ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТЕОРИИ КАК ЧЕТВЕРТАЯ КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ХИМИИ

Углубление знаний о закономерностях химического процесса подготовило основу для возникновения четвёртого типа концептуальных систем химии. В 60-х гг. ХХ века появляются первые теории эволюционной химии. От познания химического процесса был сделан шаг к познанию химической эволюции. Используя опыт биологии, а также методы физики и кибернетики, химия переходит к объяснению процессов самоорганизации химических систем.

Четвертая система позволяет сделать объектом синтеза самые сложноорганизованные химические системы из возможных на этапе предбиологической эволюции. Впервые химия использует метод историзма, воспроизводя природные процессы в их последовательном усложнении

Четвертая концептуальная система еще только формируется. Эта концепция также представляет собой учение о химическом процессе, но только о высших формах этого процесса.

Химию долгое время не интересовали процессы эволюции химических соединений. Подобные процессы попросту были неизвестны. Если идеи эволюции живой природы и космоса в целом появились уже в древней философии, идеи развития Земли и Солнечной системы в 17-19 вв., то возможность развития неживого, косного вещества предположить гораздо труднее. Развитие организма слишком явно отличается от процессов в косном веществе своим направленным и необратимым изменением качественных состояний, сопровождающимся усложнением структуры и выполняемых функций. Во всех химических процессах уровень организации материальных объектов остается примерно одинаковым. Принципиально более сложными являются органические макромолекулы, которые природа синтезирует в «лаборатории организма». Химики давно мечтали научиться этому у природы и частично смогли добиться этого уже в 19 веке. Но одно дело – искусственный синтез макромолекул, целенаправленная сборка системы из элементов путем перераспределения межатомных связей, и другое дело – самопроизвольный процесс усложнения, повышения уровня организации химических систем.

В 1958-60 гг. американские химики А. Гуотми и Р. Каннингем открыли явление самосовершенствования катализаторов. Они заявили о наличии реакций, в которых катализаторы эволюционируют в сторону повышения активности и селективности. В 1964-69 гг. советский химик А.П. Руденко создал теорию саморазвития открытых каталитических систем.

Позже выделились направления эволюционной химии нормальных состояний (предбиологическая эволюция в русле теории Опарина – М. Кальвин, Дж. Бернал, А.А. Татаев) и химии экстремальных состояний (при температурах 4-6 К, 5000 К). Эти, казалось бы, совершенно противоположные процессы подчиняются одним и тем же законам химической эволюции.[28]

В рамках четвертой концептуальной системы наиболее остро встает проблема взаимосвязи различных уровней организации материи и различных форм движения. Как физика в свое время помогла химии в объяснении природы химизма, так и химия позже доросла до того, чтобы вместе с биологией подойти к объяснению проблемы происхождения жизни.

Витализм в 18-19 вв. сохранялся и в химии, и в биологии. Но в химии он начал утрачивать свое значение раньше, в связи с успехами органического синтеза. В биологии витализм трансформировался из явно идеалистического учения в материалистическое, но трактующее биологические процессы как особый вид процессов, необъяснимых с помощью физико-химических знаний. Проблема сводимости или несводимости процессов разного уровня зачастую дискутируется и вызывает сложность из-за неясности терминов. Что понимать под «сводимостью»? Кузнецов считает, что утверждение о несводимости биологических процессов к химическим и физическим – это витализм. В этом контексте «несводимость» означает наличие в биологических процессах каких-то особых нефизических и нехимических процессов. В тоже время, Кузнецов доказывает качественную специфику разных уровней организации материи и разных форм движения, в том числе, на материале истории химии.

Берцелиус видел специфику живого в каталитических процессах. Сходного мнения придерживались М. Бертло, Ю. Либих и др. В этой связи подражание природным процессам синтеза веществ в «лаборатории организма» видится ученым в овладении механизмом каталитических реакций, а именно, в синтезе ферментов. Но даже и в настоящее время еще немногие видят связь между катализом, биокатализом и биогенезом.

Уже в начале 19 в. пристальный интерес химиков вызвали, например, реакции брожения. Сначала их также объясняли действием «жизненных сил». Затем сложились две противоположных концепции: химическая и биологическая. Первая сводила биокатализ к обычному химическому катализу, не видя принципиального различия между этими уровнями организации материи и материальных процессов. Ошибаясь в этой главной установке, данная концепция внесла свои конструктивные идеи в понимание природы биокатализа (Либих, Бертло, Аррениус). В русле этой исследовательской программы была раскрыта физико-химическая основа биологических процессов, и, соответственно, перспективность применения методологии физики и химии в их познании.

Биологическая концепция указывала на специфичность процессов с участием органических макромолекул и живых клеток, на различие бесклеточного брожения и ферментативного брожения дрожжевых клеток (Т. Шванн, Л. Пастер). Пастер доказывал, что дрожжи – не химическое соединение, а живые клетки, что ферменты представляют собой более высокий уровень организации материи, чем небиологические катализаторы, за что был обвинен в витализме. Пастер ошибался в том, что считал катализатором не фермент, а клетку, и что как следствие считал брожение исключительно результатом жизнедеятельности.

Но позднее стало ясно, что в главной методологической и теоретической установке был прав Пастер, а не сторонники химической теории, чья позиция теперь выглядит как редукция биологического к химическому. На примере этого частного вопроса – обсуждения сущности процессов брожения – выявилось фундаментальное противоречие двух подходов, по-разному понимавших проблему взаимосвязи биологического и химического. В настоящее время качественные отличия биологических процессов от физико-химических процессов неживой природы видятся в следующем:

1) Носителями биологических процессов являются материальные системы более высокого уровня организации, чем системы неживой природы (начиная с уровня органических макромолекул).

2) Существенно различаются принципы действия ферментов и небиологических катализаторов.

3) Существенно различается механизм образования полимеров и биополимеров (структура которых определяется генетическим кодом).

4) Многие химические реакции окисления-восстановления в клетках могут происходить без непосредственного контакта реагирующих молекул![29]

«…в живых системах осуществляются такие типы химических превращений, какие никогда не обнаруживались в неживом мире» Живое не является «просто сложной комбинацией тривиальных физико-химических процессов».[30]

Кузнецов считает, что Пастер создал научно-исследовательскую программу исследования живого (в терминологии И. Лакатоса). С философской точки зрения интерес вызывают следующие положения этой программы (направления исследований):

1) Исследование «дисимметрических сил», свойственных органическим макромолекулам, и отсутствующих в неживой природе (стереоспецифичность).

2) Разработка иерархии уровней организации неорганических и органических веществ, доказательство специфичности процессов, происходящих в них.

3) Происхождение специфичности жизни следует искать не в механической комбинации компонентов, а в эволюционном усложнении.

4) В 20-х – 30-х гг. ХХ века были выделены первые ферменты в кристаллической форме. Тогда же начались работы по моделированию биокатализаторов. Модели – натуральные объекты, аналогичные по свойствам, но более простые по структуре.

Понятие химической эволюции следовало еще из идей Дарвина, который предполагал ее возможность, но признавал неспособность современной науки подступиться к решению этого вопроса. Дарвин предполагал, что эволюция путем естественного отбора в живой природе является частным случаем более универсальных процессов саморазвития природы.

В биологии идея эволюции может прочно опереться на иерархическую систематику видов, в химии же такую иерархию выстроить гораздо сложнее. Что взять в качестве критерия уровня организации химических систем? Очевидным является различие систем по количеству атомов и структуре. Но может ли это различие служить критерием высокоорганизованности? Теории биохимической эволюции Опарина, Холдейна, М. Кальвина исходят из того, что соединения, входящие в состав живых организмов, по определению относятся к более высокому уровню организации. Если они стали результатом эволюции, значит они сложнее. Но искусственным путем можно синтезировать не менее сложные соединения, которые не являются результатом химической эволюции.

Кузнецов подверг критике теории биохимической эволюции Опарина, Холдейна, М. Кальвина. Эти теории внесли свой вклад в решение проблемы биогенеза, но не решили ее в силу своей ограниченности. Их главный недостаток в том, что они отвечают только на один вопрос, связанный с биогенезом: как мог происходить биосинтез в природе по аналогии с синтезом в лаборатории. Но они не объясняют, почему он вообще происходил? Каковы механизмы эволюции, ее движущие силы? Как происходил отбор соединений? Эти теории объясняют не эволюцию, а синтез. Но самопроизвольный процесс эволюции и искусственно направляемый лабораторный синтез – это разные процессы. Специалисты оценивают вероятность синтеза от метана до высших соединений в естественных условиях как крайне низкую: от 10^-400 до 10^-800 степени).[31]

В.И. Курашов также обращает внимание, что при многообразии современных концепций происхождения жизни ни одна из них полностью не объясняет необходимость предбиологической эволюции. Они показывают, что самоорганизация в принципе возможна, что она не противоречит законам природы. Но почему она должна идти? Почему множество отдельных актов самоорганизации связались в направленный процесс, невероятно длинный, не прервавшийся процесс?

Выбор критерия уровня химической организации и создание на его основе иерархии веществ – все это должно стать следствием, выводом из познания механизма химической эволюции, а не наоборот, как это происходило в первых теориях биохимической эволюции. В противном случае создание иерархической модели выглядит как произвольное конструирование.

За особое внимание к вещественной основе жизни вышеназванные теории принято относить к так называемому субстратному подходу к проблеме самоорганизации предбиологических систем.

Что такое «организация», «самоорганизация» в химии? Как они связаны с понятием «структура»? Кузнецов связывает последнее только с упорядоченностью атомов в молекулах (статичная, устойчивая упорядоченность), понятие же организации относит к кинетическим системам, т.е. к динамическим, качественно меняющимся системам. Химическая организация кинетической системы – это объективные законы существования данной системы.[32] А самоорганизация – самопроизвольный процесс повышения упорядоченности, уровня организации.

Ю.А.Жданов предложил два критерия уровня химической организации вещества: 1) информационная емкость соединения в расчете на один атом (что характеризует структурную сложность соединения и целого класса веществ); 2) средняя степень окисления атома углерода в молекуле (что характеризует способность к окислительно-восстановительным реакциям).

В строительстве живого вещества участвуют не более трети из известных химических элементов, из их числа только четверть являются основными органогенами (97,4% живого вещества). На лицо явный отбор. Эти элементы оказались способны создать миллионы разнообразных соединений. Тогда как все остальные – несколько сотен тысяч. И отбор органогенов произошел не по распространенности на Земле. Главный органоген – углерод – занимает 16 место по распространенности на Земле. Критерием отбора стала способность элемента образовывать связи, с одной стороны, прочные, энергоемкие, а с другой стороны, лабильные, легко подвергающиеся гомолизу, гетеролизу и циклическому перераспределению. Именно по этому критерию идеальным органогеном оказался углерод. Атом углерода способен образовывать все виды химических связей. Теми же свойствами но в меньшей степени обладают и другие органогены.

Отбор коснулся и соединений. Из миллионов органических соединений всего несколько сотен участвуют в строительстве живых тканей, но их свойства таковы, что из них смогли сформироваться миллионы видов живых существ. Эти соединения примерно одинаковы у всех видов вне зависимости от времени появления вида и сложности его организации.

Ключевую, по-видимому, роль в биосинтезе сыграли каталитические реакции. В неорганической природе катализ не так распространен, не играет столь значительной роли, каталитические системы со временем проявляют тенденцию к дезактивации. С появлением на Земле первых, еще достаточно простых органических соединений роль катализа резко возросла. Один и тот же элемент, например, железо, в минеральных соединениях снижает свою каталитическую активность на 3 порядка, а в органических – повышает на 10 порядков. Из разнообразия катализаторов отбор проходили те, которые могли быть получены разными химическими путями и имели широкий спектр действия. У них было больше шансов сохраниться и не быть разрушенными в результате агрессивного воздействия среды.

Таким образом, субстратная теория выделяет две составляющих вещественной основы живого: реагенты биосинтеза и катализаторы.

В рамках функционального подхода к проблеме химической эволюции предметом познания становятся, прежде всего, процессы самоорганизации, закономерности которых раскрываются физико-математическими методами (методы термодинамики, кибернетики, теории информации). Если довести до крайности противоположность субстратного и функционального подходов, то она будет выглядеть так:

1) Субстратная теория: жизнь могла появиться только из конкретных элементов и соединений, это следует из их свойств, в них следует искать тайну эволюции.

2) Функциональная теория: законы эволюции (самоорганизации) едины для всей материи, безотносительно материала, на котором она происходит, роль субстрата могли сыграть и другие элементы и соединения.

Обобщением этих подходов стала теория А.П. Руденко, сформированная в 1964-1969 гг. Руденко обобщил эмпирический материал – уже известные факты самосовершенствования каталитических систем. Одновременно он опирался на классическую теорию катализа. Объектом его теории стала элементарная открытая каталитическая система (ЭОКС). При постоянном притоке извне реагентов и отводе продуктов базисной реакции такая система приобретает динамическую устойчивость, т.е. сохраняется в таком виде сколь угодно долго при непрерывности идущих в ней процессов. Под влиянием внешних факторов, например, примесей устойчивость может нарушаться. Вследствие этого с равной вероятностью может произойти как падение, так и повышение активности катализатора. В последнем случае скорость базисной реакции возрастает, и возрастает вероятность прогрессивного изменения катализатора. Те центры катализа, чья активность повышается, все больше сосредотачивают на себе базисную реакцию, проходят тем самым естественный отбор. Другие, чья активность снижается, постепенно выходят из процесса. ЭОКС переходит на более высокий уровень организации, что проявляется в следующем: меняется состав и структура катализаторов, базисная реакция дробиться на элементарные стадии, для каждой из которых формируется свой катализатор, формируется механизм запоминания этих изменений, нарастает объем эволюционной информации. Эволюция и здесь идет как дифференциация системы с одновременной гармонизацией связей ее подсистем и элементов.

Условием самоорганизации является устойчивое неравновесие ЭОКС, которое достигается тем, что базисная реакция совершает полезную работу, направленную против равновесия.

Механизм эволюции – это отбор вещественной основы, способной к повышению абсолютной каталитической активности. Т.к. с наибольшей скоростью и вероятностью возникают те пути эволюционных изменений, на которых происходит максимальное увеличение абсолютной каталитической активности (закон химической эволюции по А.П. Руденко).

Самоорганизация ЭОКС идет в процессе постоянного превращения энергии, источником которой является базисная реакция. Поэтому эволюционным преимуществом обладают конкретные реагенты, чьи базисные реакции дают необходимое количество энергии (экзотермические реакции). Из этого механизма эволюции становится понятным, почему природа путем перебора вариантов отобрала для биосинтеза именно эти элементы и соединения. Бесконечное разнообразие вариантов реагентов и катализаторов приводит к бесконечному множеству эволюционных ветвей, большинство из которых оказываются тупиковыми, но некоторые продолжаются вплоть до биогенеза. Таким образом, теория Руденко обобщила функциональный и субстратный подходы. Понимание этого механизма позволило также выявить этапы химической эволюции ЭОКС и составить иерархию катализаторов по уровню их организации.

Термодинамика химической эволюции хорошо раскрыта в работах Ильи Романовича Пригожина (с начала 50-х гг.). Он сам противопоставил ее классической термодинамике Клаузиуса, видя противоречие Второго начала термодинамики и очевидных свидетельств прогресса в природе (одновременно с классической термодинамикой появилась теория эволюции Дарвина). Это в работах Пригожина появляется разделение науки на классическую, неклассическую (квантово-релятивистскую) и постнеклассическую (синергетическую). Главная черта, отличающая третий этап, это историзм, введение фактора времени, признание необратимости природных процессов, однозначного различия прошлого, настоящего и будущего. Тогда как в классической и в квантовой механике даже Эйнштейн называл такое различие иллюзорным (эти процессы обратимы).

Пригожин приводил в качестве признака высокоорганизованных неравновесных систем их способность к колебательным процессам, осуществляющимся как согласованное поведение элементов системы. В качестве примера он называл тип химических реакций, называемых «химическими часами». В классической науке (как физической термодинамике, так и химии) существовало представление, что молекулы могут двигаться и взаимодействовать друг с другом только хаотично, и взаимодействовать могут только близлежащие молекулы. Наличие же таких реакций, как «химические часы», доказывает другое. Например, в некотором объеме происходит две обратных реакции: А→В и В→А. Условно представим, что молекулы А – красные, а В – синие. С классической точки зрения процесс должен выглядеть как хаотичное появление в разных точках синих и красных молекул, что делает цвет кинетической системы усредненным. Но существуют реакции, в которых во всем объеме реагентов одновременно появляются молекулы только одного цвета: красные, синие, красные, синие… Молекулы такой кинетической системы действуют не хаотично, а согласованно, как единое целое, обнаруживая связь с другими молекулами на макроскопических расстояниях.

В начале 1970-х гг. Л. Полак открыл большое число фактов самоорганизации физико-химических систем в экстремальных состояниях (температура порядка 4000 К). Он сумел интерпретировать их в русле неравновесной термодинамики Пригожина.

Концепция Пригожина, гармонично сочетаясь с теориями эволюционной химии (теория Руденко), все же стоит в стороне от них. Ее объектом являются самоорганизующиеся макросистемы, тогда как объектом эволюционной химии являются эволюционирующие путем естественного отбора микросистемы.

Агнесса Баблоянц, бельгийская исследовательница, ученица И. Пригожина, утверждает, что в ХХ веке возникла новая химия, отбросившая представление о неизменности материи, признавшая существование вероятностных, случайных, необратимых и нелинейных процессов.[33] Новая химия возникла как междисциплинарная область исследований.

В химии изначально сложилась традиция (парадигма), сохранившаяся до ХХ века, в рамках которой все химические реакции объяснялись с позиции законов равновесной термодинамики. Реагенты помещались в закрытую систему, по мере накопления продуктов реакции достигалось химическое равновесие. Но начиная с 1916 г. стал известен новый тип реакций – колебательных, периодических реакций, названных химическими осцилляторами. Как это часто бывает, в рамках старой парадигмы новые факты воспринимались сначала как аномальные, как труднообъяснимые исключения или результат методической ошибки. Им первое время не придавали особого значения. Общепризнанные рамки равновесной термодинамики исключали согласованное поведение элементов химической реакции. Наиболее изученным примером колебательных реакций стала реакция Белоусова-Жаботинского (1958 г.) в силу ее наглядности.

Уже с 40-х гг. развитие неравновесной термодинамики заложило основы новой синергетической парадигмы, в рамках которой позже получили объяснение и колебательные химические реакции. Стало ясно, что они представляют собой лишь частный случай необычайно широкого и разнообразного класса явлений – явлений самоорганизации материи. Эти явления наблюдаются в открытых неравновесных системах, элементы которых при определенных условиях начинают вести себя согласованно. На смену хаотичному поведению приходит упорядоченное. Упорядоченность может проявляться как пространственно – в виде возникающих структур, так и во времени – в виде упорядоченной смены состояний, т.е. упорядоченности процессов.

А. Баблоянц пишет, что в новой парадигме химические процессы начинают восприниматься совершенно по-другому. Они как бы «оживают». «Они «чувствуют» время, распространяют информацию, различают прошлое и будущее, правую и левую стороны».[34]

«…атомы и молекулы кооперируются, иногда в масштабе целой системы, и проявляют такие глобальные свойства, о которых нельзя было даже догадываться, исходя из свойств отдельных атомов и молекул».[35]

Любопытно, что становлению синергетической парадигмы в химии способствовала химическая технология. Потому что в химическом производстве уже давно накоплен опыт использования проточных реакторов, в которых непрерывный процесс поддерживается постоянным или периодическим введением и отведением вещества и энергии. Такие реакторы представляют собой те самые открытые и неравновесные системы, процессы в которых не могут быть удовлетворительно объяснены в рамках старой парадигмы, с позиции равновесной термодинамики.

Манфред Эйген, немецкий ученый, нобелевский лауреат, сформулировал концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного вещества путем матричной репродукции и последующего отбора. Гиперцикл – это принцип естественной самоорганизации, заключающейся в интеграции и согласованной эволюции системы самовоспроизводящихся единиц.[36] Это особый класс нелинейных сетей реакций. Эйген предлагает отличать этот принцип от дарвиновского принципа естественного отбора – еще одного принципа самоорганизации. Дарвиновский принцип основан на линейном автокатализе, гиперцикл – на нелинейном.

Естественный отбор предполагает самовоспроизведение конкурирующих единиц. Если имеется несколько самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве, неизбежно между этими единицами возникает конкуренция и отбор. Первыми самовоспроизводящимися единицами Эйген считает относительно короткие цепи нуклеиновых кислот.

Молекулярная структура клетки свидетельствует о том, что первая живая клетка стала продуктом длительного процесса эволюции, состоящего из огромного количества шагов.[37]

Эйген делает интересную оговорку: он не претендует на изложение реального процесса предбиологической эволюции, точную историю которого не воспроизвести, т.к. она складывается из невообразимо большого числа случайных событий. И биология не может воспроизвести историю эволюции. Эйген ссылается здесь на идеи Карла Поппера, изложенные им в работе «Нищета историцизма». Но он утверждает, что наука способна раскрыть принципы эволюции, управляющие всеми событиями этого процесса.

Другой нобелевский лауреат – Жан Мари Лен – стал основоположником супрамолекулярной химии, изучающей сложноорганизованные химические системы. Молекулярная химия научилась манипулировать ковалентными связями, следующим шагом стало создание супрамолекулярной химии, способной управлять межмолекулярными нековалентными связями. Это важное направление развития нанотехнологий. Это шаг к познанию более сложных объектов (супермолекулы, организованные полимолекулярные системы), систем более высокого уровня организации. За это Лен назвал новую науку молекулярной социологией, изучающей поведение молекулярных индивидуумов и популяций.[38] Это химия за пределами молекулы. Чтобы эта наука возникла, потребовалось развитие современных физических методов исследования и готовность научного сообщества воспринять новую парадигму. Интенсивное развитие супрамолекулярной химии является ярким примером интегративных тенденций в науке ХХ века. Это результат междисциплинарного синтеза знаний химии, физики и биологии.

Лен так представляет шкалу сложности: ядро, атом, молекула, супермолекула, супрамолекулярный ансамбль. И эта шкала, конечно же, основана не на размерах объектов, хотя изменение размеров и прослеживается. И не на количестве элементов системы. Она использует в качестве критерия сложности характер связей между элементами, и их способность порождать новые свойства на каждом новом уровне. «На каждом уровне сложности появляются новые особенные черты, которые не существовали на предыдущем».[39]

Лен прямо заявляет, что его подход не является редукционистским.[40] «Именно взаимодействие между компонентами приводит к тому, что целое не есть просто сумма составляющих его частей, но обладает некоторыми новыми, коллективными, свойствами».[41]

Он считает, что сложные системы могут быть объяснены только из комплексного анализа свойств элементов и их взаимодействий. При этом продуктивным является разложение изучаемой системы на объекты, стоящие на предшествующем уровне сложности. Т.е. объяснять свойства тканей из свойств клеток и их взаимодействий, свойства клеток – из свойств органоидов и т.д.

Биологические процессы высокоспецифичны, в их основе лежат взаимодействия молекул, изучаемые супрамолекулярной химией: процессы распознавания, реагирования, транспорта, регуляции (например, ферментативные реакции, матричный биосинтез, трансляция и транскрипция генетического кода и др.). Селективность образно представляют как принцип «ключ – замок», основанный на распознавании рецептора и субстрата. Распознавание предполагает хранение и считывание информации. Понятие информации играет фундаментальную роль в супрамолекулярной химии, и интенсивно входит в химический лексикон в последней четверти ХХ века. Образ «ключ-замок», введенный в 1894 г. Эмилем Фишером, больше соответствует механистическому мышлению, в век же информационных технологий и в химии сформировалась информационная парадигма. Как и в других случаях, смена парадигмы в химии ХХ века требует изменения методов, языка, стиля научного мышления. Смена парадигм означает переход от изучения структуры к изучению информации. Компоненты, участвующие в сапрамолекулярных взаимодействиях, несут информацию, предопределяющую их поведение. Информация, закодированная на молекулярном уровне, считывается и передается на супрамолекулярном уровне. Предопределенность поведения позволяет называть такие системы запрограммированными. Некоторые из них могут также быть и обучаемыми, запрограммированными эволюционировать, прогрессивно меняться под воздействием среды.

Самыми передовыми в супрамолекулярной химии Лен считает исследования в области самосборки и самоорганизации, которыми ранее занимались преимущественно физики и биологи.[42] Приставка «само-» означает спонтанность процесса.

Химик, вдохновленный примером высокой эффективности, селективности и скорости биологических процессов, использует знания в создании искусственных, абиотических систем. Подобно художнику, химик воплощает в материале свое воображение, он созидает. Химия создает огромный мир органических соединений, не созданных живой природой. Возможно, предполагает Лен, дальнейшее развитие химии позволит создать и альтернативные природным формы жизни, искусственную жизнь.

В настоящее время перед эволюционной химией встают грандиозные задачи. Объясняя предбиологическую эволюцию веществ, химия выстраивает мост между физикой и космологией с одной стороны и эволюционной биологией с другой. Моделирование химических процессов, происходящих в живых организмах, открывает уникальные возможности практического применения этих знаний.

Таким образом, проникновение в химию эволюционных идей стало высшим этапом развития концептуальных систем химии. Каждая из концептуальных систем химии со временем обнаруживала свою ограниченность, т.е. сталкивалась с нарастающим числом необъяснимых явлений. Попытки разрешить эти противоречия приводили к созданию новых теорий. Возникновение каждой концептуальной системы являет собой закономерную ступень развития химии, отражает углубление химических знаний, познание всё более сложных систем и процессов. Развитие этих теорий соответствует общей логике развития естествознания, переходящего от описания разрозненных явлений к объяснению глубоких взаимосвязей и развития в природе.

В основу своей периодизации Кузнецов положил принцип преемственности (соответствия) старых знаний и новых. В противостоянии кумулятивизма и антикумулятивизма его позиция ближе к первому. Последовательное появление концептуальных систем даже не является их сменой, предполагает сохранение старого наряду с новым. Новые системы не заменяют старые, а сосуществуют с ними. В тоже время, это не чисто кумулятивистская трактовка развития науки как накопления знаний. С появлением новых систем в поле зрения химии попадают новые объекты, меняются методы, способы интерпретации фактов, меняется химическая картина природы.

Кузнецов заявляет, что объектами первой и второй концептуальных систем были предметы (атомы-молекулы, элементы-соединения), а объектами третьей и четвертой – процессы. Но основное отличие заключается в их предметах. Первая и вторая системы частично отличаются по объектам, т.к. объектами второй системы стали органические соединения. А вторая, третья и четвертая системы исследуют фактически одни и те же объекты. Зато предметное поле каждой системы отличается существенно.

Кузнецов замечает, что при движении от первой к четвертой системе снижаются эвристические возможности теорий, точность прогнозов. Объясняет он это большей сложностью объектов и предметов третьей и четвертой систем. Эвристическим максимумом обладала периодическая система Менделеева.

Развитие химии и последовательная смена концептуальных систем определяется как внутринаучными, так и внешними факторами. Эти этапы соответствуют общей логике познания, углубления знаний об объекте. В тоже время смена этапов диктуется и внешними факторами: потребностями общества, прежде всего, химического производства.

МЕХАНИСТИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА

РЕДУКЦИИ ХИМИИ К ФИЗИКЕ

Проблема предметного соотношения и взаимодействия конкретных наук касается не только самих этих наук. Решение подобного рода проблем требует выхода за пределы конкретной науки на уровень обобщений. Решение проблем, которые носят общенаучный характер, относится, в том числе, и к предмету философии науки. Проблемы взаимодействия наук в процессе их развития изучаются философией.

Взаимодействие физики и химии постоянно углубляется. Этот частнонаучный процесс ставит перед философией и естествознанием ряд важнейших вопросов, имеющих общенаучный, философский характер: вопрос о возможности классификации форм движения по уровням сложности, вопрос о возможности редукции химических процессов к физическим, биологических к физико-химическим, социальных к биологическим и т.д., вопрос о статусе химии как самостоятельной науки и о её месте в системе естествознания.

В истории взаимодействия физики и химии исследователи выделяют три этапа: 1) проникновение отдельных понятий физики в химию; 2) проникновение в химию физических законов; 3) создание на стыке наук интегративных физико-химических теорий.

Уже самим своим возникновением химия во многом обязана воздействию физики. Как фундамент естествознания физика начинает развиваться раньше других естественных наук. Когда химия ещё оставалась на донаучном уровне, в физике уже сложилась первая теория, отвечающая всем признакам научной рациональности – классическая механика. Из классической механики в химию проникает понятие силы, под влиянием которого начинает развиваться учение о химическом сродстве, т.е. о реакционной способности веществ. Такие физические понятия как «масса», «энергия» также сыграли важную роль в оформлении первых по настоящему научных теорий в химии.

На первом этапе физикализации химии предпринимались попытки механистического истолкования химии. Механистическое мышление, сформировавшееся в физике, долгое время определяло направление и методологию исследований и в других науках. Так Клод Бертолле хотел превратить химию в дедуктивную науку, в которой из небольшого числа общих принципов выводилось бы все многообразие теорий и законов, с помощью которых, в свою очередь, объяснялось бы все многообразие эмпирического материала. В качестве же исходных общих принципов Бертолле в духе господствовавшей тогда парадигмы предлагал использовать законы Ньютоновской механики. Ньютон писал о силе притяжения частиц вещества, которая заметна только на коротких расстояниях и производит химические действия.[43]

Ньютоновская механика послужила образцом математизированного естествознания, задала идеалы научности, но мало что конкретного могла дать химикам экспериментаторам. Химики теоретики гипотетически объяснили силы химического сродства по аналогии с силами тяготения в механике, но это никак не влияло на объяснение реакционной способности веществ и других их свойств.

Ломоносов в ряде своих работ высказывался за распространение принципов и законов механики на химию. О необходимости в той или иной мере сведения химии к механике говорили Бертло, Лавуазье, Дальтон, Менделеев, П. Вааге, К. Гульдберг. Ссылаясь на Лапласа, Лавуазье выдвинул предположение, что когда-нибудь станет возможным предсказывать химические процессы тем же способом, каким предсказывается движение небесных тел.[44] Конкретными шагами в реализации этой программы стало введение в химию механических представлений о массе и использование весового экспериментального метода. Лавуазье активно использовал этот метод, открыв закон сохранения вещества. Дальтон, опираясь на этот метод и предоставляемые им данные, ввел понятие «атомный вес».