Тема 7. Концепции современной химии и биологии
Особенности современной химии как "науки о взаимосвязи количественных и качественных и изменений".
Диссипативные процессы и самоорганизация.
11 начало термодинамики - смерть живого или его источник?
Механизмы происхождения и функционирования жизни.
Особенности современной химии как "науки о взаимосвязи количественных и качественных изменений"
Химию принято называть наукой о взаимосвязи количественных и качественных изменений. Здесь такая связь выступает особенно наглядно. Незначительные количественные различия, незаметные добавления делают, например, сплавы обладающими дополнительными свойствами. Этиловый и метиловый спирт за счет усиления одного из радикалов превращаются в яд.
Напротив, качественные изменения, например, ввод в реакцию катализаторов или ингибиторов резко ускоряет или, соответственно, замедляет ее, термическое воздействие определяет направление реакции в неравновесных состояниях. К серьезным качественным изменениям приводят различия в структуре, кристаллической решетке (изомерия).
В концептуальном плане между химией и физикой много общего, иногда химию называют физикой молекул. Но это уже другая физика. Важно то, что хотя химические процессы как правило надстраивают над физическими, тем не менее через химические процессы изучаются процессы физические. То есть уместнее говорить о своеобразной физико-химической самоорганизации, будь то космологическая эволюция или эволюция биологический структур.
В свете антропного принципа имеет смысл рассматривать и биологическую эволюцию как составляющую единого физико-химико-биологического процесса: хотя биологические свойства возникают значительно позже, они "закладываются" в общую синергетическую "программу" одновременно с физико-химическими свойствами и, в этом смысле, служат в той же степени их причиной, что и следствиями.
В концептуальном плане химию с физикой сближает и то, что здесь также уместен поиск "первокирпичиков" - строительных элементов, носителей свойств, подобно атомам. Поиск элементов, или начал составляет первый концептуальный уровень химии, восходящий к ретортам средневековых алхимиков, разлагавших химические соединения на составные части в поисках философского камня. Но только у Д.И.Менделеева каждый элемент был выделен по объективным характеристикам - атомному весу. Потом "изотопы" - варианты одного элемента с незначительными различиями по массе, и поэтому базисным свойством стал считаться заряд ядра (физика). Он и определяет номер химического элемента в периодической системе, которая носит прогностический, а не только описательный, характер. С позиций атомизма решается проблема и химических соединений. К 19 веку сложилось убеждение (Дж.Дальтон, Ж.Пруст), что определяющими свойствами химических соединений является постоянство состава. Однако в ХХ веке были обнаружены химические соединения переменного состава (бертоллиды), и четкое различение вновь исчезло. Это связано с переосмыслением классического определения молекул - мельчайших частиц вещества, обладающих его свойствами и могущих существовать самостоятельно. К молекулам ныне относят и разнообразные квантовомеханические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и их цепочки).
Второй концептуальный уровень относится к структуре. Структурные различия определяют свойства не только на уровне простых молекул: именно изучение сложных структурных цепей (впервые - на примере бензола) позволило раскрыть генетический код ДНК и РНК. Еще в 19 веке структуру стали связывать с понятием валентности. Комбинируя атомы химических элементов по их валентности, возможно конструировать соединения с заданными свойствами.. Важное значение имеет степень напряжения, или энергия связи, что находит объяснение с квантово-механической позицией. Таким образом, молекулярная структура не только включает в себя упорядоченную связь, но и определяет характер взаимодействия между элементами. В эволюционном плане наибольшее внимание привлекают динамичные структуры.
Третий уровень - исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов - температуры, давления, скорости протекания реакций. Дальнейшим углублением знания на этом уровне является изучение природы реагентов, участников химической реакции. Все это подготавливает к исследованию явлений синергии, самоорганизации, составляющих четвертый уровень.
Влияние катализаторов особенно значительно в отношении химических соединений переменного свойства с ослабленными связями между компонентами. В таких случаях катализаторы играют решающую роль. В других случаях они делают излишними использование колоссальных температур и давления, позволяя получать те же соединения в комнатных условиях. Аналогом может служить явление сверхпроводимости, которое удается воспроизводить при доступных температурах вместо сверхнизких. Это привлекает внимание к явлениям самоорганизации с катализаторами в качестве их участников, элементов. Аналог в физике - "точечные воздействия": вместо того, чтобы удерживать плазму в массивных реакторах при огромных затратах энергии и высокой опасности взрыва, ее направляют самым "естественным" для нее образом, поместив в нужном месте соответствующий "аттрактор" (от англ. - притягивать). Значительные перспективы открываются перед химией экстремальных состояний - плазмохимией, радиационной химией.