Эволюционная химия

Химики давно пытались понять, какая лаборатория лежит в основе процесса возникновения жизни из неорганической безжизненной материи — лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения» более сложные, чем исходные вещества?

И. Я. Берцелиус (1779-1848)первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой. Возникновение и эволюция жизни на Земле была бы невозможна без существования ферментов, служащих по сути дела живыми катализаторами.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения.

Тем не менее, современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов:

· изучение и использование приемов живой природы,

· применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов,

· освоение механизмов живой природы,

· развитие исследований с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме самоорганизации систем. В процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для появления жизни и ее функционирования. Из более чем ста химических элементов, открытых к настоящему времени, многие принимают участие в жизнедеятельности живых организмов. Наука же считает, что только шесть элементов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов; натрий, калий, кальций, магний», железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор.

Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.

Из такого количества органических соединений в строительстве биомира задействованы природой всего несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Каким образом природа из такого ограниченного количества химических элементов и химических соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс — биосистему?

Этот процесс ныне представляется следующим образом.

1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Условия высоких температур — выше 5 тыс. градусов по Кельвину, электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния.

2. Проявления катализа начинаются при смягчении условий ниже 5 тыс. град, по Кельвину и образования первичных тел.

3. Роль катализатора возрастала (но пока еще незначительно), по мере того, как физические условия (главным образом температура) приближались к современным земным. Появление таких, даже относительно несложных систем, как: СН₃ОН, СН₂ = СН₂; НС ≡ СН, Н₂СО, НСООН, НС ≡ N, а тем более аминокислот, первичных сахаров, было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа.

4. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т.е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получились относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Открытый А.П. Руденко основной закон химической эволюции гласит, что эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. Теория саморазвития каталитических систем позволяет выявлять этапы химической эволюции; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. А Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться. Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет. Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека. Видимо, одним из проявлений природы и является появление человека как самосознающей себя материи. На определенном этапе он может оказывать ощутимое воздействие на среду собственного обитания, причем как позитивное, так и негативное.

В последующих лекциях мы будем более подробно говорить о сущности жизни.

Вопросы для повторения

1. Что изучает химия, и какие основные методы она использует?

2. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?

3. Что называют химическим элементом?

4. Что называется простым и сложным веществом?

5. От каких факторов зависят свойства веществ?

6. Кто стал основоположником системного подхода в развитии химических знаний? Какую систему он построил?

7. Какой вклад в развитие химических знаний внесли физики?

8. Что такое катализаторы?

9. Какие элементы называют органогенами?

10.Для чего химики изучают лабораторию «живой природы»?

11.Чем отличаются ферменты от химических катализаторов?

12.Каковы потенциальные возможности эволюционной химии?

Литература

Основная:

1. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – М.: Гардарики, 2006. Гл. 11.

2. Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко и В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА.2003. – Гл. 5.

3. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. – М.: Академический Проект, 2002. Гл. 4.

Дополнительная:

1. Азимов А. Краткая история химии: Развитие идей и представлений химии от алхимии до ядерной бомбы. – СПб.: Амфора, 2002.

2. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Изд. 4-е. В 2 т. – СПб., М., Краснодар: Лань, 2003.

3. Пиментел Д., Курод Д. Возможности химии сегодня и завтра. М., 1992.

4. Фримантл М. Химия в действии: В 2 ч. – М.: Мир, 1998.

5. Эмсли Дж. Элементы. — М.: Мир, 1993.

6. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. Ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000.

[1] Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по своей массе.

[2] Цит. по: Колтун Марк. Мир химии. – М.: Дет. лит., 1988. С.48.