Химический уровень эволюции
Атомная эволюция
После выброса ядерного вещества из недр Сверхновой в космическое пространство ядра случайно встречаются с электронами, превращаясь в атомы. Этот этап эволюции вещества происходит стремительно и почти сразу дает конечные продукты, готовые к новому, молекулярному этапу эволюции. Нам остается лишь перечислить движущие силы эволюции, действующие на этом важном этапе.
Как и на ядерном этапе, здесь не обходится без хаотического движения частиц в развивающейся системе. Без этой формы движения, присущей любому крупному ансамблю микрочастиц, ядра не могли бы встречаться с электронами и развиваться до состояния атомов.
На эволюционную сцену выходят и претендуют на главную роль электрические силы. Это дальнодействующие силы. Поэтому любое ядро рано или поздно найдет себе в Космосе нужное число электронов, как бы далеко ни находились эти изначально свободные электроны.
Внутренняя структура атома, конфигурация его электронной части определяется игрой электрических сил и механических свойств всех частиц атомного ансамбля, ядра и электронов. Никакие другие силы на этом этапе эволюции не проявляются.
Несмотря на отмеченную простоту и стремительность атомного этапа химической эволюции, у него есть своя динамика. В неё имеет смысл всмотреться, поскольку особенности этой динамики сказываются на следующем, молекулярном этапе.
Дальнодействующие электрические силы могут включить в состав атома электрон, находящийся на очень большом расстоянии от ядра. Но такой электрон совершенно не обязательно сразу займёт свое постоянное место на одной из электронных оболочек вблизи ядра, как это предписано ему схемой электронного строения в таблице Менделеева. На большом удалении от ядра электрическая сила притяжения достаточно точно описывается простым законом Кулона, а механическое поведение электрона вполне похоже на поведение классической частицы. И возникает так называемое ридберговское состояние атома. В этом состоянии внешний электрон уже нейтрального атома вращается вокруг атомного центра по круговой траектории очень большого радиуса. Данное экзотическое рыхлое состояние атома, тем не менее, является одним из стационарных состояний всей атомной системы, что проявляется в спектральных свойствах атома. Астрофизика вполне уверенно регистрирует спектры таких состояний атомов, живущих в почти полной изоляции от соседей.
Нам интересны эволюционные свойства атомов, как они проявляются на следующем, молекулярном этапе. В этом плане, ридберговские атомы не обладают эволюционной ценностью, поскольку два таких атома не в состоянии соединиться и образовать прочную химическую связь. Их поэтому можно считать эволюционно недоделанными. У них неясные эволюционные перспективы.
Замечаем, что на данном этапе эволюции возникающие объекты не сразу получаются совершенными в плане эволюционной ценности. Так было и на ядерном этапе, где возникали неустойчивые ядерные системы. Появляется подозрение, что и на следующих этапах эволюция материального мира не обязательно сразу приводит к появлению совершенных и ценных объектов.
Атом становится эволюционно ценным объектом лишь после уплотнения своей электронной структуры, которая по необходимости очень сложна. Сложность этой структуры определяется особенностями электрических сил и волнового поведения электронов. Вблизи ядра электроны вынуждены двигаться быстро. Взаимодействие быстро движущихся заряженных частиц уже не удается полностью описать с помощью закона Кулона. Необходимо либо вводить релятивистские поправки к кулоновским взаимодействиям, либо считать, что между электронами действуют еще и магнитные силы. И обязательно приходится учитывать собственные магнитные моменты электронов и ядра, их спины. Тут для физиков-теоретиков возникают сложности. А для атомов возникают блестящие возможности сложных взаимодействий друг с другом, когда они выходят на следующий этап химической эволюции, на молекулярный уровень.
Обратим снова внимание на особенность эволюционного способа развития материального мира, на его бережность и экономность.
На атомном этапе эволюции полностью сохраняется идентичность ядер. Электроны, безусловно, остаются в атоме теми же частицами, что и в свободном состоянии. На следующем этапе эволюции структуры внешних электронных оболочек атомов подвергаются преобразованиям, однако идентичность каждого атома во многом сохраняется. Иначе мы не имели бы возможности идентифицировать химические элементы с помощью эмиссионного спектрального анализа или с помощью рентгеновских спектров, подчиняющихся закону Мозли. Иначе была бы бесполезна атомная систематика в форме таблицы Менделеева.
Совершенно ясно, почему на атомном уровне развитие объекта быстро заканчивается. Причина заключается в почти совершенном балансе сил притяжения и отталкивания между частицами атомной системы, когда атом набирает из окружающего пространства нужное число электронов и становится электрически нейтральной системой. Индивидуальное развитие конкретного атома на этом заканчивается. Но не исчерпывается его общий эволюционный потенциал. Дело в том, что электрическое поле нейтральной системы зарядов никогда не убывает до нуля на сравнительно небольших расстояниях от поверхности. Чем крупнее система, тем быстрее убывает напряженность переменного электрического поля с расстоянием. Но у поверхности системы напряженность всегда остается заметной. Отсюда следует тенденция нейтральных атомов к сближению в условиях газа. Это позволяет им находить друг друга в пространстве и продолжать развитие материи уже на молекулярном уровне эволюции. Отсюда же следует способность кристаллов катализировать химические реакции на своей поверхности.
Обратим внимание на особенности таких несовершенных атомных систем, как ионы. Если у атома не хватает электрона на внешней оболочке или если к атому присоединился лишний электрон, то электрическое поле такого атома резко возрастает по сравнению с полем нейтрального атома. Естественно, такие несовершенные атомы значительно агрессивнее ведут себя в плане попыток построения новых химических объектов. Возникает следующее подозрение, справедливость которого предстоит проверить на других уровнях эволюции.
Дополнение 6. Совершенные продукты эволюционного развития материи обладают меньшим эволюционным потенциалом, чем несовершенные объекты.
В этом плане хороший пример дают такие совершенные создания химической эволюции, как кристаллы. После формирования кристалла его структурное развитие идёт чрезвычайно медленно и только в том случае, если совершенство кристалла нарушается доменной структурой, поликристалличностью или посторонними включениями. Совершенный крупный кристалл может существовать в неизменном виде неопределённо долго, если внешние условия не приведут его к какой-нибудь катастрофе. Но несовершенный кристалл способен к медленным перестроениям благодаря особенностям колебательных движений в длинных цепочках элементарных ячеек. Такие цепочки передают энергию внешних механических ударов внутрь кристалла. Однако в несовершенных кристаллах механическая энергия не обязательно диссипирует по всему объему кристалла, а распространяется только вдоль определенных направлений [6]. В работе [7] было выяснено, что в такой ситуации энергия колебательного возбуждения кристалла может накапливаться в отдельных реакционных центрах и приводить к структурным перестройкам. А источником такой непрерывно поступающей в минерал энергии может служить цепь непрерывно происходящих землетрясений.
Молекулярная эволюция
Эволюционные сценарии этого этапа структурного усложнения материи настолько сложны и разнообразны по сравнению с этапами ядерной и атомной эволюции, что может создаваться ложное впечатление о неожиданном появлении совершенно новых природных сил. В действительности же, движущие силы эволюции остаются теми же самыми, что и на атомном этапе. Это электрические силы взаимодействия между электронами и ядрами, а также силы межэлектронных и межатомных взаимодействий. Это механические свойства всех участвующих в эволюции микрочастиц, как атомов, так и промежуточных молекулярных объектов. Это хаотическое тепловое движение в молекулярных системах.
В чем же тогда причина усложнения сценариев эволюции? Почему одни и те же исходные объекты, атомы и простейшие молекулы, развиваются по столь различным каналам? Одни каналы ведут материю к чисто количественному наращиванию размеров конечных структур и к остановке развития в форме не очень ценных в эволюционном плане кристаллов. Зато кристаллы способны достигать огромных размеров. А другие каналы ведут к почти безграничному наращиванию сложности ценных молекулярных структур, пригодных к включению в творческую работу на биологическом этапе эволюции. Но зато молекулы всегда остаются микроскопическими объектами, даже гигантская молекула ДНК.
Нам кажется, что причина кроется в изначальной сложности электронных структур исходных объектов этого этапа, атомов с числом электронов шесть и более. В жизни свободных атомов эта сложность сказывается мало, разве что в тонкостях их оптических спектров. Но при включении атомов в молекулярные организмы сложность взаимоотношений между электронами их внешних оболочек проявляется в полной мере.
Надо признать, что физика ещё не научилась хорошо анализировать эти сложности на уровне предсказаний всех их проявлений в атомах и молекулах. Ей пока приходится привлекать для этого посторонние феноменологические принципы. Например, считается, что слоистую структуру электронной сферы атома хорошо объясняет принцип Паули. Считается, что этот же принцип хорошо работает при интерпретации зонной структуры электронных энергий в кристаллах металлов и полупроводников. Считается, что он же проявляется в насыщенности ковалентных химических связей в органических молекулах. Но откуда следует сам принцип Паули? Почему в сложном квантовом ансамбле не может существовать двух электронов с одинаковыми наборами из четырех квантовых чисел? И почему на одном и том же энергетическом уровне может находиться два электрона с противоположными спинами?
Несмотря на уже длительную историю квантовой физики и квантовой электродинамики физика пока не смогла дать ясных ответов на данные вопросы. Прогресс здесь наметился лишь в самое последнее время в работе Б.К. Новосадова [8]. В кратком изложении идеи Новосадова могут быть представлены следующим образом.
Природа не знает никаких принципов, в частности, принципа Паули. В Природе микрочастицы знают лишь, что они способны либо притягиваться друг к другу, либо отталкиваться. Силы электрического притяжения и отталкивания в Природе проявляются значительно сложней, чем это предписано фундаментальными законами электродинамики (например, любые две электрически нейтральные микросистемы на больших расстояниях слабо притягиваются, а на малых – сильно отталкиваются). Построение теории таких сил наталкивается на большие трудности. Потому и приходится вводить в эти теории феноменологические элементы. Но если удается правильно учесть все сложности формирования таких сил, то в теории автоматически получаются найденные на опыте закономерности электронных структур. Так, например, в атоме все электроны притягиваются к ядру. Но ближайшие к ядру электроны непосредственно «видят» заряд ядра, а более удаленные «видят» экранированное ядро. Все электроны отталкиваются друг от друга, и эти силы отталкивания ничем не экранированы. Поэтому электроны никак не могут собраться в одном сферическом слое. Возникает слоистая электронная структура. Но электроны обладают собственным магнитным моментом, и при удачной пространственной ориентации два электрона испытывают сравнительно слабое притяжение друг к другу. Поэтому в одном и том же слое два электрона могут путешествовать вокруг положительного центра на почтительном расстоянии друг от друга, но обладать при этом одинаковой энергией. Так возникают условия для того, чтобы в спектральных и других экспериментах обнаружился факт принадлежности системы электронов статистике Ферми-Дирака. А это эквивалентно проявлению в опыте принципа Паули. К сожалению, провести правильный учет всех особенностей сил взаимодействия электронов в сложных квантовых системах пока удается крайне редко.
Однако на уровне рассмотрения движущих сил эволюции нам будет достаточно понимания указанных причин усложнения путей молекулярной эволюции по сравнению с атомной и ядерной эволюцией.
Далее, в молекулярном мире усложняются черты механического поведения микрочастиц. Известно, что с ростом массы частицы длина волны де Бройля для свободной частицы уменьшается. Поэтому тяжелые атомы и многоатомные молекулы перестают проявлять в эксперименте свои волновые свойства и начинают вполне точно подчиняться законам классической механики. И это во многих задачах молекулярной физики облегчает жизнь физикам-теоретикам. Но в самой молекулярной механике, в описании и анализе движений фрагментов сложных органических молекул приходится иметь дело с частицами промежуточных масс. И тогда возникают проблемы понимания и предсказания их поведения.
Далее, даже хаотическое тепловое движение молекул в газе и в жидкости выглядит не так просто, как в горячей или в холодной плазме. Там, где происходит ядерное или атомное развитие материи, частицы представляются вполне круглыми, обладающими предельно высокой симметрией, что упрощает их описание. Молекулы и их многоатомные заготовки редко обладают высокой симметрией, поэтому их механическое поведение в процессе случайных столкновений оказывается весьма сложным. Мы покажем это в соответствующих разделах данной работы на материале компьютерных имитационных экспериментов. Сейчас же достаточно сделанного замечания, что все без исключения движущие силы молекулярной эволюции наделены сложными чертами. Это и вызывает сложности в анализе поведения вещества в различных каналах данного этапа эволюции.
В целом же, несмотря на все отмеченные сложности, молекулярная эволюция вполне охотно являет те общие свойства, которые были отмечены выше в концепции эволюции Галимова и в наших дополнениях и уточнениях. Специфика же этого этапа эволюции состоит в том, что по любому из каналов развитие сложности структуры вещества здесь осуществляется через химические реакции. Поэтому всё последующее изложение особенностей химической эволюции нам следует вести на языке описания физических механизмов химических реакций.
К сожалению, физические представления о механизмах химических реакций пока совершенно недостаточны, чтобы дать полный прогноз всей картины событий в сложной системе объектов, способных к химическому развитию. Тем менее физика готова проследить всю кинетику химических событий в такой системе, а не только механику элементарного акта перескока атомного ядра из одной молекулярной потенциальной ямы в другую. К такому акту сводится механика реакции, когда встретившиеся в хаотическом движении молекулярные объекты образуют способный к реакции промежуточный комплекс.
В последовательной квантовой теории дальше всех продвинулись Л.А. Грибов и В.И. Баранов [9]. Их представление о механике элементарного акта химического превращения касается случая, когда две столкнувшиеся молекулы расположились в пустом пространстве друг относительно друга наиболее благоприятным для структурной перестройки образом. Либо когда в одиночной молекуле случается перестройка, ведущая к реакции разложения. Либо случается изомерное превращение.
Однако для понимания причин и путей эволюции необходима полная картина событий, происходящих в больших ансамблях исходных молекул, в газе или в жидкости. Нужно понимание всех физических факторов кинетики в конкретной химической системе. Задача прогнозирования всей кинетики сложной системы реакций, приводящих к структурному усложнению органического вещества, лишь недавно перед нами поставлена. На пути её решения возникают большие сложности, и пока получены только предварительные результаты, дающие надежду на успех. Эти результаты будут изложены в отдельной части данной работы. Там же будут на конкретном материале показаны механизмы проявления уже упомянутых свойств эволюционного процесса в молекулярном мире.
Супрамолекулярная эволюция
Выше было замечено, что развитие химических систем по молекулярному каналу эволюции не приводит к рождению макроскопических органических молекул. На этом этапе эволюция наталкивается на свой предел. В специальной части работы мы увидим, игра каких сил эволюции останавливает рост размеров молекул. А сейчас отметим особенности развития химических систем по новому каналу, – супрамолекулярному.
Супрамолекула это набор из двух или более сравнительно крупных органических молекул, связанных разного рода нехимическими силами, к которым принято относить и водородные связи.
Мы уже видели, почему у молекул имеется принципиальная возможность присоединять к себе другие молекулы, не вступая с ними в химические реакции. У поверхности молекулы всегда существуют сильные электрические поля, создающие дисперсионные возмущения в соседних молекулах, если они обладают поверхностями, согласующимися геометрически с поверхностью исходной молекулы. Создаются неглубокие потенциальные ямы для периферийных протонов. Эти потенциальные ямы являются общими для соседних молекул, и попавшие туда протоны образуют водородные связи. Ещё более слабые силы связывают поверхностные атомы по типу связей ван дер Ваальса.
Таким образом, в этом канале начинается уже новый этап эволюции, поскольку электрические силы здесь ослабляются по сравнению с внутримолекулярными и приобретают новую форму. Эта форма отражается законами, уже совершенно не похожими на закон Кулона, даже с учетом релятивистских поправок.
Для понимания особенностей этого канала химической эволюции важно учесть две характерные черты продукта эволюции. Супрамолекулы являют собой очень устойчивые ансамбли из настоящих органических молекул. И они способны к самосборке в условиях хаотического теплового движения. Это уже напоминает простейший генетический код. Поэтому академик А.И. Коновалов назвал супрамолекулы мостиком между живой и неживой материей.
В остальном же супрамолекулярный канал ярко демонстрирует все отмеченные выше общие черты эволюции материи.
Эволюция здесь довольно быстро наталкивается на препятствие безграничному наращиванию размеров и сложности новых структур. Это вполне объясняется особенностями электрических сил, проявляющих себя вблизи от поверхности крупного нейтрального ансамбля микрочастиц.
Эволюция здесь дает очень ценные в эволюционном плане объекты. Достаточно сказать, что молекула ДНК в живой клетке это особо крупная супрамолекула.
Супрамолекула не получается настолько совершенной, чтобы замкнуться самой в себе. У супрамолекулы обязательно имеется не заблокированный достаточно протяженный участок поверхности, на котором происходят химические превращения с участием других сложных молекул. Именно поэтому супрамолекулы обладают очень ценными реакционными свойствами. Настолько ценными, что именно по этому каналу материя устремилась к предбиологическому этапу эволюции – к самопроизвольному возникновению примитивного генетического кода. Под первичным генетическим кодом Э.М. Галимов понимает такие химические структуры, которые способны воспроизводить в будущем заключенную в них структурную информацию, несмотря на разрушающее воздействие различных природных факторов, например, хаотического теплового движения.
В специальной части данной работы мы будем обсуждать конкретные механизмы этого важного эволюционного процесса.
Биологический уровень эволюции
Даже на столь сложном этапе эволюции материя проявляет те же самые общие черты и закономерности своего структурного развития.
Исходными объектами ни в коей мере не являются атомы, из которых состоит живое вещество. Мы упоминаем этот факт, поскольку в литературе бытуют концепции комбинаторной сложности продуктов эволюции. Опытные факты показывают, что заготовками для развивающихся биологических объектов являются готовые супрамолекулы и крупные органические молекулы.
Действующими силами, понуждающими эти объекты к дальнейшей самосборке являются дисперсионные силы исключительно электрического происхождения. Они еще слабее сил, приводящих к самосборке супрамолекул. Однако в актах структурной перестройки молекул снова участвуют те электрические силы, которые принято называть химическими. А с физической точки зрения все эти силы являются различными проявления электрических взаимодействий атомов и их устойчивых конгломератов.
Со всеми объектами, исходными, промежуточными и конечными, биологическая эволюция обращается особенно бережно и экономно. Ни одна возникающая химическая структура не отменяется, все они включаются в следующие по сложности структуры. Точно также ни одна форма самостоятельно живших микроскопических организмов не уничтожается. Все эти примитивные формы включены в структуру современной живой клетки в статусе органелл.
Биологическая эволюция на своих различных этапах всегда наталкивается на некие пределы развития. Молекулярные структуры, независимо от их сложности, всегда остаются микрочастицами. На клеточном этапе животные и растительные круглые клетки никогда не выходят за микроскопические размеры. Это ограничение объясняется уже новыми фундаментальными силами Природы. В физике эти силы называют термодинамическими законами.
На уровне органов силы, цементирующие клеточные конгломераты, становятся вовсе слабыми. Клетки просто прилипают друг к другу.
Особую роль в биологической эволюции играет хаотическое тепловое движение. Здесь это не только механический поставщик возможностей встретиться в пространстве различным исходным объектам. Как мы показали в работе [10], без разрушающего воздействия теплового движения эти механизмы неработоспособны. Таким образом, хаос теплового движения здесь превращается в творческую силу Природы. А вся эволюционная предыстория живой материи подготовила почву для такого проявления хаоса. Мы видели, что с каждым предыдущим этапом эволюции физические силы, цементирующие ансамбли микрочастиц, всё уменьшались и уменьшались. И, наконец, достигли такой величины малости, что запаса тепловой энергии у окружения некого объекта биологической эволюции оказывается достаточно для разрушения этого объекта. И, в конце концов, достаточно для окончательного уничтожения целого биологического объекта, будь это орган или весь живой организм. Случается смерть. И, как выясняется, смерть является совершенно необходимым условием продолжения существования всего живого вещества нашей планеты, нашей биосферы.
Раз живые объекты доступны тепловому разрушению, то продукты биологической эволюции никогда не создаются совершенными. Совершенство природного объекта всегда связано с его очень высокой симметрией. А симметричные объекты, как известно из физики и из теории групп, тщательно прячут большинство своих физических свойств. Следовательно, они становятся нейтральными в плане внутренних превращений и внешних проявлений. Таковы, например, истинные кристаллы. Потому биологическая эволюция не включает в свои механизмы кристаллические тела.
В следующей части работы мы разберемся, почему и как разрушаются сложные биологически важные молекулы и супрамолекулы. А пока отметим самые яркие факты таких разрушений и их следствий.
Одно из самых совершенных созданий биологической эволюции это глаз крупного животного. Биологическая эволюция изобрела компартментацию, частичную изоляцию одних живых структур от других. Так вот, с конструкцией глаза эволюция немного перестаралась. Самая важная деталь оптической системы глаза, хрусталик, оказалась в почти полной изоляции от организма. В результате даже без патогенных воздействий белковые тела хрусталика постепенно разрушаются, и главная линза глаза становится мутной, а затем непрозрачной. Катаракта была известна ещё древним грекам, давшим ей это название (катаракта = под водой = глаз ныряльщика видит смутно). Слепнет с возрастом человек, и ему это очень неудобно. Нужен поводырь. Кит слепнет по той же причине. И порой без видимой причины выбрасывается на океанский пляж, будучи ещё полон сил.
Автору статьи посчастливилось беседовать с действующими врачами. Им был предложен следующий тезис для обсуждения.
Здоровьем можно назвать лишь полную работоспособность всех длинных биохимических циклов в организме. Поскольку эволюция неспособна создавать совершенные творения, ни в каком индивидуальном организме не может быть одновременно всех совершенных механизмов, выполняющих эти циклы. Следовательно, здоровья нет ни у кого. Изменить это положение невозможно, ибо его настроила и запустила сама Природа. Остается лишь помогать индивидууму справляться с нормальным нездоровьем. Это и есть задача и смысл медицины.
Врачи выслушали и согласились.
