научная статья по теме СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОЕ МОДУЛЬНОЕ ОБОБЩЕНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИИ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ ПРОЦЕССОВ В БИОСИСТЕМАХ НА АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ Химия

Текст научной статьи на тему «СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОЕ МОДУЛЬНОЕ ОБОБЩЕНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИИ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ ПРОЦЕССОВ В БИОСИСТЕМАХ НА АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2011, том 56, № 4, с. 729-746

ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ

УДК 548, 577

Посвящается памяти Б.К. Вайнштейна

СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОЕ МОДУЛЬНОЕ ОБОБЩЕНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИИ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ ПРОЦЕССОВ В БИОСИСТЕМАХ НА АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ

© 2011 г. Н. А. Бульенков

Институт физической химии и электрохимии РАН, Москва E-mail: lmm@phyche.ac.ru Поступила в редакцию 10.02.2011 г.

Рассмотрены основные причины современной научной революции, одним из следствий которой стало возникновение нанотехнологий и развитие междисциплинарного мегаестествознания, способного конструировать потенциально возможные атомные структуры и изучать механизмы протекающих в них процессов. Показана объединяющая роль кристаллографии для создания междисциплинарного знания. Для подобного обобщения кристаллографии понадобилось введение нового понятия "модуль", отражающего универсальное условие стабильности всех реальных и потенциальных, равновесных и неравновесных структур вещества — их связность. Модульное обобщение кристаллографии охватывает все формы твердого тела, включая структуры связанной воды — системообразующей матрицы для самоорганизации и формообразования иерархических биосистем, которая определяет метрический отбор всех других структурных составляющих этих систем. Создана динамическая модель поверхностного слоя воды, который выполняет роль матрицы в образовании монослоев Ленгмюра и играет решающую роль в возникновении жизни на Земле.

ВВЕДЕНИЕ

В последние два десятилетия четко наметился общенаучный кризис в естествознании, имеющий следующие корни:

— редукционизм и отсутствие междисциплинарной связи между разными науками, хотя они стремятся к сближению, в особенности с биологией, при создании новых материалов методами нанотехнологии;

— отсутствие прямых экспериментальных и теоретических методов изучения структуры апериодических и неравновесных веществ, более сложных по своему строению, чем кристаллические;

— незнание структурных кооперативных механизмов различных процессов (особенно таких, как самоорганизация и формообразование), а также возможных превращений в указанных веществах.

Одной из причин глубокого кризиса в современной науке являются господствующие в ней позитивистские взгляды на создание новых знаний. Теории выводятся из эмпирических фактов посредством рациональной индукции, следовательно, теории и гипотезы являются вторичными по отношению к фактам и имеют самостоятельное значение. Из этого следует вывод, что науч-

ная революция получает все необходимое для нее только путем накопления новых экспериментальных знаний и их дальнейшего обобщения. В результате должен иметь место переход от инструментальной революции к концептуальной.

Другими не менее важными причинами этой научной революции являются: исчерпание фундаментальных научных заделов для создания новых технологий, обусловленное кризисом в науке и ее методологии; глобальный кризис в ресурсах и энергетике, а также наша цивилизация, исчерпавшая многие ресурсы для дальнейшего развития. Бурные темпы нанотехнологии являются только одним из следствий этой революции, результатом которой станет создание системно-структурного и междисциплинарного мегаесте-ствознания, способного конструировать потенциально возможные структуры субъективной реальности и изучать на их моделях механизмы структурно-кооперативных процессов. Лучшими примерами реализации таких структур и возможных переходов в них являются биологические структуры, прошедшие долгий путь номогенети-ческого детерминированного эволюционного развития. Поэтому переход к моделированию таких потенциально возможных структур начинается с использования данных о строении разных

иерархических уровней биосистем и учета влияния роли воды на их самоорганизацию и формообразование, так как все подобные системы содержат до 90% воды.

Для изучения роли воды требуется развитие методов системообразующей обобщенной кристаллографии. Подходы к развитию обобщенной кристаллографии и выявление ее основных особенностей, сделанное Дж. Берналом и А. Макке-ем [1, 2], показали, что они связаны с проблемами классической (решеточной) кристаллографии и, судя по полям ее охвата, имеют междисциплинарный характер. Сейчас наука впервые обращается к миру потенциальных возможностей и к методу дизайна, результаты которого должны совпадать с многочисленными косвенными экспериментальными данными. Исходя из знаний, полученных из созданных моделей и, главное, «траекторий» структурных механизмов возможных в них превращений, могут быть найдены необходимые компоненты и условия для создания соответствующего материала. Этим грядущая научная революция существенно отличается от предыдущих революций, которые изучали только вещи и явления объективно существующей реальности. Создание материалов нового типа, обладающих принципиально новыми свойствами, определяют лицо будущей цивилизации.

Цель этой работы — показать роль кристаллографии в ее обобщенной форме для создания единого системного междисциплинарного знания из ранее дифференцированных наук. Дж. Бернал писал [3], что "для структурализации живой материи, а потому для построения действительно обобщенной кристаллографии важное значение имеет понятие неевклидовой кристаллографии".

СИСТЕМНО-СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕТЕРОГЕННЫХ

МНОГОУРОВНЕВЫХ ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Структурализм — это скорее класс взаимосвязанных подходов, имеющих общую основу — особое видение мира как целостной системы, состоящей из элементов, находящихся во взаимодействии друг с другом и окружающей средой. Вследствие этого возрастает эвристическая роль математики, и ее методы прямо переносятся в биологию, что делает математику непосредственным источником объяснения тех или иных процессов [4].

Системно-структурный анализ является логическим продолжением биологического структурализма, ведущим принципом которого является динамизм закономерного изменения структур, вследствие чего понятие «процесс» оказывается сопряженным с понятием "структура". Значимость этого понятия определяется стабильностью и упорядоченностью структуры, что в свою очередь определяет повторяемость форм и их сим-

метрию, а также стабильность ее инвариантов. Создание такой рациональной морфологии, охватывающей все уровни жизни, является главной задачей теоретической биологии, потому что все свойства биосистем и механизмы их функционирования определяются в основном их строением. Своеобразие методологии биологических структуралистов состоит в обосновании процессов, происходящих со структурами, начиная с самых нижних уровней биологической самоорганизации.

Важной задачей структурализма является установление отношений и связей между частями, образующими целое. Часто, особенно на нижних уровнях организации, системы обладают симметрией. Однако по своему составу они являются гетерогенными, что мешает применять кристаллографию к изучению их строения. Поэтому важным для успешной реализации методологии структурализма является возможность выделения в гетерогенной иерархической биосистеме общей гомогенной структурной составляющей, обладающей системообразующими свойствами и обеспечивающей (а) единство целого из отобранных (по соразмерности с ней) других его структурных составляющих и (б) их пространственно-размерные отношения в биосистеме. Именно эту задачу решает системно-структурный анализ, и в случае успеха станет возможным применение геометрии, а точнее, обобщенной кристаллографии, к моделированию на атомно-молекулярном уровне идеальных предельно симметричных системообразующих гомогенных форм структурных составляющих гетерогенных биосистем.

НЕОБХОДИМОСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ОБЩЕЙ СИСТЕМООБРАЗУЮЩЕЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ГЕТЕРОГЕННЫХ ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ

А. Пуанкаре так определил необходимость существования геометрии: "... если бы не было твердых тел, в природе не было бы геометрии" [5]. Для изучения структур симметричных форм, образованных из связанных между собой точек (атомов), необходимо применение раздела дискретной геометрии — кристаллографии с ее основным методом симметрии, но это применимо только к гомогенным структурам из одинаковых (эквивалентных) частиц. Однако все иерархические биосистемы являются гетерогенными системами, и поэтому должна существовать их общая системообразующая структурная составляющая, которая по соразмерности с собой подбирает другие структурные составляющие, взаимодействующие с ней и тем самым увеличивающие ее стабильность. Эта системообразующая составляющая должна быть иерархической гомогенной системой с дисконтинуальной структурой, для того чтобы система могла иерархически фрак-

тально развиваться, взаимодействуя на каждом уровне иерархии с соразмерными с ней другими структурными составляющими, сохраняя при этом в совокупности нативную форму природных биополимеров. Коренным отличием этой системообразующей составляющей биосистем от кристаллических тел может быть дисконтинуальное и иерархическое строение, допускающее ее пространственное "декорирование" другой соразмерной с ней структурной составляющей за счет слабых (водородных) связей, образованных между ними. Для самоорганизации молекулярных биосистем характерно обязательное промежуточное интермеди-атное состояние, которое почти сохраняет архитектуру структуры в нативных формах при частичном разрушении структур системообразующей составляющей в уже сложившейся глобуле [6]. С этой точки зрения становится понятным возникновение теории номогенеза, оперирующей детерминированными формами морфологии, возникающими на разных уровнях иерархии и часто повторяющими друг друга у организмов, далеких по их положению на эволюционном древе.

А.А. Любищев решение проблемы биохимической самоорганизации видел в создании новой, неевклидовой кристаллографии воды. "Видимо, мыслима какая-то новая кристаллография ..., которая должна быть построена на своих постулатах, возможно весьма общих с постулатами, лежащими в основе некоторых форм биологической симметрии ... ." [7] Увидев большое сходство морфологии морозных узоров на стекле с растительными формами, далее он пишет: "Классификация Федорова к ледя

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.

Показать целиком