Страница:
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы и реакция протекает на его поверхности.
Очень большую роль играет катализ в биологических системах. Активными катализаторами биологического действия являются ферменты - простые и сложные белки с большой молекулярной массой. Большинство химических реакций, протекающих в пищеварительной системе, в крови и клетках животных и человека, являются каталитическими реакциями. Так, слюна содержит фермент птиалин, который катализирует превращение крахмала в сахар. Фермент, имеющийся в желудке - пепсин - катализирует расщепление белков. Половина от имеющегося количества мочевины при 25oC в обычных условиях разлагается водой за 3200 лет, а в присутствии фермента уреазы время ее "полупревращения" при той же температуре составляет 10-4 сек. Всего в организме человека функционирует свыше 30 тыс. различных ферментов; каждый из них служит эффективным катализатором соответствующей реакции.
Рассматривая гетерогенные реакции, нетрудно заметить, что они тесно связаны с процессами перемещения фщ. единиц веществ, вступающих в реакцию, и новых веществ. Так, для осуществления постоянного процесса горения угля необходимо, чтобы диоксид углерода, образующийся при этой реакции, все время удалялся бы от поверхности угля, а новые количества кислорода подходили бы к ней. Поэтому в ходе гетерогенной реакции можно выделить по меньшей мере три стадии:
1) подвод реагирующих веществ;
2) химическая реакция;
3) отвод продуктов реакции.
Скорость химической реакции, которую в свою очередь можно разбить на подстадии, определяется скоростью наиболее медленной подстадии. Стадия, определяющая скорость протекания всей реакции в целом, называется лимитирующей стадией. В одном случае это может быть отвод или подвод веществ, в другом собственно химическая реакция.
Все химические реакции делятся на необратимые и обратимые. Необратимые реакции протекают до конца - до полного израсходования одного из реагирующих веществ. Обратимые реакции протекают не до конца: при обратимой реакции ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Поэтому необратимая реакция может протекать только в одном направлении, обратимая - как в прямом, так и в обратном направлениях. В начале обратимой реакции, при смешении исходных веществ, скорость прямой реакции велика, а скорость обратной - равна нулю. По мере протекания реакции исходные вещества расходуются и их концентрации падают. В результате этого уменьшается скорость прямой реакции. Одновременно появляются продукты реакции и их концентрация возрастает. Вследствие этого начинает идти обратная реакция, причем ее скорость постепенно увеличивается. Когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми, наступает химическое (динамическое) равновесие.
Изменяя условия, в которых пребывает система, - концентрацию веществ, давление, температуру - можно изменять скорости прямой и обратной реакций. Тогда равновесие в системе нарушается и сдвигается в сторону той реакции, скорость которой стала больше. Так, при увеличении концентрации реагентов скорость прямой реакции, естественно, возрастает и равновесие смещается в сторону прямой реакции, в сторону большего выхода продуктов. Большего выхода продуктов можно добиться и при систематическом выведении их из сферы реакции, приводящем к снижению их концентрации в системе и к уменьшению скорости обратной реакции по сравнению с прямой. Для химических систем, содержащих газообразные вещества, изменение давления оказывает на смещение равновесия влияние, аналогичное изменению концентрации газов. При этом в большей мере изменяется скорость той реакции, в которой учавствует большее количество молекул газов. Изменение температуры оказывает влияние на сдвиг химического равновесия для процессов, сопровождающихся тепловыми эффектами. Если прямая реакция экзотермична, то обратная - эндотермична, и наоборот. Для обратимых реакций энергия активации эндотермического процесса больше энергии активации экзотермического процесса. В свою очередь, чем больше Eакт., тем сильнее зависит скорость реакции от температуры. Следовательно, увеличение температуры смещает химическое равновесие в сторону эндотермичной реакции, в результате которой поглощается теплота и система охлаждается.
Сопоставляя изменения условий, при которых находится химическая система, с ее ответной реакцией на внешнее воздействие, проявляющейся в смещении химического равновесия, нетрудно заметить, что эта реакция всегда оказывается противоположной изменению условия. Так, если уменьшают концентрацию какого-либо из веществ, находящегося в равновесии с другими реагирующими веществами, то равновесие сдвигается в сторону реакции, увеличивающей концентрацию этого вещества. При увеличении давления быстрее начинает идти процесс, понижающий его, а при увеличении температуры - процесс, вызывающий охлаждение системы. Эти наблюдения составляют химическое содержание общего принципа поведения систем, находящихся при данных условиях в состоянии динамического равновесия: если система, находящаяся в равновесии, подвергнута воздействию извне путем изменения какого-либо из условий, определяющих положение равновесия, то равновесие в ней смещается в сторону того процесса, который ведет к снижению эффекта произведенного воздействия. Это правило противодействия известно под названием принципа Ле Шателье, сформулированного им в 1884 году.
Итак, для проведения каждой химической реакции требуются строго определенные реагенты в количествах, обеспечивающих требуемое протекание реакции при заданном температурном и других режимах при определенной скорости, которую можно соразмерить с временными интервалами. Кроме того, каждая химическая реакция, протекающая при заданных условиях, имеет свою определенную системную конструкцию, представляющую сочетание фн. ячеек, в определенные моменты заполняемые и освобождаемые соответствующими им фщ. единицами согласно с характерным для данной реакции алгоритмом, отражающим моменты вступления в реакцию реагентов - фщ. единиц, их возможное чередование, при этом все это соотносится со строго определенными промежутками времени, зафиксированными независимым счетчиком времени.
Уровень Ж
Все простейшие и сложные молекулярные соединения уровней Г, Д и Е рассредоточены вдоль поверхности Земного шара и в соответствии с их агрегатным состоянием входят в состав суши, океанов и атмосферы Земли.
Развитие Материи в подуровне Ж происходило за счет формирования новых молекулярных соединений, наделявшихся все новыми функциями в соответствии с движением Материи в качестве (). Дифференциация фн. ячеек и образование новых фщ. единиц данного подуровня происходили в процессе постоянного комбинирования фн. ячеек предшествующих подуровней, интеграционного варьирования их структур, полураспада этих своеобразных микросистем на единицы нижних подуровней.
Весь процесс Развития Материи в подуровне Ж протекал и до сих пор протекает вот уже более 5 млрд. лет в геосферах Земли - сферических оболочках различной плотности и состава. Главными из них являются атмосфера, гидросфера и литосфера (земная кора), которые проникают одна в другую, находятся в тесном взаимодействии, заключающемся в обмене веществом и энергией, и представяют единую систему, пронизываемую Солнечной радиацией.
Внешней геосферой Земли является атмосфера, которая в свою очередь делится на три подслоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Каждая из этих субсфер характеризуется резко выраженными физическими особенностями и несет строго определенную функциональную нагрузку. Границы между этими слоями выражены нерезко, а их высоты меняются как со временем, так и с широтой места. Верхняя граница тропосферы находится в пределах от 8 до 18 км. Тропосфера объединяет более 79% массы атмосферы. Стратосфера простирается до высоты около 80 км, составляя примерно 20% общей массы атмосферы. Выше стратосферы расположена ионосфера, содержащая менее 0,5% всей массы атмосферы.
Тропосфера, в которой сосредоточен почти весь водяной пар, характеризуется почти полной прозрачностью по отношению к проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации и значительным поглощением длинноволнового (теплового) излучения Земли, вызываемым главным образом водяным паром и облаками. Поэтому тропосфера нагревается преимущественно от земной поверхности, следствием чего является падение температуры с высотой. Это, в свою очередь, приводит к вертикальному перемешиванию воздуха, конденсации водяного пара, образованию облаков и выпадению осадков. В состав тропосферы входят (по объему): 78,08% азота; 20,95% кислорода; 0,93% аргона и около 0,03% углекислого газа. 0,01% составляют вместе водород, неон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, перекись водорода, йод и др.
Состав сухого воздуха в стратосфере отличается весьма важной особенностью - возрастанием с высотой как общей концентрации, так и относительного содержания озона (трехатомного кислорода). Озон образуется в стратосфере в результате диссоциации молекул кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца и последующего соединения образовавшегося атома кислорода с другой молекулой кислорода. Озон расположен в атмосфере в виде рассеяного слоя, простирающегося от Земной поверхности примерно до 60 км. Если весь озон в атмосфере сконцентрировать в виде слоя при наземном давлении, то образовалась бы пленка толщиной в 2 - 3 мм. Несмотря на столь ничтожное количество, роль озона в атмосфере исключительно велика, вследствие чрезвычайно сильного поглощения озоном как солнечной радиации, так и земного излучения. Так, вследствие поглощения озоном ультрафиолетовое излучение Солнца почти совершенно не доходит до тропосферы.
Ионосфера - внешняя область атмосферы, на которую падает многообразное излучение Солнца и звезд. Ее состав в основном представлен атомарным кислородом и рядом других веществ.
Между атмосферой и твердой каменной земной корой располагается прерывистая водная оболочка - гидросфера, покрывающая в настоящее время 70,8% (361 млн. кв. км) поверхности Земли. Она представлят собой совокупность океанов, морей и континентальных водных бассейнов. Химический состав гидросферы выражается следующими цифрами: O - 85,82%, H - 10,72%, Cl - 1,9%, Na - 1,05%, Mg - 0,14%, S - 0,088%, Ca - 0,04%, K - 0,038% и т.д. Возраст гидросферы составляет не менее 2 млрд. лет. В гидросфере впервые зародилась Жизнь на Земле. Эволюция организмов продолжалась здесь в течение всего докембрия, и лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. Главной составной частью гидросферы является вода - одно из самых распространенных на Земле веществ. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных областях. В недрах Земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы. Вода имеет довольно высокий коэффициент полифункциональности и несет на себе большой спектр выполняемых функций. Являясь первой колыбелью происхождения Жизни, вода во всяком организме представляет среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций. В виде различных растворов вода осуществляет функции перемещения (транспортировки) различных фщ. единиц с места их синтеза до места функционирования в структуре организма. Будучи весьма реакционноспособным веществом, вода является активным химическим реагентом; часто выполняет функции катализатора. Обладая аномально высокой теплоемкостью, служит в качестве естественного теплоаккумулятора.
Твердое тело Земли имеет три основных геосферы: ядро Земли, промежуточную оболочку и земную кору. Радиус ядра около 3500 км. Промежуточная оболочка заполняет пространство от поверхности ядра до нижней поверхности земной коры и имеет толщину около 2900 км. Земная кора, или литосфера, является верхней твердой оболочкой Земли толщиной 15 - 70 км; сверху она ограничена атмосферой и гидросферой. Земная кора имеет слоистое строение, различное в разных местах. Самое верхнее положение занимает осадочная оболочка (стратисфера). Она прерывиста, имеет мощность до 10 - 15 км и состоит из осадочных горных пород, среди которых преобладают глины и глинистые сланцы. Пески и песчаники, известняки и доломиты составляют меньшую ее часть.
Формирование стратисферы началось еще в древнем докембрии и продолжается до сих пор. Общий возраст земной коры определяется в 3 - 3,5 млрд. лет, однако возраст самых древних доступных наблюдению докембрийских геологических формаций несколько превышает 2 млрд. лет. Осадочная оболочка образовалась в результате длительного процесса дифференциации вещества литосферы под воздействием тектонических движений, Солнечной энергии и жизнедеятельности организмов. Этот процесс сопровождался сложным обменом веществ между гранитной и базальтовой оболочками Земли, с одной стороны, и атмосферой и гидросферой - с другой. Химический состав стратисферы, в сумме с солевым составом океана, близок к среднему составу земной коры в целом.
В течение геологической истории Земли происходили закономерные изменения внутреннего строения и состава земной коры, рельефа ее поверхности, характера внешних и внутренних геологических процессов. Так, например, породы древнейшей архейской эры повсеместно сильно метаморфизованы (перекристаллизованы), пронизаны внедрениями магмы и смяты в складки. По всей поверхности материков неоднократно возникали горы, которые потом разрушались. В течение протерозоя и позднее материки, опускаясь, частично заливались морем и, поднимаясь, вновь превращались в сушу. Одновременно в различных местах происходили мощные движения земной коры, в результате которых возникали многочисленные горные хребты, позднее разрушенные. Современные внутренние геологические процессы проявляются:
1) в медленных поднятиях и опусканиях земной поверхности, скорость которых в горных областях достигает нескольких сантиметров в год, но обычно исчисляется миллиметрами в год;
2) в резких движениях отдельных участков земной коры - землетрясениях;
3) в вулканических извержениях.
В результате вышеуказанных геологических процессов, а также при постоянном воздействии со стороны атмосферы (включая солнечную и космическую радиации), гидросферы и биосферы на протяжении двух млрд. лет происходило формирование основного слоя литосферы - почвы.
Ее образование происходило из рыхлых горных пород, то есть фщ. единиц подуровней Г - Е: глин, суглинков, супесей и песков, представляющих собой продукты выветривания магматических, метаморфических или плотных осадочных пород, залегающих на месте своего образования или, чаще, подвергшихся переносу и переотложению (часто многократному) текучими водами или ветром. Почва состоит из твердой, жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) частей. В составе твердой части основную долю по массе занимает обычно минеральная часть, представленная мелкими (чаще всего от 1 мм до десятых и сотых долей микрона) частицами различных минералов. В состав почвы входят следующие химические соединения (в убывающем порядке): SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, Na2O, MgO, CaO, CO2, Cl, SO4 и многие другие. Но наиболее ценной составной частью почвы является гумус, или перегной - конечный результат фукнционального Развития Материи по оргуровню Ж. В состав гумуса входят различные высокомолекулярные кислоты, среди которых наибольшее значение имеют группы гуминовых и ульминовх кислот и фульвокислот. Основу сложных молекул гуминовых кислот составляют цепочки ароматических ядер типа двух- и трехчленных фенолов. К ним присоединены различные функциональные группы: карбоксильные, метоксильные, спиртовые и др.
Все многочисленные химические соединения подуровня Ж, включая и гумусовые вещества, представляют собой сложные системные образования, заключающие в свои фн. ячейки фщ. единицы всех предыдущих подуровней от а до Д. Каждая из этих частиц в виде определенным образом организованных структур Материи несет на своем оргуровне различные функциональные нагрузки, значительно отличающиеся друг от друга. Однако, как это было и на предыдущих этапах Развития Материи, каждое устоявшееся системообразование подуровня Ж в определенный момент становится фщ. единицей следующего оргуровня - З (биосферы). И как только острие невидимой линии тензора Развития Материи переместилось из уровня Ж в уровень З, сразу же уровень Ж остался за пределами области актуального Развития Материи и стал, как и все предыдущие оргуровни, поставщиком функциональных полуфабрикатов - фщ. единиц своего подуровня - для построения фн. систем уровня З.
Своеобразным аккумулятором этих полуфабрикатов и служит гумусовый горизонт почвы, состоящий главным образом из ее органического вещества. Являясь самым верхним слоем почвы и непосредственно соприкасаясь с атмосферой и, частично, с гидросферой, гумусовый горизонт имеет относительно небольшую толщину. Она колеблется в разных почвах от нескольких сантиметров до одного, иногда до 1,5 м. В районах пустынь, полупустынь, гор и т.п. гумусовый горизонт практически отсутствует. Но и там, где он значителен, содержание гумуса в верхней части гумусового горизонта - от десятых долей процента до 15 - 18%. Таким образом, образование, функционирование и развитие фн. систем и фщ. единиц всех последующих оргуровней Материи находится в прямой зависимости от количественного состава полуфабрикатов, находящихся в гумусовом горизонте аккумуляторе. А так как этот аккумулятор многие миллионы лет имеет практически неизменную площадь (), он и является одним из основных естественных регуляторов численности всего живого на Земле в точно такой же степени, в какой само все живое на Земле во избежание худших последствий должно саморегулировать свою численность в соответствии с возможностями этой ступени системной организации Материи.
[ Оглавление ] [ Продолжение текста ]
[ Оглавление ]
Игорь Кондрашин
Диалектика Материи
Диалектический генезис материальных систем
(продолжение)
Уровень З
Условно разграничивая каскадные ступени Развития Материи, необходимо четко себе представлять, что начало этапа фн. развития Материи по каждому последующему оргуровню и прекращение ее развития по предыдущему значительное время протекают параллельно, одновременно одно с другим. Образование и накопление гумусового слоя почвы на Земле происходило в течение многих сотен миллионов лет. При этом процесс протекал одновременно с началом развития биосферы и появлением Жизни на нашей планете. Формирование биосферы шло главным образом по пути синтеза фщ. единиц гумусового горизонта почвы, который накапливает и хранит фн. системы - комплексы оргуровня Ж, ставшими на определенном этапе фщ. единицами уровня З, из которых, в свою очередь, впоследствии началось образование систем данного подуровня - аминокислот, белков и других внутриклеточных структур.
Все это произошло в период, когда, как известно, углеводороды и их простейшие кислородные и азотистые производные, возникшие на поверхности Земли, находясь в водном растворе - в первичной земной гидросфере, - в силу действия законов движения Материи в качестве () постепенно вовлекались в реакции полимеризации и конденсации и таким путем все более интегрировались в разнообразные сложные органические соединения, имевшие различные функциональные свойства. В этой смеси органических веществ возникли, в частности, и аминокислоты. Дальнейшая структурная интеграция этих фн. систем по схеме:
привела к созданию коацерватных капель - индивидуальных белковых комплексов, отделенных от окружающей среды определенно выраженной поверхностью.
В коацерватных каплях, как и в любой фн. системе Материи данного организационного уровня, постоянно протекают химические процессы синтеза и распада. Однако время протекания каждой отдельной реакции под влиянием включенных в систему катализаторов настолько мало, а частота реакций настолько велика, что процессы длятся практически беспрерывно. От этого создается впечатление "живости" рассматриваемого объекта. Таким образом, скорости синтеза и распада высокомолекулярных органических соединений являются основой функционирования всех существующих жизненных систем, при этом каждая из протекающих реакций имеет свой строго определенный алгоритм. Соотношение частоты и скоростей указанных процессов зависит от индивидуального состава и организации каждой данной системы, а также ее взаимодействия с условиями окружающей среды. Если в этом соотношении соблюдается баланс, коацерватная капля, как и любая система, приобретает динамически устойчивый характер. В случае, если в ней преобладает скорость и частота синтетических реакций, она растет. В противом случае она распадается на составляющие фщ. единицы. Таким образом, существует тесная связь между индивидуальной системной организацией данной коацерватной капли, теми химическими превращениями, которые совершаются в ней в соответствии с определенными для ее фн. ячеек алгоритмами, и ее дальнейшей судьбой в данных условиях существования.
В первичной земной гидросфере коацерватные капли, образовавшиеся путем синтеза белковых молекул, плавали не просто в воде, а в растворе разнообразных органических и неорганических веществ, то есть готовых фщ. единиц (уровней Е Ж). В соответствии с законами движения Материи в качестве () происходила дальнейшая интеграция их структур параллельно с дифференциацией и ростом количества входящих в их систему фн. ячеек. Однако это осуществлялось в течение длительного отбора и только в отношении тех капель, индивидуальная системная организация которых обусловливала их динамическую устойчивость в данных условиях внешней среды и изменение фн. качеств по пути образования ими новых фщ. единиц более высокого организационного уровня. Только такие коацерватные капли могли длительно существовать, расти и разделяться на "дочерние" образования. Те же капли, в которых при данных условиях внешней среды химические изменения не вели к дальнейшему усложнению системной структуры, выполняли функцию временного аккумулятора фщ. единиц Е, то есть создавались под влиянием аккумулятивного фактора системного развития и через определенный период времени функционирования распадались на составляющие фн. комплексы нижних подуровней, прекращая свое существование в качестве системного образования данного оргуровня. Таким образом, как и в любом процессе системной организации, коацерватные капли в зависимости от организующего их фактора разделились на функционально-активные и функционально-пассивные. Последние, хотя и не могли играть существенной роли в дальнейшем развитии белковых тел, все же являлись необходимыми для того периода времени, так как выполняли соответствующие им функции. Так, уже в самом процессе становления Жизни возникла новая закономерность, которая напоминает некий "естественный отбор" индивидуальных белковых комплексов. Под строгим контролем этого отбора шла вся дальнейшая эволюция белковых коацерватов путем постоянного совершенствования структур их фн. ячеек. Именно поэтому в них создавалась та взаимосогласованность явлений (то есть все более обновлялся и усложнялся набор фн. алгоритмов), та приспособленность внутреннего строения к выполнению жизненных функций в данных условиях внешней среды, которая характерна для организации всех живых существ. Сравнительное изучение обмена веществ у современных примитивных организмов показывает, как на изложенной основе постепенно складывался высокоорганизованный порядок явлений, который свойственен всем живым существам и который протекал в полном соответствии с общей теорией развивающихся систем. Так на определенной стадии Развития Материи возникла Жизнь на Земле, представленная на нашей планете громадным числом отдельных индивидуальных систем - организмов. "Наша дефиниция жизни, - писал Ф. Энгельс в "Анти-Дюринге", - разумеется, весьма недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них... Чтобы дать действительно исчерпывающее представление о жизни, нам пришлось бы проследить все формы ее проявления, от самой низшей до наивысшей".
Как известно, начало возникновения простейших жизненных систем произошло около двух млрд. лет назад в протерозойскую эру. Первичные живые существа зародились в воде в процессе продолжительного развития динамически устойчивых коацерватных капель, фн. комплексы которых включались в качестве составных частей в системы последующих оргуровней. Вследствие этого уже на данном этапе Развития Материи наиболее полно проявился и продолжал свое дальнейшее совершенствование механизм построения высокоорганизованных систем, один из основных принципов которого заключается в заполнении фн. ячеек системы не единичными фщ. единицами, а целыми блоками или комплексами их. Под его действием фн. системы оргуровня З поглощали постоянно окружающие их белковые комплексы, "расщепляли" их и заполняли образовавшимися блоками свободные фн. ячейки своих структур, в конечном итоге синтезируя из них фщ. единицы более высокого оргуровня. При этом энергия, выделяющаяся при расщеплении комплексов, использовалась в большей ее части на осуществление реакций синтеза. Все это, в конечном итоге, привело к древнейшим формам организации Жизни, к которым следует отнести бактерии, различные типы водорослей и грибов. Результатом всего исторического Развития Материи по оргуровню З на протяжении многомиллионного периода на сегодняшний момент времени являются современные нам растительные и животные организмы, включая Человека. Мы не будем подробно рассматривать все этапы филогенеза растительного и животного мира, которые хорошо известны. Остановимся лишь на основных особенностях движения Материи в качестве на этих организационных уровнях с тем, чтобы убедиться в том, что и они неразрывно связаны с закономерностями Развития Материи по всем предыдущим подуровням, являются их прямым продолжением, неотделимым от них, и вместе с ними составляют единую развивающуюся системную организацию материальной субстанции.
Очень большую роль играет катализ в биологических системах. Активными катализаторами биологического действия являются ферменты - простые и сложные белки с большой молекулярной массой. Большинство химических реакций, протекающих в пищеварительной системе, в крови и клетках животных и человека, являются каталитическими реакциями. Так, слюна содержит фермент птиалин, который катализирует превращение крахмала в сахар. Фермент, имеющийся в желудке - пепсин - катализирует расщепление белков. Половина от имеющегося количества мочевины при 25oC в обычных условиях разлагается водой за 3200 лет, а в присутствии фермента уреазы время ее "полупревращения" при той же температуре составляет 10-4 сек. Всего в организме человека функционирует свыше 30 тыс. различных ферментов; каждый из них служит эффективным катализатором соответствующей реакции.
Рассматривая гетерогенные реакции, нетрудно заметить, что они тесно связаны с процессами перемещения фщ. единиц веществ, вступающих в реакцию, и новых веществ. Так, для осуществления постоянного процесса горения угля необходимо, чтобы диоксид углерода, образующийся при этой реакции, все время удалялся бы от поверхности угля, а новые количества кислорода подходили бы к ней. Поэтому в ходе гетерогенной реакции можно выделить по меньшей мере три стадии:
1) подвод реагирующих веществ;
2) химическая реакция;
3) отвод продуктов реакции.
Скорость химической реакции, которую в свою очередь можно разбить на подстадии, определяется скоростью наиболее медленной подстадии. Стадия, определяющая скорость протекания всей реакции в целом, называется лимитирующей стадией. В одном случае это может быть отвод или подвод веществ, в другом собственно химическая реакция.
Все химические реакции делятся на необратимые и обратимые. Необратимые реакции протекают до конца - до полного израсходования одного из реагирующих веществ. Обратимые реакции протекают не до конца: при обратимой реакции ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Поэтому необратимая реакция может протекать только в одном направлении, обратимая - как в прямом, так и в обратном направлениях. В начале обратимой реакции, при смешении исходных веществ, скорость прямой реакции велика, а скорость обратной - равна нулю. По мере протекания реакции исходные вещества расходуются и их концентрации падают. В результате этого уменьшается скорость прямой реакции. Одновременно появляются продукты реакции и их концентрация возрастает. Вследствие этого начинает идти обратная реакция, причем ее скорость постепенно увеличивается. Когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми, наступает химическое (динамическое) равновесие.
Изменяя условия, в которых пребывает система, - концентрацию веществ, давление, температуру - можно изменять скорости прямой и обратной реакций. Тогда равновесие в системе нарушается и сдвигается в сторону той реакции, скорость которой стала больше. Так, при увеличении концентрации реагентов скорость прямой реакции, естественно, возрастает и равновесие смещается в сторону прямой реакции, в сторону большего выхода продуктов. Большего выхода продуктов можно добиться и при систематическом выведении их из сферы реакции, приводящем к снижению их концентрации в системе и к уменьшению скорости обратной реакции по сравнению с прямой. Для химических систем, содержащих газообразные вещества, изменение давления оказывает на смещение равновесия влияние, аналогичное изменению концентрации газов. При этом в большей мере изменяется скорость той реакции, в которой учавствует большее количество молекул газов. Изменение температуры оказывает влияние на сдвиг химического равновесия для процессов, сопровождающихся тепловыми эффектами. Если прямая реакция экзотермична, то обратная - эндотермична, и наоборот. Для обратимых реакций энергия активации эндотермического процесса больше энергии активации экзотермического процесса. В свою очередь, чем больше Eакт., тем сильнее зависит скорость реакции от температуры. Следовательно, увеличение температуры смещает химическое равновесие в сторону эндотермичной реакции, в результате которой поглощается теплота и система охлаждается.
Сопоставляя изменения условий, при которых находится химическая система, с ее ответной реакцией на внешнее воздействие, проявляющейся в смещении химического равновесия, нетрудно заметить, что эта реакция всегда оказывается противоположной изменению условия. Так, если уменьшают концентрацию какого-либо из веществ, находящегося в равновесии с другими реагирующими веществами, то равновесие сдвигается в сторону реакции, увеличивающей концентрацию этого вещества. При увеличении давления быстрее начинает идти процесс, понижающий его, а при увеличении температуры - процесс, вызывающий охлаждение системы. Эти наблюдения составляют химическое содержание общего принципа поведения систем, находящихся при данных условиях в состоянии динамического равновесия: если система, находящаяся в равновесии, подвергнута воздействию извне путем изменения какого-либо из условий, определяющих положение равновесия, то равновесие в ней смещается в сторону того процесса, который ведет к снижению эффекта произведенного воздействия. Это правило противодействия известно под названием принципа Ле Шателье, сформулированного им в 1884 году.
Итак, для проведения каждой химической реакции требуются строго определенные реагенты в количествах, обеспечивающих требуемое протекание реакции при заданном температурном и других режимах при определенной скорости, которую можно соразмерить с временными интервалами. Кроме того, каждая химическая реакция, протекающая при заданных условиях, имеет свою определенную системную конструкцию, представляющую сочетание фн. ячеек, в определенные моменты заполняемые и освобождаемые соответствующими им фщ. единицами согласно с характерным для данной реакции алгоритмом, отражающим моменты вступления в реакцию реагентов - фщ. единиц, их возможное чередование, при этом все это соотносится со строго определенными промежутками времени, зафиксированными независимым счетчиком времени.
Уровень Ж
Все простейшие и сложные молекулярные соединения уровней Г, Д и Е рассредоточены вдоль поверхности Земного шара и в соответствии с их агрегатным состоянием входят в состав суши, океанов и атмосферы Земли.
Развитие Материи в подуровне Ж происходило за счет формирования новых молекулярных соединений, наделявшихся все новыми функциями в соответствии с движением Материи в качестве (). Дифференциация фн. ячеек и образование новых фщ. единиц данного подуровня происходили в процессе постоянного комбинирования фн. ячеек предшествующих подуровней, интеграционного варьирования их структур, полураспада этих своеобразных микросистем на единицы нижних подуровней.
Весь процесс Развития Материи в подуровне Ж протекал и до сих пор протекает вот уже более 5 млрд. лет в геосферах Земли - сферических оболочках различной плотности и состава. Главными из них являются атмосфера, гидросфера и литосфера (земная кора), которые проникают одна в другую, находятся в тесном взаимодействии, заключающемся в обмене веществом и энергией, и представяют единую систему, пронизываемую Солнечной радиацией.
Внешней геосферой Земли является атмосфера, которая в свою очередь делится на три подслоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Каждая из этих субсфер характеризуется резко выраженными физическими особенностями и несет строго определенную функциональную нагрузку. Границы между этими слоями выражены нерезко, а их высоты меняются как со временем, так и с широтой места. Верхняя граница тропосферы находится в пределах от 8 до 18 км. Тропосфера объединяет более 79% массы атмосферы. Стратосфера простирается до высоты около 80 км, составляя примерно 20% общей массы атмосферы. Выше стратосферы расположена ионосфера, содержащая менее 0,5% всей массы атмосферы.
Тропосфера, в которой сосредоточен почти весь водяной пар, характеризуется почти полной прозрачностью по отношению к проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации и значительным поглощением длинноволнового (теплового) излучения Земли, вызываемым главным образом водяным паром и облаками. Поэтому тропосфера нагревается преимущественно от земной поверхности, следствием чего является падение температуры с высотой. Это, в свою очередь, приводит к вертикальному перемешиванию воздуха, конденсации водяного пара, образованию облаков и выпадению осадков. В состав тропосферы входят (по объему): 78,08% азота; 20,95% кислорода; 0,93% аргона и около 0,03% углекислого газа. 0,01% составляют вместе водород, неон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, перекись водорода, йод и др.
Состав сухого воздуха в стратосфере отличается весьма важной особенностью - возрастанием с высотой как общей концентрации, так и относительного содержания озона (трехатомного кислорода). Озон образуется в стратосфере в результате диссоциации молекул кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца и последующего соединения образовавшегося атома кислорода с другой молекулой кислорода. Озон расположен в атмосфере в виде рассеяного слоя, простирающегося от Земной поверхности примерно до 60 км. Если весь озон в атмосфере сконцентрировать в виде слоя при наземном давлении, то образовалась бы пленка толщиной в 2 - 3 мм. Несмотря на столь ничтожное количество, роль озона в атмосфере исключительно велика, вследствие чрезвычайно сильного поглощения озоном как солнечной радиации, так и земного излучения. Так, вследствие поглощения озоном ультрафиолетовое излучение Солнца почти совершенно не доходит до тропосферы.
Ионосфера - внешняя область атмосферы, на которую падает многообразное излучение Солнца и звезд. Ее состав в основном представлен атомарным кислородом и рядом других веществ.
Между атмосферой и твердой каменной земной корой располагается прерывистая водная оболочка - гидросфера, покрывающая в настоящее время 70,8% (361 млн. кв. км) поверхности Земли. Она представлят собой совокупность океанов, морей и континентальных водных бассейнов. Химический состав гидросферы выражается следующими цифрами: O - 85,82%, H - 10,72%, Cl - 1,9%, Na - 1,05%, Mg - 0,14%, S - 0,088%, Ca - 0,04%, K - 0,038% и т.д. Возраст гидросферы составляет не менее 2 млрд. лет. В гидросфере впервые зародилась Жизнь на Земле. Эволюция организмов продолжалась здесь в течение всего докембрия, и лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. Главной составной частью гидросферы является вода - одно из самых распространенных на Земле веществ. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных областях. В недрах Земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы. Вода имеет довольно высокий коэффициент полифункциональности и несет на себе большой спектр выполняемых функций. Являясь первой колыбелью происхождения Жизни, вода во всяком организме представляет среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций. В виде различных растворов вода осуществляет функции перемещения (транспортировки) различных фщ. единиц с места их синтеза до места функционирования в структуре организма. Будучи весьма реакционноспособным веществом, вода является активным химическим реагентом; часто выполняет функции катализатора. Обладая аномально высокой теплоемкостью, служит в качестве естественного теплоаккумулятора.
Твердое тело Земли имеет три основных геосферы: ядро Земли, промежуточную оболочку и земную кору. Радиус ядра около 3500 км. Промежуточная оболочка заполняет пространство от поверхности ядра до нижней поверхности земной коры и имеет толщину около 2900 км. Земная кора, или литосфера, является верхней твердой оболочкой Земли толщиной 15 - 70 км; сверху она ограничена атмосферой и гидросферой. Земная кора имеет слоистое строение, различное в разных местах. Самое верхнее положение занимает осадочная оболочка (стратисфера). Она прерывиста, имеет мощность до 10 - 15 км и состоит из осадочных горных пород, среди которых преобладают глины и глинистые сланцы. Пески и песчаники, известняки и доломиты составляют меньшую ее часть.
Формирование стратисферы началось еще в древнем докембрии и продолжается до сих пор. Общий возраст земной коры определяется в 3 - 3,5 млрд. лет, однако возраст самых древних доступных наблюдению докембрийских геологических формаций несколько превышает 2 млрд. лет. Осадочная оболочка образовалась в результате длительного процесса дифференциации вещества литосферы под воздействием тектонических движений, Солнечной энергии и жизнедеятельности организмов. Этот процесс сопровождался сложным обменом веществ между гранитной и базальтовой оболочками Земли, с одной стороны, и атмосферой и гидросферой - с другой. Химический состав стратисферы, в сумме с солевым составом океана, близок к среднему составу земной коры в целом.
В течение геологической истории Земли происходили закономерные изменения внутреннего строения и состава земной коры, рельефа ее поверхности, характера внешних и внутренних геологических процессов. Так, например, породы древнейшей архейской эры повсеместно сильно метаморфизованы (перекристаллизованы), пронизаны внедрениями магмы и смяты в складки. По всей поверхности материков неоднократно возникали горы, которые потом разрушались. В течение протерозоя и позднее материки, опускаясь, частично заливались морем и, поднимаясь, вновь превращались в сушу. Одновременно в различных местах происходили мощные движения земной коры, в результате которых возникали многочисленные горные хребты, позднее разрушенные. Современные внутренние геологические процессы проявляются:
1) в медленных поднятиях и опусканиях земной поверхности, скорость которых в горных областях достигает нескольких сантиметров в год, но обычно исчисляется миллиметрами в год;
2) в резких движениях отдельных участков земной коры - землетрясениях;
3) в вулканических извержениях.
В результате вышеуказанных геологических процессов, а также при постоянном воздействии со стороны атмосферы (включая солнечную и космическую радиации), гидросферы и биосферы на протяжении двух млрд. лет происходило формирование основного слоя литосферы - почвы.
Ее образование происходило из рыхлых горных пород, то есть фщ. единиц подуровней Г - Е: глин, суглинков, супесей и песков, представляющих собой продукты выветривания магматических, метаморфических или плотных осадочных пород, залегающих на месте своего образования или, чаще, подвергшихся переносу и переотложению (часто многократному) текучими водами или ветром. Почва состоит из твердой, жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) частей. В составе твердой части основную долю по массе занимает обычно минеральная часть, представленная мелкими (чаще всего от 1 мм до десятых и сотых долей микрона) частицами различных минералов. В состав почвы входят следующие химические соединения (в убывающем порядке): SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, Na2O, MgO, CaO, CO2, Cl, SO4 и многие другие. Но наиболее ценной составной частью почвы является гумус, или перегной - конечный результат фукнционального Развития Материи по оргуровню Ж. В состав гумуса входят различные высокомолекулярные кислоты, среди которых наибольшее значение имеют группы гуминовых и ульминовх кислот и фульвокислот. Основу сложных молекул гуминовых кислот составляют цепочки ароматических ядер типа двух- и трехчленных фенолов. К ним присоединены различные функциональные группы: карбоксильные, метоксильные, спиртовые и др.
Все многочисленные химические соединения подуровня Ж, включая и гумусовые вещества, представляют собой сложные системные образования, заключающие в свои фн. ячейки фщ. единицы всех предыдущих подуровней от а до Д. Каждая из этих частиц в виде определенным образом организованных структур Материи несет на своем оргуровне различные функциональные нагрузки, значительно отличающиеся друг от друга. Однако, как это было и на предыдущих этапах Развития Материи, каждое устоявшееся системообразование подуровня Ж в определенный момент становится фщ. единицей следующего оргуровня - З (биосферы). И как только острие невидимой линии тензора Развития Материи переместилось из уровня Ж в уровень З, сразу же уровень Ж остался за пределами области актуального Развития Материи и стал, как и все предыдущие оргуровни, поставщиком функциональных полуфабрикатов - фщ. единиц своего подуровня - для построения фн. систем уровня З.
Своеобразным аккумулятором этих полуфабрикатов и служит гумусовый горизонт почвы, состоящий главным образом из ее органического вещества. Являясь самым верхним слоем почвы и непосредственно соприкасаясь с атмосферой и, частично, с гидросферой, гумусовый горизонт имеет относительно небольшую толщину. Она колеблется в разных почвах от нескольких сантиметров до одного, иногда до 1,5 м. В районах пустынь, полупустынь, гор и т.п. гумусовый горизонт практически отсутствует. Но и там, где он значителен, содержание гумуса в верхней части гумусового горизонта - от десятых долей процента до 15 - 18%. Таким образом, образование, функционирование и развитие фн. систем и фщ. единиц всех последующих оргуровней Материи находится в прямой зависимости от количественного состава полуфабрикатов, находящихся в гумусовом горизонте аккумуляторе. А так как этот аккумулятор многие миллионы лет имеет практически неизменную площадь (), он и является одним из основных естественных регуляторов численности всего живого на Земле в точно такой же степени, в какой само все живое на Земле во избежание худших последствий должно саморегулировать свою численность в соответствии с возможностями этой ступени системной организации Материи.
[ Оглавление ] [ Продолжение текста ]
[ Оглавление ]
Игорь Кондрашин
Диалектика Материи
Диалектический генезис материальных систем
(продолжение)
Уровень З
Условно разграничивая каскадные ступени Развития Материи, необходимо четко себе представлять, что начало этапа фн. развития Материи по каждому последующему оргуровню и прекращение ее развития по предыдущему значительное время протекают параллельно, одновременно одно с другим. Образование и накопление гумусового слоя почвы на Земле происходило в течение многих сотен миллионов лет. При этом процесс протекал одновременно с началом развития биосферы и появлением Жизни на нашей планете. Формирование биосферы шло главным образом по пути синтеза фщ. единиц гумусового горизонта почвы, который накапливает и хранит фн. системы - комплексы оргуровня Ж, ставшими на определенном этапе фщ. единицами уровня З, из которых, в свою очередь, впоследствии началось образование систем данного подуровня - аминокислот, белков и других внутриклеточных структур.
Все это произошло в период, когда, как известно, углеводороды и их простейшие кислородные и азотистые производные, возникшие на поверхности Земли, находясь в водном растворе - в первичной земной гидросфере, - в силу действия законов движения Материи в качестве () постепенно вовлекались в реакции полимеризации и конденсации и таким путем все более интегрировались в разнообразные сложные органические соединения, имевшие различные функциональные свойства. В этой смеси органических веществ возникли, в частности, и аминокислоты. Дальнейшая структурная интеграция этих фн. систем по схеме:
привела к созданию коацерватных капель - индивидуальных белковых комплексов, отделенных от окружающей среды определенно выраженной поверхностью.
В коацерватных каплях, как и в любой фн. системе Материи данного организационного уровня, постоянно протекают химические процессы синтеза и распада. Однако время протекания каждой отдельной реакции под влиянием включенных в систему катализаторов настолько мало, а частота реакций настолько велика, что процессы длятся практически беспрерывно. От этого создается впечатление "живости" рассматриваемого объекта. Таким образом, скорости синтеза и распада высокомолекулярных органических соединений являются основой функционирования всех существующих жизненных систем, при этом каждая из протекающих реакций имеет свой строго определенный алгоритм. Соотношение частоты и скоростей указанных процессов зависит от индивидуального состава и организации каждой данной системы, а также ее взаимодействия с условиями окружающей среды. Если в этом соотношении соблюдается баланс, коацерватная капля, как и любая система, приобретает динамически устойчивый характер. В случае, если в ней преобладает скорость и частота синтетических реакций, она растет. В противом случае она распадается на составляющие фщ. единицы. Таким образом, существует тесная связь между индивидуальной системной организацией данной коацерватной капли, теми химическими превращениями, которые совершаются в ней в соответствии с определенными для ее фн. ячеек алгоритмами, и ее дальнейшей судьбой в данных условиях существования.
В первичной земной гидросфере коацерватные капли, образовавшиеся путем синтеза белковых молекул, плавали не просто в воде, а в растворе разнообразных органических и неорганических веществ, то есть готовых фщ. единиц (уровней Е Ж). В соответствии с законами движения Материи в качестве () происходила дальнейшая интеграция их структур параллельно с дифференциацией и ростом количества входящих в их систему фн. ячеек. Однако это осуществлялось в течение длительного отбора и только в отношении тех капель, индивидуальная системная организация которых обусловливала их динамическую устойчивость в данных условиях внешней среды и изменение фн. качеств по пути образования ими новых фщ. единиц более высокого организационного уровня. Только такие коацерватные капли могли длительно существовать, расти и разделяться на "дочерние" образования. Те же капли, в которых при данных условиях внешней среды химические изменения не вели к дальнейшему усложнению системной структуры, выполняли функцию временного аккумулятора фщ. единиц Е, то есть создавались под влиянием аккумулятивного фактора системного развития и через определенный период времени функционирования распадались на составляющие фн. комплексы нижних подуровней, прекращая свое существование в качестве системного образования данного оргуровня. Таким образом, как и в любом процессе системной организации, коацерватные капли в зависимости от организующего их фактора разделились на функционально-активные и функционально-пассивные. Последние, хотя и не могли играть существенной роли в дальнейшем развитии белковых тел, все же являлись необходимыми для того периода времени, так как выполняли соответствующие им функции. Так, уже в самом процессе становления Жизни возникла новая закономерность, которая напоминает некий "естественный отбор" индивидуальных белковых комплексов. Под строгим контролем этого отбора шла вся дальнейшая эволюция белковых коацерватов путем постоянного совершенствования структур их фн. ячеек. Именно поэтому в них создавалась та взаимосогласованность явлений (то есть все более обновлялся и усложнялся набор фн. алгоритмов), та приспособленность внутреннего строения к выполнению жизненных функций в данных условиях внешней среды, которая характерна для организации всех живых существ. Сравнительное изучение обмена веществ у современных примитивных организмов показывает, как на изложенной основе постепенно складывался высокоорганизованный порядок явлений, который свойственен всем живым существам и который протекал в полном соответствии с общей теорией развивающихся систем. Так на определенной стадии Развития Материи возникла Жизнь на Земле, представленная на нашей планете громадным числом отдельных индивидуальных систем - организмов. "Наша дефиниция жизни, - писал Ф. Энгельс в "Анти-Дюринге", - разумеется, весьма недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них... Чтобы дать действительно исчерпывающее представление о жизни, нам пришлось бы проследить все формы ее проявления, от самой низшей до наивысшей".
Как известно, начало возникновения простейших жизненных систем произошло около двух млрд. лет назад в протерозойскую эру. Первичные живые существа зародились в воде в процессе продолжительного развития динамически устойчивых коацерватных капель, фн. комплексы которых включались в качестве составных частей в системы последующих оргуровней. Вследствие этого уже на данном этапе Развития Материи наиболее полно проявился и продолжал свое дальнейшее совершенствование механизм построения высокоорганизованных систем, один из основных принципов которого заключается в заполнении фн. ячеек системы не единичными фщ. единицами, а целыми блоками или комплексами их. Под его действием фн. системы оргуровня З поглощали постоянно окружающие их белковые комплексы, "расщепляли" их и заполняли образовавшимися блоками свободные фн. ячейки своих структур, в конечном итоге синтезируя из них фщ. единицы более высокого оргуровня. При этом энергия, выделяющаяся при расщеплении комплексов, использовалась в большей ее части на осуществление реакций синтеза. Все это, в конечном итоге, привело к древнейшим формам организации Жизни, к которым следует отнести бактерии, различные типы водорослей и грибов. Результатом всего исторического Развития Материи по оргуровню З на протяжении многомиллионного периода на сегодняшний момент времени являются современные нам растительные и животные организмы, включая Человека. Мы не будем подробно рассматривать все этапы филогенеза растительного и животного мира, которые хорошо известны. Остановимся лишь на основных особенностях движения Материи в качестве на этих организационных уровнях с тем, чтобы убедиться в том, что и они неразрывно связаны с закономерностями Развития Материи по всем предыдущим подуровням, являются их прямым продолжением, неотделимым от них, и вместе с ними составляют единую развивающуюся системную организацию материальной субстанции.