Химическая форма материи

Химическая форма материи (ХФМ)[78] включает уровни от атома до макромолекулярных комплексов, лежащих в преддверии живой ма­терии. В современной науке выделение химического как одной из ос­новных форм материи, ступени единого мирового процесса связано с большими теоретическими трудностями, преодоление которых воз­можно только совместными усилиями теоретической химии и философии. В условиях современной научно-технической революции грани между основными формами бытия становятся чрезвычайно подвиж­ными и самостоятельное существование фундаментальных наук может быть установлено только с помощью глубокого философского анали­за, т. е. с использованием форм мысли, которые выходят далеко за рамки частнонаучного мышления.

Известно, что современная химия стала зрелой наукой, когда она получила хорошо разработанный физический фундамент, прежде всего — квантовую теорию химической связи. Процесс проникнове­ния понятий и методов физики в химию привел к появлению редукционизма — современной формы механицизма, заключающейся в по­пытке полного сведения химического к физическому, растворения хи­мического качества в физическом, или, иначе, физикализму. Эта по­пытка является частным случаем редукционизма вообще, выражающе­гося также в тенденции сведения биологического к химическому, со­циального к биологическому и, в конечном счете — всех высших форм материи к физической (радикальный физикализм). С позиций радикального физикализма все формы материи являются лишь различ­ными модификациями физической реальности.

Физикализм и редукционизм имеют некоторые основания, чрез­мерно преувеличиваемые и абсолютизируемые. Как известно, химиче­ская форма материи “строится” из физической. Химический атом син­тезирован из протонов, нейтронов и электронов. Химическое, как и любая другая форма материи (мы будем рассматривать эту закономер­ность позднее), возникает на основе предыдущей и включает часть ее в себя, в качестве своей “основы” или “фундамента”. Поэтому каждый элемент или “шаг” химической формы материи имеет свой физичес­кий “эквивалент”. Каждый химический атом выступает также как уни­кальное физическое образование и может быть описан как физическая индивидуальность. В тенденции физика должна под своим углом зре­ния объяснить все химические феномены и связи. “...Вся система хи­мических элементов во всем ее широком многообразии в настоящее время в принципе может быть выведена из законов физики”[79].

Однако совершенно бесспорно, что от физического описания и объяснения ускользает собственно химическое качество и, тем более, качества жизни и социальной жизни. Проблема “неуловимого химиче­ского качества” разрешима только на основе целостного подхода к миру, взгляда на мир как единый закономерный процесс, в котором химическая форма материи занимает свое закономерное место и мо­жет быть понята в сопоставлении с другими формами материи.

Обычно химическое качество связывается химиками с атомами как неделимыми химическими целостностями. Известный специалист в области философских вопросов химии Б.М. Кедров определял атом как “исходную химическую клеточку”, своего рода химическую еди­ницу и рассматривал целостность атома как основной аргумент в по­льзу несводимости химического к физическому[80]. Однако этот аргу­мент, действительно свидетельствуя в пользу существования химичес­кого качества, обнаруживает в то же время свою существенную недо­статочность, поскольку с точки зрения квантовой механики атом явля­ется и физической целостностью, на основе которой возникает хими­ческая целостность. Поэтому в некоторой степени схваченное, хими­ческое качество все же от нас ускользает. В определении химического качества мы несколько продвинемся дальше, если учтем, что физичес­кая целостность атома является целостностью физического многообра­зия - ядра и электронов, которые остаются всецело физическими обра­зованиями, а химическая целостность — слитно и неделима.

В пользу специфического и несводимого химического качества говорит, далее, тот факт, что ни одна фундаментальная химическая проблема — химической связи, реакционной способности, валентно­сти и т.д. не получила своего решения в квантовой химии, которая, не­смотря на ее огромную роль в химии, не способна объяснить, что в хи­мическом есть собственно химическое. Как отмечает Г. Фукс, предмет химии может быть адекватно понят только химией[81]. “...Никакие физи­ческие методы сами по себе, — утверждает М.В. Волькенштейн, — не были бы в состоянии установить структуру сложных молекул без хи­мических исследований”[82].

Сильным аргументом в пользу качественного своеобразия хи­мической реальности является ссылка на основной химический пери­одический закон, открытый Д. И. Менделеевым. Химическую реаль­ность поэтому нередко определяют как “менделеевский мир”. Однако и эта ссылка не дает окончательного решения вопроса о специфичес­ком химическом качестве.

Существенным свидетельством в пользу своеобразной химичес­кой реальности является тот факт, что химические связи между качес­твенно различными атомами в физическом отношении различаются только количественно. Так, связь Н-С отличается от связи H-F с физи­ческой стороны лишь различной полярностью или разностью электроотрицательности атомов (0,4 и 1,9). С химической же стороны — это связи водорода с качественно различными химическими элементами.

Наиболее крупным аргументом в пользу признания несводимо­го химического качества, своеобразной химической формы объектив­ной реальности является то, что химический мир — это над-массэнергеттеский мир, в котором слабые масс-энергетические процессы хо­тя и имеют место, образуя физическую основу химизма, но не опреде­ляют его природы. Как отмечает Э.Штрекер, “вещество и качество, как таковые, нигде не выступают в уравнениях физики. Вещество вы­ступает в них только в виде массы, а качество имеет значение лишь постольку, поскольку встречающиеся иногда в функциональных урав­нениях константы имеют для каждого вещества свои числовые значе­ния. Еще не было никакой возможности выразить вещественную при­роду в ее качественной специфичности в виде массы и числа”[83].

Химический мир, как подметил еще Гегель, характеризуется не­сравненно большим качественным многообразием, чем физический. Образуясь всего из трех основных элементарных частиц (причем час­тиц, обладающих наибольшим многообразием физических связей), хи­мическое включает свыше 100 химических элементов, из которых воз­никает огромное качественное многообразие химических соединений. В настоящее время идентифицировано порядка 8 миллионов химичес­ких соединений и ежегодно синтезируется до полумиллиона соедине­ний. А. Ленинджер полагает, что общее число возможных типов бел­ков составляет 10^10-12, а нуклеиновых кислот— 10¹⁰.

Весьма существенной чертой химического мира является более заметное, чем в физическом мире, развитие особенного. В отличие от ядер и электронов химические соединения обладают ярко выраженной индивидуальностью. Д. И. Менделеев подчеркивал, что химический мир — “это целый живой мир с бесконечным разнообразием индиви­дуальностей как в самих элементах, так и в их сочетаниях”[84]. Масс-энергетические взаимодействия в химии характеризуются значительно меньшей индивидуальностью, чем над-массэнергетические. Послед­ние связаны прежде всего с одним из важнейших свойств химических веществ —химическом сродством.

Химический способ развития. Качественно более сложный хи­мический субстрат обладает новым, отличным от физического, спосо­бом развития.

Химические элементы составляют низший, наиболее простой и исходный уровень химической эволюции. Они возникают в результате предшествующего физического процесса эволюции, обладают неоди­наковой физической и химической сложностью и, следовательно, раз­личными возможностями дальнейшего химического процесса разви­тия, различным потенциалом развития. Т.С. Васильева установила за­мечательную особенность разнородного усложнения физических и хи­мических атомов в ходе роста их порядкового номера в системе Мен­делеева. Если в физическом отношении химические элементы, начи­ная с водорода, усложняются сравнительно однородно и линейно, так что уран и следующие за ним элементы оказываются безусловно более сложными, чем предшествующие, то химически элементы усложняют­ся нелинейно. Первоначально их химическая сложность быстро растет, достигая максимума у углерода, а затем резко падает. Уран в физичес­ком отношении сложнее, а в химическом — значительно проще, чем углерод. Последний — наиболее сложный химический элемент, обла­дающий наивысшим потенциалом химического развития. В той или иной мере близкими углероду эволюционными потенциалами облада­ют водород, кислород, азот, сера и фосфор. В силу этого углерод, во­дород, кислород и другие химические элементы играют главную роль в химической эволюции, закономерно приводящей к появлению жиз­ни, и называются поэтому элементами-органогенами. Менделеев пи­сал, что “ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде”[85].

В основе представления о химическом способе объективно-ре­ального существования и развития лежит понятие химической реак­ции. Претерпев большую эволюцию в истории науки, это понятие на­ходится в центре теоретических представлений современной химии. В понятии реакции химический способ объективно-реального существо­вания и развития определен применительно к отдельным превращени­ям. Химическая реакция — относительно самостоятельное превраще­ние, связанное с некоторым конечным числом реагирующих субстра­тов. На уровне понятия реакции не раскрывается целостная природа и направленность объективно-реального существования и развития ХФМ. Это делает необходимым перейти к более обобщенным и широ­ким понятиям.

Химический процесс есть единство синтеза (ассоциации) и распада (диссоциации). Поскольку химический синтез приводит к усложнению веществ, он является химической формой прогресса, а диссоциация — химическим проявлением регресса. Если химический способ развития рассматривать только на уровне отдельных реакций, то может возникнуть представление о равенстве, равносильности про­цессов синтеза и распада. Однако более глубокий, целостный (системный) подход к совокупному миру химических превращений дает осно­вания для вывода, что общим интегральным направлением химичес­ких превращений является прямой субстратный синтез. Коренная особенность такого синтеза состоит в том, что переход в новое, выс­шее качество, новую сущность не может быть осуществлен отдель­ным самостоятельно существующим субстратом. Для такого перехода отдельный химический субстрат нуждается в другом субстрате. В хи­мическом развитии новое качество, новая сущность выступают как па­ритетный результат двух или более химических субстратов.

Отдельный самостоятельно существующий субстрат (химичес­кий атом или молекула) не обладает, следовательно, достаточным бо­гатством внутреннего содержания (содержания “в себе”) и нуждается в существенном дополнении другим. На уровне химической формы материи отдельный субстрат характеризуется существенной внутрен­ней неполнотой, т. е. недостаточным для самостоятельного развития содержанием.

Субстратный синтез выступает в качестве общего для физичес­кой и химической форм материи способа объективно-реального суще­ствования и развития, однако он обладает в них своей существенной спецификой. Химический субстратный синтез — прежде всего над-массэнергетический синтез, хотя он и происходит с помощью физи­ческого (электромагнитного) синтеза, связанного с изменением вне­шней электронной оболочки атомов. В отличие от “суммарного” и “массового” характера физического синтеза (в особенности наиболее универсального — гравитационного), химический синтез имеет высо­коизбирательный характер, ибо происходит по законам химического сродства. Благодаря сродству, проявляемому качественно различными элементами друг к другу, химический синтез есть не просто притяже­ние субстратов, но их взаимное изменение с потерей ряда прежних и приобретением новых общих свойств. Это синтез избирательно вза­имодействующих качеств.

Химический субстратный синтез включает особый, специфиче­ски химический механизм — катализ, т. е. способность ускорения хи­мических превращений. В химической форме материи, таким образом, возникает своеобразная способность многократного самоускорения движения и развития.

Химический субстратный синтез — высшая и предельная фор­ма субстратного синтеза в природе. Как способ развития, субстратный синтез связан с относительно простыми субстратами и с определенно­го уровня сложности становится невозможным. Это объясняется уже тем, что более сложные субстраты обладают большой автономностью и не могут объединяться.

Имеет ли развитие направление

Закономерный характер химической эволюции. В развитии ХФМ можно выделить целый ряд направлений[86]. Общим направ­лением всех линий развития является движение от низшего к высше­му, от простого к сложному: от химических элементов к молекулам и их комплексам. В пределах общего направления можно выделить ма­гистральное, т. е. основное направление, с которым

связано наиболь­шее богатство, многообразие химических превращений, и побочные, или тупиковые, ветви развития.

Магистральное направление развития ХФМ связано с углеро­дом как наиболее сложным и богатым химическим элементом, и дру­гими элементами-органогенами — Н, О, N, S, Ph.

Тупиковые ветви развития существуют благодаря магистрали химической эволюции, поскольку они представляют собой ответвле­ния от нее. В то же время тупиковые направления обусловливают раз­витие на магистральной линии, создают необходимые для химической эволюции условия. В конечном счете химическая эволюция законо­мерно приводит к возникновению живой материи.

Что определяет направленность химической эволюции от про­стого к сложному, к возникновению живого? По этому ключевому во­просу в естественнонаучной и философской литературе существуют две основные точки зрения. Одни ученые (А.И. Опарин, Дж. Бернал, В.И. Кузнецов) считают, что фактором, определяющим развитие хими­ческого в сторону живого, является химический отбор, который дает оценку развивающихся химических систем относительно среды. В процессе отбора таких химических систем сохраняются и продолжают эволюционировать все более сложные системы. “Выживаемость” хи­мических систем обусловлена усложняющимся химическим содержа­нием систем. Согласно второй точке зрения направленность химичес­кой эволюции определяется внутренними ограничениями, вытекающи­ми из свойств химических элементов и их соединений. Не среда со­вершенствует химическое, а химическое совершенствует само себя при сопоставлении со средой (посредством химического отбора наи­более устойчивых систем). Активным фактором отбора оказывается, с этой точки зрения, само химическое, “отбор есть самоотбор “под углом зрения” соответствия среде”[87]. Фактически к этой точке зрения подходил и А.И. Опарин, который подчеркивал способность химичес­кой материи к саморазвитию.

Вторая точка зрения в различных вариантах обосновывается Д. Кеньоном[88] и А П. Руденко. С позиций концепции “биохимического предопределения” Д. Кеньона каждая ступень химической эволюции в основных чертах предопределена свойствами химических соединений предшествующей ступени химической эволюции и не является случай­ной по отношению к последней.

В разработанной А.П. Руденко теории саморазвития открытых каталитических систем[89] объектом химической эволюции рассматрива­ется не молекула, а каталитическая система, включающая взаимо­действующие молекулы, катализаторы и химическую среду Основ­ным показателем развития каталитической системы является абсолют­ная каталитическая активность, рост которой служит основой эволю­ционных изменений каталитической системы, ее усложнения, которое происходит с нарастающей вероятностью.

В конкретном химическом аспекте процесс эволюции химичес­кой материи и возникновение живой материи описан теорией А.И. Опарина, считающейся наиболее вероятной гипотетической теорией происхождения жизни[90]. Согласно этой гипотезе предбиологическая эволюция прошла несколько основных ступеней — органических ве­ществ (начиная с простейших соединений углерода СН, CN, СО) — высокомолекулярных полимеров (прежде всего первичных белков и простейших нуклеиновых кислот) — индивидуальных многомолеку­лярных систем, в результате направленной эволюции которых возни­кали первичные примитивные организмы.

В процессе химической эволюции обнаруживается глубинная, внутренняя логика развития, которая скрыта под частностями и “дета­лями” химического процесса и может быть выявлена только совмест­ными усилиями теоретической химии и философской науки. Как уже отмечалось, способом химического существования и развития являет­ся прямой субстратный синтез. Его основным внутренним противоре­чием является противоречие между субстратным синтезом как целост­ным процессом и включенным в него процессом химической диссоци­ации, или распада.

Диалектический “смысл” субстратного синтеза заключается в том, что химические вещества по отдельности не обладают достаточ­ным для саморазвития содержанием и поэтому химическая эволюция может осуществляться только посредством синтеза этих веществ. Преобладание, или абсолютность, химического синтеза ярко выражено уже на исходном уровне химической эволюции — в химических эле­ментах, основной тенденцией которых является тенденция к синтезу, а не распаду, что предопределено уже физической структурой элемен­тов — стабильностью атомного ядра и способностью электронных оболочек к электромагнитным взаимодействиям. Выражаясь гегелевс­ким языком, химические элементы и их соединения “определены к синтезу”.

Однако “паритетность” химических синтезов является относи­тельной, ибо химические элементы неравноценны по своему химичес­кому содержанию и, следовательно, эволюционному потенциалу. По­скольку наиболее богатым химическим элементом является углерод, с ним связано магистральное направление химической эволюции. Ато­мы углерода образуют так называемую полипептидную связь, после­довательность сотен тысяч атомов углерода, к которой могут присо­единяться любые другие химические атомы и их группы. Химическая эволюция приводит к появлению такого химического субстрата, кото­рый получает все более богатое химическое содержание и становится основой химической эволюции, приобретает автономность и устойчи­вость Субстратный синтез теряет при этом свой прежний “паритет­ный” характер, постепенно исчерпывает себя, а развивающийся хими­ческий субстрат становится все более способным к самостоятельной эволюции, к саморазвитию. Важнейшим свойством такого субстрата оказывается самосохранение, которое осуществляется благодаря тому, что химическая диссоциация превращается в средство поддержания синтеза, поддержания целостности автономного субстрата. Когда хи­мический процесс оказывается таким образом “замкнутым на самого себя”, т.е. становится средством поддержания целостности материаль­ной системы, химический субстрат превращается в живую материю, а химический процесс становится жизненным процессом. По глубокому замечанию Ф. Энгельса, жизнь — это самосохраняющийся химичес­кий процесс Жизнь, таким образом, является закономерным и необхо­димым результатом химической эволюции природы.

В химической эволюции обнаруживается одна из важнейших закономерностей развития — аккумуляция содержания низших ступе­ней в высших. Химическая эволюция представляет собой не простую смену одного состояния другим, а накопление, синтез основных резу­льтатов развития в последующих ступенях, в результате чего возника­ет материальный субстрат, обладающий наибольшим многообразием самых различных и даже противоположных свойств. Так, белки, один из важнейших компонентов живой материи, обладают кислотными и основными, гидрофильными и гидрофобными свойствами, обнаружи­вают все основные типы реакций. В нуклеиновых кислотах — втором важнейшем компоненте живой материи — благодаря их особой струк­туре происходит накопление информационного содержания в сжатой, кодированной форме.

Возникновение жизни обусловлено прежде всего магистраль­ным направлением химической эволюции, где химическая форма ма­терии выступает в своем оптимальном, или достаточно полном, соде­ржании или многообразии. Учитывая это обстоятельство, большинс­тво крупнейших химиков мира считают, что жизнь не может возни­кнуть на какой-либо иной, кроме углеродной, основе, например, на ба­зе кремния или азота, которые обладают несравненно меньшим, чем углерод, многообразием химических связей и, следовательно, мень­шим потенциалом развития. “Все данные физико-химических исследо­ваний, — пишет А.И. Опарин, — говорят нам о том, что иных форм соединений, ведущих к развитию жизни, не может быть”[91]. По мнению В.Г. Фесенкова, “во Вселенной органическая жизнь, если она вообще существует, может быть построена только на основе углеводородных соединений”[92].