Концепции современного естествознания

Теория разветвленных цепных реакций дала начало новому направлению исследований — химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.

В химии были также открыты колебательные реакции, получившие название «химических часов». «Ведь, что, в самом деле, происходит? Основа колебательной реакции — наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой — В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция — это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия далеки от равновесных, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом… Такое поведение традиционно приписывалось только живому — теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых»[86].

Органический синтез и новые материалы.

Химия делится на органическую, изучающую вещества, в состав которых входит углерод, и неорганическую. Органический синтез — синтез природных соединений — имеет важнейшее практическое значение. Основной практической задачей химии является получение веществ с заданными свойствами. На протяжении XX в. было синтезировано огромное количество веществ, которые до этого человечество находило лишь в природном состоянии, — различные лекарства, витамины, удобрения, детергенты, каучук и т. д. В настоящее время ведутся работы по выработке технологии создания новых материалов не только из неорганических соединений, но и из растительного сырья: кукурузы (из ее стеблей, которые сжигают) и т. п. Одно из перспективных направлений — создание биодеградируемой упаковки. Представьте, баночка из-под йогурта, брошенная не очень-то культурным человеком в воду или на газон, в считанные дни исчезнет, разложившись до углекислого газа и воды, и количество углекислого газа при этом не увеличивается, как при использовании нефти. Это получило название «зеленая химия».

Химия идет по технологическому пути, так как свойства естественных молекул уже достаточно хорошо изучены, и задача — создавать новые вещества с новыми, неизвестными природе свойствами, как, например, пластмассы. Ежегодно синтезируется более 6 000 новых химических соединений. И необходимо включать их в природные кругообороты, чтобы не осложнялись экологические проблемы.

С появлением новых промышленных процессов, средств связи (например, сотовой связи) возникает все большая потребность в новых материалах. Необычное и даже неожиданное словосочетание — интеллектуальные, или разумные, материалы. Это вещества нового поколения, которые оптимизируют свои характеристики в зависимости от внешних условий. Такие материалы откликаются на всякое физическое воздействие: крыло новой машины автоматически меняет свою форму, чтобы оптимально соответствовать аэродинамическим условиям или оптимизировать угол атаки. Некоторые детали (например, лопатки турбин) выращивают из расплава как кристалл — целиком нужной формы. Такова химия XXI века.

Биохимия и биогеохимия.

Биохимия изучает химические реакции, происходящие в живых организмах, химический состав живых организмов и клеток. Эта промежуточная между биологией и химией наука получила развитие именно в XX в. Объяснение функционирования какого-либо уровня организации материи в биохимии заключается в переводе его на более низкий уровень. Мы говорили в связи с этим о принципе редукционизма, имеющем важнейшее значение в науке. Биохимия стремится объяснить функционирование живых тел на молекулярном уровне, поэтому говорят также о молекулярной биологии.

Из всех химических элементов, которых более 100, для жизни необходимы главным образом 16, причем 99 % входящих в состав живых организмов химических элементов составляют углерод, водород, кислород и азот. Биохимия изучает роль химических элементов и веществ, таких как вода, в создании и функционировании живого. Биохимию называют химией живых организмов. Она является фундаментом для физиологии и выполняет объяснительную роль для всех биологических процессов. Биохимия изучает такие важные соединения, как аминокислоты и белки, макромолекулы которых содержат до 1 000 аминокислот. Пример белковой молекулы — гемоглобин. В животной клетке находится порядка 5000 различных видов белка.

Основоположником биогеохимии стал выдающийся русский ученый XX в. В.И. Вернадский, чье имя будет не раз встречаться на страницах этой книги. Биогеохимия изучает распространение химических элементов по поверхности Земли под влиянием живых организмов. Это пример пограничной науки, которая состоит из трех наук — биологии, химии и геологии.