химической эволюции

Возможность реализации длинных цепей саморазвития ЭОКС (5), т.е. возможность химической эволюции, определяется соблюдением четырех феноменологических принципов развития, выводимых из сути самого явления.

1. Вероятностный (статистический) - возможность эволюции связана с вероятностью изменения W природы ЭОКС под влиянием внешней среды. Если W=0, то катализ протекает без изменения катализаторов. Если W=1, то катализатор становится реагентом. Реальный катализ характеризуется интервалом 0<W<1.

2. Кинетический – эволюция связана с изменением абсолютной каталитической активности а. При а=0 эволюция невозможна.

3. Термодинамический – указывает на возможность самоорганизации и длительной эволюции ЭОКС за счёт способности базисной реакции производить в системе полезную работу, направленную против равновесия. Этот принцип указывает на создание устойчивого неравновесия ЭОКС, которое только и является основным условием и формой существования саморазвивающихся химических систем.

4. Информационный (генетический) - саморазвитие ЭОКС выражается в непрерывном росте объёма и запоминании эволюционной информации в необратимых физико-химических изменениях ЭОКС, в изменении наследственного порядка их функционирования

Можно вывести ряд следствий из этих принципов, уточня­ющих условия химической эволюции и их ограничения. В частности, если не выполняется вероятностный принцип, развитие ЭОКС прекращается, но сама система не гибнет и продолжает существовать на ранее достигнутом уровне. Если не выполняется кинетический принцип, то не только прекращается развитие ЭОКС, но и ее существование. Если же не выполняются термодинамический и информационный прин­ципы, то существование и развитие ЭОКС может некоторое время продолжаться, затем системы деградируют.

При соблюдении указанных условий и принципов развития, ходом самой базисной реакции автоматически выявля­ются цепи саморазвития ЭОКС (5) в соответствии с первич­ным естественным отбором эволюционных изменений от неэволюционных по признаку существования систем. При этом не имеет значения сама величина абсолютной каталитической активности, лишь бы она была больше нуля.

Направленность химической эволюции, ее причину, механизм действия естественного отбора по величине абсолютной каталитической ­активности и эволюционных характери­стик включающих ее значение, определяет основной закон эволюции ЭОКС. Он проявляется как принцип саморазвития, самоорганизации и самоусложнения ЭОКС. Согласно основному закону, с наибольшей скоростью и вероятностью осу­ществляются те пути эволюционных изменений, на которых происходит максимальное увеличение абсолютной каталити­ческой активности или же других эволюционных свойств, зависящих от кинетического параметра а.

Основной закон эволюции вскрывается при сопоставлении эволюционных функций систем, описывающих изменения эволюционных свойств по разным' путям развития. Эти свойства описываются двумя видами эволюционных функций: потоковыми функциями (полная характеристика изменения свойства ­ ЭОКС по всему пути развития) и функциями которые показывают свойство ЭОКС на данной стадии эволюции. Основной переменной в­еличиной эволюционных функций является абсолютная каталитическая активность а.

Основной закон проявляется при строгом выполнении не только кинетического, но и информационного принципа развития. Ибо только в этом случае существует однозначная связь любых изменений параметра а с изменениями природы того, чтобы эволюционный эффект лю­бого изменения ЭОКС, «оцениваемый» базисной реакцией только по изменению а мог быть связан е определенными изменениями свойства, строения, надструктуры системы и ме­таболизма процесса, вызвавшими это изменение параметра а. В противном случае естественный отбор по параметру а не будет адекватен отбору изменений природы ЭОКС, вызванных изменения этого параметра, т.е. самого отбора не будет. Такая связь имеет место в строго определенных кинетических условиях, соответствующие условиям существования ЭОКС, в которых а - константа, зависящая только от природы ЭОКС. При этом одним из важных условий является постоянная температура. Следовательно, в указанных условиях параметр а­, количественно характеризует не только скорость реакции, интенсивность обмена, динамическое су­ществование, устойчивость и стационарное неравновесие ЭОКС, но и эволюционныe свойства и эволюционный эффект

Изменения параметра а при реализации любых цепей эволюционных изменений ЭОКС (5) в общем виде подчиняется статистическому закону

где а_о - абсолютная каталитическая активность исходной системы; ā_i - средняя активность систем после i-того эволю­ционного изменения; k_g - средняя геометрическое значение коэффициента развития, показывающего во сколько раз уве­личивается или уменьшается каталитическая активность в одной эволюционной стадии; j - уровень развития ЭОКС на i-той стадии. Кинетический закон (6) яв­ляется статистическим усреднением реальных диаграмм развития при фиксировании величины k_g.

Уравнение (6) является уровневой эволюционной функцией, которую можно изобразить графически в координатах где ордината j=lоgk_g ā_i =0,± 1, ±2, ±3..., а абсцисса - номер эволюционной стадии q, в виде кинетической диаграммы развития ЭОКС (рис. 1). По диаграмме можно проследить все возможные пути развития ЭОКС до стадии q. При этом горизонтальные линии соответствуют периодам существова­ния ЭОКС на каждом уровне развития, стрелки - эволюционным переходам k_j→k_i+l как к более высокому, так и к более низкому уровням.

Последовательность эволюционных стадий и значение уровней развития однозначно описывает каждый путь - разви­тия в виде функции

где w_qe- любая выборочная траектория до стадии q; e - номер траектории. Например, частные значения этой случай­ной марковской функции для наиболее прогрессивного (про­исходит только увеличение) или регрессивного (происходит только уменьшение) пути до стадии 7 имеют вид:

J (w_{7 1,} j)₇=0+ 1+2+4+ 5+6

J(w_{7 6 4,} j)₇=0-1-2-3-4-5-6

Алгебраическая сумма такой последовательности уровней j дает потоковую эволюционную функцию

отражающую степень развития ЭОКС. Так, степени развития ЭОКС для двух приведенных примеров имеют значения +21 и -21 соответственно.

При помощи аналогичных эволюционных функций и диаграмм, подобных рис. 1,. могут быть описаны и другие эво­люционные свойства и характеристики ЭОКС, связан­ные с величиной а, например интенсивность обмена и потоки освобождаемой энергии, скорость развития и т. д. Каждая из этих функций, представляющих либо уровни, достигае­мые ЭОКС в любой точке пути, либо потоки экстенсивных эволюционных характеристик по всему пути развития, опи­сывают количественные изменения качественно-постоянных эволюционных свойств ЭОКС, зависящих либо только от параметра а, либо от параметра а и других параметров (r - коэффициента полезного действия базисного процесса во внутренних рабочих процессах системы; q - числа эволюционных стадий; р - вероятности эволюционных изменений ЭОКС).

РИС. 1. Кинетическая диаграмма изменений абсолютной каталити­ческой активности элементарных открытых каталитических систем по всем путям до стадии q=7.

При этом с учетом лишь параметра, а эволюционные функции описывают саморазвитие ЭОКС и степень развития, ин­тенсивность обмена веществ и энергии, а также потоки ос­вобождаемой и рассеиваемой энергии, т. е. все то, что связано с самопроизвольным ростом в. ходе эволюции интенсивности обмена аf и общей мощности базисной реакции.

С учетом термодинамического параметра r наряду с а эво­люционные функции описывают самоорганизацию ЭОКС. Степень организации определяется величиной полезной ра­боты базисного процесса, затрачиваемой на эволюционные изменения и разные внутренние рабочие процессы в ЭОКС, направленные против равновесия. При этом

где f_i - сродство сопряженных процессов, потребляющих энергию базисной реакции. При эволюции растет степень ор­ганизации и стационарное неравновесие ЭОКС, коэффициент полезного действия r и полезная мощность базисной реакции afr.

Следует заметить, что для описания существования и эво­люции микроскопических систем, которыми являются ЭОКС, непригоден пригожинский аппарат термодинамики нео6ра­тимых процессов, разработанный для макроскопических систем. С существенными изменениями смысла следует для структурной и функциональной самоорганизации ЭОКС применять также и понятие «диссипативные структуры», введенное Пригожиным и относящейся к макросистемам. Конечно, структурная и функциональная организация ЭОКС является одним из следствий обмена веществ и энергии базисной реакции, т. е. связана с рассеиванием (диссипацией) ее энергии, но она определяется не только рассеиванием энергии, и не вся рассеиваемая энергия характеризует организа­цию системы. Так, значительная часть энергии базисной реакции, не, используемая для внутренних рабочих процессов, рассеивается ЭОКС, но не приводит к самоорганизации систе­мы; самоорганизация системы, согласно связана лишь с энергией, затрачиваемой на внутренние рабочие процессы, причем только часть ее, затраченная на рабочие процессы в кинетической сфере, рассеивается, а другая часть, поглощен­ная в конституционной сфере, не рассеивается, но также характеризует степень организации системы. Следовательно самоорганизация ЭОКС может быть охарактеризована диссипацией энергии менее точно, чем полезной работой базисного процесса внутри системы.

С учетом наряду с параметром а также и информационного параметра q и р эволюционные функции описывают само усложнение ЭОКС и интенсивность роста и накопления эволюционной информации aqp. При использовании всех параметров могут быть описаны уровень эволюции a³f²rqp и прогрессивность эволюции, являющаяся суммой уровней по всему пути развития.

Анализ этого материала показывает, что при сопоставлении однородных эволюционных функций для различных путей развития ЭОКС, ограниченных номером эволюционной стадии или одним и тем же временем, обнаруживается, но наиболее вероятно осуществление тех путей и наиболее велика скорость развития по тем путям эволюции ЭОКС, по которым происходит максимальное увеличение эволюционных характеристик, описываемых этими функциями и зависимости· от параметра а. Это и есть основной закон эволюции ЭОКС определяющий ее направленность, и механизм действия естественного отбора по максимальным значениям эволюционных характеристик. И здесь, как и в случае первичного естественного отбора по существованию систем, отбор максимального эволюционного эффекта осуществляется автоматически.

Направленность действия основного закона эволюции ЭОКС иллюстрируют кинетические диаграммы развития ЭОКС, рассчитанные при ограничении времени развития (рис. 2), а также расчет меры прогрессивности

и селективности естественного отбора ЭОКС

Развитие ЭОКС исходит с большей скоростью по наиболее прогрессивным путям, и селективность естественного отбора по этим же и выше.

Следует подчеркнуть, что естественный отбор наиболее прогрессивных эволюционных изменений ЭОКС идет не по их качественным параметрам (изменению состава, структуры и надмолекулярной структуры ЭОКС и механизма базисной реакции), а по эволюционному эффекту изменений природы ЭОКС, т. е. по их количественным параметрам (изменению абсолютной каталитической активности и других эволюцион­ных свойств и характеристик ЭОКС, являющихся функциями от величины а). Ибо на скорость базисной реакции непосред­ственно может влиять лишь эволюционный эффект изменений природы, а не они сами по себе, и преимущественно тех или иных эволюционных изменений ·природы ЭОКС могут быть «оцене­ны» базисной реакцией, являющейся орудием отбора, лишь по их, эволюционному эффекту, измеряемому величиной а. Отбор по качественным' параметрам эволюционных измене­ние ЭОКС опосредован отбором по, количественным параметрам и ­сходит лишь постольку, поскольку эти изменения природы ЭОКС обусловили данный эволюционный эффект. Поэтому несмотря на то, что причиной изменения величины а по условиям развития ЭОКС являются только изменения их природы, причиной естественного отбора тех или иных изменений природы ЭОКС является отбор по параметру а, т. е. между изменениями природы ЭОКС и изменениями параметра с одной стороны, и отборомпо изменениям природы ЭОКС по изменениям параметра а существует обратная причинно-следственная связь.

Из этого следует, что в условиях проявления 'основного закона, обеспечивающего действие естественного отбора, прогрессивная химическая эволюция строго детерминирова­на. Ибо, какие бы сложные изменения природы ЭОКС не тре­бовались для проявления максимального эволюционного эффекта, они обязательно произойдут в ходе длительного существования ЭОКС и будут отобраны среди других измене­ний ходом базисной реакции, если в природе самих ЭОКС учетом действия факторов внешней среды имеются потенциальные возможности этих изменений. Это справедливо, как и отбор изменений природы ЭОКС при их саморазвитии и при самоорганизации и самоусложнении.

С учетом механизма отбора, определяемого основным законом эволюции, находит простое объяснение появление в конституционной сферы ЭОКС в ходе саморазвития механизма базисной реакции веществ с определенным соста­вом, структурой и оптической.

Основной закон эволюции ЭОКС имеет вероятностный характер и проявляется тем более заметно, чем больше становится эволюционных изменений проходить система (см.рис. 2), Также чем больше химическое сродство базисной реакции, устойчивость основного закона может быть оценена величиной

РИС. 2. Динамика саморазвития элементарных открытых каталити­ческих систем по параметру а_i при ограничении времени развития: а - для k_g=1,2; б - для k_g=2

Из этого видно, что саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение ЭОКС, реализуемые при проявлении основного закона, происходят за счет постоянного потока трансформируемой в ЭОКС энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, и ее природа в ходе химической эволюции не может изменяться, то максимальные эволюционные преимущества получают ЭОКС, развивающиеся на базе реакций с самым большим сродством (экзотермические реакции). Этим обеспечивается возможность отбора эволю­ционных процессов по виду базисной реакции и типу основ­ного ·метаболизма ЭОКС.

Легко видеть, что движущей силой направленной хими­ческой эволюции ЭОКС является тенденция к самопроизволь­ному росту рассеивания свободной энергии базисной реакции в ходе обмена веществ и энергии эволюционирующей системы с окружающей средой, т. е. движущая сила химической эволюции имеет энергетическую природу.

7. Пределы и естественные этапы химической эволюции

Без анализа абстрактной теоретической модели ЭОКС нельзя было описать основные свойства ЭОКС, границы условий их существования и развития и вскрыть основной закон их эволюции. Зная основной закон химической эволюции и механизм естественного отбора эволюционных изменений ЭОКС и рассматривая физико-химические формы проявления основного закона при последовательной эволюции модели ЭОКС, можно выявить новые закономерности химической эволюции, ее пределы, естественные этапы и механизм саморазвития свойств и функций систем,

Саморазвитие ЭОКС не беспредельный процесс, оно ограничено пределами вероятностного, и кинетического характера. Вероятностные пределы связаны со специфическими особен­ностями самих ЭОКС и внешней среды и определяются числом потенциально возможных необратимых изменений системы. Кинетические пределы связаны с постоянным уровнем тем­пературы при эволюции (1 предел) и ограниченностью кон­центрации компонентов базисной реакции (2 кинетический предел). При достижении какого-либо из пределов эволюция прекращается и возникает тупиковая форма. Тупиковая фор­ма ЭОКС продолжает существовать, так как приобретенная ею каталитическая активность сохраняется, и катализатор работает идеально, как в классическом катализе. Если же имеются потенциальные физико-химические возможности формирования новых свойств и функций ЭОКС, то пределы преодолеваются, и химическая эволюция продолжается в но­вом качестве до достижения нового предела. Поэтому механизм преодоления пределов при эволюции ЭОКС является по существу механизмом формирования новых свойств и функ­ций систем, отсутствовавших у их генеалогических предшест­венников, что представляет собой саморазвитие поведения ЭОКС.

Весь ход химической эволюции разбивается такими пре­делами на определенные естественные этапы, на каждом из которых эволюция продолжается с сохранением определен­ного наследственного порядка функционирования и поведения систем. Существует несколько таких этапов соответст­венно числу пределов развития и числу последовательно и параллельно эволюционирующих признаков. Формы преодоле­ния тех или иных пределов эволюции оказываются строго де­терминированными, так как определяются только природой ЭОКС на данном этапе, потенциальными возможностями ее изменения, зависящими от природы ЭОКС и окружающей среды, и действием основного закона эволюции.

Ряд свойств и функций ЭОКС и соответствующих им черт поведения развиваются и формируются последовательно, причем не могут возникнуть новые свойства и функции если ЭОКС еще не приобрели определенные эволюционно предшествующие свойства и функции; другие же свойства и особенности поведения систем развиваются и формируются па­раллельно, если их формирование сопряжено с одним и тем же эволюционным изменением природы ЭОКС.