Специфика химии, её место в естествознании

Гипотеза  возникновения жизни академика  А. И. Опарина

Пик исследований А. И. Опарина и его  соавторов приходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхождение жизни» была опубликована еще в 1924 году. С самого начала этот процесс был связан с геологической эволюцией. В настоящее время принято считать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горячей (4000- 
8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана — атмосфера. Такая атмосфера называется«восстановительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 100 °С образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран. По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера, которому удалось получить многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара. Позднее в сходном эксперименте были синтезированы нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).Органические вещества скапливались в сравнительно неглубоких водоемах, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение доносило до поверхности Земли ультрафиолетовые лучи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоем атмосферы. Так энергией обеспечивалось протекание химических реакций между органическими соединениями и синтез полимеров.Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом — пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой. Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру которая была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружающей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых систем. Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма популярна. Сильной ее стороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни — закономерный результат. Аргументом в пользу этой концепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях. Слабой стороной концепции А. И. Опарина является допущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. В рамках концепции Опарина не решена главная проблема — о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой материи к живой.

Спорные вопросы концепций происхождения  жизни

1) что было первичным — белки  или нуклеиновые кислоты? 
2) если предположить, что эти классы полимеров возникли не одновременно, то как и когда произошло их объединение в единую систему передачи генетической информации?

Белки в организме служат катализаторами протекающих биохимических реакций  и являются клеточными структурными элементами. Они представляют собой  цепочки аминокислот, удерживающихся пептидными связями. Из огромного арсенала аминокислот для образования  животных и растительных белков природа  использовала 20 типов. Разнообразие белков определяется различными аминокислотами и последовательностью их расположения в белковых цепях. Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с  происхождением жизни, является характеристика особенностей доклеточного предка. идентичности состава и последовательности расположения аминокислот различия в пространственной структуре белков приводят к разнице в их физико- химических свойствах. Белки живого происхождения имеют одинаковую изомерию, тогда как абиогенно полученные белки содержат равное количество возможных пространственных структур. Нужный в данный момент белок синтезируется клеткой из запасенного материала с помощью системы воспроизведения, которая содержит в закодированном виде необходимую информацию. Свои функции система воспроизведения осуществляет при помощи полимерных соединений дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК). ДНК является хранительницей генетической информации, заложенной в последовательность оснований, расположенных вдоль ее цепи. РНК способна считывать хранимую в ДНК информацию, переносить ее в среду с исходными для синтеза белка материалами и строить из них нужные белковые молекулы.

Существует  одно важное и пока не нашедшее объяснения различие в свойствах живого и  неживого веществ. Концепция А. И. Опарина относится к группе голобиоза, поскольку исходит из идеи первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Нуклеиновые кислоты при таком механизме появляются на завершающем этапе. Примером иной точки зрения служит концепция Дж. Холдейна, согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромо-лекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, и потому названная им «голым геном». Подобную группу концепций называют генобиозом или информационной гипотезой. Позиции гипотезы генобиоза заметно укрепились к 1970-м годам, а в 1980- е годы в представлениях о доклеточном предке она стала доминирующей. Общее признание в рамках этой гипотезы получила идея, согласно которой хирально чистыми молекулярными «блоками», составившими основу для зарождения живого, были макромолекулы ДНК или РНК.

Современные представления о происхождении  жизни: проблемы и решения

Оказалось, что РНК наделена такой же генетической памятью, как и ДНК, и вопреки  устоявшейся генетической догме  возможен перенос генетической информации от РНК к ДНК при участии  фермента, открытого в начале 1970-х  годов. Была установлена способность  РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, то есть автокаталитическая функция.Гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необходимых для строительства белка, высказана Эйгеном в работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971). Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарвиновского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Циклы, работающие быстрее и эффективнее остальных, выживают и побеждают в конкурентной борьбе. Как можно досюда дочитать и не охуеть? Пищей служат молекулы мономеров, которые поглощаются при полимеризации или в ходе циклов реакций. В «первичном бульоне» присутствуют и катализаторы химических реакций, которые образуются в них как промежуточные продукты, то есть возникает автокаталитическая самоорганизующаяся система. После того как образовался «первичный бульон» из углеродных соединений, появилась возможность образования биополимеров — нуклеиновых кислот и белков, обладающих свойствами самовоспроизводства. В результате осаждения органических соединений на минеральных телах, например на глине дна водоемов, возникла концентрация, необходимая для образования полимеров. 
Вода в начальный период формирования нашей планеты непрерывно перемещала растворенные в ней вещества из мест образования в места накопления, где формировались протобионты (системы органических веществ, способные расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ).

Далее образовались микросферы, или коацерваты (сгустки органических веществ), между  которыми выстраивались молекулы сложных  углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. Включение в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, приводило к возникновению примитивной клетки, которая могла расти. Мембраны располагались на поверхности клетки, а также многократно прошивали ее насквозь в разных направлениях, образуя внутреннюю сеть мембран. На мембранах концентрировались абиогенно синтезированные ферменты, что упорядочило обмен веществ в клетках. Он начал зависеть от свойств и порядка расположения ферментов на мембранах. У нуклеиновых кислот, которые синтезировались абиогенно, еще не было однозначно заданных матриц, в соответствии с которыми каждая новая молекула нуклеиновых кислот копирует последовательность азотистых оснований молекулы-матрицы. Строение молекул ДНК те первые клетки через ряд последующих поколений передали клеткам современных организмов. Таким образом, современные клетки происходят из большого количества абиогенно сформировавшихся прототипов. Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от органического материала абиогенного происхождения, образовавшегося на еще более ранней стадии эволюции Земли. 
Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планете отодвигается более чем на 4 млрд лет назад, то есть жизнь на Земле существует примерно столько же времени, сколько существует сама планета.

Заключение

Роль  развития химии как науки, в развитии естественнонаучных знаний – одна из ключевых ролей. Будучи составной  частью в истории формирования общей  естественнонаучной картины мира, история  познания химических свойств вещества, история практического овладения  им, тесно переплеталась с историей развития отношения человека с окружающим миром.  Люди  всегда проявляли интерес к практической стороне развития химии, затем, на более  поздних этапах становления химических знаний – к методологической стороне.  Развитие  химической науки, физики и биологии, оказывало влияние на формирование общих мировоззренческих и естественнонаучных знаний, на характер и вопросы законов познания. Химической  науке в ее современном развитии и связи с современным естествознанием  предстоит выяснить процессы образования  минералов земной коры, химических соединений на других планетах и звездах, проникнуть в самые тайники биохимических  превращений, вооружить промышленность, сельское хозяйство, здравоохранение  новыми синтетическими препаратами, защитить окружающую среду. Те успехи, которые  одерживала химия в познании природы, явились результатом тесного  единства в развитии химической теории и практики, а также взаимодействия развития химических знаний со знаниями в областях других наук. 

В заключение можно сказать, что роль химической науки в формировании, становлении естествознания, его  научных основ, является одной из основополагающих. Достижения химии, химические законы выступают как одна из важнейших  составных частей концепции современного естествознания.

Список  литературы

1.Войткевич Г. В. Возникновение и развитие жизни на Земле. — М., 1988. 
2.Кастлер Г. Возникновение биологической организации. — М., 1967. 
3.Кузнецов В. И. Общая химия. Тенденции развития. — М., 1989. 
4.Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие: 2-е изд.-М., 
1968. 
5.Горохов В.Г., «Концепции современного естествознания», М.: ИНФРА, 2003 г.;

6.Лихин А.Ф. «Концепции современного естествознания», М.: Проспект, 2004 г.; 

Дополнительная  литература

1. Акимов О.Е., «Естествознание», М.: ЮНИТИ, 2001г.;
2. Кедров Б.М., «Предмет и взаимосвязь естественных наук», М., 1992 г.;
3. Колгинский Э.И., «Эволюция биосферы», Л., 1990 г.;
4. Небель Б., «Наука об окружающей среде. Как устроен мир», М., 1993 г.;

 Интернет  – ресурсы

1. www.biotechnolog.ru;
2. www.gumer.info.