Эволюционная химия: сущность и основные проблемы

     Уровень систем из популяций (экосистемы, биоценозы) формируется как реализация общебиологического императива «жизнь на планетах существует исключительно в форме биотического кругооборота». Элементы экологических систем -популяции суть разные участки пищевых цепей: растения - растительноядные животные -хищники первого порядка -хищники второго порядка и т.д. до редуцентов. В системы их связывает потребление органического вещества, синтезированного на более низком уровне пищевой цепи¹⁶. Отмечу, что главным в данном веществе является организационная негэнтропия, часть которой переводится в процессе утилизации (гликолиза и дыхания) в форму свободной энергии, негэнтропии, связанной с энергией, и далее рассеивается. Поэтому экосистемы представляют собой пирамиду биомассы на разных этажах пищевой цепи¹⁶.

     Совокупность экосистем, возникших в различных географических зонах планеты, функционирующих в разных физико-химических условиях и взаимодействующих путем обмена организмами, газами, растворенными веществами и водой, в пределах всей планеты образует биосферу¹⁶. Биосфера - это высший из известных на настоящий момент уровней организации материи.  
 
 

     1.1.3. Уровни организации  вещества и их  количественные характеристики организации вещества

     Поскольку каждый уровень организации вещества обладает качественными и количественными характеристиками, то представляет интерес их сравнить. Для сравнения уровней материи используем три общих параметра систем: энергию связи, характерный размер и характерное время. В таблице 1 представлены опубликованные значения этих параметров для различных уровней интеграции материи¹⁷.

     Таб. 1. Иерархические уровни организации  вещества

     Анализ  данных, приведенных в таблице  показывает, что все три параметра  от уровня к уровню однонаправлено изменяются скачком на порядки величин, иногда на три-шесть порядков, т.е. масштабы систем от уровня к уровню на порядки изменяются. Существует направленность изменений величин параметров. Энергия связи резко уменьшается, вплоть до того что становится незначимой на уровнях живых систем. Характерный размер резко возрастает. Также резко возрастает характерное время. Например, миг в жизни атома -это миллион актов обменов глюонов на уровне кварков или нуклонов. Один клеточный цикл бактерий (прокариоты) включает в себя 10¹³ химических актов. Целая эпоха на одном уровне соответствует однократному изменению на следующем.

      Сравнивая теорию эволюции материи по Спенсеру и эволюционную теорию видов Дарвина, можно сделать вывод, что эволюция может быть, как вертикальной ( теория Спенсера показывает, как возникают уровни организации материи), так и горизонтальной (Дарвин рассматривал эволюцию в пределах одного уровня организации живого).

            1.2. Методологические принципы концепции А.И. Опарина

     А.И. Опарин применил диалектико-материалистический подход к решению проблемы происхождения  жизни, нашел конкретное воплощение в естествознании, прежде всего в гипотезе, который в 1924 г. изложил основы своей концепции в книге “Происхождение жизни”. Им впервые была разработана конкретно-научная программа экспериментальных исследований данной проблемы. Обобщив достижения космологии, органической химии, геофизики, биохимии, геоморфологии, астрофизики и др., он предложил гипотезу, объясняющую закономерный характер химической эволюции в направлении усложнения ее продуктов вплоть до образования простейших живых существ. А.И. Опарин теоретически предположил и экспериментально доказал возможность образования абиогенным путем органических соединений, которые возникают при действии электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана, и др. Под влиянием различных факторов внешней среды эволюция углеводородов привела к образованию аминокислот, нуклеотидов и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в “первичном бульоне” гидросферы Земли способствовали возникновению коллоидных систем, так называемых коацерватных капель. Последние, выделяясь из окружающей среды и имея неодинаковую внутреннюю структуру, по-разному реагировали на внешнюю среду. Исходным пунктом анализа А.И. Опарина является материалистический подход к пониманию сущности живого. “Жизнь, - писал он, - материальна по своей природе… Это особая, качественно отличная от неорганического мира форма движения материи”¹⁸. Говоря о достоинствах методологии А.И. Опарина, следует подчеркнуть его умение рассматривать в развитии наиболее сложные аспекты этой кардинальной мировоззренческой проблемы. Эта методология помогла сделать А.И. Опарину предположение о том, что условия, в которых происходил процесс зарождения и эволюции жизни, также претерпевали качественные изменения. Было установлено, что превращениям углеродистых соединений в химический период эволюции соответствовала атмосфера с восстановительными свойствами. После того как возникли простые анаэробные формы жизни и увеличивалось количество кислорода, она постепенно стала приобретать окислительные характеристики, что в наибольшей мере свойственно земной атмосфере в настоящее время. Исходя из диалектической теории развития и обобщив богатый материал из биофизики и биохимии, А.И. Опарин предложил программу оригинальных модельных опытов с фазово-обособленными системами, или пробионтами (коацерватными каплями), для объяснения возникновения и совершенствования обмена веществ живых организмов и таких важных его составляющих, как белки (ферменты и строительный материал для морфологических структур), нуклеиновые кислоты (носители генетической информации), полисахариды и липиды (источник энергии биохимических реакций). Однако самое интересное в данном подходе заключается в том, что “на модели коацерватных капель удается экспериментально продемонстрировать зачатки естественного отбора, той закономерности, которая в дальнейшем легла в основу всей последующей эволюции такого рода открытых, фазово-обособленных, целостных систем, на пути к возникновению простейших организмов”¹⁹. Сегодня проблема происхождения жизни исследуется различными науками. Основа такого конкретно-научного подхода заложена А.И. Опариным, он наметил главные пути исследования конкретных механизмов перехода химической эволюции в биологическую. Также А.И. Опарин разработал мировоззренческие и методологические проблемы в решении вопроса о сущности жизни и ее происхождения. Последовательное применение принципов диалектического материализма в процессе конкретного научного познания позволили А.И. Опарину прийти к выводу, что “возникновение жизни отнюдь не является какой-то “счастливой случайностью”, а представляет собой вполне закономерное событие, неотъемлемую часть общей эволюции Вселенной. С этой точки зрения познание процесса возникновения жизни вполне доступно объективному, научному изучению, не требующему постулирования какого-то предшествующего плана творения”²⁰. 
 

     1.3. Философские аспекты  основных современных  решений проблемы  происхождения живого

     Также существуют и другие философские аспекты основных современных решений проблемы происхождения живого. В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное свойство живого изучается в данном исследовании преимущественно (вещество, энергия, информация), все современные концепции происхождения жизни можно условно разделить на три направления: субстратное (биохимики во главе с А.И. Опариным), энергетическое (И. Пригожин, Л.И. Блюменфельд, М.В. Волькенштейн, К.С. Тринчер, П.Г. Кузнецов, Л.А. Николаев и др.) и информационное (А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, М. Эйген, Ф. Крик, Д.С. Чернавский и др.)¹⁹. Из конкретных концепций, получивших сегодня широкое признание, можно указать, кроме гипотезы Опарина о путях эволюции обмена веществ и Холдейна о становлении механизма передачи наследственной информации, на гипотезу Кастлера об эволюции молекулы полинуклеотида со свойствами репликации; идею Кальвина о молекулярной эволюции свойства автокатализа некоторых биополимеров; концепцию Бернала о химической эволюции в адсорбционных пленках; гипотезу Фокса и Дозе об эволюции протеиноидных микросфер; теорию Эйгена об эволюции самовоспроизводящегося гиперцикла систем синтеза белков и полинуклеотидов; концепцию Меклера о перекрестной стереокомплементарности (механизм воспроизводства генетической информации и кода) и др²¹.

     При всем многообразии данных точек зрения их объединяет общий методологический подход, сутью которого является историческая экстраполяция, т.е. объяснение истории  развития живого из знания субстратных, энергетических и информационных характеристик современных живых систем. В данном случае направление процесса познания противоположно естественному ходу возникновения живого и начальные и конечные пункты их не совпадают. Это накладывает определенные ограничения на возможности актуалистического, или, как его еще называет А.П. Руденко, биологического, подхода, самый главный недостаток которого состоит в том, что он не способен в принципе вскрыть законы химической эволюции, определяющие ее условия, возможность, причины и направленность. “Из-за незнания законов химической эволюции в актуалистических гипотезах и теориях остается непонятным механизм естественного отбора эволюционных изменений; неясно, почему вообще происходит химическая эволюция и чем она отличается от неорганизованных химических процессов, почему эволюция направлена от простого к сложному, от неорганических веществ к органическим, от органических веществ к биополимерам и т.д.”¹².

     Анализируя  философский аспект химической эволюции, необходимо отметить, что она рассматривается, главным образом, в контексте биогенеза. С появлением живого химическая эволюция не прекращается, а, наоборот, интенсифицируется, так как возникают биогеохимические и техногенные процессы, которые приводят к появлению веществ и соединений ранее не существовавших в природе и представляющих опасность для живых организмов (например - диоксины). Более того, неконтролируемое вторжение химии в природный круговорот веществ угрожает самому существованию биосферы, о чем в свое время писал В. И. Вернадский 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Эволюционная  химия как высший уровень развития химических знаний

     Химические  знания до определенного момента  накапливались эмпирически, но с  ростом объема знаний появилась необходимость  в их классификации и систематизации. В введении мною представлена концептуальная система химических знаний. Исторически химия в процессе своего развития прошла путь от проблемы элементного и молекулярного состава веществ, через понятие о “структуре” молекулы реагента, к проблемам химических процессов. Разделилась на неорганическую и органическую химию, появились в химии такие дисциплины, как квантовая химия, химическая термодинамика и кинетика, произошло также взаимопроникновение физики, химии и биологии. Накопленные знания дали предпосылку к появлению и развитию эволюционной химии.

     Эволюционная химия - раздел предбиологии - науки о самоорганизации и саморазвитии химических систем, обогащение их более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными. Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Они привлекли внимание исследователей совсем недавно, в 1970-е гг. Однако их истоки уходят в прошлое, к давнишней мечте химиков "освоить опыт лаборатории живого организма" и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь.

     Первым  ученым, осознавшим высокую упорядоченность  и эффективность химических процессов в живых организмах, был основатель органической химии Й.Я. Берцелиус. Он установил, что основой лаборатории живого организма является биокатализ. Идеалом совершенства каталитических превращений считали лабораторию живого организма немецкий ученый Ю. Либих, французский естествоиспытатель П.Э.М. Бертло и другие. Много внимания каталитическому опыту живой природы уделял лауреат Нобелевской премии русский ученый академик Н.Н. Семенов. Он рассматривал химические процессы, протекающие в тканях растений и животных, как своеобразное "химическое производство" живой природы.

     Сегодня химики пришли к выводу, что, используя  те же принципы, на которых построена  химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет  построить принципиально новую  химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул. Предвидится создание преобразователей, использующих с большим КПД солнечный свет, превращая его в химическую и электрическую энергию, а также химическую энергию в свет большой интенсивности.

     Для освоения каталитического опыта  живой природы и реализации полученных знаний в промышленном производстве химики наметили ряд перспективных  путей. Первый - развитие исследований в области металлокомплексного  катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Этот катализ обогащается приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также способами классического гетерогенного катализа. Второй путь заключается в моделировании биокатализаторов. В настоящее время за счет искусственного отбора структур удалось построить модели многих ферментов, характеризующихся высокой активностью и селективностью, иногда почти такой же, как и у оригиналов, или с большей простотой строения. Пока все же полученные модели не в состоянии заменить природные биокатализаторы живых систем. На данном этапе развития химических знаний проблема эта решается чрезвычайно сложно, фермент выделяется из живой системы, определяется его структура, он вводится в реакцию для осуществления каталитических функций. Но работает непродолжительное время и быстро разрушается, поскольку является выделенным из целого, из клетки. Цельная клетка со всем ее ферментным аппаратом - более важный объект, чем одна, выделенная из нее деталь. Третий путь к освоению механизмов лаборатории живой природы связывается с достижениями химии иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации (лат. immobilis - неподвижный) состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции (лат. ad на, у, при + sorbere - поглощать, всасывать), которая превращает их в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие. Благодаря систематическим исследованиям русского химика И.В. Березина и его сотрудников решены проблемы использования иммобилизованных ферментов в тонком органическом синтезе, трансформации стероидов, модификации малостабильных соединений, разделении рацематов на оптически активные формы. Некоторые из этих процессов реализованы в промышленных масштабах. Намечаются пути применения иммобилизованных оксидах, выделенных микроорганизмами, для тяжелого органического синтеза, в частности, для получения на основе парафинов и ароматических углеводородов спиртов, альдегидов, кетонов, кислот, окисей. Изучаются перспективы ферментативного обезвреживания сточных вод. Четвертый путь в развитии исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи - изучением и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и формирования фермента, клетки и даже организма. Это ступень, на которой возникают основы эволюционной химии как действенной науки с ее рабочими функциями. Это движение химической науки к принципиально новой химической технологии с перспективой создания аналогов живых систем. Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. Искусственный отбор каталитических структур ориентировался на естественный, осуществляемый природой на путях эволюции от неорганической материи к живым системам. Другим поводом для развития исследований в области эволюционной химии являются реально ощутимые успехи “нестационарной кинетики”, или динамики химических систем. Они получены совершенно неожиданно в условиях нарушенного стационарного режима работы гетерогенных катализаторов. В 1960-х гг. были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались. В эволюционной химии существенное место занимает понятие “самоорганизация”. “Самоорганизация” отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации"²².