---

Гуртовцев А.Л.

 

О ПЕРВОПРИЧИНЕ СТАРЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ, ИЛИ О СТАРЕНИИ ВЕЩЕСТВА

 

(Раздел из книги Гуртовцева А.Л. “Можно ли жить вечно, быть всегда молодым и здоровым”, 2022 г.)

 

 

Единство химического состава живой и неживой природы. Углерод – главный элемент жизни. Физико-химические причины разнообразия органических соединений. Старение  химических

элементов и химических соединений

 

 

Все живые организмы, включая растений, характеризуются единством своего химического состава и содержат выборочно, в тех или иных соотношениях, химические элементы ХЭ из того же базового набора атомов, что и объекты неживой природы. Этот набор, начиная с водорода с номером Z_H=1 (впервые был получен в 16-м веке, а признан в качестве ХЭ – “горючего воздуха” - в 1766 г.) и заканчивая плутонием с номером Z_Pu=94 (впервые получен как искусственный радиоактивный элемент – его период полураспада 24 тыс. лет - в 1940 г., а позже был обнаружен в природе, в урановых рудах) содержит 94 природных видов атомов (без учета 24 искусственно полученных радиоактивных короткоживущих изотопов ХЭ с номерами Z=95,...,118: например, ХЭ с номером 118, синтезированный в 2002 г. и обозначаемый как Og, Оганесон, имеет период полураспада ~1 мс). Все эти ХЭ упорядочены в Периодической таблице элементов Д.И. Менделеева (ПТЭ) по возрастанию их номера, атомного числа, или зарядового числа Z, соответствующего количеству протонов в атомном ядре АЯ элемента, положительный заряд каждого из которых равен Ze, где элементарный заряд e эквивалентен по величине заряду электрона e^-, но противоположен ему по знаку. Заряд АЯ определяет структуру электронной оболочки ЭЛО атома и, следовательно, его химические свойства, поскольку связи в молекулах между атомами основаны именно на взаимодействии внешних частей их ЭЛО.

 Живая материя  произошла из косной, а потому она едина с ней по видовому набору атомов (основные этапы биохимической эволюции и зарождения жизни на Земле, или биогенеза: первичная восстановительная атмосфера CH₄, NH₃, пары H₂O, N₂, H₂, СО, CO₂ + первичный океан H₂O → неорганический синтез малых биомолекул [углеводороды УВ, аминокислоты АК, нуклеотиды НКТ, моносахариды МС, жирные кислоты ЖК] → полимеризация и конденсация биомолекул: образование биополимеров [пептиды, белки, нуклеиновые кислоты НК, полисахариды, жиры] → образование протобионтов [автономные мембранные белково-нуклеиновые комплексы с функциями метаболизма и воспроизведения] → одноклеточные прокариоты [безъядерные организмы - бактерии] → одноклеточные водные колониальные организмы [водоросли] → многоклеточные водные и наземные эукариоты [клетки с ядрами, содержащими НК] → популяции организмов [группы особей разных видов] → биоценозы [популяции, населяющие биотопы] → биосфера [сфера жизни] → ноосфера [сфера разумной жизни]). Но, с другой стороны, пространственное распределение видов атомов, их локальные концентрации и химические взаимосвязи существенно отличаются в живых организмах от группирования и связей атомов в объектах неживой природы.

Основоположник геохимии и биогеохимии Владимир Вернадский (1863-1945) отмечал, что “живая материя является совершенно особой областью в химии земной коры... Каждое живое вещество так или иначе содержит в себе постоянно и не случайно огромное количество известных нам типов атомов...В живой материи, в каждой ее клетке идет вихорь сменяющих друг друга химических элементов...Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений...”. Живые организмы биосферы участвуют своим дыханием, питанием, метаболизмом, выделениями и даже своей смертью и последующим разложением тел в геологических процессах миграции, распределения, рассеивания и концентрации большинства химических элементов и их соединений. В процессе жизнедеятельности больших масс фито- и зооорганизмов происходит биологизация земной коры  с образованием огромных пластов осадочных био- и абиогенных пород, т.е.  осадочной оболочки литосферы. Но начальным пунктом зарождения жизни стало именно образование органических соединений как основного материала для построения без исключения всех земных живых существ.  Биохимическое единство живых организмов – главное характерное свойство жизни. Без первичного абиогенного синтеза органических веществ (а для этого на древней Земле должны были сложиться подходящие физико-химические условия) не было бы возможности зарождения и развития  жизни.

Вещества живой природы, т.е. органические вещества, или химические соединения ХС углерода С (исключая несколько классов его неорганических, минеральных образований, содержащих, в частности, карбонаты [соли и эфиры угольной кислоты H₂CO₃], карбиды [соединения углерода с некоторыми металлами и неметаллами, например карбид кремния SiС], оксиды [угарный CO и углекислый CO₂ газы] и цианиды [соли синильной кислоты CNH или H-C≡N, где первая формула – это общая, или брутто- формула, указывающая состав и количество ХЭ в ХС, а вторая – структурная формула, указывающая дополнительно положение или связь ХЭ между собой]), – это самый обширный класс известных ХС. По состоянию на конец 2021 г. количество выявленных в природе или искусственно созданных органических соединений и веществ превысило 190 млн и каждый год увеличивается на несколько миллионов, в то время как количество известных неорганических ХС не превышает 1 млн единиц.

В органической химии базовым органическим соединением полагают углеводороды УВД (химики часто используют определение: “органические соединения – это УВД и их производные”; не следует путать углеводороды с углеводами УВ – “гидратами углерода”, содержащими в своих молекулах помимо атомов углерода и водорода еще и атомы кислорода). Их общая химическая формула - C_nH_2n+к, где n = 1,2,3,...; к = 2, 0, -2. Для некоторых замкнутых, циклических УВД (например, для циклодиен и ароматических УВД – арен, из которых простейшим является широко известный бензол С₆Н₆ - бесцветная жидкость со сладковатым запахом, впервые описанная в 1651 г. в составе бензолсодержащих смесей, полученных при перегонке каменноугольной смолы, и применяемая сегодня в качестве сырья для производства лекарств, красителей, искусственной резины и пластмасс) индекс к имеет дополнительно значения -4 и -6.  

При к = 2 формула определяет предельные, или насыщенные УВД - алканы (историческое название “парафины”). Это незамкнутые, нециклические (ациклические), алифатические (жирные) УВД, содержащие только простые, одиночные химические связи с полным насыщением их цепей атомами водорода. Простейший из них – природный горючий газ метан CH₄, образующийся при взаимодействии углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора по прямой реакции C+2H₂→CH₄ или анаэробными бактериями в процессе их автотрофного метаногенеза по реакции CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O (метан как топливо сгорает, полностью окисляясь по реакции CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O+ТЭ с образованием углекислого газа, воды и выделением тепловой энергии ТЭ≈890 кДж/моль или ~13,2 ккал/г). Другие примеры алкан – этан С₂Н₆ или CH₃-CH₃, пропан С₃Н₈ или CH₃-CH₂-CH₃и т.д.

При к = 0 формула определяет непредельные УВД алкены (ненасыщенные УВД, содержащие одну двойную связь С=С). Примеры алкен: этилен С₂Н₄ или CH₂=CH_2,пропилен С₃Н₆ или CH₂=СН-CH₃, гексен С₆Н₁₂ или H₂C=CH-(CH₂)₃-CH₃ и др. При к = -2 формула определяет непредельные УВД алкины (ненасыщенные УВД, содержащие одну тройную связь С≡С, например в ацетилене С₂Н₂ или CH≡CH,  пропине С₃Н₄ или CH≡С-CH₃) и алкадиены (имеют две двойные изолированные, сопряженные или кумулированные связи С=С, например в пропадиене С₃Н₄ или CH₂=C=CH₂). Все остальные органические соединения можно рассматривать как производные УВД, поскольку их можно получить путем замещения в УВД атомов Н атомами или функциональными группами других элементов (например, метанол, метиловый, или древесный спирт СН₃-ОН образуется из метана CH₄ при замещении одного атома Н гидроксилом ОН, а  аминометан CH₃-NH₂– аминогруппой NH₂).

Причины громадного разнообразия веществ живой природы связаны в первую очередь со следующими естественными, физико-химическими факторами атомного строения материи, ее живого и неживого вещества.

 

Причина 1.

Главный элемент жизни – это атом углерода С  (ХЭ 2-го периода IV группы ПТЭ с электронной формулой 6С)₂)₄и электронной конфигурацией ЭЛК 1s²2s²2p²).

Электронная оболочка ЭЛО атома С имеет  2 электронных слоя ЭЛC (ЭЛО - англ. electron shell - определяют как совокупность всех электронов атома или всех его ЭЛС, причем каждый ЭЛС должен содержать хотя бы один электрон в стационарном, невозбужденном состоянии; электроны в атоме движутся в электрическом поле его ядра с линейной скоростью более 2000 км/с, и их пространственное положение в атоме носит исключительно вероятностный характер, отображаемый электронным облаком или неоднородной электронной плотностью, которые обычно наглядно представляют объемными геометрическими формами - атомными орбиталями АО, или просто орбиталями в виде шаров, торов и/или восьмерок-гантелек, связанных с тем или иным ЭЛС) - внутренний и внешний, или валентный ЭЛС (атом, лишенный валентного ЭЛС, называют атомным остовом и, например, в случае атомов водорода Н и гелия Не остов состоит лишь из одного “голого” ядра, а у других атомов – из ядра и внутренних ЭЛС), которые соответствуют 2-м энергетическим уровням ЭУ (англ. energy level; ЭУ – это дискретные, квантованные значения энергии, которые могут принимать электроны в атоме, занимая последовательно ЭУ, нумеруемые латинскими буквами, начиная с К,  в порядке их возрастания: K → L→ M → N → О → ..., причем во многих атомах 1-4 периодов ПТЭ верхние ЭУ вакантны, т.е. электроны могут временно переходить на них лишь при соответствующем  энергетическом возбуждении; ЭУ могут состоять из подуровней, близких по своим значениям энергии соответствующему ЭУ).

В атоме С основной, нижний, первый, внутренний ЭЛС 1s² К-уровня полностью заполнен 2-мя спаренными электронами с противоположными спинами (спин – собственный момент импульса микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением или вращением частицы как целого, в частности, с ее орбитальным моментом; ориентация частицы в квантовой системе определяется при ненулевом спине его аксиальным вектором, или псевдовектором), а верхний, второй, внешний, валентный ЭЛС 2s²2p² L-уровня заполнен лишь наполовину ив невозбужденном состоянии атома имеет 2 спаренных электрона на s-орбиталях подуровня 2s и 2 неспаренных электрона с параллельными спинами на двух  р-орбиталях подуровня 2р, содержащего, кроме того, еще одну, третью, вакантную р-орбиталь, на которую в состоянии возбуждения способен перейти один из спаренных электронов подуровня 2s, создавая тем самым ЭЛК 2s¹2p³ с 4-мя неспаренными валентными электронами.

Ядерно-электронная структура атома С позволяет ему образовывать в ХС многочисленные и  разнообразные прочные связи с “обобществлением электронов” соседних атомов -  ковалентные связи КС (простейшим примером КС являет молекула воды H₂O, в которой КС образуется путем спаривания валентных электронов атомов Н и О по схеме: Н∙+∙О∙+∙Н → Н:О:Н, где “∙” и “:” соответственно неспаренные и спаренные электроны). КС – самый распространенный тип химической связи в мире как неорганического, так и органического вещества (эта связь совершенно одинаковым образом действует, например, как в неорганическом аммиаке NH₃, так и в органическом метане СН₄, но в неорганических соединениях она носит, как правило, более полярный характер, чем в органических соединениях).

КС характеризуются своими разновидностями и параметрами. Ее типичные параметры: 1) длина связи, выраженная в нм или пм (расстояние между центрами устойчиво связанных соседних атомов; 1 пикометр [пм] = 10^-2 ангстрем [Ȧ] =10^-3 нанометр [нм] = 10^-6 микрометр [мкм] = 10^{-12 м}); 2) энергия связи ЭС в ккал/моль или кДж/моль (1ккал≈4,1868 кДж; моль – единица измерения атомной или молекулярной массы вещества, выражаемой в граммах и численно равной молярной массе в а.е.м. [углеродная единица; а.е.м. определяется как 1/12 массы покоящегося изотопа  углерода ¹²С, находящегося в основном состоянии]; например, для атомарного водорода Н моль равен 1 г/моль, для молекулы кислорода О₂ - 2∙16=32 г/моль, а для молекулы метана СН₄ - 4∙1+12=16 г/моль); 3) полярность: неполярные (электронная плотность, или электронное облако, симметрична по отношению к центрам связанных атомов) и полярные (электронная плотность несимметрична, т.е. смещена к атому с большей ЭОТ); 4) поляризуемость (смещение электронов связи под действием внешнего электрического поля); 5) направленность: геометрическая форма орбиталей молекул: s-, p-, d-, h-орбитали (перекрытия электронных облаков с образованием сигма-связи вдоль оси связи и боковых перекрытий остальных орбиталей по типу пи-связи); 6) насыщаемость (количество связей, образуемых атомом, ограниченное числом его валентных орбиталей).

Среди КС различают:

а) простые, или одинарные КС; например, метан Н₃С-Н содержит 4 одинарные метильные связи С-Н, каждая из которых, имея длину ~108 пм (для изолированных атомов С и Н их атомные радиусы АР равны соответственно  ~70 пм и ~ 53 пм, т.е. межъядерное расстояние при условном касании атомов своими ЭЛО равно ~123 пм, но при образовании КС С-Н происходит частичное перекрытие валентных ЭЛС атомов и смещение электронной плотности от Н к С более чем на 10%, в силу чего связь становится полярной, более короткой и более прочной - ее средняя ЭС равна ~410 кДж/моль), почти в  ~1,2 раза прочнее одинарной углерод-углерод связи С-С длиной ~154 пм с ЭС ~350 кДж/моль, но уступает связи Н-Н (в молекуле Н₂ длина КС составляет ~76 пм вместо 53+53=106 пм, т.е. сокращается на 28%, а ее ЭС  ~435 кДж/моль) и тем более прочной ЭС углерода с фтором С-F, которая в СF₄равна ~515 кДж/моль, что в 1,47 раз больше чем в простой связи С-С;

 б) двойные КС; например в этилене CH₂=CH₂; связь C=C в 1,77 раза прочнее связи С-С: ее длина ~134 пм, а  ЭС  ~620 кДж/моль;

в) тройные КС; например в ацетилене CH≡CH; связь С≡С в 2,3 раза прочнее  связи С-С: ее длина ~120 пм, а ЭС ~810 кДж/моль.

КС могут быть полярными и неполярными. В неполярной КС обобществленная пара электронов в среднем равноудалена от ядер обоих атомов, создающих эту связь (как правило, она образуется между одинаковыми атомами: например в углеродных цепях -С-С-, -С=С-, -С≡С- или в молекулах Н-Н, F-F, О=О, N≡N, но возможна и между разными атомами с близкими значениями ЭОТ, например, между Н [ЭОТ=2,2] и Р [ЭОТ=2,19] в молекуле фосфана РН₃).

В полярной КС обобществленная пара электронов смещается в той или иной мере к атому с большим значением электроотрицательности ЭОТ. Под ЭОТ понимают относительную способность атомов в молекулах “оттягивать” к себе электроны соседних атомов (полярные КС действуют в молекулах СН₄, CCl₄, CO₂, H₂O и др.: например, в молекуле хлорида водорода  HCl обобществленная пара смещается в сторону более ЭОТ атома хлора). Это свойство атома зависит от его атомного радиуса (АР, в свою очередь, зависит от заряда Z ядра и главного квантового числа n элемента, определяющего номер валентного ЭУ или ЭЛС атома и его удаленность от ядра: в ПТЭ АР уменьшается в каждом периоде от элемента первой группы к элементу каждой последующей группы, но значительно возрастает при переходе от последнего элемента периода к элементу 1-ой группы следующего периода) и степени неполноты Δ валентного ЭЛС атома (например, для Н  Δ₁=1 или 50%, для Li Δ₂=7 или 7/8≈87,5%, для С Δ₂=4 или 50%, а для F Δ₂=1 или 1/8≈11%; чем меньше валентных электронов имеет элемент, тем легче он их отдает и, наоборот, чем их больше, тем легче он их принимает):  чем меньше АР и величина Δ, тем, как правило, выше ЭОТ атома.

Самая высокая степень ЭОТ присуща галогенам и сильным окислителям типа фтора F (ЭОТ=3,98), кислорода O (3,5), хлора Cl (3,16), азота N (3,04), а самая низкая - активным металлам 1 группы ПТЭ (например, 0,98 у лития Li, 0,82 у калия K). По нормированной величине уменьшения ЭОТ базовые органические элементы можно расположить в ряд F>O>Cl>N>S>C>P≈H. Перераспределение в полярной КС электронов, или электронной плотности, создает на взаимосвязанных атомах частичные, неполные, “дробные”, противоположные заряды δ+ и δ- (заряды, меньшие чем е^-;  например, в хлориде водорода H^δ+Cl^δ- δ=0,18е), которые способствуют дополнительному электростатическому притяжению атомов, уменьшению длины их КС связей и их усилению.

В этом отношении полярная КС является промежуточной между неполярной КС и ионной связью ИС, образуемой между атомами с большой разницей ЭОТ, т.е. между типичными металлами и неметаллами. При ИС электрон атома донора, или восстановителя, на 80-95%  принадлежит валентному ЭЛС атома-рецептора, или окислителя, что порождает соответственно положительный и отрицательный ионы: катион и анион (например, в растворе поваренной соли Na⁺Cl^-, где ЭОТ натрия по шкале Полинга равна 0,93, а хлора - 3,16; ЭС~760 кДж/моль). ИС реализуется (в отличие от КС, действующей за счет обменного взаимодействия спаренных электронов) за счет сильного электростатического притяжения катионов и анионов, но ее можно рассматривать как предельный, крайний случай поляризации полярной КС (на деле ИС всегда носит частично ионный, частично ковалентный характер: например, в хлориде натрия Na⁺Cl^- ионы обладают не полным, а лишь частичным  зарядом δ≈0,8е).

Отметим еще распространенность и важность в молекулах органических веществ, помимо ковалентной и ионной связей, водородной связи ВС (связи пары атомов друг с другом через атом водорода). Она может образовываться как внутри молекул между атомами, расположенными в разных ее частях, так и между атомами разных молекул. ВД возникает в тех случаях, когда между двумя ЭОТ–атомами A (в частности, О, N, F, S и др.) и A* (как правило, O, N) находится электроположительный атом водорода Н: A-H∙∙∙A* (атомы А и A* могут принадлежать как одной R, т.е. RA и RA*, так и разным R и R*, т.е. RA и R*A*, молекулам). Атом Н связан, с одной стороны, полярной КС А-Н (их обобществленная электронная пара смещена к А, что и создает полярную связь А^δ-Н^δ+), а, с другой стороны, этот же уже частично ионизированный атом Н^δ+ связывается с ЭОТ-атомом A*, имеющим в своем соединении с какими-то другим атомом данной или “чужой” молекулы неподеленную пару электронов, которая придает атому A* слабый частичный отрицательный заряд:  A*^δ-. В результате атом Н^δ+, электростатически притягивая к себе атом A*^δ-,способствует в качестве моста или посредника в комбинациях O-Н∙∙∙O, O-Н∙∙∙N и им подобных, образованию соответствующих ВС.

Во многом ВС определяют физико-химические свойства воды (связи молекул воды Н₂О↔Н^δ+-О^δ--Н^δ+ между собой через атомы водорода Н^δ+  по схеме ...Н₂О∙(Н-О-Н)∙ОН₂... превращают совокупность по существу легких газовых молекул Н₂О в жидкость, которая становится хорошим растворителем для многих, гидрофильных веществ с ионными или полярными ковалентными связями), целлюлозы (пространственные связи моносахаридов в целлюлозе), белков (связи пространственной, вторичной и третичной структур полипептидов как аминокислотных биополимеров), нуклеиновых кислот (пространственные связи НКТ в РНК и ДНК) и  других веществ. По своей прочности и величине ЭС ВС уступают КС или ИС (10-50 кДж/моль у ВС против 300-1200 кДж/моль у КС и ИС; длина ВС не превышает, как правило, 360 пм, имея, например, для воды 96 пм в паре О-Н и 204 пм в паре H∙∙∙O), но поскольку они во многих полимерных соединениях многочисленны (тысячи и миллионы) и действуют параллельно друг другу, то  полная ЭС таких ХС огромна, а их прочность может достигать прочности металлов.

Благодаря возможностям атома С иметь в своих ХС различные сочетания своих простых, двойных и тройных связей, полярных и неполярных, достигается высокое разнообразие физико-химических свойств соединений даже при минимально наборе видов атомов, отличных от углерода. Так, в частности, молекулы УВД, при одинаковом количестве в них атомов углерода С могут значительно отличаться числом соединенных с ними атомов водорода (например, молекулы УВД с 4 атомами С могут содержать от 2 до 10 атомов Н: например, диацетилен C₄H₂ или СН≡С-С≡СН, бутин C₄H₆ или СН≡С-СН₂-СН₃, бутилен  C₄H₈или СН₂=СН-СН₂-СН₃, бутан C₄H₁₀или СН₃-СН₂-СН₂-СН₃).

 

Причина 2.

Атомы углерода могут образовывать цепи разной длины (в 1985 г. химикам удалось  синтезировать предельный УВД с самой длинной, 390 атомов,  углеродной цепью CH₃(CH₂)₃₈₈CH₃ с боковыми группами атомов водорода Н,  а в 2016 г в двустенной углеродной нанотрубке была синтезирована при температуре 1460⁰С из 6 тыс. атомов С чисто углеродная незамкнутая полиеновая цепь-нить ...-С≡С-С≡С-С≡... одноатомной толщины длиной 0,8 мкм,  ставшая моделью карбина [его разновидность – поликумуленовая цепь, или полукумулен ...=С=С=С...] – аллотропной, наряду с алмазом, графитом, графеном [2-мерная гексагональная конфигурация толщиной в 1 атом С, полученная в 2004 г.] и фуллеренами [сферическая многоугольная конфигурация, содержащая от 20 до 540 атомов С, в частности С₆₀ из 20 6- и 12 5-угольников; получена в 1985 г.], сверхпрочной модификацией углерода; в 2019 г. было синтезировано из карбина рекордное углеродное кольцо из 18 атомов С; в крупных природных органических макромолекулах, например белках и нуклеиновых кислотах, их линейные цепи вида  ...-Х_С-Х_С-Х_С-... содержат от многих тысяч до  сотен миллионов углеродных соединений Х_С различных типов, в частности аминокислот и нуклеотидов), разной формы (ациклические, или разомкнутые, – линейные или разветвленные, и циклические, или кольцевые, в частности карбо- и гетероциклические [содержат в структуре цикле, помимо С, гетероатомы N, O, S], моно- и полициклические [2 и более колец] и др.) и различных пространственных конфигураций  (одномерные, двумерные, трехмерные; например, молекула метана имеет форму тетраэдра, или пирамиды, в которой атом С находится в ее центре, а атомы Н – в ее  вершинах).

 

Причина 3

Атомы углерода могут соединяться с большинством  других химических элементов и их функциональными группами ФГ (аминогруппы -NH₂ или -NH-, нитрогруппа -NO₂,  цианогруппа -CN, сульфидная =S, дисульфидная -S-S-; гидроксильная -OH, карбоксильная -COOH, карбонильная =C=O, альдегидная -COH, алкоксильная -ОR [где R – УВД-радикал, например, R=СН₃] и др.; ФГ, связываемые с УВД- радикалами R углеродного скелета макромолекул, например по типу R-ФГ или R₁-ФГ-R₂, придают этим молекулам те же свойства, которые характерны самим ФГ в тех или иных химических реакциях), образуя новые химические органические соединения, в том числе их изомеры (вещества с одинаковым количественным и качественным составом элементов, но с различным структурным и/или пространственным строением, а потому с различными физико-химическими свойствами; например, глюкоза и фруктоза с общей формулой C₆H₁₂O₆) и гомологи (ряд соединений, сходных по строению и свойствам, расположенных в порядке относительного увеличения их молекулярных масс, отличающихся друг от друга на одну или несколько функциональных групп – разность ряда; например, для гомологического ряда метана его разностью является группа CH₂, а сам ряд имеет вид: метан CH₄, этан CH₃-CH₃, пропан CH₃-CH₂-CH₃ и т.д.).

Вышерассмотренные особенности и возможности атома углерода создавать совместно с другими ХЭ сложные органические соединения реализуются в реальном мире, в природе далеко не всегда и везде, а лишь при наличии определенных условий окружающей среды: благоприятных температуре Т и давлении  Р (при экстремально низких и/или, наоборот, высоких значениях Т и Р процессы синтеза органических веществ, а, следовательно и развития жизни, невозможны; в силу этого жизнь возникает не на поверхности горячих звезд, Т которых колеблется  от 2,5-3 тыс. для красных гигантов до 40-60 тыс. ⁰С для голубых сверхгигантов и горячих белых карликов, а на охлажденных землистых планетах, удаленных от своих материнских звезд, как Земля от Солнца, на безопасное космическое расстояние [отметим, что еще в начале 19-го века некоторые философы и ученые вслед за  Иммануилом Кантом серьезно полагали, и это подробно описал в 1862 г. в своей книге “Жители небесных миров” 20-летний фр. астроном Камиль Фламмарион, что на Солнце могут быть живые существа]), наличии подходящего контактного физико-химического носителя ХЭ и ХС с достаточной концентрацией соответствующих химических веществ (водных минеральных и органических растворов или газов), присутствии необходимых катализаторов, ускоряющих синтез ХС, действия защиты от сильных ионизирующих излучений, способствующих разрушению ХС (ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма и другие излучения, высокоэнергетические частицы космических лучей), и т.п.

Главной темой настоящей работы является выяснение причин и механизмов ограничения продолжительности жизни различных живых существ, включая растений, животных и человека. Системный подход к этой проблеме требует учета всей совокупности возможных влияющих факторов реального мира и биосферы, в которой возникла и развивается жизнь. Поскольку каждый живой организм является, как мы уже отмечали выше, определенной биохимической системой (науке неизвестны формы жизни вне биохимического типа организации материи), то исследование влияющих на жизнь факторов следует начинать с самого нижнего, базового, химического уровня (можно было бы начать исследование жизни и с более фундаментального уровня элементарных частиц ЭЧ, но этот путь громоздок и излишен: атомы, как относительно устойчивые и качественно определенные  ассоциации ЭЧ, вполне достаточны для описания глубинных процессов жизни) – уровня атомов как ХЭ и их агрегатирования в молекулы и макромолекулы ХС.

До начала 20-го столетия ученые, следуя воззрениям еще древнегреческих атомистов, считали, что атомы вечны и неделимы. Основоположники атомизма Левкипп (500-440 до н.э.), Демокрит (470-371 до н.э.) и Эпикур (341-270 до н.э.), прозорливо отрицая неизменность, неподвижность, непрерывность и бесконечную делимость материи, утверждали, что “в мире нет ничего, кроме атомов и пустоты”. “Великая Пустота” понималась ими как абсолютно пустое пространство (Эпикур: “пустота - место, недоступное прикосновению”), как второе после материи (ее элементы – атомы, представляющие в своей совокупности множественное, плюральное и одновременно неделимое ниже атомов начало) и независимое от нее первоначало бытия, обеспечивающее возможность вечного, непрерывного, хаотического, беспорядочного самодвижения атомов (Эпикур: “атомы трясутся во всех направлениях”; движение рассматривалось как коренное, внутреннее свойство атомов: вопрос об особом, внешнем источнике движения, отличном от самих атомов, не возникал, а возможные изменения их движения, изменения величин скоростей и направлений, связывались исключительно со случайными механическими столкновениями атомов при их перемещении в пустом пространстве, разделявшем атомы и их группировки друг от друга).

Атомисты полагали, что сами атомы, количество которых во Вселенной бесконечно, не имеют частей, просты, однородны, неразложимы, неделимы, едины, целы, полны (лишены внутри себя пустоты), непроницаемы, тверды, неизменяемы, бескачественны, но имеют разную форму (фигуру), величину (размеры) и вес (тяжесть; это новое свойство предложил Эпикур), вечны (не возникают и не исчезают, не создаются и не уничтожаются, не рождаются и не гибнут), независимы и изолированы друг от друга, но вместе с тем способны в процессе своего движения, механически соединяясь (сталкиваясь, сцепляясь) и разделяясь (отталкиваясь, разлетаясь), группироваться друг с другом, образуя тем самым все тела материального и духовного миров (у Демокрита даже боги состоят из атомов). Бесконечное разнообразие сложных тел и их свойств определялось, согласно атомистам,  как различиями между самими атомами, так и их комбинациями в образуемых ими телах (состав, положение и порядок атомов в их соединениях). Эти идеи наивного, метафизического, механистического материализма, изначально объединившего в себе наиболее глубокие  догадки и представления трех главных философских школ Древней Греции (милетской, элейской, пифагорейской), стали на протяжении последующих двух тысячелетий для ученых-материалистов всего мира опорой их мировоззрения и главным символом бессмертия материи, но они оказались в определенной мере ошибочны.

Под мощным напором научных фактов, опытов и открытий в области химии и физики новейшего времени представления античной атомистики были существенно исправлены, уточнены и дополнены. Оказалось, что атомы ХЭ, являющиеся основой вещественной формы материи (во второй половине 19-го века в физике сложилось представление о новой, второй, невещественной, полевой форме материи), – это сложные физические системы, состоящие из тяжелых, положительно заряженных ядер, в которых сосредоточена почти вся масса атома (тяжелые частицы ядра - это нуклоны, к которым относят протоны и нейтроны) и вокруг которых обращаются легкие, отрицательно заряженные частицы - электроны, образующие электронную оболочку ЭО атома, определяющую его внешние размеры, форму и химические свойства. Таким образом, атомы, вопреки мнению древних атомистов, оказались делимы на составные части (состав и свойства этих частей продолжают детализироваться и уточняться до нынешних времен; деление атомов углубило концепцию дискретного строения материи, но не отменило ее, так как такое деление оказалось возможно, по данным современной квантовой физики, лишь до определенного предела, задаваемого планковской длиной, численно равной ~10^{-35 м)} и проявили свои качественные различия, связанные с зарядом ядра, его массой и строением ЭО атома (следует отметить, что в целом древняя идея атомного строения вещества материи получила в современной науке безупречные опытные и теоретические  доказательства ее правоты, и к тому же были подтверждены догадки античных атомистов о различиях атомов по форме [виды орбиталей ЭЛО], величинам [диаметры ЭЛО] и весу [масса атомных ядер]).

Вместе с тем, эксперименты атомной и ядерной физики, а также многолетние исследования астрофизиков, опровергли ложные, чисто умозрительные представления древних атомистов о якобы вечности, нерожденности и неуничтожимости атомов. Оказалось, что в процессе эволюции Вселенной, ее галактик и их звездных систем,  атомы большинства ХЭ рождаются непосредственно в недрах звезд из исходного и наиболее простого вещества, которое распространено в космосе в виде межзвездных молекулярных газовых облаков, содержащих атомы водорода и гелия (атомное содержание водорода во Вселенной ~88%, а гелия  ~11%, т.е. на все остальные виды атомов ХЭ приходится не более 1%). Эти облака в процессе своего движения, вращения, разделения и гравитационного сжатия формируют звездные системы и центральные массивные звезды в них, подобные нашему Солнцу, внутри которых действие гравитационных сил трансформируется в громадные температуры и давления звездного вещества.

В подобных условиях “зажигаются” реакции термоядерного синтеза (в этих реакциях широко задействован протон-протонный цикл превращения ядер атомов водорода, т.е. протонов, в ядра атомов гелия, т.е. альфа-частицы, которые в дальнейшем используются для формирования других, более сложных атомов), преобразующие одни, более легкие атомные ядра, начиная с протонов водорода, путем их слияния в другие, более тяжелые ядра: гелия, углерода, азота, кислорода, железа и т.д. Эти реакции не только рождают новые атомные ядра и сами атомы (атомы образуются в ходе формирования вокруг новых ядер соответствующих атомных ЭЛО, и это происходит по мере перемещения ядер из внутренних, сверхплотных и  горячих слоев звезд в их менее плотные и более холодные поверхностные слои), но сопровождаются длительным и огромным выделением лучистой энергии, которая используется, в частности, для поддержания  жизни на планетах тех звездных систем, где возникают подходящие условия для ее зарождения и развития (так, например, жизнь на Земле не могла бы появиться и существовать без энергии Солнца и тех атомов тяжелых ХЭ, которые были синтезированы звездами-протосолнцами и использованы в процессе образования Солнечной системы ~4,6 млрд лет назад).

Более того, научные открытия  в области радиохимии и атомной физики начала 20-го века показали, что  атомы ХЭ одного и того же вида, имеющие одинаковые зарядовые числа, не идентичны, а различаются между собой по атомной массе, т.е. при одинаковом числе протонов в своих ядрах имеют разное число нейтронов (суммарное количество протонов Z и нейтронов N в ядре называют массовым числом атома А=Z+N, и оно близко к атомной массе ХЭ, выражаемой в а.е.м., но совпадает с ней только для изотопа С-12, имеющего 6 протонов и 6 нейтронов и принятого в химии в качестве базовой единицы измерения массы атомных ядер). Такие атомы называют изотопами (от греч. isos равный + topos место; обычно изотоп обозначают символом ХЭ с добавлением через дефис массового числа, например С-12 для основного изотопа углерода, или с указанием этого же числа в виде левого верхнего индекса, например ¹²С, причем иногда левым нижним индексом указывают одновременно зарядовое число, например, ¹²₆С; некоторые изотопы имеют собственные названия и обозначения: например, для водорода: ¹Н – протий Н, ²Н– дейтерий D, ³Н – тритий T; термин “изотоп” был введен в 1910 г.). Они, имея одинаковые заряды, но разные атомные массы, обладают одинаковыми химическими, но разными физическими свойствами, причем, чем больше разница в их массе, тем сильнее  проявляются их физические различия (эти отличия касаются энергетических характеристик вещества, включая его массу, температуру плавления и кипения, а также прочность химических связей в ХС). Изотопы имеются у всех известных ХЭ, включая естественные и искусственные. К настоящему времени для всех ХЭ выявлены суммарно свыше 3,4 тыс. изотопов, т.е. в среднем около 30 на один ХЭ (из них более 250 стабильны).

В первую очередь изотопы одного и того же ХЭ физически отличаются друг от друга по своей устойчивости - неустойчивости, или стабильности – нестабильности. Устойчивые, стабильные изотопы сохраняют свои физико-химические свойства в нормальных условиях окружающей среды практически неограниченно долго, если не сказать “вечно” (следует помнить, что для науки смысл “вечности” относителен: все рождается и гибнет, появляется и исчезает, созидается и разрушается, причем, время жизни того или иного материального объекта, живого или неживого, зависит от многих внутренних и внешних влияющих факторов или условий: так, если любой устойчивый изотоп ХЭ подвергнуть “бомбардировке” в   ускорителе заряженных частиц высоких энергий, то его можно превратить в неустойчивый изотоп этого же ХЭ или  изотоп  другого ХЭ, примером чего является получение в 1980 г. амер. физико-химиком Гленом Сиборгом частиц золота ₇₉Au из висмута ₈₃Bi при его альфа-распаде в результате облучения быстрыми нейтронами).

 Неустойчивость, нестабильность изотопов проявляется в их естественной или искусственно созданной радиоактивности, т.е. самораспаде в течение определенного времени на другие изотопы данного ХЭ или более легкие атомы других ХЭ (явление радиоактивного распада атомов было открыто в 1896 г. фр. физиком А.Беккерелем при исследовании процессов люминисценции урановых солей, сопровождаемых, как выяснилось, неизвестным излучением с действием на фотопластинку, аналогичным действию рентгеновских лучей, открытым в 1895 г. нем. физиком В.Рентгеном; вскоре радиоактивное излучение  было обнаружено, помимо урана, у тория, полония и радия, а также было выявлено  его сильнейшее энергетическое, ионизирующее, биологическое действие, выражающееся в лучевом ожоге и воспалении тканей, нарушении обмена веществ и лейкозе, образовании язв и злокачественных опухолей, генных мутациях и др.). Этот распад, обусловленный внутренней энергетической неустойчивостью ядер радиоактивных изотопов ХЭ (все ХЭ имеют радиоактивные изотопы, а начиная с номера 83, висмута Bi, радиоактивны все изотопы ХЭ), практически не зависит от обычных изменений внешних условий и происходит с фиксированной, постоянной скоростью, которую измеряют периодом полураспада T_1/2 (в течение этого периода в среднем вдвое уменьшается количество нераспавшихся  атомов исходного вещества ХЭ).

По его величине радиоактивные изотопы подразделяют на коротко- и долгоживущие (первые живут ничтожные доли секунды или в лучшем случае минуты, часы и дни, а вторые – месяцы, годы, столетия, тысячелетия и более; так, например,  значения Т_1/2в годах для некоторых ХЭ: стронций ⁹⁰Sr - 29,1;  полоний ²⁰⁹Po-102; радий ²²⁶Ra-1600; плутоний ²⁴⁴Pu- 8,05·10⁷; калий ⁴⁰K -1,32·10⁹; уран ²³⁵U - 7,04·10⁸; уран ²³⁸U-4,47·10⁹; торий ²³²Th - 1,4·10¹⁰; теллур ¹²⁸Te – 2,2∙10²⁴). В 1905 г.  англ. физик, “отец” ядерной физики и автор планетарной модели атома Э.Резерфорд выдвинул идею радиометрической датировки, которую уже через 2 года, в 1907 г., реализовал в пробном варианте амер. радиохимик Б.Болтвуд, предложивший уран-свинцовый метод (он показал, что радий и свинец являются продуктами распада урана). Радиометрическое, или радиоизотопное датирование стало основой всех абсолютных датировок различных событий в истории Земли - геологических, археологических, биологических и др. (сегодня радиометрические методы позволяют вычислять по процентному содержанию изотопов в материале или горной породе абсолютную дату ее образования с точностью от 0,1% до 3-5%). 

Для определения возраста органических пород, формируемых останками растений и животных в диапазоне от 500 до 40 тыс. последних лет по отношению к моменту исследования образца вещества (при возрасте менее 500 лет еще мало распалось атомов, а при возрасте более 40 тыс. лет осталось слишком мало нераспавшихся атомов), используют радиоуглеродный метод измерения относительного содержания в этих останках радиоактивного изотопа углерода ¹⁴С (углерод содержит в природе два стабильных изотопа ¹²С [~99%], ¹³С [~1%] и радиоуглерод ¹⁴С с T_1/2≈5730 ±30 лет [точность ~ 0,5%], образуемый в верхних слоях тропосферы и в стратосфере земной атмосферы из стабильного изотопа азота ¹⁴N под воздействием космических лучей; искусственным путем получено еще 12 нестабильных изотопов углерода в диапазоне от ⁸С до ²²С с T_1/2 от долей нс и мкс до сек и мин, но изотоп ¹⁴С самый стабильный и самый долгоживущий из всех нестабильных изотопов углерода). Метод основан на явлении поглощения тканями живых организмов в процессе их дыхания радиоуглерода из атмосферы,  прекращении его накопления со смертью организма и бета-распаде изотопа ¹⁴С с образованием инертных атомов азота ¹⁴N, приводящем к снижению в останках известного для биосферы исходного соотношения ¹⁴С/¹²С≈10^-12 (у геологов  и археологов в 50-х годах прошлого столетия в связи с развитием радиоуглеродного метода даже возник популярный лозунг: “Встретил органику [древесина, торф, раковины, кости, органогенный ил и пр.] – датируй!”). 

Итак, атомы не вечны, не бессмертны, а подвержены изменениям, которые могут существенно повлиять на их физико-химические свойства и соответственно качества тех живых или неживых объектов, в состав которых они входят. Для радиоактивных изотопов ХЭ такие изменения связаны с их естественным радиоактивным распадом, обусловленным действием внутриядерных сил (сильное взаимодействие, или силы обменного взаимодействия между нуклонами ядра, противодействуя электростатическому отталкиванию протонов, сближают и удерживают их и нейтроны в ядре,  проявляя свое действие лишь в его малых пределах, - на расстоянии до нескольких фемтометров, где 1фм=10^-3пм=10^-15м), а для  нерадиоактивных, устойчивых изотопов ХЭ аналогичные  изменения могут произойти как в результате действия внешних, природных сил (например, космических лучей в высокогорьях или при высотных полетах, а также излучений залежей и разработок природного урана), так и от искусственных  источников высокоэнергетических излучений (атомные и термоядерные взрывы, захоронения ядерных отходов, ускорители частиц, рентгеновские установки).

Выше были рассмотрены изотопы главного элемента жизни – углерода (его изотоп ¹⁴С вносит существенный вклад в собственную радиоактивность всех аэробных живых существ, включая человека). Кратко рассмотрим изотопы еще нескольких ХЭ, которые входят в состав органических  веществ. Прежде всего, это изотопы второго после углерода элемента УВД и самого распространенного космического элемента – водорода Н (в нормальных условиях 2-атомный газ Н₂). Наиболее известны 3 его изотопа: стабильные протий Н (ядро = 1 протон; единственный стабильный нуклид, не имеющий нейтронов в ядре, самый легкий изотоп водорода и самый легкий из всех ХЭ; природное содержание ~99,98% от всех атомов водорода) и дейтерий D (ядро [дейтон]= 1 протон + 1 нейтрон; природное содержание ~0,02%, т.е. 1 атом дейтерия на 20 тыс. атомов протия; химическая связь углерода с дейтерием С-D прочнее связи углерода с протием C-H, а “тяжелая вода” D₂H, в отличие от обычной воды H₂O, токсична) и радиоактивный тритий Т (ядро [тритон]= 1 протон + 2 нейтрона; образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей, а при распаде с T_1/2≈12,3 года превращается в изотоп гелия; представляет радиационную опасность при вдыхании, поглощении с пищей и впитывании через кожу).  

Природный азот N, этот основной элемент земной атмосферы (2-атомный газ N₂;  N - основной биогенный элемент, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот всех живых организмов), содержит два стабильных изотопа: ¹⁴N (ядро = 7 протонов + 7 нейтронов; природное содержание ~99,6%) и ¹⁵N (ядро = 7 протонов + 8 нейтронов; содержание ~0,4%). Искусственно получены его 14 нестабильных, короткоживущих изотопов (от ¹⁰N до ²⁵N, из которых самый стабильный ¹³N имеет  период полураспада  10 мин). Второй, главный элемент земной атмосферы и один из основных элементов жизни – кислород О (в нормальных условиях 2-атомный газ О₂; самый распространенный массовый элемент земной коры и гидросферы, второй элемент атмосферы [вошел в состав атмосферы 3,8 млрд лет назад] и основной элемент жизни наряду с элементами С, N, H). Известны 16 изотопов кислорода: от ¹¹О до ²⁶О (Z=8, N=3-18). Природный кислород состоит из смеси 3 стабильных изотопов – первичного изотопа ¹⁶О [99,76%; образуется в процессе термоядерного синтеза в недрах звезд главным образом путем слияния ядер гелия] и вторичных изотопов ¹⁷О [0,04%] и ¹⁸О [0,20%]. Самый долгоживущий радиоизотоп из 13 нестабильных изотопов кислорода, полученных искусственным путем, это ¹⁵О с периодом полураспада ~122 с.

Важным элементом жизни, особенно для растений (90% добываемого в мире калия используется в качестве калийных удобрений), является калий К (как простое вещество является мягким щелочным металлом, в природе присутствует только в виде ХС, так как обладает высокой химической активностью, в частности, быстро окисляется на воздухе и легко реагирует с водой, образуя щелочи; содержится во всех клетках живых организмов, играет важную роль во внутриклеточном обмене, регуляции водно-солевого обмена, осмотического давления и кислотно-щелочного баланса организма). Известны 27 его изотопов (Z=19, N=14-40, A=33-59). Природный калий представляет смесь 3 изотопов: 2 стабильных – ³⁹К (~93,26%), ⁴¹К (~6,73%) и нестабильного ⁴⁰К (~0,01%) с периодом полураспада 1,25∙10⁹ лет (весь имеющийся на Земле изотоп ⁴⁰К образовался незадолго до формирования Солнечной системы и с тех пор постепенно распадается). Радиоактивный калий вносит существенный вклад в собственную радиоактивность тканей различных живых организмов (например, в теле человека вклад ⁴⁰К 80-85%, на втором месте ¹⁴С). В живом организме действие изотопа ⁴⁰К проявляется главным образом в виде его бета-распада с излучением быстрых электронов и  превращением ⁴⁰К в изотоп кальция ⁴⁰Ca. Широко распространенные в природе ХС калия (содержатся в морской воде, минералах и горных породах: полевых шпатах, слюдах, карбонатах, калийных рудах) вносят наряду с ураном и торием главный вклад в естественный радиационный фон Земли и считаются одним из источников ее геотермальной энергии.

Радиоактивный распад атомов ХЭ, преобразующий их физико-химические свойства из одного, исходного качества в некое другое, промежуточное или конечное качество, является по существу одним из механизмов старения вещества, а период полураспада есть мера такого старения. Поскольку радиоизотопы ХЭ входят в состав многих ХС, то и последние подвержены старению через этот распад. Выше мы говорили о естественной радиоактивности отдельных изотопов тех или иных ХЭ, но все эти ХЭ и их ХС, как правило, не изолированы от окружающей среды  и подвергаются с ее стороны также различным естественным или искусственным энергетическим влияниям разной интенсивности (излучениям, ударам, вибрациям, давлениям, температурным колебаниям, действиям агрессивных газов, водных и других растворов ХС), способным изменять структуру и свойства ХС. Поэтому можно смело говорить о потенциальных возможностях старения любых ХС, а не только тех, которые содержат радионуклиды и находятся в живых организмах.

До сих пор в оценке нестабильности, недолговечности ХЭ и ХС акцент делался на неустойчивости атомных ядер тех или иных изотопов ХЭ и их естественном или наведенном радиоактивном распаде. Но атомы, как нам известно, содержат не только ядра, но и электронные оболочки ЭЛО, которые задают, в отличие от ядер, находящихся в глубине атомов (диаметр ядер в 10⁴-10^-5 раз меньше размера атомов: например, диаметр ядра легкого водорода - протия Н, содержащего 1 протон, равен ~0,7 фм при диаметре самого атома до 106 пм, а ядро атома гелия, содержащее 4 нуклона, имеет диаметр ~3,4 фм при диаметре атома 62 пм), их внешние, поверхностные формы и размеры, причем наружные, валентные электронные слои ЭЛС этих ЭЛО определяют возможности ХЭ связываться друг с другом, образуя соответствующие ХС.

Чем прочнее валентные электроны связаны с ядром атома (а сила их электростатического притяжения к положительно заряженному ядру, следуя закону Кулона,  тем больше, чем больше заряд ядра, т.е. его число Z,  и чем ближе к ядру находятся неэкранированные валентные электроны; так, ближе всего к ядру расположен валентный электрон в атоме водорода Н, но по мере увеличения номера Z атомов у них возрастает количество электронов и ЭЛС в ЭЛО, а потому валентные электроны, все дальше располагаясь от ядра и экранируясь от него внутренними ЭЛС атома, все более ослабляют с ядром свою электромагнитную связь), тем сложнее их от него оторвать и передать другим, соседним атомам данного ХС для его преобразования в иное соединение. Следовательно, более прочные химические связи гарантируют большую сохранность соответствующих ХС и их долговечность, т.е. препятствуют в определенной мере  изменению ХС и их старению.

Уточним общее понятие энергии связи ЭС, или Е_св, которое мы уже использовали выше и которое оказывается столь важным для решения вопросов устойчивости и старения вещества. В общем случае, ЭС любой системы, состоящей из связанных друг с другом в процессе своего физического взаимодействия каких-либо частиц (ядер, альфа-частиц, ионов, электронов, атомов,  молекул и пр.; например, атомное ядро есть система нуклонов, связанных сильным взаимодействием, атом – система из ядра и электронов, связанная между собой более слабым электромагнитным взаимодействием, а молекула – система атомов, связанных химической связью на основе электромагнитного взаимодействия), есть энергия, необходимая для отделения одной или всех частиц от системы и их удаления от нее и друг от друга на расстояния, на которых можно пренебречь их взаимодействием (теоретически - удаление на бесконечные, но практически – на конечные, определенные расстояния). Такие, уже невзаимодействующие между собой или с другими телами и физическими полями частицы, называют свободными (они являются условной, абстрактной идеализацией материальных объектов реального мира). ЭС свободных частиц (назовем их удаленное положение друг от друга нулевым 0), принимают по умолчанию равной нулю: ⁰Е_св=0.

Следует отличать понятие ЭС свободных или связанных частиц  Е_св от понятия самой энергии этих частиц – их общей, суммарной, полной энергии Е_ч=Сумма Е_чi (i=1,2,3,... – номера частиц), которая учитывает для частиц их относительную кинетическую Е_кi и потенциальную Е_пi энергии: Е_чi=Е_кi+ Е_пi. Для свободных частиц принимают, что их Е_кi = 0, т.е. частицы покоятся относительно друг друга, а Е_пi ≠0, т.е. частицы удалены друг от друга, сохраняя тем самым способность к взаимному сближению и уменьшению своей потенциальной энергии (а также ее переходу в кинетическую энергию), а потому их полная энергия Е_ч ≠0. Для таких частиц, как уже отмечено, их ⁰Е_св=0 (понятно, что в реальном мире нет абсолютно покоящихся свободных частиц, у которых одновременно Е_кi=0 и Е_пi=0, т.е.  всегда их ⁰Е_ч≠ 0; можно представить себе систему неподвижно соединенных между собой частиц с Е_ч= 0, но такое их состояние является не свободным, а связанным, и подобную совокупность сцепленных частиц можно трактовать уже как единое целое, как отдельную частицу, рассматривая далее ее энергию уже по отношению к каким-то другим, внешним частицам или системам отсчета).

Чем дальше в физическом пространстве, порожденном соответствующими дальнодействующими физическими полями (гравитационными, электрическими, магнитными или электромагнитными) удалены частицы друг от друга, тем больше их относительная потенциальная энергия и тем большую работу могут совершить те силовые поля, которые способны  перемещать эти частицы, сближая их между собой. И, наоборот, при максимально возможном сближении частиц их относительная потенциальная энергия стремится к минимуму или нулю, но, при этом их ЭС увеличивается. Для разъединения таких связанных частиц, уменьшения их ЭС, необходимо, дополнительно затратив определенную энергию, увеличить общую энергию системы (такое повышение возможно за счет увеличения кинетической и/или потенциальной энергии связанных частиц).

В связанном устойчивом состоянии -  назовем его, в отличие от нулевого положения, первым 1 -  энергия совокупности частиц всегда меньше, чем в их свободном, нулевом состоянии: ¹Е_ч < ⁰Е_ч (в противном случае такое состояние не было бы устойчивым). В природе при образовании тех или иных стабильных материальных тел из ранее свободных частиц все соответствующие процессы изменения полной энергии такой системы частиц происходят в направлении понижения ее величины и удаления излишка энергии из связываемой системы в окружающую среду посредством той или иной конкретной формы движения материи (тепловой, световой, химической, механической и т.д.). При этом в системе формируются между частицами определенные  связи, вызывающие образование соответствующей структуры системы, причем, если сами связи возникают под воздействием материальных свойств самих связываемых частиц, то прочность связей зависит от ЭС, величина которой определяется как эквивалент удаленному из системы излишка энергии. При образовании связанной системы ее полная ЭС возрастает по своему абсолютному значению от ⁰Е_св=0 до некоторой величины ¹Е_св ≠ 0.

Разность между энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих частиц в свободном состоянии равна ΔЕ_ч = ¹Е_ч- ⁰Е_ч. Поскольку ¹Е_ч< ⁰Е_ч, то эта разность отрицательна ΔЕ_ч<0, что как раз свидетельствует не о потреблении, а о выделении энергии при образовании связанной системы. Аналогичным образом вычисляют при указанном переходе и соответствующее изменение ЭС: ΔЕ_св = ¹Е_св - ⁰Е_св. Поскольку, по определению, ⁰Е_св=0, то, очевидно, что ΔЕ_св=¹Е_св, т.е. изменение ЭС равно самому значению ЭС связанной системы в ее данном устойчивом состоянии. С учетом закона сохранения энергии (насколько уменьшается при связывании частиц их общая энергия, излишек которой выделяется из системы, настолько же должна возрасти величина ЭС, сохраняющейся в связанной системе в виде соответствующей структуры связи), следует, что  ΔЕ_ч = -/ΔЕ_ч/ = ΔЕ_св =¹Е_св, т.е. отрицательное изменение полной энергии связанной системы равно ее ЭС. Иными словами, ЭС эквивалентна порции энергии, удаляемой из системы при ее начальном, исходном, первом связывании из свободного состояния (при возможных последующих переходах ранее связанной системы из одного устойчивого состояния в другое, ЭС может, в зависимости от направления перехода – к меньшему или большему значению полной энергии системы, возрастать или уменьшаться на соответствую величину удаленной из системы или поступившей в нее извне порции энергии).  

Из рассмотренных отношений можно сделать следующий важный общенаучный, философский вывод: в природе, в реальной, материальной, физической среде близкое взаимодействие частиц оказывается в общем случае более предпочтительным и выгодным в энергетическом отношении, чем их относительно независимое и удаленное пространственное существование. Данное положение, вытекающее из коренных свойств физического мира, закладывает прочный, надежный фундамент под закономерное образование всех материальных объектов во Вселенной, включая живые организмы. Оно опровергает широко распространенные метафизические, идеалистические, антинаучные взгляды о якобы случайном характере движения, сближения и соединения атомов в мировом пространстве при образовании ими различных материальных тел. Напротив, атомы направляет друг к другу “невидимая рука” силовых физических, гравитационных и электромагнитных полей, а их дальнейшее объединение в те или иные ХС и вещества происходит согласно естественным свойствам атомов как ХЭ, а также физическим и химическим законам, которые действуют в природе объективно, независимо от воли или желания человека и вымышленных им сверхъестественных сил, включая “богов” или “мировой разум”.

Еще раз подчеркнем, что образование любых устойчивых связанных материальных систем определяется коренными свойствами материальных частиц и реального мира, позволяющими создавать подобные системы за счет формирования между частицами при их достаточном сближении соответствующих связей. Эти связи, уменьшая полную энергию системы Е_ч и способствуя выделению ее избытка ΔЕ_ч в окружающую среду (без удаления “излишков” энергии в системе не могут образоваться необходимые прочные связи, ибо избыточная энергия их просто “разорвет”; излишки энергии удаляются из системы путем теплового, светового или иного вида электромагнитного излучения, а также посредством кинетической энергии соответствующих частиц, например, при ядерных превращениях - электронов, позитронов, нейтрино, протонов, альфа-частиц или других фрагментов атомных ядер), эквивалентно увеличивают свою полную ЭС ¹Е_св. 

Так, например, в процессе термоядерного синтеза образование новых, тяжелых  атомных ядер путем слияния  более легких ядер сопровождается всегда дефектом массы тяжелого ядра (она меньше суммы масс слагающих ее отдельных легких ядер). Величина этого дефекта эквивалентна той выделяемой энергии ΔЕ_ч или ЭС¹ Е_св, которая затрачена ядерными силами для уменьшения потенциальной энергии нуклонов и их объединения в ядро. И, наоборот, для разрушения устойчивой системы, разложения ее на части, преодоления сил их внутреннего взаимодействия - сил связи, необходимо затратить определенную энергию, т.е. произвести работу: А[Arbeit, работа]=-¹Е_св. Абсолютная величина ¹Е_св характеризует прочность связи и устойчивость системы в целом: чем связь  сильнее, тем устойчивее система, тем больше энергии выделяется при ее образовании и тем большую работу надо совершить для изменения системы и разложения ее на части, ее разрушения.

Для атомных ядер ЭС, определяемая сильным взаимодействием нуклонов,  огромна: для дейтона, нуклида дейтерия, она равна ~2,2 МэВ, для альфа-частицы – 28,2 МэВ, для ядра изотопа кислорода  ¹⁶₈О – 127,2 МэВ, для изотопа урана ²³⁸₉₂U – 1780 МэВ = 1,78 ГэВ, где эВ – внесистемная единица измерения энергии (электронвольт эВ, англ.eV, – энергия, приобретаемая электроном при прохождении электростатического поля с ускоряющей разностью потенциалов 1В; 1эВ≈1,6∙10^-19 Дж=1,6∙10^-22 кДж, а 1 ГэВ=10³ МэВ=10⁹ эВ). ЭС в расчете на 1 нуклон - удельная ЭС - составляет в среднем 8,6 МэВ (равна полной ЭС ядра, деленной на массовое число А; для легких ядер она меньше, быстро возрастает, достигая максимума ~8,6 МэВ при А≈50-60, т.е. для нуклидов железа, кобальта, никеля, меди, а затем плавно убывает до 7,5 МэВ для более тяжелых атомов, что свидетельствует об эффекте насыщения внутриядерных сил; отметим, что для тяжелых нестабильных нуклидов энергетически более выгоден не процесс их синтеза, а, наоборот, деления, распада на более легкие ядра, что связано именно с процессами насыщения ядерных сил).

Энергия химической связи для молекул, радикалов и ионов, или энергия образования молекул, примерно в 1 млн раз слабее ядерной энергии. ЭС для 2-атомной молекулы – это энергия удаления  двух атомов друг от друга в бесконечность, а для многоатомных молекул – это энергия диссоциации (диссоциация – разделение, разъединение, распад молекулы под воздействием внешних сил, например тепла, света, влаги или физических полей, на две или несколько частей, т.е. другие молекулы, радикалы, ионы и пр.), т.е. суммарная энергия разделения и удаления всех атомов друг от друга на  расстояния их ничтожного взаимодействия. Химическая ЭС определяется электромагнитным взаимодействием электронов с атомным ядром и межатомными электромагнитными взаимодействиями в молекулах на основе различных видов химической связи (ковалентная, ионная, металлическая, водородная, ван-дер-ваальса).

Эта ЭС пропорциональна потенциалу ионизации ПИ (минимально достаточная разность потенциалов, необходимая для увеличения кинетической энергии невозбужденного электрона с целью его удаления из атома и тем самым его ионизации -  превращения атома в катион), численно равному в электронвольтах внешней энергии, или работе, необходимой для удаления из атома первого (первый ионизационный потенциал) или последующих его валентных электронов (потенциал ионизации и соответствующая ему энергия ионизации ЭИ, или Е_и, различны при удалении 1-го, 2-го, 3-го и последующих электронов - с ростом ступени ионизации атома “оторвать” от него электрон труднее, и ЭИ существенно возрастает для каждой ступени; ПИ и ЭИ зависят от исходного энергетического уровня валентных электронов, как правило, низшего, невозбужденного, основного, а также от конфигурации ЭЛО, причем завершенные, полные ЭЛС более устойчивы). Так, например, ЭИ для атома водорода Н в его основном состоянии равна ~13,6 эВ, или  1312 кДж/моль, для гелия He ~24,6 эВ, или  2370 кДж/моль, для лития Li ~5,4 эВ, или  520 кДж/моль, для  хлора Cl ~13 эВ, или  1250 кДж/моль а для калия К ~4,3 эВ, или ~418 кДж/моль (почти в 1млн раз меньше удельной ЭС нуклонов атомных ядер). Для большинства атомов их Е_и<15 эВ≈1450 кДж/моль.

Ионизировать ХЭ и ХС способны потоки высокоэнергетических частиц (электроны, позитроны, нейтроны, протоны, альфа-частицы и др.), а также в большинстве случаев любое электромагнитное излучение ЭМИ с длиной волны λ<200 нм и энергией фотонов более 5-15 эВ. Так, например, фотоны гамма-излучения (λ<0,01 нм) имеют энергию выше 120 тыс. эВ, рентгеновского излучения (жесткое и мягкое; 0,1 нм <λ<10 нм) – 12 тыс. эВ...120 эВ, ультрафиолетового излучения УФЛ (экстремальное, дальнее, среднее, ближнее; 10 нм<λ<400 нм) – 120 эВ...4эВ, оптического излучения (цвета: фиолетовый, синий,..,красный; 440 нм<λ<740 нм) – 3,2...1,7 эВ, инфракрасного излучения ИК (тепловое: ближнее и дальнее; 740 нм=0,74 мкм<λ<1000 мкм=1 мм) – менее 1,7 эВ (1,7...0,86 эВ для ближнего ИК-излучение: λ< 1,5 мкм). ЭМИ с длиной волны λ>1 мм относят к микроволнам (λ=1-10 мм) и радиоволнам (λ>10 мм; сантиметровые или СВЧ, дециметровые, метровые, короткие, средние, длинные, сверхдлинные волны). Из изложенного следует, что ионизационная способность ЭМИ заканчивается на уровне УФЛ-излучения (фотоны оптического, ИК, микроволнового и  радиоволнового излучений обладают недостаточной энергией и относятся к классу неионизирующих излучений).

Казалось бы, для перестройки того или иного ХС необходимо предварительно разорвать связи между его ХЭ за счет повышения энергетического уровня системы путем  направления в нее извне соответствующих порций ЭИ. На самом деле, для этого не надо разрывать связи, а достаточно их лишь активировать за счет энергии активации ЭА, или Е_а(характеризует реакционную способность химических частиц – атомов, ионов, радикалов, молекул; ЭА - наименьшая энергия, которой должны обладать соответствующие частицы для осуществления между ними химической реакции), величина которой значительно меньше ЭИ: Е_а<<Е_и. В переходном, промежуточном процессе активации временно повышается, за счет поступления в систему ЭА, ее полная энергия и соответственно уменьшается ЭС частиц, что позволяет им преодолевать существующие энергетические барьеры и вступать между собой в новые химические реакции. В ходе последовательности таких реакций система может преобразовать свой состав, свою структуру, свои связи и перейти в некоторое новое устойчивое состояние (такой переход может быть связан как с результирующим дополнительным выделением энергии по отношению к исходной системе и увеличением тем самым ее ЭС, так и, наоборот,  с  потреблением энергии и соответствующим уменьшением ЭС системы в ее новом состоянии). Существуют вещества – катализаторы, которые способны  уменьшать ЭА в конкретных реакциях и тем самым значительно облегчать и ускорять мх прохождение. Как правило, при реакциях между молекулами Е_а<100 кДж/моль (~1эВ), а для реакций свободных радикалов и атомов с молекулами Е_а<10 кДж/моль (~0,1эВ).

Из сказанного следует, что старение ХЭ и ХС  вызывается, главным образом, не столько взаимодействием нуклонов и внутриядерными силами (атомные ядра можно считать относительно вечными, если только они не являются радиоизотопами с короткими периодами полураспада и не попадают в природную или искусственную среду с высокоэнергетическими излучениями типа, например, гамма или рентгеновскими), сколько более слабыми внутриатомными и межатомными электромагнитными взаимодействиями на основе химической связи. Поскольку эта связь, как мы уже убедились, относительно слаба (ЭИ и ЭА в большинстве случаев относительно  малы), постольку она подвержена преобразующему действию различных сил природы в обычных, далеко не экстремальных, но всегда нестабильных и циклически меняющихся условиях окружающей, земной и космической среды (если ионы и свободные радикалы, обладающие сильным окислительным действием, порождают ионизирующие излучения с энергией более 5-15 эВ, то перестраивать различные ХС способны и неионизирующие излучения с энергией порядка 0,1-3 эВ, которыми обладают фотоны оптического и теплового диапазона ЭИИ). Эти силы, постоянно действуя во времени и пространстве, изменяя ХС и вызывая их естественное или искусственное и старение.

   Итак, понятие старения вещества относится не только к органическим ХС, но и к веществу косной материи, т.е. к любому виду вещества, включая минералы и горные породы. Стареют, меняя свои начальные формы и свойства, скалы и камни (под влиянием температурных колебаний, атмосферной и водной эрозии, землетрясений, извержений вулканов), строительные сооружения (в том числе и “седые пирамиды”, о которых египтяне гордо заявляют, что “их боится время”), бетон и железобетон (расслаиваются плотноупакованные внутренние слои карбоната кальция), металлы (в частности,  термическое и механическое старение низкоуглеродистой стали), пластмассы (поверхностное разложение полимеров под действием УФ-лучей), бумага (старение под действием света, температуры, влаги, микроорганизмов), химические реактивы, лекарства, продукты питания и миллионы других природных или искусственных объектов. Стареют даже такие космические объекты, казавшиеся древним людям вечными, как звезды (в частности, стареет наше Солнце, наша Земля и ее спутник Луна). На Земле процессы разложения и преобразования вещества идут непрерывно и полным ходом уже более 4 млрд лет.  Свою лепту в эти процессы вносят метеориты, космические лучи, солнечная радиация и солнечный ветер, околоземные магнитные и электрические поля, естественная радиоактивность Земли и ее геотектоника (движение литосферных плит, горообразование, землетрясения, извержения вулканов), силы движения атмосферы (ветры, ураганы, смерчи), гидросферы (океаны, моря, течения, реки, озера, подземные воды), гляциосферы (снега, льды, ледники) и, наконец, разнообразные силы биосферы, формирующие живую природу Земли и человеческую цивилизацию в ее лоне.

Для многих искусственных объектов, изделий или артефактов, созданных человеческим трудом, можно существенно продлить срок их пригодности, или “жизни”, путем выполнения ряда жестких ограничительных рекомендаций по их изготовлению, хранению, консервации, защите, эксплуатации, ремонту и т.п. Но часто ли люди способны последовательно, методично и грамотно выполнять те многие требования по задержке старения и продлению жизни подобным объектам, которые им предписывает разум в лице системы научно-технических и технологических знаний? Бесчисленные  происшествия и аварии на автомобильных и железных дорогах, на воздушном, речном и морском транспорте, на газо- и нефтепроводах, взрывы и пожары в жилых домах, техногенные катастрофы на электростанциях и заводах – все это и многое другое свидетельствует о пренебрежении людьми правилами собственной безопасности и нарушении условий эксплуатации технических средств. Результат – преждевременная гибель вещей и людей, травмы, болезни,  сокращение качества и срока жизни пострадавших. На фоне этого всеобщего авантюризма, верхоглядства и безответственности стоит ли удивляться тому, что человек спонтанно, всеми правдами и неправдами сокращает себе жизнь и гибнет задолго до своего физиологически оправданного старения и видового предела естественной смерти.

Завершая этот раздел, зададимся общим, принципиальным, философским вопросом: почему стареет вещество (не имеет значения - живое или неживое), почему стареют ХЭ и их соединения? Исходя из вышеизложенного, вдумчивый внимательный читатель может сам дать правильный ответ: 1) вещество имеет сложное, многоэлементное, многоуровневое строение (его части - элементарные частицы, атомные ядра, атомные электронные оболочки, соединения атомов), которое поддерживается внутриядерными, внутриатомными и межатомными силами; 2) любое отдельное взятое вещество является динамической самоорганизующейся системой, которая функционирует путем обменного энергетического взаимодействия между ее частями (взаимодействие реализуется как внутриатомными силами, так и электрическими силами между атомами в виде ионной, ковалентной или иной химической связи; данные связи реализуют внутренний обмен веществом и энергией); 3) любое отдельно взятое вещество находится в неразрывном единстве с окружающей средой, постоянно обмениваясь с ней микрочастицами и энергией (внешний обмен вещества и энергии; под микрочастицами понимаются атомы, ионы и субатомные частицы, в частности, электроны, протоны, альфа-частицы и др.); 4) старение вещества есть следствие изменения во времени его физико-химических свойств  под действием существенных отклонений (флуктуаций) в процессах его внутреннего и внешнего обмена веществом и энергией (избежать различных, значительных, в том числе и экстремальных,  флуктуаций в реальном мире принципиально невозможно и тем более на протяжении длительного периода времени движения материи конкретных видов и форм).

Сформулированная здесь идея зависимости старения материальных объектов МО (живых или неживых) от значимых флуктуаций движения материи (это движение по определению не может быть идеальным, математически точным, неизменным по своим пространственно-временным и динамическим характеристикам, включая направление, положение, массу, ускорение, импульс, амплитуду, частоту, фазу, силу, энергию и другие материальные свойства и параметры микрочастиц или физических полей, связанных с ними или с окружающей средой), сопровождаемого обменом веществом и энергией как внутри этих МО (внутренний обмен), так и с окружающей средой (внешний обмен), носит, на наш взгляд фундаментальный характер для понимания существа глобальных процессов старения материальных объектов и их вещества. Последовательное применение этой идеи для сложных, многоэлементных и многоуровневых МО позволит выявить весь комплекс истинных причин старения МО, который сегодня затушевывается случайными, отдельными, бессистемными, порой конъюнктурными предположениями различных узкопрофильных специалистов (каждый из них выдвигает гипотезу, близкую ему по роду деятельности, но, как правило, далекую от глубокого, системного, философского подхода и понимания проблемы в целом).

Возвращаясь к живым МО, к живому веществу, к живым организмам, отметим, что их старение происходит постоянно и непрерывно (первый самостоятельный шаг в жизни любого живого существа есть первый шаг к его старению и смерти), проявляясь на разных стадиях их жизнедеятельности изменениями элементного химического состава их клеток, тканей и органов, что особенно заметно в случаях развития у них патогенных состояний (недаром общий и специальный биохимический анализ крови и других внутренних жидкостей  человека столь важен для постановки правильного клинического диагноза его заболевания). Для понимания процессов старения разных живых существ (представителей различных типов и видов организмов разных царств живой природы, включая растений и животных)  необходимо детально и регулярно изучать химический состав их морфологических структур с обязательным учетом как условий обитания этих организмов (биотопы, биоценозы, а для человека – места и условия его проживания), так и их жизненных циклов. Такая объемная, дорогостоящая, но очень важная исследовательская работа должна проводиться совместно биологами, микробиологами, химиками, биогеохимиками, аналитиками и другими заинтересованными учеными.

 

  Минск, 23 октября 2021 г., Гуртовцев А.Л.

 

 

---

Сконвертировано и опубликовано на https://SamoLit.com/