Самоорганизация и неравновесные
процессы в физике, химии и биологии
 Мысли | Доклады | Самоорганизация 
  на первую страницу НОВОСТИ | ССЫЛКИ   

В.И. Вернадский. О биологическом значении некоторых геохимических проявлений жизни
от 20.12.05
  
Мысли


Всегда ли атомы живого вещества идентичны тем, которые обнаруживаются в явлениях косной материи? Нет ли у живого вещества средств выбирать изотопы химических элементов из их смесей в окружающей среде, с которой оно неразрывно связано?

Статья В.И. Вернадского Sur la portee biologique de quelques manifestations geochimiques de la vie, перевод которой предлагается вниманию читателей Природы, весьма характерна для его творчества: ее невозможно отнести ни к одной из известных наук. Речь в ней заходит о физике, затем переносится в область кристаллографии, мысль устремляется к структурам земной коры, геохимии, геометрии пространства и оборачивается вдруг биологическими закономерностями. И дело вовсе не в высочайшей эрудиции автора, не в его энциклопедизме, о котором обычно говорят. Эта статья, как и все творчество Вернадского, синтетична, в ней решаются главные вопросы, и для их рассмотрения он привлекал материалы из всех наук.
Чтение Вернадского требует соучастия, некоторого умственного усилия, совершив которое, читатель попадает в магнитное поле мысли великого естествоиспытателя и вместе с ним устремляется к высшим вопросам познания природы . Притягательность этих проблем, их драматургия созданы столетиями развития естествознания. Они влекли и Бюффона в его Естественной истории, и Ламарка в Гидрогеологии, А. Гумбольдта с его грандиозным замыслом Космоса, других великих натуралистов. Что такое жизнь? Как соотносятся между собой живое и неживое? Одними и теми же законами управляются живое и косное или эти законы разные?
И если в прежние времена эти проблемы решались вначале умозрительно, затем на видимом, макроскопическом, уровне, то Вернадский переводит их в более глубокие слои строения мира, и проблемы на наших глазах становятся более значительными. Созданная им геохимия и особенно биогеохимия - срединная наука о взаимодействии живого и косного - проходит по самой сердцевине данных проблем и дает новую пищу разуму в их понимании и трактовке. Вероятно, современному специалисту покажутся наивными некоторые выражения и термины, употребляемые Вернадским (терминология меняется быстро), но не устаревают и не могут устареть вопросы, поставленные натуралистом.
Статья написана Вернадским в конце того периода, который можно было бы назвать великим десятилетием в его научной судьбе. Оно началось в 1916г. созданием понятия живое вещество, перевернувшим все мировоззрение ученого. Он обрел, по собственному выражению, новый синтез Космоса, такую научную картину мира, куда живое входит как закономерная и вечная сила. Обобщив громадный материал естествознания, Вернадский пришел к простому выводу о необходимости изучать живое вещество как форму нахождения атомов химических элементов, т.е. исследовать его вес, химический состав, заключенную в нем энергию, а также и симметрию (позднее к этим характеристикам он добавит и время). Именно в таком контексте понятие живого вещества звучит в предлагаемой статье.
В последующие годы Вернадский настойчиво работает над этим представлением. Выехав в 1922г. в Париж для чтения лекций в Сорбонне, он как бы получил передышку для наилучшего оформления своих идей и проверки их в условиях бурного развития физики, совпавшего с его пребыванием за рубежом. Итогом этих трех лет стали широко известная ныне Биосфера и математический труд Живое вещество в биосфере (готовится к публикации издательством Наука в сборнике Вернадский и математика). Тогда же были написаны чрезвычайно важные для его нового мировоззрения статьи, в том числе и та, о которой идет речь.
Возвратившись на родину, Вернадский снова обращается к проблеме проявлений жизни в более коротком и более общем сообщении Изотопы и живое вещество (Доклады РАН. 1926. А. Дек. с.217-218), где ссылается на данную статью, указывая, что дает в ней решение проблемы для одного частного случая атомов углерода.
Но сам Вернадский как никто другой умел видеть за частным случаем общую проблему, подтверждая ту истину, что в науке, как и в природе, нет великого и малого.
Статья написана по-французски (в таких случаях Вернадскому помогала в работе жена Н.Е. Вернадская) и напечатана тогда же во французском журнале Revue generate des sciences pures et appliquees (1925. Т., 36. N 10). Поскольку Вернадский не сохранял рукописей своих опубликованных работ, считая напечатанный вариант главным и единственным, оригинала статьи, как и ее перевода на русский язык, не обнаружено, и мы имеем возможность впервые представить ее читателям.
***
1 Новые теории, относящиеся к структуре атомов и строению атомных решеток твердых тел, подтвержденные множеством опытных фактов и эмпирическими обобщениями в геохимии, должны, как мне кажется, коренным образом сказаться на нашей концепции жизни.
И если в настоящее время биологи почти не придают этому значения, то такое состояние умов не может удерживаться долго.
В этой короткой заметке я остановлюсь только на одной из многочисленных проблем, которые возникают в биологии
вследствие прогресса геологических и физических наук.
2. Всегда ли атомы химических элементов живого вещества идентичны тем, которые обнаруживаются в явлениях косной
материи? Нет ли у живого вещества средств выбирать изотопы химических элементов из их смесей в окружающей среде, с которой оно неразрывно связан?
До настоящего времени мы не располагали необходимыми эмпирическими данными для возможных ответов на эти
вопросы. К тому же они могут быть решены только в условиях организованной работы, в условиях, которые превосходят
возможности отдельного исследователя и требуют больших средств.
Новые факты, установленные недавно в исследованиях, совершенно, казалось бы, чуждых биологическим проблемам, заставляют думать, что жизнь может воздействовать на симметрию атомов. Иначе говоря, атомы, которые входят в состав живого вещества, могут представлять свойства и изотопические комбинации, отличные от тех, которые строят косную материю.
3. В 1924г. почти одновременно и независимо в трех странах - Германии, Англии и Франции - удалось определить строение кристаллической решетки графита. Все исследователи пришли к одним и тем же выводам и к почти одинаковым численным результатам. Таким образом, представление об этой решетке не вызывает больше никакого сомнения.
На основании этого факта давно известная теоретическая концепция различия по форме углеродных атомов в алмазе и графите получила мощное эмпирическое подтверждение. Такой вывод был незамедлительно сделан У. Брэггом и Дж. Берналом.
В исследованиях подобного рода лучше говорить не о полиэдрической форме атомов, но об их симметрии. Это понятие - значительно более общее - вполне охватывает все следствия, которые мы можем вывести из наблюдаемых фактов. И в то же время оно совершенно не зависит от моделей, при помощи которых мы представляем материю и окружающую среду в целом.
4. Таким образом, в атомах углерода не только возможно, но и необходимо различать атомы с двумя разными симметриями. С одной стороны, это атомы углерода в алмазе с 4 идентичными валентностями; эти последние соответствуют в пространстве векторам, которые охватывают атомы с минимально возможными промежутками в решетке алмаза. Атомы в алмазе имеют симметрию тетраэдра, и векторы к наиболее близким атомам лежат на пространственных плоскостях только в двух направлениях.
С другой стороны, для атомов углерода в графите характерна единственная ось симметрии третьего или шестого порядка; наиболее близкие атомы располагаются в плоскостях пространства по трем векторам.
Минимальные расстояния между этими атомами близки по значению, но различны: для атомов алмаза 1,54 х 10^-8 см и для атомов графита 1,45 х 10^-8 см.
5. Эти два порядка расположения атомов существуют не только в структуре свободного углерода, но и в его соединениях.
Алмазные атомы (atomes diamantins) соответствуют углероду в алифатических соединениях, графитные атомы (atomes grafitiques) - углероду в ароматических соединениях. Конечно, подобное представление очень упрощенное: естественное явление значительно сложнее. Этот вывод можно с большой достоверностью сделать для такого факта, например, что разделение органических соединений на два больших класса - соединения ароматические и соединения алифатические - не может быть применено с такой же уверенностью ко всей совокупности известных соединений: существуют вещества со смешанным строением и с углеродными кольцами, которые, вероятно, показывают новую структуру их атомов, другую симметрию. Находят даже признаки существования атомов углерода с иной валентностью, чем в алифатических и ароматических соединениях.
Но реальное или возможное существование этих веществ с атомом углерода другой симметрии вовсе не нарушает точность наших выводов: алифатические и ароматические вещества существуют, свойства их хорошо известны и именно эти вещества наиболее распространены в продуктах живой и косной материи в земной коре.
6. В 1921г. У. Брэгг воспользовался дедуктивными выводами химиков, которые появились за несколько десятилетий до великого открытия рентгенограмм кристаллов, совершенного М. фон Лауэ, П. фон Гротом, П. Книппингом и В. Фридрихом в 1912г. Он пытался найти соединения графитных атомов (т.е. свойства графита) в кристаллах ароматических соединений. Во всех исследованных случаях эти выводы блестяще подтвердились. В последующих работах появились новые доказательства, подтверждающие эти представления.
Конечно, в строении кристаллических решеток этих соединений, принадлежащих к кристаллическим двухосным системам, еще много неясного, и исследование их с помощью рентгеновских лучей представляет трудности, не решенные до сих пор.
Однако большая логическая ценность этого вывода, взятого в качестве исходного, доказывается самой возможностью провести успешное изучение двухосных кристаллов этих сложных веществ. Опыты У Брэгга надежно доказывают, что в изученных ароматических соединениях есть атомы углерода той же симметрии, что и в графитных атомах.
7. В то же время понятия химиков относительно структуры алифатических веществ вполне соответствуют симметрии алмазных атомов.
Углерод с тетраэдрической валентностью (как его понимают химики) есть алмазный углерод.
Совокупность эмпирических фактов, которыми располагает стереохимия, находится в замечательном согласии с симметрией этих атомов.
8. Эти вновь обретенные знания, естественно, нашли свое отражение в области геохимии.
При каких условиях появляются в земной коре алмазные атомы и графитные атомы? Изучение этого вопроса открывает любопытный факт. Оказывается, соединения с алмазными атомами образуются только в двух совершенно различных областях 1) в термодинамических полях коры с огромным давлением и относительно высокой температурой; 2) в живом веществе биосферы.
9. Минералов, которые отвечали бы по структуре алмазным атомам, немного; с этой точки зрения наиболее изучен алмаз.
Он не принадлежит непременно к термодинамическому полю углерода с обычным давлением: устойчив в этом поле именно графит. Алмаз образуется в коре в месторождениях различного происхождения, всегда связанных с магмой, но не обязательно с очень высокой температурой. Все, однако, указывает на то, что его происхождение всегда связано с громадным давлением.
Очевидно, что он выделяется в глубоких основных магмах, на глубине 20-30 км, что соответствует давлению в 6000-9000 кг/см2. Температура при этом, по-видимому, не превышает 1000-1200°С.
Менее ясен генезис алмаза в связи с пегматитовыми фациями гранитных пород. Температура его образования в этих условиях не может превышать 570°С и, несомненно, должна быть на несколько сот градусов ниже. Это, однако, пневматолитические реакции, всегда связанные с большими давлениями.
В этих условиях графитные атомы углерода должны снова приобретать симметрию алмазных атомов, устойчивых в термодинамических полях.
10. В число соединений алмазных атомов из этих областей земной коры входят также угольная кислота и ее производные, метан, формальдегид.
Без связи с живым веществом все эти соединения образуются только в глубоких слоях земной коры, в ходе газовых реакций, связанных с высокой температурой и большим давлением
Они же образуются в живом  веществе при низкой температуре и низком давлении, обычных в биосфере, или при метаморфизме продуктов жизни в более глубоких земных оболочках.
11. Обычно все остальные углеродные соединения - минералы - образуются в земной коре только в генетической прямой или косвенной связи с жизнью, живым веществом. Они всегда являются производными продуктами биохимических процессов или продуктами их изменения.
Все эти углеродные вещества рано или поздно трансформируются в земной коре в графит или в угольную кислоту и ее производные.
Но, кажется, только графит - находящийся в дисперсном состоянии (аморфный углерод) или расположенный в кристаллической решетке - будет иметь самую устойчивую форму проявлений углерода не только в биосфере, но и в верхней оболочке земной коры в целом. В этих оболочках термодинамическое поле косной материи является полем стабильности для графитных атомов.
Если бы живое вещество не существовало и не вступало бы непрестанно в циклические равновесия, характерные для химии земной коры, то графитные атомы были бы единственно существующими, так как угольная кислота образуется только благодаря существованию свободного кислорода, который формируется только в биосфере и всегда является прямым продуктом процесса жизни.
12. Совсем по-другому выглядит история атомов углерода в живом веществе биосферы.
В нем образуются и трансформируются бесчисленные углеродные соединения. Алмазные атомы в живом веществе устойчивы; если в них беспрестанно восстанавливается симметрия графитных атомов, то и обратный процесс не менее обычен, поэтому алмазные атомы всегда преобладают.
Таким образом, свойства нашего термодинамического поля различаются в живом веществе и в косной материи.
Атомы алмаза, которые не образуются в этом поле косной материи, находят условия, пригодные для существования, в таком же поле живого вещества.
13. Причину этого явления следует искать только в воздействии живой материи.
Нам давно известно, что живое вещество обладает мощными средствами для полного изменения термодинамического поля биосферы в отношении проходящих в ней химических реакций.
Используя лучистую энергию Солнца, посредством механизма, суть которого нам до сих пор непонятна (все указывает на то, что здесь не новая форма энергии. В то же время живое вещество в самых различных своих проявлениях - например, мыслительной деятельности, воли, разума человечества - резко изменяет течение природных энергетических явлений), именно живое вещество при обычных температурах и давлении производит химические изменения, которые в наших лабораториях или в областях нашей планеты, лишенных жизни, достигаются только при огромных давлениях и повышенных температурах.
14. Устойчивость и генезис алмазных атомов углерода в живом веществе возобновляются в известной последовательности бесчисленных биохимических процессов, которые на каждом шагу происходят в организме.
Это - неизвестное ранее выражение великого феномена истории биосферы.
Вся ее химия изменилась под действием свойства живой материи при низких температуре и давлении расщеплять полностью молекулы воды, угольной кислоты и алюмосиликатов с каолиновым ядром. Вне живой материи эти вещества расщепляются только в слоях земной коры с повышенными температурой и давлением.
Воздействие живого вещества на симметрию атомов углерода указывает, что его геохимическое влияние еще более обширно, чем мы могли думать.
15. Ибо это неизвестное ранее проявление жизни является еще более глубоким, совсем нового порядка.
Это воздействие обнаруживается не в молекулярной области окружающей среды, а на атомном уровне (тем не менее становится все более очевидным, что в крупном обобщении Пастера о влиянии организмов на образование асимметричных химических структур следует видеть явление того же порядка. Речь здесь идет о симметрии поля электронов и атомов, а не о молекулярных явлениях).
Влияние жизни на симметрию атомов приводит к тому, что живое вещество меняет все свойства материи; оно само себе готовит совершенно особую космическую среду (принимая этот термин в том смысле, который придал ему К. Бернар).
16. До каких пределов простирается это воздействие? Проявляется ли оно исключительно для атомов углерода?
Маловероятно, чтобы это было так.
По аналогии (которая кажется в данном случае очень основательной) с биохимическими явлениями следует ожидать, что в них нашли свое выражение более общие закономерности.
Отсюда логически можно заключить, что воздействие жизни на симметрию атомов может простираться и на другие биогенные химические элементы.
В таком случае это будет главным фактором проявления жизни.
17. Из этого следует, что проблема воздействия жизни на изотопы и их смеси в косной материи превращается в первоочередную для разрешения.
Следует учесть, что алмазные атомы и графитные атомы не являются изотопами углерода. Но они принадлежат к явлениям того же порядка.
В настоящее время можно различить по меньшей мере три модификации атомов одного и того же химического элемента: 1) изотопы, которые имеют одинаковый атомный номер, но различаются по симметрии и атомному весу; 2) изобары, которые имеют один и тот же атомный вес, но различаются по симметрии и атомному номеру; 3) наиболее тонкие модификации, которые различаются только симметрией, а вес и номер остаются теми же.
18. Мы видим, что признаки существования изобаротопических модификаций нового типа возникают в этом бесконечном мире атомов всегда более часто. Эти модификации могут быть скоропреходящими или устойчивыми, как в случае углерода, но они, конечно же, согласуются с глубокими и важными свойствами атомов.
Две модификации атомов гелия представляют собой один из самых известных случаев.
Возможно, окажется, что эти модификации принадлежат к разным классам, но нас в данной проблеме интересует само их существование, теперь уже несомненное.
Можно представить эти системы различным образом, можно изучить их статику и говорить об их симметрии, а также можно выразить их в виде динамических моделей.
Следуя по пути, открытому Э. Резерфордом и Н. Бором, именно последним способом можно представить модификации гелия. Дж. Бернал в процитированной выше работе пытается таким же образом представить графитные атомы.
19. В настоящее время внимание ученых особенно привлекают изотопы. Это наиболее известные модификации. Иногда их можно получить в весомом количестве, и мы обладаем всеми средствами их точного различения.
История изотопов в живом веществе полностью неизвестна. Однако серьезных препятствий для ее изучения нет: речь идет только об организации исследовательской работы, а это вопрос времени и средств.
И кто знает, какие горизонты откроет нам подобное изучение, какие последствия оно будет иметь для блага и могущества человека?
С научной точки зрения даже отрицательный результат может иметь большое значение, так как он позволит нам более точно понимать проявления жизни.
В.И. Вернадский. О биологическом значении некоторых геохимических проявлений жизни. Vernadsky V.I. Sur la portee biologique de quelques manifestation geochimiques de la vie / Revue general Scientifique pure et appliquee.1925. Vol.36, N 10. P.301-304 - Пер. с фр. Л. Б. Илиашвили. Предисловие Г.П. Аксенова. Природа. 1988(2), с.33-38; То же в кн.: В.И. Вернадский. Живое вещество и биосфера. М.: Наука. 1994. с.309-314
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/P/''Priroda''/_''Priroda''.html
***
...новые открытия в физике совсем по-новому ставили перед Вернадский старые вопросы. Теперь он формулировал их так: Всегда ли атомы живого вещества идентичны тем, которые обнаруживаются в явлениях косной материи? Нет ли у живого вещества средств выбирать изотопы химических элементов из их смесей в окружающей среде, с которой оно неразрывно связано? /§ 2/. Вопросы заданы в написанной в 1925г. одной из самых смелых, даже дерзких статей, связавших понятие симметрии пространства с новыми теориями атомного строения вещества и в свете новых эмпирических фактов, в том числе и в кристаллографии.
Происшедшая научная революция рубежа веков, в результате которой атом из средневековой гипотезы превратился в твердый научный факт, а его модель, построенная новой физикой, стала реальным природным и лабораторным воплощением понятия химический элемент, позволила Вернадскому рассмотреть атом одновременно с точки зрения биологии, геохимии и физики. Только такой энциклопедист как Вернадский мог взяться за решение данного вопроса. Привлекая последние достижения геохимии, кристаллографии, физики атома, он рассматривал последние достижения в области природного строения соединений атомов углерода, которые служат фундаментом жизни, образуя многочисленные соединения, а все минералы, в которые входят эти соединения, являются производными продуктами биохимических процессов. Они рано или поздно трансформируются в графит или в угольную кислоту и ее производные. Но только графит имеет самую устойчивую форму в биосфере. Другое твердое кристаллическое устойчивое соединение есть алмаз. И если графит устойчив в косной среде биосферы, то алмаз устойчив в термодинамическом поле, как называет его Вернадский, живых организмов. Точнее сказать, решетки кристаллов графита характерны для обычной температуры и давления поверхности планеты, а алмазное построение атомов углерода характерно для двух мест нахождения: в глубоких горизонтах земной коры при высоких температурах и очень высоких давлениях, во-первых, и в живом веществе при обычных температурах и давлениях, во-вторых. Вне живого данная кристаллическая конфигурация атомов в биосфере не существует, неустойчива.
Таким образом, непреложно установлено, что алмаз образуется под влиянием живого вещества биосферы. - Используя лучистую энергию Солнца, посредством механизма, суть которого нам до сих пор непонятна, именно живое вещество при обычных температурах и давлении производит химические изменения, которые в наших лабораториях или в областях нашей планеты, лишенных жизни, достигаются только при огромных давлениях и повышенных температурах /§ 13/.
Какова же природа такого различия в строении вещества на основе одних и тех же атомов углерода, спрашивает Вернадский? Причина лежит значительно глубже уровня химических соединений - в атомном аспекте и определяется их свойствами при использовании живым веществом. Как известно, атомы углерода - самые универсальные для построения различных кристаллических соединений, из них строится множество решеток. И причина устойчивости конфигурации лежит не в химических свойствах, и не в форме атомов, а в их симметрическом расположении друг относительно друга. Две различные симметрии характеризуют решетки алмаза и графита. В первом случае атомы в алмазе имеют симметрию тетраэдра и векторы к наиболее близким атомам лежат на пространственных плоскостях только в двух направлениях, а в графите атомы располагаются в плоскостях пространства по трем векторам.
Таким образом, самый общий ответ на заданный вначале вопрос Вернадский формулирует в следующем виде: Новые факты, установленные недавно в исследованиях, совершенно, казалось бы, чуждых биологическим проблемам, заставляет думать, что жизнь может воздействовать на симметрию атомов. Иначе говоря, атомы, которые входят в состав живого вещества, могут представлять свойства и изотопические комбинации, отличные от тех, которые строят косную материю /§ 2/.
И далее Вернадский со свойственной ему способностью к обобщениям делает некоторые выводы, говорящие не только об универсальном характере геохимических законов живого, о космическом характере жизни, но и намечает поле исследования совершенно нового, небывалого в науке направления: исследование пространства жизни, пространственных (они же и временные) свойств живого вещества, которые никем и никак еще в науке не затронуты были к тому времени. Он нашел ход к этим новым областям: через явления симметрии в расположении атомов. - Устойчивость и генезис алмазных атомов (этим неологизмом автор называет алмазную разновидность соединений атомов углерода - Г.А.) углерода в живом веществе возобновляются в известной последовательности бесчисленных биохимических процессов, которые на каждом шагу происходят в организме. Это - неизвестное нам ранее выражение великого феномена истории биосферы /§ 14/.
Вернадский имеет ввиду, что вся химия биосферы как оболочки планеты, куда входит вещество в трех фазовых состояних - нижняя атмосфера, вся гидросфера и земная кора с ее горными породами, минералами, флюидами, растворами и расплавами, -  вся она изменена под влиянием жизни. Механизм этого влияния расположен в глубоких горизонтах строения живого вещества - на атомном уровне. Только теперь, после открытия в конце XIX - начале XX вв. идентичности атомов и химических элементов, это массовое, бывшее незаметным воздействие жизни на косную среду становится  понятным. Тут совсем новый порядок, заявляет Вернадский. - Это воздействие обнаруживается не в молекулярной области окружающей среды, а на атомном уровне...Отсюда логически можно заключить, что воздействие жизни на симметрию атомов может простираться и на другие биогенные химические элементы. В таком случае это будет главным фактором проявления жизни», - подчеркивает Вернадский в заключение /§ 15/.
Г.П. Аксенов. В.И. Вернадский о природе времени и пространства. М.: ИИЕТ РАН, 2006, Гл.4
http://www.chronos.msu.ru/RREPORTS/aksyonov_o_vernadskom/aksyonov_o_vernadskom.htm

  


СТАТИСТИКА