§ 2. Основные ступени и закономерности развития химической формы материи
Все направления развития химического ведут от простого к сложному, от низшего к высшему, но последовательность основных ступеней явно выражена только на магистральной линии, где развитие представлено в наиболее богатом виде.
На магистрали химической эволюции выделяют три ступени: от атома до молекулы, от молекулы до полимера, от полимера до организма258. На первой ступени происходит формирование молекул (аминокислот, нуклеотидов и т. д.), которые впоследствии используются при построении живого.Вторая ступень — полимеризация молекул, имеющая упорядоченный характер. Мономеры объединяются не хаотично, а избирательно, по принципу химического сродства, о чем свидетельствует повторяемость последовательностей мономеров в полимере. В конце этапа появляются упорядоченные полимеры — предшественники белков, нуклеиновых кислот и т. д.259
На третьей ступени химической эволюции в процессе синтеза молекул-предшественников образуются структуры (протоклетки), во многом напоминающие современные клетки. В опытах по биогенезу обнаружено, что эти структуры имеют свойства, которые, по существу, представляют собой зародыши, аналоги важнейших свойств живого: самовоспроизведения, размножения, роста и т. д. В результате развития таких структур появляются первичные живые существа.
С позиций диалектического материализма последовательность ступеней всякого развития вообще имеет закономерный и необходимый характер, выражающийся в том, что каждая последующая ступень детерминирована содержанием предшествующей ступени. При этом детерминация одной ступени другой не означает, что все многообразие процессов,
258 См • Бернал Дж. Возникновение жизни, с. 59—61.
259 По мнению Л.Б. Меклера, синтез упорядоченных полимеров происходил в два этапа синтез элементарных блоков — олигопептидов и олигонуклеотидов, коллиенарных друг другу, и синтез полипептидов и полинуклеотидов, идентичных белкам и нуклеиновым кислотам, ибо современные белки построены из таких блоков — олигопептидов, содержащих 6—7 аминокислотных остатков; см.: Меклер Л.Б. О происхождении живых клеток: эволюция биологически значимых молекул — переход химической эволюции в биологическую. Новый подход к проблеме. — Журн. Все-союз. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева, 1980, т. 25, № 4, с. 471.
97
происходящих на данной ступени, с необходимостью вытекает из предшествующей ступени. Основные ступени развития необходимо связаны как качества и сущности. Из сущности первой ступени с необходимостью «вырастает» сущность второй и т. д.260. Это положение находит свое подтверждение в однозначной связи основных ступеней химической эволюции. Как показывают эксперименты, мономеры обязательно полимеризуются в определенные полимеры, полимеры — в надмолекулярные комплексы, напоминающие по структуре и свойствам современные клетки. Природа полимеров не является случайной по отношению к природе мономеров, природа надмолекулярных комплексов—к природе полимеров. Однако частные свойства каждого отдельного полимера или надмолекулярного комплекса не следуют с необходимостью из сущности предшествующего этапа. Как отмечает Дж. Бернал, особенностям, характеризующим различные полимеры, не присуща та же внутренняя необходимость, которая свойственна их основной конструкции261.
Основные ступени развития химического не случайны по отношению к сущности химической формы материи, в то время как реализация частных возможностей зависит от конкретных условий развития. Иначе, из сущности самого химического с необходимостью следует возникновение мономеров, полимеров и их комплексов, но не следует каждое отдельное изменение. Поэтому следует различать вопрос о закономерной последовательности основных ступеней развития химической материи, взятых в их основном содержании, и вопрос о проявлении этой необходимости в множестве частных событий. Смешение двух различных вопросов ведет к неправомерному отрицанию необходимого характера основных ступеней эволюции. Так, по мнению Ф. Крика, «эволюция есть процесс, течение которого по необходимости непредсказуемо»262. Такой вывод является следствием чисто вероятностного подхода к эволюционном} процесс}. Поскольку вероятность каждого шага эволюции весьма мала, ее ход оказывается непредсказуемым. Необходимая связь основных этапов, образующих единый мировой процесс, таким образом, растворяется во множестве случайностей («шагов» эволюции).
Детерминация основных ступеней развития химической формы материи не сводится лишь к непосредственной, попарной связи друг с другом, а имеет сквозной характер. Иначе говоря, существует общая закономерность развития химиче-
260 См.: Орлов В.В. Развитие материи как закономерный процесс, с. 41.
261 См.: Бернал Дж. Возникновение жизни, с 61.
262 Crick F. Life Itself. Its Origin and Nature, p. 114-
98
ского, в которой выражается его единство, общая направленность от низшего к высшему. В самой природе элементов жизни, в их неуничтожимой тенденции к синтезу со всеми сродственными веществами заложена необходимость основных этапов развития. Согласно Дж. Берналу, «создание материальной основы жизни делится на ряд определенных стадий в силу присущих атомам свойств, благодаря которым атомы самопроизвольно образуют на поверхности земли и ее гидросфере молекулы, полимеры и упорядоченные полимеры» 263.
С позиций концепции биохимического предопределения Д. Кеньона и Г. Стейнмана объединение составных компонентов и в конечном счете образование живых клеток предопределяется физико-химическими свойствами, присущими исходным соединениям. Иными словами, свойства живой клетки можно проследить до свойств исходных соединений, из которых эта клетка образовалась. Поэтому химическую эволюцию и возникновение жизни следует рассматривать не как некое маловероятное событие, а как процесс, протекающий определенным путем, обусловленным свойствами тех простых соединений, с которых этот процесс начинался. Конечные свойства систем выступают в качестве функций, свойств, присущих исходным реагентам, но с учетом изменений этих свойств под влиянием окружающей среды264. Предопределение, следовательно, не является полным, однозначно порождающим каждую последующую реакцию, а обусловливает существенное, главное в химическом процессе и его конечном результате.
Хотя проблема детерминации развития химической формы материи получила освещение во многих естественнонаучных и философских исследованиях, она нуждается в серьезном изучении. Дальнейшая разработка этой проблемы должна идти, как нам представляется, прежде всего в направлении исследования особенностей проявления в химической форме материи одной из основных закономерностей развития-аккумуляции содержания, выражающей сущностную сторону развития.
Вопрос об аккумулятивном характере развития химического является почти неисследованным. В той или иной мере он затрагивается лишь в работах Ю.А. Жданова и В.И. Кузнецова. Между тем фактический материал современной химии со всей определенностью указывает на аккумулятивный характер развития химической материи, на закономер-
263 Бернал Дж. Возникновение жизни, с. 242.
264 См.: Кеньон Д., Стейнман Г. Биохимическое предопределение, с. 309.
99
ное сохранение основных результатов предшествующего развития и включения их в последующие ступени.
Как уже отмечалось, аккумулятивный характер развития впервые в философии был описан Гегелем. Эту идею Гегеля классики марксизма восприняли как одну из рациональных сторон его философии. С диалектико-материалистической точки зрения развитие есть не простая смена состояний, а процесс накопления и обогащения содержания, аккумулятивный процесс.
Аккумулятивность развития химической формы материи проявляется прежде всего в образовании все более тяжелых элементов посредством увеличения числа входящих в атомы элементарных частиц и хорошо прослеживается в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Более выраженный характер аккумуляция содержания приобретает на магистральной линии развития химического в процессах полимеризации и поликонденсации. «Хитрость природы, — пишет Ю. А. Жданов, — состоит в том, что она использует простой процесс накопления в молекуле одинаковых групп и в соответствии с законом перехода количественных изменений в качественные получает при этом вещества с самыми разнообразными, подчас полярно противоположными свойствами» 265.
Уже в линейном полимере, построенном из идентичных структурных единиц, многократно повторяется и, следовательно, накапливается химическое содержание отдельных мономеров Несмотря на некоторою аддитивность своих свойств (полимер не теряет способности вступать в те же химические реакции, что и мономер за счет своих свободных концевых групп), полимер получает целостное химическое содержание, общий эволюционный потенциал благодаря химическим связям между мономерами При этом в коротком полимере последний либо равен сумме эволюционных потенциалов мономеров, либо «погашает» эволюционный потенциал мономера, что зависит от потенциала мономера. Так, например, этилен (СН2 = СН2) имеет двойную связь, которая намного прочнее простой связи, хотя и не равна двум простым. В этом случае основным типом химических превращений являются реакции присоединения по месту двойной связи В полиэтилене двойная связь отсутствует, а способность мономера к образованию других связей исчерпана Это и определяет малую химическую активность (инертность) полиэтилена, его очень низкий эволюционный потенциал А формальдегид (Н — С ^.q )> имеющий также двойною связь, но
265 Жданов Ю. А. Развитие материи и органическая химия, с 143
100
углерод-кислородную (полярную), полимеризуется с образованием линейных карбоцепных соединений, близких по реакционной способности и лабильности моносахаридам, которые служат строительными блоками полисахаридов — химических компонентов живого.
В длинных полимерах общее содержание и общий эволюционный потенциал становятся значительно сложнее и выше того содержания и потенциала, которые могли бы получиться при простом суммировании, о чем свидетельствует, например, существование трех резко различных по химической природе высокополимерных соединений (крахмала, гликогена и целлюлозы), состоящих из одного мономера — остатка Д-глюкозы
Еще больший рост содержания и эволюционного потенциала происходит в высокополимерах, построенных из разнородных мономеров. Белки, состоящие из 20 различных по химической природе аминокислот (различия связаны со специфической для каждой аминокислоты боковой группой), обладают всеми основными химическими свойствами: кислотностью и основностью, лабильностью и стабильностью, гидрофильностью и гидрофобностыо, линейностью и спиральностью и т д. В силу этого они аккумулируют в себе все многообразие основных функций. Белки выступают как катализаторы химических процессов и как структурные элементы: входят в состав сократительных систем; служат запасными питательными веществами и средством транспортировки различных веществ; играют роль гормонов и защитных агрегатов. Совместимость основных химических свойств и функций— это отличительный признак белков. По многообразию свойств и функций с белками не может сравниться ни один полимер
В особой форме аккумуляция содержания проявляется у нуклеиновых кислот в связи с их специфической ролью главного носителя генетической информации Нуклеиновые кислоты более просты по структуре и однообразны по функциям. ДНК представляет собой линейный полимер, образованный монотонно повторяющимися остатками сахара и фосфата, к которым присоединяются всего лишь четыре основания, связанные строго специфично (А — Т, Г — Ц). Все фантастическое разнообразие белков (1010-12) создается посредством изменения последовательности аминокислот, образования дисульфидных связей и спиралей, свертывания пептидных цепей и объединения двух или нескольких субъединиц в одну молекулу и т. д. В то же время не меньшее разнообразие нуклеиновых кислот (1010) достигается только за счет изменения последовательности четырех оснований Природа осно-
101
ваний, ориентация и оптическая форма дезоксирибозы или рибозы, природа связи между нуклеотидами почти не варьирует. Благодаря монотонности и жесткости структуры нуклеиновые кислоты оказываются в высшей степени приспособленными для выполнения функций хранения и передачи информации. Следовательно, по сложности своих специфических свойств и функций ДНК уступает белку, чьи реакционные возможности значительно превышают реакционные возможности нуклеиновых кислот. Однако любой по сложности белок синтезируется под контролем ДНК в соответствии с информацией, которую несет в себе данный цистрон (участок ДНК). Благодаря взаимосвязи с белками нуклеиновые кислоты, как носители генетической информации, получают дополнительную сложность особого рода.
Сами по себе нуклеиновые кислоты просты, ко при взаимодействии с ферментами они приобретают определенную значимость, становятся носителями информации о структуре и свойствах белков. Поскольку значения гораздо богаче по содержанию, чем кодирующие их знаки, сложность нуклеиновых кислот (их информационного содержания) становится эквивалентной сложности белков. Более того, эта сложность имеет значительную избыточность, так как ДНК способна кодировать специфику не 20, а 64-х аминокислот (из четырех типов нуклеотидов в сочетании по три можно построить 64 триплета).
Таким образом, в процессе полимеризации и поликонденсации можно выделить две формы аккумуляции содержания, свойственные белкам и нуклеиновым кислотам. В белках за счет многократного присоединения различных функциональных групп непосредственно накапливается огромное многообразие противоположных свойств и функций, а в нуклеиновых кислотах на основе монотонности структуры происходит своего рода обобщение, ведущее к появлению информационного содержания, содержания в сжатой, закодированной форме. Это есть обобщенная, информационная форма аккумуляции содержания.
Накопление содержания необходимо влечет за собой его универсализацию, обобщение. В процессе прямого субстратного синтеза содержание не просто накапливается, но приобретает все более общий характер, обогащается общими признаками (чертами), что приводит к расширению возможностей дальнейшего развития. Тенденция к универсальному развитию химического субстрата заложена в элементах жизни, способных к созданию молекул с самыми разнообразными функциональными группами, конфигурациями, размерами и широко распространенных во Вселенной. Как отмечает
102
Дж. Бернал, лишь эти элементы (а также сера и фосфор) обладают необходимой химической универсальностью и достаточно обильны во Вселенной266. Зрелость и полнота этой тенденции зависят от ступени химической эволюции.
На первой ступени развития химическое достигает относительно высокой универсальности благодаря образованию примерно 30 чрезвычайно распространенных мономеров (их синтез не связан со строго определенным местом и временем) и потенциально способных к выполнению самых разнообразных функций (например, нуклеотиды в живом являются участниками различных метаболических процессов и процессов переноса энергии, элементами генетического аппарата и др.)- По-видимому, их следует рассматривать как универсальных «предков» всех других биомолекул (свыше 150 аминокислот, встречаемых в живых организмах, ведут свое происхождение от 20 аминокислот, свыше 70 простых Сахаров — от глюкозы и т. д.) или как «первую азбуку живого»267.
На второй ступени тенденция универсализации химического заключается прежде всего в таком синтезе свойств мономеров, на основе которого развивается богатство химических превращений. Обобщая в себе основные свойства аминокислот, белок оказывается в субстратном и функциональном сродстве со всем химическим миром, становится способным ко всевозможным химическим реакциям и в этом смысле универсальным При этом в химических превращениях молекула белка не просто проявляет имеющуюся у нее устойчивость, но повышает ее и поэтому не разрушается, а, изменяясь (модифицируясь), сохраняет себя, в то время как простые молекулы теряют свою индивидуальность, превращаясь в новые вещества. «Изменение с сохранением индиви-дуальности» (Ю. А. Жданов) становится возможным благодаря относительной самостоятельности частей (реакционных групп), обусловливающей самостоятельность целого. Усиление относительной самостоятельности целого и его частей выступает существенной стороной универсализации химического на этом этапе. В нуклеиновых кислотах свойства нхклеотидов (линейность, комплементарность, лабильность и т. д.) обобщаются таким образом, что появляется универсальный генетический код, в котором последовательность кодирующих триплетов линейно соответствует аминокислотной последовательности.
На высшей ступени развития универсализация химического выражается в появлении такого субстрата (надмолекулярного комплекса), который, обобщая все основное содержание
266 См Бернал Дж. Возникновение жизни, с 77
267 См Ленинджер А Биохимия, с 26—27,
103
химического мира, становится максимально универсальным (т. е. имеет содержание общее всем объектам химического мира), может вступать в максимальное многообразие связей, способен изменяться в соответствии с любыми изменениями среды. Такая сложность и универсальность химического комплекса оказывается препятствием к самостоятельному устойчивому существованию. Самосохранение его оказывается возможным лишь в условиях более высокой, биологической организации.
Однако универсальность химического можно рассматривать только как универсальность множества частей, чрезвычайно изменчивых, высоко реактивных и чувствительных к изменениям среды. Хотя макромолекулы, надмолекулярные комплексы обладают целостностью, их реакционная способность имеет множественный характер, так как ока связана с множеством активных групп, не обобщена, не сведена к общей реакционной способности химического образования как целого. Как известно, характерной особенностью химии высокомолекулярных соединений является то, что простейшей «частицей», участвующей в химической реакции, служит элементарное звено. По числу прореагировавших элементарных звеньев судят о степени превращения высокомолекулярных соединений. В отличие от химического живое обладает общей реактивностью (общей реакцией организма на воздействие внешней среды), являющейся обобщением множества реакционных способностей химического комплекса.
Дальнейшее углубление проблемы детерминации развития связано с исследованием законов развития химической формы материи, так как они являются наиболее существенными детерминантами развития.
Еще по теме § 2. Основные ступени и закономерности развития химической формы материи:
- Глава 5. РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ФОРМЫ МАТЕРИИ КАК ЗАКОНОМЕРНЫЙ ПРОЦЕСС
- § 1. Направленность развития химической формы материи
- Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОЙ ФОРМЫ МАТЕРИИ И РАЗВИТИЯ
- Васильева Т. С.. Химическая форма материи и закономерный мировой процесс.1984, 1984
- § 1. Специфика химической формы материи
- § 2. Проблема химической формы материи и движения в современной науке. Обзор концепций
- 3-2. Дуализм сознания и материи — закономерный этап развития
- 2.3. Экономические системы: основные ступени развития
- Глава вторая МАТЕРИЯ И ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ EE СУЩЕСТВОВАНИЯ
- 8.3 Основные закономерности развития государства.Государственный прогресс
- § 57. Основные закономерности развития экономической системы в конце XX — начале XXI в.
- Материя, таким образом, - возможность; форма - действительность. Вещь же - единство формы и материи: возможность, ставшая действительностью.
- 7.5, ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ И РАССЕЯННОЙ МАТЕРИИ. ОПТИМОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В СИСТЕМНО-ФИЛОСОФСКОЙ НКМ
- § 2. Специфика химического способа развития
- 4-5. Социализм, как ступень нашего развития
- § 1. Вклад химического способа развития в биологический
- Основные виды, формы и методы реализации электронного банкинга, их происхождение и пути развития до настоящего времени
- 5. Рабовладельческая общественно-политическая формация достигла высшей ступени развития в Римском государстве.
- Вопрос 4. Основные закономерности эволюции государства
- 21.4. Основные закономерности переходного периода