Размещено на http: //www. allbest. ru/

Содержание

• Введение
• 1. Теория химической эволюции
• 2. Влияние ноосферы на химическую форму материи
• Заключение
• Список использованной литературы
• Введение

В условиях современной научно-технической революции, начавшейся в сороковых годах XX века, возник глубокий экологический кризис. Вопрос о химических основах человеческого существования приобрел особую остроту, так как нарастающие химические загрязнения внешней и внутренней среды живого ставят под угрозу само существование биологической жизни и человечества на Земле. Необходимость целостного подхода ко всей совокупности химических факторов среды привела к формированию особой научной дисциплины - химической экологии.

Одним из предшественников современной химической экологии был академик В.И. Вернадский. Он разработал учение о ноосфере - особой, постоянно расширяющейся части природы, преобразованной действием человеческого разума («ноо», или «нус» по-древнегречески означает разум). Трудовая деятельность человека, подчеркивал В.И. Вернадский, все больше и больше преобразует геологическую форму материи (которая, как известно, слагается из химических веществ). «Ноосфера, - пишет выдающийся русский ученый, - есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область всей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед ним открываются все более и более мирские творческие возможности... Что касается наступления ноосферы, то эмпирические результаты такого «непонятного» процесса мы видим на каждом шагу. Минералогическая редкость - самородное железо вырабатывается теперь в миллиардах тонн. Никогда не существовавший на нашей планете самородный алюминий производится теперь в любых количествах. То же самое имеет место по отношению к почти бесчисленному множеству вновь создаваемых на нашей планете искусственных химических соединений (биогенных «культурных» минералов). Масса таких искусственных минералов непрерывно возрастает. Все стратегическое сырье относится сюда. Лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и, главным образом, бессознательно. химический биологический материя ноосфера

Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все ее природные воды. В результате роста человеческой культуры в XX в. все более резко стали меняться прибрежные моря и части океана.

В настоящее время идеи В.И. Вернадского о влиянии социальной формы материи на химическую получили более детальную разработку.

1. Теория химической эволюции

Идея взаимосвязи между необратимыми реакциями и процессом развития подробно разработана бельгийским физико-химиком российского происхождения, лауреатом Нобелевской премии 1977 г. И. Пригожиным. В применении к химической форме материи его описание процесса развития может быть выражено следующими положениями. Система с большим числом взаимодействующих элементов (например, молекул А и В) способна находиться либо в состоянии, близком к равновесию, либо в сильно неравновесном состоянии. Во втором случае, при удалении от равновесия, система «теряет свой иммунитет к возмущениям» и становится неустойчивой. Если эти возмущения (например, химические реакции с нелинейными стадиями, в частности автокатализ) оказываются достаточно сильными, то система достигает так называемой точки бифуркации (разветвления). В точке бифуркации система делает реальный выбор - развитие должно пойти дальше только по одному из двух (или нескольких) первоначально возможных взаимоисключающих направлений. В периоды между областями бифуркаций поведение системы жестко детерминировано.

Однако выбор направлений дальнейшего развития, проходящий в точке бифуркации, не может быть предсказан заранее на основе каких-либо законов природы. Невозможен и возврат к старому состоянию системы, которое было до бифуркации. Подобные точки выбора, делающие дальнейшую эволюцию системы необратимой и непредсказуемой, неизбежно присутствуют в любом процессе развития. Поэтому «необратимость есть источник порядка на всех уровнях. Необратимость есть тот механизм, который создает порядок из хаоса» и, можно добавить, формирует также сам процесс прогрессивного развития. «Историческая» траектория, по которой эволюционирует система при увеличении управляющего параметра, - пишут И. Пригожий и И. Стенгерс, - характеризуется чередованием устойчивых областей, где доминируют детерминистические законы, и неустойчивых областей вблизи точек бифуркации, где перед системой открывается возможность выбора одного из нескольких вариантов будущего. И детерминистический характер кинетических уравнений, позволяющих вычислить заранее набор возможных состояний и определить их относительную устойчивость, и случайные флуктуации, «выбирающие» одно из нескольких возможных состояний вблизи точки бифуркации, теснейшим образом взаимосвязаны. Эта смесь необходимости и случайности и составляет «историю» системы». Развитие природы (в том числе химического вещества) рассматривается, таким образом, как результат накопления необратимых изменений.

Наиболее подробно разработанным вариантом общей теории химической эволюции является в настоящее время теория саморазвития открытых каталитических систем А.П. Руденко. Он считает процесс химической эволюции неотделимым от явления катализа. Объектом химической эволюции является не отдельная молекула, а каталитическая система.

Катализ - это специфически химический способ изменения вещества, явление ускорения химических реакций с помощью специальных веществ. Вещество-катализатор не расходуется в ходе реакции, не входит в субстрат продукта, но ускоряет ход процессов порой в тысячи раз. Ряд химических взаимодействий вообще невозможен без соответствующих катализаторов. Наиболее сложным случаем катализа является автокатализ, возникающий при обратном каталитическом воздействии продукта реакции на вступающие в нее исходные вещества. В химической форме материи, таким образом, впервые возникает своеобразная способность многократного самоускорения изменения и развития.

Каталитические реакции крайне разнообразны и многочисленны. Это главный предмет исследования современной химии. Почти весь экспериментальный и теоретический материал, которым она располагает, относится преимущественно к каталитическим реакциям.

Теория эволюционного катализа А.П. Руденко основана на мультиплетной теории катализа А.А. Баландина, в которой идея химической эволюции еще не была предметом специального исследования. Основные положения теории А.А. Баландина сводятся к трем главным выводам.

1. Катализ может быть только положительным, т.е. катализаторы увеличивают скорость реакции.

2. Катализаторы способны ориентировать реакции в одном из возможных направлений.

3. Катализаторы химически взаимодействуют с реагентами и создают промежуточный (мультиплетный) комплекс, обладающий свойствами переходного состояния (по терминологии Ю.А. Жданова - активированный комплекс). А.П. Руденко называет такой промежуточный комплекс элементарной каталитической системой. Если каталитическая реакция сопровождается постоянным притоком извне новых реагентов, отводом готовых продуктов и выполнением еще некоторых условий, реакция может протекать неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы, согласно А.П. Руденко, приобретают статус элементарных открытых каталитических систем (общепринятое обозначение - ЭОКС). В работах А.П. Руденко изложена детально разработанная им теория саморазвития открытых каталитических систем. Выделив 4 феноменологических принципа описания процесса развития (вероятностный, кинетический, термодинамический и информационный), А.П. Руденко формулирует с их помощью основной закон саморазвития ЭОКС: с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются наиболее прогрессивные пути развития каталитических систем, связанные с ростом абсолютной каталитической активности.

В процессе развития каталитических систем складываются механизмы конкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитической активности. Возникает явление автокатализа: продукты реакции выступают как катализаторы, ускоряющие ее дальнейшее протекание. Благодаря автокатализу реакции становятся самоускоряющимися. На некоторой ступени развития ЭОКС достигается так называемый первый кинетический (температурный) предел саморазвития, когда рост абсолютной скорости базисной реакции начинает лимитироваться постоянным уровнем температуры в системе. Преодолевается первый кинетический предел за счет превращения отдельных монофункциональных центров катализа в полифункциональные: иными словами, эти центры (то есть отдельные ЭОКС) приобретают способность осуществлять одновременно не один, как раньше, а два или несколько полных цикла базисной реакции. При дальнейшем развитии ЭОКС достигает второго кинетического предела саморазвития, обусловленного тем, что скорость реакции начинает лимитироваться концентрацией реагирующих веществ. Способом преодоления второго кинетического предела «является формирование механизма пространственного структурного разобщения однородно полифункциональных сложных центров катализа, приводящего к точной пространственной редупликации сложных каталитических систем, к их пространственному разъединению и последующему самостоятельному существованию». Самовоспроизведение, или точная пространственная редупликация, - это уже механизм не химической, а биологической эволюции. Он является, по существу, главным способом роста любых живых тканей: с матрицы, роль которой выполняет молекула ДНК или РНК, считывается наследственная информация, и на основе этой информации строится новая молекула. Поэтому второй кинетический предел - это предел добиологической химической эволюции вообще. С достижением способности к самовоспроизведению завершается высший этап прогрессивной химической эволюции сложных каталитических систем. Вместе с тем исчерпываются все возможности добиологической эволюции простых и сложных каталитических систем, определяемые законами химии, и начинается биологическая эволюция.

Можно, таким образом, сделать вывод, что теория А.П. Руденко заполняет важный пробел в учении о развитии материального мира. Разработанные ранее эволюционные модели (коацерваты А.И. Опарина, автокаталитические системы М. Кальвина, микросферы С. Фокса) слабо объясняли причины и движущие силы эволюционного процесса - оставалось неясно, почему должна осуществляться добиологическая эволюция, в чем состоит ее основной принцип. Теория саморазвития открытых каталитических систем является попыткой объяснить движущие силы и механизмы эволюции химического вещества. Процессы прогрессивного усложнения, роста каталитической активности, автокатализа в ЭОКС приводят к возникновению все более сложных химических явлений, а затем и к возникновению жизни.

Эволюционная химия и связанные с ней биохимические технологии остаются наиболее сложным и перспективным направлением развития химической науки и химического производства.

Эволюцию химических соединений на нашей планете можно разделить на 4 стадии: 1) неорганическую, 2) органическую, 3) биохимическую, 4) антропогенную.

Первая стадия, неорганическая, связана, как известно, с химическими превращениями без образования цепей из атомов углерода -элемента, обладающего наибольшим эволюционным потенциалом. К этой стадии принадлежат наиболее простые вещества и процессы.

Вторая стадия - органическая химия, то есть химия соединений углерода. На данной стадии происходит резкое усложнение химизма и формируются все необходимые и достаточные предпосылки для возникновения жизни.

Третья стадия - биохимия, химия живого. С возникновением жизни химическая форма материи перестает быть высшей, наиболее сложной формой материи на Земле. Наиболее сложной формой материи теперь является биологическая. Между ней и химическим возникает отношение простого и сложного, низшего и высшего. Это отношение подчинено нескольким общим диалектическим закономерностям, к которым относятся: 1) возникновение высшего из низшего; 2) сохранение большей части низшей формы материи в качестве широкой природной среды высшего; 3) включение части низшей формы материи в высшую; 4) подчинение «включенного» низшего высшему; 5) возникновение нового интегративного качества высшей формы материи. Конкретизируем эти закономерности применительно к специфике соотношения химического и биологического.

1. По современным представлениям жизнь возникает из химических процессов, хотя воспроизвести переход от неживого к живому пока не удается.

2. После возникновения жизни большая часть химического вещества продолжает существовать по своим собственным законам вне живых организмов. Это вещество служит внешней средой, с которой живое находится в постоянной подвижной связи (так называемый обмен веществ между организмом и средой). Эту связь изучает экология - наука об отношении организма и среды. Их отношения строятся по специфическим экологическим законам, возникающим в результате взаимодействия законов химии и биологии.

3. Другая, меньшая по объему часть химической формы материи после возникновения живого включается в субстрат живых организмов. Эта часть химического мира может быть названа «включенным низшим»: низшая форма материи, оставаясь низшей, химической, в то же время входит в состав живых существ. Отношения включенного низшего с высшим сильно отличается от отношений между свободным («не включенным») химическим веществом и жизнью. Биохимия, или химия живого, намного сложнее «свободных» химических процессов, существующих вне живого вещества. В то же время биохимия - часть химической науки в цепом, в ней действуют (правда, в особых, наиболее развитых формах) все химические законы. Химические процессы этого типа являются основой жизни, они воздействуют на биологические явления, накладывая на них своеобразные ограничения. Например, известно, что преимущества в борьбе за выживание обычно имеют животные, которые наиболее эффективно используют получаемую через пищу энергию, обладают большей быстротой реакции, большей скоростью передвижения, большей физической силой и т.п. Однако возможности увеличения энергетической экономичности организма, быстроты реакции, скорости движения, выносливости, физической силы непосредственно зависят от энергетики и скорости протекания биохимических реакций. Законы химии очерчивают некие пределы возможностей эволюции живого, и эти химические ограничители прямо влияют на протекание такого чисто биологического процесса, как естественный отбор.

4. Подчинение «включенного» химического биологическому состоит в том, что биохимические процессы развиваются под контролем биологических процессов и законов, например, естественного отбора. Химический синтез в живом организме направлен на поддержание его жизнеспособности. «Отныне, - отмечает Ю.А. Жданов, - синтез подчинен условиям жизнедеятельности организмов как целого, он обслуживает их сообщества, он направлен в сторону дифференциации соединений: возникают специфические вещества, характерные для отдельных классов, видов и даже организмов». Живое не может эволюционировать, не совершенствуя свою химическую основу. Но в то же время все законы живой природы - закон естественного отбора Ч. Дарвина, биогенетический закон Геккеля, законы наследственности Менделя и Моргана и т.п. - имеют качественно новый, биологический, а не химический характер.

5. В живой природе возникает новое качество - собственно жизнь. Имея в своей основе сложные механизмы химического синтеза, жизнь в то же время не может быть сведена даже к самому сложному набору химических процессов. Ф. Энгельс называл жизнь бесконечным, возобновляющим и поддерживающим себя химическим процессом, специфическим способом существования белковых тел, процессом обмена веществ между организмом и средой. По современным представлениям переход от неживого к живому - это возникновение точной пространственной редупликации, или матричного копирования, осуществляемого посредством нуклеиновых кислот. Если химическое вещество возникает и преобразуется в ходе химических реакций, то живой организм строится по программе, записанной в молекулах ДНК и изменяющейся по законам генетики. Живое вещество разделено на дискретные образования - организмы, более простыми прообразами которых являются открытые каталитические системы А.П. Руденко. Как бы ни уточнялись в дальнейшем отдельные различия живого и неживого, факт существования самостоятельного биологического качества не вызывает сомнений.

Наконец, четвертая стадия развития химического вещества, на которой следует остановиться более подробно, - антропогенная.

Поскольку жизнь общества осуществляется на основе и посредством биологической жизни, последняя, по-видимому, должна изменяться с изменением социальной жизнедеятельности. Развивая эту мысль далее, необходимо признать, что в ходе социального прогресса изменяется ни только биологическая, но и химическая основа человеческого существования, химическая основа общества включает в себя четыре момента (уровня, пласта):

1) химию природной среды,

2) химию производства,

3) химию человеческого организма,

4) химию обменных процессов между средой и организмом, осуществляющихся посредством питания, дыхания и лекарственных воздействий. Существуют, таким образом, химические основы социального прогресса, включающие в себя четыре перечисленных момента.

2. Влияние ноосферы на химическую форму материи

Каждый этап развития общественного производства характеризуется особой, специфичной именно для него совокупностью химических условий существования - как естественных, так и искусственных, техногенных. В процессе развития общества техногенная химическая среда постоянно расширяется. Как высшая ступень развития материи, человек Доводит миграцию атомов до огромных размеров, вовлекает в химическую эволюцию ряд новых химических элементов, создает химические вещества, не существовавшие в природе ранее. По подсчетам В.И. Вернадского, ежегодно человечество перемещает в результате хозяйственной деятельности такой же объем твердого вещества, какой все реки мира выносят в океаны.

Современная научно-техническая революция порождает крупномасштабные процессы химизации производства. Уже известно более 10 миллионов химических соединений, и ежегодно синтезируется около полумиллиона новых химических веществ. Современный человек, по существу, живет в созданной им самим искусственной среде, причем многие люди живут в окружении, в котором почти отсутствуют встречающиеся в природе исходные материалы. Нарастание воздействия человека на химическую среду в результате расширения и качественного изменения характера технологических процессов в промышленности требует радикальной перестройки химической науки. Эта перестройка будет осуществляться, по-видимому, по четырем главным направлениям:

1) включение «чистой» химии, оперирующей преимущественно идеализированными объектами, в теорию химической технологии, изучающую многофакторные и многовариантные ситуации;

2) привлечение для решения комплексных задач химического производства новых специальных разделов физики, механики неоднородных сред, кибернетики, математической статистики, экономики, экологии;

3) выдвижение новых идей, относящихся к химии нормальных и экстремальных состояний, к классической и неравновесной кинетике на базе математизации;

4) переход на основе новых поколений ЭВМ к более совершенным методам математического моделирования.

Современное производство радикально изменяет химию обменных процессов. Особый интерес к ним вызван тем, что здоровье и продолжительность жизни современного человека во многом имеют химогенный характер, то есть зависят от целенаправленного применения химических веществ. Есть шутливое определение человека, согласно которому он является животным, имеющим потребность в лекарствах. Интенсивное применение фармакологических препаратов позволяет выживать даже людям с врожденными генетическими дефектами, которые при отсутствии лекарств были бы несовместимы с жизнью. В XX веке переход к массовому производству лекарств, особенно к применению антибиотиков, вызвал крупные сдвиги в механизмах биологической эволюции человека. Эти сдвиги состоят в основном в следующем.

Известно, что главными факторами биологической эволюции является естественный отбор, мутационный процесс, изоляция и волны численности. Мутационный процесс, то есть возникновение в хромосомах живого организма случайных мутаций, ускоряется у современного человека под воздействием лекарственных препаратов, загрязнения окружающей среды и воздействием искусственно созданных источников радиоактивного излучения (рентгеновский аппарат, испытания ядерного оружия, аварии на атомных электростанциях и т.п.). Другой фундаментальный фактор биологической эволюции - волны численности (так называемые популяционные волны). Под действием самых разных причин численность биологических видов может время от времени увеличиваться или уменьшаться, причем иногда очень резко. (Максимальные зарегистрированные биологами колебания - увеличение популяции майского жука в 1 миллион раз). Совсем недавно численность вида Homo sapiens также была подвержена резким колебаниям. Всего несколько столетий назад во время эпидемий чумы и холеры население Европы сокращалось в десятки раз. В XX веке в результате революции в медицине (прежде всего - открытия А. Флемингом антибиотиков) инфекционные заболевания перестали приводить к высокой смертности и крупные колебания численности Homo sapiens прекратились. Прекращение влияния популяционных волн на развитие человечества произошло благодаря открытию и искусственному синтезу новых типов химических веществ - высокоэффективных лекарственных препаратов.

В процессе общественного развития закономерно изменяется потребность в химических веществах, которые человек должен получать с пищей. Пока основным источником энергии в трудовой деятельности человека оставалась его физическая сила, главным фактором в обеспечении организма питательными веществами было количество потребляемой пищи, а не содержание в ней конкретных химических веществ. Предельные физические нагрузки на организм требовали преобладания в структуре питания высококалорийных продуктов. Нормы питания были ориентированы прежде всего на удовлетворение энергетических потребностей организма. С изменением характера двигательных действий (сокращением нагрузок на мышечную систему и увеличением объема нервных нагрузок), связанным с увеличением степени автоматизации труда, потребность в «пустых калориях», несущих только энергию, уменьшается. Одновременно увеличивается потребность организма в строго определенных химических веществах, обеспечивающих нормальное функционирование отдельных органов и тканей - в первую очередь тканей мозга - в условиях возрастания психических нагрузок. Вопрос о нормах потребления незаменимых химических веществ, которые не синтезируются в организме, либо же синтезируются в недостаточных количествах, пока не полностью решен в биологии и медицине.

Длительное несоблюдение достаточно строгих отношений между незаменимыми факторами питания приводит к нарушениям нормального течения обменных процессов и возникновению болезней. Даже в тех случаях, когда соответствующие нормы выявлены наукой, их практическое, реальное достижение затруднено нерешенностью социальных проблем. Так, в настоящее время болезни, связанные с нарушением белкового липидного обмена, составляют в ряде случаев 20-40% всех заболеваний городского населения некоторых стран. От белкового голодания, по данным ООН, страдает более половины населения планеты.

Деятельность человека в эпоху научно-технической революции внесла изменения в глобальный естественный круговорот веществ. В окружающей среде произошло увеличение содержания двуокиси серы и продуктов ее превращений, тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия), окислов азота, окиси углерода, ядохимикатов. Так, в Атлантическом океане ДДТ обнаружен на глубине 800 м. Самое крупное по масштабам вмешательство человека в естественный круговорот веществ - промышленная фиксация азота. За год промышленным способом фиксируется столько азота, сколько могли зафиксировать все экосистемы Земли до введения современной агротехники.

Основными причинами роста патологических аномалий у человека являются токсические вещества, лекарственные препараты, белковая недостаточность, высокотемпературная обработка пищевых продуктов, ведущая к снижению в них до минимума содержания важнейших химических веществ и приобретению некоторыми продуктами канцерогенных свойств. У человека довольно велика опасность лекарственного мутагенеза (то есть возникновения опасных мутаций в результате воздействия лекарственных препаратов). Широко применяемые в настоящее время синтетические лекарства, а также пищевые добавки образуют своеобразный пресс, постоянно давящий на химические основы существования человечества. В условиях постоянного роста антропогенного потока химических соединений даже сформировавшиеся в ходе эволюции способы обезвреживания чуждых организму веществ стали усиливать токсичность промышленных ядов, лекарств, пестицидов. Исследования переработки в человеческом организме некоторых полициклических ароматических углеводородов показали, что сами по себе эти соединения не канцерогенны, но при действии гидроксилаз клеток печени становятся мощными канцерогенами.

Резкое нарушение баланса поступления различных химических веществ во внешнюю и внутреннюю среду в результате расширения масштабов химической деятельности человека ведет к изменению соотношения химических элементов в организме, накоплению в нем чужеродных веществ. Создаваемая человеком искусственная химическая среда становится все более опасной, агрессивной. Это приводит к возникновению химико-генетической угрозы для общества. По мнению известного генетика В.П. Эфроимсона, у человека происходит очень интенсивный процесс возникновения вредных мутаций. Это может привести к резкому увеличению с некоторого момента различных аномалий.

Заключение

Особенности взаимодействия современного общества с окружающей его химической средой требуют некоторых корректировок в развитии техники, экономики и общества в целом. Управление природной средой должно иметь не одномерный, а многоуровневый, иерархический характер. Управляющая деятельность человека должна учитывать специфику каждого из относительно самостоятельных уровней природной среды. В силу глубокой зависимости человеческой жизнедеятельности от ее природных основ программирование развития общества будет непрерывно расширяться, включая все более широкий круг природных основ, которые общество сможет подчинять своему контролю по мере роста научных, технических и экономических возможностей. По-видимому, в обозримом будущем программа социального развития должна будет включить в себя в качестве составных частей программы социально-биологического развития и управления химической средой. Целенаправленный контроль, управление химическими основами социального развития предполагает систематическое наблюдение за состоянием химической природной среды, внутренней химической среды человеческого организма, химии обменных процессов, химии промышленного и сельскохозяйственного производства. Важной составной частью управления химическими основами человеческого существования является оценка химических последствий (изменения внешней и внутренней среды человека) человеческой деятельности и социально-биологических последствий изменения внешней и внутренней химической среды. Теоретические основы такого комплексного двухстороннего анализа науке еще предстоит создать.

Список использованной литературы

1. Войткевич Г. В. Химическая эволюция Солнечной системы. - М.: Наука, 1991.

2. Дубнищева Е.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск, 2007 - 400 c.

3. Мотылева Л.. Концепция современного естествознания. - СПб., 2000. - 356 с.

4. Современное естествознание: Энциклопедия: В 10-ти томах. - М.: ИД «МАГИСТР-ПРЕСС», 2000. - Т. 2. - Общая биология.

Размещено на Аllbest.ru