3.4. Системное моделирование химических реакций
Каковы системные характеристики химического взаимодействия, как проявляется системность в условиях химического реагирования? Поиск ответов на эти вопросы связан с разработкой методологии моделирования в рамках современной химической кинетики. Новые принципы системного моделирования опираются здесь на фундаментальный факт, что химические реакции обладают способностью переходить к состоянию равновесия, т. е. самопроизвольно достигать стадии, когда прямые и обратные реакции в массе своей (статистически) компенсируют друг друга. В этом случае суммарное изменение концентрации любого вещества, участвующего в реакции, прекращается. Здесь вступают в дело константы равновесия, проявляется закон сохраняемости, имеющий, впрочем, динамическую форму.
Следует отметить также, что специфика системного моделирования в химической кинетике связана с установлением факта существования термодинамического контроля, своеобразного термоограничителя, канализирующего, направляющего реакции в сторону устойчивого динамического равновесия исходных и конечных продуктов. Но одновременно здесь действует кинетический контроль реакций, который направляет систему не к равновесию, а к накоплению наиболее быстро образующихся веществ.
Несомненно, что в области химического реагирования мы имеем дело с системами нового уровня сложности. Здесь действуют уже механизмы регуляции и саморегуляции. Так, многие химические реакции регулируются каталитическими факторами, которые либо ускоряют, либо замедляют процесс, не нарушая положения равновесия.
В данной области нередко возникают автоматические реакции, когда образующееся новое вещество содействует возникновению подобных себе сложных молекул. При моделирующем описании подобных процессов важную роль играет принцип воспроизведения сложных макромолекул. Более общая его формулировка связана с идеей поддержания суперустойчивости химического процесса, обеспечивающего возникновение подобных молекул.
Переход к методам описания сложных реакций опирается в современной химической кинетике на представления о протекании реакций в открытых системах. Введение подобных представлений позволило установить, что протекание реакций зависит не от отдельных внешних факторов, влияние которых сказывается, конечно, на поведении открытой системы. Но главной детерминантой здесь выступает так называемая потоковая зависимость. Потоки имеют направление, определяемое действием какой-либо весьма обшей причины. В кинетике действие подобной причины обозначается понятием «сродство». На основе сродства втягиваются в реакцию вещества, необходимые для процесса замещения в химических превращениях. Если говорить в более общем плане, то сродство, как уже отмечалось в научной литературе, выявляет спонтанную продуктивную активность химической системы [8].
Наконец разработка проблемы моделирования в кинетике связана с учетом самопроизвольного характера химических реакций, с признанием существенной роли самодетерминированных изменений в химических системах. Благодаря этому, соответствующие системы реализуют автономный режим функционирования. Например, установлено, что из числа возможных химических реакций будет протекать именно та, которая сопровождается максимальным выделением тепла. Детерминирующим принципом химических превращений является также поддержание хода реакций, который ведет к уменьшению свободной энергии системы. На это в свое время указал Вант-Гофф. Внутренняя детерминация действует и в так называемых цепных реакциях, когда некая малая причина способна привести в действие лавинообразный процесс синтеза или распада вещества. Соответствующая внутренняя направленность процесса обнаруживается, например, при полимеризации малых молекул в высокомолекулярное соединение, при взрыве порохового заряда и т.д. Интересно, что в каталитических и цепных процессах возникают явления, которые могут описываться в терминах теории управления, поскольку дело идет об отражении обратных связей, автоколебательных изменений системы, о перераспределении энергии между основной реакцией и регуляторными механизмами. Следует согласиться с утверждением, что на соответствующем языке можно описывать свойства реакций как носителей некоторой информации [9].
3.5. Моделирование биомолекулярных систем
Изучение молекулярных основ жизни составляет одно из новых направлений современной биологии. Данное направление ориентировано на исследование особенностей химической эволюции биомолекул и стремится раскрыть механизмы самоорганизации живых систем. Применяемая здесь методология строится на выделении относительно простых свойств живых систем (их атрибутивных характеристик). Далее создается гипотетическая модель добиологической системы, которая сопоставляется с набором атрибутивных свойств жизни. В конечном счете, ставится цель показать, что добиологическая молекулярная система может превратиться в биологическую, что такой ход ее изменений не противоречит известным научным данным, а также известным законам науки, т.е. он является закономерно обусловленным.
Предпосылкой формирования моделей добиологических систем служит представление о том, что биомолекулы активно ищут гармонического, взаимно согласованного функционирования и активно противостоят разложению, в силу чего несут в себе «принцип сохранения». Другой постулат связан с осознанием того, что живые системы обладают природой становящегося целого. Они базируются на некоторых устойчивых отношениях. Но вместе с тем им свойственны инновации становления, в них возникают качественные дифференциации, над исходными структурами надстраиваются новые элементы и подсистемы.
В указанных системах действуют законы преобразования внутренней энергии. Они сами производят свои фундаментальные изменения. Но раз так, то они должны иметь и реально обладают способностью к воспроизводству собственных состояний активности. Эта способность проявляется в их циклическом функционировании. С этих позиций в_ современной науке изучаются возможности преобразования предбиологических систем в живые системы. В ходе такого изучения главное внимание уделяется выявлению способов самодетерминации, реализация которых обеспечивает переход к высшим формам организации, свойственной объектам жизни. В этой области исследований возникают специфические проблемы, разрешение которых имеет важное значение для методологии системного моделирования. Фундаментальный вклад в их осмысление внесли работы М. Эйгена, взгляды которого по соответствующим вопросам требуют самостоятельного освещения.
М. Эйген начинал с анализа особенностей отношений, формирующихся на молекулярном уровне живой клетки. Он отмечал, что здесь действуют процессы переноса информации, осуществляется кодирование наследуемых признаков, действует механизм биосинтеза. В этих процессах участвуют два класса молекул: нуклеиновые кислоты и белки. М. Эйген подчёркивал, что информационные процессы этого уровня изучены достаточно хорошо. Известны носители информации (нуклеотиды), изучено их элементарное строение, количественные характеристики, структурные соотношения и упорядоченность элементов. Установлено наличие регуляторов биосинтеза (наличие активного центра, механизма узнавания и т.д.). Раскрыт механизм воспроизводимости нуклеиновых кислот. Рассчитана минимальная длина полипептидной цепи хорошо адаптированного белка. В ней 4-5 активно действующих центров. Она охватывает около 100 аминокислотных остатков. Биологи могут дать количественную оценку возможностей расположения аминокислотных остатков в такой цепи.
М. Эйген и сотрудники его школы полагали, что возникновение биомолекул с их сложнейшими связями и множеством структурных вариаций не могло идти путём слепого перебора массы возможностей. Числовые значения такого перебора столь велики, что реально он не мог иметь место ни на Земле, ни в ходе Космической эволюции. Поэтому реальные белковые молекулы следует рассматривать как уникальные. Но такие молекулы ещё и оптимальны (по скорости протекания микрореакций и по согласованности) [10].
