Эволюционная химия: сущность и основные проблемы

     2.1. Различные подходы  к самоорганизации

     Существуют  два подхода к решению проблем  самоорганизации предбиологических  систем: субстратный и функциональный. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур, т. е. проблема состава элементов-органогенов и соответствующей структуры биологических систем. Функциональный подход: отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно больших числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

     Отбор химических элементов проходил в  процессе самоорганизации предбиологических  систем. Предполагается, что многие из 110 открытых на сегодня химических элементов, попадая в живые организмы, участвуют в их жизнедеятельности. Но основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем. Это натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель, весовая доля которых в организмах примерно 1,6%. Еще около 20 элементов участвуют в построении и функционировании узко специфических биосистем, например, водорослей, состав которых определяется в Известной мере питательной средой. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений. Из них 96% - органические, состоящие из тех же 6-18 элементов. Из остальных 90 химических элементов природа (в условиях Земли) создала всего около 300 тыс. неорганических соединений. Из органогенов на Земле наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика - около 0,24 весовых процента. В Космосе безраздельно господствуют только два элемента - водород и гелий, а все остальные можно рассматривать как примесь к ним. Таким образом, геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющими факторами выступают требования соответствия между строительным материалом и теми сооружениями, которые представляют собой высокоорганизованные структуры. С химической точки зрения, эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию прочных и энергоемких связей, причем связей лабильных, т.е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению.

     Указанным условиям отвечает углерод как органоген № 1. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности. Углерод реализует их единство, выступает в качестве носителя внутреннего противоречия. Азот, фосфор, сера как органогены, а также элементы, составляющие активные центры ферментов, - железо и магний тоже отличаются лабильностью. Кислород и водород не столь лабильны и их рассматривают как носителей окислительных и восстановительных процессов. Подобно тому, как из всех химических элементов только б органогенов и 10-16 других элементов отобраны природой для основы биосистем, в результате эволюции шел отбор и химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют только несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит 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.

       Исследователи - химики и биологи - поражаются трудно обозримому миру животных и растений, составленному природой из такого узкого круга органических веществ. Полагают, что когда период химической подготовки - время интенсивных и разнообразных превращений - сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Находят массу доказательств тому, что аминокислотный состав гемоглобина самых низших позвоночных животных и человека практически один и тот же; более или менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав ферментативных средств и состав веществ, накапливаемых впрок, и т. п.

     Каким же образом происходила так называемая химическая подготовка, в результате которой из минимума химических элементов  и химических соединений образовался  сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистема? Химикам важно понять это, чтобы научиться у природы приспособлять к своим нуждам "менее организованные материалы", например, синтезировать сахар из СОз, СОНз и H₂O, получать стереоспецифические соединения и т.п.

     Исследователи настойчиво открывают все больше и больше тайн природы. И эти открытия показывают, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Примером может служить система пирольных циклов в гемине, обеспечивающая повышение активности атома железа в окислительно-восстановительных реакциях в миллиарды раз. Первой и наиболее простой из этих структур можно назвать различные фазовые границы. Они служили основой физической и химической адсорбции, которая вносила элементарное упорядочение во взаимное расположение частиц, увеличивала их концентрацию и служила фактором появления каталитического эффекта. Вторым структурным фрагментом считают группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. Сюда относят полупроводниковые цепи и структуры, ответственные за трансгидрирование, или перенос водорода. Третья структура, необходимая для эволюционирующих систем, - это группировки, выполняющие задачу энергетического обеспечения. К ним относятся оксиоксогруппы, фосфоросодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями. Следующим фрагментом эволюционирующих систем является развитая полимерная структура типа РНК и ДНК. Она выполняет ряд функций, свойственных перечисленным выше структурам, и главное - роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе Подобных структур. В связи с этим привлекает внимание ряд выводов, полученных различными путями и в самых разных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, термодинамике, химической кинетике).

     На  ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Условия  высоких температур (” 5000°К), электрических  разрядов и радиации препятствуют образованию  конденсированного состояния и  с лихвой перекрывают те порции энергии, которые необходимы для преодоления энергетических барьеров.

     Проявления  катализа начинаются при смягчении  условий (“5000°К) и образовании первичных  твердых тел.

     Роль  катализатора возрастала по мере того как физические условия (главным образом температура) приближались к земным. Но общее значение катализа, вплоть до образования более или менее сложных органических молекул, все еще не могло быть высоким.

     Появление таких даже относительно несложных  систем, как СНзОН, СН2 = СН2, НС = СН, Н2СО, НСООН, а тем более оксикислот, аминокислот и первичных сахаров было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа.

     Роль  катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, известного количественного минимума органических и неорганических соединений начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром. Отличительной чертой второго, функционального, подхода к проблеме предбиологической эволюции является сосредоточение внимания на исследовании самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Среди естествоиспытателей данного подхода придерживаются преимущественно физики и математики, которые рассматривают эволюционные процессы с позиции кибернетики. Крайней точкой зрения в нем является утверждение о полном безразличии к материалу эволюционных систем. Живые системы, вплоть до интеллекта, могут быть смоделированы даже из металлических систем.

     Так в 80-х гг. прошлого века появилось новое научное направление - искусственная жизнь (ИЖ, ALife), оно, как отдельное выделилось из теории искусственного интеллекта (ИИ), когда состоялась первая Международная конференция ALife I (1989г., Лос-Аламос). Вскоре за ней последовали Европейская конференция по искусственной жизни и Международная конференция по моделированию адаптивного поведения (обе – 1991г., Париж). Одной из главных задач ИЖ считается создание искусственных существ, способных действовать не менее эффективно, нежели живые организмы. С первых дней своего официального существования участники ИЖ-проектов в существенной степени (гораздо активнее, нежели классические исследователи ИИ) ориентировались на робототехнику. Однако со временем их интерес переместился к моделям коллективного поведения²².Поэтому фантастика А.Азимова о роботах, может воплотится в жизнь. И для человечества возникнет опасность столкнуться с “Терминатором” и “восстанием машин”. Что может привести к уничтожению “венца творения” - человека, своим же творением, следующим витком эволюции - искусственной жизнью. И появлению цивилизации искусственной (созданной человеком) неорганической жизни, которая может посчитать, что органическая жизнь не имеет права на существование.

     2.2. Общая теория химической  эволюции и биогенеза  Руденко

    В 1969г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза. Это теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, которая в общем виде была выдвинута в 1964 г., профессором Московского университета А.П. Руденко. В ней осуществлен синтез рациональных сторон субстратного и функционального подходов. Она решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

     Пока  только эта теория может служить  основанием эволюционной химии как новой концептуальной системы, возвышающейся над учением о химическом процессе. Сущность данной теории состоит в утверждении, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Те же центры, изменение которых связано с уменьшением активности, постепенно выключаются из кинетического процесса, “не выживают”. При многократных последовательных необратимых изменениях катализатора переход его на все более высокие уровни сопровождается эволюцией механизма базисной реакции как за счет изменений состава и структуры катализаторов, функционировавших в начале реакции, так и за счет дробления химического процесса на элементарные стадии и появления на них новых катализаторов. Эти новые катализаторы появляются не путем захвата их из внешней среды, а благодаря саморазвитию.

     А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного, потока трансформируемой энергии. А так как главным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на основе реакций с самым большим средством (экзотермические реакции). Базисная реакция является, таким образом, не только источником энергии, необходимой для полезной работы в системе, которая направлена против равновесия, но и орудием отбора наиболее совершенных эволюционных изменений в катализаторе.

     Теория  саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий. Первое - общая классификация этапов химической эволюции, а на ее основе классификация катализаторов по уровню их организации. Эта классификация может быть представлена следующим рядом катализаторов с последовательным повышением уровня организации: кристаллы, близкие к идеальным, - реальные кристаллы после раскристаллизации - реальные кристаллы с включением примесей из сферы реакций - твердые кристаллы с хемосорбированными комплексами - гомогенные каталитические системы, в том числе металлоорганические, металлокомплексные катализаторы стереоспецифического действия - микрогетерогенные и коллоидные системы. Второе следствие - принципиально новый метод изучения, катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакций. И, наконец, третье следствие - конкретная характеристика пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу в результате преодоления так называемого второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

     Наибольший  же интерес представляет собственно процесс усложнения химических веществ  вплоть до создания живого, т. е. биогенез. А. П. Руденко выделяет два подхода к рассмотрению химической эволюции: актуалисгический (биохимический) и естественноисторический. Первый подход к проблеме дает возможность рассмотреть химическую эволюцию ретроспективно, со стороны биологии, исходя из известных свойств существующего живого, т. е. на основе конечного результата химической эволюции. Такой путь решения проблемы, по мнению А. П. Руденко, заводит в тупик.

     “Хотя многие биополимеры были также синтезированы  в абиогенных условиях... однако условия  синтеза оказались резко отличными  от условий, предполагающихся для возникновения жизни в водной среде. Все эти синтезы... имеют положительный потенциал Гиббса и требуют дополнительной затраты химической энергии, реальные источники которой неизвестны. Без дополнительной энергии эти синтезы не могут осуществиться, а имевшиеся биополимеры не смогли бы сохраниться длительное время, так как равновесие процесса в этих условиях сдвинуто в сторону их гидролиза. Еще большие трудности и противоречия возникают при объяснении последующих этапов молекулярной эволюции, ее причин, движущих сил, механизмов естественного отбора, происхождения генетического кода. Неясно, почему вообще происходит химическая эволюция и чем она отличается от неорганизованных химических процессов, почему для построения живого было использовано ограниченное число веществ из всех возможных, почему химическая эволюция приводит к системам, удаляющимся от равновесия, характерным свойством которых является стационарное неравновесие, а все остальные процессы приводят к равновесию и т. д.”²⁵.