Эволюционная химия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

на тему

«Эволюционная химия»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение...................................................................................................................3

1 Эволюционная химия и её основные проблемы................................................5

2 Субстратный подход к проблеме биогенеза....................................................10

3 Функциональный подход в эволюционной химии..........................................13

Заключение.............................................................................................................16

Список использованной литературы...................................................................17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Формирование химических знаний стимулируется надобностью приобретения человеком разнообразных веществ для собственной жизнедеятельности. Для этого доводилось разыскивать пути получения из одних веществ иные, реализовывая их качественные превращения. На основе постижения глубинных качеств разнообразных веществ появилась теоретическая химия, которая сейчас является высокоупорядоченной и устойчиво развивающейся системой знаний.

Химия является наукой, которая изучает качества и превращения веществ, сопровождающиеся модификацией их состава и строения. Она исследует природу и качества разнообразных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, качества катализаторов.

Уже множество лет химики стараются осмыслить, какова основа жизни на Земле.

В настоящее время большинство химиков считает, что на основании исследования химии организмов есть возможность выработать новое управление химическими процессами, что позволит более рационально применять существующие в природе материалы и получать от их использования большую пользу.

Существующая в настоящее время картина химических знаний объясняется с точки зрения четырёх концептуальных систем: учение о составе; структурная химия; учение о химических процессах; эволюционная химия.

Учение о составе вещества связано  с изучением разнообразных качеств вещества, находящихся в зависимости от их химического состава, понятием химического элемента и химического соединения.

Структурная химия связана с положением о том, что качества веществ определяются составом и структурой молекул.

Учение о химических процессах связано с изучением механизмов и условий протекания химических процессов, с понятием о катализе.

Эволюционная химия исследует процессы самоорганизации химических систем с позиций представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов.

Предметом исследования в моей работе является эволюционная химия.

В своей работе я хочу рассмотреть более подробно эволюционную химию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Эволюционная химия и её основные проблемы

Под эволюционными проблемами в химии надо понимать процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новейших химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Вследствие этого эволюционную химию по праву находят предбиологией, которая является наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

До последней трети 20 века об эволюционной химии ничего не знали. По сравнению с биологами, вынужденными применять эволюционную теорию Дарвина для истолкования генезиса многочисленных разновидностей растений и животных, химиков проблема происхождения вещества не волновала, поскольку получение каждого новейшего химического соединения постоянно было делом рук и разума человека. Молекулы новейших химических соединений конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, наподобие здания из кирпичей. Живые же организмы из блоков сконструировать было невозможно. Однако исследование и постижение опыта живой природы являлось давним мечтанием исследователей.¹

Первые шаг на данном направлении был сделан ещё Берцелиусом И., который определил, что в основании функционирования живого организма покоится биокатализ. Впоследствии изучения в данной направленности проводились немецким учёным Либихом Ю. , французом Бертло П., а также Семеновым Н. Н., что содействовало упрочению взаимосвязи химии и биологии.

Поэтапное формирование науки 19 века, которое привело к выявлению структуры атома и доскональному постижению строения и состава клетки, раскрыло перед химиками и биологами практические возможности коллективной деятельности над химическими проблемами учения о клетке. На повестке дня было исследование природы химических процессов в живых тканях, обусловленности биологических функций химическими реакциями.

В самом деле, если взглянуть на обмен веществ в организме с позиций химии, то мы можем наблюдать общность большущего количества относительно элементарных и монотонных химических реакций, сочетающихся друг с другом во времени, протекающих не случайно, а в правильной взаимопоследовательности, вследствие чего формируются продолжительные цепи реакций. И данный порядок закономерно сориентирован на постоянное самосохранение и самовоспроизведение всей живой системы в общем в предоставленных условиях окружающей среды. Так что подобные характерные качества живого, какими являются рост, размножение, мобильность, эмоциональность, способность реагировать на трансформации окружающей среды, связаны с некоторым комплексом химических превращений.

Вследствие этого химии среди наук, которые занимаются изучением жизни, отводится ключевая роль. Собственно химией и была обнаружена главнейшая роль хлорофилла в качестве химического основания фотосинтеза, гемоглобина – как начала процесса дыхания, определена химическая природа передачи нервного возбуждения, установлена структура нуклеиновых кислот и многое другое. Однако основное содержалось в том, что объективно в самом основании биологических процессов, функций живого покоятся химические механизмы. Все функции и процессы, которые происходят в живом организме, возможно изложить на языке химии, в виде определенных химических реакций.²

Само собой разумеется, что было бы неправильно сводить явления жизни исключительно к химическим процессам. Данное являлось бы грубейшим механистическим упрощением. Даже сама химия подчёркивает своеобразность химических процессов в живых системах, представляет их отличия от того, что совершается в неживых системах. Своеобразность и в то же время взаимосвязь химической и биологической форм движения материи подчёркиваются и прочими науками, которые возникли в пределах биологии, химии и физики. Среди них: биохимия, являющаяся наукой изучающей обмен веществ и химических процессов в живых организмах; биоорганическая химия, представляющая собой науку о строении, функциях и направлениях синтеза соединений, которые составляют живые организмы; физико-химическая биология, являющаяся наукой о функционировании сложных систем, передаче сведений и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне; кроме этого биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.³

В пределах указанных наук были установлены химические продукты клеточного метаболизма (обмена веществ); определены циклы биосинтеза данных продуктов и осуществлено их искусственное соединение; обнаружены материальная основа регулятивного и наследственного молекулярного механизма, а также определена роль химических процессов в энергетических процессах клетки и живых организмов в общем.

В настоящее время для химии в особенности важно использование биологических принципов, где собран опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в ходе многих миллионов лет, опыт формирования самых идеальных механизмов и процессов.

Как было осмыслено учёными ещё в 19 веке, костяком необыкновенной действенности биологических процессов является биокатализ. Вследствие этого химики поставили своей задачей сформировать новейшую химию, которая основывается на каталитическом опыте живой природы. Они стремились к новым принципам управления химическими процессами, где будет использоваться сочетание себе подобных молекул, по принципу ферментов будут образованы катализаторы с таким многообразием свойств, которые далеко превзойдут имеющиеся в промышленности.⁴

Ферментами называются органические вещества белковой природы, синтезирующиеся в клетках и во много раз ускоряющие проходящие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям. Ферменты (от лат. fermentum – брожение, закваска) порой именуют энзимами (от греч. en – внутри, zyme – закваска).

Несмотря на то, что ферменты располагают общими качествами, которые присущи всем катализаторам, всё-таки, они не идентичны последним, так как действуют в пределах живых систем. Оттого все старания применять опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире встречаются с нешуточными ограничениями. Пока речь может идти исключительно о моделировании отдельных функций ферментов и применении данных моделей для теоретического рассмотрения функционирования живых систем. Также есть возможность частичного практического применения выделенных ферментов для ускорения отдельных химических реакций. Для данного включая и опыт создания самого фермента, клетки и даже организма. На этой базе и была сформирована эволюционная химия в качестве новой науки, которая проложила путь принципиально новейшей химической технологии, способной быть аналогом живых систем.

Для постижения опыта живой природы и воплощение в жизнь приобретенных познаний в промышленности химиками был намечен ряд перспективных направлений.

Первое, химики проводят изучения в области металло-комплексного катализа, обогащающегося приёмами, применяемыми живыми организмами в реакциях с присутствием ферментов.

Второе, специалисты стараются смоделировать биокатализаторы. Уже получилось сформировать модели большого числа ферментов, извлекающихся из живой клетки и использующихся в химических реакциях. Однако проблема осложняется тем, что ферменты, стабильные внутри живой клетки, внё данной клетки стремительно разрушаются.

Третье, происходит развитие химии иммобилизованных систем. При этом ферменты, которые выделены из живого организма, фиксируются на твердой поверхности через адсорбцию. Родоначальником в данной области является русский химик Березин И. В.  Благодаря его изучениям биокатализаторы стали устойчивыми, стабильными в химических реакциях, образовалась вероятность их неоднократного применения.

Четвёртое, глобальная цель современной химии заключается в решении самой обширной задачи, которая состоит в освоении и использовании всего опыта живой природы. Данное позволит химикам сформировать полные аналоги живых систем, где будут синтезироваться самые различные вещества. Следовательно, будут образованы принципиально новые химические технологии.

Формирование эволюционной химии случилось в 60-х годах 20 века, когда были обнаружены эпизоды самосовершенствования катализаторов в процессе реакции, тогда, как правило, в ходе деятельности они дезактивировались, портились и выбрасывались. Так, химиками было обращено внимание на процессы самоорганизации в химических системах, на наличие в природе химических систем различного уровня сложности, а также на процесс перехода от химических систем к биологическим, подняв тем самым химию на принципиально новый, четвертый уровень.

Исследование процессов самоорганизации в химии привело к образованию двух подходов к рассмотрению предбиологических систем: субстратного и функционального. Подробно данные подходы будут рассмотрены мной далее.

 

2 Субстратный подход к проблеме биогенеза 

В границах субстратного подхода было замечено, что при переходе к наиболее простым формам жизни шёл своеобразный дифференцированный отбор только химических элементов и их соединений, являющихся главным строительным материалом для формирования биологических систем. Данные элементы в химии называются органогенами.⁵

Плодами подобного подхода являются сведения об отборе химических элементов и структур, который оказался аналогичным биологической эволюции. В настоящий момент наукой обнаружено 110 химических элементов. Большая часть из них содержится в живых организмах и принимает участие в их жизнедеятельности. Тем не менее, костяк жизнедеятельности обеспечивают исключительно шесть химических элементов-органогенов – углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая весовая часть в структуре живого организма составляет 97,4%. За ними идут двенадцать элементов, принимающих участие в сооружении множества физиологически значимых элементов биологических систем (натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель). Их весовая часть в организме составляет 1,6%. Кроме них, имеется ещё порядка 20 элементов, которые участвуют в построении и деятельности некоторых узкоспецифических биосистем, весовая часть которых составляет приблизительно 1%. Все другие компоненты в построении биосистем практически не принимают участия.

Общая химическая картина  мира также довольно доказательно указывает об отборе химических соединений. Сейчас химической науке являются известными приблизительно 8 млн. химических соединений. Из их количества подавляющая часть (96%) составляет органические соединения, образованные на базе всё тех же 6-8 элементов. А из прочих 90 химических элементов природа сформировала только около трёхсот тысяч неорганических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого принимают участие только несколько сотен. Из ста открытых аминокислот в составе белков содержится лишь двадцать. Только по четыре нуклеотида ДНК и РНК находятся в основании всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, которые отвечают за наследственность и регуляцию белкового синтеза в каждом живом организме.