Наиболее важными этапами химической эволюции живого являются. Химическая эволюция: этапы и сущность

Химическая эволюция живого. Из водорода, азота и углерода при наличии свободной энергии на Земле должны были возникать сначала простые молекулы: аммиак, метан и подобные соединения. И дальнейшем эти несложные молекулы в первичном океане могли вступать в новые связи между собой и с другими веществами.

С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при наличии группы –N=C=N–. Эта группа таит в себе большие химические возможности к росту как за счет присоединения к атому углерода атома кислорода, так и путем реагирования с азотистым основанием.

С определенного этапа химической эволюции участие кислорода в этом процессе стало необходимым. В атмосфере Земли кислород мог накапливаться в результате разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца . Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не меньше 1–1,2 млрд лет (рис. 5.1). С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения должны были окисляться, а именно: NH 3 –до NO 3 , CH 4 – до CO 2 , H 2 S – до SO 3 . В ряде случаев при окислении CH 4 могли образоваться метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и т.д., котopые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, могли дать начало аминокислотам и соединениям типа аденина.

Рис. 5.1. Эволюция биосферы и атмосферы (из Ю. Одума, 1975). Левая часть кривой должна быть продолжена, по-видимому, до 2,5 млрд лет.

В ходе таких и аналогичных им реакций воды первичного океана насыщались разнообразными веществами, образуя первичный бульон.

Возможность синтеза аминокислот и других низкомолекулярных органических соединений из неорганических элементов и соединений доказана экспериментально. Так, пропуская электрические разряды или ультрафиолетовое излучение через смесь газов метана и аммиака, при наличии водяного пара удастся получать такие сравнительно сложные соединения, как глицин, аланин, аспарагиновая кислота, γ-аминомасляная, янтарная и молочная кислоты и другие низкомолекулярные органические соединения всех четырех основных классов: аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты. Возможность такого синтеза была доказана в многочисленных экспериментах с использованием других соотношений исходных газов и видов источника энергии.

Эксперименты в этом направлении оказались перспективными и для выяснения происхождения других веществ. Осуществлен синтез аденина, гуанина, аденозина, аденозинмонофосфата, аденозиндифосфата и аденозинтрифосфата. Путем реакции полимеризации из простых молекул могли быть образованы и более сложные молекулы – белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные.

Не останавливаясь на других особенностях начальных стадий химической эволюции, заметим, что одной из наиболее важных ее ступеней следует признать объединение способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов. При возникновении жизни необходимо было участие как полинуклеотидов, так и полипептидов. Свойства каждого из них нуждались в дополнении свойствами другого. Каталитические способности молекул РНК (А.С. Спирин), которые, вероятно, сыграли важную роль в ходе предбиологической эволюции, были усилены каталитическими функциями молекул белков. К тому же синтез самих белков путем удлинения пептидной цепочки не имел бы большого успеха без передачи стабильности хранением о нем «информации» в нуклеиновых кислотах. Наибольшие шансы на сохранение имели в ходе предбиологического отбора те комплексы, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.

Для этого этапа предбиологической эволюции в качестве элементарного объекта эволюции выделяют фракцию макромолекул полинуклеотидов или полипептидов, а в качестве элементарной эволюционирующей единицы – устойчивый «коллектив» макромолекул (связанных между собой процессами синтеза, катализа и др.).

В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы (различные органические и неорганические вещества) и пространственно-временное разобщение начальных и конечных продуктов реакции. Вероятно, все это не могли возникнуть до появления мембран. Образование мембранной структуры считается одним из «трудных» этапов предбиологической эволюции. Хотя объединением полинуклеотидов и полипептидов в какой-то степени и была достигнута возможность самосборки системы, однако истинное существо не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов.

Рис. 5.2. Возможные пути формирования: А – мембран при образовании коацерватов в первичном бульоне (из М. Кальвина, 1971); Б – образования митохондрий; В – образования клетки эукариот (по Е. Вольпе, 1981)

Биологические мембраны, как известно, составляют агрегаты белков и липидов, способные разграничить вещества от среды и придать упаковке молекул прочность. Мембраны могли возникнуть или в ходе формирования коацерватов (рис. 5.2), образующихся в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полимеров, или при адсорбции полимеров на поверхности глин (см. ниже).

Как отмечалось выше, основной особенностью современного уровня анализа химической формы материи является переход от третьей теоретической системы - учения о химических процессах - к четвертой, получившей название эволюционной химии. Само возникновение эволюционной химии стало результатом предшествующего пути развития, пройденного этой наукой. Оно подготовлено изучением и созданием все более сложных веществ и все более глубоким проникновением в законы их строения и механизмы изменений.

«Идея эволюции, развития в химии возникла, выкристаллизовалась не сразу. Первоначально она расплывалась, растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ». До сих пор химию часто рассматривают как науку о составе, строении и свойствах химических соединений. «Химию можно определить как науку о веществах - об их строении, свойствах и реакциях, в результате которых одни вещества превращаются в другие», - считают Л. Поллинг и П. Поллинг. По мнению Ю.А. Жданова, в настоящее время» ее можно назвать наукой об атомно-молекулярной истории природных и искусственных тел. Эта история включает в себя космический круговорот веществ на Земле и в ее оболочках, на иных планетах, в межзвездной среде, где условия допускают существование молекулярных структур. Но в бесконечных циклах и круговоротах мы фиксируем вполне определенное направление, которое состоит в прогрессивной эволюции химической формы движения».

Идея перехода химического знания к эволюционной парадигме в своем наиболее абстрактном аспекте связана с общефилософской концепцией развитии как бесконечного восхождения от низшего к высшему, роста богатства содержания предметов и явлений. Эта интерпретация учения о развитии основана на большом ансамбле фактов из всех областей научного знания - физики, химии, биологии, наук об обществе. Факты показывают, например, что в известной нам части Вселенной действует ярко выраженная тенденция материальных объектов к усложнению, доминирующая над тенденциями деградации и распада. По подсчетам Г. Кастлера и Л. Блюменфельда, в случае равенства вероятности процессов упрощения и усложнения материи вероятность возникновения жизни из аминокислот, пиримидинов, пуринов, полифосфатов, сахаров и т.д. за 2 на 10 в 9-й степени лет развития Земли оказалась бы равной 10 в минус 255-й степени или даже 10 в минус 800-й, что делает это событие, по существу, невозможным. С точки зрения уровня квантово-механических процессов вероятность появления жизни оказывается практически равной нулю. Таким образом, направленность процесса развития материи в целом от низшего к высшему, от простого к сложному должна быть признана объективной закономерностью, изучение которой становится одной из главных задач научного знания на достаточно высокой ступени его развития. Именно такая ступень достигнута в настоящее время химической наукой.

Существует целый рад подходов к раскрытию механизмов развитии химического вещества. Так, Н.А. Будрейко высказывает соображения, согласно которым последовательность качественных и количественных изменений в гомологических рядах органических соединений (предельных углеводородов, спиртов, кислот и т.д.) уже выражает процесс развития веществ этих классов. Однако более детальное рассмотрение природы этих процессов показывает, что явления гомологии нельзя принимать за точную и репрезентативную модель химической эволюции. Количественное прибавление атомов в органических молекулах не является, строго говоря, реальным развитием, так как прогрессивная эволюция вещества не идет, например, от муравьиной кислоты к мелиссиновой. «Отдельные вещества данного класса гомологов (например, муравьиная, уксусная, пропионовая и т.д. кислоты) несомненно представляют собой внутреннее единство, но между ними не существует генетической связи, связи происхождения. Конечно, можно, скажем, получить из одной кислоты другую, но эти переходы множественны, произвольны и не заключают в себе какой-то внутренней линии развития». Значительным эволюционным содержанием обладает периодический закон Д.И. Менделеева. Однако это эволюционное содержание присутствует в нем в скрытом, имплицитном виде, так как периодичность в повторении свойств элементов сама по себе еще не является прямым проявлением прогрессивного развития (которое вовсе не направлено примитивным образом от водорода к трансурановым элементам). В современной химии начинают формулироваться также другие законы, более прямо и непосредственно описывающие процесс развития - например, закон возрастания абсолютной каталитической активности в теории саморазвития открытых каталитических систем А.П. Руденко, о которой пойдет речь ниже.

Перспективный путь исследования процессов химической эволюции основывается на анализе реакционной способности химических веществ как важнейшего проявления природы химического объекта.

Реакционная способность химических элементов (то есть их способность вступать в реакции с другими веществами) включает в себя две стороны: количественную и качественную. Количественная сторона реакционной способности - это легкость и быстрота образования связей, а также число атомов, которые может интегрировать данный элемент. Качественная сторона выражается в многообразии различных химических элементов, с которыми может вступать в реакции данный элемент, и многообразие образуемых ими соединений. Реакционная способность одного и того же элемента может оцениваться по-разному в зависимости от того, с какой точки зрения - качественной или количественной - мы будем подходить к ней. Так, с количественной точки зрения наибольшей реакционной способностью обладает фтор: он легко и быстро вступает в реакции со множеством веществ, является, например, единственным элементом, который окисляет кислород. Почти такой же активностью обладают другие галогены, все они в количественном плане намного активнее, чем элементы-органогены. Однако соединения, которые образуют галогены, в большинстве своем оказываются низкомолекулярными и обладают слабой реакционной способностью, которая ограничивает возможности дальнейших превращений. Элементы-органогены, наоборот, образуют огромное количество высокомолекулярных и очень активных соединений. Это объясняется прежде всего природой атомов углерода, их уникальной способностью образовывать сложные разветвленные цепи, обладать разными степенями окисления в составе одной и той же молекулы. Благодаря этому они могут создавать чрезвычайно сложные органические вещества. Следовательно, с качественной стороны углерод превосходит по реакционной способности все остальные химические элементы.

Качественная сторона реакционной способности выражается не только в непосредственно получаемых продуктах, но и во всем наборе отдаленных, конечных результатов реакции. В оценке реакционной способности химических веществ необходимо, таким образом, учитывать весь набор возможностей дальнейших превращений, которым они располагают. Рассматриваемая в этом аспекте реакционная способность выступает как показатель возможностей дальнейшего развития, связанного с тем или иным химическим элементом (соединением), как его эволюционный потенциал, или потенциал развития. По своему эволюционному потенциалу реакционная способность элементов-органогенов намного превосходит реакционные способности всех других элементов. Только соединения углерода, имеющие наибольший эволюционный потенциал, способны вывести химическую форму материи за ее собственные пределы и стать основой для возникновения жизни. Главный «соперник» углерода - кремний, которому иногда приписывают гипотетическую способность создавать химическую структуру для «кремниевой жизни» во Вселенной, не может образовать стабильного аналога даже простейшей уксусной кислоты. Возможность возникновения на основе кремния веществ, сопоставимых по сложности с белками и нуклеиновыми кислотами, представляется в современной химии скорее фантастической, чем реальной.

Понятие эволюционного потенциала служит конкретизацией, дальнейшим углублением понятия реакционной способности под углом зрения теории развития. Эволюционный потенциал химического элемента или соединения - это внутренняя, глубинная сторона его реакционной способности, характеризующая фонд возможностей дальнейшего изменения и развития. Это понятие аналогично понятиям эволюционного потенциала в физических, биологических и социальных науках. В процессах изменения любой формы материи сокращение эволюционного потенциала свидетельствует о том, что данное направление развития является не основным, магистральным, а тупиковым. Так, в химии затухание эволюционного потенциала наблюдается в гомологических радах, высшие члены которых (стеарин, воск, парафин) становятся чрезвычайно похожими друг на друга по химической инертности. Гомологический ряд с его строгой периодичностью ведет, по выражению Ю.А. Жданова, в «химический тупик». Наиболее эволюционно перспективными оказываются не гигантские монотонные цепи, а реакции другого рода, происходящие в коллоидных растворах и каталитических системах, к которым мы вернемся ниже.

В химии ярко проявляется одна из общих закономерностей материального мира - неравномерность распределения интенсивности процесса развития в пространстве и во времени. Преобладание прогрессивного направления развития в живой природе не означает, что все биологические виды во все эпохи эволюционируют с одинаковой интенсивностью. Идея общественного прогресса также не подразумевает, что все человеческие индивиды и все социальные структуры постоянно находятся в состоянии прогрессивного развития. Аналогичным образом современная химия обнаруживает в природе два существенно различных типа реакций. Первый из них не включает в себя в непосредственном виде процессы эволюции веществ, второй, наоборот, закладывает основы для эволюционных изменений.

Первая группа реакций характеризуется коренным изменением природы реагирующей молекулы, ее трансформацией в совершенно новое состояние. Гегель называл подобные процессы движением от «одного» к «другому» - старое качество здесь просто теряется, а не аккумулируется, не «снимается». Такие реакции типичны для неорганических веществ (кислота и щелочь превращаются в соль, кислород и водород образуют воду), но они встречаются и в органической химии. В то же время среди органических соединений становятся более распространенными процессы, при которых молекула не исчезает полностью, а лишь модифицируется, сохраняя некоторые черты исходного типа. Это встречается при реакциях замещения одного атома в молекуле на другой, при таутомерных перегруппировках, при рацемизации оптически активных соединений (рацемизация - возникновение такой смеси изомеров оптически активного вещества, которая теряет оптическую активность). Фактически в этих случаях начинает формироваться черта, получившая полное развитие позже, в биологической форме материи - возникает устойчивая индивидуальность, способная сохранить себя в ходе химических превращений. Особенно важно то, что органические молекулы под внешним воздействием могут вообще химически не изменяться, а лишь переходить в другое состояние в результате перераспределения энергии, возбуждения, поворотов отдельных групп, обратимой миграции некоторых атомов, образования временных межатомных связей и т.п.

Таким образом, химический индивид приобретает способность изменить свою природу, сохранив себя. На данном этапе развития материи становится хорошо заметен диалектический процесс отрицания отрицания. Слабые и эфемерные физические силы, проявляющие себя при взаимодействии частиц и лишь слегка модифицирующие молекулу при сохранении ее химической структуры, накапливаются в макромолекулах и их комплексах. Эти силы формируют специфическую структуру живого, включающую фермент-субстратные агрегаты, межмолекулярные образования нуклеопротеидов, гликолепидов, комплементарные соответствия в двойной спирали ДНК, взаимодействия ДНК, РНК и белков. Все эти слабые физические взаимодействия определяются водородными связями, полярными, диполь-дипольными и вандерваальсовыми силами, которые предваряют химический процесс, готовят его, но еще не исчерпывают.

химия естествознание эволюционный материя

Абиогенез и самозарождения. Первыми свои мысли о том, как на Земле появилась жизнь, высказывали еще древние мудрецы. Уже тогда они предполагали, что живые организмы возникли из неорганической материи. В античные времена идея самозарождения (спонтанного зарождения) живых существ из неживых материалов воспринималась как нечто само собой разумеющееся. В Средневековье представления о происхождении жизни получили формы религиозной догмы. Одним из ее постулатов стала идея о возникновении живых существ из земли в процессе гниения под воздействием животворящего духа.

В эпоху Возрождения активно распространилась легенда о гомункулуса — крохотную человечка, которую можно создать из глины, почвы или другой неживой материи с помощью магических заклинаний и обрядов.

Ошибочность идеи о самозарождении жизни документально доказал итальянский врач Франческо Реди (1626-1698). Он провел ряд опытов, которые показали, что мясные мухи, вопреки мнению, что тогда бытовало, развиваются из отложенных самками яиц, а не зарождаются сами по себе в гниющем мясе. Так, Реди брал два куска мяса, раскладывал их в два глиняных горшки, один из которых накрывал дымкой. Через некоторое время в открытом горшке развивались личинки, а в закрытом не было никаких признаков личинок или мух. Поэтому ученый сделал вывод: мухи садятся на гниющий мясо и откладывают в него личинки, в результате чего рождаются новые мухи.

Однако в большинстве биологов вплоть до XIX в. не возникало сомнения, что свойством самозарождения обладают все одноклеточные организмы. Эту идею развенчал только в 1865 выдающийся микробиолог Луи Пастер (1822-1895). К тому времени уже было известно, что после длительного кипячения в закрытой пробкой колбе любой среде, оно остается стерильным до тех пор, пока колба остается невидкоркованою. Однако сторонников идеи самозарождения ни убеждал этот опыт. Они считали, что для самозарождения необходим чистый, а не прогретый воздух. Поэтому на заказ Пастера специально изготовили колбу с изогнутым в виде лебединой шеи горлышком (рис. 197). Прокипяченный в такой колбе питательный бульон не произрастал бактериями так же, как и в колбе, закрытой пробкой. Пастер объяснял это тем, что микроорганизмы, которые проникают в такую колбу вместе с воздухом, оседают на изгибах горлышка. Свои слова он подтвердил, встряхнув колбу так, чтобы бульон обполоскав стенки горлышка. Именно после этого через некоторое время в отваре появились бактерии. Таким образом Л. Пастер доказал, что в среде, лишенной микроорганизмов, невозможно их зарождения даже при идеальных условиях.

Сейчас убежищем идеи самозарождения организмов остается креационизм — религиозно — философская концепция, разнообразие живой природы, человечество, Землю и Вселенную рассматривает как акт божественного творения.

Отрицание идеи возможности спонтанного зарождения организмов в современных условиях не противоречит научным представлениям о том, что жизнь на Земле возникла из неорганической материи миллиарда лет назад в результате химической или, как еще ее называют, предбиологической эволюции. Идея предбиологических развития природы, который привел к образованию жизни, получила название абиогенеза (от греч. А — не, к биос и генезис). Сейчас считается, что эволюция жизни на нашей планете состоит из двух этапов: абиогенеза и биогенеза — собственно биологической эволюции, когда живые организмы происходят только от живых организмов.

Химическая эволюция. Материальная сущность тел живых организмов достаточно проста. Они построены из полимерных органических соединений, основу которых составляют соединения атомов углерода. Процесс жизнедеятельности — это не что иное, как совокупность упорядоченных, вытекающих друг из друга, химических реакций. Мысленно разложив клетку на отдельные структуры и макромолекулы, из которых она построена, а метаболизм организма сначала на биохимические циклы, а затем на отдельные реакции, легко представить логику постепенного усложнения строения химических соединений и реакций, которое могло происходить миллиарды лет назад. В лабораторных условиях, имитирующих условия первобытной Земли, возможно сначала осуществить синтез простейших биогенных соединений, затем из них получить биополимеры, обладают каталитической активностью, а затем — структуры, напоминающие клеточную мембрану. Тем самым можно доказать принципиальную возможность химической эволюции — поступательного процесса появления новых химических соединений, более сложных и высокоорганизованных сравнению с исходными веществами, происходил на Земле перед возникновением жизни.

Основные положения концепции химической эволюции такие.

Жизнь на Земле возникла естественным путем из неорганических веществ с затратой энергии, которая поступала извне.

Возникновение жизни — это процесс появления все новых химических соединений и химических реакций.

Химическая эволюция — процесс, который протекал в течение миллиардов лет в очень специфических условиях под влиянием мощных внешних источников энергии.

Важную роль в химической эволюции сыграл предбиологический отбор, способствовавший возникновению, прежде всего, сложных соединений, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.

Ключевым в процессе химической эволюции был фактор самоорганизации, присущий всем сложным системам, к которым относятся и органические молекулы.

А можно в современных условиях на Земле найти предельное состояние между неживым и живым? Оказывается, можно. Это те же вирусы, которые проявляют свойства как живого, так и неживого, хотя, как считает большинство ученых, не имеют никакого отношения к химической эволюции и происхождения жизни. Интереснее находка совершенно нового пограничного состояния между живым и неживым — так называемых нанобактерий. Это очень мелкие шаровидные субстанции, которые по размерам не превышают вирусы. их можно разглядеть только в электронный микроскоп. Большинство ученых считают их биоминералы. Нанобактерии способны к самовоспроизведению в присутствии определенных витаминов. их размножения при этом происходит путем самокопирования. Нанобактерии не содержат ни ДНК, ни PHK, ни каких-либо белков. Химические процессы в этих субстанциях происходят иначе, чем у прокариот, а скорость их роста в тысячи раз меньше, чем у бактерий.

Современные представления об основных этапах абиогенеза. Образование распространенных в живой природе органических соединений вне организма проходит ряд этапов.

1. Синтез органических мономеров: органических кислот, аминокислот, углеводов, азотистых оснований. Для этого на первобытной Земле были все условия: количество воды, метана, аммиака и цианидов, отсутствие кислорода и других окисления нювачив (атмосфера имела восстановительный характер), а также избыток свободной энергии в виде ультрафиолетового излучения, электрических разрядов и вулканической деятельности.

Возможность синтеза аминокислот и других низкомолекулярных органических соединений из химических элементов и неорганических соединений доказана экспериментально. Для этого составляющие атмосферы тогдашней Земли (углекислый газ, метан и аммиак, водяной пар) были помещены в замкнутую колбу и сквозь эту смесь пропущенные электрические разряды (рис. 198). В результате удалось синтезировать ряд сравнительно сложных биогенных соединений: аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновую кислоту), янтарную и молочную кислоты, другие низкомолекулярные органические соединения. Похожие результаты были получены неоднократно, в том числе за использование других источников энергии, других газов, их различного соотношения. Учитывая, что сейчас в межпланетном пространстве найдены десятки простых органических соединений, можно вполне обоснованно предположить, что за миллиарды лет до возникновения жизни концентрация органических соединений на Земле местами могла быть достаточно высокой. Растворенные в воде, они образовывали так называемый «первичный бульон».

2. Синтез органических полимеров, осуществлялся из имеющихся мономеров, стал следующим этапом химической эволюции. Катализаторами могли быть ионы металлов, а матрицей — частицы глины. В результате этого процесса в «первичном бульоне» образовывались различные полипептиды и простейшие липиды (вспомните, из которых двух компонентов построены жиры). Они сочетались друг с другом, образуя сложные многомолекулярных комплексы — коацерваты (от лат. Коацерватус — собран вместе), имевших вид капель с четкими границами (рис. 199). Коацерваты уже были способны поглощать различные вещества, в них происходили различные реакции, в частности полимеризация мономеров, поступали извне. За счет этих реакций капли могли расти — увеличиваться в объеме, а после достижения критической массы размножаться — дробиться на дочерние капли.

Теория абиогенной молекулярной эволюции жизни из неоргани-ческих веществ была создана русским учёным А. И. Опариным (1924) и английским учёным Дж. Холдейном (1929). По мнению естествоведов, Земля появилась примерно 4,5—7 млрд лет назад. Вначале Земля представляла собой пылевидное облако , температура которого колебалась в пределах 4000—8000°С. Постепенно в процессе охлаждения тяжёлые элементы начали располагаться в центре нашей планеты , а более лёгкие — по периферии.

Предполагается, что самые простые живые организмы на Земле появились 3,5 млрд лет назад. Жизнь есть результат сначала химической , а затем биологической эволюции .

Протобионты также ещё не являются законченной формой жизни. Предполагается, что у них постепенно абиогенным путём появлялись соединения, подобные ферментам (коферменты, собственно ферменты), АТФ.

Возникновение клетки (матричный синтез)

В превращении протобионтов в настоящие клетки большую роль сыграло возникновение матричного синтеза в результате взаимного приспособления и слияния функций белков и нуклеиновых кислот.

Матричный синтез — это биологический синтез белковых молекул на основе информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах.

С возникновением процесса матричного синтеза химическая эволюция уступила место биологической. Развитие жизни продолжалось теперь путём биологической эволюции.

А. И. Опарин первым выдвинул идею экспериментального изучения возникновения жизни. И действительно, С. Миллер (1953) создал опытную модель первичных условий Земли. Воздействуя на нагретый метан, аммиак, водород и водяные пары электрическим разрядом, он осуществил синтез таких аминокислот, как аспарагин, глицин, глутамин (в такой системе газы имитировали атмосферу , электрический разряд — молнии; рис. 57).

Д. Оро, нагревая цианистый водород, аммиак и воду, осуществил синтез аденина. Путём воздействия на метан, аммиак и воду иони-зирующими излучениями были синтезированы рибоза и дезокси-рибоза. Результаты подобных опытов подтвердились многочислен-ными исследованиями. В процессе эволюции мономеры постепенно превращались в биологические полимеры (полипептиды, полинук-леотиды), что также подтвердилось опытным путём. Так, в опытах С. Фокса были синтезированы протеиноиды (белковообразные вещества) путём нагревания смеси аминокислот. Впоследствии в опытах были синтезированы полимеры нуклеотидов.

Соединения, подобные коацерватам, были синтезированы опытным путём и досконально изучены А. И. Опариным и его учениками. Материал с сайта

Однако было неизвестно, что в ходе биохимической эволюции жизни возникло прежде: белки или нуклеиновые кислоты. Согласно теории А. И. Опарина, первыми появились молекулы белка. Сторонники генетической гипотезы, наоборот, считали, что сначала возникли нуклеиновые кислоты. Такое предположение было выдвинуто в 1929 г. Г. Миллером. Лабораторные исследования доказали возможность репликации нуклеиновых кислот и без воздействия ферментов. По мнению учёных, первичные рибосомы состояли только из РНК, и свойство синтезировать белок у них могло появиться впоследствии. Позже были получены новые данные, подтверждающие это предположение. Репликация рибонуклеиновой кислоты без участия ферментов, обратная транскрипция, т. е. возможность синтеза ДНК на основе РНК — все это является доказательством генетической гипотезы.

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.

Элементарный курс

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.

Жизнь

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.

Запуск процесса

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 зарождалась жизнь

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.

Теория

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.

Исследования в России

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.

За рубежом

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.

Основные гипотезы

Химическая эволюция жизни на Земле в гипотезах объясняет следующие основополагающие моменты.

1. Необходимость появления на Земле или в Космосе условий, при которых происходит автокаталитический синтез угреродосодержащих молекул, причём синтез должен иметь большие объёмы и значительное разнообразие, достаточное для начала процесса химической эволюции.
2. Возникновение протоклеточных структур, появляющихся из молекул, описанных выше. Эти устойчивые замкнутые агрегаты изолированы от окружающей среды, обмен веществ и энергий в них проходит избирательно. Так возникают протоклеточные структуры.
3. В образовавшихся агрегатах появляется способность к самостоятельному развитию - саморепликация и самоизменение всех информационных химических систем. Так возникают элементарные единицы наследственного кода.
4. Следующий этап - появление взаимозависимости между функциями ферментов и свойствами белков с РНК и ДНК как носителями информации. Так возникает собственно код наследственности, который необходим для биологической эволюции.

Открытия

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.

Космос и Земля

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.