Концепции современного естествознания (стр. 2 )

Следующая таблица «собственных» свойств планет еще более убеждает нас в существенном различии планет земной группы и планет гигантов:

Общая структура Солнечной системы была открыта в середине XVI в. польским астрономом Николаем Коперником (1473 – 1543). В начале XVII в. И. Кеплер открыл основные законы небесной механики, а в конце века И. Ньютон, сформулировав закон всемирного тяготения, практически завершил формирование классической теории движения планет и иных космических тел. С тех пор и по настоящее время уточнялись различные теории формирования Солнечной системы и ее эволюции – по мере накопления новых знаний о ней и возникновения более совершенных теорий.

Наиболее известны следующие гипотезы, уточнявшиеся или отклоненные в ходе дальнейшего развития науки (в хронологическом порядке):

– «ударная» гипотеза (1750) Жана Луи Леклерка – планеты сформировались из вещества, выброшенного из недр Солнца в результате удара в него крупной кометы; это вещество в дальнейшем охлаждалось, сконцентрировавшись в планеты на определенных орбитах или в кольцах астероидного пояса;

– «небулярная» гипотеза (1754) Иммануила Канта – создание Солнца и планет из облака космической пыли в результате действия сил притяжения;

– «гипотеза протозвезды» (1796) , согласно которой протозвезда радиуса более радиуса орбиты Юпитера сжимается под действием гравитационных сил, но по мере сжатия возрастает скорость вращения звезды и от области экватора отрывается газовое кольцо, из которого и формируется планета со спутниками; затем отрывается следующее кольцо и т. д.;

– катастрофические гипотезы (основанные на теории гравитационной неустойчивости);

– гипотеза «Солнце – двойная звезда» (1935) Генри Рессела. Согласно этой гипотезе звезда-спутник, находившаяся первоначально в районе орбит Урана или Нептуна, должна была быть отброшена за пределы Солнечной системы, оставив сгустки вещества, из которых и сформировались затем планеты. В этой гипотезе находили ответ на вопрос, почему момент Солнца в 29 раз меньше момента планет Солнечной системы;

– гипотеза о том, что громадный момент количества движения планет приобретен в результате движения Солнечной системы в Галактике (1940) ;

– гипотеза «внутренней активности» Солнца как основного фактора формирования планет (1960) : переход от одного к другому типу реакций энерговыделения вызывает сброс массы вещества и момента количества движения звезды, что и объясняет выброс материи и формирование планет.

Современное представление о формировании Солнечной системы вбирает в себя многие положения этих гипотез. Считается, что звезда типа Солнца формируется из газопылевого облака, имеющего массу от 0,3 до 10 масс Солнца. Из такого облака возникает протозвезда, разогретая просто процессом сжатия. Солнце вступило в эту фазу около 5 млрд. лет назад. По мере нескомпенсированного сжатия звезды в экваториальной области гравитационной неустойчивости выделяется газопылевой диск, уносящий «избыток» момента количества движения. Через 100 млн. лет после начала сжатия начинаются ядерные реакции, энерговыделение которых стабилизирует звезду, температура Солнца при этом составляет около 10 млн. К. При этом внутренняя часть газопылевого кольца разогревается сильнее, вместе с воздействием на кольцо солнечного ветра (потока заряженных частиц, в основном протонов) такая ситуация способствует выносу легких элементов на периферию кольца, где они и конденсируются. Вследствие этого процесса планеты и разделяются на внутренние (земной группы), состоящие из тяжелых элементов, и внешние – более легкие (гиганты). Формирование тяжелых планет в газопылевом кольце проходило в течение почти 100 млн. лет. Таким образом, возраст планет земной группы около 4,5 млрд. лет. Планеты-гиганты сформировались позже, а на момент формирования тяжелых планет у них сформировалось только ядро. Дальнейшее гравитационное сжатие планет (неспособных зажечь ядерную реакцию синтеза, как на Солнце) привело к разогреву их центральной части и запуску реакций ядерного распада (там, где имелся подходящий материал). Интересное исключение представляет собой Юпитер, масса и состав которого подходят для того, чтобы зажечь реакцию типа солнечной.
Его поэтому и называют иногда несостоявшейся звездой.

1.7. Концепции современной геофизики

Земля – третья планета от Солнца, которой присущи все характерные черты планет земной группы. Она относительно мала по размерам, имеет значительную плотность. Современные представления о строении Земли сложились в первой половине XX в. Однако и сейчас в общей модели появляются всё новые и новые элементы.

Вследствие вращения форма Земли отлична от формы шара, такую форму называют «геоид». По оси, соединяющей полюса, радиус геоида 6356,777 км, а в экваториальной плоскости больше – 6378,160 км. Для Земли, как и всех планет, характерно многооболочечное строение, причем это относится как к внутренним подповерхностным, так и к внешним (атмосфера) слоям. В каждом слое протекают относительно автономные, характерные процессы, а между слоями существуют специфические процессы массо - и теплопереноса.

Во внутренней части Земли выделяют слои:

– внутреннее ядро – железо-никелевое, его средняя плотность 12,5 г/см3, твердое из-за высокого давления, несмотря на значительную температуру, его граница находится на «глубине» 5120 км (напомним, что средний радиус Земли 6370 км);

– внешнее ядро – также железо-никелевое, но жидкое, плотность 10 г/см3, его верхняя граница находится на глубине 2900 км;

– нижняя мантия – относительно жидкая, состоит из более легких пород (кремний, кальций), плотность около 5 г/км, ее верхняя граница находится на глубине 670 км;

– верхняя мантия – также относительно жидкая, непосредственно примыкает ко внешней оболочке – коре Земли, по специфическому изменению скорости распространения в мантии звуковых волн внутри мантии на глубине 410 км выделяют дополнительную границу – раздел Мохоровича;

– земная кора – твердая внешняя оболочка, толщина которой варьируется от 75 км на материках до 5 км на дне океанов, средняя плотность около 3,5 г/см3, состав ее еще более сложен, в ней присутствуют алюминий, магний, кремний, железо, разнообразные окислы.

Земную кору вместе с верхней мантией называют литосферой. Во второй половине XX в. модель Земли приобрела еще более дробное строение, а современная сейсмотомография выделяет уже внутри слоев ячеистую структуру, масштаб которой различен для разных слоев.

Качественные эмпирические данные о структуре земной коры были получены в послевоенные годы, когда была открыта система серединноокеанских хребтов с рифтовыми долинами в середине, заполненными молодыми базальтовыми породами, подтверждено отличие океанской коры от континентальной, обнаружены линейные магнитные аномалии в намагниченности базальтовых пород, параллельные серединным хребтам. Это подтвердило высказанную Альфредом Вегенером в 1912 г. гипотезу о дрейфе материков и о том, что около 200 млн. лет назад все материки были соединены в единый материк Пангею. Дополнительную информацию принесло глубокое бурение, которое проводится с 1967 г. В итоге в 60-х гг. родилась мобилистская концепция тектоники литосферных плит. Основные ее положения таковы:

1. Литосфера Земли, в которую входят кора и самая верхняя часть мантии, расположена на более пластичной и менее вязкой оболочке – астеносфере, включающей среднюю часть мантии.

2. Литосфера разделена на ограниченное число относительно жестких плит: крупных, с характерным размером в несколько тысяч километров, и средних – около тысячи километров. В настоящее время выделяют 16 таких литосферных плит: Тихоокеанскую, Северо-Американскую, Южно-Американскую, Евразиатскую, Африканскую, Австралийскую, Антарктическую, Кокос, Наска, Аравийскую, Индостанскую, Филиппинскую, Карибскую, Хауан-де-Фука, Индокитайскую, Охотскую.

3. Литосферные плиты перемещаются друг относительно друга в горизонтальном направлении. Выделяются следующие виды движений:
а) раздвиг (спрединг) с заполнением трещин новой корой океанского типа, б) поддвиг (субдикция) океанской плиты под континентальную или океанскую же, с возникновением вулканической дуги или окраино-континентального вулкано-плутонического пояса, в) скольжение одной плиты относительно другой с формированием трансформных разломов.

4. Перемещение литосферных плит представляет собой скольжение по сферической поверхности астеносферы.

5. В планетарном масштабе объемы процессов субдикции и спрединга одинаковы, так что объем земной коры не меняется.

6. Источником энергии для перемещения литосферных плит являются конвективные движения в мантии, включая астеносферу: в областях спрединга они идут снизу вверх, затем горизонтально параллельно поверхности Земли, а в зонах субдикции – вниз. Причиной же конвекции является выделение тепла в недрах Земли при распаде радиоактивных элементов.

В 70 – 80-х гг. теория тектоники (движения) литосферных плит была дополнена теорией дополнительной активности внутри плит – «плюм-теорией», или теорией горячих струй. Основная идея ее состоит в том, что выход энергии из внутренних слоев Земли (внутренней мантии и даже внешнего ядра) происходит не равномерно, а в форме горячих струй различных масштабов. Эти струи могут быть не связанными с литосферными плитами, и тогда, выходя на поверхность, такая струя может «прожигать» литосферную плиту по мере ее перемещения в различных точках, образуя цепочки вулканических островов, как, например, Гавайский архипелаг с продолжением Императорским хребтом до Камчатки.

Современная геофизика утверждает, что до глубины в 300 – 400 км основные процессы определяет тектоника плит, а ниже – конвективная плюм-тектоника. В историческом плане в формировании облика Земли плюм-тектоника играла основную роль до момента формирования современной земной коры, т. е. около 1 млрд. лет назад (поздний протерозойский период докембрийской эры), а тектоника плит – позже и по настоящее время.

Более детальное представление о процессах, формировавших современный облик Земли, дает следующая геохронология:

1. С момента формирования Земли как планеты (около 4,5 млрд. лет назад) в результате остывания внешних слоев сформировались первичная базальтовая кора и первичная гидросфера – тонкий слой воды, более-менее равномерно распределенный по земной поверхности. Внутренняя часть Земли – жидкое неструктурированное ядро – занимала весь объем Земного шара.

2. Около 4 – 3,2 млрд. лет назад из первичной коры в результате ее растрескивания и заполнения трещин базальтами сформировалась проконтинентальная кора, представленная в настоящее время серыми гнейсами.

3. В конце археозойского периода, т. е. 2,7 – 2,5 млрд. лет назад, в результате активных процессов взаимодействия коры и ядра сформировалась континентальная кора и образовался единый суперконтинент Пангея.

4. В начале протерозойского периода, около 2,3 – 2,2 млрд. лет назад, произошел разлом суперконтинента на перемещающиеся малые континенты. В полной мере заработала тектоника малых плит.

5. К концу протерозоя, около 1,7 млрд. лет назад, в результате дрейфа материки вновь соединились, образовав суперконтинент – Новую Пангею.

6. Очередной распад Новой Пангеи происходил от 1,0 до 0,6 млрд. лет назад. Это соответствовало полномасштабной тектонике литосферных плит. В эту эпоху возникли Тихий океан и континент Северная Америка. Образовался широтный океан Тетис, разделивший континенты на северную и южную группы.

7. К началу палеозойской эры, около 600 млн. лет назад, материки вновь соединились, образовав вегенеровскую Пангею.

8. Распад вегенеровской Пангеи происходит по настоящее время.

Таким образом, слияние и разбегание материков имеет характерный период – 500 – 600 млн. лет, что может быть объяснено системой двухъярусной общемантийной конвекции. Кроме того, такая теория предполагает периодические пульсации объема Земли с постепенным его уменьшением в среднем в результате затухания внутренней активности.

По характеру преобладающих процессов в недрах земли в настоящее время можно выделить три зоны: тектоносферу (включает кору, верхнюю мантию и переходную зону), нижнюю мантию и ядро. В тектоно-сфере основной механизм – тектоника плит, в нижней мантии – плюм-тектоника, в ядре – тектоника роста (внутреннего ядра за счет внешнего). Процесс тепло - и массопереноса в Земле представляется следующим образом: остывание внешней оболочки Земли вследствие излучения тепла в космос (солнечное излучение не компенсирует потери тепла) приводит к погружению холодного материала земной коры в мантию в зонах субдикции. Достигнув переходной зоны на глубине 670 км, эти пласты холодного материала задерживаются, пока не накопится достаточная масса для дальнейшего погружения. Он как бы «проваливается» в нижнюю мантию и достигает поверхности ядра. Внедрение материала в ядро нарушает режим конвекции в нем и вызывает подъем струй от границы ядра, т. е. формирует гигантские плюмы. Эти теплые массы поднимаются от ядра и, достигнув уровня 670 км, расщепляются на плюмы более мелких масштабов и проникают в верхнюю мантию, где и формируют оси спрединга литосферных плит. Так происходит переход от плюм-тектоники к тектонике плит.

В историческом, а также «космическом» плане на первых этапах формирования оболочек планеты основную роль играла тектоника роста с образованием ядра, затем господствовала плюм-тектоника, а начиная с археозоя в верхних слоях – тектоника плит, а в средних и нижних – плюм-тектоника. Предполагается, что такие процессы сейчас идут на Венере, более молодой по отношению к Земле планете земной группы.
В дальнейшей геологической перспективе тектоника плит перейдет в контракционную тектонику, или тектонику сжатия, когда активные конвекционные процессы закончатся. Такую стадию развития сейчас проходит Марс. Наконец, финалом эволюции планет земной группы является терминальная тектоника, т. е. остывание планеты без каких-либо активных процессов. В такой стадии находятся Меркурий, Луна и почти все спутники планет.

1.8. Структура Метагалактики

Итак, наша Земля является одной из планет Солнечной системы. Наша звезда – Солнце, в свою очередь, является одной из множества звезд, образующих всего лишь малую область огромного скопления, называемого Галактикой. Общее количество звезд в Галактике, по современным оценкам, – порядка 1 трлн. Больше всего среди них насчитывается звезд-карликов с массами, приблизительно составляющими 1/10 от массы Солнца. В состав Галактики входят не только одиночные звезды, имеющие, подобно Солнцу, спутники в виде планет, но также и двойные и кратные звезды. Кроме того, отдельные группы звезд, связанных соответствующими силами тяготения, образуют звездные скопления, движущиеся в космическом пространстве как единое целое. Существуют рассеянные звездные скопления, содержащие от нескольких сотен до тысяч звезд (таких скоплений известно более тысячи) и шаровые звездные скопления, состоящие из нескольких тысяч звезд каждое (их в настоящее время обнаружено около двухсот).

Если попытаться предположить, как выглядит наша Галактика, то упрощенно ее можно представить себе в виде диска или сильно уплощенного эллипсоида вращения с ядром в центре и гигантскими спиралевидными ветвями, в которых содержатся наиболее яркие и горячие звезды, а также масссивные газовые облака. Диаметр нашей Галактики, которую мы называем Млечным Путем, до того велик, что, двигаясь со скоростью света (около км/с), пересечь ее можно только за лет! Это соответствует расстоянию в 1018 километров. При огромном количестве звезд в Галактике среднее расстояние между ними составляет около 6 световых лет, или 60 трлн. км.

Подобные размеры и расстояния не просто поражают воображение, они поистине внушают благоговение. Но эти масштабы весьма далеки от предела: только в видимой Вселенной к настоящему времени обнаружено более 10 млрд. галактик. Каждая же из них может содержать сотни миллиардов звезд. При этом галактики существенно отличаются друг от друга размерами, формой, светимостью, количеством звезд. По форме галактики условно делят на три группы: эллиптические, спиральные и неправильные. Наша Галактика, как и относительно близкая к ней
(2,5 млн. световых лет) Туманность Андромеды, относится к спиральным галактикам.

Говоря о галактиках, необходимо остановиться на таких звездоподобных объектах, как квазары (от сокращения английского словосочетания «квазизвездный источник радиоизлучения»). Эти мощные внегалактические источники электромагнитного излучения, открытые в 1960 г., представляют собой активные ядра удаленных галактик. Мощность излучения одного квазара на три-четыре порядка превышает совокупную мощность излучения всех звезд крупной галактики. Однако в силу огромного удаления от нашей галактики (более 200 мегапарсек) они наблюдаются как звездоподобные источники с очень малыми угловыми размерами и слабой светимостью. Поскольку размеры квазаров относительно невелики (не более 1 светового года), а их масса оценивается как ~108 солнечных масс, они представляют собой весьма компактные звездные скопления, в которых велика вероятность столкновения звезд. Для внегалактической астрономии и астрофизики квазары представляют особый интерес как чрезвычайно удаленные объекты, участвующие в космологическом расширении видимой части Вселенной (Метагалактики). Результаты исследования их свойств и пространственного распределения способны пролить свет на ранние этапы эволюции Вселенной.

Масштабы Метагалактики столь велики, что такое гигантское образование, как галактика, является далеко не самой крупной ее структурной единицей. Галактики расположены в виде определенных групп, называемых скоплениями галактик. Наш Млечный Путь является частью небольшого скопления, состоящего примерно из 20 галактик. Вместе с Туманностью Андромеды он образует так называемую Местную группу галактик, имеющую протяженность порядка 100 тыс. парсек. Существуют, однако, гораздо более крупные скопления, содержащие сотни и тысячи галактик. Расстояние до ближайшего такого скопления составляет около 20 млн. парсек, а его диаметр превышает 6 млн. парсек. По данным внегалактической астрономии, предполагается существование сверхскопления галактик, в котором насчитывается примерно 10 тыс. галактик. Его размеры оцениваются в 50 млн. парсек.

Для человека, являющегося существом макромира и способного свободно представлять себе только размеры, характерные для макромира, масштабы Метагалактики находятся за пределами адекватного восприятия: мы понимаем, что речь идет о фантастически огромных размерах и расстояниях, но не можем их наглядно ни с чем привычным сопоставить. При этом не следует забывать, что Метагалактика – это только наблюдаемая современными астрономическими средствами часть Вселенной, и в принципе возможно существование еще множества скоплений и сверхскоплений галактик. Тем не менее, данные о строении Метагалактики свидетельствуют о ее сложной, многоуровневой структуре, развивающейся в пространстве и во времени. Структурность, системность устройства Вселенной, таким образом, прослеживается на всех уровнях, от сверхскоплений галактик до атомного ядра.

2. КОНЦЕПЦИИ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ

2.1. Систематизация химических элементов

Рассматривая распространенность химических элементов в природе, мы обратили внимание на то, что она обусловлена особенностью протекания процессов нуклеосинтеза на относительно ранних стадиях развития Вселенной. Дальнейшая химическая эволюция естественным образом привела к синтезу химических веществ и соединений, носителем свойств которых являются молекулы.

Познавая природу, человек изначально стремился понять и объяснить строение материи, вычленив те неизменные начала (элементы), из которых она строится, и систематизировать эти элементы. Однако долгое время, несмотря на обилие эмпирического материала, не удавалось провести четкой грани между химическими элементами и химическими соединениями. Постепенно, однако, картина прояснялась, и к 1869 г., когда блестяще решил проблему систематизации, было известно 62 химических элемента. В основу своей системы положил такую характеристику элементов, как их атомный вес (в современной терминологии – атомная масса). Качественная картина периодичности свойств химических элементов в результате проявилась со всей очевидностью. Но, строго говоря, открытие
было обобщением эмпирического характера. Наука еще не располагала сведениями о составе атомного ядра и распределении электронов в атомах. С появлением этих данных периодический закон получил необходимое уточнение: физические и химические свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины электрического заряда ядра.

Действительно, постоянной величиной для атома химического элемента является количество протонов Z, определяющее заряд его ядра. Число же нейтронов A, определяющее, вкупе с количеством протонов, массу ядра, у изотопов химического элемента разное. Изотопы (от греч. ισος – «одинаковый» и τοπος – «место») – это разновидности одного и того же элемента, различающиеся по массе ядер. Имея одинаковое строение электронных оболочек, а следовательно, и очень близкие химические свойства, они занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Отметим, что, в отличие от массового числа N, являющегося целым, атомная масса – дробная величина. Дело в том, что природные элементы состоят из смеси изотопов, поэтому за атомную массу элемента принято среднее ее значение для изотопов с учетом их процентного содержания. Эти средние значения и фигурируют в периодической системе у всех элементов за исключением трансурановых, для которых указывается массовое число.

Существование изотопов (вначале нестабильных) было обнаружено в начале ХХ в. при изучении свойств радиоактивных элементов. Несколько позднее были открыты стабильные изотопы. В настоящее время известно около 280 стабильных изотопов у 83 природных элементов (у элементов с Z > 83, т. е. идущих в периодической таблице за висмутом, стабильные изотопы не встречаются) и более 2000 радиоактивных изотопов, принадлежащих 107 природным и искусственно синтезированным элементам. Таким образом, только открытие структуры ядра позволило достоверно объяснить причины различия и сходства свойств химических элементов. Что же касается периодического повторения свойств элементов, то его позволяет объяснить принцип запрета Паули (см. модуль 1), определяющий порядок заполнения электронных оболочек. Оказалось, что близкими свойствами обладают элементы, у которых на верхнем заполняемом уровне находится одинаковое количество электронов.

Общеизвестно, что периодическая система получила широкое признание после того, как были найдены некоторые из предсказанных им элементов (для которых в таблице были оставлены незаполненные клетки). К 30-м гг. ХХ в. таблица заканчивалась уже элементом с Z = 92 – ураном. Последующие элементы открывались путем физического синтеза атомных ядер. Все они очень неустойчивы, и эта особенность будет характерна также для элементов, которым еще предстоит быть синтезированными.

2.2. Многообразие химических соединений

Химическая эволюция привела к возникновению в природе огромного количества соединений. Это не выглядит удивительным, поскольку механизм образования химических веществ не нуждается в особых условиях, таких, например, как для осуществления нуклеосинтеза. Известны многие миллионы индивидуальных химических соединений постоянного и переменного состава. Естественным образом возникает вопрос: как образуются химические соединения, как из достаточно ограниченного количества элементов возникло такое многообразие веществ?

Одна из основных задач химической науки со времени ее зарождения состояла в развитии учения о химическом составе веществ. Носителем химических свойств вещества, как известно, является молекула. С открытием строения атомов ответ на вопрос о природе их связи в молекулах (химической связи) получил исчерпывающее объяснение.

Согласно современным представлениям, возможность образования молекул объясняется тем, что внутренняя энергия молекулы как системы атомов ниже суммарной энергии этих атомов в изолированном состоянии. Химические связи в молекулах осуществляются посредством электромагнитного взаимодействия электронов и ядер, входящих в молекулы атомов. Наиболее распространены молекулы, в которых реализуются ковалентные и ионные химические связи.

Ковалентная связь образуется при так называемом обобществлении электронов двумя соседними атомами, т. е. за счет совместного использования части электронов (обычно электронных пар). Существенно, что ковалентная связь возникает при сближении атомов с антипараллельными спинами. При этом происходит деформация электронных оболочек атомов и их взаимное перекрытие по линии, соединяющей ядра. На определенном расстоянии между ядрами силы притяжения и отталкивания уравновешиваются, внутренняя энергия принимает минимальное значение и образуется устойчивая система.

Ионная связь обеспечивается электростатическим взаимодействием атомов в ситуации, когда валентный электрон одного из них переходит к другому, т. е. при образовании положительного и отрицательного ионов. Ковалентная и ионная связи являются предельными случаями, как правило же реализуются смешанные химические связи – частично ковалентные, частично ионные. Типичный пример преимущественно ковалентной связи представляет собой молекула кислорода. Пример молекулы с преимущественно ионной связью – молекула поваренной соли (NaCl).

К химическим связям относят также металлическую и донорно-акцепторную связь. Первая из них характерна для веществ, обладающих металлическими свойствами, и обусловлена высокой концентрацией в кристаллической решетке металлов электронов проводимости. Донорно-акцепторная (координационная) связь отличается от ковалентной лишь механизмом образования. Она возникает между атомами и молекулами, обычно не имеющими неспаренных электронов. Один из атомов при этом является донором (от лат. donare – «дарить») пары электронов, другой – акцептором (от лат. acceptor – «принимающий»), способным принимать электроны. Донор имеет свободную неподеленную пару электронов, которая при образовании донорно-акцепторной связи становится общей. После своего возникновения донорно-акцепторная связь практически не отличается от ковалентной.

Внутренняя энергия молекулы вещества является ее важнейшей характеристикой, определяющей ее состояние и свойства. Поскольку молекула – это квантовая система, ее внутренняя энергия квантуется, т. е. принимает определенные дискретные значения. Приближенно внутренняя энергия молекулы равна сумме энергий движения электронов, колебаний ядер атомов и вращения молекулы как целого. Каждая из этих энергий квантуется согласно законам квантовой механики, чему соответствует набор дискретных уровней энергии – электронных, колебательных и вращательных. Состояние молекулы вещества как квантовой системы описывается уравнением Шрёдингера, решение которого, т. е. нахождение уровней энергии, составляет одну из основных задач квантовой химии.

Состав и структура веществ (читай – их молекул) в совокупности с внешними условиями определяют характер химических и физико-химических процессов, в которых они участвуют. Иными словами, способность различных химических реагентов к взаимодействию зависит от их атомно-молекулярной структуры и условий, в которых протекают химические реакции.

Современная химическая наука активно использует физические знания. Учения о химическом составе и химических процессах сложились во многом под влиянием физических концепций, в том числе концепций квантовой механики. Так, физическая химия объясняет химические процессы и устанавливает их закономерности на основе общих принципов физики, в частности учения о строении атомов, ионов и молекул. Возникшая на стыке химии и таких разделов физики, как атомная физика и квантовая механика, химическая физика основана на использовании физических методов исследования. При изучении механизмов химических реакций широко применяются такие традиционные для физики методы, как спектральный анализ, электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и др. Один из основоположников химической физики рассматривал химические процессы как связующее звено между объектами физики и биологии.

2.3. Управление химическими процессами

Управление химическими процессами составляет одну из основных научных проблем в этой области знаний. Дело в том, что большинство химических реакций развивается стихийно, и поэтому они трудноуправляемы. В частности, некоторые из них протекают неоднозначным образом, реализуя тот или иной вариант развития процесса и создавая при этом множество побочных продуктов. Другие, например реакции горения и взрыва, невозможно или очень трудно остановить. Наконец, определенные в принципе возможные реакции пока не удается осуществить.

Для многих химических реакций характерна обратимость, т. е. они могут протекать в обратном направлении с образованием исходных продуктов.

В зависимости от природы реагентов и условий протекания равновесие между прямой и обратной реакциями может смещаться в одну или другую сторону. Реакции, у которых равновесие смещено в прямом направлении, т. е. в сторону образования целевых продуктов, не нуждаются в специальном управлении. Однако известно значительное количество реакций, у которых равновесие смещено в обратном направлении. Для получения целевых продуктов такими реакциями необходимо управлять. Во многих случаях требуемый результат достигается применением термодинамических методов, т. е. проведением реакций при повышенных температуре, давлении и концентрации реагирующих веществ.

Термодинамические методы в основном позволяют управлять направленностью химических реакций, однако важно также иметь возможность регулировать скорость протекания реакций. Управление скоростью химических реакций составляет предмет химической кинетики, изучающей зависимость протекания химических процессов от всей совокупности факторов, связанных с реализацией этих процессов. Речь идет о таких факторах, как природа реагентов и их чистота, присутствие катализаторов, растворителей и других добавок, материала и конструкции химического реактора и ряд других.

В частности, существенную роль при протекании химических реакций играют растворители: в одних случаях они запускают реакцию, которая без них просто не начинается, в других – ускоряют ее, т. е. выполняют функцию катализаторов, в третьих – замедляют ход реакции, т. е. являются ингибиторами.

Явление катализа послужило основой для возникновения целой отрасли химии, оно широко используется в химическом производстве, обеспечивая его высокую эффективность. Такое современное направление практической химии, как тонкий органический синтез, немыслимо без применения катализаторов. Речь, таким образом, идет о роли катализа в создании новых материалов, в том числе не встречающихся в природе. Но самую важную роль отвела катализу природа в проявлении феномена возникновения и эволюции живой материи, которые в принципе невозможны без участия особого рода катализаторов – ферментов.

2.4. Явление биокатализа и развитие эволюционной химии

Основоположник органической химии шведский химик Йенс Якоб Берцелиус первым обратил внимание на исключительную роль биокатализа в химических процессах, протекающих в живой материи. В современной химии активно развивается самое, пожалуй, перспективное направление – эволюционная химия, изучающая процессы самопроизвольного синтеза новых соединений, являющихся более высокоорганизованными, чем исходные продукты. По сути, речь идет об овладении каталитическим опытом природы в целях его использования в химическом производстве.

Изучение химических процессов жизнедеятельности берет свое начало с исследования процессов брожения. Эти исследования составляют предмет ферментологии. Ее основоположником является французский ученый Луи Пастер. Пастера состоит в развитии биологической концепции биокатализа – в отличие от химической концепции, которой придерживались представители традиционной химической науки. Прямые наблюдения деятельности молочнокислых бактерий позволили Л. Пастеру выявить способность этих микроорганизмов пополнять запасы необходимой им энергии в процессе брожения. Результатом исследований Л. Пастера стал вывод об исключительной специфике материальной организации ферментов, определяющей принципиальное отличие живой материи от неживой. Это отличие проявляется не только на уровне такой структурной единицы, как клетка, но и на молекулярном уровне. Именно на молекулярном уровне лежат существенные различия механизмов действия катализаторов и ферментов, образования полимеров и биополимеров, структуру которых определяет, как теперь известно, генетический код. Общий же вывод состоит в том, что определенные химические процессы, характерные для живых систем, не происходят в неживой материи.

Возникновение и развитие эволюционной химии связано в первую очередь с исследованиями в области моделирования биокатализаторов. В процессе этих исследований удалось путем искусственного отбора соответствующих структур смоделировать многие биокатализаторы – ферменты. Однако полученные модели отличаются от своих живых оригиналов тем, что они в ходе реакции достаточно быстро разрушаются. Речь идет о ре акциях, используемых в технической биохимии, т. е. в отраслях промышленности, связанных с производством пищевых продуктов. Сегодня благодаря успехам микробиологии стало возможным получение ферментов существенно более дешевых, чем ферменты животного и растительного происхождения.

Главной же задачей познавательного плана для эволюционной химии, безусловно, является овладение каталитическим механизмом живой природы, познание процессов образования ферментов, клеток и, наконец, живого организма.

2.5. Особая роль органогенов в биохимической эволюции

Эволюционная химия широко использует понятие самоорганизации, означающей восходящую упорядоченность систем живой материи, включая образование предбиологических, т. е. переходных, систем. Особый интерес к таким системам обусловлен естественным стремлением человека разгадать самую, пожалуй, удивительную загадку природы, таящуюся в механизме качественного скачка к живой материи. Рассмотрение проблемы самоорганизации предбиологических систем строится в основном на основе субстратного подхода (термин «субстрат», произошедший от лат. substratum – «основа», означает химическое вещество, подвергающееся превращению под действием фермента). Этот подход акцентирует внимание на вещественной основе биологических систем, т. е. на определении их химического состава и структуры химических соединений, из которых строится живой организм в ходе биогенеза – зарождения и развития жизни.