ГЕОХИМИЯ, 2007, № 1, с. 89-93
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
О НЕКОТОРЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ ФОРМИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НА РАННИХ СТАДИЯХ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ
© 2007 г. Л. А. Грибов
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19 Поступила в редакцию 25.01.2006 г.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Проблема возникновения на Земле сложного органического мира, вплоть до появления тех процессов, которые определяют саму возможность феномена жизни, является одной из интереснейших в общем направлении познания окружающего мира [1].
Общеизвестными факторами являются, во-первых, то, что все жизненные процессы совершаются, если так можно сказать, в молекулярном мире, а, во-вторых, что этот молекулярный мир создавался в результате постепенного усложнения составляющих этого мира (молекулярных структур), начиная от простейших.
Вряд ли можно проследить в деталях всю эволюцию образования условий, приводящих к возникновению в молекулярном мире таких процессов, которые трактуются как жизненные, однако можно надеяться, что некоторые важнейшие закономерности можно уловить, если исходить из так называемых первых принципов, т.е. считать, что в основе любых процессов лежат фундаментальные законы Природы, прежде всего сформулированные в физике.
Попытка выявить на этой основе некоторые общие закономерности нарастания сложности и разнообразия органического мира и делается в настоящей статье.
Важнейшим вопросом, возникающим с самого начала, является следующий: почему молекулы? Какими специфическими свойствами обладают объекты молекулярного мира, в конечном счете обеспечившими феномен жизни?
Попытка ответа на этот вопрос была сделана ранее [2-5].
Прежде всего обратим внимание на то, что любые процессы, связанные с превращениями объектов ансамбля, обязательно сопровождаются приемом и преобразованием информации. Без этого просто не может быть эволюции. В этом смысле молекулярный мир располагает уникальными возможностями.
Было показано, что молекулы обладают, во-первых, свойствами "записывать" входную информацию, и, во-вторых, процессы их изменения при спонтанных или инициируемых преобразованиях могут быть сопоставлены с логическими операциями, предусматриваемыми формальной математической логикой (Булева алгебра).
Далее, было выяснено, что преобразование входящей информации может быть очень сложным, вплоть до распознавания образа, т.е. сведения действий многих факторов к одному признаку, причем так, что этот признак появляется тогда и только тогда, когда присутствует вся совокупность этих факторов.
Кристаллические объекты отмеченных свойств не имеют.
Важнейшими особенностями существования и развития биологического мира являются, с одной стороны, детерминизм, проявляющийся в существовании генетического кода, а с другой, нечеткость, обеспечивающая приспособляемость к изменениям окружающей среды.
С математической точки зрения, это означает, что биосфера может развиваться только в том случае, если ее составляющие способны перерабатывать информацию, поставляемую в форме нечетных множеств. Поэтому одним из принципиальных выводов является вывод о том, что молекулы способны перерабатывать такую информацию, причем так, что результат оказывается неизменным.
Все выводы, базирующиеся на фундаментальных физических законах, дают однозначный ответ на поставленный выше вопрос: почему молекулы?
Сейчас мы попытаемся, также отправляясь от первых принципов, ответить на другой принципиальный вопрос: как формируется колоссальное разнообразие молекулярных объектов, очевидно необходимое для того, чтобы на уровне достаточно большой сложности их структур появилось новое качество, приводящее к тому, что мы называем жизнью?
Для того, чтобы обосновать дальнейшие принципиальные выводы, кратко изложим базовые положения современной теории (также развитой автором) молекулярных процессов, в частности, химических превращений [6, 7].
ФИЗИКА ПЕРЕХОДНЫХ СОСТОЯНИЙ
На основании принципа близкодействия можно утверждать, что любые химические превращения как моно, так и бимолекулярные совершаются в малой области пространства, внутри которой и заключены все атомы одного молекулярного объекта (реакции структурной изомеризации) или тесно связанной пары (реакции синтеза или разложения). Любые преобразования системы можно тогда рассматривать как процессы, отвечающие переходам из исходного состояния в конечное одной и той же атомной совокупности. В результате таких переходов исходная геометрическая конфигурация атомов превращается в другую. Для реакций изомеризации эта новая конфигурация является стабильной. Реакцию синтеза можно трактовать как переход из начального квазистационарного состояния, когда два сближенных молекулярных объекта достаточно долго "живут" и, поэтому, описываются стационарными волновыми функциями, в состояние стабильной объединенной системы (новой молекулы).
При реакциях разложения исходная стационарная система переходит в квазистационарную, почти разделенную на две части, которые в дальнейшем могут разойтись в пространстве, но ограниченном длиной свободного пробега.
В любых случаях происходят перестановки атомов. В реакциях структурной изомеризации атомы в новых положениях оказываются прочно связанными между собой.
В реакциях синтеза исходные слабые межмолекулярные связи заменяются на достаточно прочные химические.
В реакциях разложения перестановки атомов приводят, наоборот, к сильному ослаблению некоторых химических связей и появлению пары слабо связанных объектов.
Внутри одной молекулярной системы (совокупности атомов в ограниченном пространстве) перестановки атомов могут совершаться только при возбуждении колебательных движений большой амплитуды, прежде всего высших обертонов нормальных колебаний. Именно поэтому наблюдения получаемые расчетным путем анимационных картин смещений атомов при нормальных колебаниях с увеличенной амплитудой могут довольно точно указать на то, какие именно движения атомов способны с наибольшей вероятностью привести к перестройкам, которые стимулируют те или иные химические превращения.
Сами химические превращения соответствуют переходам из одного стационарного состояния системы в другое. Для этого необходимо, чтобы отвечающая одной подсистеме волновая функция максимально смешивалась с функцией другого. Это возможно, если комбинирующие функции отвечают одинаковым по энергии состояниям подсистем. Этот случай соответствует квантовому резонансу. Если ^ и - стационарные собственные функции подсистем, то в результате резонанса получатся общие состояния с функциями
^ 2 = -р (^ ± у2). Поскольку переход (туннель' 42
ный) совершается без изменения энергии, то его следует относить к безызлучательным.
Выше уже говорилось о том, что химические превращения можно трактовать как изменение геометрической структуры одной и той же группы атомов. Финитные движения атомов в области каждого из состояний возможны только тогда, когда их можно ограничить стенками соответствующих потенциальных ям. Приписывать потенциальные ямы первым стадиям реакций разложения или, наоборот, финальным стадиям реакций синтеза можно только для плотных сред, где инфинитные движения микрообъектов ограничиваются длиной свободного пробега. Заметим также, что только в плотных средах может существовать эффект установления химического равновесия при реакциях разложения. Учтем теперь, что как геометрические характеристики, так и свойства "ям" находят непосредственные отражения в системах нормальных координат (02 и 01 для комбинирующих состояний). Нормальные координаты замечательны тем, что в них отражаются как геометрические характеристики молекулярных объектов (величины равновесных длин связей, валентных углов и др.), так и формы потенциальных ям, определяющие области локализаций волновых функций. Пространство нормальных координат многомерно. Любые молекулярные превращения описываются перемещениями изображающих состояния объектов точек в таком пространстве. Принципиально, что нормальные координаты второй подсистемы можно выразить через нормальные координаты первой с помощью матричного соотношения Q2 = Л01 + Ь. Здесь и Q2 -соответствующие матрицы-столбцы нормальных координат, Л - квадратная матрица поворотов и изменений масштабов координат и Ь - вектор (столбец) сдвига минимумов потенциальных ям комбинирующих состояний и, следовательно, их областей локализации.
Введенное выше требование резонанса состояний (уровней) подсистем является для хода реакции условием необходимым, но недостаточным. Для того, чтобы реакция произошла, необходимо, чтобы функции ^ и имели заметную об-
ласть перекрывания. Ясно, что, если сдвиг Ь очень большой, то такое перекрывание станет пренебрежимо малым и реакция не пойдет.
Вероятность структурного превращения можно связать с интегралом перекрывания функций
и у2. Тогда оказывается, что вероятность реакционного перехода пропорциональна величине ехр(-Ь2). Здесь Ь2 - квадрат модуля сдвига нормальных координат. Это позволяет сразу, не прибегая к сложным вычислениям, разделить все реакции на быстрые и медленные.
Важно отметить, что спектр возможностей прохождения медленных реакций очень широк и, практически, не имеет ограничений. Для понимания геохимических процессов это очень важно, т.к. позволяет учитывать маловероятные превращения.
О НАПРАВЛЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ УСЛОЖНЕНИЯ МИРА ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ НА РАННИХ СТАДИЯХ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ
Процесс формирования мира органических молекул на самых ранних стадиях является предметом пристального внимания исследователей многих направлений. Выработались некоторые устойчивые взгляды, связанные с переходом от самопроизвольного развития, диктуемого законом возрастания энтропии в замкнутых системах, к процессам самоорганизации, что возможно только в открытых системах. В этом последнем случае уменьшение энтропии в одной подсистеме, где объекты усложняются структурно, сопровождается опережающим увеличением энтропии в другой, связанной с первой.
Представляется, однако, полезным, в связи с появлением новых выводов о ходе химических реакций, еще раз обсудить проблему, воспол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.