ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ ХИМИИ

Можно сказать, что сложное обладает дополнительными, системными качествами, которых лишено более простое.

В узком смысле понятие самоорганизации означает появление и развитие структур в первоначально однородной среде. Простейшими примерами могут служить рост кристаллов, в частности, снежинок, автоколебательные процессы, образование конвективных ячеек и течения, переход к турбулентному течению в жидкости, автоволны в химически активных средах и т.д. Самоорганизация – это

самопроизвольное образование структур (повышение уровня организации системы) в

условиях, когда система пребывает вдали от состояния равновесия. Наиболее высокий уровень организации (упорядоченности), известный на сегодняшний день науке, демонстрирует феномен жизни и порождаемый ею разум. Долгое время считалось, что феномен жизни противоречит господствующим физическим представлениям о стремлении материи к хаосу, беспорядку, дезорганизованности. Эта проблема впервые была четко сформулирована в книге известного физика Э. Шредингера «Что такое жизнь? С точки зрения физика». Проведённый им анализ показал, что феномен жизни разрушает постулат о единственной тенденции развития вещества – от порядка к хаосу, от упорядоченности к неупорядоченности. Живые системы являются воплощением другой фундаментальной тенденции – от хаоса к порядку, от дезорганизации к организованности. По сути дела, речь идёт об устранении противоречия между открытым более ста лет назад Клаузиусом вторым законом термодинамики и высокой степенью организованности окружающего нас мира.

И лишь сравнительно недавно выяснилось, что тенденция к созиданию, к переходу от менее упорядоченного к более упорядоченному состоянию, т.е. самоорганизация, присуща неживым системам в той же мере, что и живым. Признание самоорганизации систем неорганической природы означает признание за этими системами способности активно взаимодействовать с внешней средой, обмениваясь с ней веществом, энергией и информацией.

Идеи самоорганизации начинают оказывать существенное влияние на науку, формируют новый, нетрадиционный подход к исследованию различных объектов, ориентированный, в первую очередь, на понятие процесса, а не жёсткой системы. Понятие системы перестает быть связанным с жёсткими структурами и начинает восприниматься как совокупность развивающихся во времени и взаимодействующих процессов. Более того, под влиянием идей самоорганизации складывается новая парадигма науки, ориентированная на модель жизни. Как отмечает Эрих Янч, наука стоит на пороге того, чтобы признать сами принципы жизни – открытость, первенство

101

процесса над структурой, самоорганизация и самообновление – за общие законы природной динамики.

Концепция самоорганизации в её естественно-научном виде выступает как междисциплинарное направление научного исследования, поскольку она связана с целым кругом проблем, разрабатываемых различными дисциплинами. Своеобразной «идеологией» этого направления является синергетика немецкого учёного Германа Хакена. Ему и принадлежит сам этот термин, введенный в 1969 г. для обозначения научного подхода, исследующего процессы самоорганизации в физических, химических и биологических системах.

Синергетика (от греческого sinergos – согласованный) означает сотрудничество, кооперативность, взаимодействие различных элементов системы. Интенсивно развивающаяся сейчас синергетика занимается тем, что исследует коллективный, совокупный эффект взаимодействия большого числа подсистем, приводящего к образованию устойчивых структур и самоорганизации в сложных системах. В кратком виде её называют концепцией (теорией) самоорганизации, а более широко – теорией нелинейных процессов. Объекты изучения синергетики должны удовлетворять следующим требованиям:

-открытость;

-существенная неравновесность, которая достигается при определённых состояниях и при определённых значениях параметров, которые переводят систему в критическое состояние – она становится неустойчивой;

-выход из критического состояния скачком в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Скачок, или, по терминологии Хакена, переход – это внезапное изменение в макроскопическом масштабе. Это нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров (их называют управляющими параметрами) вызывают очень сильные изменения состояния системы, её переход в новое качество (например, переход воды в лёд). Природу самоорганизации Хакен понимает как последовательность фазовых переходов.

Возникновение упорядоченных сложных систем синергетика объясняет существованием в системе различных типов поведения, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции. Это, по мнению Хакена, приводит нас в определённом смысле к обобщённому дарвинизму, действие которого теперь распространяется не только на органический, но и на неорганический мир. В целом синергетика, по Хакену,

исследует процессы эволюции сложных систем, обнаруживаемые на самых

102

различных уровнях, как их самоорганизацию, что создаёт перспективы для обоснования и построения общей теории самоорганизации. А. П. Руденко категорически с этим не согласен. Он считает, что синергетику Хакена нельзя принять за общую теорию самоорганизации в природе, так как синергетика описывает самоорганизацию только макроскопических неравновесных открытых систем, т.е. охватывает едва ли половину неравновесных объектов материального мира. Синергетика не касается самоорганизации микроскопических открытых систем и прогрессивной эволюции с естественным отбором, т.е. не распространяется на процессы, ведущие к возникновению жизни.

Наибольший интерес с точки зрения химической эволюции представляют теории самоорганизации И. Р. Пригожина и А. П. Руденко. Результаты их исследований: когерентной самоорганизации макросистем в результате процесса диссипации энергии и самоорганизации микроскопических ЭОКС в результате внутренних рабочих процессов базисной обменной реакции были опубликованы практически одновременно. Так как при этом рассматривались по существу разные объекты и разные типы самоорганизации, обсуждение и развитие этих идей проходило до некоторого времени независимо. Необходимость их совместного обсуждения и сопоставления возникла при попытках установления связей процессов самоорганизации с процессами прогрессивной химической эволюции, сопровождающейся естественным отбором и приводящей к возникновению жизни.

По мнению А. П. Руденко, при объяснении сущности явлений саморазвития, прогрессивной химической эволюции и биогенеза выявились принципиальные различия в эвристической ценности идей обоих авторов. Дело в том, что с позиций концепции эволюционного катализа даётся описание основных этапов прогрессивной химической эволюции и критериев перехода от неживых ЭОКС к простейшим живым организмам. В теории неравновесных диссипативных структур И. Р. Пригожина рассматриваются только явления самоорганизации сами по себе и только для случая макросистем. Так как ни один вид макросистем с когерентной самоорганизацией не способен к прогрессивной эволюции (биогенезу), то поиски единого подхода к теоретическому описанию того и другого явления оказываются тщетными.

Например, о теоретической невозможности описания «исторического пути эволюции» говорил М. Эйген, разработавший на основе достижений физической химии, молекулярной биологии и термодинамики необратимых процессов Пригожина механизм самоорганизации белков и нуклеотидов в самовоспроизводящиеся белокнуклеотидные гиперциклы. Он создал в высшей степени впечатляющую модель дарвиновского отбора на молекулярном уровне, но пришёл к выводу, что его теория

103

никогда не даст точного описания исторического пути химической эволюции с естественным отбором наиболее полезных для систем изменений из-за стохастического характера этого отбора и огромнейшего числа возможных вариантов.

Напротив, В. И. Кузнецов полагает, что в подходах к проблеме химической эволюции у И. Пригожина и А. П. Руденко есть много общего, в частности, привлечение статистических, термодинамических, кинетических, информационных принципов, или методов исследования, использование эмпирически обоснованных теорий, решающих вопрос о возникновении порядка из хаоса, о саморазвитии открытых химических систем, далёких от равновесного состояния и т.п.

Неравновесная термодинамика И. Пригожина

Илья Романович Пригожин (1917-2003) – бельгийский физикохимик, родился в Москве. Создатель неравновесной термодинамики и лидер брюссельской школы междисциплинарных исследований нелинейных процессов. За работы по теории диссипативных структур и их использование в химии в 1977 г. удостоен Нобелевской премии по химии. Глубоко интересовался философскими проблемами современной науки; разработал концепцию «нового диалога человека с природой».

Около сорока лет назад И. Пригожин пришёл к убеждению, что такое явление, как флуктуация (спонтанное отклонение от некоторого среднего макроскопического поведения системы) не случайно и имеет свой смысл в физическом мире. А смысл этот таков. Новая структура или организация всегда является результатом неустойчивости, которая, в свою очередь, возникает как следствие флуктуации.

До недавнего времени наука вполне обходилась равновесной термодинамикой, описывающей состояния, близкие к равновесию. Но в подобных системах самоорганизация невозможна. Термодинамика необратимых процессов снимает запреты на эволюцию химических систем в направлении их упорядочения, налагаемые термодинамикой Р. Клаузиуса и Л. Больцмана. По мнению Пригожина, самоорганизация возможна в открытых системах, находящихся в состояниях, далёких от равновесия и, следовательно, неустойчивых. Именно неустойчивость (или, как говорит Пригожин, нестабильность) является источником порядка и самоорганизации, обусловливая постоянное стремление системы к самообновлению.

К такому типу химических реакций, в ходе которых обнаруживается явление самообновления и самоорганизации, относится реакция Белоусова–Жаботинского. Пригожин называет открытие этой колебательной реакции «одним из важнейших экспериментов нашего времени».

104

Создаётся впечатление, пишет он, что молекулы, находящиеся в разных частях раствора, могут каким-то образом общаться друг с другом. Химическая система ведёт себя как такое целое, которое существует за счёт когерентности (согласованности) «коллективной стратегии поведения» её частей. Пригожин объясняет поведение реакции Белоусова–Жаботинского (и других самоорганизующихся процессов) следующим образом. При критических значениях управляющих параметров система «теряет свой иммунитет к возмущениям», становится крайне неустойчивой, и если эти возмущения (например, химические реакции с нелинейными стадиями, в частности, автокатализ) оказываются достаточно сильными, то система достигает точки бифуркации (bifurcus – разветвление), в которой отклик системы на возмущение становится неоднозначным, а возврат к начальным условиям не обязательным. В точке бифуркации система имеет возможность перейти из неустойчивого в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний с более высокой степенью организованности, упорядоченности, которое Пригожин назвал диссипативной (т.е. образованной за счёт диссипации, рассеяния энергии) структурой. Физические или химические структуры получили название диссипативных потому, что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят.

Таким образом, точка бифуркации обозначает ещё и границу, за которой невозможно ожидать однозначного поведения системы. В ней мы не можем предсказать заранее, каков тот новый «эволюционный канал», по которому будет происходить развитие: всё будет зависеть от того, какие случайные факторы будут действовать на систему в момент перехода. Иначе говоря, дальнейшее развитие будет направляться не столько предысторией системы (прошлым), сколько той неопределённостью (случайностью), которая неизбежно присутствует в настоящем.

Посредством понятия бифуркации Пригожин, по его собственному выражению, ввёл в физику и химию время и историю. Он считал пересмотр концепции времени в науке важнейшим следствием нового научного подхода, в основу которого положено понятие необратимости. Время, по его мнению, выступает смысловым центром всей парадигмы самоорганизации. Точкой отсчёта для Пригожина является убеждение в том, что теоретическое описание, в котором прошлое и будущее играют одинаковую роль (динамическое описание) применимо не ко всем явлениям. В необратимых процессах, прототипами которых, в первую очередь, являются химические реакции, симметрия между прошлым и будущим нарушается – здесь господствует эволюция. Общность эволюционной парадигмы достаточно велика. Она охватывает и изолированные системы, эволюционирующие в

105

сторону однородности, и открытые системы, эволюционирующие к всё более высоким формам сложности.

Термодинамику необратимых процессов можно квалифицировать как начало нового уровня научного познания природы. Для химии он означает открытие путей в область самоорганизующихся систем, доказательство принципиальной возможности самоорганизации как условия химической эволюции. Не случайно именно особенности поведения необычных химических процессов (колебательных, периодических) инициировали разработку математического аппарата неравновесной термодинамики.

Общая теория химической эволюции А. П. Руденко Александр Прокофьевич Руденко – доктор химических наук, профессор

кафедры химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Побудительным мотивом построения теории эволюционного катализа стала для Руденко идея о том, что закономерности перехода от неживого к живому, хотя и являются основой более сложных биологических закономерностей, по существу – чисто химические. Руденко исследует самоорганизацию микросистем, преследуя цель реконструкции всего хода химической эволюции через естественный отбор вплоть до выяснения механизма биогенеза. Основные положения его теории базируются на эмпирических данных о необратимых физических и химических изменениях участвующих в реакциях катализаторов. Эволюционирующим (самоорганизующимся) объектом является элементарная открытая каталитическая система (ЭОКС), представляющая собой целостную совокупность реагирующих веществ и катализаторов. Руденко очень метко называет эту систему кинетическим континуумом, в котором реагенты, катализаторы и другие компоненты реакции оказываются неотделимыми друг от друга. Саморазвитие ЭОКС определяется ходом базисной реакции, то есть химического процесса, ускоряемого действием катализатора.

Система является открытой, поскольку осуществляет постоянный обмен энергией и веществом с окружающей средой. Согласно Руденко, в открытых каталитических системах под влиянием окружающей среды могут происходить структурные изменения, то есть конституционные изменения, затрагивающие природу центра катализа. Если в результате структурного изменения такая система не погибает, то есть продолжает участвовать в осуществлении базисной реакции, то она уменьшает или увеличивает свою каталитическую активность. Это означает, что

106

возможны неэволюционные и эволюционные изменения каталитических систем. При неэволюционных изменениях дальнейшее существование ЭОКС прекращается, так как они распадаются и гибнут в связи с прекращением базисного обменного процесса. Эволюция ЭОКС представляет собой последовательность структурных изменений этой системы, сопровождающихся увеличением высоты химической организации катализаторов.

А. П. Руденко формулирует основной закон эволюции, сущность которого заключается в том, что в процессе саморазвития ЭОКС происходит «естественный отбор» (по сути дела, в теории эволюции формируется химический аналог биологического понятия естественного отбора тех центров катализа, которые обладают наибольшей активностью. Те же центры, изменение которых связано с уменьшением активности, постоянно выключаются из кинетического континуума, «не выживают». Естественный отбор является тем механизмом управления, который обеспечивает повышение абсолютной каталитической активности открытой реакционной системы.

Таким образом, теория эволюционного катализа Руденко впервые показала существование особых объектов с неравновесной структурной и функциональной организацией (ЭОКС), способных к прогрессивной химической эволюции, установила законы, причины и движущие силы эволюции и механизм естественного отбора.

Эволюционная химия составляет основу новой концептуальной системы, возникшей в недрах учения о химическом процессе. Самостоятельность и своеобразие этой системы обусловлены спецификой её объекта исследования, к которому относятся: во-первых, необратимые самоорганизующиеся химические процессы и, во-вторых, полимолекулярные открытые химические системы, представляющие собой целостную совокупность («кинетический континуум») реагирующих веществ и катализаторов. Эволюционная химия действительно образует высший уровень (верхнюю границу) современной химии, поскольку указанные системы представляют собой высшие формы химизма, характеризующиеся не столько перераспределением электронов межатомных связей (что составляет основу всякого химического превращения), сколько тенденцией к образованию всё более высоких форм химической организации вещества. Химическая эволюция ЭОКС представляет собой целостную систему сопряжённых необратимых процессов, «эстафету переходных состояний» (Ю. А. Жданов), эволюционирующую в направлении возникновения живого.

107

Даже краткое описание модели саморазвития ЭОКС даёт достаточно чёткое представление о том, что понятие времени в теоретической структуре эволюционной химии приобретает новые смысловые оттенки. Если в теории переходного состояния время функционирует как временной порядок данного химического процесса, как момент становления, то саморазвитие ЭОКС не просто упорядочено во времени, но представляет собой систему взаимосвязанных временных порядков, эстафету переходных состояний (Ю. А. Жданов), которая не прерывается, пока происходит обмен системы с окружающей средой. В кинетике химический процесс «ещё обременен разрывами» (Гегель), в то время как химическая эволюция ЭОКС заключает в себе тенденцию преодоления пустых промежутков времени, слияния различных временных порядков в единую временную структуру.

Механизм процессов саморазвития ЭОКС является нелинейным: он включает и стационарные, и нестационарные стадии. Для стационарных стадий характерен один кинетический режим, для нестационарных – другой. К нестационарным стадиям относятся каталитические циклы, в которых вещества, содержащие активный каталитический центр, расходуются и вновь образуются. Это означает, что в каталитической системе появляется положительная обратная связь. Наличие каталитических циклов (циклов обратных связей) обусловливает целостность кинетической системы. При этом целостность реализуется не просто как совокупность молекулярных комплексов (элементов системы), но и как система взаимосвязанных (сопряжённых) процессов, обеспечивающих её саморазвитие. В связи с этим можно говорить о существовании двух видов целостности, характеризующих самоорганизующуюся систему: структурной целостности, качественная определённость которой заключается в примате отношения над компонентами системы, и системной целостности, которая проявляется в наличии взаимосвязи между компонентами, обеспечивающей самоорганизацию.

Каталитические циклы – важнейший элемент природных самоорганизующихся систем. Можно сказать, что хотя природа не додумалась до колеса, зато она выдумала каталитический цикл.

Наличие структурной и системной целостности ЭОКС позволяет ввести понятие «временная целостность». Теоретическим эквивалентом временной целостности выступает понятие кинетического континуума как непрерывного и последовательного взаимодействия элементарных стадий, каждой из которых соответствует своя кинетика, т.е. свой временной порядок.

Естественный отбор как механизм управления ЭОКС является квазицеленаправленным; он задаётся как бы изначально имеющейся целью –

108

прогрессивной эволюцией системы в сторону увеличения высоты ее химической организации (в конечном итоге в сторону биогенеза). Таким образом, основной закон эволюции ЭОКС задаёт направление развития из будущего. Детерминация будущим – необходимый элемент временного становления. Детерминация то прошлым, то будущим состояниями каталитической системы и приводит к появлению циклов.

В термодинамике необратимых процессов И. Пригожина теоретическим эквивалентом времённой целостности выступает понятие диссипативной структуры, которое так же, как понятие кинетического континуума, отражает взаимосвязь между устойчивостью и неустойчивостью. Условием неустойчивости по Пригожину являются те стадии процесса, которые содержат автокаталитические петли. Например, два вещества, А и В, формируют вещество С, и эта реакция катализируется самим С. Вещество С становится, таким образом, самоудваивающимся элементом, которое количественно возрастает по мере того, как даются А и В. Автокаталитические реакции наглядно демонстрируют циклическое временное поведение химической системы, когда будущее (образовавшийся продукт) становится прошлым (включается в исходную реакцию) и наоборот (участвует в синтезе самого себя).

Циклическим временем обладают и упоминавшиеся ранее химические часы. Особенностью такого рода диссипативных структур является то, что после достижения некоторого критического состояния (точки бифуркации) система становится неустойчивой и выходит, или «наматывается», говоря словами И. Пригожина, на предельный цикл, то есть все молекулы одновременно, через правильные промежутки времени изменяют своё химическое качество. Это происходит благодаря когерентности (согласованности) множества процессов. Самоорганизация возможна только при условии, что система будет вести себя как единое целое. В пригожинском варианте теории самоорганизации имеется теоретический аналог и такого концепта временной целостности как детерминация будущим. Эту роль выполняет понятие аттрактора; под ним подразумевается некое конечное состояние, к которому «притягивается» траектория системы с течением времени. Тип аттрактора определяется типом самой системы. Для закрытой системы аттрактором является состояние термодинамического равновесия. Такая диссипативная структура, как химические часы, эволюционирует к устойчивому периодическому режиму; здесь аттрактор уже не точка, а линия, описывающая периодическое изменение концентрации химических веществ. В общем случае аттрактором может быть даже поверхность или объём. В последнее время были

109

открыты более сложные аттракторы (так называемые «странные аттракторы»), соответствующие множеству точек.

Понятие аттрактора меняет устойчивое представление о взаимосвязи прошлого, настоящего и будущего, которое тесно связано с понятием “одного и того же”: одна и та же система при одинаковых условиях всегда приходит к одному и тому же результату. Наличие аттрактора предполагает более сложное временное поведение, такое, что и при одинаковых начальных условиях система может пойти по различным путям эволюции. Будущее (аттрактор) настойчиво вторгается в область настоящего, корректируя влияние прошлого. Одновременное действие различных детерминирующих временных факторов реализуется в виде целостной временной структуры.

Другие аспекты времени эволюционных теорий отражены в понятии нелинейности. Нелинейность есть прежде всего неравномерность, которая включает в себя и наличие временных циклов, и сложное (разнонаправленное) взаимодействие процессов, имеющих различную временную структуру. Процессы самоорганизации в неравновесной термодинамике и теории эволюционного катализа описываются нестационарными кинетическими моделями, представляющими, как правило, системы нелинейных дифференциальных уравнений. Основные особенности нелинейного времени отражены в понятиях «устойчивость», «неустойчивость», «цикл», «бифуркация», «аттрактор» и других, раскрывающих физический смысл некоторых принципиальных моментов нелинейного математического описания.

Таким образом, эволюционные теории А. П. Руденко и И. Пригожина обнаруживают заметные совпадения временных категориальных структур и вместе с тем дальнейшее концептуальное обогащение понятия времени, «работающего» в химических теориях. Время в химии имеет свою историю, начало которой было положено формальной кинетикой. Но в отличие от формальной кинетики, где время есть лишь параметр, простой геометрический масштаб, накладываемый на протекающие процессы, в эволюционных теориях время становится оператором, «внутренним временем» (И. Пригожин), но не отдельного химического процесса, угасающего в собственном продукте, а целостной системы сопряжённых процессов, эволюционирующих в направлении возникновения жизни.

Вопросы для самоконтроля

1.Каковы предпосылки идеи химической эволюции?

2.В чём смысл основных теорий самоорганизации?

110