|
Оглавление
Введение
Проблема возникновения на Земле сложного органического мира, вплоть до появления процессов, которые определяют саму возможность феномена жизни, является одной из интереснейших в общем направлении познания окружающего мира. Феномен жизни давно привлекал внимание ученых разных специальностей. Достаточно сослаться на классическую работу Э. Шредингера [1] и на монографию Э. М. Галимова [2]. Конечно, отправляясь только от фундаментальных положений физики, нельзя объяснить все разнообразие того, что обычно связывается с понятием "жизнь" (особенно ее высших форм). Однако этапы эволюции, в конечном счете и приведшие к возникновению жизни, явно шли от простого к сложному и с неизбежностью включали этап появления принципиально необходимых для жизни свойств уже на уровне микромира. Современная наука выделяет в общей стреле эволюции следующие стадии: электромагнитное поле ® элементарные частицы ® атомы ® простейшие молекулы ® многоатомные молекулы ® биомолекулы ® конденсированное вещество и т. д. Для этого имеются веские основания. Есть некоторые прямые экспериментальные подтверждения (реликтовое излучение) того, что все началось с так называемого Большого взрыва и появления электромагнитного поля. Экспериментальный факт, сопровождающийся сейчас хорошо развитой теорией, показывает, что при большой плотности энергии в электромагнитном излучении происходят процессы рождения и уничтожения элементарных частиц. Следующий этап развития материи – образование ядер и появление электронно-ядерной плазмы – также обосновывается современной физической теорией. При охлаждении плазмы образуются атомы. Неизбежность образования более сложных структур (молекул) в тех случаях, когда имеются плотные сгустки атомов, также доказана современной теоретической физикой Показано [3–5], что находящиеся близко друг к другу совокупности ядер и электронов при наличии только кулоновского взаимодействия могут образовывать стационарные системы, которые и получили название молекул. Обратим внимание на очень интересное, но далеко не всегда отмечаемое обстоятельство. До этого момента установлена, если так можно сказать, непрерывная логическая теоретическая связь, которая и приводит к заключению о том, что появление молекулярного мира есть закономерная эволюционная стадия развития материи Астрофизические наблюдения минувшего века позволили обнаружить в открытом космосе большое число свободных молекул разного строения, в т. ч. и аминокислот. Всего на сегодняшний день известно больше 300 соединений размером до 40 атомов. Следовательно, теоретические построения четко коррелируют с разнообразными экспериментами. Ясно, однако, что на уровне существования только атомов и простейших молекул феномен жизни возникнуть не мог. Необходимо появление гораздо более крупных образований. При этом прежде всего требуется объяснить некоторые важнейшие для понимания эволюции живой природы закономерности. Сформулируем те из них, которые желательно обосновать в первую очередь. 1. Появление характерных особенностей того, что мы называем жизнью, только в крупных молекулах. Или, другими словами, необходимость не просто увеличения числа молекулярных объектов, но их существенного усложнения для того, чтобы получить новое качество. 2. Процесс усложнения объектов не должен требовать радикальных, скачкообразно возрастающих затрат внешней энергии. 3. Определяющие сам факт жизни реакции (химические реакции репликации) происходят при невысоких энергетических возбуждениях. 4. Сложные внутримолекулярные процессы, например фотосинтез, связаны с разделением приемника внешней энергии и реакционного центра. 5. Возможность накопления энергии и скачкообразного ее выделения и, следовательно, скачка мощности. Отметим один принципиальный момент, на который обычно не обращается внимание. Сборка молекул из атомов возможна тогда, когда подходящая совокупность атомов группируется в достаточно малом пространстве. Это соответствует плотной электронно-ядерной плазме. Переход в молекулярное состояние начинается только тогда, когда температура плазмы уменьшается. Следовательно, не только не вводится внешняя энергия в систему, но наоборот – энергия убывает в области пространства, где происходит "молекулообразование". Уже при рассмотрении этапа генерации молекулярных структур с учетом их многообразия при одном и том же атомном составе возникает вопрос: является ли появление любой из изомерных форм результатом случайности или уже на ранней стадии проявляются закономерности, приводящие к детерминированности развития всего процесса? В самом деле, ясно, что при равновероятных путях генерации молекулярных образований из сгустков плазмы время образования "полезных для жизни" молекулярных структур будет столь велико, что от первичного взрыва до человека пройдет целая вечность, на порядки величин превосходящая имеющиеся оценки этого периода. Отсюда следует, что должен существовать какой-то отбор. Наличие такого отбора явно просматривается, если обратиться к результатам генерации изомерных форм по заданной брутто-формуле и наложенным ограничениям. Соответствующая теория и компьютерная техника давно разработаны и широко используются в экспертных системах [6]. Есть все основания считать, что если процесс генерации структур идет так, что новые изомерные формы образуются не просто из атомов, а уже из достаточно крупных и структурированных объектов, то разнообразие получаемых форм резко уменьшается Другими словами, процесс "молекулообразования" должен быть существенно более быстрым (более высокая вероятность), чем при генерации структур просто из атомов, и должен иметь ярко выраженный детерминированный характер (уменьшение вариабельности – числа возможных структур). Современные методы позволяют даже смоделировать эту особенность. Ниже мы рассмотрим, как это отражается на поведении энтропии, а здесь только укажем, что степень разнообразия растет не так быстро, как это было бы при равновероятном образовании изомерных молекулярных форм из сгустка плазмы. Это в свою очередь уменьшает интенсивность потока негэнтропии и приближает закономерность изменения энтропии к отвечающей линейным процессам. Как известно, все процессы в молекулах сводятся всего к трем типам: внутримолекулярные, при которых только поглощается или излучается энергия в виде электромагнитных волн (потока квантов); процессы структурной изомеризации; реакции синтеза (присоединения) и разложения. Молекулярные структуры, постепенно усложняясь, и привели к появлению качественно нового мира – мира живых существ. Принципиально важно поэтому попытаться выяснить, какие важнейшие свойства уже сравнительно простых молекул при дальнейшем усложнении структур могли привести к появлению первых признаков жизненных процессов. Этому и посвящена настоящая книга. Все последующие выводы основаны на теории молекулярных процессов, детальное изложение которой дано в монографии [7]. Эта теория базируется на небольшом числе фундаментальных положений. Перечислим некоторые. 1. Локализованная в ограниченном пространстве совокупность атомов может находиться в стационарных состояниях, отвечающих структурным изомерным формам (долгоживущие состояния или слабосвязанные комплексы). Эти состояния характеризуются точками в пространстве, представленном в нормальных координатах. 2. При обычных оптических процессах (поглощение, излучение и рассеяние света) переходы между такими точками не происходят (например, не происходят изомер-изомерные превращения). 3. Химическому превращению, т. е. такому процессу, когда одна форма молекулы переходит в другую или слабосвязанный комплекс превращается в устойчивую структуру (реакция присоединения), сопоставляется переход от одной точки к другой в пространстве состояний. Вероятность такого перехода (который связывается с мигрирующим волновым пакетом) максимальна при резонансе уровней энергии комбинирующих подструктур и определяется соответствующим матричным элементом их взаимодействия. Базовые положения теории молекулярных процессов, без понимания которых нельзя обойтись, кратко изложены в главе 2. Авторы считают своим долгом выразить благодарность академику Э. М. Галимову за стимулирование исследований, которые составили содержание данной книги. […] Заключение
Подведем некоторые итоги. Вернемся к вопросу об образовании молекулярного мира. Здесь сразу обнаруживается роль множественности образования объектов одного и того же атомного состава Оказывается, что именно гигантское число изомерных форм уже для довольно небольших многоатомных образований является главным фактором, влияющим на время формирования более высокой стадии существования материи. Свойство изомеризации, которое часто в обычной химии является негативным фактором, усложняющим необходимую для синтеза цепочку реакций, выходит на первое место. С самого начала четко проявляется дополнительность (по Н. Бору) случайности и детерминизма Природа, как и указывал Н. Бор, выбирает наиболее выгодный путь между этими крайностями. Именно при появлении объектов молекулярного мира появляется важнейшее для жизни свойство фиксации исходной информации. Более того, становится возможным не только получить информацию извне, но и передать ее дальше не просто в измененном, но принципиально другом виде. Например, результат поглощения кванта электромагнитного поля может найти отражение в появлении новых молекулярных объектов в результате фотохимической реакции разложения. Один и тот же отклик может наблюдаться и тогда, когда характеристика входного сигнала сильно варьируется. Можно сказать, что в результате происходит преобразование нечеткой информации в четкую. Такое свойство также необходимо для процессов, определяющих сам факт жизни. Переработка исходной информации может быть очень сложной вплоть до распознавания образов. Более того, возникает эффект обучения молекулярного объекта. Уже на стадии образования молекулярного мира обнаруживается свойство накопления энергии и возможность единовременного выделения ее на конечной стадии образования, например, новых продуктов. Без этого жизненные процессы также невозможны. Становится понятной дополнительность множественности и детерминизма, а также, что крайне важно, жизни и смерти. Мечты фантастов о преодолении фактора смерти, фактически, есть мечты об исчезновении жизни как феномена. Биологический ритм также есть одно из проявлений этой дополнительности. Уже в молекулах при усложнении их структуры за счет эффекта цепочечной изомеризации появляется еще одно важнейшее для жизни свойство: способность поглотить энергию в одной части объекта и передать ее в другую, где и произойдет, например, химическая реакция разложения. Это явление лежит в основе важнейшего для всего живого на Земле процесса фотосинтеза. Результат процесса в одной молекуле может быть воспринят другой, находящейся на большом расстоянии. Это проявляется в хорошо известном явлении самопоглощения квантов электромагнитного поля ансамблем молекул. Конкретизируем некоторые общие выводы. Явления рождения и уничтожения (жизнь и смерть) находятся во взаимодополняющих (по Н. Бору) отношениях и принципиальны для самого факта существования биосистемы. Необходимая связь жизни и смерти приводит к появлению биологического ритма. Детерминизм (генетический код) и разнообразие форм жизни также находятся во взаимодополняющем соотношении. Первая стадия эволюции сопровождается ростом энтропии и описывается вторым законом термодинамики. Самоорганизация и потребление негэнтропии – вторая стадия эволюции. Общее требование сохранения высокой энтропии системы выполняется при наличии наряду с преимущественным путем эволюции множества менее вероятных. Главным признаком жизни является эффект репликации – передачи наследственных признаков от "отца" к "сыну" и появление соответствующей стрелы времени. Этот вопрос также находит свое объяснение на основе представлений о процессах в молекулах. Показано, что современная теория молекулярных процессов позволяет естественным образом объяснить некоторые важнейшие сформулированные в самом начале, наблюдаемые особенности формирования биосферы на первых этапах появления молекулярного мира. Видно, что уже при усложнении молекулярных объектов начинают проявляться важнейшие свойства, которые в дальнейшем становятся доминирующими в гораздо более сложных образованиях: вирусах, клетках, бактериях и т. д. Это создает предпосылки для реализации следующих этапов исследования и перехода от качественных выводов к количественным оценкам. Об авторах
 Грибов Лев Александрович Известный специалист в области теории строения и спектров сложных молекулярных систем, квантовой химии, вычислительной химии и химической информатики, аналитической химии. Доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ. Член-корреспондент Российской академии наук, советник РАН. Лауреат Государственной премии Российской Федерации в области науки и техники (1999).
 Баранов Виктор Иванович Известный специалист в области теории и методов расчета молекулярных процессов (оптические спектры, химические превращения). Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией молекулярного моделирования и спектроскопии Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН. Лауреат Государственной премии Российской Федерации в области науки и техники (1999).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||