Эволюционная химия. 
Естествознание

Читателю не удастся найти название «эволюционная химия» в перечне отраслей современной химической науки. Напомню, что в настоящей главе мы рассматриваем не столько отрасли химической науки, сколько становление ее концептуальных схем (парадигм), отражающих состояние и направления исследования комплекса химических отраслей. К примеру, развитие учения о составе вещества осуществлялось как в рамках органической, так и неорганической химии; с учением о структуре в числе других отраслей связана стереохимия. Многие концептуальные задачи эволюционной химии ставятся и решаются в рамках биохимии, органической химии и др.^[1][2]

Концептуальная система эволюционной химии находится в состоянии формирования. Она связана с включением в химическую науку принципа историзма, понятия времени и представлений о химической эволюции. Внимание эволюционной химии направлено на исследование процессов самоорганизации вещества — от атомов и простейших молекул до живых организмов. Содержание эволюционной химии тесно связано с проблемами супрамолекулярной химии, у истоков которой стоит Нобелевский лауреат Ж.-М. Лен (р. 1939)¹. Для описания процессов упорядочения атомов и молекул он использовал понятия «самосборка» и «самоорганизация». Наиболее известный процесс самосборки в живой природе — самосборка молекул нуклеиновых кислот и матричный синтез белков.

Таким образом, эволюционная химия по сути стремится «сесть на одну скамейку с Богом» — выявить механизм возникновения живой материи из материи косной. Действительно, выдающиеся химики Ю. Либих (1803—1873), П. Бертло (1827—1907) и многие другие считали лабораторию живого организма идеальной химической лабораторией.

Факт из истории науки Известный химик Ю. Либих (1803—1873) считал, что процесс брожения имеет чисто химическую природу. Л. Пастер показал, что образование спирта, нитроглицерина, янтарной кислоты при брожении происходит только в присутствии особого «организованного фермента» (именно так называли тогда живые клетки микробов), который размножается в бродящей жидкости. Показательными были опыты Пастера с жидкостью, которая содержала чистый сахар и минеральные соли, служившие для бродильного грибка пищей. Аммиачная соль из состава этой жидкости поставляла грибку потребный азот.

Предпосылки эволюционной химии сформировались в начале XIX в., когда шведский химик И. Я. Берцелиус впервые установил: основу жизни составляет биокатализ. При этом специфика катализаторов в живых системах сформирована самой природой. Особые белки — ферменты — служат живыми катализаторами. Важные идеи позаимствованы у динамической биохимии, которая на рубеже XVIII и XIX вв. стала рассматривать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как специфические превращения веществ. Углублению знаний о ферментах способствовало исследование химии брожения, особенно исследования Л. Пастером (1822—1895) деятельности молочнокислых бактерий.

Академик Н. Н. Семенов (1896—1986) характеризовал химические процессы, протекающие в растительных и животных организмах, как «настоящий квалифицированный завод»^[3][4].

Таким образом, в рамках эволюционной химии намечаются несколько направлений исследования:

• • выявление химического состава живых организмов;
• • исследование специфики «лабораторных механизмов» живой природы;
• • научный анализ процессов химико-биологической эволюции, т. е. процессов возникновения органических веществ из неорганических, а также процессов возникновения жизни на основе развития неорганических веществ.

Функции ферментов сходны с иными катализаторами, однако в рамках живых систем они обладают особой спецификой:

• • чувствительны к температуре, как и живые существа. Промышленные катализаторы работают при 200—500°С, а большинство ферментов полностью теряют каталитические свойства уже при 70 °C;
• • чрезвычайно чувствительны к кислотности среды, причем каждый фермент работает только в узком диапазоне pH. Так, в крови здорового человека pH не отличается от среднего значения 7,4 более чем на 0,2, а при pH крови ниже 7,0 или выше 7,8 в результате нарушения деятельности ферментов наступает смерть;
• • демонстрируют огромную каталитическую активность и способны ускорять реакции в 10¹⁴— 10¹⁵ (миллион миллиардов) раз;
• • обладают высокой специфичностью действия. Фермент может, например, воздействовать лишь на L-аминокислоты, входящие в состав природных белков, и игнорировать изомерные им D-аминокислоты.

Считается, что на основе химии живых организмов можно получить новые, необычные способы управления химическими процессами; к примеру, можно создать катализаторы, аналогичные природным, эффективность которых превосходит все промышленные аналоги. Не исключено, что на основе раскрытия механизмов биохимической энергетики и синтеза соответствующих полимерных материалов станет возможным создавать такие макромолекулы, которые будут способны превратить химическую энергию в механическую по аналогии с тем, как это происходит в мышцах живых организмов.

• [1] Подробнее см.: Колтун М. Мир химии. С. 170—171.
• [2] Подробнее см.: Кузнецов В. И. Общая химия: тенденции развития. С. 168—211.
• [3] Супрамолекуляриая химия исследует процессы молекулярного распознавания и избирательного связывания молекул в так называемые сунрамолекулы и супрамолекулярныеансамбли. «Сунрамолекулы» представляют собой отдельные крупные образования, состоящие из большого, но конечного числа молекулярных олигомеров — молекул в виде цепочкииз небольшого числа одинаковых составных звеньев.
• [4] Семенов Н. II. Наука и общество. М.: Наука, 1961. С. 192—193.