Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.
Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел», осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и/или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остается открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.
Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0,5-1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ - альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.
Исследование химической эволюции осложняется тем, что в настоящее время знания о геохимических условиях древней Земли не являются достаточно полными.
Поэтому, кроме геологических, привлекаются также астрономические данные. Так, условия на Венере и Марсе рассматривают как близкие к тем, что были на Земле на различных этапах её эволюции.
Основные данные о химической эволюции получены в результате модельных экспериментов, в ходе которых удалось получить сложные органические молекулы при имитации различных химических составов атмосферы, гидросферы и литосферы и климатических условий.
На основе имеющихся данных был выдвинут ряд гипотез о конкретных механизмах и непосредственных движущих силах химической эволюции.
Абиогене́з - образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов.
В широком смысле абиогенез - возникновение живого из неживого, то есть исходная гипотеза современной теории происхождения жизни
Существует также теория гиперциклов; согласно которой первые проявления жизни были соответственно в виде гиперциклов - комплекса сложных каталитических реакций, продукты выхода которых являются катализаторами для последующих реакций.
В 2008 году американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды активированные нуклеотиды - «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК . В 2011 году японские ученые сообщили, что им удалось создать синтетическую клетку с оболочкой и элементами ДНК внутри, способную к размножению при нагревании "первичного бульона" до 94 градусов по Цельсию.
Биологическая эволюция - естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.
Существует несколько эволюционных теорий, объясняющих механизмы, лежащие в основе эволюционных процессов. В данный момент общепринятой является синтетическая теория эволюции (СТЭ), являющаяся развитием теории Дарвина. СТЭ позволяет объяснить связь субстрата эволюции (гены) и механизма эволюции (естественный отбор). В рамках СТЭ эволюция представляет собой процесс изменения наследственных черт в популяциях организмов в течение времени, превышающего продолжительность жизни одного поколения.
Чарльз Дарвин первым сформулировал теорию эволюции путем естественного отбора. Эволюция путем естественного отбора - это процесс, который следует из трех фактов о популяциях: 1) рождается больше потомства, чем может выжить; 2) у разных организмов разные черты, что приводит к различиям в выживаемости и вероятности оставить потомство; 3) эти черты - наследуемые. Таким образом, в следующем поколении увеличится количество таких особей, черты которых, способствуют выживанию и размножению в этой среде. Естественный отбор - единственная известная причина адаптаций, но не единственная причина эволюции. К числу неадаптивных причин относятся генетический дрейф, поток генов и мутации.
Несмотря на неоднозначное восприятие в обществе, факт эволюции является одним из наиболее доказанных в биологии. Открытия в эволюционной биологии оказали огромное влияние не только на традиционные области биологии, но и на другие академические дисциплины, такие как антропология и психология.
Эволюция происходит в течении периода времени превышающего срок жизни одного поколения и заключается в изменении наследуемых черт организма. Первым этапом этого процесса является изменение частот аллелей генов в популяции. В идеальной популяции, в которой отсутствует влияние внешней среды, дрейф и поток генов, согласно закону Харди-Вайнберга частота аллелей будет неизменна от поколения к поколению. Мутации увеличивают изменчивость в популяции за счет появления новых аллельных вариантов генов - мутационной изменчивости. Кроме мутационной, также есть комбинативная изменчивость, обусловленная рекомбинацией, но она не приводит не к изменениям частот аллелей, а к их новым сочетаниям. Ещё одним фактором приводящим к изменению частот аллелей является поток генов.
Два других фактора эволюции - естественный отбор и дрейф генов «сортируют» созданную мутациями и потоком генов изменчивость приводя к установлению новой частоты аллелей в популяции. Дрейф генов - вероятностный процесс изменения частот генов и наиболее ярко проявляется в популяциях относительно небольшого размера. Дрейф может приводить к полному исчезновению определенных аллелей из популяции. Естественный отбор является главным творческим фактором эволюции. Под его действием особи с определенным фенотипом (и определенным набором наследственных черт) будут более успешны чем другие, то есть будут иметь более высокую вероятность выжить и оставить потомство. Таким образом, в популяции будет увеличиваться доля таких организмов, у которых есть наследственные черты, обладающие селективным преимуществом. Взаимное влияние дрейфа и естественного отбора однозначно оценить сложно, но в целом, вероятно, оно зависит от размера популяции и интенсивности отбора. Кроме выше названных факторов важное значение может иметь и горизонтальный перенос генов, который может приводить к появлению совершенно новых, для данного организма генов.
Естественный отбор повышает приспособленность организмов, приводя к формированию адаптаций. Протекающие в течении длительного времени эволюционные процессы могут привести как к образованию новых видов и их дальнейшей дивергенции, так и к вымиранию целых видов.
Наследственность - это свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом. Эволюция организмов происходит посредством изменения наследственных признаков организма. Примером наследственного признака у человека может служить коричневый цвет глаз, унаследованный от одного из родителей. Наследственные признаки контролируются генами. Совокупность всех генов организма образует его генотип.
Наследуемость также может встречаться и в более крупных масштабах. Например, экологическое наследование посредством строительства ниши. Таким образом, потомки наследуют не только гены, но и экологические особенности местообитания, созданного активностью из предков. Другими примерами наследования, не находящегося под контролем генов, может служить наследование культурных черт и симбиогенез.
Фенотип организма обусловлен его генотипом и влиянием окружающей среды. Существенная часть вариаций фенотипов в популяциях вызвана в различиях их генотипов. В СТЭ эволюция определяется как изменение с течением времени генетической структуры популяций. Частота одной из аллелей изменяется, становясь более-менее распространенной среди других форм этого гена. Действующие силы эволюции ведут к изменениям в частоте аллели в одну или в другую стороны. Изменение исчезает, когда новая аллель достигает точки фиксации - целиком заменяет предковую аллель или исчезает из популяции.
Изменчивость складывается из мутаций, потока генов и рекомбинации генетического материала. Изменчивость также увеличивается за счет обменов генами между разными видами, таких как горизонтальный перенос генов у бактерий, гибридизация у растений. Несмотря на постоянные увеличение изменчивости за счет этих процессов, большая часть генома идентична у всех представителей данного вида. Однако даже сравнительно небольшие изменения в генотипе могут вызвать огромные различия в фенотипе, например, геномы шимпанзе и людей различаются всего на 5 %.
Случайные мутации постоянно происходят в геномах всех организмов. Эти мутации создают генетическую изменчивость. Мутации - изменения в последовательности ДНК. Они вызваны радиацией, вирусами, транспозонами, мутагенными веществами, а также ошибками, происходящими во время репликации ДНК или мейоза. Мутации могут не иметь никакого эффекта, могут изменять продукт гена или препятствовать его функционированию. Исследования, проведенные на дрозофиле, показали, что, если мутация изменяет белок, производимый геном, то примерно в 70 % случаев это будет иметь вредные воздействия, а в остальных случаях нейтральные или слабоположительные. Для уменьшения негативного эффекта мутаций в клетках существует механизмы репарации ДНК. Оптимальный уровень мутаций - это баланс между высоким уровнем вредных мутаций и затратами на поддержание системы репарации. У РНК-вирусов уровень мутабильности высокий, что, видимо, является преимуществом, помогая избегать защитных ответов иммунной системы.
Мутации могут вовлекать большие участки хромосом. Например, при дупликации, которая вызывает появление дополнительных копий гена в геноме. Эти копии становятся основным материалом для возникновения новых генов. Это важный процесс, поскольку новые гены развиваются в пределах семейства генов от общего предка.
У бесполых организмов гены во время размножения не могут смешиваться с генами других особей. В отличие от них, у организмов с половым размножением потомство получает случайные смеси хромосом своих родителей. Это происходит за счет процесса гомологичной рекомбинации в ходе которого происходит обмен участков двух гомологичных хромосом. При рекомбинации не происходит изменения частоты аллелей, но происходит образование их новых комбинаций. Таким образом, половое размножение обычно увеличивает наследственную изменчивость и может ускорять темп эволюции организма. Однако, бесполое размножение зачастую выгодно и может развиваться у животных с половым размножением. Это может позволить двум наборам аллелей в геноме дивергировать с приобретением новых функций.
Рекомбинация позволяет наследоваться независимо даже аллелям, которые находятся близко друг от друга в ДНК. Однако, уровень рекомбинации низок - примерно две рекомбинации на хромосому за поколение.
Потоком генов называют перенос аллелей генов между популяциями. Поток генов может осуществляться за счет миграций особей между популяциями в случае подвижных организмов, либо, например, с помощью переноса пыльцы или семян в случае растений. Скорость потока генов сильно зависит от подвижности организмов.
Степень влияние потока генов на изменчивость в популяциях до конца не ясна. Существуют две точки зрения, одна из них, что поток генов может иметь значительное влияние на крупных популяционных системах, гомогенизируя их и, соответственно, действую против процессов видообразования; вторая, что скорости потока генов достаточно, только для воздействия на локальные популяции.
Эволюция посредством естественного отбора - это процесс, при котором закрепляются мутации, увеличивающие приспособленность организмов. Естественный отбор часто называют «самоочевидным» механизмом, поскольку следует из таких фактов как:
Такие условия создают конкуренцию между организмами в выживании и размножении. Таким образом, организмы с наследственными чертами, которые дают им конкурентное преимущество, имеют большую вероятность передать их своим потомкам, чем организмы с наследственными чертами, не имеющими подобного преимущества.
Центральное понятие концепции естественного отбора - приспособленность организмов. Приспособленность определяется как способность организма к выживанию и размножению, которая определяет размер его генетического вклада в следующее поколение. Однако, главным в определении приспособленности является не общее число потомков, а число потомков с данным генотипом (относительная приспособленность). Естественный отбор для черт, которые могут изменяться в некотором диапазоне значений (например, размер организма), можно разделить на три типа:
Описание работы
Химическая эволюции или пребиотическая эволюция - первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углерод-содержащие молекулы.
В 60-х годах 20-го века было установлено экспериментально, что в ходе химической эволюции отбирались те химические структуры, которые способствовали резкому повышению активности и избирательной способности катализаторов. Это позволило профессору МГУ А.П. Руденко в 1964 г. теорию саморазвития открытых каталитических систем, которая по праву можно считать общей теорией хемо- и биогенеза. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.
А.П. Руденко сформулировал и основной закон химической эволюции: с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.
Саморазвитие, самоорганизация систем может происходить только за счет постоянного притока энергии, источником которой является основная, т.е. базисная реакция. Из этого следует, что максимальные эволюционнные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базеэкзотермических реакций.
Временной период химической эволюции. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Первые проявления катализа начинаются при понижении температуры до 5000° К и ниже и образовании первичных твердых тел. Полагают также, что когда период химической подготовки, т.е. период интенсивных и разнообразных химических превращений сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция как бы застыла.
Прикладное значение эволюционной химии. Эволюционная химия не только помогает раскрыть механизм биогенеза но и позволяет разработать новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул и создание новых мощных катализаторов, в том числе биокатализаторов – ферментов, а это, в свою очередь, является залогом решения задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов.
К началу документа
Теории возникновения жизни
Наиболее известными к настоящему времени теориями возникновения жизни на Земле являются следующие.
Креационизм . Согласно этой теории жизнь была создана сверхъестественным существом – Богом в определенное время. Этого взгляда придерживаются последователи почти всех религиозных учений. Однако и среди них нет единой точки зрения по этому вопросу, в частности, по трактовке традиционного христианско-иудейского представления о сотворении мира (Книга Бытия). Одни буквально понимают Библию и считают, что мир и все населяющие его живые организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа (в 1650 г. архиепископ Ашер, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, вычислил, что Бог приступил к сотворению мира в октябре 4004 г. до н.э. и закончил свой труд в декабре 23 октября в 9 часов утра, создав человека. При этом, правда, получается, что Адам был сотворен в то время, когда на Ближнем Востоке уже существовала хорошо развитая городская цивилизация ). Другие же не относятся к Библии как к научной книге и считают, что главное в ней – божественное откровение о создании мира всемогущим Творцом в понятной для людей древнего мира форме. Другими словами, Библия не отвечает на вопросы «каким образом?» и «когда?», а отвечает на вопрос «почему?». В широком смысле креационизм допускает, таким образом, как создание мира в его законченном виде, так и создание мира, эволюционирующего по законам, заданным Творцом.
Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Однако для верующего теологическая (божественная) истина абсолютна и не требует доказательств. В то же время, для настоящего ученого научная истина не является абсолютной, она всегда содержит элемент гипотезы. Таким образом, концепция креационизма автоматически выносится за рамки научного – исследования, поскольку наука занимается лишь теми явлениями, которые поддаются наблюдению, могут быть подтверждены или отвергнуты в ходе исследований (принцип фальсифицируемости научных теорий). Другими словами, наука никогда сможет ни доказать, ни опровергнуть креационизм.
Самопроизвольное зарождение . Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни. Он считал, что «..живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы.». С распространением христианства эта теория оказалась в одной проклятой церковью «обойме» с оккультизмом, магией, астрологией, хотя и продолжала существовать где-то на заднем плане, пока не была опровергнута экспериментально в 1688 г. итальянским биологом и врачом Франческо Реди. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.
Теория панспермии . Согласно этой теории жизнь была занесена на Землю извне, поэтому ее, в сущности, нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой. Она не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а простопереносит проблему происхождения жизни в какое-то другое место Вселенной.
Теория биохимической эволюции . Жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.
Последняя теория отражает современные естественнонаучные взгляды и поэтому будет рассмотрена подробнее.
Согласно данным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно:
· высокая температура, порядка 4000 О С, · атмосфера, состоящая из водяных паров, СО 2 , СН 3 , NH 3 , · присутствие сернистых соединений (вулканическая активность), · высокая электрическая активность атмосферы, · ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.
Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!
К началу документа
Гипотеза Опарина-Холдейна . В 1923 г. появилась знаменитая гипотеза Опарина, сводившаяся к следующему: первые сложные углеводороды могли возникать в океане из более простых соединений, постепенно накапливаться и проводить к возникновению «первичного бульона». Эта гипотеза быстро приобрела вес теории. Надо сказать, что последующие экспериментальные исследования свидетельствовали о правомерности таких предположений. Так в 1953 г. С. Миллер, смоделировав предполагаемые условия древней Земли (высокая температура, ультрафиолетовая радиация, электрические разряды) синтезировал в лабораторных условиях 15 аминокислот, входящих в состав живого, некоторые простые сахара (рибоза). Позднее были синтезированы простые нуклеиновые кислоты (Орджел). В настоящее время синтезированы все 20 аминокислот, составляющих основу жизни.
Опарин предполагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам . Белки способны образовывать гидрофильные комплексы: молекулы воды образуют вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы и образовывать так называемые коацерваты (<лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки. Существенный недостаток этой гипотезы – она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.
(Английский ученый Холдейн (Кембриджский университет) в 1929 г. опубликовал свою гипотезу, согласно которой, живое также появилось на Земле в результате химических процессов в богатой диоксидом углерода атмосфере Земли, и первые живые существа были, возможно, «огромными молекулами». Он не упоминал ни о гидрофильных комплексах, ни о коацерватах, но его имя часто упоминается рядом с именем Опарина, а гипотеза получила название гипотезы Опарина-Холдейна.)
Решающую роль в возникновении жизни впоследствии отводили появлению механизма репликации молекулы ДНК. Действительно, любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не жизнь. Ведь важнейшее свойство жизни – ее способность к самовоспроизведению. Проблема здесь в том, что сама по себе ДНК «беспомощна», она может функционировать только при наличии белков-ферментов (например, молекула ДНК-полимеразы, «расплетающая» молекулу ДНК, подготавливая ее к репликации). Остается открытым вопрос, как самопроизвольно могли возникнуть такие сложнейшие «машины» как пра-ДНК и нужный для ее функционирования сложный комплекс белков-ферментов.
В последнее время разрабатывается идея возникновения жизни на основе РНК , т.е. первыми организмами могли быть РНК, которые, как показывают опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Условия для эволюции таких организмов наблюдаютсяпри кристаллизации глины . Эти предположения основаны, в частности, на том, что при кристаллизации глин каждый новый слой кристаллов выстраивается в соответствии с особенностями предыдущего, как бы получая от него информацию о строении. Это напоминает механизм репликации РНК и ДНК. Таким образом, получается, что химическая эволюция началась с неорганических соединений, и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакциймалых молекул алюмосиликатов глины.
К началу документа
Гиперциклы и зарождение жизни . Концепция самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов происхождения и эволюции жизни, исходя из теории химической эволюции Руденко, рассмотренной ранее и гипотезы немецкого физико-химика М. Эйгена. Согласно последней, процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействиемнуклеотидов ( нуклеотиды - элементы нуклеиновых кислот – цитозин, гуанин, тимин, аденин ), являющихся материальными носителями информации , ипротеинов (полипептидов [ 1] ), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят самих себя и передают информацию следующему за ними протеину, так что возникаетзамкнутая автокаталитическая цепь , которую М. Эйген назвалгиперциклом . В ходе дальнейшей эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала безъядерные (прокариоты), а затем с ядрами – эукариоты.
Здесь, как видим, прослеживается логическая связь между теорией эволюции катализаторов и представлениями о замкнутой автокаталитической цепи. В ходе эволюции принцип автокатализа дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенного М.Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается усилением метаболизма, связанного с синтезированием высокоэнергетических молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. (Здесь интересно отметить особенности вирусов как промежуточной формы между жизнью и нежизнью: они лишены способности к метаболизму и, внедряясь в клетки, начинают пользоваться их метаболической системой ). Итак, по Эйгену происходит конкуренция гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Цикла, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, «побеждают» в конкурентной борьбе.
Таким образом, концепция самоорганизации позволяет установить связь между живым и неживым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления. Кроме того, жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции .
К началу документа
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные этапы образования планет в соответствии с ротационной моделью. 2. Какие общие особенности планет Солнечной системы свидетельствуют об едином происхождении планет? 3. Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе. 4. Как происходила дифференциация вещества Земли? Объясните строение Земли. 5. Что такое геохронология?
6. На какие части (по степени изученности) подразделяется история Земли? 7. Какие элементы называются органогенами и почему? 8. Какие элементы образуют химический состав живых систем? 9. Что такое самоорганизация? 10. В чем сущность субстратного и функционального подходов к проблеме самоорганизации химических систем?
11. Что такое эволюционная химия? 12. Что можно сказать о естественном отборе химических элементов и их соединений в ходе химической эволюции? 13. Что означает саморазвитие каталитических систем? 14. В чем заключается прикладное значение эволюционной химии? 15. Перечислите основные теории возникновения жизни.
16. Что такое креационизм? Можно ли опровергнуть креационизм? Объясните ваш ответ. 17. Что является слабым местом теории панспермии? 18. Чем отличается теория биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни? 19. Какие условия считаются необходимыми для возникновения жизни в результате биохимической эволюции? 20. Что такое предбиотическая эволюция?
21. В чем заключается гипотеза Опарина - Холдейна? 22. В чем заключается основная проблема объяснения перехода от «неживого» к «живому»? 23. Что такое гиперцикл?
Литература
1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997. 2. Кузнецов В.Н., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: Агар,1996. 3. Грядовой Д.Н. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. - М.: Учпед,1999. 4. Концепции современного естествознания /под ред. С.И. Самыгина. - Ростов н/Д: Феникс, 1997. 5. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998. 6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: «Культура и спорт», ЮНИТИ, 1997. 7. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.
8. Нудельман Р. Кембрийский парадокс. - "Знание - Сила", август, сентябрь-октябрь 1988.
[ 1] полипептиды – длинная цепь аминокислот
К началу документа
Права на распространение и использование курса принадлежат Уфимскому Государственному Авиационному Техническому Университету
Химическая эволюция - процесс необратимых изменений, приводящий к появлению новых химических соединений - продуктов, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эти процессы стали активно и целенаправленно исследовать в 1970-е гг. в связи с изучением проблемы постоянно усложняющихся химических процессов до уровня, способствовавшего возникновению живого вещества на Земле. Интерес к этим процессам восходит к давним попыткам понять, как из неорганической материи возникает органическая, а далее и жизнь. Первым осознал высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах основатель органической химии Й.Я. Берцелиус (конец XVIII - начало XIX в.). Он установил, что основой лабораторий живого организма является биокатализ. Большое значение каталитическому опыту живой природы придавалось и в XX в. Так, академик Н.Н. Семенов рассматривал химические процессы, протекающие в тканях растений и животных, как своеобразное «химическое производство» живой природы.
Кратко рассмотрим этапы химической эволюции. Вероятно, следует признать, что она началась с появлением простейшего носителя - атома. Согласно концепции Большого взрыва, существующие сейчас, химические элементы возникли в процессе эволюции Вселенной от сверхплотного и сверхгорячего состояния до современного мира звезд и галактик. Предполагается, что первыми образовались простейшие атомы (вернее, их ядра) водорода. Приблизительно через 1 с после Большого взрыва плотность материи уменьшилась до 1 т/см 3 , температура - до 100 млрд К, а диаметр вырос до 1500 млрд км. Вещество находилось в состоянии полностью ионизированной плазмы, состоящей из нуклонов (протонов и нейтронов) и электронов. Еще через 10 с, когда температура понизилась до 10 млрд К, появились условия для протекания ядерной реакции образования дейтронов - ядер дейтерия (тяжелого водорода).
Однако при этой температуре равновесие данной реакции сильно сдвинуто влево (оно сдвигается вправо только при температуре 1млрд К - примерно через 100 с после Большого взрыва), и дейтроны не могли накапливаться, так как они при этих условиях превращаются в ядра гелия (эта схема вполне удовлетворительно объясняет количество гелия в нашей Вселенной). На дозвездной стадии развития материи ядра других химических элементов не образуются, поскольку плотность и температура расширяющейся Вселенной быстро падают. При этом процесс образования 4 Не (цифра слева вверху - относительная атомная масса, т.е. масса атома, выраженная в атомных единицах массы, которая составляет 1/12 массы изотопа углерода с массовым числом 12- 1,6605655(86)10"27 кг), начавшись приблизительно через 2 мин. после Большого взрыва, прекращается уже к концу 4-й минуты. При остывании Вселенной до температуры 3500 К (приблизительно через 1 млн. лет) происходит рекомбинация ядер гелия и оставшихся ядер водорода с электронами: образуются атомы гелия и водорода - исходный материал для межзвездного газа и звездных систем.
Дальнейший синтез химических элементов продолжается в недрах звезд при повышении температуры. В процессе конденсации в протозвезду межзвездного газа, состоящего из водорода и гелия, в результате гравитационного сжатия температура повышается и снова становится возможной реакция образования гелия из водорода. Этот этап характеризуется температурами, не превышающими 20 106 К.
После ядер гелия Не наиболее устойчивыми являются ядра 12 С и 16 О. Термоядерная эпоха образования таких ядер (Т < 100 млн К) наступает после того, как на первом этапе истощается, «выгорает» водород. В эту эпоху в плотных выгоревших ядрах звезд-гигантов возможно непосредственное образование углерода и кислорода (не атомов, а ядер). Дальнейшее слияние ядер гелия приводит к образованию 20 Ne, 24 Mg и т.п. Более поздняя ядерная эпоха, когда обеспечивается температура до 1 млрд. К, характеризуется «горением» углерода. При этом образуются ядра вплоть до 27 А1 и 28 Si. Выше 30 млрд. К в реакцию вступают более тяжелые ядра, начиная с кремния 32 Si. В условиях складывающегося при этом термодинамического равновесия синтезируются элементы вплоть до железа и атомы близких ему элементов, ядра которых являются самыми стабильными ядрами. При этом достигается минимум энергии всей системы, и более тяжелые ядра не синтезируются. Получение элементов с большими атомными номерами осуществляется по другому механизму - последовательный захват ядрами нейтронов и последующий 3-распад. В подобных процессах в качестве самого тяжелого может получиться нуклид l81 Bi. Ядра, более тяжелые, чем 181 Bi, синтезируются во время взрывов новых и сверхновых звезд в условиях огромной плотности нейтронных потоков, когда возможен захват ядрами нейтронов не по одному, а группами.
Можно с большой долей вероятности предположить, что в Солнечной системе сменилось несколько этапов ядерного синтеза. Сравнение химического состава Солнца и химического состава звездного вещества позволяет заключить, что все описанные выше процессы синтеза ядер имели место в Солнечной системе, причем первоначальная масса образовавшейся в нашем участке Галактики звезды превышала критическую (равную 1,44 массы Солнца), и она оказалась неустойчивой. Под действием гравитационного притяжения протозвезда сжималась, ее температура повышалась, обеспечивая первые этапы ядерного синтеза. Выделяющаяся при этом энергия оказалась слишком велика, вследствие чего через некоторое время происходил взрыв и образовывались ядра самых тяжелых элементов. Масса звезды уменьшалась за счет выброса вещества. Этот процесс повторялся неоднократно до тех пор, пока масса центральной массивной звезды не стала ниже критического предела. Такой механизм обеспечивает интервал времени, достаточный для химической, геолого-географической и биологической эволюции.
В настоящее время многие исследователи полагают, что планеты Солнечной системы образовались из солнечной материи, выброшенной из Солнца, когда оно становилось сверхновой звездой. Охлаждение образовавшейся вокруг Солнца дискообразной газовой туманности дало возможность для соединения атомов в молекулы, т.е. началась собственно химическая эволюция.
Молекулы не могли образоваться при звездных температурах, когда большинство атомов существует в виде многозарядных ионов (например, в солнечной короне при 1 млн. К атомы железа являются ионами Fe 13+). Двухатомные молекулы обнаружены в спектрах лишь наиболее холодных звезд с температурой поверхности 2000-3000 К (оксиды Al, Mg, Ti, Zr, С, Si и некоторые другие двухатомные молекулы с наиболее прочной химической связью). При этом в межзвездном пространстве присутствует большое количество молекул, в том числе достаточно сложных. Предполагается, что состав указанных молекул соответствует составу первых молекул, образовавшихся в результате охлаждения звездного вещества. Найдены и другие молекулы, но в значительно меньших количествах.
Когда температура протопланетной туманности понизилась до 1000-1800 К, начали конденсироваться, т.е. становиться жидкими и твердыми, самые тугоплавкие вещества, в частности образовались капельки железа, а впоследствии и силикатов (солей кремниевых кислот).
При температурах 400-1000 К конденсировались другие металлы и их соединения с серой и кислородом. Застывшие капли силикатного материала в виде хондр (маленьких сферических тел) образовали, по-видимому, при последующем сгущении множество астероидов - первичных тел хондритовых метеоритов. Можно предположить, что в результате дифференциации первичного газа под действием солнечного ветра (истечения плазмы солнечной короны в межпланетное пространство) и градиента температур атомы наиболее легких элементов были отброшены на периферию Солнечной системы и расположенные ближе к Солнцу планеты земного типа возникли путем сгущения наиболее высокотемпературной фракции с повышенным содержанием железа.
С формированием Земли как планеты на химическую эволюцию стала оказывать действие эволюция Земли. Это влияние выражалось (и выражается в настоящее время) в изменении концентрационного распределения химических элементов в теле Земли и по ее оболочкам (в атмосфере, гидросфере, коре, мантии, ядре), а также в создании условий (температура, давление) для образования новых веществ.
Конечно, при этом имело место и обратное воздействие. Образование новых веществ и появление возможностей для новых химических процессов вызывали формирование новых геологических образований, например осадочных пород. Таким образом, геологическая и химическая эволюции протекают в значительной степени совместно, взаимно влияя друг на друга. Химическая эволюция привела к появлению жизни. Это произошло благодаря развитию не веществ, а химических систем и процессов, в них происходящих.
В качестве актуальной области знания, объединяющей в своем предмете неорганическую и органическую природу, химия является в полном смысле этого слова интегральной, смежной наукой, призванной раскрыть тайны возникновения жизни, объективную структуру смежных систем развивающейся природной действительности. Познавательные и общественные функции химии требуют самого внимательного и всестороннего анализа философских оснований науки, включая, прежде всего, проблемы химической эволюции, ее специфики и взаимосвязи с физическими и биологическими, а отчасти также и социальными процессами.
Главной теоретической дисциплиной, изучающей химическую форму движения материи, является химия, дифференцировавшаяся к настоящему времени на множество дисциплин, неразрывно связанных друг с другом. Накопив огромный эмпирический материал, химия является одним из важнейших источников развития материалистической диалектики. В свою очередь, она сама творчески использует диалектику, что диктуется необходимостью создания теории, обобщающей и синтезирующей различные химические дисциплины в единое целое.
Химическая форма движения материи есть результат длительной эволюции. Она крайне неоднородна в своей основе и охватывает область от простейших химических соединений до белковоподобных структур, возникающих абиотическим путем. Можно выделить два больших этапа возникновения химической формы движения материи. Первый возникновение химических элементов в астрофизических и ядерных процессах. Поскольку при этом не образуются химические связи, то становление химических элементов не есть непосредственное развитие самих химических систем. «Эволюция в рамках периодической системы не носит химического характера». Второй этап - развитие собственно химической формы движения материи - наиболее полно развертывается лишь в планетарных условиях, в геохимических процессах. При наличии благоприятных условий химические системы способны порождать те или иные формы жизни. Само возникновение жизни есть одна из магистралей эволюции. «Жизнь, - подчеркивал еще Ф. Энгельс, - должна была возникнуть химическим путем». Химическая эволюция, приведшая к возникновению примитивных форм жизни, выступает непосредственно как предбиологическая эволюция. Все богатство разнообразных объектов химической формы движения материи возникло не сразу, а лишь в ходе длительной эволюции. Химическая форма движения материи эволюционна в своей основе. Именно непонимание этой эволюционности ведет к всевозможным виталистическим и теологическим концепциям в химии.
Химическая эволюция - единственный путь, ведущий к возникновению жизни. Идеалистами этот путь или отрицается, или объясняется следствием действия духовного начала.
По сути дела, к таким же выводам неизбежно ведет и концепция Жака Моно, который пытается опровергнуть диалектический материализм, предварительно отнеся его, как и позитивизм Г. Спенсера и учение Тейяра де Шардена, к разряду концепций, в которых объективные явления выводятся из законов развития субъективного. Так, он приписывает диалектическому материализму идею Тейяра о некотором факторе, создающем направленность «космической эволюции» к человеку. Сам Ж. Моно к теории эволюции относится отрицательно, о чем свидетельствует его тезис об абсолютно изолированном от влияния внешнего мира характере ДНК, которая совершенно неспособна «к получению какой-либо информации из внешнего мира». Этот тезис необходимо требует (при последовательном приведении) признания единого акта творения. Ж. Моно убежден, что жизненные процессы полностью сводятся к закономерностям молекулярного уровня.
Его абсолютный редукционизм, по сути дела, отрицает качественно новые особенности, возникающие в результате саморазвития систем, их интеграции.
Концепция «сведения» всех особенностей развития и функционирования живого к законам физики и химии является явно механистичной. Но последовательный механицизм неизбежно ведет к своей противоположности - витализму. Например, Эльзассер постулирует наличие в неживой природе особых биотонических законов, которые и обеспечивают возникновение живого. Он на словах открещивается от витализма, но эти таинственные законы, по сути, ничем не отличаются от жизненной силы виталистов. Взгляды Эльзассера анализирует известный физик Е. Вигнер. Придя к выводу, что «согласно квантовомеханической теории вероятность существования самопроизводящихся состояний равна нулю», он далее пишет «о доминирующей роли такого явления, как сознание» для самоорганизующихся систем. Этот вывод весьма характерен; последовательный механицизм независимо от того, из законов какой именно механики - классической, статистической или квантовой - он исходит, не будучи в состоянии понять историческое возникновение самих законов (например, биологических), вынужден апеллировать к ведущей роли сознания.
Исходя из классической статистики, на основе допущения о разовом возникновении белковой молекулы неотомист Веттер приходит к выводу о том, что для свершения подобного события необходимо 10243 миллиардов лет. Отсюда он делает вывод о божественном происхождении живого.
Классическая статистика, как и феноменологическая термодинамика, до сих пор подвергается произвольному истолкованию, особенно второе начало термодинамики, на основе которого пытаются сделать откровенно виталистические выводы.
Подобные концепции необходимо подвергать детальной критике с позиций материалистической диалектики, с привлечением естественнонаучного материала. В ходе такой критики должна решаться триединая задача: во-первых, обоснование ложности идеалистических трактовок; во-вторых, материалистическое объяснение эволюционных процессов, и в частности химической эволюции; в-третьих, философское обобщение естественнонаучного материала, разработка общефилософских принципов. Для разработки этих принципов особенно велико значение химии, накопившей богатейший эмпирический и теоретический материал.
Химическая эволюция - результат длительного развития, осуществляемого через ряд промежуточных ступеней, имеющего определенную направленность и закономерно приводящего к качественно новому состоянию материи. Развитие химических систем имеет черты, общие для всех развивающихся систем. Как известно, подобные черты, независимые от качественной специфики систем, исследуются философией. «Всякое развитие, - писал К. Маркс, - независимо от его содержания, можно представить как ряд различных ступеней развития, связанных друг с другом...». Главными вопросами теории развития, справедливыми и для химической формы движения, являются вопросы об исходной причине развития, его направленности, о том, чем обусловлено возникшее качественно новое состояние.
Вопрос о развитии, о становлении нового качества является предельно общим, философским. В качестве его конкретизации выступает вопрос о возникновении жизни в результате длительной предбиологической эволюции. Решить вопрос в общем плане - значит дать верную методологию для решения частных вопросов.
Возникающие в результате какого-либо процесса качественно новые системы неаддитивные исходным. В процессе химической эволюции возникает множество качественно новых систем. Помимо ответа на вопрос о причинах и направленности развития большое значение имеет здесь понимание обусловленности качественно нового состояния. Развитие на химическом уровне позволяет в значительной степени вскрыть некоторые общефилософские закономерности, важные для выяснения этой обусловленности. Ф. Энгельс показал взаимосвязь химии и философии, раскрыв, в частности, на материале химии механизм действия закона перехода количественных изменений в качественные, а далее, опираясь на этот закон, дал определение самой химии. На основе материала современной химии в настоящее время делаются попытки развить далее закон перехода количественных изменений в качественные.
Возникающие в итоге развития качественно новые системы имеют ряд особенностей по сравнению с исходными. Главной из них будет усиление момента динамичности, сложности. При этом, как уже указывалось, неизбежно происходит интеграция свойств и сторон. Далее, чем больше компонентов будет входить в целое, тем большим числом способов они могут быть взаимосвязаны в нем, влияя друг на друга. Неизбежным следствием этого явится увеличение избирательности, неповторимости каждой индивидуальной системы. Практически необозримое число самых разнообразных и специфичных белков, в которые во всех случаях входит не более 22 разнокачественных аминокислот, свидетельствует об этом. И, наконец, в итоге химической эволюции претерпевает изменение такая сторона системы, как способность к отражению, в первую очередь генезис развивающихся систем и их взаимодействий.
Современная химия является теоретической дисциплиной, лежащей между физической и биологической теориями. Она, развиваясь, переходит от качественных и полуколичественных представлений к более строгой количественной теории. Широко используются в ней квантовые представления. Значительные успехи, достигнутые в этом направлении, в то же время сопровождаются различными ошибками, которые носят ярко выраженный мировоззренческий, методологический характер. Особенно много прямо противоречащих друг другу толкований вызывает концепция сведения химии к физике. Данная концепция в данный момент оживленно дискутируется.
Между физической, химической и биологической формами движения материи существует структурно-генетическая связь, имеет место эволюционный переход от низших форм движения к высшим. Отрицание подобного перехода, по сути дела, будет означать отрицание эволюции форм движения материи и материального единства мира. Наличие генезиса одних форм из других является основанием для утверждения о выведении высшего из низшего. Между физической, химической и биологической теориями, по-видимому, должны существовать переходы, поскольку аналогичные переходы объективно существуют в природе между формами движения. Выявление перехода и связей между теориями необычайно способствует интеграции научного знания.
Непонимание диалектического единства форм движения материи ведет к их резкому противопоставлению. Подобная установка приводит к ничем не обоснованным выводам о действии в живом особых физических законов. Например, К. С. Тринчер говорит о действии четвертого закона термодинамики. Физические законы едины для живой и неживой материи, но отсюда совершенно не следует, что химические и биологические законы не имеют никакой специфики. Их специфика лежит в иной области.
Современные философские основания химии существенно определяются анализом процесса химической эволюции. Вопрос о химической эволюции особенно актуален потому, что в ее рамках происходит переход от неживого к живому. Игнорирование данного перехода, попытки объяснить биологическое непосредственно из физического приводят к механипизму (его разновидности - физикализму), а постулирование «пропасти» между живым и неживым и безуспешные усилия обнаружить биологическое в рамках физического - к всевозможным разновидностям преформизма и витализма.
Исследования химической формы движения материи имеют большое значение для научной философской теории и общественно-исторической практики. Наряду с конкретным решением частных вопросов необходимо рассматривать и философские проблемы химической формы движения материи, ибо «кто берется за частные вопросы без предварительного решения общих, тот неминуемо будет на каждом шагу бессознательно для себя «натыкаться» на эти общие вопросы».
Химическая форма движения материи выступает как высшая форма движения в неорганической природе. Будучи переходной между физической и биологической формами движения, она играет интегрирующую роль, обеспечивая единство, их взаимосвязь и переход между ними. Химическая форма движения материи представляет особый интерес для выявления, изучения и конкретизации общих принципов системного развития, что затруднительно сделать на основе исследования физической формы движения материи вследствие ее сравнительной бедности и элементарности или же биологической - из-за ее чрезвычайно высокой динамичности и сложности, подчас затемняющей отделение главного от побочного и второстепенного.
Химическая эволюция послужила, по представлениям современной науки, основой для появления жизни в нашей звездной системе. Для возникновения жизни во Вселенной необходимо выполнение ряда условий: наличие нуклеосинтеза, звездообразования, трехмерного пространства, в котором только и могут существовать атомы, планетные системы и др. Открытия в области космологии дают основания для утверждения, что "жизнь есть результат естественных процессов, происходящих во Вселенной" (С. Поннамперума). В связи с проблемой жизни наиболее существенным элементом химической эволюции, разыгрывающейся во Вселенной, является трансформация углеродных соединений, лежащих в основе возникновения земной жизни.
Углерод относится, бесспорно, к наиболее распространенным элементам в космосе, ибо для своего нуклеосинтеза он не требует (подобно таким легким элементам, как гелий, азот или кислород) никаких необычных источников энергии, например в виде вспышек "сверхновых" звезд. Присутствие углерода обнаружено в спектрах всех классов звезд. Правда, в звездах, температура поверхности которых составляет около 25000°С, углерод выступает только в ионизованном состоянии или в виде атомов. Но уже в звездах класса А с температурой поверхности около 10000°С имеются условия, способствующие возникновению соединений углерода с водородом. Количество этих соединений возрастает по мере уменьшения температуры звезд. В случае Солнца, температура поверхности которого составляет около 6000 °С, установлено наличие простейших углеводородов и циана (П. Девис). Наиболее интересными в этом плане являются углеродные звезды, называемые также "красными гигантами". Они характеризуются значительным избытком углерода относительно кислорода, что позволяет предполагать существование в их атмосферах значительного количества различных углеродных соединений.
Согласно результатам исследований английского астрофизика Ф. Хойла, в атмосфере углеродных звезд постоянно возникают зерна графита размером порядка нескольких сот ангстрем, которые под влиянием давления света выталкиваются в межзвездное пространство, образуя там облака графитовой пыли и становясь в этой среде источником разнородных углеродистых соединений. В настоящее время имеются указания на то, что частицы космической пыли обладают сложным строением - силикатное ядро, окруженное оболочкой из органических веществ, в которой, очевидно, протекают различные химические процессы (Дж. Гринберг). Многочисленные звезды являются местом первичного синтеза исходных углеродных соединений, которые могут быть рассматриваемы как предвозвестники более сложных органических соединений. "Известный афоризм, что и мы и звезды сделаны из одного материала, - не пустые слова. Атомы, из которых состоят различные молекулы атмосферы, земной коры, рек, озер и океанов, растений и животных, возникли при рождении Галактики" (С. Поннамперума).
В Галактике непрерывно происходит процесс формирования новых звезд из межзвездной материи, но одновременно возникшие звезды отдают часть своего вещества окружающей их среде, обогащая ее углеродными соединениями. Таким образом, в космическом пространстве возникают условия, благоприятные синтезу различных органических соединений. В межзвездных газопылевых облаках могут развиваться сложные химические процессы, в результате которых в космическом пространстве накапливается все больше простых и более сложных органических субстанций. Так, радионаблюдения показывают, что в нашей Галактике звездообразующие облака включают в себя такие органические межзвездные молекулы, как муравьиная кислота, формальдегид, этанол и др. (Н. Сковилл, Дж. Янг), что в некоторых участках туманности Андромеды имеются молекулы циана и формальдегида (А.С. Шаров).
Источником возникающих в Космосе углеродных соединений являются не только горячие атмосферы звезд, но и ледяные зерна межзвездной пыли. Это означает, что углеродные органические соединения могут возникать, существовать и эволюционировать в весьма широком интервале температур в границах от ЗООО°К (атмосферы углеродных звезд) до 2°К (газопылевые облака). Это является главной причиной того, что и атмосферы звезд, и образования газопылевой материи, и небесные тела типа комет, а также и все межзвездное пространство насыщены большим обилием углерода и его соединений (Г.А. Гурзадян).
Исследования в области квантовой химии холода показали, что благодаря специфически квантовому явлению, так называемому "туннельному эффекту", химические реакции могут идти даже при температурах, близких к абсолютному нулю (В.И. Гольданский). Из экспериментов следует, что реакции полимеризации твердых органических веществ происходят непосредственно в ходе облучения вещества ультрафиолетом уже при температуре жидкого гелия (-269°С). Значимость этих исследований состоит в том, что они показывают возможность синтеза органических молекул, которые составляют основу живой материи, в условиях космического холода под действием космической радиации. Очевидно, "туннельный эффект" играет достаточно важную роль в функционировании биомолекул, он "работает" как в области глубокого холода, так и в области температур выше 200°К (В.И. Гольданский).
Одним из основных процессов, лежащих в основе функционирования реальных биосистем, является перенос (с помощью "туннельного эффекта") электрона в белке (Э.Г. Петров). В результате этого происходит перестройка ядерной конфигурации макромолекулы, которая оказывает влияние на биоэнергетику клетки. Имеются данные о том, что "туннельные эффекты" в многоатомных системах определяют формирование таких биологических свойств, как раздражимость и возбудимость (М.А. Шишло, С.Х. Кубли, В.П. Нужный).
Важность квантовомеханических методов исследования в биохимии заключается в том, что основную роль в жизненных процессах играют делокализованные электроны. Их источниками являются те природные элементы, которые составляют основную часть биохимических веществ.
Известно, что живые системы на 99% состоят из водорода, углерода, азота и кислорода, причем последние три элемента наиболее легко образуют кратные связи. Сюда же относятся и такие весьма важные для биохимических процессов элементы, как сера и фосфор. Эти пять элементов даже в случае одинарных связей располагают "неподеленной парой электронов", способной делокализоваться и связывать сопряженные участки. Поэтому неудивительно, что все "наиболее важные биохимические вещества, связанные с основными функциями живой материи или осуществляющие эти функции, представляют собой полностью или по крайней мере частично сопряженные системы" (Б. Пюльман, А. Пюльман).
К соединениям с сопряженными связями, составляющим основные структурные и функциональные единицы живой клетки, относятся нуклеиновые кислоты, белки, богатые энергией фосфаты и большинство ферментов. Так как эти соединения относительно сложны, а природа не прощает излишеств, то они обладают некоторой существенной особенностью, позволяющей им участвовать в жизненных процессах. Этой особенностью является делокализация электронов, придающая молекуле дополнительную устойчивость (т.е., например, может определять устойчивость молекул к действию излучений и представлять основу для отбора на молекулярном уровне) и обеспечивающая возможность таких реакций, которые не характерны для молекул других типов. Динамичность жизни согласуется с динамичностью "электронного облака" в сопряженных молекулах. Следовательно, такие системы можно рассматривать и как исходную структуру, и как главную основу жизни.
Специфика философии химии
Химия в содружестве с другими науками и в тесном союзе с философией, дает обширный, фундаментальный материал для выработки у ученого научно-философских взглядов на природу и окружающий мир.
Известно, что практические достижения химии стали одним из важнейших моментов происходящей научно-технической революции, а масштабы производственно-химической деятельности людей стали весьма ощутимыми по своим воздействиям на природу и общество. Стремительный рост химизации производства ставит ряд проблем философского и социологического характера.
Экономическая, политическая, идеологическая, нравственная, эстетическая сторона развития химии и химизации производства, их роль в прогрессе техники, производительных сил, в отношениях общества с природой, и опосредованные социальные последствия химизации, и обратное влияние различных социальных факторов на ход развития химической науки, на направление практических применений ее достижений - вот некоторые из этих вопросов.
Можно выделить три основные группы философских вопросов химии. Первая из них связана с обобщением того нового, что достигла химия в познании вещества, с выявлением того, как она обогащает общую научную картину вещества, природы, каково мировоззренческое значение сделанных открытий. Это онтологический аспект достижений химии. Разработка этих вопросов позволяет выяснить, глубже понять сущность тех или иных открытых химией явлений, увидеть их связи с другими - физическими и биологическими и прочими явлениями, осмыслить их место в общей системе природы. Разработка этих вопросов необходима не только для выработки общего научного мировоззрения, соответствующего достигнутому уровню знаний о природе и для корректировки дальнейших направлений химического исследования. Вторую и самую обширную группу вопросов составляют вопросы гносеологические и методологические. В них затрагивается сама познавательская деятельность химика, ее логический инструментарий, анализ развивающегося химического знания применяемых в химии понятий абстракций, методов исследования и т.д. Результаты познания, оформляясь в виде новых понятий, принципов, теорий, всегда становятся и инструментами дальнейшего познания. Раскрыть не только общую естественнонаучную мировоззренческую значимость новых знаний, но их значение в развитии познавательного аппарата науки, их функционирования в роли орудий и средств познания - вот задача исследований методологической и гносеологической стороны химии. Это вопросы в условиях бурного развития современной химии, растущей математизации, абстрактности знаний приобрели особую остроту и значимость. Третья группа философскиx вопросов химии - это вопросы, относящиеся к раскрытию социального аспекта развития химии и химической практики. Это вопросы, связанные с превращением химии в производительную силу, связанные с тем, вырабатываемые наукой понятия становятся орудиями практической деятельности людей по преобразованию объективной действительности. Это вопросы, связанные и с тем, что изучаемые химией вещества - не только загадочный предмет упорных научных исследований, но и то, что жизненно нужно человечеству. Наличие или отсутствие тех или иных видов вещества, доставляемое химией умением переделывать вещество, управлять его свойствами и превращениями, все это является существенным фактором общественного развития и заметно отражается на различных сторонах жизни общества. Конечно, деление философских проблем химии на указанные три группы довольно условно. Законы бытия, объективного мира и законы познания, мышления не есть нечто абсолютно независимое друг от друга, они едины, совпадают и в определенном смысле тождественны. Субъективная диалектика, диалектика понятий есть отражение диалектического движения действительного, объективного мира. Поэтому первую группу вопросов (онтологический аспект) нельзя полностью оторвать от гносеологических проблем. Общая научная картина природы, вещества представляет собой результат познания; она выражается в понятиях, в абстракциях и несет на себе печать гносеологической, методологической позиции исследователей и сама выступает, в свою очередь, орудием познания, базой для совершенствования познавательного аппарата науки, возникновения и решения, гносеологических и методологически вопросов (например, для анализа сдвигов в структуре научной теории). Группа вопросов, касающихся социального аспекта химии, тоже не может быть полностью оторвана от гносеологических и онтологических. Разработка гносеологических, мировоззренческих проблем в науке всегда несет на себе печать идеологической борьбы, социальных процессов своего времени. Мировоззренческое значение тех или иных достижений химии не ограничиваются только тем, что они дают данные для уточнения общих представлений о природе. Место и роль химии и химической деятельности человечества в общей картине бытия полнее могут быть раскрыты лишь с учетом их социального аспекта, влияния на жизнь людей, на состояние отношений общества с природой. Философские вопросы химии, как и всякой другой частной науки, не являются вопросами абсолютно самостоятельными внешними по отношению к ней, вопросами, волнующими лишь отдельных любителей, стремящихся удовлетворить свою праздную любознательность. Можно без преувеличения сказать, что философские вопросы выступают как одна из непременных составных частей в разработке научных и практических проблем химии. Союз химии и философии имел место на протяжении всей их истории. Будучи составной частью в истории формирования обшей естественнонаучной картины мира, история познания химических свойств вещества, история практического овладения им, тесно переплеталась с историей развития отношения человека с окружающим миром, с историей познания материальной и духовной стороны этих отношений. История химии убедительно свидетельствует о том, что многие крупные представители этой науки отличались высокой философской, гносеологической культурой и в той или иной мере всегда проявляли интерес к мировоззренческой, методологической и социальной стороне развития химии, а характер и уровень их философской позиции всегда отражался в направлениях, методах и результатах их исследований. Вопросы общего мировоззренческого характера и вопросы, касающиеся законов познания, особенно тесно вплетены в повседневную деятельность химика. Химическая наука находится сейчас на пороге грандиозного взлета. Ей 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. Те успехи, которые одерживала химия в познании природы, явились результатом тесного единства в развитии химической теории и практики. Развитие химии убеждает в необходимости дальнейшего углубленного изучения механизмов научного мышления химиков, его «технологии», его особенностей на разных этапах химической науки. Гносеологический анализ познавательной деятельности химика, его абстракций, моделей, применяемых методов упрощения и идеализации важен в первую очередь для самих химиков. Недостаточное понимание действия и природы средств познания, их происхождения и возможностей обычно оказывается причиной методологических ошибок в исследованиях и выводах, беспомощности перед натиском метафизических и идеалистических спекуляций на гносеологических трудностях при замене одних абстракций на другие, приводит к напрасной трате научных сил и материальных средств. В заключение можно сказать, что философские вопросы химии не являются вопросами, без решения которых эта наука может быстро и успешно развиваться. Эти вопросы, так или иначе выступают как одна из составных частей и в разработке конкретных научных проблем современной химии, прежде всего ее больших теоретических проблем, и в повседневной деятельности химика по добыванию новых знаний о веществе, по преобразованию веществ природы в жизненно нужные людям материальные блага.
В процессе превращения химии в науку совершалась так называемая химическая эволюция, и переломный момент этого революционного процесса наступил после создания в 1777 году французским естествоиспытателем Лавуазье теории горения с описанием роли кислорода. Тогда же начался пересмотр всех основополагающих понятий и главных принципов химии, изменилась терминология и номенклатура веществ.
Год 1789 ознаменовался выходом учебника Лавуазье, сразу ставшего главным пособием для теоретиков и практиков родившейся науки. В "Элементарном курсе химии" уже был первый в мире список - таблица простых тел, где перечислялись известные химические элементы. В основе этого фолианта Лавуазье лежала именно кислородная теория горения, посредством которой химическая эволюция была направлена по абсолютно новому пути. Самое главное в определении элемента - опыт, именно его и избрал учёный главным критерием, а всё, что не подтверждается опытным путём, например атомарное или Лавуазье не рассматривал.
Химическая эволюция пошла путём сформулированных им законов - о сохранении массы, о характере свойств соединений, об их различиях в элементном составе. Именно тогда химия приняла вид науки самостоятельной, изучающей состав тел экспериментальным путём. Никак не могла химическая эволюция обойтись без рационализации предмета, и, таким образом, человечество окончательно отказалось от алхимического прошлого, поскольку представления о природе вещества и его свойствах изменялись коренным образом и очень быстро. А толчком к этому процессу послужили исследования Лавуазье. Теперь даже школьники знают, что этапы химической эволюции (или пребиотической эволюции) нужно рассматривать со времён, которые предшествовали В восемнадцатом веке таких представлений о мире никто ещё не имел.
Химическая эволюция Земли начиналась на абсолютно безжизненной планете, когда органические вещества постепенно начали возникать из молекул неорганических, на которые особым образом влияли энергетические и селекционные факторы. Разворачивались процессы самоорганизации, которые свойственны даже относительно сложным системам. Так, на Земле появился углерод. Вернее, сначала появились углеродосодержащие молекулы, имеющие принципиальное значение не только для возникновения, но и для дальнейшего развития всякого живого вещества.
Нам неизвестно до сих пор, в чем сущность химической эволюции на ранних этапах развития жизни. Известное о химизме любого вещества ограничивает эволюционный процесс границами водно-углеродного постулата. Возможно, во Вселенной есть варианты иного способа существования и наше белковое происхождение - не единственный "выход в свет". Здесь осуществилось уникальное сочетание полимеризационных качеств углерода с деполяризующими свойствами водной среды, находящейся в фазе жидкости. Эти условия оказались достаточными, чтобы началась химическая эволюция жизни, а также необходимыми для развития всего известного нам многообразия жизненных форм.
Человечеству даже о собственной колыбели известно далеко не всё. Тем более о том, где и когда начались этапы химической эволюции на Земле. Об этом мы тоже можем только предполагать. Здесь, во-первых, возможны абсолютно любые сроки.
Когда окончился второй цикл звёздообразования, когда конденсировались продукты взрыва которые дали межзвёздному пространству элементы, называемые тяжёлыми, у которых масса превышает двадцать шесть. Когда звёзды уже во втором поколении обрели собственные планетные системы, где необходимых тяжёлых элементов уже было достаточное количество. Реализоваться сущность химической эволюции могла в любой момент после Большого взрыва в промежутке от полумиллиарда до полутора миллиардов лет.
Где она могла зародиться - тоже вопрос открытый. При создании многих достаточно вероятных условий запуск химической эколюции мог произойти практически в любой среде. Это и недра планет, и глубины океанов, и поверхности, даже протопланетные образования годятся.
Более того, облака межзвёздного газа тоже могут послужить плацдармом для атаки живого вещества на безжизненность, и это подтверждают обнаруженные там органические вещества - спирты и сахара, альдегиды, аминокислоты глицина и многое другое, способное послужить исходным материалом для возникновения жизни посредством начавшейся химической эволюции.
Древняя Земля хранит свои секреты, и человечество пока не имеет достоверных сведений о геохимических условиях её существования до возникновения жизни. Геологическеи исследования не могут удовлетворить все возникающие вопросы, и потому для изучения широко привлекается астрономия. Так выстраивается теория химической эволюции. Сегодняшние венерианские или марсианские условия рассматриваются как аналогичные для Земли на определённых этапах химической эволюции.
Ставятся эксперименты на моделях, и таким образом получаются все известные нам основные данные. Например, с помощью имитации разнообразных химических составов и климатических условий в атмосфере, гидросфере, литосфере были получены сложные органические молекулы. Получение новых данных экспериментальным путём всегда обогащает строящуюся теорию. Так, были во множестве выдвинуты гипотезы относительно конкретных механизмов и непосредственно движущих сил состоявшейся химической эволюции.
Жизнь на Земле образовалась благодаря абиогенезу, то есть рождению органических соединений, пребывание которых свойственно живой природе вне всякого организма и без малейшего участия ферментов. Это самый первый этап, когда живое появляется из неживого.
По предположению академика Опарина в двадцатых годах двадцатого века, растворы высокомолекулярных соединений получают возможность образовывать некие зоны, где их концентрация повышена, и отделённость от внешней среды не мешает им обмениваться с ней. Эти зоны называются коацерватами или коацерватными каплями.
Первый абиогенный синтез, осуществлённый в условиях первобытной Земли, провёл в 1953 году Стэнли Миллер, синтезировав аминокислоты с другими органическими веществами. Впоследствии появилась теория гиперциклов, которая объясняет проявления жизни в эволюции присутствием комплексов каталитических реакций, следующих друг за другом, где продукт предыдущей становится катализатором для следующей.
Лишь в 2008 году американскими биологами была создана первая "протоклетка", которая сквозь оболочку из жирных кислот и липидов была способна получать нуклеотид-монофосфаты из окружающей среды. Эти активированные имидазолом "кирпичи" абсолютно необходимы для синтеза ДНК. А в 2011 году в Японии были созданы везикулы с элементами ДНК под катионной оболочкой, которые были способны к делению, поскольку шла полиразмерная цепная реакция, реплицирующая ДНК.
Химическая эволюция жизни на Земле в гипотезах объясняет следующие основополагающие моменты.
Как было сказано выше, Александр Опарин ещё в двадцатых годах прошлого века открыл коацерваты. Далее Стэнли Миллер и Гарольд Юри в 1953 году описали возникновение в симулирующей древней атмосфере простые биомолекулы и процесс их возникновения. Далее Сидней Фокс рассказал миру о микросферах из протеноидов. В 1981 году Т. Чеку и С. Алтману удалось наблюдать автокаталитическое деление РНК, как рибозимы способны объединять информацию и катализ в молекуле, "вырезая" себя из цепочки и соединяя остающиеся "концы".
В 1986 году У. Гилберт из Кембриджа разработал идею "Мир РНК", а Гюнтером фон Кидровски из Германии тогда же была представлена первая самореплицирующаяся система на основе ДНК, что явилось важнейшим вкладом в понимание самореплицирующихся систем и функций их роста. Наука быстро пошла вперёд в этом направлении: Манфред Эйген открыл гиперцикл, эволюцию ансамблей молекул РНК, а Юлий Ребек создал первую искусственную молекулу, которая самореплицируется в хлороформе.
В Центре космических полётов НАСА Джон Корлис изучал процесс поставки из термальных источников морей энергии и химикалий, которые делают химическую эволюцию независимой от космической среды, они и сегодня являются для первоначальных археобактерий постоянной средой обитания. В мире сульфидов железа появился ряд гипотез Гюнтера Вэхтерсхойзера.
Он описал первые самореплицирующиеся структуры с обменом веществ, возникшие на поверхности пирита (сульфид железа), который и дал необходимую для обмена веществ энергию. В условиях отбора растущие и распадающиеся кристаллы пирита могут расти и размножаться, создавая различные популяции. Также плотно были изучены минералы глины на предмет появления органических молекул. Тем не менее унифицированной модели химической эволюции пока не существует, поскольку основные принципы движения этого процесса ещё не открыты.
