Химическая форма материи

Химическая форма материи (ХФМ)2 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»1 .

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 физическому1 . 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 — слитна 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 химией2 . «...Никакие физические методы сами по себе, — утверждает М.В. Волькенштейн, — не были бы в состоянии установить структуру сложных молекул без химических исследований»3 .

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 Н-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-массэнергетический 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»1 .

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»2 . 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»1 .

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.

Закономерный характер химической эволюции. В развитии ХФМ можно выделить целый ряд направлений1. 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»1. 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. Кеньоном2 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 систем3 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 жизни4. 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»1 . По мнению В.Г. Фесенкова, «во Вселенной органическая жизнь, если она вообще существует, может быть построена только на основе углеводородных соединений»2 .