Взаємозв’язок хімії та біології
Хімія життя
Нарешті, слід пам'ятати й те вирішальне значення, яке починає відігравати у розвитку науки продуктивність праці вченого. Фізичні методи зіграли і продовжують грати в цьому відношенні в хімії революціонізуючу роль. Достатньо порівняти, наприклад, час, який витрачав хімік-органік на встановлення будови синтезованої сполуки хімічними засобами і яку він витрачає тепер, володіючи арсеналом фізичних методів. Безперечно, що цей резерв застосування досягнень фізики використовується далеко не достатньо.
Підіб'ємо деякі підсумки. Ми бачимо, що фізика в дедалі більшому масштабі і дедалі плідніше вторгається в хімію. Фізика розкриває сутність якісних хімічних закономірностей, забезпечує хімію досконалими інструментами дослідження. Зростає відносний обсяг фізичної хімії, і не видно причин, які можуть сповільнити зростання.
Взаємозв'язок хімії та біології
Загальновідомо, що хімія та біологія тривалий час йшли кожна власним шляхом, хоча давньою мрією хіміків було створення в лабораторних умовах живого організму.
Різке зміцнення взаємозв'язку хімії з біологією відбулося результаті створення А.М. Бутлерова теорія хімічної будови органічних сполук. Керуючись цією теорією, хіміки-органіки вступили у змагання із природою. Наступні покоління хіміків виявили велику винахідливість, працю, фантазію та творчий пошук у спрямованому синтезі речовини. Їх задумом було не тільки наслідувати природу, вони хотіли перевершити її. І сьогодні ми можемо впевнено заявити, що у багатьох випадках це вдалося.
Поступальний розвиток науки XIX ст., що призвів до розкриття структури атома і детального пізнання будови та складу клітини, відкрив передхіміками та біологами практичні можливості спільної роботи над хімічними проблемами вчення про клітину, над питаннями про характер хімічних процесів у живих тканинах, про зумовленість біологічних функцій хімічними реакціями.
Якщо подивитися на обмін речовин в організмі із суто хімічної точки зору, як це зробив А.І. Опарин, ми побачимо сукупність великої кількості порівняно простих і одноманітних хімічних реакцій, які поєднуються між добою в часі, протікають невипадково, а суворої послідовності, у результаті утворюються довгі ланцюга реакцій. І цей порядок закономірно спрямований до постійного самозбереження і самовідтворення всієї живої системи в цілому в умовах довкілля.
Словом, такі специфічні властивості живого, як зростання, розмноження, рухливість, збудливість, здатність реагувати зміни зовнішнього середовища, пов'язані з певними комплексами хімічних перетворень.
Значення хімії серед наук, що вивчають життя, винятково велике. Саме хімією виявлено найважливішу роль хлорофілу як хімічної основи фотосинтезу, гемоглобіну як основи процесу дихання, встановлено хімічну природу передачі нервового збудження, визначено структуру нуклеїнових кислот тощо. Але головне у тому, що об'єктивно у основі біологічних процесів, функцій живого лежать хімічні механізми. Усе
функції та процеси, що відбуваються в живому організмі, виявляється можливим викласти мовою хімії, у вигляді конкретних хімічних процесів.
Зрозуміло, було б неправильним зводити явища життя до хімічних процесів. Це було б грубим механістичним спрощенням. І яскравим свідченням цього є специфіка хімічних процесів у живих системах порівняно знеживими. Вивчення цієї специфіки розкриває єдність та взаємозв'язок хімічної та біологічної форм руху матерії. Про це говорять і інші науки, що виникли на стику біології, хімії та фізики: біохімія — наука про обмін речовин та хімічних процесів у живих організмах; біоорганічна хімія — наука про будову, функції та шляхи синтезу сполук, що становлять живі організми; фізико-хімічна біологія як наука про функціонування складних систем передачі інформації та регулювання біологічних процесів на молекулярному рівні, а також біофізика, біофізична хімія та радіаційна біологія.
Найбільшими досягненнями цього процесу стали визначення хімічних продуктів клітинного метаболізму (обміну речовин у рослинах, тваринах, мікроорганізмах), встановлення біологічних шляхів та циклів біосинтезу цих продуктів; було реалізовано їх штучний синтез, зроблено відкриття матеріальних основ регулятивного та спадкового молекулярного механізму, а також значною мірою з'ясовано значення «хімічних процесів» енергетики процесів клітини та взагалі живих організмів.
Нині для хімії особливо важливим стає застосування біологічних принципів, у яких сконцентрований досвід пристосування живих організмів до умов Землі протягом багатьох мільйонів років, досвід створення найдосконаліших механізмів та процесів. На цьому шляху є певні досягнення.
Більше сто років тому вчені зрозуміли, що основою виняткової ефективності біологічних процесів є біокаталіз. Тому хіміки ставлять за мету створити нову хімію, засновану на каталітичному досвіді живої природи. У ній з'явиться нове управління хімічними процесами, де почнуть застосовуватись принципи, синтезу собі подібних молекул, за принципом ферментівстворено каталізатори з такою різноманітністю якостей, які далеко перевершать існуючі в нашій промисловості.
Незважаючи на те, що ферменти мають спільні властивості, властиві всім каталізаторам, проте вони не тотожні останнім, оскільки функціонують в рамках живих систем. Тому всі спроби використати досвід живої природи для прискорення хімічних процесів у неорганічному світі стикаються із серйозними обмеженнями. Поки що може йтися лише про моделювання деяких функцій ферментів та використання цих моделей для теоретичного аналізу діяльності живих систем, а також частково-практичного застосування виділених ферментів для прискорення деяких хімічних реакцій.
Тут найперспективнішим напрямом, очевидно, є дослідження, орієнтовані застосування принципів біокаталізу в хімії та хімічної технології, навіщо потрібно вивчити весь каталітичний досвід живої природи, зокрема й досвід формування самого ферменту, клітини і навіть організму.
Теорія саморозвитку елементарних відкритих каталітичних систем, у загальному вигляді висунута професором МДУ А.П. Руденко 1964 р., є загальною теорією хімічної еволюції та біогенезу. Вона вирішує питання про рушійні сили та механізми еволюційного процесу, тобто про закони хімічної еволюції, про відбір елементів і структур та їх причинну обумовленість, про висоту хімічної організації та ієрархію хімічних систем як наслідок еволюції.
Теоретичним ядром цієї теорії є положення про те, що хімічна еволюція є саморозвитком каталітичних систем і, отже, еволюціонуючим речовиною є каталізатори. У ході реакції відбувається природний відбір тих каталітичних центрів, які маютьнайбільшою активністю. Саморозвиток, самоорганізація і самоускладнення каталітичних систем відбувається за рахунок постійного припливу трансформованої енергії. Оскільки основним джерелом енергії є базисна реакція, то максимальні еволюційні переваги отримують каталітичні системи, що розвиваються з урахуванням екзотермічних реакцій. Звідси базисна реакція не лише джерелом енергії, а й знаряддям відбору найпрогресивніших еволюційних змін каталізаторів.