Понятие самоорганизации в самом широком смысле выражает развитие систем от менее сложных к более сложным; в узком смысле – появление и развитие структур в первоначально однородной среде. Простейшими примерами могут служить рост кристаллов, в частности, снежинок, автоколебания, образование конвективных ячеек и течения, переход к турбулентному течению в жидкости, автоволны в химически активных средах и т. п. С позиций синергетики, в которой данная проблематика является центральной, самоорганизация – это спонтанное 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 термодинамическим 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». Проведенный 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 идет об устранении противоречия между открытым более ста лет назад Клаузиусом вторым законом термодинамики, фиксирующим эту фундаментальную тенденцию, и высокой степенью организованности окружающего нас мира.
Во второй половине XX ст. 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 ними способности активно взаимодействовать с внешней средой, обмениваясь с ней веществом, энергией и информацией. Идея самоорганизации начинает оказывать существенное влияние на науку, формируют новый подход, ориентированный на понятие динамического процесса. Понятие системы перестает быть связанным со статичными структурами и начинает восприниматься как совокупность развивающихся во времени и взаимодействующих процессов. Под влиянием идей самоорганизации складывается новая парадигма науки, ориентированная на модель жизни, признающая открытость, первенство процесса над структурой, самоорганизацию и самообновление в качестве общих законов природной динамики.
Концепция самоорганизации в ее естественнонаучном виде выступает как междисциплинарное направление, поскольку связана с целым кругом проблем, разрабатываемых различными дисциплинами. Своеобразной «идеологией» этого направления является (от греческого sinergos – согласованный) синергетика Г. Хакена. 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. Синергетику и называют концепцией самоорганизации. Объекты изучения синергетики должны удовлетворять следующим требованиям: - открытость; существенная неравновесность, которая достигается при определенных состояниях и при определенных значениях параметров, которые переводят систему в критическое состояние, когда она становится неустойчивой; выход из критического состояния скачком в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.
Концепция самоорганизации в химии представлена учением об эволюционном катализе. Эта теория система была открыта в 60-е годы XX в. биохимиком А. П . Руденко в связи с исследованием элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС), закономерности саморазвития которых связаны с необратимым изменением катализаторов. В теории эволюционного катализа дается описание основных этапов химической эволюции и критериев перехода от неживых ЭОКС к простейшим живым организмам. Под химической эволюцией понимают возникновение и развитие химических систем от низших к высшим, а также развитие химической формы движения как единой целостности. Термин «химическая эволюция» был введен в науку М. Кальвином в 50-х гг. XX века. Отражая складывающиеся в естествознании и философии представления о развития вещества, М. Кальвин выделил следующие четыре основных этапа развития материи: ядерную эволюцию, химическую эволюцию, биологическую эволюцию и психо-социальную эволюцию. Сама идея эволюции в химии возникла не сразу. На протяжении многих столетий проблема химической эволюции была в стороне от магистральных путей развития химии не только потому, что она была заслонена успехами структурных и кинетических теорий в познании вещества, но и потому, что общие горизонты химии не позволяли осмыслить эволюционную проблему как естественноисторическую.
В химии задача объяснения происхождения объектов химической эволюции (химических видов) не могла быть даже поставлена, поскольку не были известны сами объекты, и не было никакой эволюционной систематики этих объектов, которая помогла бы выявить причины эволюции. Идеи химической эволюции проникли в химию из биологии в связи с проблемой биогенеза (Ч. Дарвин, А. И. Опарин, Дж. Холдейн и др.). Включение в химическую науку принципа историзма явилось одним из решающих факторов поворота химических исследований к проблеме химической эволюции. Не менее важным было появление целой серии работ, указывающих на экспериментально установленные факты прогрессивной эволюции химических индивидов через их естественный отбор. Выделим факторы, которые повлияли на формирование эволюционной химии.
Во-первых, возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. При искусственном выборе катализаторов ученые ориентировались на те из них, которые участвовали в естественной, осуществляемой самой природой эволюции от химических соединений к живым системам, тем самым принципы искусственного отбора все более приближались к принципам естественного отбора. Выяснилось, что использование таких катализаторов приводит к тому, что химические системы начинают самопроизвольно изменяться в сторону химических систем с еще более высокой степенью организации.
Во-вторых, в самой каталитической химии постепенно накапливается все больше эмпирического материала, не укладывающегося в рамки классической кинетики о неизменности состава, энергетических параметров и специфичности действия катализаторов. Появляется большое число работ, результаты которых свидетельствуют о физических и химических изменениях катализаторов, о самоприспособлении их к требованиям базисной (основной) каталитической реакции. Первую брешь в традиционном взгляде на каталитические процессы пробила работа американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингема, которые в 1958–1960 гг. открыли и детально исследовали совершенно необычное для каталитической химии явление самосовершенствования катализаторов в реакциях, которые обычно приводили к их отравлению и дезактивации. Тем самым было установлено наличие реакций, способных «сами для себя» перестраивать катализатор в сторону повышения его активности. После этой пионерской работы американских химиков аналогичные выводы об изменениях катализаторов соответственно требованиям базисной реакции были сделаны в работах отечественных химиков Г. К . Борескова, А. Б . Шехтер и И. И. Третьякова, С. З. Рогинского, О. М . Полторака и др. Наконец, приблизительно в те же годы стала накапливаться информация о колебательных химических реакциях, история исследования которых начинается еще в середине XIX века (Ф. Ф. Рунге, Р. Лизеганг). В 1916 г. Дж. Т. Морган, экспериментируя с реакционной химической средой, содержащей пероксид водорода, муравьиную и серную кислоты, наблюдал периодическое образование ядовитого моноксида углерода. Но эти реакции не укладывались в общепризнанные рамки равновесной термодинамики, исключающей какое бы то ни было согласованное поведение участвующих в реакции, сопровождающееся колебаниями концентраций промежуточных соединений, и поэтому оттеснялись на периферию химической науки. В 80-х гг . XX века в науке обозначилась позиция, ставящая колебательные химические реакции на передний край исследований. Б . П . Белоусовым и А. М. Жаботинским было изучено поведение химической реакции окисления лимонной кислоты броматом калия в присутствии катализатора – пары ионов трехи четырехвалентного церия, получившей название «химические часы». Периодическое поведение этой реакции заключалось в самопроизвольном переходе ее в режим концентрационных колебаний – реакционная среда меняла свой цвет с красного на синий с периодом около минуты. В настоящее время химические осцилляторы рассматриваются как парадигмальные примеры сложных самоорганизующихся систем. Вновь открытые факты в области исследования каталитических, колебательных, периодических реакций потребовали пересмотра целого ряда принципов химической кинетики и замены их новыми. Это следующие принципы: изменение природы и активности катализаторов в ходе реакции; направленность изменений каталитических систем в сторону повышения уровня химической организации; имманентный (внутренне присущий) характер этих изменений, обусловленный законами химической эволюции.
Эти принципы представляют собой нечто новое в самой теоретической химии. Совершенно очевидно, что именно здесь находятся истоки той новой концептуальной системы химии, которая получила название «эволюционной химии». Побудительным мотивом построения общей теории химической эволюции явилась для А. П. Руденко идея о том, что закономерности перехода от неживого к живому, хотя и являются лишь основой более сложных биологических закономерностей, по существу носят чисто химический характер. Он исследовал 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. А . П . Руденко называет эту систему кинетическим континуумом, в котором реагенты, катализаторы и другие компоненты реакции оказываются неотделимыми друг от друга. Саморазвитие ЭОКС определяется ходом базисной реакции, т. е. химического процесса, ускоряемого действием катализатора. Система является открытой, поскольку осуществляет постоянный обмен энергией и веществом с окружающей средой. Согласно А. П . Руденко, в открытых каталитических системах под влиянием окружающей среды могут происходить структурные изменения, т. е . конституционные изменения, затрагивающие природу центра катализа. Если в результате структурного изменения такая система не погибает, т. е. продолжает участвовать в осуществлении базисной реакции, то она уменьшает или увеличивает свою каталитическую активность. Это означает, что 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 химической системы. Таким образом, теория эволюционного катализа А. П . 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 химической кинетики. Исследователи обозначают ее появление как рождение «новой химии» (А. Баблоянц), как выход за пределы классической химии. Граница между ними определяется не только разным типом структурной и термодинамической организации основных объектов исследования (равновесным и неравновесным), но и разными формами «химизма». В классической химии исследуется элементарный химизм, связанный с образованием и распадом химических связей, в эволюционной химии – химическое поведение открытых самоорганизующихся каталитических систем, усложняющееся в ходе эволюции вплоть до перехода в биологическое поведение живых систем.
С этих позиций химическая эволюция представляет собой целостную систему сопряженных необратимых процессов, «эстафету переходных состояний» (Ю. А . Жданов), эволюционирующую в направлении возникновения жизни. Н. М . Черемных