Хорошо известно, что атом является структурой существенно асимметричной, его нельзя представлять себе в виде некоего шарика, сферы. Именно эта асимметричность любого атома и является причиной его соединения с другими атомами. Асимметричность одного типа приводит к соединению каких-то типов атомов между собой, асимметричность другого типа не позволяет обеспечить прочного соединения.
В дальнейшем, опять же для наглядности, я буду пользоваться так называемой "планетарной" моделью атома, хотя современная физика давно уже отказалась от нее, заменив гораздо более математически верной и но совершенно непредставимой для обычного человека.
Сегодня каждый ребенок знаком с игрой "
Puzzle", где требуется из элементов определенной формы собрать весьма большую картинку. Каждый такой элемент слегка похож на трефового туза, но он мог бы иметь и любую другую несимметричную форму. При частичном совпадении формы двух элементов они входят в соприкосновение как ключ в замок, и могут соединяться друг с другом.Что-то подобное происходит и в природе, но с той особенностью, что элементы эти могут быть разной формы, и таких вариантов форм столько, сколько атомов в таблице Менделеева. Чем более сложным является атом, чем больше его атомный вес, тем более сложна его структура, и это выражается, в частности, в той или иной степени асимметричности его внешней поверхности. Начиная с этого места, мы будем такие структурные элементы, имеющие асимметричную форму, называть атомами, во избежание путаницы. Эти же атомы и являются "элементами" таблицы Менделеева.
Для соединения атомов между собой в более или менее прочную связь необходимо, чтобы длина границы взаимодействия была не меньше определенной. Чем меньше разные атомы "подходят друг другу", чем меньше одна часть поверхности одного атома соответствует "с точностью до наоборот" другой части
поверхности другого атома, тем меньше сила "притяжения" одного атома к другому, тем легче разрушить такую связь.Два приблизительно одинаковых по размеру крупных атома имеют большую поверхность соприкосновения, и поэтому скреплены прочно, а один маленький совпадает с контуром большого только на нескольких точечных участках и поэтому не может находиться с ним в сильной связи.Мы не можем вдаваться в описание собственно причины и механизма взаименого притяжения, есть разные точки зрения. Но понятно, что чем больше длина общей границы внешних оболочек атомов, тем сильнее межатомная связь.
Конечно, трудно предполагать, что границы двух разных атомов совпадают с высокой точностью. Иначе нужно было бы немедленно привлечь к объяснению этого факта Божий промысел, а мы с вами к этому пока еще не готовы. По счастью, этого нам сейчас и не требуется. Для стабильности соединения атомов не нужно, чтобы границы разных атомов совпадали с высокой точностью. Необходимо, чтобы общая граница имела такую протяженность, чтобы при данных температуре и давлении связь между атомами не разорвалась. Граница как бы пунктирная - местами совпадает, местами - нет. Тогда атомы не будут расходиться под действием ударов со стороны других атомов (что по существу и считается "данным давлением и температурой"). Увеличьте температуру, удары усилятся, и при определенной их силе связь будет разорвана.
Именно так и происходит разложение веществ при определенной температуре. При снижении температуры происходит обратный процесс, атомы вновь "склеиваются" между собой. Возникает структура, которую мы называем "молекула" - соединение однородных или разнородных атомов.
Мы пока будем говорить об условиях, при которых вообще возможно самопроизвольное "склеивание" разных атомов в молекулы. Существует, как известно, три устойчивых состояния вещества - газообразное, жидкое и твердое.
В твердом состоянии атомы вещества находятся в неизменном пространственном расположении по отношению один к другому. Это расположение может быть упорядоченным (кристалл) или произвольным (аморфное вещество). Но взаимное расположение атомов (и молекул) изменяться не может.
В газообразном состоянии, напротив, молекулы веществ могут свободно перемещаться в пространстве, вступая в многочисленные взаимодействия. Молекулы некоторых веществ даже в газообразном состоянии имеют достаточно сложную структуру (формулу), но все же при обычных температурах взаимное соударение молекул при их движении не позволяет образовываться достаточно сложным молекулам. Скажем точнее - вероятность образования таких молекул значительно меньше вероятности их разрушения.
Наиболее приемлемые условия для возникновения сложных конструкций из атомов и молекул создаются в жидком состоянии вещества, когда у молекул скорость не слишком высока, и возникающие пространственные комбинации атомов не разрушаются под ударами их соседей. В зависимости от температуры и давления возможность взаимного соединения атомов в молекулы будет различной. Чем выше температура, тем сильнее взаимная бомбардировка и тем быстрее разрушаются связи между атомами сравнительно легких элементов.
Напротив, атомы более тяжелых элементов, находясь в подвижном, а не закрепленном кристаллическом или аморфном состоянии, могут образовывать молекулы более тяжелые, труднее поддающиеся "броуновской бомбардировке".
При нормальных температурах (в диапазоне от 0оС до + 50оС), атомы углерода способны вступать в контакт с атомами водорода, кислорода, азота и других веществ, образуя так называемые органические соединения. Так уж вышло, что при нормальной температуре атом углерода С-12 существенно асимметричен и благодаря своим весьма криволинейным "поверхностям" способен создавать самые различные сравнительно устойчивые соединения с атомами других элементов. Эти соединения достаточно хорошо растворяются в воде, и в водной среде молекула такой конструкции может существовать длительное время, не разваливаясь на составные части. Молекулы воды, будучи достаточно легкими, двигаясь быстро, словно "шарики", разбивают кристаллическую или аморфную структуру растворимого вещества на отдельные свободно перемещающиеся молекулы. Уберите воду, и молекулы вещества слипнутся между собой в лучшем случае в упорядоченную кристаллическую массу, а скорее всего в массу аморфную, неупорядоченную или упорядоченную только частично, как это бывает с кристаллами соли.
Теперь представьте себе, что в растворе определенной температуры (не обязательно близкой к нормальной и не обязательно водном растворе) присутствуют все элементы таблицы Менделеева в том или ином виде. Не надо забывать, что первичный океан после "отделения воды от небес" был кипящим, и первоначальная концентрация различных веществ в нем была очень высокой. Праорганическая жизнь скорее всего начала возникать именно при высокой температуре (значительно выше 100оС), потому что кремниевые коренные породы образовали кору земного шара при очень высоких температурах (около 3000оС), и на поверхности коры находился океан расплавленных веществ с температурой плавления ниже этой величины, а это большинство металлов и других известных неорганических веществ.
В таком растворе неизбежно будут создаваться самые различные структуры из атомов и молекул, в частности, на основе атомов углерода, то есть органические вещества. Раз возникнув из-за удачного совпадения поверхностей оболочек атомов или молекул, такая структура уже не может самопроизвольно распасться. Для этого нужно внешнее воздействие, превышающее силы взаимного притяжения, которые уже сработали, когда поверхности частично совпали. Если же внешние условия не изменяются, соединение будет продолжать существовать.
Принципиально нет никаких ограничений для возникновения такими последовательными шагами весьма сложных конгломератов. Подтверждением этого являются находимые в природе естественные кристаллы - от алмазов и горного хрусталя до множества минералов. Естественным ограничением этого процесса может быть только противодействие такому росту со стороны еще более высокоорганизованных молекул, для которых наше вещество может служить строительным материалом, так сказать "кормом". Но пока таких веществ в растворе нет, возникшее вещество будет вполне устойчивым.
В течение миллионов лет по мере снижения температуры происходили процессы кристаллизации различных веществ, чем и объясняется наличие месторождений металлов и неметаллов. Алмазы и другие драгоценные камни кристаллизовались еще в те времена, в естественных "автоклавах". В ходе этого процесса возникали и условия формирования самых различных молекул. Жизнь зародилась на Земле при температурах значительно больших 100оС, задолго до того, как Океан перестал кипеть. Что касается белковой формы жизни, то она, скорее всего, смогла существоватьтолько в условиях остывшего океана; но если отождествлять понятие "Жизнь" только с понятием белковой формы жизни, то мы никогда не поймем и не увидим всего процесса, перехода от простых молекул к более сложным. Мы не сможем понять, что такое Жизнь, если будем делить Природу на органическую и неорганическую. Современная физика и химия высоких температур и давлений как раз и занимаются сегодня наведением моста между этими понятиями, только не все об этом знают.
Первым органическим веществом, которое удалось синтезировать в лаборатории, была мочевина - ее синтезировал Велер при высокой температуре и давлении всего из двух неорганических веществ - двуокиси углерода (углекислого газа) и аммиака, растворенных в воде, разумеется. Возникнув при высоком давлении и высокой температуре, молекула мочевины, тем не менее, остается устойчивой и при обычной температуре, являясь в то же время конечным продуктом жизнедеятельности белковых организмов. Достижение Велера нанесло сокрушительный удар философам того времени - сторонникам наличия некоей "жизненной силы" у органических веществ, и открыло путь развитию теории и техники органического синтеза.
Органическая химия за сто лет добилась неописуемых успехов. Однако попытки искусственно создать хотя бы какое-то подобие вещества, которое могло бы быть признано живым, создать его в колбе, вне живого организма, не принесли пока успеха. Тем не менее, это не означает, что это невозможно. А делать из этого вывод (как это можно часто видеть у современных так называемых "религиозных философов"), что эта задача неразрешима в принципе - для этого надо иметь значительно больше оснований, чем их сегодня может кто-либо представить. В истории науки были случаи, когда утверждалась принципиальная невозможность чего-то. Невозможность создать вечный двигатель, например, действительно была признана в свое время Французской Академией наук, однако перед этим был сформулирован закон сохранения энергии, и вот уже на этом основании....