3. химия концепциялары
Әволюциялық химия — химия білімінің жоғары деңгейі
жүктеу/скачать 55,8 Kb.
|
ХИМИЯ КОНЦЕПЦИЯЛАРЫ
| 3.6. Әволюциялық химия — химия білімінің жоғары деңгейі
Химиялық эволюция мәселесі — күрделі мәселе, сондықган әртүрлі мамандарды: геохимиктерді, биохимиктерді, молекулярлы биологияның мамандарьш қызықгырады. Бұл мәселе астрофизика мен космогония мәселелерінің аймағында да кең талқыланады. Биология мамандығы үшін эволюциялық ілім биология гылымьшьщ негізі болса, химиктер соңғы уақытқа дейін химиялық қосылыстардьщ пайда болуы жөнінде сұрақ қоймаған, өйткені қандай да болмасын химиялық қосылыстьщ болымы химиктің тандап алған синтездеу жольша тәуедці деп есептелген. Әлем химизмінің эволюциясы химиялық процестің бүкіл эволюциясьш қамтңды, ол: • материяның химияға дейінгі жүйелерін химиялық жүйелерге айналуы; • химиялық эволюция нәтижесінде жай заттардан жоғары ұйымдаскдн органикалық қосылыстарға дейін өзгеруі; • тірі материяньщ пайда болуы. Тепе-теңдіктен алыс орналасатьш ашық жүйелерді зерттейтін термодинамиканың бір бағытьш синергетика деп атайды. Синергетика химияға эволюциялық көзкдрас түсінігін енгізді. Ондағы негізгі түсінік — түрақсыздық. Синергетика жай жүйелерден күрделі жүйелердің құрылуын, яғни эволюция жолын зерттейді. Ол біздің өзіміздің және біздің өмір сүретін макрожүйелердің қалай пайда болып құрылғанына жауап беруге тырысады. Синергетиканың болжауынша элементарлы бөлшектер кванттық вакуумнан 15- 18 миллиард жыл бұрын флуктуация нәтижесінде пайда болтан, кейін олардан атомдардың ядролары синтезделген. Ядролық синтездер экстремалды шарттарда жұддыз жүйелерде өтеді де химиялық эволюцияға дейінгі процестер болып табылады. Зат эволюциясьшың келесі сатысы — атомдардың электрондық кабаттарының қалыптасуы — 100.000 К температура шамасында жүреді. Галактиканың шет жақтары, соның ішінде біздің Күн жүйеміз, осындай процестердің жүруіне идеалды сәйкес келеді. 10.000 К температура химиялық эволюция сатыларына мүмкіндік береді: ионизацияланған плазмадан нейтралды бөлшектер түзіле бастайды (Н2, СН4, CO,N2,NO, О2 және т.б.) Ал 5000 К — нен томен температурада қатты күйін сақгай алатын заттар пайда болады (титан оксиді, мырыш оксиді, графит, нитридтер...). Осы уақытқа дейін химиялық қосылыстарды органикалық және бейорганикалық деп бөледі. Қосылыстар қьппқыдцарға, негіздерге, тұздарға , спирттерге, эфирлерге және тағы басқаларға жүйеленеді. Бірақ осындай классификация химиялық жүйелердің ұйымдастырылуыньщ жоғарылығьшың көрсеткіші бола алмайды. Химиялық эволюция процесінің механизмін төмен ұйымдастырылған жүйелерде біртіндеп тізбектеліп жоғары жүйелерге шығуы деп карастыруға болады. Сондықган, келесі нұсқау тізбекті: атом—молекула — молекулярлық комплекс — мицелла кдрастырып, біз жәй жүйелерден күрделі жүйеге кдрай қозғала аламыз. Бірақ жәй жүйеден күрделі жүйеге жылжу төменгі ұйымдастықган жоғарысына шығуға сәйкес келе ме? Біздің өмір сүріп отырған шарттарымызда материяның жоғары ұйымдаскдн сатысы ретінде күрделі биоорганикалық қосылыстарды (РНК, ДНК, нуклеотидтер және т.б.) қарастыруымызға болады. Белок (ақ уыз) денелердің баска затгармен ұқсастығы да көп және баска қосылыстарға тән емес касиеттері бар. Соның ішінде әр- түрлі химиялық қасиеттерді өзінде біріктіруі. Белок денелері өмір сүру процестерінде (in vivo) өздерінің бойында әрі реагенттердің, өрі катализаторлардың, әрі еріткіштердің, әрі реакциялық аппараттардьщ қасиеттерін атқарады. Олар өзіңде қарама - қарсы функцияларды да ала жүреді. Мысалы, өрі қышқылдық, әрі негіздік немесе электрондардың донорлары жөне акцепторлары бола алады, әрі дальтонид касиетке, әрі бертоллид қасиетке ие бола алады. Осы айтылғанның бөрі тірі организмдерде химиялық реакциялардың активтену энергиясыкың ең төменгі мәндерщде жүруіне ықгимал етеді. Химиялық эволюцияньщ механизмі биологиялық эволюцияньщ механизміндей — табиғи сұрыпталу. Табигаттың эволюциялық процестің жольш тандауы — бейорганикалық заттардан органикалық заттарға, шексіз органикалық қосылыстардан бірнеше жүздеген қосылыстарға, статистикалық зандылықгардан жоғары тәртіптілік формаларьша миллиардтаған жылдар бойы өтуі — табиғи сұрыптау факторының негізі болып табылады. Менделеев жүйесіндегі жүз төрт химиялық элементтщ ішіндегі алты элемент қане тірі организмдердің негізін күрайды. Бұл элементтер органогендер деп аталады: көміртек, сутек, оттегі, азот, фосфор және күкірт. Олардың организмдердегі жалпы салмақгық ұпесі 97,4 % .Көптеген физиологиялық маңызды компонеттерді құрайтын тагы он екі элементгің организмдегі салмақ үлесі 1,6 %, олар: натрий, кальций, калий, магний, темір, кремний, алюминий, хлор, мыс, мырыш, кобальт. Онан соң спецификалық биожүйелердің өмір сүруіне кдтысатын 20 элементті қосуға болады, олардьщ үлесі - 1%. Сонда 6-7 млн. химиялық қосылыстардьщ 96 % - ті сол 16-18 элементтен қүрылады, ал 85—95 химиялық элементтен жуық шамамен 180000 бейорганикалық қосылыстар түзіледі. Бүндай айырмашылықгы элементгердің Жер қыртысында және космоста таралуымен түсіндіруге болмайды. Өйткені космоста негізгі элементгер сутегі мен гелий, ал Жер қыртысы мен атмосферада көп таралған элементтер қатарын темір, оттегі, кремний, магний, алюминий, кальций, никель түзеді. Көміртегі Жер қыртысында кездесуінен 16—шы орында орналасады, ол литосферадағы кремнийден 276 есе, ал сирек элемент титаннан 6 есе аз кездеседі. Сонымен, химиялық сүрыптауда геохимиялық шартгар айтарлықгай орын алмайды деген қорытындыға келуге болады. Химиялық тұрғыдан кдрасақ, сұрыптау нәтижесінде берік, энергоүтымды химиялық байланыс түзе алатын элементтер іріктеліп алынады. Бүл түрғыдан көміртегі номері бірінші органоген болып есептеледі. Өйткені ол химиялық карама-кайшылықтарды біріктіреді: элекгрондардьщ әрі доноры, әрі акцепторы, байланыстардың барлық түрін күрайды, әр түрлі тотығу дәрежесінде бола алады, тізбектер мен циклдер қүрайдьі. Көміртегі секілді карама - карсы касиеттері бар басқа да органоген элементтерді сипаттауға болады (сутегі және оттегі), немесе лабильдылық ерекшелігі бар элемештер (азот, фосфор, күкірт, темір). Бұл элементгерден әрекеттесу нөтижесінде түзілетін қосылыстарда химиялық байл ан ыстарды ң көп түрлерін байкдуға болады: 1. қосарласқан байланыстар; 2. кумулятивті байланыстар (оларға п — элекгрондық өткізгіштік қасиет тән); 3. адезинтрифосфаткд (АТФ) тән макроэршялық байланыстар; 4. әлсіз, бірақ өте маңызды роль аткдратын сутекті байланыс; 5. көпцентрлі байланыс геминдерде кездесетін темір мен пиррол сақиналары арасындағы байланыс. Табиғатпен биожүйелерді құрайтын 104 элементтен алты және тағы да он екі — он сегіз элемент сүрыпталғандай, химиялық эволюция нөтижесінде химиялық қосылыстар да сүрыпталған. Мысалы, белгілі жүз аминқьппқылдардан белоктар құрамына жиырмасы гана кіреді, және көптеген кұрделі полимерлі нуклеин қышкылдардың негізінде төрт нуклеотид сұрыпталған. Бүкіл өсімдіктер мен жануарлардың осындай санаулы ғана органикалық заттардан түратыны таңкалдырады. Ең төменгі омырткдлылардың және адамның гемоглобин күрамыньщ айырмашылыгы өте аз екені дәледденген. Ферментативті құрылымдары да әр түрлі өсімдікгерде бір- біріне жақын. Осыдан мынадай қорытындыға келуге болады: химиялык, эволюция барысында эволюцияланып жаткан жүйені динамикалык, тұрактылыкпен әкелетін, көптеген функция атқара алатын "стандартты" кңрылымдар сүрыпталтн. Бүндай процестер минималды ұйымдастыру жұмысымен сипатталады. Эволюция барысында сұрыпталудың нәтижесінде бірінші структуралық фрагмент ретінде әр түрлі фазалық шекараларды кдрастыруға болады. Олар физикалық жөне химиялық адсорбцияның негізі болады, өйткені біріншіден, бөлшекгердің реттелуіне эсер етеді, екіншіден, бөлшектердің концентрациясьш ұлғайтады, үшіншіден, каталитикалық эффекттің факторы бола алады. Екінші сүрыпталған структуралық фрагмент деп электрондар мен протоңдарды тасымалдаушы топшаларды айтады. Ал осы структуралық фрагменттер қос байланыс құрайтын және протондардың акцепторы мен доноры қызметін аткдратын көміртегі, азот, фосфор, оттегі және басқа органогендердің қатьшасуынсыз болмайды. Үшінші структуралық фрагменттер—бұл энергетикалық камтамасыздандыруға жауапкер болатын топшалар: окси-, оксо-, құрамында фосфоры бар функционалды топшалар. Олар реакцияның жолдарын өзгерту үшін термодинамикалық тосқауылдарды төмендетеді. Келесі сұрыпталған фрагмент ретінде РНҚ мен ДНҚ типтес полимерлік структураларды қарастыруға болады. Олар жоғарыда айтьілған структуралық фрагменттерге тән қызметтерді аткдрады, ал негізгісі — каталитикалық матрица немесе шаблонный, қызметін аткдрады да өзіне ұқсас структуралардың пайда болуына ықпал етеді. Ал еңді жоғарыда айтылған структуралық фрагменттер арасындағы бәріне тән жалпы үқсастықты іздесек, ол тек элементтің құрамы емес, олардьщ барлығының катализге қатъшасын айтуға болады. Катализді тек ауыспалы комплекс деп қарасырмай, жоғарғы энергетикалық шектеулерді төмендететін әдіс ретінде қарастыру кджет. Катализатор реакциялардьщ матрицалық эффекгі нәтижесінде реакцияның селективтілігі мен стереоспецификалық бағдарлануын қамтамасыз етеді. Бұл жаңа әдіске химияның төртінші концептуалды жүйесі сәйкес келеді. Ол эволюциялық химия мен эволюциялық катализ теорияларымен байланысты. Болашақга негізгі шешу қажет сұрақтардың бірі тірі табиғатта жүретін каталитикалық тәжірибелерді зерттеу нәтижесіндегі анықталған зандылықгарды жан- жануарлар мен өсімдіктердің өмір сүруін баскдру үшін қолданылатын әдістерін табу. Мысалы, бұршақ тұқымдасты өсімдіктердің азотпен өзін- өзі қорландырады. Осындай азотобактер принцип lh қолданған жағдайда, келешекте өнеркәсіптік азот тыңайтқыштарының қажеттігі болмайды. Химиялық синтезге және катализге традициялық көзқарасты бірінші рет бұзған американ химиктері А. Гуотми және Р Каннингем 1958 — 1960 жылдары. Олар бұрын байқалмаған жаңа құбылыс ашып зерттеді — реакцияға қатыскдн катализаторлардьщ өзін - өзі дамыту құбылысы. Химиялық реакция барысында катализаторлар әрдайым ескіріп дезактивацияланады. Бірақ кейбір химиялық реакциялар катализаторларды олардың активтілігі мен селективтілігін жоғарылата отырып, өздері үшін қайта құруға қабілетті. 1964 — 1969 жылдар аралығында А.П. Руденко катализаторларды қолдану нәтижесінде байқалған функционалдық және струкгуралық өзгерістерді жинақтап, ашык; каталитикалық жүйелердің өзіндік даму теориясын ұсынды. Кейін ашық жүйелерді, тепе — тендіксіз процестердің термодинамикасын зерттеп, басқа да ғалымдар өз үлестерін қосты. Осы ілімдер IV концептуалды жүйенің - эволюциялық химияның және эволюциялық катализдің дамуыньщ басы болды. Олар: Руденконьщ ашық каталитикалық жүйелердің өзіндік даму теориясы; Пригожиннің а процестер термодинамикасы; Хакеннің синергетикасы. Осы концептуалды жүйе химиялық эволюция ньщ дамуына біздің көзқарасымызды түбегейлі өзгертті және химизмнің ең жоғарғы формасының ілімі больгп табылады. IV концептуалдық жүйе, химиктердің ежелгі арманы тірі табиғаткд ғана тән химиялық реакцияларды жүзеге асыру, биологиямен бірге тіршіліктіц мәнін ашуға көмектесу, 130 химияның көмегімен биогенез проблемаларын шешу көзқарастары тұрғысьшан қызығушылық тудырады. Осы тараудың қорытындысьша тағы бір рет ерекше көңіл аударайық: әрбір концептуадцы жұйе фундаменталды теориялық химия жүйелерінің бірінде неіізделеді, олар-құрам, кұрылым туралы теориялар, химиялық кинетика мен эволюциялық химия туралы ілімдер. Концептуалды жүйенің негізгі ерекшелігі — ол бір рет пайда болып бүгінге дейін дамуын жалғастырып жатыр. Жаңа жұйе пайда болғанда ол бұрынғы жүйенің орнын баспайды, керісінше, бүкіл гылыми білімнің жиынтыгын келесі биіктікке көтереді. Бұцан өте маңызды қорытынды шығады: әрбір төменгі жүйе келесі одан жоғары тұрған жүйеге өзгертілген түрде төменгі гомолог ретінде кіреді. Концептуалды жүйелердің арасында бірінші орында эволюциялық химия тұрады, оның құрамына кинетикалық процестер, құрылым мен құрам туралы ілімдердің негіздері кіреді. жүктеу/скачать 55,8 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|