В чем сущность химической эволюции и чем она заканчивается?

Картина хемогенеза отчетливо свидетельствует о своеоб­разном химическом «естественном отборе» веществ. Как уже отмечалось выше, на сегодняшний день известны 112 хими­ческих элементов, однако основу живых систем составляют только 6 из них, которые в связи в этим обстоятельством по­лучили название органогенов. Это углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и сера (S).Их общая ве­совая доля в живой материи составляет 97,4%. Еще 12 эле­ментов (Na, К, Са, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn) составляют примерно 1,6%. Остальные слабо представлены в живой материи, то есть к участию в живой материи природа отобрала ограниченный набор элементов. К настоящему мо­менту науке известно всего около 8 млн химических соедине­ний. Из них подавляющее большинство (около 96%) — это органические соединения, основной «строительный матери­ал» которых перечисленные выше элементы. Из остальных химических элементов природа создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Резкая диспропорция между громадным множеством орга­нических соединений и малым количеством составляющих их элементов, а также факт принадлежности этих же элементов к органогенам нельзя объяснить на основе различной распро­страненности элементов. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. Совместная же весовая доля важ­нейших органогенов (С, N, P, S) в поверхностных слоях Земли всего около 0,24%. Следовательно, геохимические ус­ловия не сыграли сколько-нибудь существенной роли в отборе Химических элементов при формировании органических систем, ^а тем более биосистем.

Тогда возникает вопрос, по каким признакам химическая эволюция отобрала малую часть элементов в число органоге­нов? С химической точки зрения видны признаки, по кото­рым происходил этот «естественный отбор» элементов. Это, во-первых, способность образовывать достаточно прочные энергоемкие химические связи. Во-вторых, образуемые связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми, пе­рестраиваемыми.

Именно поэтому углеродбыл отобран эволюцией как орга­ноген№ 1.Он в полной мере отвечает перечисленным выше требованиям. Атом углерода образует почти все типы химических связей, какие знает химия, с самыми разными значе­ниями энергии связи. Он образует углерод-углеродные свя­зи, строя таким путем длинные и стабильные углеродные ске­леты молекул в виде цепей и (или) колец. Углеродные атомы образуют связи с остальными элементами-органогенами (Y, N, О, Р и S). Соединение с этими и другими элементами в различных комбинациях обеспечивает колоссальное разнооб­разие органических соединений. Оно проявляется в разме­рах, форме молекул и их химических свойствах.

Кислород и водород нельзя считать столь же лабильными, как углерод; их скорее следует рассматривать в качестве носи­телей крайних и односторонних свойств — окислительных и восстановительных. Лабильные атомы серы, фосфора и же­леза имеют большое значение в биохимии, в то время как стабильные — кремний, алюминий, натрий, составляющие несравненно большую часть земной коры, играют второсте­пенную роль.

Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов, да еще 10—15 других элементов отобраны природой в основу биосистем, так же и в предбиологической эволюции шел отбор химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав бел­ка входит только 20.

Каким образом из минимума химических соединений об­разовался сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистема? Химикам важно это понять для того, чтобы на­биться у природы создавать технологии синтеза сложных со­единений из самого простого сырья. В связи с этой пробле­мой уже могут быть сделаны следующие предварительные вы­воды.

1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация обеспечивают энергию, необходимую для активации любых химических вза­имодействий.

2. Первые проявления катализа возникают при смягчении условия (температура менее 5000 К). Роль катализаторов воз­растала по мере того, как физические условия становились все менее экстремальными. Но общее значение катализа вплоть до образования достаточно сложных органических молекул еще не могло быть высоким.

3. После достижения некоторого минимального набора не­ органических и органических соединений роль катализа нача­ла резко возрастать. Отбор активных соединений происходил
в природе из тех продуктов, которые получались относитель­но большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

4. В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структу­ры, которые способствовали резкому повышению активно­сти и селективности действия каталитических групп.

5. Следующим фрагментом эволюции, сшивающим хи­мическую и биологическую линию эволюции, являются раз­витые полимерные структуры типа РНК и ДНК, выполняющие роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

Теория саморазвития элементарных открытых каталити­ческих систем, выдвинутая в 1964 г. А.П. Руденко, по суще­ству представляет собой единую теорию хемо- и биогенеза. Она решает в комплексе вопросы о движущих силах и меха­низме эволюционного процесса, то есть о законах химичес­кой эволюции, об отборе элементов и структур, о сложности химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и следовательно, эволюционирующим ве­ществом являются катализаторы.Эта теория является в на­стоящее время основанием эволюционной концепции в хи­мии. Одно из важнейших следствий этой теории — установление пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к био­генезу.

Таким образом, эволюционная химия совместно с други­ми естественными науками постепенно подступает к расшиф­ровке механизма предбиологической эволюции и зарождения живого, а вместе с этим — и к созданию новейших техноло­гий на принципах, заимствованных у живой природы.

Раздел V