Каждая фщ. единица (атом, ион или молекула), содержащая в орбитали неспаренный электрон, следуя законам движения Материи в качестве (), стремится к установлению с партнерами атомной связи и поэтому обладает высокой реакционной способностью, проявляющейся прежде всего в реакциях замещения (Na + H2O = NaOH + H) и присоединения (H + H = H2 или H + Cl = HCl ).
Связь между атомами, осуществляемая общей электронной парой, может возникнуть и другим путем. Если в атомной орбитали одного атома (Д) находятся два электрона, а у другого атома (А) имеется вакантная атомная орбиталь, то связь между ними образуется за счет пары электронов первого атома (Д: А). Атом Д, предоставляющий для образования связи электронную пару, является донором, а атом А, обладающий свободной орбиталью, - акцептором.
Образование донорно-акцепторной связи протекает по пути, отличающемуся от механизма ковалентной связи, но приводит к такому же результату. При этом происходит усложнение состава и структуры веществ с образованием сложных "комплексных" соединений, несущих свою строго определенную функциональную нагрузку. Как правило, один из атомов (обычно акцептор), располагаясь в центре, координирует вокруг себя единицы, вступающие с ним в донорно-акцепторную связь, называемую еще поэтому координативной связью. За счет координативной связи происходит химическое насыщение атома, в результате чего внутренняя энергия системы взаимодействующих атомов понижается. Благодаря этому общая валентность атома (как суммы всех его связей) может быть достаточно высокой.
Итак, при установлении химической связи атом предоставляет партнеру либо атомную орбиталь с двумя свободными фн. ячейками (акцептор), либо атомную орбиталь с одним электроном и одной свободной фн. ячейкой, либо атомную орбиталь с парой электронов - фщ. единиц (донор). Поэтому валентность элемента равна общему числу орбиталей его атома, принимающих участие в образовании химических связей. При заполнении электронами фн. ячеек всех возможных атомных орбиталей атом химически насыщается и становится неспособным к установлению дополнительных химических связей
В общем случае образование каждой дополнительной валентной связи приводит к дальнейшей стабилизации молекулы, поэтому наиболее устойчивыми молекулами являются такие, в атомах которых все стабильные атомные орбитали либо использованы для образования связей, либо заняты неподеленными парами электронов.
Ковалентная, как и донорно-акцепторная химическая связь образуется между атомами, расположенными в пространстве друг относительно друга определенным образом - направленно. И поэтому, чем полнее в пространстве перекрываются друг с другом две атомные орбитали, участвующие в химической связи, тем меньшим запасом энергии обладают электроны, находящиеся в области перекрывания и осуществляющие связь, и тем прочнее химическая связь между этими атомами. Направленность химических связей в пространстве придает всем многоатомным частицам (молекулам, ионам, радикалам) определенную конфигурацию. От нее зависит внутренняя структура вещества, а также его фн. свойства.
Параллельно с развитием структуры фщ. единиц уровня Г происходило дальнейшее разделение их фн. свойств. Примером этому может служить деление единиц на диамагнитные и парамагнитные. Первые оказывают прохождению магнитных силовых линий сопротивление большее, чем "вакуум", а вторые проводят их лучше, чем "вакуум". Поэтому внешнее магнитное поле выталкивает диамагнитные вещества и втягивает парамагнитные. Столь различное их поведение объясняется особенностями структурного построения, диктуемого законами нижних организационных уровней, и действие которых определяет характер внутренних магнитных полей вещества, складывающихся из собственных магнитных моментов нуклонов и электронов. Магнитный момент любого атома определяется все же, главным образом, суммарным спиновым магнитным моментом электронов, так как магнитные моменты протонов и нейтронов примерно на три порядка меньше моментов электронов. Если два электрона находятся в одной орбитали, то их магнитные поля замыкаются, так как оба они могут иметь антипараллельные спины. Поэтому, если в веществе, представляющем сумму однородных единиц, магнитные моменты всех электронов взаимно скомпенсированы, то есть все электроны спарены, то это вещество диамагнитное. Напротив, если в орбиталях имеются холостые электроны, то вещесто проявляет парамагнетизм. Примерами диамагнитных веществ могут служить молекулярные водород, азот, фтор, углерод и литий (в газообразном состоянии). К парамагнитным относятся молекулярный бор, кислород, окись азота.
Вещества с аномально высокой магнитной восприимчивостью (например, железо) относятся к ферромагнитным. Однако, ферромагнетизм проявляется ими только в твердом состоянии.
Здесь следует также отметить, что одним из важных видов химических взаимодействий, возникших в период движения Материи в своем развитии по уровню Г, являются окислительно-восстановительные реакции. К ним относятся реакции, в результате которых изменяются степени окисленности элементов, то есть происходит взаимное перемещение электронов вступивших в реакцию веществ, при этом происходит отдача электронов одними молекулами (окисление) и присоединение их другими (восстановление). Окислительно-восстановительные реакции играют большую роль при протекании в биологических системах таких процессов, как фотосинтез, дыхание, пищеварение и т.п.
Таким образом, в ходе развития Материи по организационному уровню Г функциональная дифференциация атомов стала причиной их структурной интеграции в молекулы.
Уровень Д
Все окружающие нас тела и вещества представляют собой совокупности большого числа фщ. единиц уровня Г - молекул, ионов, радикалов со строго определенными фн. свойствами - тем или иным образом расположенным в пространстве и объединенным в соответствующие системные образования уровня Д. Их взаимное расположение в пространстве не является случайным, а подчинено объективным законам общей теории систем, в соответствии с которыми они заполняют предназначенные для них фн. ячейки в структурах системных образований более высокого порядка. В зависимости от характера взаимодействий фщ. единиц, регламентируемых алгоритмами соответствующих фн. ячеек, объединяющее их вещество находится в одном из фазовых состояний, свойства которого предопределяют структуру фиксирования фн. ячеек и поведение заполняющих их фщ. единиц.
Различают три основных типа фазовых состояний вещества - газообразное, жидкое и твердое. Кроме того, существуют такие фазовые состояния, как плазменное и сверхпроводимое. Отличие всех состояний друг от друга заключается в системной организации входящих в них фщ. единиц, их взаимном расположении в пространстве и уровне их энергии. При переходе вещества из одного фазового состояния в другое прежде всего происходит структурная перестройка системы фн. ячеек, отражающей запас внутренней энергии вещества, его теплоемкости, плотности и т.п. Вместе с тем, любая система единиц уровня Г обладает определенным числом степеней свободы, равным числу условий, которые могут быть изменены произвольно (в определенных пределах), не вызывая в системе фазовых переходов.
Вполне естественно предположить, что в начальный этап движения Материи по уровню Д небольшие объединения Г-образований в дальнейшем приобретали все более сложную структурную композицию, включающую первоначальные микросистемы в качестве фщ. единиц и объединяя их в более крупные макросистемы. Фазовое состояние каждой макросистемы уровня Д прежде всего зависит от состояний всех входящих в него микросистем и характеризуется его термодинамической вероятностью. Таким образом, подчиняясь статистике, система стремится перейти в такое макросостояние, которому соответствует большее число вариантов микросостояний.
С ростом числа вариантов повышается вероятность перехода системы в данное состояние и вместе с тем уменьшается упорядоченность в расположении частиц, то есть увеличивается "беспорядок" в системе. Под этим подразумевается расширение набора как скоростей, так и направленности движения (поступательного, колебательного, вращательного) в пространстве фщ. единиц всех подуровней, составляющих систему (молекул, атомов, электронов и т.д.). Указанное отражает стремление Материи в соответствии с законами своего Развития через системные состояния уравновесить свое движение в качестве-пространстве-времени. Поэтому системы, подчиняясь закономерностям развития в трех категориях, стремятся перейти в состояния, обеспечивающие их наибольшую стабильность, однако при этом все большую роль играет степень изолированности (или замкнутости) данной системы, определяющая ее способность учавствовать в создании фщ. единиц более высокого порядка в соответствии с требованиями .
Кроме того, необходимо учитывать, что каждая система уровня Д обладает уже значительным по величине (по сравнению с более низкими уровнями) запасом внутренней энергии, складывающейся из энергии движения, колебания и вращения всех молекул, энергии движения электронов и ядер в атомах, энергии нуклонов, то есть из суммарной энергии всех видов движения всех фщ. единиц нижних уровней, входящих в структуру данной системы. На запас внутренней энергии не влияет положение или перемещение системы в пространстве в качестве фщ. единицы организационного уровня следующего порядка, поэтому кинетическая и, в отдельных случаях, потенциальная энергия системы в целом не являются компонентами ее внутренней энергии, которая зависит только от оргуровня системы, а также от степени ее изолированности.
В случае отсутствия замкнутости системного образования () в системе могут протекать лишь процессы, ведущие к уменьшению внутренней энергии, совершенствованию системной организации, свободному движению Материи в пространстве-времени-качестве. В замкнутых в той или иной степени системах (не обменивающихся с внешней средой фщ. единицами и энергией) могут протекать только такие процессы, при которых энтропия системы возрастает.
Многое из сказанного подтверждается уже рассмотренной нами формулой , которая после смысловой перестановки трансформируется в . В неизолированных системах развитие материальной субстанции происходит относительно равнозначно в , однако на более высоких уровнях организации, включая уровень Д, вследствие снижения скоростей распространения в пространстве, значительно уменьшается по сравнению с динамикой этого параметра на низких уровнях, энергия совокупной Материи уменьшается на каждый значимый объем пространства и движение в качестве стремится ко все большей пространственной локализации (но не изолированности). В замкнутых же системах (, ) упомянутая формула преображается, как известно, в , то есть система стремится перейти в состояние с максимальным количеством вариантов, вследствие чего процесс может идти всегда до такого состояния, энтропия которого имеет максимальное для существующих условий значение. Таким образом, состояние, в котором система может пребывать при неизменных условиях, является итогом конкуренции двух активных факторов - энтропийного и энергетического. (Аккумулятивный фактор всегда носит пассивный характер).
При переходе вещества в то или иное фазовое состояние в зависимости от условий сталкиваются две противодействующие тенденции: первая - стремление к уменьшению внутренней энергии, приводящее к потере частицами подвижности и к возрастанию порядка в системе, и вторая - стремление к увеличению энтропии, приводящее к уменьшению системного порядка. Любой процесс на любом оргуровне, включая даже такой высокий, как общественный, является отражением борьбы этих противоположных факторов и это всегда необходимо учитывать. В системных процессах уровня Д преобладание одного из факторов ведет к постепенному переходу системы в более термодинамически устойчивое состояние.
При преобладании энергетического фактора процесс идет в сторону уменьшения внутренней энергии системы в результате усиления взаимодействия частиц вещества, сопровождающегося выделением энергии. К таким процессам относятся преимущественно процессы, усложняющие структуру вещества, повышающие его агрегацию: образование молекул из атомов, ассоциация молекул, распрямление и взаимная ориентация макромолекул, сжатие газа, конденсация пара, кристаллизация вещества.
В случае, если превалирует энтропийный фактор, процесс идет в сторону увеличения энтропии системы в результате разъединения частиц вещества и их взаимного отдаления. Это преимущественно процессы, связанные с дезагрегацией вещества: плавление вещества, его испарение, расширение и смешение газов, растворение веществ, диссоциация молекул и т. п.
Рассмотрим вкратце особенности поведения фщ. единиц в структурах вещества при различных фазовых состояниях в системных образованиях оргуровня Д.
Газовое состояние вещества - более вероятное при высоких температурах характеризуется высокими значениями энтропии. Это говорит о полном беспорядке в системе фщ. единиц, совершающих индивидуальные поступательные движения с различными скоростями и практически не взаимодействующих друг с другом. Чем меньше энергия взаимодействия между двумя фщ. единицами, находящимися в контакте (слабые связи), тем больше запас внутренней энергии системы, и тогда даже при низких температурах вещество способно находиться в газовом состоянии. К таким веществам относятся прежде всего инертные газы, атомы которых испытывают друг к другу очень слабое притяжение.
По мере усложнения структурного строения фщ. единиц (вследствие ), их способность к взаимному притяжению возрастает. Это проявляется в повышении температур кипения веществ с возрастанием фн. массы составляющих их элементов. При заданной температуре средняя скорость () молекул газа зависит от их фн. массы: чем больше ее значение, тем больше требуется энергии, чтобы увеличить ее скорость (). Скорости молекул связаны с параметрами состояния системы (температурой, давлением) и поэтому являются важной характеристикой их поведения.
Тепловое движение молекул в веществе обусловливает его способность к диффузии, то есть к самопроизвольному переходу вещества в те области пространства (), где его концентрация меньше или равна нулю. Это свойство проявляется в самых различных природных процессах - испарении, растворении, осмосе, клеении и пр.
При охлаждении веществ, находящихся в газовом состоянии (или при их сильном сжатии), силы взаимодействия между частицами начинают преобладать над энергией их теплового движения и при определенной температуре (индивидуальной для каждого вещества) оно переходит в жидкое состояние. Необходимым условием такого перехода является установление связей между отдельными фщ. единицами (молекулами или атомами), в результате чего внутренняя энергия системы становится меньше. Жидкое состояние вещества являет собой более "организованную" структуру, чем его газовое состояние, но оно менее стабильно, то есть подвержено более частым изменениям в течение различных промежутков времени (), чем твердое вещество. Поэтому жидкое состояние является промежуточным между газовым и твердым. Молекулы жидкости, имея возможность перемещения, сохраняют определенный порядок во взаимном расположении. По структуре и по характеру взаимодействий между частицами жидкость более сходна с кристаллами, нежели с газами. Как и твердые тела, жидкости обладают определенным объемом, что также отличает их от газов. Принципиальным отличием жидкости от твердого тела является отсутствие собственной формы.
Таким образом, каждая фщ. единица подуровня Д в зависимости от фн. ячейки, которую она занимает, может пребывать в структуре вещества в любом фазовом состоянии: 1) газовом, 2) жидком, 3) твердом.
При анализе структурных особенностей фазовых состояний вещества видно, что фщ. единицы в газовом состоянии не взаимодействуют друг с другом, поэтому их структура неопределенна и непостоянна. В жидком состоянии в поведении фщ. единиц наблюдается больше взаимодействия, они объединены в более связанную структуру, обладающую более определенными, чем газовое состояние вещества, свойствами. Фщ. единицы в структуре жидкости совершают в секунду 1012 - 1013 колебаний, находясь в определенной фн. ячейке в течение 10-11 - 10-10 сек. Следовательно, до перескока в новое положение или до перестройки структуры фн. ячеек вокруг нее фщ. единица успевает совершить от 10 до 100 колебаний. Иначе говоря, только от 1 до 10% колебательных движений фщ. единицы заканчиваются ее перемещением в пространстве. В этом проявляются черты сходства жидкости с твердым телом, в котором почти ни одно колебание молекулы (или атома) не сопровождается ее переходом на другое место. Но если твердое тело характеризуется практически неизменным относительным расположением фщ. единиц, то в жидкости в результате относительного перемещения единиц уплотнение структуры фн. ячеек является неравномерным, постоянно наблюдаются кратковременные местные изменения на отдельных участках структуры. Под действием внешних сил (например, силы тяжести) перемещения отдельных скоплений частиц в жикости, то есть флуктуации ее плотности, становятся направленными. В результате жидкость течет, то есть перемещается с изменением своей формы, но с сохранением общего объема (при отсутствии испарения), в сторону приложения силы. Таким образом, текучесть - это специфическое свойство жидкого тела, вызванное ограниченной подвижностью его структурных единиц.
Структура жидкости очень чувствительна к изменениям температуры. При температурах, близких к Т плавления строение жидкости приближается к твердому телу, так как содержит зачатки кристаллической структуры, и, наоборот, при температурах, близких к Т кипения упорядоченность в расположении фщ. единиц сводится к минимуму и начинается интенсивное испарение, то есть вещество переходит в газовое состояние. Поэтому температура является условным показателем колебания фщ. единиц относительно друг друга в данной системе в допускаемых фн. ячейками, которые они занимают, пределах. В свою очередь, частота и амплитуда колебаний фщ. единиц, то есть скорость их перемещения в пространстве за единицу времени, зависят от количества кинетической энергии, приходящейся на эту группу фщ. единиц вещества на данный момент времени. При повышении Т, то есть при получении данной группой единиц дополнительного количества кинетической энергии, амплитуда и частота колебаний возрастают до определенного значения, превысив который фщ. единицы покидают фн. ячейки данной структуры, переходя в фн. ячейки другого фазового состояния с другими допустимыми значениями амплитуд и частот колебания. Обратный процесс происходит при понижении температуры, то есть при уменьшении количества кинетической энергии, приходящейся на данную группу фщ. единиц вещества. С точки зрения строения вещества жидкое состояние является самым переменчивым и многообразным.
При затвердевании вещества приобретают структуру, в которой имеется дальний порядок в расположении составляющих их фщ. единиц (молекул, атомов или ионов). Поэтому достаточно знать часть структуры фн. ячеек, чтобы получить представление об их расположении во всем объеме данного твердого тела. Как правило, ячейки образуют в нем строго определенные кристаллы, при этом, в соответствии с принципами общей теории систем, все фн. ячейки должны быть заполнены соответствующими им фщ. единицами.
Кристаллическая структура вещества термодинамически является более устойчивой, чем аморфная. Это объясняется тем, что регулярное расположение фщ. единиц в ячейках кристаллов позволяет им установить между собой максимальное число связей, что способствует дальнейшему снижению запаса внутренней энергии в веществе. Плотную упаковку фщ. единиц можно представить как укладку шаров одинакового размера. В каждом ряду шары соприкасаются друг с другом, а шар следующего ряда находится между двумя шарами предыдущего. Отличительной чертой плотнейшей укладки шаров является большое число ближайших соседей каждого шара: шесть в одном слое и по три снизу и сверху. Таким образом, при плотнейшей укладке шаров так называемое координационное число каждого шара равно 12.
Строение кристаллов обычно представляют с помощью их условных изображений - кристаллических решеток, представляющих трехмерную геометрическую фигуру, полученную при соединении прямыми линиями центров фн. ячеек. Следует подчеркнуть, что кристаллическая решетка, как и все составляющие ее элементы, является лишь математической абстракцией, используемой для описания структуры кристалла, и, в первую очередь, для описания симметрии в расположении его фн. ячеек.
Атомы твердого вещества, как фщ. единицы, располагаются в соответствии с данной структурой фн. ячеек, при этом при увеличении суммарного взаимодействия между ними внутренняя энергия системы падает при одновременном возрастании ее устойчивости. В случае перестройки по той или иной причине структуры фн. ячеек вещества изменяется число связей между его атомами, что моментально проявляется в изменении всего комплекса фн. свойств вещества и свидетельствует об его превращении в новое вещество. Примерами могут служить аллотропные модификации углерода - графит и алмаз, которые различаются не только механическими (твердость) и физическими (электропроводность, светопропускание) фн. свойствами этих веществ, но и своим химическим поведением: если графит является аналогом органических соединений ряда бензола, то алмаз имеет больше родственных черт с соединениями предельного ряда. В качестве другого примера можно назвать молекулярный кислород O2 и озон O3.
Все кристаллические тела, как установлено выше, являются десмическими (связанными) системами, которые по однородности связей, действующих между составляющими их атомами, принято разделять на две группы: гомодесмические (одинаково связанные) и гетеродесмические (различно связанные). К гомодесмическим системам относятся кристаллы, в которых все связи одного вида. В таких кристаллах нельзя выделить какие-либо обособленные участки, поскольку все связи во всем объеме вещества адекватны между собой. Это - атомные и металлические кристаллы, а также кристаллы, состоящие из простых ионов.
Кристаллы, между фн. ячейками которых имеются связи различных видов, относятся к гетеродесмическим системам. Сюда следует отнести ионные кристаллы, в узлах решетки которых располагаются сложные ионы, и молекулярные кристаллы.
[ Оглавление ] [ Продолжение текста ]
[ Оглавление ]
Игорь Кондрашин
Диалектика Материи
Диалектический генезис материальных систем
(продолжение)
Уровень Е
Движение Материи по координате качества () происходит более ускоренно (то есть в более короткие промежутки времени - ) в системах, где движение в пространстве () ограничено. Вследствие этого пространственная локализация фщ. единиц уровней высокой организации, произошедшая на определенном этапе Развития материальной субстанции в результате перегруппировки структуры Вселенной в звездно-планетные образования в силу постоянства количества совокупной энергии, явилась причиной ускорения движения в качестве, что подтверждается также формулой . Одним из условно изолированных центров фн. развития Материи с некоторого времени стала звездно-планетная пара Солнце-Земля. Основной функцией Солнца, как центра с преобладанием энтропийного фактора системы, стало:
1) постоянное (донорское) обеспечение всего системного образования фщ. единицами подуровня АА, часть из которых постоянно заполняет соответствующие им фн. ячейки на Земле;
2) пополнение микроэнергетического баланса на Земле в силу обладания указанными единицами определенным импульсом (mV). Подсчитано, что на все эти цели Солнце каждую секунду расходует в целом около 4 млн. тонн своей массы.
Планета Земля в свою очередь в данной биполярной связке является центром с преобладанием энергетического фактора и служит ареной для движения Материи по координате качества () на пока еще неизвестном по размерам участке Вселенной. Вследствие этого предмет нашего исследования приобретает более суженное пространство - поверхность Земного шара.
Развитие фщ. единиц подуровня Д протекало на нашей планете на ранней стадии ее существования. Не исключено, что аналогичные процессы можно встретить и на других планетах Солнечной системы. Тем не менее, начиная с оргуровня Е, к которому относятся простейшие высокомолекулярные соединения, описание системных процессов может быть подкреплено фактическим материалом лишь из истории нашей планеты хотя бы потому, что об их наличии на других планетах у нас нет пока достоверных сведений и о такой возможности мы можем предположить лишь только чисто теоретически.
Помимо образования фщ. единиц нового уровня ускорение движения по координате качества происходило за счет повышения коэффициента их полифункциональности. Для системной организации подуровня Е самыми полезными оказались атомы углерода C и кремния Si, способные в силу особенностей своего структурного строения образовывать четыре химические связи. Если связи устанавливаются с идентичными им фщ. единицами, то вещество в твердом состоянии существует лишь в виде атомных кристаллов. Весь объем такого вещества как бы пронизан густой трехмерной решеткой атомных связей и в нем невозможно выделить каких бы то ни было отдельных участков - островков, цепей или слоев.
Наиболее распространенные на поверхности литосферы Земли минералы простые и сложные силикаты - имеют в качестве главного строительного блока атом кремния в тетраэдрическом окружении четырех атомов кислорода. В природе существуют три основных модификации двуокиси кремния (SiO2):
1) кварц, который термодинамически устойчив ниже 870oС;
2) тридимит, устойчивый от 870oС до 1470oС;
3) кристобалит, устойчивый выше 1470oС.
Таким образом, кремний является одним из самых распространенных в Земной коре элементов. Он составляет 27% исследованной части Земной коры, занимая по распространенности второе место после кислорода. Кремний - главный элемент в составе минералов, горных пород и почв.
Самым распространенным элементом Земной коры является кислород. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе, в связанном виде входит в состав воды, минералов, горных пород, а также всех органических веществ. Общее количество кислорода в Земной коре близко к половине ее массы (около 47%). Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов : 16O (99,76%), 17O - (0,04%) и 18O - (0,2%).
Однако наибольшая нагрузка в системной организации Материи падает на соединения, в состав которых входит углерод. Хотя общее его содержание в Земной коре составляет всего около 0,1%, по многочисленности и разнообразию своих соединений углерод занимает среди других элементов совершенно особое положение и имеет наибольший коэффициент полифункциональности среди фщ. единиц уровня Е. Число изученных соединений углерода оценивают в настоящее время примерно в два миллиона, тогда как соединения всех остальных элементов, вместе взятые, исчисляются лишь сотнями тысяч. Многообразие соединений углерода объясняется способностью его атомов связываться между собой с образованием длинных цепей или колец.
Как уже отмечалось, по характеру своих связей соединения фщ. единиц делятся на гомодесмические и гетеродесмические, что служит еще одним доказательством наличия движения Материи в качестве . В случае существования в природе только гомодесмических связей, характерных для центров энергетического фактора, Развитие Материи зашло бы в тупик, поскольку структурная перегруппировка фщ. единиц рассматриваемого уровня привела бы к построению систем уровня Д только с плотной кристаллической укладкой. Энергия систем улетучилась бы, а Земля превратилась в мертвый каменно-металлический шар. Наличие же движения Материи в качестве исключает такой ход событий. Поэтому существование гетеродесмических систем наряду с действием центров с энтропийным фактором привело к созданию различных высокомолекулярных соединений, каждое из которых несет ту или иную новую фн. нагрузку в добавление ко всему существующему спектру функций развивающейся Материи. Функциональные свойства высокомолекулярных соединений прежде всего связаны со способностью макромолекул изменять свою форму без разрыва имеющихся в них связей. Механизм, объясняющий многообразие конформаций макромолекул, в настоящее время хорошо изучен и широко используется в химии полимерных материалов. Поэтому мы не будем останавливаться на его описании. Здесь важно только еще раз подчеркнуть, что, какое бы строение ни имели высокомолекулярные соединения, какова бы ни была их структура, мы всегда сможем определить в них невидимые фн. ячейки и занимающие их реальные фщ. единицы различных подуровней, то есть различные атомы, молекулы и т.д. Выпадение фщ. единицы из той или иной фн. ячейки или заполнение ее несоответствующей ей фщ. единицей в любом случае приведет к нарушению структуры данной системы, либо изменению ее фн. свойств.
В связи со сложностью их структурного построения и наличия множества связей все высокомолекулярные соединения существуют лишь в конденсированном состоянии - твердом или жидком. Однако, по фазовому состоянию они больше соответствуют структуре жидкости, которая вследствие высокой вязкости представляется нам в большинстве случаев твердым телом.
Особую подгруппу системных образований подуровня Е составляют комплексные соединения, очень разнообразные как по строению, так и по фн. свойствам. Однако в развитии материальной субстанции на рассматриваемом оргуровне они играют более второстепенную, или скорее, вспомогательную роль. В дальнейшем, на уровнях более высокой организации, их роль возрастает. В частности, такие важнейшие природные соединения, определяющие Жизнь на Земле, как гемоглобин и хлорофилл, относятся к внутрикомплексным соединениям. Структура их ядер одинакова, только у хлорофилла фн. ячейку комплексообразователя занимает Mg2+, а у гемоглобина Fe2+. По двум вакантным координационным местам в свободные фн. ячейки к этим комплексообразователям легко присоединяются еще две молекулы других веществ. Так, в гемоглобине по одну сторону плоскости хелата железом связана молекула белка глобина, а по другую сторону - молекула кислорода, благодаря чему это соединение и является переносчиком кислорода.
Функциональное развитие Материи в подуровне Е и появление новых структурных образований происходило и происходит за счет разнообразного превращения веществ путем перераспределения электронных плотностей между составляющими их атомами, что приводит к разрыву старых и образованию новых внутриструктурных связей. Однако достаточно вспомнить такие химические превращения, как взрыв пороха и ржавление железа, чтобы утверждать, что различные структурные изменения протекают с самыми различными скоростями - от крайне высоких до очень низких. Причиной этому являются специфические особенности каждого перестроения, зависящие от сбалансированного распространения новообразованной структуры () в пространстве-времени () при данных условиях, а также качественной характеристики участвующих в реакции фщ. единиц.
Интервал времени протекания различных химических реакций на единицу пространства колеблется от долей секунды до минут, часов, дней. Известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков времени. Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы. В результате реакции возникает, как правило, гетерогенная система:
H2SO4 + Na2S2O3 = Na2SO4 + H2O + SO2 + S
Примерами гомогенной системы может служить любая однофазовая смесь, жидкий раствор различных веществ. Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Так, например, растворение металла в кислоте Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 может протекать только на поверхности металла, потому что только здесь соприкасаются друг с другом оба реагирующих вещества. Результатом реакции является опять гетерогенная система, которая в условиях отсутствия замкнутости может путем освобождения от одной из своих фаз стать гомогенной системой. В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, сера в атмосфере воздуха. На более высоких ступенях Развития Материи примерами гомогенных систем могут служить заросли функционально однотипных растений (лес, луговая трава, фруктовые сады), объединенные группы функционально однотипных животных (стадо овец, стая волков или обезьян). Гетерогенными системами в этом случае будут: табун лошадей на лугу, бригада лесорубов в лесу, производственные предприятия и т.п. Изучением условий, влияющих на скорости химических реакций, занимается химическая кинетика. На более высоких ступенях Развития Материи эти вопросы должны быть отнесены соответственно к биологической и социальной кинетике.
К важнейшим факторам, влияющим на скорости реакций, протекающих в системах уровня Е, относятся следующие: функциональные особенности реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов. Скорости некоторых гетерогенных реакций зависят также от интенсивности движения жидкости или газа около поверхности, на которой происходит реакция. При вступлении в реакцию фщ. единиц двух различных веществ образуются фщ. единицы третьего, четвертого и т.д. вещества, которые заполняют соответствующие им фн. ячейки, хотя теоретически процесс представляется в обратном порядке: вначале появляется невидимая фн. ячейка В нового качества, затем происходит сближение явных фщ. единиц а и б и образование новой фщ. единицы в, которая заполняет фн. ячейку В. Поэтому скорости реакций зависят от способности реагирующих веществ образовывать новые фщ. единицы в силу своего структурного строения, то есть пространственного расположения и взаимной связи исходных фщ. единиц качественных подуровней, от пропорции и количества фщ. единиц а и б, вступающих в реакции, что характеризуется их концентрацией.
Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их взаимное сближение и столкновение друг с другом (соударение). Точнее говоря, частицы должны сблизиться друг с другом настолько, чтобы атомы одной из них испытывали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ - продуктов реакции. Однако не всякое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к образованию продукта реакции. Для того, чтобы произошла реакция, то есть чтобы образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то их столкновение не приведет к образованию новой молекулы: столкнувшись, они разлетаются в разные стороны, как упругие шары.
Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна для ослабления или разрыва связей, то столкновение может привести к перестройке атомов и к образованию молекулы нового вещества. Поэтому лишь молекулы, обладающие избытком энергии по сравнению со средним запасом энергии всех молекул, могут преодолеть такой "энергетический барьер", чтобы войти в химический контакт друг с другом. Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, называется энергией активации данной реакции. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами. Избыточная энергия этих молекул может быть поступательной или вращательной для молекулы в целом, колебательной для составляющих ее атомов, энергией возбуждения для электронов и т.д. Для каждой конкретной реакции основное значение может иметь какая-либо одна форма избыточной энергии. С ростом температуры число активных молекул возрастает, вследствие чего и скорости химических реакций увеличиваются.
Энергия активации различных реакций различна. Ее величина является тем фактором, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции. Для некоторых реакций энергия активации мала, для других, наоборот, велика. Если энергия активации очень мала, то это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакции. Скорость такой реакции велика. Напротив, если энергия активации реакции очень велика, то это означает, что лишь очень малая часть столкновений взаимодействующих частиц приводит к протеканию химической реакции. Скорость подобной реакции очень мала.
Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации, начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии - активированный комплекс. Именно для его образования и необходима энергия активации. Неустойчивый активированный комплекс существует очень короткое время. Он распадается с образованием продуктов реакции, при этом энергия выделяется. В простейшем случае активированный комплекс представляет собой конфигурацию атомов, в которой ослаблены старые связи и образуются новые. Активированный комплекс возникает в качестве промежуточного состояния в ходе как прямой, так и обратной реакции. Энергетически он отличается от исходных веществ на величину энергии активации прямой реакции, а от конечных - на энергию активации обратной реакции. Активация молекул возможна при нагревании или растворении вещества, при выделении энергии в ходе самой реакции, при поглощении ими квантов излучения (светового, радиоактивного, рентгеновского и т.п.), под действием ультразвука или электрического разряда и даже при ударах о стенку сосуда.
Скорость реакции часто зависит от присутствия в системе "третьего" компонента, с которым реагенты могут образовывать активированный комплекс. При этом изменение скорости реакции происходит за счет изменения энергии ее активации, так как промежуточные стадии процесса будут другими. Добавленный компонент, называемый катализатором, после разрушения активированного комплекса не входит в состав продуктов реакции, поэтому общее уравнение процесса остается прежним. В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. Иначе говоря, в присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом энергия активации реакции понижается - некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.
Если реакция A + B AB протекает с малой скоростью, то можно найти вещество K, которое с одним из реагентов образует активированный комплекс, взаимодействующий в свою очередь с другим реагентом:
A + B [A... K]; [A... K] + B AB + K
Если энергии активации этих стадий ниже энергии активации процесса в отсутствие K, то общая скорость процесса значительно возрастает, и такой катализ называется положительным. В противном случае скорость процесса уменьшится и катализ будет отрицательным. Таким образом, катализатор - это вещество, изменяющее скорость реакции и остающееся после нее химически неизменным. Катализатор, присутствующий в системе в количествах, в тысячи раз меньших, чем реагенты, может в сотни, в тысячи и в миллионы раз изменять скорость реакции. В некоторых случаях под действием катализаторов могут возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не протекают. Вместе с тем, с помощью катализатора можно изменить скорость лишь термодинамически возможного процесса. Для замедления нежелательных процессов или для придания реакциям более спокойного характера используются отрицательные катализаторы.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы и реакция протекает на его поверхности.
Очень большую роль играет катализ в биологических системах. Активными катализаторами биологического действия являются ферменты - простые и сложные белки с большой молекулярной массой. Большинство химических реакций, протекающих в пищеварительной системе, в крови и клетках животных и человека, являются каталитическими реакциями. Так, слюна содержит фермент птиалин, который катализирует превращение крахмала в сахар. Фермент, имеющийся в желудке - пепсин - катализирует расщепление белков. Половина от имеющегося количества мочевины при 25oC в обычных условиях разлагается водой за 3200 лет, а в присутствии фермента уреазы время ее "полупревращения" при той же температуре составляет 10-4 сек. Всего в организме человека функционирует свыше 30 тыс. различных ферментов; каждый из них служит эффективным катализатором соответствующей реакции.
Рассматривая гетерогенные реакции, нетрудно заметить, что они тесно связаны с процессами перемещения фщ. единиц веществ, вступающих в реакцию, и новых веществ. Так, для осуществления постоянного процесса горения угля необходимо, чтобы диоксид углерода, образующийся при этой реакции, все время удалялся бы от поверхности угля, а новые количества кислорода подходили бы к ней. Поэтому в ходе гетерогенной реакции можно выделить по меньшей мере три стадии:
1) подвод реагирующих веществ;
2) химическая реакция;
3) отвод продуктов реакции.
Скорость химической реакции, которую в свою очередь можно разбить на подстадии, определяется скоростью наиболее медленной подстадии. Стадия, определяющая скорость протекания всей реакции в целом, называется лимитирующей стадией. В одном случае это может быть отвод или подвод веществ, в другом собственно химическая реакция.
Все химические реакции делятся на необратимые и обратимые. Необратимые реакции протекают до конца - до полного израсходования одного из реагирующих веществ. Обратимые реакции протекают не до конца: при обратимой реакции ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Поэтому необратимая реакция может протекать только в одном направлении, обратимая - как в прямом, так и в обратном направлениях. В начале обратимой реакции, при смешении исходных веществ, скорость прямой реакции велика, а скорость обратной - равна нулю. По мере протекания реакции исходные вещества расходуются и их концентрации падают. В результате этого уменьшается скорость прямой реакции. Одновременно появляются продукты реакции и их концентрация возрастает. Вследствие этого начинает идти обратная реакция, причем ее скорость постепенно увеличивается. Когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми, наступает химическое (динамическое) равновесие.
Изменяя условия, в которых пребывает система, - концентрацию веществ, давление, температуру - можно изменять скорости прямой и обратной реакций. Тогда равновесие в системе нарушается и сдвигается в сторону той реакции, скорость которой стала больше. Так, при увеличении концентрации реагентов скорость прямой реакции, естественно, возрастает и равновесие смещается в сторону прямой реакции, в сторону большего выхода продуктов. Большего выхода продуктов можно добиться и при систематическом выведении их из сферы реакции, приводящем к снижению их концентрации в системе и к уменьшению скорости обратной реакции по сравнению с прямой. Для химических систем, содержащих газообразные вещества, изменение давления оказывает на смещение равновесия влияние, аналогичное изменению концентрации газов. При этом в большей мере изменяется скорость той реакции, в которой учавствует большее количество молекул газов. Изменение температуры оказывает влияние на сдвиг химического равновесия для процессов, сопровождающихся тепловыми эффектами. Если прямая реакция экзотермична, то обратная - эндотермична, и наоборот. Для обратимых реакций энергия активации эндотермического процесса больше энергии активации экзотермического процесса. В свою очередь, чем больше Eакт., тем сильнее зависит скорость реакции от температуры. Следовательно, увеличение температуры смещает химическое равновесие в сторону эндотермичной реакции, в результате которой поглощается теплота и система охлаждается.
Сопоставляя изменения условий, при которых находится химическая система, с ее ответной реакцией на внешнее воздействие, проявляющейся в смещении химического равновесия, нетрудно заметить, что эта реакция всегда оказывается противоположной изменению условия. Так, если уменьшают концентрацию какого-либо из веществ, находящегося в равновесии с другими реагирующими веществами, то равновесие сдвигается в сторону реакции, увеличивающей концентрацию этого вещества. При увеличении давления быстрее начинает идти процесс, понижающий его, а при увеличении температуры - процесс, вызывающий охлаждение системы. Эти наблюдения составляют химическое содержание общего принципа поведения систем, находящихся при данных условиях в состоянии динамического равновесия: если система, находящаяся в равновесии, подвергнута воздействию извне путем изменения какого-либо из условий, определяющих положение равновесия, то равновесие в ней смещается в сторону того процесса, который ведет к снижению эффекта произведенного воздействия. Это правило противодействия известно под названием принципа Ле Шателье, сформулированного им в 1884 году.
Итак, для проведения каждой химической реакции требуются строго определенные реагенты в количествах, обеспечивающих требуемое протекание реакции при заданном температурном и других режимах при определенной скорости, которую можно соразмерить с временными интервалами. Кроме того, каждая химическая реакция, протекающая при заданных условиях, имеет свою определенную системную конструкцию, представляющую сочетание фн. ячеек, в определенные моменты заполняемые и освобождаемые соответствующими им фщ. единицами согласно с характерным для данной реакции алгоритмом, отражающим моменты вступления в реакцию реагентов - фщ. единиц, их возможное чередование, при этом все это соотносится со строго определенными промежутками времени, зафиксированными независимым счетчиком времени.
Уровень Ж
Все простейшие и сложные молекулярные соединения уровней Г, Д и Е рассредоточены вдоль поверхности Земного шара и в соответствии с их агрегатным состоянием входят в состав суши, океанов и атмосферы Земли.
Развитие Материи в подуровне Ж происходило за счет формирования новых молекулярных соединений, наделявшихся все новыми функциями в соответствии с движением Материи в качестве (). Дифференциация фн. ячеек и образование новых фщ. единиц данного подуровня происходили в процессе постоянного комбинирования фн. ячеек предшествующих подуровней, интеграционного варьирования их структур, полураспада этих своеобразных микросистем на единицы нижних подуровней.
Весь процесс Развития Материи в подуровне Ж протекал и до сих пор протекает вот уже более 5 млрд. лет в геосферах Земли - сферических оболочках различной плотности и состава. Главными из них являются атмосфера, гидросфера и литосфера (земная кора), которые проникают одна в другую, находятся в тесном взаимодействии, заключающемся в обмене веществом и энергией, и представяют единую систему, пронизываемую Солнечной радиацией.
Внешней геосферой Земли является атмосфера, которая в свою очередь делится на три подслоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Каждая из этих субсфер характеризуется резко выраженными физическими особенностями и несет строго определенную функциональную нагрузку. Границы между этими слоями выражены нерезко, а их высоты меняются как со временем, так и с широтой места. Верхняя граница тропосферы находится в пределах от 8 до 18 км. Тропосфера объединяет более 79% массы атмосферы. Стратосфера простирается до высоты около 80 км, составляя примерно 20% общей массы атмосферы. Выше стратосферы расположена ионосфера, содержащая менее 0,5% всей массы атмосферы.
Тропосфера, в которой сосредоточен почти весь водяной пар, характеризуется почти полной прозрачностью по отношению к проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации и значительным поглощением длинноволнового (теплового) излучения Земли, вызываемым главным образом водяным паром и облаками. Поэтому тропосфера нагревается преимущественно от земной поверхности, следствием чего является падение температуры с высотой. Это, в свою очередь, приводит к вертикальному перемешиванию воздуха, конденсации водяного пара, образованию облаков и выпадению осадков. В состав тропосферы входят (по объему): 78,08% азота; 20,95% кислорода; 0,93% аргона и около 0,03% углекислого газа. 0,01% составляют вместе водород, неон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, перекись водорода, йод и др.
Состав сухого воздуха в стратосфере отличается весьма важной особенностью - возрастанием с высотой как общей концентрации, так и относительного содержания озона (трехатомного кислорода). Озон образуется в стратосфере в результате диссоциации молекул кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца и последующего соединения образовавшегося атома кислорода с другой молекулой кислорода. Озон расположен в атмосфере в виде рассеяного слоя, простирающегося от Земной поверхности примерно до 60 км. Если весь озон в атмосфере сконцентрировать в виде слоя при наземном давлении, то образовалась бы пленка толщиной в 2 - 3 мм. Несмотря на столь ничтожное количество, роль озона в атмосфере исключительно велика, вследствие чрезвычайно сильного поглощения озоном как солнечной радиации, так и земного излучения. Так, вследствие поглощения озоном ультрафиолетовое излучение Солнца почти совершенно не доходит до тропосферы.
Ионосфера - внешняя область атмосферы, на которую падает многообразное излучение Солнца и звезд. Ее состав в основном представлен атомарным кислородом и рядом других веществ.
Между атмосферой и твердой каменной земной корой располагается прерывистая водная оболочка - гидросфера, покрывающая в настоящее время 70,8% (361 млн. кв. км) поверхности Земли. Она представлят собой совокупность океанов, морей и континентальных водных бассейнов. Химический состав гидросферы выражается следующими цифрами: O - 85,82%, H - 10,72%, Cl - 1,9%, Na - 1,05%, Mg - 0,14%, S - 0,088%, Ca - 0,04%, K - 0,038% и т.д. Возраст гидросферы составляет не менее 2 млрд. лет. В гидросфере впервые зародилась Жизнь на Земле. Эволюция организмов продолжалась здесь в течение всего докембрия, и лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. Главной составной частью гидросферы является вода - одно из самых распространенных на Земле веществ. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных областях. В недрах Земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы. Вода имеет довольно высокий коэффициент полифункциональности и несет на себе большой спектр выполняемых функций. Являясь первой колыбелью происхождения Жизни, вода во всяком организме представляет среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций. В виде различных растворов вода осуществляет функции перемещения (транспортировки) различных фщ. единиц с места их синтеза до места функционирования в структуре организма. Будучи весьма реакционноспособным веществом, вода является активным химическим реагентом; часто выполняет функции катализатора. Обладая аномально высокой теплоемкостью, служит в качестве естественного теплоаккумулятора.
Твердое тело Земли имеет три основных геосферы: ядро Земли, промежуточную оболочку и земную кору. Радиус ядра около 3500 км. Промежуточная оболочка заполняет пространство от поверхности ядра до нижней поверхности земной коры и имеет толщину около 2900 км. Земная кора, или литосфера, является верхней твердой оболочкой Земли толщиной 15 - 70 км; сверху она ограничена атмосферой и гидросферой. Земная кора имеет слоистое строение, различное в разных местах. Самое верхнее положение занимает осадочная оболочка (стратисфера). Она прерывиста, имеет мощность до 10 - 15 км и состоит из осадочных горных пород, среди которых преобладают глины и глинистые сланцы. Пески и песчаники, известняки и доломиты составляют меньшую ее часть.
Формирование стратисферы началось еще в древнем докембрии и продолжается до сих пор. Общий возраст земной коры определяется в 3 - 3,5 млрд. лет, однако возраст самых древних доступных наблюдению докембрийских геологических формаций несколько превышает 2 млрд. лет. Осадочная оболочка образовалась в результате длительного процесса дифференциации вещества литосферы под воздействием тектонических движений, Солнечной энергии и жизнедеятельности организмов. Этот процесс сопровождался сложным обменом веществ между гранитной и базальтовой оболочками Земли, с одной стороны, и атмосферой и гидросферой - с другой. Химический состав стратисферы, в сумме с солевым составом океана, близок к среднему составу земной коры в целом.
В течение геологической истории Земли происходили закономерные изменения внутреннего строения и состава земной коры, рельефа ее поверхности, характера внешних и внутренних геологических процессов. Так, например, породы древнейшей архейской эры повсеместно сильно метаморфизованы (перекристаллизованы), пронизаны внедрениями магмы и смяты в складки. По всей поверхности материков неоднократно возникали горы, которые потом разрушались. В течение протерозоя и позднее материки, опускаясь, частично заливались морем и, поднимаясь, вновь превращались в сушу. Одновременно в различных местах происходили мощные движения земной коры, в результате которых возникали многочисленные горные хребты, позднее разрушенные. Современные внутренние геологические процессы проявляются:
1) в медленных поднятиях и опусканиях земной поверхности, скорость которых в горных областях достигает нескольких сантиметров в год, но обычно исчисляется миллиметрами в год;
2) в резких движениях отдельных участков земной коры - землетрясениях;
3) в вулканических извержениях.
В результате вышеуказанных геологических процессов, а также при постоянном воздействии со стороны атмосферы (включая солнечную и космическую радиации), гидросферы и биосферы на протяжении двух млрд. лет происходило формирование основного слоя литосферы - почвы.
Ее образование происходило из рыхлых горных пород, то есть фщ. единиц подуровней Г - Е: глин, суглинков, супесей и песков, представляющих собой продукты выветривания магматических, метаморфических или плотных осадочных пород, залегающих на месте своего образования или, чаще, подвергшихся переносу и переотложению (часто многократному) текучими водами или ветром. Почва состоит из твердой, жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) частей. В составе твердой части основную долю по массе занимает обычно минеральная часть, представленная мелкими (чаще всего от 1 мм до десятых и сотых долей микрона) частицами различных минералов. В состав почвы входят следующие химические соединения (в убывающем порядке): SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, Na2O, MgO, CaO, CO2, Cl, SO4 и многие другие. Но наиболее ценной составной частью почвы является гумус, или перегной - конечный результат фукнционального Развития Материи по оргуровню Ж. В состав гумуса входят различные высокомолекулярные кислоты, среди которых наибольшее значение имеют группы гуминовых и ульминовх кислот и фульвокислот. Основу сложных молекул гуминовых кислот составляют цепочки ароматических ядер типа двух- и трехчленных фенолов. К ним присоединены различные функциональные группы: карбоксильные, метоксильные, спиртовые и др.
Все многочисленные химические соединения подуровня Ж, включая и гумусовые вещества, представляют собой сложные системные образования, заключающие в свои фн. ячейки фщ. единицы всех предыдущих подуровней от а до Д. Каждая из этих частиц в виде определенным образом организованных структур Материи несет на своем оргуровне различные функциональные нагрузки, значительно отличающиеся друг от друга. Однако, как это было и на предыдущих этапах Развития Материи, каждое устоявшееся системообразование подуровня Ж в определенный момент становится фщ. единицей следующего оргуровня - З (биосферы). И как только острие невидимой линии тензора Развития Материи переместилось из уровня Ж в уровень З, сразу же уровень Ж остался за пределами области актуального Развития Материи и стал, как и все предыдущие оргуровни, поставщиком функциональных полуфабрикатов - фщ. единиц своего подуровня - для построения фн. систем уровня З.
Своеобразным аккумулятором этих полуфабрикатов и служит гумусовый горизонт почвы, состоящий главным образом из ее органического вещества. Являясь самым верхним слоем почвы и непосредственно соприкасаясь с атмосферой и, частично, с гидросферой, гумусовый горизонт имеет относительно небольшую толщину. Она колеблется в разных почвах от нескольких сантиметров до одного, иногда до 1,5 м. В районах пустынь, полупустынь, гор и т.п. гумусовый горизонт практически отсутствует. Но и там, где он значителен, содержание гумуса в верхней части гумусового горизонта - от десятых долей процента до 15 - 18%. Таким образом, образование, функционирование и развитие фн. систем и фщ. единиц всех последующих оргуровней Материи находится в прямой зависимости от количественного состава полуфабрикатов, находящихся в гумусовом горизонте аккумуляторе. А так как этот аккумулятор многие миллионы лет имеет практически неизменную площадь (), он и является одним из основных естественных регуляторов численности всего живого на Земле в точно такой же степени, в какой само все живое на Земле во избежание худших последствий должно саморегулировать свою численность в соответствии с возможностями этой ступени системной организации Материи.
[ Оглавление ] [ Продолжение текста ]
[ Оглавление ]
Игорь Кондрашин
Диалектика Материи
Диалектический генезис материальных систем
(продолжение)
Уровень З
Условно разграничивая каскадные ступени Развития Материи, необходимо четко себе представлять, что начало этапа фн. развития Материи по каждому последующему оргуровню и прекращение ее развития по предыдущему значительное время протекают параллельно, одновременно одно с другим. Образование и накопление гумусового слоя почвы на Земле происходило в течение многих сотен миллионов лет. При этом процесс протекал одновременно с началом развития биосферы и появлением Жизни на нашей планете. Формирование биосферы шло главным образом по пути синтеза фщ. единиц гумусового горизонта почвы, который накапливает и хранит фн. системы - комплексы оргуровня Ж, ставшими на определенном этапе фщ. единицами уровня З, из которых, в свою очередь, впоследствии началось образование систем данного подуровня - аминокислот, белков и других внутриклеточных структур.
Все это произошло в период, когда, как известно, углеводороды и их простейшие кислородные и азотистые производные, возникшие на поверхности Земли, находясь в водном растворе - в первичной земной гидросфере, - в силу действия законов движения Материи в качестве () постепенно вовлекались в реакции полимеризации и конденсации и таким путем все более интегрировались в разнообразные сложные органические соединения, имевшие различные функциональные свойства. В этой смеси органических веществ возникли, в частности, и аминокислоты. Дальнейшая структурная интеграция этих фн. систем по схеме:
привела к созданию коацерватных капель - индивидуальных белковых комплексов, отделенных от окружающей среды определенно выраженной поверхностью.
В коацерватных каплях, как и в любой фн. системе Материи данного организационного уровня, постоянно протекают химические процессы синтеза и распада. Однако время протекания каждой отдельной реакции под влиянием включенных в систему катализаторов настолько мало, а частота реакций настолько велика, что процессы длятся практически беспрерывно. От этого создается впечатление "живости" рассматриваемого объекта. Таким образом, скорости синтеза и распада высокомолекулярных органических соединений являются основой функционирования всех существующих жизненных систем, при этом каждая из протекающих реакций имеет свой строго определенный алгоритм. Соотношение частоты и скоростей указанных процессов зависит от индивидуального состава и организации каждой данной системы, а также ее взаимодействия с условиями окружающей среды. Если в этом соотношении соблюдается баланс, коацерватная капля, как и любая система, приобретает динамически устойчивый характер. В случае, если в ней преобладает скорость и частота синтетических реакций, она растет. В противом случае она распадается на составляющие фщ. единицы. Таким образом, существует тесная связь между индивидуальной системной организацией данной коацерватной капли, теми химическими превращениями, которые совершаются в ней в соответствии с определенными для ее фн. ячеек алгоритмами, и ее дальнейшей судьбой в данных условиях существования.
В первичной земной гидросфере коацерватные капли, образовавшиеся путем синтеза белковых молекул, плавали не просто в воде, а в растворе разнообразных органических и неорганических веществ, то есть готовых фщ. единиц (уровней Е Ж). В соответствии с законами движения Материи в качестве () происходила дальнейшая интеграция их структур параллельно с дифференциацией и ростом количества входящих в их систему фн. ячеек. Однако это осуществлялось в течение длительного отбора и только в отношении тех капель, индивидуальная системная организация которых обусловливала их динамическую устойчивость в данных условиях внешней среды и изменение фн. качеств по пути образования ими новых фщ. единиц более высокого организационного уровня. Только такие коацерватные капли могли длительно существовать, расти и разделяться на "дочерние" образования. Те же капли, в которых при данных условиях внешней среды химические изменения не вели к дальнейшему усложнению системной структуры, выполняли функцию временного аккумулятора фщ. единиц Е, то есть создавались под влиянием аккумулятивного фактора системного развития и через определенный период времени функционирования распадались на составляющие фн. комплексы нижних подуровней, прекращая свое существование в качестве системного образования данного оргуровня. Таким образом, как и в любом процессе системной организации, коацерватные капли в зависимости от организующего их фактора разделились на функционально-активные и функционально-пассивные. Последние, хотя и не могли играть существенной роли в дальнейшем развитии белковых тел, все же являлись необходимыми для того периода времени, так как выполняли соответствующие им функции. Так, уже в самом процессе становления Жизни возникла новая закономерность, которая напоминает некий "естественный отбор" индивидуальных белковых комплексов. Под строгим контролем этого отбора шла вся дальнейшая эволюция белковых коацерватов путем постоянного совершенствования структур их фн. ячеек. Именно поэтому в них создавалась та взаимосогласованность явлений (то есть все более обновлялся и усложнялся набор фн. алгоритмов), та приспособленность внутреннего строения к выполнению жизненных функций в данных условиях внешней среды, которая характерна для организации всех живых существ. Сравнительное изучение обмена веществ у современных примитивных организмов показывает, как на изложенной основе постепенно складывался высокоорганизованный порядок явлений, который свойственен всем живым существам и который протекал в полном соответствии с общей теорией развивающихся систем. Так на определенной стадии Развития Материи возникла Жизнь на Земле, представленная на нашей планете громадным числом отдельных индивидуальных систем - организмов. "Наша дефиниция жизни, - писал Ф. Энгельс в "Анти-Дюринге", - разумеется, весьма недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них... Чтобы дать действительно исчерпывающее представление о жизни, нам пришлось бы проследить все формы ее проявления, от самой низшей до наивысшей".
Как известно, начало возникновения простейших жизненных систем произошло около двух млрд. лет назад в протерозойскую эру. Первичные живые существа зародились в воде в процессе продолжительного развития динамически устойчивых коацерватных капель, фн. комплексы которых включались в качестве составных частей в системы последующих оргуровней. Вследствие этого уже на данном этапе Развития Материи наиболее полно проявился и продолжал свое дальнейшее совершенствование механизм построения высокоорганизованных систем, один из основных принципов которого заключается в заполнении фн. ячеек системы не единичными фщ. единицами, а целыми блоками или комплексами их. Под его действием фн. системы оргуровня З поглощали постоянно окружающие их белковые комплексы, "расщепляли" их и заполняли образовавшимися блоками свободные фн. ячейки своих структур, в конечном итоге синтезируя из них фщ. единицы более высокого оргуровня. При этом энергия, выделяющаяся при расщеплении комплексов, использовалась в большей ее части на осуществление реакций синтеза. Все это, в конечном итоге, привело к древнейшим формам организации Жизни, к которым следует отнести бактерии, различные типы водорослей и грибов. Результатом всего исторического Развития Материи по оргуровню З на протяжении многомиллионного периода на сегодняшний момент времени являются современные нам растительные и животные организмы, включая Человека. Мы не будем подробно рассматривать все этапы филогенеза растительного и животного мира, которые хорошо известны. Остановимся лишь на основных особенностях движения Материи в качестве на этих организационных уровнях с тем, чтобы убедиться в том, что и они неразрывно связаны с закономерностями Развития Материи по всем предыдущим подуровням, являются их прямым продолжением, неотделимым от них, и вместе с ними составляют единую развивающуюся системную организацию материальной субстанции.
Итак, Жизнь возникла в результате сложной системной интеграции фщ. единиц всех подуровней, относящихся к числу так называемых "неорганических" элементов. Процесс этот протекал направленно в течение длительного периода времени и состоял, наряду с совершенствованием пространственной структуры фн. ячеек любого подуровня, в подборе и закреплении оптимального набора алгоритмов для каждой из этих ячеек, а также оптимального периода функционирования для заполняющих их фщ. единиц. Деление веществ на неорганические и органические носит довольно условный характер, но принято считать, что большинство соединений, в состав которых входит углерод, относятся к разряду органических, так как в природе они встречаются почти исключительно в организмах животных и растений, принимают участие в жизненных процессах или же являются продуктами жизнедеятельности или распада организмов.
При всем многообразии природных органических веществ они обычно состоят из большого числа однотипных элементов - фщ. единиц предыдущих подуровней; в их состав кроме углерода почти всегда входит водород, часто кислород и азот, иногда сера и фосфор. Эти элементы называются органогенами, то есть порождающие органические молекулы. Среди органических соединений широкое распространение получило явление изомерии, то есть структурное разнообразие системного построения фн. ячеек. В результате при одном и том же количественном наборе фщ. единиц системы обладают совершенно различными фн. свойствами. Поэтому явление изомерии, в частности, обусловливает огромное многообразие органических веществ, вместе с тем еще более повышая коэффициент полифункциональности фщ. единиц, что отвечает требованию ускоренного движения Материи в качестве, характерного для данного оргуровня. Одной из важных особенностей органических соединений, которая накладывает отпечаток на все их химические свойства, является характер связей между атомами в их молекулах. В подавляющем большинстве эти связи имеют ярко выраженный ковалентный характер. Поэтому органические вещества в большинстве неэлектролиты, не диссоциируют в растворах на ионы и сравнительно медленно взаимодействуют друг с другом. Время, необходимое для завершения реакций между органическими веществами, обычно измеряется часами, а иногда и днями. Вот почему в органической химии участие различных катализаторов имеет особенно большое значение.
Многие из известных органических соединений выполняют функции носителей, участников или продуктов процессов, протекающих в живых организмах, или же - такие, как ферменты, гормоны, витамины и др. - являются биологическими катализаторами, инициаторами и регуляторами этих процессов. Согласно теории химического строения органического вещества, функциональные свойства соединений зависят от:
1) набора фщ. единиц, определяющего качественный и количественный их состав;
2) структурного расположения в пространстве фн. ячеек системы, влияющего на химические свойства вещества;
3) совокупности алгоритмов фн. ячеек данной системы, которые определяют порядок
а) последовательного заполнения фн. ячеек соответствующими фщ. единицами,
б) их функционирования и
в) последующего распада подсистем.
Многообразие органических соединений обусловливается прежде всего фн. свойствами атомов углерода соединяться прочными ковалентными связями друг с другом, образуя углеродные цепи практически неограниченной длины.
В процессе Развития Материи по оргуровню З постепенно формировались органические соединения, представлявшие собой все более динамически устойчивые фн. системы, которые, в свою очередь, затем становились фщ. единицами в системах более высшего порядка. К таким динамически устойчивым органическим соединениям можно отнести, в частности, аминокислоты. Общая формула их построения такова:
где R - фн. ячейка углеводородного радикала, которую могут занимать и другие различные фщ. единицы.
Из сотен и тысяч молекул аминокислот (как фщ. единиц) синтезируются более сложные молекулы белковых веществ, или белков (фн. систем), которые по истечении периода их функционирования под влиянием минеральных кислот, щелочей или ферментов распадаются на составляющие их фщ. единицы - аминокислоты с тем, чтобы дать им затем возможность вновь войти в состав образующихся новых соединений, то есть заполнить соответствующие им новые фн. ячейки. И процесс этот повторяется постоянно бесконечное число раз.
О важном значении белков также хорошо известно. Они играют первостепенную роль во всех жизненных процессах, являются носителями Жизни. Белки в качестве фщ. единиц сами входят в состав более сложных систем и подсистем организмов, содержатся во всех клетках, тканях, в крови, в костях и т.д. Ферменты (энзимы), многие гормоны представляют собой сложные белки.
Все многообразие белков образовано различными сочетаниями 20 аминокислот; при этом для каждого белка строго специфичной являются структурное построение системы фн. ячеек, заполняемых соответствующими аминокислотами и другими фщ. единицами, а также совокупность его алгоритмов, то есть временная последовательность развертывания системы белка (заполнение ее фн. ячеек фщ. единицами), функционирования и распада ее подсистем. В структуре белковых систем различают подсистемные блок-образования пептидов, в состав которых входит две или более аминокислот, соединенных пептидными связями ( -- CO -- NH -- ). Эти образования представляют собой одну из промежуточных ступеней организационного развития Материи.
Дальнейшее совершенствование структур белковых систем происходило путем объединения полимеров аминокислот в пептидные цепи и циклические образования в сочетаниях, имеющих различные количественные соотношения и последовательность фн. ячеек. Образовавшееся в результате этого процесса неисчерпаемое разнообразие химических структур макрополимеров аминокислот, каждая из которых являлась сложнейшим системным сочетанием входящих в нее фщ. единиц всех организационных подуровней, представляло собой в то же время новую группу фщ. единиц более высокого порядка, готовую заполнить предназначавшиеся для нее соответствующие фн. ячейки новых гиперсистем. При этом каждая фщ. единица белок обладала своими, строго индивидуальными особенностями построения, неизменным количеством фн. ячеек ее структуры, строго определенным их сочетанием и алгоритмами построения, функционирования и распада, что придавало каждой фщ. единице присущие только ей фн. свойства, соответствующие определенной точке на координатной прямой движения Материи в качестве.
Одновременно продолжал увеличиваться коэффициент полифункционирования отдельных фщ. единиц. Принцип действия механизма полифункционирования сводится к следующему. Если взять какую-либо фщ. единицу с определенными фн. свойствами и помещать ее последовательно то в одну, то в другую фн. ячейку, и она при этом сможет нормально выполнять необходимые для данных фн. ячеек алгоритмы, то это и будет означать, что ей присуще свойство полифункционирования. Чем большее количество фн. ячеек различных структур может попеременно занимать данная фщ. единица в некоторый промежуток времени, тем выше ее коэффициент полифункционирования. Как правило, каждая единица единовременно может занять только одну фн. ячейку какой-либо структуры. В качестве примера можно назвать любой химический элемент типа водорода, кислорода, хлора, которые могут входить в состав многих химических соединений, но в данный конкретный момент пребывают только в одном из них. Другой разновидностью полифункционирования является изъятие из какой-либо фн. ячейки системы фщ. единицы x и помещение туда фщ. единицы y или z, вследствие чего фн. свойства данного системного образования соответственно изменятся. При обратном перемещении фщ. единиц система вновь обретает свои первоначальные фн. свойства; и поэтому, чем большую замену фщ. единиц в своих ячейках допускает в некоторый отрезок времени данная система, тем выше коэффициент ее полифункционирования. В этом случае примерами могут служить все обратимые химические реакции замещения типа H2O + Cl2 = 2HCl + O2 и т.п., ячейки углеводородного радикала R в структуре аминокислот и т.д.
Аминокислоты, входя в состав белковой молекулы, сохраняют свободными и реакционноспособными свои специфические полифункциональные ячейки, химические функции которых состоят в способности присоединять различные системные группировки. Это обусловливает взаимодействие белков с самыми различными веществами, создает исключительные химические возможности, которыми не обладают никакие другие вещества данного подуровня. В силу этого белки, входящие, например, в состав живой протоплазмы, сочетаются в комплексы с другими соединениями - от воды и минеральных веществ до всевозможных органических соединений, в том числе и с другими белками. Эти комплексы, в зависимости от образующего их фактора, могут быть довольно устойчивыми и образовываться в количествах, необходимых для построения гиперсистем. Примерами таких комплексов служат разнообразные сложные белки нуклеопротеиды, хромопротеиды, липопротеиды, металлопротеиды и т.п. Они участвуют в построении гиперсистемных структур и, вместе с тем, играют большую роль в их функционировании благодаря своим каталитическим свойствам. Наряду с устойчивыми соединениями белки способны образовывать и крайне эфемерные комплексы, период функционирования которых сравнительно небольшой. Подчиняясь соответствующим алгоритмам, эти соединения быстро возникают и, отфункционировав, также быстро разлагаются. Таким образом, через механизм полифункциониравания самые разнообразные элементы из аккумулятивных подсистем вовлекаются в обмен веществ живой организации Материи для временного использования их фн. свойств в том или ином системном образовании.
При заполнении фн. ячеек многомолекулярных соединений отдельными индивидуальными белками - фщ. единицами образуются новые системные единицы, физические и химические свойства которых существенно отличаются от свойств входящих в их состав отдельных белков. Ассоциируясь между собой, белки образуют целые молекулярные рои, представляющие собой различные структурные образования живого вещества. Весьма существенным является и то, что фн. свойства белков, их способность реагировать с разнообразными веществами и ассоциироваться в многомолекулярные комплексы определяется не только составом и расположением аминокислотных остатков, но и пространственной конфигурацией белковой молекулы, то есть относительным расположением в пространстве отдельных частей ее структуры. Химическое взаимодействие боковых радикалов и полярных групп аминокислотных остатков, действуя внутримолекулярно, приводит к закономерному скручиванию пептидных цепей белковой молекулы и объединению их в клубки, в так называемые белковые глобулы, обладающие упорядоченной пространственной конфигурацией. Во внутреннем строении белковых глобул отдельные участки пептидных цепей и замкнутых колец оказываются определенным образом расположенными по отношению друг к другу и взаимно закрепленными путем сшивания этих участков водородными или другими прочными связями. Такого рода строение обусловливает определенные размеры и форму белковых глобул. Она может приближаться к шаровидной или быть сильно вытянутой. Те или иные изменения окружающей глобулу внешней среды сильно влияют на ее форму, сильно сжимая или, наоборот, растягивая ее. В зависимости от того, какие активные группировки фщ. единиц аминокислотных остатков при данной конфигурации глобулярного клубка оказываются расположенными на поверхности и, следовательно, доступными химическому взаимодействию и какие будут скрыты в глубине, защищены, "экранированы" соседними группировками, зависят изменяющиеся фн. свойства белка, даже при сохранении постоянным его аминокислотного состава. Поэтому даже очень небольшие изменения пространственной архитектоники глобулы оказывают решающее влияние на химическую реактивность белка и на те тонко нюансированные его свойства, которые определяют собой биологическую специфичность каждого индивидуального белкового соединения. Этот созданный в процессе Развития Материи еще один, более сложный и тонкий механизм полифункционирования способствовал диктуемому законами Развития ускоренному движению Материи по категории качества (). Его роль для организации живого вещества особенно возросла после того, как определилась основная функця этого механизма - путем изменения конфигурации белковых глобул осуществлять регулирование их ферментативной активности.
Известно, что химические реакции между органическими соединениями совершаются в живых организмах с очень большими скоростями, хотя и вполне измеримыми, но совершенно несравнимыми с теми, которые наблюдаются при взаимодействии этих соединений в изолированном и очищенном виде вне структур живых тел. Причина этого заключается в том, что в составе живой протоплазмы всегда присутствуют особые биологические ускорители - ферменты, называемые протеинами (простые белки) или протеидами (сложные белки), в которых белок соединен в комплексе с небелковой ("простетической") группой - в большинстве случаев с металлоорганическим соединением или тем или иным витамином. В силу этого в каждой живой клетке присутствует целый набор разнообразных ферментов, поскольку ферментативной активностью обладает большинство протеинов и протеидов живого организма. Таким образом, ферменты составляют основную массу протоплазменных белков. То обстоятельство, что основой ферментных комплексов всегда являются обладающие определенной архитектоникой те или иные белковые глобулы, обусловливает ряд особенностей, которые отличают ферменты от других катализаторов. Это прежде всего исключительная каталитическая мощь ферментов. Известно большое число неорганических и органических соединений низших организационых уровней, способных ускорять те же реакции, что и ферменты. Механизм действия любого катализатора весьма прост и напоминает действие ключа, вводимого в ту или иную систему. При реакциях распада свободные связи катализатора нейтрализуют силы связи, объединяющие вместе фщ. единицы в единую систему, и она распадается на составные части. В реакциях синтеза катализатор путем предоставления своих свободных связей ускоряет процесс объединения фщ. единиц. Однако, сложность и совершенство системной структуры ферментов намного повысили силу их каталитического воздействия по сравнению с менее организованными катализаторами, что нашло свое отражение в сокращении времени протекания реакций, то есть перестроения структуры-принципала. Так, например, ион железа разлагает перекись водорода на кислород и воду. Соответствующий фермент (каталаза), представляющий собой сочетание железо-порфиринового комплекса со специфическим белком, обладает тем же действием. Но он осуществляет эту реакцию в десять миллиардов раз скорее, чем неорганическое железо. Иными словами, 1 мг железа, включенный в ферментный комплекс, может по своему каталитическому действию заменить 10 тонн неорганического железа. Таким образом, ферменты являются относительно сложными системными образованиями уровня З, функция которых заключается в обеспечении регулирования в определенном диапазоне времени структурных перестроений гиперсистем, в которые они входят, в соответствии с предписаниями усложняющихся алгоритмов гиперполифункционирования, то есть корреляции системных структур в зависимости от изменения их фн. свойств. Поэтому даже незначительные изменения в структурном строении ферментного комплекса, перестановка тех или иных радикалов в простетической группе или нарушение архитектоники белкового компонента приводят к резкому понижению каталитической активности данного фермента. Следовательно, в системной организации ферментов также подтверждается то соответствие между структурным построением фн. ячеек и функцией всей данной системы, которое является закономерным для всех ступеней и уровней каскадного Развития Материи вообще.
Пространственная конфигурация белковых глобул определяет собой и вторую особенность ферментов - высокую специфичность их действия, то есть монофункционирование. Иными словами, каждый фермент способен катализировать только свою, строго определенную реакцию. Поэтому, если имеется какое-либо органическое вещество, способное к ряду химических соединений, то в присутствии того или иного фермента оно будет быстро реагировать только в одном, строго определенном направлении, выполняя тем самым соответствующий алгоритм данной системы.
Наконец, специфическое строение белков обусловливает собой и третье характерное для ферментов свойство - их исключительную чувствительность к различного рода воздействиям. Так, при определенных физических или химических воздействиях самого различного рода (даже тогда, когда эти воздействия не затрагивают пептидных и других ковалентных связей белковой молекулы) специфическая пространственная архитектоника глобулы может измениться и даже нарушиться, а ее упорядоченная структурная конфигурация необратимо утратится. В этом случае пептидные цепи принимают беспорядочное пространственное расположение и белок из глобулярного состояния переходит в фибриллярное происходит так называемая денатурация белков, при которой они теряют ряд тех своих специфических биологически важных свойств, которые обусловливаются определенной архитектоникой каждого типа белковой молекулы. Совершенно исчезают при этом ферментативные свойства белков. Однако при более мягких воздействиях каталитическая активность ферментного комплекса может до известной степени сохраняться, претерпевая лишь те или иные количественные сдвиги. Поэтому любые, даже весьма незначительные, изменения физических или химических условий в той среде, где протекает данная ферментативная реакция, всегда находят свое отражение в изменении ее характера и скорости. Все эти свойства белков составляли основу качественного Развития Материи по организационному уровню З, в системах которого происходила все большая фн. дифференциация фщ. единиц и структурная интеграция фн. ячеек.
Каждая фщ. единица, попав в соответствующую ей фн. ячейку, функционирует в ней определенный алгоритмами период, после чего покидает ее, уступая место новой фщ. единице с теми же фн. свойствами. Покинув одну фн. ячейку, фщ. единица перемещается в предписанную ей алгоритмами другую ячейку и т.д. Процесс этот происходит постоянно, периодически возобновляясь и повторяясь, отчего создается впечатление движения фщ. единиц - веществ через системную структуру каждого данного образования, во время которого система поглощает фщ. единицы (или их комплексы), некоторое время использует их внутри себя, а затем выводит за свои пределы. Это непрекращающееся движение регулируется и регламентируется совокупностью соответствующих алгоритмов каждой системы, в то время как постоянно протекающие в системе реакции придают ей своеобразную "живость". В силу этого при так называемом обмене веществ очень простые и порой однообразные химические реакции окисления, восстановления, гидролиза, фосфоролиза, альдольного уплотнения, разрыва углеродной связи и т.д. (которые могут быть воспроизведены и вне системы организма) определенным образом организованы и сочетаются во времени соответствующими алгоритмами, а также подчинены функциональным интересам своей системы, как интегрированного единого целого. Эти реакции протекают в системах уровня З не случайно, не хаотически, а в строго определенной взаимопоследовательности, зафиксированной алгоритмами. То колоссальное разнообразие органических соединений, которое к настоящему времени представлено в мире живых существ, обусловлено не разнообразием и сложностью отдельных индивидуальных реакций, а разнообразием их сочетаний, изменением той последовательности, в которой они протекают в любой клетке живого организма на той или иной стадии его развития. Другими словами, развитие систем данного уровня организации Материи оказалось в еще большей зависимости от появления новых алгоритмов, совершенствования структур фн. ячеек и своевременного заполнения их соответствующими фщ. единицами. Последовательность химических реакций, обусловленная соответствующими алгоритмами, лежит в основе как синтеза, так и распада живого вещества, в основе таких жизненных явлений, как брожение, дыхание, фотосинтез и т.д. Молекулы сахара и кислорода, углекислоты и воды являются в этом случае лишь начальными и конечными звеньями в длинной цепи химических превращений, причем возникающее в результате одной реакции промежуточное вещество (фщ. комплекс) сейчас же вступает в следующую строго определенную для данного жизненного процесса реакцию. При изменении этой последовательности, при исключении или замене хотя бы одного какого-нибудь звена в цепи превращений, предопределенных данным алгоритмом, весь процесс в целом совершенно изменяется или даже полностью нарушается.
В основе механизма этих явлений лежит тесная согласованность скоростей отдельных химических реакций, представляющих собой перемещение фщ. единиц нижних подуровней из одних фн. ячеек в другие. Любое органическое вещество может реагировать в очень многих направлениях, то есть обладает весьма большими и разнообразными возможностями, однако их реализация может осуществляться с очень различными скоростями, в зависимости от всей совокупности тех условий, в которых данная реакция протекает. Понятно, что если в данных условиях одна какая-либо реакция осуществляется весьма быстро, а все остальные потенциально возможные реакции происходят относительно медленно, то практическое значение этих последних реакций в общем процессе обмена оказывается совершенно ничтожным. Иными словами, перед каждым органическим веществом протоплазмы открыты многочисленные пути химических превращений, но фактически в обмене веществ каждое поступающее из внешней среды соединение или каждый образующийся промежуточный продукт будут изменяться только в том направлении, в котором они реагируют с наибольшей скоростью. Все остальные, медленно протекающие реакции просто не успевают за то же время реализоваться в сколько-нибудь значительных размерах.
Вступающие в процесс обмена веществ в качестве реагентов фщ. единицы субстрат заполняют собой строго предназначенные для них фн. ячейки в структуре данной системы, в которых в определенный момент времени по предписанию алгоритмов они вступают в комплексное соединение с соответствующим белком-ферментом. Каждый такой комплекс является неустойчивым образованием, но достаточно надежным, чтобы выполнить какую-нибудь необходимую функцию. Отфункционировав, он очень быстро подвергается дальнейшему превращению, при этом субстрат изменяется в соответствующем направлении, то есть составляющие его фщ. единицы переходят в другие фн. ячейки, а фермент регенерирует и может опять вступить в комплекс с новой порцией субстрата для поддержания возможности выполнения необходимой функции данным системообразованием. Поэтому для того, чтобы любая фщ. единица реально могла участвовать в обмене веществ в системах уровня З, она должна войти во взаимодействие с белком, образовать с ним определенное комплексное соединение и только таким путем реализовать свои фн. свойства. В силу этого то направление, в котором изменяется при обмене веществ любое органическое соединение, зависит не только от индивидуального молекулярного строения составляющих фщ. единиц и определяющих его фн. свойства, но и от фн. ячейки, куда каждая фщ. единица соединения попадает и где она совместно с другими фщ. единицами - белками должна образовать фн. комплекс с новыми фн. свойствами, способный выполнить ту или иную новую функцию, подчиняясь превалирующим в данной системе алгоритмам.
Вследствие чрезвычайно тонкой специфичности ферментных белков, каждый из них, обладая строго индивидуальными фн. свойствами, может попасть только в строго определенные фн. ячейки и, в силу этого, способен образовывать фн. комплексы только с определенными фщ. единицами предыдущих подуровней, а также катализировать лишь определенные индивидуальные реакции. Поэтому в осуществлении того или иного жизненного процесса, а тем более всего обмена веществ в целом, участвуют тысячи индивидуальных белков - ферментов, при этом каждый из них способен специфически катализировать лишь отдельную реакцию, и только в совокупности, в определенном сочетании своего действия они создают тот закономерный порядок явлений, который лежит в основе процесса обмена веществ. Итак, обмен веществ, происходящий постоянно в системах любого жизненного организма, это сложнейший клубок химических превращений обмена, где регламентируемые данной совокупностью алгоритмов сплетаются в едино действующий механизм тысячи индивидуальных реакций, суть каждой из которых сводится к перемещению той или иной фщ. единицы из одной фн. ячейки структуры системы в другую, при этом моменты перемещения фщ. единиц по ячейкам строго согласованы по всей системе, чередуются в строго определенном порядке и в каждом перемещении участвуют строго означенные фщ. единицы и фн. ячейки. Вместе с тем, большую роль для течения каждой реакции обмена веществ играет внесистемная и околоподсистемная среда или, иными словами, системное окружение единицами предыдущих подуровней Материи. Так, всякое повышение или понижение температуры, всякое изменение кислотной среды, окислительного потенциала или осмотического давления смещает соотношение между скоростями отдельных ферментативных реакций, происходящих в системе данного живого организма, а, следовательно, изменяет их взаимосвязь во времени, что, в свою очередь, находит отражение в изменении периодов функционирования тех или иных фщ. единиц. Таким образом, системная организация живого вещества неразрывно связана с околосистемной организацией среды и составляет с ней единое целое. Кроме того, очень большое влияние на порядок и направление лежащих в основе обмена ферментативных реакций имеет и пространственная организация фн. ячеек в структуре живого вещества. Итак, многие десятки и сотни тысяч химических реакций, непрерывно протекающих в каждом живом организме, не только строго согласованы между собой во времени бесчисленное число раз отработанными алгоритмами, не только сочетаются в едином порядке всей структурной организацией его системы и окружающей его околосистемной среды, но и сам весь этот порядок направлен на поддержание в течение определенного периода времени гиперфункциональных свойств всей данной системы в целом, как фщ. единицы более высокого уровня. Вновь приобретенные при этом фн. свойства белковых веществ могут стать ясными лишь при изучении особенностей их функционирования в организме в качестве фщ. единиц систем более высокого организационного уровня Материи.
В связи с тем, что с момента вступления качественных форм Материи в так называемую "живую" стадию Развития характер организации систем усложнился, помимо организующих начал, характерных для систем предыдущих подуровней, как то:
1) наличие строго регламентированного количества фн. ячеек, объединенных в единую структуру связей,
2) заполняющих их и соответствующих им фщ. единиц,
3) совокупности алгоритмов построения, функционирования и распада,
4) энергообеспечения процесса функционирования системы
для организационного уровня З потребовались дополнительные системообразующие факторы. Ввиду большей усложненности его фн. систем происходило увеличение их кажущейся автономности, которая фактически представляет собой лишь больший разрыв в уровнях организации самой системы и околосистемной среды и которая дала повод обозначать их некоторые свойства с приложением полуслова "само": самообновление, саморегулирование, самоэнергообеспечение и чуть ли ни самоуничтожение. Основами этой автономности явилось начало развития соответствующих подсистем в общей структуре организма, отвечающих за обеспечение той или иной специфической функции. Происходившее в силу дальнейшей дифференциации функций все большее расслоение систем на подсистемы еще более усложнило структуру систем и потребовало более четкой взаимокоординации ее интегрированных составных частей. Поэтому совокупность алгоритмов каждой системы постепенно увеличивалась в количественном выражении, еще более улучшался ее качественный состав.
Всем известно, что такое алгоритм. Это строго регламентированный во времени и в пространстве порядок последовательного перемещения фщ. единиц из одной фн. ячейки структуры данного уровня в другую. Этот порядок обязателен для систем любого организационного уровня, предопределен для каждой их фщ. единицы. Все вокруг нас подчинено тем или иным алгоритмам. Их великое множество - от самых простых до невероятно сложных. Среди простых бытовых алгоритмов мы можем назвать алгоритмы приготовления пищи (например, заварки чая, выпечки пирогов и т. п.), изготовления стола или скамейки, выращивания картофеля и т. д. Среди суперсложных можно назвать, например, алгоритм изготовления авианосца. Поэтому в обычной поварской книге перечислены алгоритмы приготовления пищи, в нотах - алгоритмы воспроизведения музыкальных произведений, а в технологических картах построения жилого дома или автомобиля, прокладки дороги - алгоритмы их построения. Все указанные нами алгоритмы были выработаны в течение практической деятельности человеком. Однако, кто же занимался составлением алгоритмов для построения фн. систем доорганической и органической организации Материи? Ведь уже алгоритмы построения атома водорода или молекулы аминокислоты являются довольно непростыми. Конечно, их никто не изобретал. Они вырабатывались сами, повинуясь железной необходимости, вытекающей из действия законов Развития Материи, и в первую очередь, ее движения по категории качества ().
По мере усложнения системных структур уже в начальный период организации живых форм Материи, продолжительность функционирования которых основана, как известно, на принципе постоянной замены в них блоков фщ. единиц, в некоторый момент организационного развития потребовался механизм, обеспечивающий создание таких блоков в сравнительно короткое время с тем, чтобы заменять ими отфункционировавшие в фн. ячейках блоки без нарушения фн. свойств всей данной системы в целом. С этой целью в системах стала все более выделяться подсистема, записывающая алгоритмы построения того или иного блока, их пространственного расположения в общей структуре и временной последовательности перехода фщ. единиц данного уровня из одних фн. ячеек в другие. Как известно, в доорганических системах их структуры имели долговременный характер, при этом эти суммативные системные образования составлялись из фщ. единиц нижних подуровней в соответствии с их, главным образом, физическими свойствами при одновременном аккумулировании большого количества энергии. Распад таких систем происходил через большой отрезок времени, имел разовый нерегулярный характер и служил лишь целям общего перестроения макросистемы в целом. Позднее, на молекулярном организационном уровне порядок составления системных образований помимо физических стал регулироваться также и химическими свойствами входящих в них фщ. единиц, при этом с повышением системной организации происходило все меньшее аккумулирование суммарной энергии (хотя из расчета на одну фщ. единицу каждого последующего уровня аккумулирование энергии значительно возрастало), а сами соединения носили все более кратковременный характер. В надмолекулярных системах, обладавших все большим количеством органических свойств, запись информации об алгоритмах построения и функционирования стали принимать на себя фн. подсистемы, условно названные впоследствии нуклеотидами.
Итак, в процессе Развития Материи по организационному уровню З на отдельных участках поверхности планеты Земля с определенного момента времени стали появляться высокомолекулярные материальные образования, способные нести различную функциональную нагрузку нового спектра. Они включали в структуры своих подсистем следующие органические химические соединения: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие низкомолекулярные органические вещества. Кроме того, в них входили и неорганические вещества, главным из которых была вода. По мере продвижения актуальной точки Развития Материи по ординате времени, число новых системных образований сбалансированно увеличивалось, совершенствовалась их системная структура. Системы уровня З не были организационно оторваны от предыдущих уровней, а органически включали их системные образования в качестве фщ. единиц в свои фн. ячейки. Ввиду того, что пространственное развитие систем оргуровня З было ограничено не только площадью Земной поверхности, но также и другими факторами физического и химического характера (такими, как уровень получаемой лучистой энергии Солнца, различный на разных участках Земной поверхности; наличие в данном месте необходимого спектра системных образований предыдущих уровней и т.д.), постоянно существовало положение, при котором . Вследствие этого Развитие Материи вынуждено было осуществляться практически только за счет движения по координате качества (), в результате чего совершенствование систем оргуровня З продолжало носить относительно ускоренный характер. Результатом этого процесса явилось появление большого числа разнообразных по форме и по функциональному значению, но однотипных по системному строению образований, которые в современном представлении мы объединяем в едином понятии - органическая клетка.
Как известно, у разных клеток обнаруживается сходство не только в строении, но и в химическом составе, что указывает на то, что их происхождение было подчинено единым законам Развития Материи. Среднее содержание химических элементов в клетках таково (в %):
кислород65 - 75
углерод15 - 18
водород8 - 10
азот1,5 - 3,0
фосфор0,2 - 1,0
калий0,15 - 0,4
сера0,15 - 0,2
хлор0,05 - 0,1
кальций0,04 - 2,0
магний0,02 - 0,03
натрий0,02 - 0,03
железо0,01 - 0,015
цинк0,0003
медь0,0002
йод0,0001
фтор0,0001
Из 104 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено более 60. Атомы кислорода, углерода, водорода и азота заполняют 98% фн. ячеек клеточных подсистем. 1,9% предоставлены атомам калия, серы, фосфора, хлора, магния, натрия, кальция и железа. Менее 0,1% фн. ячеек занято прочими веществами (микроэлементами). Различные сочетания указанных элементов дают несколько типов внутриклеточных подсистемных образований, которые каждая клетка включает в свои фн. ячейки в качестве фщ. единиц в следующих пропорциях (в %):
Неорганические
вода 70 - 80
неорганические
вещества1,0 - 1,5
Органические
белки10 - 20
жиры1,0 - 5,0
углеводы0,2 - 2,0
нуклеиновые кислоты1,0 - 2,0
АТФ и др. низкомолеку
лярные органические
вещества0,1 - 0,5
Все указанные вещества, сами сложные в структурном отношении, не нагромождены в клетке вместе в хаотическом беспорядке, а в качестве фщ. единиц заполняют расположенные в строго определенном порядке предназначенные для каждого из них фн. ячейки ее единой структуры. Функционируя, они проделывают свои четко определенные микродвижения внутри микрообъема пространства клетки, регулируемые соответствующими внутриклеточными алгоритмами, при этом существует безусловная связь этих движений в пространстве как с абсолютным, так и с относительным течением времени. Каждое из веществ клетки в качестве фщ. единицы несет строго определенную функцональную нагрузку и имеет свои, регламентируемые соответствующими алгоритмами, периоды функционирования. Все их разнообразное сочетание представляет собой единый тонко отрегулированный клеточный механизм.
К наиболее простым структурным внутриклеточным образованиям относятся углеводы, жиры, липоиды. Фн. ячейки их структур заполняют, в основном, атомы углерода, водорода и кислорода. Функция углеводов наиболее проста. Распадаясь на CO2 и воду с выделением из 1 грамма 4,2 ккал энергии, они обеспечивают основной массой этих фщ. единиц соответствующие фн. ячейки структуры клеток.
Роль жировых соединений более сложна. Они придают клеткам гидрофобные (водоотталкивающие) свойства, являются теплоизоляторами. В случае необходимости, они, как и углеводы, являются источником аккумулированной энергии, расщепляясь до CO2 и H2O. Расщепление 1 грамма жира дает 9,3 ккал.
Еще более сложными структурными образованиями являются белки. Помимо углерода, водорода и кислорода в фн. ячейках их структур имеются также атомы азота, серы и других веществ. Белки являются макромолекулами, объединяющими десятки, сотни тысяч атомов. (Так, если молекулярная масса бензола равна 78, то белка яйца - 36.000, белка мышц - 1.500.000 и т.д.).
Системная организация белков имеет свои особенности. Входящие в них атомы заполняют предназначенные для них фн. ячейки не по одному, а целыми аминокислотными блоками, имеющими устойчивый характер внутрисистемной связи. Всего таких фщ. единиц - блоков 20. Все они имеют различную системную структуру и выполняют различные функции. Поэтому образование белков носит поэтапный характер. Вначале образуются аминокислоты, которые посредством пептидных связей соединяются в белковые цепи с выделением воды. В среднем каждая белковая цепь содержит до 200 - 300 аминокислотных блоков в различных сочетаниях. Достаточно в цепи заменить один тип аминокислоты на другой, как вся структура данного белка, а с ней и его функциональные свойства, меняются. Структура белковой цепи аминокислотных блоков имеет форму глобул, что придает длинным цепям белка компактный вид и мобильность при пространственном перемещении. В укладке полипептидной цепи нет ничего случайного или хаотичного, каждому белку присущ определенный, всегда постоянный характер укладки. Иными словами, структура каждого белка имеет строго определенное пространственное расположение ее фн. ячеек, которые заполняются строго соответствующими им фщ. единицами - аминокислотными блоками. При этом каждая структура белка, будучи фщ. единицей в системе более высокого порядка и занимая в ней соответствующую ей фн. ячейку, выполняет там свою, присущую только ей, функцию. Как правило, белковые структуры являются активнейшими реагентами химических реакций, постоянно протекающих внутри клетки, и поэтому наиболее велика их роль в качестве катализаторов этих реакций. Почти каждая химическая реакция в клетке катализируется своим особым белком - ферментом, каталитическая активность которого определяется небольшим участком - его активным центром (сочетанием аминокислотных радикалов). Структура активного центра фермента и структура субстрата точно соответствуют один другому. Они подходят друг к другу как ключ к замку. Благодаря наличию структурного соответствия между активным центром фермента и субстратом они могут тесно сблизиться между собой, что и обеспечивает возможность реакции между ними.
К другим важным внутриклеточным образованиям следует отнести нуклеиновые кислоты: дезоксирибонуклеиновую - ДНК и рибонуклеиновую - РНК. Их основная функция состоит в обеспечении процесса синтеза белков клетки. Длина молекулы ДНК в сотни и тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы и может достигать нескольких десятков и сотен микрометров, в то время как длина самой крупной белковой молекулы не превышает 0,1 мкм. Ширина двойной спирали ДНК всего 20 . Молекулярная масса составляет десятки и даже сотни миллионов. Каждая цепь ДНК - полимер, мономерами которого являются молекулы четырех типов нуклеотидов. Иными словами, ДНК - это полинуклеотид, в цепи которого в строго определенном и для каждой ДНК всегда постоянном порядке следуют нуклеотиды, являющиеся таким образом фщ. единицами в структуре фн. ячеек ДНК. Поэтому, если хотя бы в одной из фн. ячеек будет помещена иная фщ. единица - нуклеотид, фн. свойства всей структуры изменятся. В каждой цепи ДНК (средний мол. вес 10 млн.) содержится до 30 тыс. нуклеотидов (мол. вес 345), вследствие чего количество изомеров (при 4 типах нуклеотидов) очень велико.
Благодаря принципу комплементарности, лежащему в основе построения двойной спирали ДНК, молекула ДНК способна к удвоению. Во время этого процесса две цепи разъединяются, образуя при этом две двойные цепи фн. ячеек, у которых лишь один ряд заполнен фщ. единицами, а другой становится свободным. На следующем этапе неассоциированные нуклеотиды из околосистемной среды заполняют соответствующие им свободные фн. ячейки в обеих спиралях. В результате редупликации вместо одной молекулы ДНК возникает две такого же точно нуклеотидного состава, как и первоначальная. Одна цепь в каждой вновь образовавшейся молекуле ДНК остается от первоначальной молекулы, другая синтезируется вновь. Таким путем вместе со структурой происходит передача фн. свойств ДНК от материнской клетки к дочерней.
Графически это выглядит следующим образом:
Молекулы РНК также являются полимерами, как и ДНК, но в отличие от них имеют одну спираль фн. ячеек, а не две. РНК выполняет в клетке ряд функций, в том числе
1) транспортную (транспортируют аминокислотные блоки к месту синтеза белков);
2) информационную (переносят информацию о структуре белка);
3) рибосомную.
Еще одним очень важным нуклеотидом в структуре живой клетки является аденозинтрифосфорная кислота - АТФ, содержание которой в клетках колеблется от 0,04 до 0,2 - 0,5%. Его особенность состоит в том, что при отщеплении одной молекулы фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту) с выделением 40 кдж энергии с 1 гр-молекулы.
Все указанные выше органические вещества являются сложными по своей структуре и системной организации образованиями, но и они, в свою очередь, входят в качестве фщ. единиц в фн. подсистемы интегрированной системы клетки. К числу основных подсистем клетки отосятся следующие:
Наружная мембрана клетки. Регулирует поступление ионов и молекул в структуру клетки и выход их из нее в околосистемную среду. Такой обмен молекулами и ионами, то есть различными фщ. единицами, между системой клетки и внешней средой происходит постоянно. Различают фагоцитоз - поглощение мембраной крупных частичек вещества и пиноцитоз - поглощение воды и водного раствора. Через наружную мембрану из клетки выводятся продукты ее жизнедеятельности, то есть отфункционировавшие в подсистемах клетки фщ. единицы.
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги