particelle, aumentava la loro concentrazione e agiva come un fattore nella manifestazione dell'effetto catalitico. Il secondo frammento strutturale è considerato come raggruppamenti che forniscono i processi di trasferimento di elettroni e protoni, catene di semiconduttori e strutture responsabili del trasporto dell'idrogeno. La terza struttura, necessaria per i sistemi in evoluzione, sono i gruppi che assolvono il compito di approvvigionamento energetico; Questi includono ossi e ossi, gruppi contenenti fosforo e altri.
Il prossimo frammento di sistemi in evoluzione è una struttura polimerica sviluppata come RNA e DNA. Svolge un certo numero di funzioni inerenti alle strutture di cui sopra e, soprattutto, il ruolo della matrice catalitica, su cui viene eseguita la riproduzione di strutture simili. A questo proposito, richiama l'attenzione su una serie di conclusioni ottenute in vari modi in vari campi della scienza (geologia, geochimica, cosmochimica, termodinamica, cinetica chimica). In primo luogo, si ritiene che nelle prime fasi dell'evoluzione chimica del mondo, la catalisi fosse assente. Le alte temperature (molto più di 5000 K), le scariche elettriche e le radiazioni impediscono la formazione di uno stato condensato e si sovrappongono a quelle parti di energia necessarie per superare le barriere energetiche. Nel - la seconda, manifestazioni di catalisi sono possibili quando le condizioni per la formazione di solidi primari sono ammorbidite. In terzo luogo, il ruolo del catalizzatore è aumentato man mano che le condizioni (principalmente la temperatura) si sono avvicinate a quelle esistenti sulla Terra. Ma il valore totale della catalisi non potrebbe ancora essere alto fino alla formazione di molecole organiche più o meno complesse. In quarto luogo, la comparsa di sistemi relativamente semplici come C3 OH, CH 2 = CH 2 , HC = CH, H 2 CO, HCOOH, HCsN, e più così idrossi acidi, amminoacidi e zuccheri primari, era una preparazione di partenza non catalitica per una grande catalisi. In quinto luogo, il ruolo della catalisi nello sviluppo di sistemi chimici ha cominciato ad aumentare fortemente dopo aver raggiunto lo stato iniziale - un minimo quantitativo noto di composti organici e inorganici. La selezione di composti attivi proveniva da quei prodotti che erano stati ottenuti da un numero relativamente grande di vie chimiche e avevano un ampio spettro catalitico.
Una caratteristica distintiva dell'approccio funzionale al problema dell'evoluzione prebiologica è la concentrazione degli sforzi sullo studio dell'auto-organizzazione dei sistemi materiali, sull'identificazione delle leggi a cui tali processi sono soggetti. Questo approccio è diventato molto popolare tra fisici e matematici, che considerano i processi evolutivi dal punto di vista della cibernetica. Il punto di vista estremo qui è l'affermazione di completa indifferenza verso il materiale dei sistemi evolutivi, quindi i sistemi viventi, fino all'intelletto, possono essere modellati, ad esempio, dai sistemi metallici.
Negli anni '60. AP Rudenko propose una teoria generale dell'evoluzione chimica e della biogenesi. Ha realizzato la sintesi degli aspetti razionali del substrato e degli approcci funzionali. La sua teoria in un complesso risolve domande circa le forze motrici e il meccanismo del processo evolutivo, vale a dire. sulle leggi dell'evoluzione chimica, la selezione di elementi e strutture e il loro condizionamento causale, l'organizzazione chimica e la gerarchia dei sistemi chimici come conseguenza dell'evoluzione. Finora, solo questa teoria può servire come base per la chimica evolutiva come un nuovo sistema concettuale.
L'essenza di questa teoria è l'affermazione che l'evoluzione chimica è un auto-sviluppo di sistemi catalitici e, pertanto, i catalizzatori sono una sostanza in evoluzione. Durante la reazione, si verifica la selezione naturale dei siti catalitici più attivi. Gli stessi centri, la cui variazione è associata ad una diminuzione dell'attività, vengono gradualmente eliminati dal processo cinetico. Quando più catalizzatore irreversibile consecutivo cambia transizione a livelli più alti si accompagna l'evoluzione della reazione basale sia da cambiamenti nella composizione e struttura del catalizzatore, che funzionava all'inizio della reazione e perché frantumazione processo chimico in passi elementari e la comparsa di questi nuovi catalizzatori, che non compaiono catturandoli dall'ambiente esterno, ma attraverso l'autosviluppo.
Rudenko formulato legge fondamentale dell'evoluzione chimica, secondo il quale con la massima velocità e la probabilità di percorsi sono realizzate catalizzatore cambiamenti evolutivi, che provoca il maggior aumento della sua attività assoluto.
Si ritiene che l'autosviluppo, l'autorganizzazione e l'auto-complicazione dei sistemi catalitici siano causati da un flusso costante di energia trasformata. E poiché la principale fonte di energia è la reazione di base, i massimi vantaggi evolutivi sono ottenuti da sistemi catalitici che si sviluppano sulla base di reazioni con la massima affinità (reazioni esotermiche). Pertanto, la reazione di base non è solo una fonte di energia necessaria per il lavoro utile in un sistema che è diretto contro l'equilibrio, ma anche la selezione degli strumenti più avanzati di cambiamenti evolutivi nel catalizzatore.
La teoria dell'autosviluppo di sistemi catalitici aperti ha una serie di conseguenze importanti. In primo luogo, è possibile classificare le fasi di evoluzione chimica, e su questa base per classificare i catalizzatori base al loro livello di organizzazione come segue: cristalli, vicino al ideale - cristalli reali dopo cristallizzazione - Mostra cristalli con l'inclusione di impurità dall'ambito di reazioni - cristalli solidi con chemisorbimento-Rowan complessi - sistemi catalitici omogenei - sistemi microeterogenei e colloidali.
In secondo luogo, appare un metodo fondamentalmente nuovo per studiare la catalisi come un fenomeno dinamico associato al cambiamento dei catalizzatori durante le reazioni.
In terzo luogo, una caratteristica specifica dei limiti dell'evoluzione chimica e del passaggio dalla chemogenesi alla biogenesi viene data come risultato del superamento del cosiddetto secondo limite cinetico di autosviluppo di sistemi catalitici.
Al momento attuale, sta acquisendo una nuova direzione, che amplia la nozione dell'evoluzione dei sistemi chimici - cinetica non stazionaria, che si occupa della teoria del controllo dei processi non stazionari. Lo sviluppo della conoscenza chimica ci permette di sperare di risolvere molti dei problemi che l'umanità deve affrontare: una significativa accelerazione delle trasformazioni chimiche in condizioni "morbide"; implementazione di nuovi processi, energeticamente impediti, accoppiando reazioni endo- ed esotermiche; la possibilità di risparmiare materie prime di idrocarburi e il passaggio dal petrolio al carbone è una fonte più comune di materie prime. La chimica ha reali prerequisiti per modellare e intensificare la fotosintesi; fotolisi dell'acqua per produrre idrogeno come combustibile più efficiente ed ecocompatibile; sintesi industriale a base di anidride carbonica una vasta gamma di prodotti organici, principalmente metanolo, etanolo, formaldeide e acido formico; sintesi industriale di numerosi materiali fluoro. Oggi le condizioni per la creazione di produzioni industriali a basso consumo di rifiuti e di risparmio energetico sono mature.
Processi simili si verificano durante l'auto-organizzazione di organismi multicellulari. Anche qui i processi di auto-organizzazione si basano sulla comunicazione di elementi e sulla formazione di regolatori aggiuntivi. Negli organismi multicellulari, l'assemblaggio viene effettuato utilizzando due sistemi di comunicazione: il nervoso e l'ormonale. Le piante hanno solo un sistema ormonale. Alcuni autori osservano che "come risultato dell'interazione delle informazioni tra gli elementi, si formano le cooperazioni cellulari ei tessuti". Le cellule vengono combinate nel tessuto con l'aiuto di vari meccanismi: "attaccamento" e "comunicazione". L'organizzazione dei tessuti è associata alla presenza nelle cellule dello scambio di informazioni, che si ottiene con il rilascio di cellule di sostanze chimiche che svolgono la funzione di segnali per altre cellule,
Pertanto, l'auto-organizzazione degli organismi e degli organi biologici è pienamente spiegata dai processi di comunicazione, interazione, assemblaggio e regolazione senza la partecipazione di processi sinergici.
risultati
Analizzando i processi di auto-organizzazione a vari livelli di organizzazione della materia, possiamo trarre le seguenti conclusioni.
Primo, il principio più comune dell'auto-organizzazione è la creazione di strutture più stabili basate su strutture meno stabili. Questo principio funziona sia per la materia vivente che per quella non vivente. Le principali forze motrici (meccanismi) sono autoassemblaggio (selezione composto e sintesi, elementi di integrazione) e selezione naturale, creando così un più organizzati, composti più stabili e sufficientemente decadimento strutture stabili. Come si può vedere, questo principio è ben lungi dall'essere l'idea di base di sinergica auto-organizzazione considerata come un processo di sistemi non in equilibrio aperti.
In secondo luogo, una condizione necessaria per l'auto-organizzazione è la comunicazione tra elementi (o aggregati), da cui l'organizzazione "auto-assemblaggio" viene eseguita. La comunicazione si basa su diversi canali di trasferimento delle informazioni principali:
- attraverso il contatto diretto degli elementi originali (o aggregati);
- tramite segnali chimici distanti (comuni nello spazio);
- dalla percezione delle onde elettromagnetiche o di altri campi fisici;
- attraverso le onde sonore, che è particolarmente caratteristico degli animali superiori (canale acustico), e anche attraverso la comunicazione non verbale.
In terzo luogo, il processo di auto-organizzazione dipende dalle caratteristiche di "costruzione" materiale "utilizzato nel montaggio di organizzazioni. Così, con l'avvento di una proteina avente la proprietà di selettivamente rispondere agli stimoli, è possibile "raccogliere" l'organizzazione biologica, molto più complesso di quanto i prodotti chimici e composti che preservano l'integrità e la stabilità dai legami covalenti tra gli atomi. A questo proposito, non si può dimenticare A. Bogdanov, che, confrontando il cristallo con sistemi sociali e biologici, ha scritto: "Crystal conserva e mantiene la sua integrità a causa di vincoli fisici nel reticolo cristallino. Il sistema socio-biologico mantiene e mantiene la sua integrità attraverso la capacità di attività intelligente ".
Quarto, la condizione necessaria per l'auto-organizzazione delle organizzazioni biologiche e sociali è l'emergere (nel processo di comunicazione tra elementi o aggregati) di regolatori speciali, grazie ai quali è garantita l'integrità e la stabilità dell'organizzazione.
Come vediamo, questi principi di auto-organizzazione della materia vivente e inanimata, derivati dall'analisi della letteratura scientifica e dalla ricerca dell'autore, non usano né l'apparato concettuale categoriale né le idee di sinergetica e teoria dei sistemi. Semplicemente non ne hanno bisogno.
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