Главная » Другое » Учение о химической эволюции возникло. Биохимическая эволюция

Учение о химической эволюции возникло. Биохимическая эволюция

Методология исследования химической эволюции (теория)

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.

Абиогенез

В широком смысле абиогенез - возникновение живого из неживого, то есть исходная гипотеза современной теории происхождения жизни . В 20-х годах XX века академик Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации , которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли , или просто коацерваты .

Обзор темы

Гипотезы химической эволюции должны объяснять следующие аспекты:

Появление в Космосе или на Земле условий для автокаталитического синтеза больших объёмов и значительного разнообразия углеродсодержащих молекул, то есть - возникновение в абиогенных процессах веществ, необходимых и достаточных для начала химической эволюции.
Появление из таких молекул относительно устойчивых замкнутых агрегатов, позволяющих так изолировать себя от окружающей среды, что с ней становится возможным избирательный обмен веществом и энергией, то есть - возникновение неких протоклеточных структур.
Появление в таких агрегатах способных к само-изменению и к само-репликации химических информационных систем, то есть - возникновение элементарных единиц наследственного кода.
Появление взаимной зависимости между свойствами белков и функциями ферментов с носителями информации (РНК , ДНК), то есть - возникновение собственно кода наследственности, как необходимого условия уже для биологической эволюции.

Большой вклад в прояснение этих вопросов, среди прочих, сделали следующие учёные:

Гарольд Юри и Стэнли Миллер в 1953: Возникновение простых биомолекул в симулируемой древней атмосфере.
Сидней Фокс: Микросферы из протеноидов.
Томас Чек (университет Колорадо) и Сидней Алтман (университет Yale New Haven Connecticut) в 1981: Автокаталитическое РНК-деление: «Рибозимы» объединяют катализ и информацию в молекуле. Они в состоянии вырезать себя из более длинной цепи РНК и соединять остающиеся концы снова.
Уолтер Гилберт (Гарвард, университет Кембридж) разрабатывает в 1986 идею мира РНК .
Гюнтер фон Кидровски (Рур-университет Бохум) представляет в 1986 году первую само-реплицирующуюся систему на основе ДНК, важный вклад в понимание функций роста само-реплицирующихся систем
Манфред Эйген (институт Макса Планка факультет биофизической химии, Геттинген): Эволюция ансамблей молекул РНК. Гиперцикл.
Юлий Ребек (Кембридж) создаёт искусственную молекулу (Aminoadenosintriazidester), которая само-реплицируется в растворе хлороформа. Копии все же идентичны образцу, так что эволюция для этих молекул невозможна.
Джон Корлис (Goddard центр космических полётов - НАСА): Термальные источники морей поставляют энергию и химикалии, которые делают возможными независимую от космической среды химическую эволюцию. Ещё сегодня они являются средой жизни для первоначальных по многим признакам археобактерий (Archaea).
Гюнтер Вэхтерсхойзер (англ. Günter_Wächtershäuser ) (Мюнхен): Первые само-реплицирующиеся структуры с обменом веществ возникли на поверхности пирита. Пирит (сульфид железа) поставил для этого необходимую энергию. На растущих и снова распадающихся кристаллах пирита эти системы могли расти и размножаться, и различные популяции конфронтировали с разным условиям среды (условия отбора).
А. Г. Cairns-Smith (университет Глазго) и Дэвид К. Мауерцалл (Rockefeller-Universität New York, Нью-Йорк) видят в глиняных минералах систему, которая сначала сама подчинена химической эволюции, из-за чего возникает много различных, самореплицирующихся кристаллов. Эти кристаллы притягивают своим электрическим зарядом органические молекулы и катализируют синтез комплексных биомолекул, причём объём информации кристаллических структур служит сначала матрицей. Эти органические соединения становятся всё более сложными до тех пор, пока они не смогут размножаться без помощи глиняных минералов.
Вольфганг Вайганд, Марк Дерр и др. (Институт Макса Планка факультет биогеохимии, Йена) показали в 2003, что сульфид железа может катализировать синтез аммиака из молекулярного азота.

Унифицированная модель химической эволюции ещё не разработана, возможно потому, что основные принципы ещё не открыты.

Предварительные рассуждения

Биомолекулы

Пребиотический синтез сложных соединений молекул может делиться на три последовательных этапа:

Возникновение простых органических соединений (спиртов , кислот , гетероциклических соединений : пуринов , пиримидинов и пирролов) из неорганических материалов.
Синтез более сложных органических соединений - «биомолекул» - представителей наиболее распространённых классов метаболитов , в том числе и мономеров - структурных единиц биополимеров (моносахаридов , аминокислот , жирных кислот , нуклеотидов) из простых органических соединений.
Возникновение сложных биополимеров (полисахариды , белки , нуклеиновые кислоты) из основных структурных единиц - мономеров.

Одним из вопросов является химический состав среды, в которой осуществлялся пребиологический синтез, в том числе то, какие неорганические компоненты являлись источниками различных элементов, входящих в состав различных органических соединений.

Возможные неорганические источники элементов:

Все гипотезы исходят из того, что помимо воды и фосфатов на начальных этапах истории Земли в атмосфере и гидросфере в достаточном количестве имелись только восстановленные формы, отличающиеся от обычных в современный период химических соединений, так как древняя атмосфера не содержала молекулярного кислорода.

В качестве источника энергии, инициирующей синтез, в это время могли выступать ультрафиолетовое излучение Солнца, тепло вулканических процессов , ионизирующие излучения радиоактивного распада и электрические разряды . Существуют также теории, в рамках которых источником необходимой для возникновения биомолекул энергии могут служить окислительно-восстановительные процессы между вулканическими газами (восстановитель) и частично окисляющими сульфидными минералами, например пиритом (FeS 2)

Развитие древней атмосферы

Развитие земной атмосферы является частью химической эволюции и к тому же важным элементом истории климата. Сегодня её разделяют на четыре важные ступени развития.

Вначале происходило образование химических элементов в космосе и появление из них земли - приблизительно 4,56 миллиардов лет назад. Предположительно наша планета уже довольно рано имела атмосферу из водорода (H 2) и гелия (He), которая, однако, была снова потеряна в космическое пространство. Астрономы исходят также из того, что из-за относительно высоких температур и эффектов солнечного ветра на земле и других близлежащих к солнцу планетах могло остаться только небольшое количество лёгких химических элементов (включая углерод , азот и кислород). Все эти элементы, составляющие сегодня основную часть биосферы, были занесены, по этой теории, ударами комет из более внешних участков солнечной системы лишь через большой промежуток времени, когда протопланеты немного остыли. В течение первых нескольких миллионов лет после возникновения солнечной системы постоянно повторялись столкновения с небесными телами, вызванные ими коллизии уничтожали глобальными стерилизациями образованные в это время живые системы. Поэтому появление жизни смогло начаться только после накопления воды за длительное время хотя бы в самых глубоких впадинах.

Следы вулканической активности: отложения серы на краях Halema’uma’u-кратера вулкана Мауна Лоа на Гаваях

Извержение вулкана - самая захватывающая форма вулканической деятельности

С медленным остыванием земли, вулканической деятельностью (выделение газов из недр земли) и глобальным распределением материалов упавших комет возникла вторая атмосфера земли. Скорее всего она состояла из водяного пара (H 2 O до 80 %), углекислого газа (CO 2 ; до 20 %), сероводорода (до 7 %), аммиака и метана. Высокий процент водяного пара объясняется тем, что поверхность земли была на тот момент ещё слишком горяча для образования морей. Прежде всего из воды, метана и аммиака в условиях молодой земли могли образоваться небольшие органические молекулы (кислоты, спирты, аминокислоты), позднее также органические полимеры (полисахариды, жиры, полипептиды), которые были нестабильны в кислотной атмосфере.

После охлаждения атмосферы ниже температуры кипения воды наступил очень длительный период выпадения дождей, которые и образовали океаны. Насыщенность других газов атмосферы относительно водяного пара повысилась. Интенсивное ультрафиолетовое облучение обусловило фотохимический распад воды, метана и аммиака, в результате чего накопились углекислый газ и азот. Лёгкие газы - водород и гелий - уносились в космос, углекислый газ растворялся в больших количествах в океане, увеличивая кислотность воды. Значение pH упало до 4. Инертный и малорастворимый азот N 2 накапливался со временем и образовывал около 3,4 миллиардов лет назад основную составляющую атмосферы.

Выпадение в осадок прореагировавшего с ионами металлов растворенного углекислого газа (карбонаты) и дальнейшее развитие живых существ, которые ассимилировали углекислый газ, привело к уменьшению CO 2 -концентрации и повышению значения pH в водоёмах.

Кислород O 2 играет важнейшую роль в дальнейшем развитии атмосферы. Он образовался с появлением способных к фотосинтезу живых существ, предположительно цианобактерий (сине-зелёных водорослей) или им подобных прокариотов . Ассимиляция ими углекислого газа привела к дальнейшему понижению кислотности, насыщенность атмосферы кислородом оставалась всё-таки довольно низкой. Причина этого - незамедлительное использование растворенного в океане кислорода для окисления двухвалентных ионов железа и других окисляемых соединений. Около двух миллиардов лет назад этот процесс завершился, и кислород стал постепенно накапливаться в атмосфере.

Очень реакционноспособный кислород легко окисляет восприимчивые органические биомолекулы и становится таким образом фактором отбора окружающей среды для ранних организмов. Только немногие анаэробные организмы смогли переместиться в свободные от кислорода экологические ниши, другая часть выработала ферменты (например, каталазы), которые делают кислород не опасным. В некоторых микроорганизмах из подобных энзимов развились комплексные мембранные энзимы - конечные оксидазы, которые метаболически использовали присутствующий кислород для накопления энергии необходимой для роста собственной клетки - конечная стадия окисления в аэробной цепи дыхания. В зависимости от организма имеются различные формы конечных оксидаз, например хинол-оксидаза или цитохром C - оксидаза, которые различаются активными центрами, содержащими ионы меди и гемы. Это даёт основание полагать, что они произошли различными параллельными путями развития. Во многих случаях в одном организме встречаются различные типы конечных оксидаз. Эти энзимы являются последними в цепи последовательно задействованных комплексов энзимов, которые энергию окислительно-восстановительных процессов сохраняют переносом протонов или ионов натрия в форме трансмембранного электрического потенциала. Последний другим комплексом энзимов преобразовывается снова в химическую энергию в форме АТФ . Синтез АТФ и прочих компонент цепи дыхания в эволюционном свете значительно старше конечных оксидаз, так как они играли важную роль уже во многих аэробных процессах обмена веществ (аэробное дыхание, многие процессы брожения, метаногенез), а также при аноксигенном и оксигенном фотосинтезе.

Миллиард лет назад содержание кислорода в атмосфере перешагнуло планку одного процента и спустя несколько миллионов лет был образован озоновый слой . Сегодняшнее содержание кислорода в 21 % было достигнуто лишь 350 миллионов лет назад и сохраняется с тех пор стабильным.

Значение воды для возникновения и сохранения жизни

H 2 O - химическое соединение, присутствующие при обычных условиях во всех трёх агрегатных состояниях.

Хотя этим была показана возможность естественного образования органических молекул, эти результаты сегодня иногда подвергаются критическим оценкам. В эксперименте с первичным бульоном исходили из того, что атмосфера на тот период времени имела щелочной характер, что соответствовало научным представлениям того времени. Сегодня же исходят из слабощелочного или даже нейтрального характера атмосферы, хотя вопрос ещё не окончательно решён и обсуждаются также локальные химические отклонения атмосферных условий, например в окрестностях вулканов. Позднейшими экспериментами была доказана возможность появления органических молекул и в этих условиях, даже таких, которые не получились при первых опытах, но в значительно меньших количествах. Этим часто аргументируется, что происхождение органических молекул другим путём, играло как минимум дополнительную роль. Приводятся также теории происхождения органики в окрестностях .

В качестве аргумента против происхождения органических молекул из первичного бульона иногда приводят тот факт, что во время опыта получается рацемат, то есть равная смесь из L и D-форм аминокислот. Соответственно, должен был существовать естественный процесс, в котором отдавалось предпочтение определённому варианту хиральных молекул. Некоторые космобиологи утверждают, что легче доказать происхождение органических соединений в космосе, так как, по их мнению, фотохимические процессы с циркулярно-поляризированным излучением, например от пульсаров, в состоянии уничтожить молекулы только определённого вращения. И действительно, у найденных в метеоритах хиральных органических молекул преобладали на 9 % левовращающие. Однако в 2001 году Alan Saghatelian показал, что самореплицирующиеся пептидные системы тоже в состоянии эффективно отбирать молекулы определённого вращения в рацематной смеси, что делает возможным и земное происхождение полимеров из определённых оптических изомеров.

Дальнейшие реакции

Из появляющихся при эксперименте Миллера-Юри промежуточных продуктов альдегидов и синильной кислоты HCN можно получить при симулируемых условиях земли 4,5 млрд лет назад дальнейшие биомолекулы. Таким образом Хуан Оро удалось в 1961 году осуществить синтез аденина :

Из рибозы, аденина и трифосфата возникает аденозинтрифосфат (АТФ), который используется в организмах в качестве универсального энергоносителя и строительного элемента (как монофосфат) рибонуклеиновых кислот (РНК).

Участие минералов и горных пород

Кристаллические поверхности могут служить матрицей для растущих макромолекул. При этом различные кристаллические поверхности могут связывать определённые энантиомеры молекул. L-и D аминокислоты присоединяются к разным местам кристалла кальцита.
Аарон Качальсский (Вайцманн-институт, Израиль) показал, что в водном растворе, содержащем монтмориллонит (один из минералов глин), возможен синтез белков с длиной цепи в больше чем 50 аминокислот с почти 100%-ным выходом.
Ионы металлов могут выступать в роли катализаторов, доноров электронов или же включаться в биомолекулы.
Минералы глин в водных растворах часто несут поверхностный электрический заряд и могут таким образом притягивать и удерживать противоположно заряженные органические молекулы.
В микрополостях горных пород молекулы органических соединений защищены от ультрафиолетового облучения.

Теория Вехтерхойзера

Особенно интенсивная форма содействия минералов и горных пород пребиотическому синтезу органических молекул должна протекать на поверхности минералов сульфида железа. Теория Миллера-Юри имеет существенные ограничения, особенно учитывая ошибочное объяснение полимеризации мономерных составляющих биомолекулы.

Анаэробные бактерии, обмен веществ которых происходит с участием железа и серы, существуют и сегодня.

Сросток кристаллов сульфида железа FeS 2

Альтернативный сценарий был с начала 1980-х годов разработан Гюнтером Вехтерхойзером. По этой теории жизнь на земле возникла на поверхности железно-серных минералов, то есть сульфидов, которые и сегодня образуются посредством геологических процессов, а на молодой земле должны были встречаться гораздо чаще. Эта теория в противовес гипотезе мира РНК , предполагает, что обмен веществ предшествовал появлению энзимов и генов . В качестве подходящего места предлагаются черные курильщики на дне океанов где высокое давление, высокая температура, нет кислорода и обильно представлены различные соединения, которые могли послужить строительным материалом "кирпичиков жизни" или катализатором в цепочке химических реакциях. Большое преимущество этого концепта перед предшественниками в том, что впервые образование комплексных биомолекул связано с постоянным надёжным источником энергии. Энергия выделяется при восстановлении частично окисленных железно-серных минералов, например пирита (FeS 2), водородом (уравнение реакции: FeS 2 + H 2 FeS + H 2 S), и этой энергии достаточно для эндотермического синтеза мономерных структурных элементов биомолекул и их полимеризации:

Fe 2+ + FeS 2 + H 2 2 FeS + 2 H + ΔG°" = −44.2 кДж/моль

Другие металлы, так же как и железо, тоже образуют нерастворимые сульфиды. В дополнение к этому пирит и другие железно-серные минералы имеют положительно заряженную поверхность, на которой могут располагаться, концентрироваться и реагировать между собой преимущественно отрицательно заряженные биомолекулы (органические кислоты, фосфорные эфиры, тиолы). Необходимые для этого вещества (сероводород, моноксид углерода и соли двухвалентного железа) попадают из раствора на поверхность этого «железо-серного мира ». Вехтерхойзер привлекает для своей теории и сегодня существующие основополагающие механизмы обмена веществ и выводит из них замкнутый в себе сценарий синтеза комплексных органических молекул (органические кислоты, аминокислоты, сахар, азотистые основания, жиры) из простых неорганических соединений, находящихся в вулканических газах (NH 3 , H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , H 2 S).

В противоположность эксперименту Миллер-Юри не привлекаются источники энергии извне, в форме молнии или ультрафиолетового излучения; кроме того, первые ступени синтеза при высоких температурах и давлениях протекают гораздо быстрее (например, катализируемые энзимами химические реакции). При температуре подводных вулканов до 350 °C возникновение жизни является вполне представимым. Только позднее при возникновении чувствительных к высоким температурам катализаторам (витамины, белки) эволюция должна была происходить при более низкой температуре.

Сценарий Вехтерхойзера хорошо подходит к условиям глубоководных гидротермальных источников, так как имеющийся там перепад температуры позволяет подобное распределение реакций. Древнейшие из сегодня живущих микроорганизмов - самые жароустойчивые, предельный известный температурный максимум для их роста составляет +122 °C. Кроме того железо-серные активные центры и сегодня задействованы в биохимических процессах, что может указывать на первичное участие Fe-S-минералов в развитии жизни.

Образование макромолекул

Биомакромолекулы - это белки и нуклеиновые кислоты. Увеличение молекулярных цепей (полимеризация) нуждается в энергии и происходит с выделением воды (конденсация). При расщеплении макромолекул (гидролиз) энергия выделяется. Так как химическое равновесие настолько сильно смещено в сторону мономеров, что реакция протекает термодинамически необратимо в сторону гидролиза полимеров, синтез полимеров невозможен без постоянного поступления энергии. Даже с помощью теоретической поддержки испарением воды, добавлением солей (связывают воду) или распадом продуктов, равновесие смещается лишь незначительно. В итоге возникновение жизни очень вероятно связано с надёжным источником энергии, который использовался бы для полимеризации.

[Мономеры] n + H 2 O n Мономеры + Тепло,

Энергия + Мономеры [Мономеры] n + H 2 O.

В качестве источника энергии в биохимии используется чаще всего АТФ, для образования которого необходимы уже существующие энзимы. В условиях молодой земли возможно снабжение энергией синтеза полимеров гидролитическим расщеплением полифосфатов, что используется некоторыми энзимами вместо ращепления АТФ и сегодня. Но маловероятно, что полифосфаты были в необходимом количестве, так как они могли спонтанно образовываться, при испарении фосфатосодержащих растворах, но также относительно быстро гидролизироваться, растворяясь в воде. Подобные процессы могли происходить на побережье при регулярном приливе и отливе. Но в этом случае все зависимые от воды процессы постоянно прерывались бы, что слишком замедлило бы синтез комплексных соединений. Поэтому обратимся к совсем другой системе, в которой происходит как синтез мономерных составляющих так и зависимое от постоянного источника энергии образование полимеров, - к анаэробным окислительно-восстановительным реакциям с сульфидами металлов.

Равновесие синтеза полимеров смещается в сторону образования полимеров повышением концентрации мономеров и обезвоживанием продуктов реакции. Условием для этого является ограничение среды реакции, которая имеет лишь ограниченный обмен веществ с внешней средой. Традиционно считалось, что подобные процессы протекают в маленьких прудах с высоким испарением, что основной идеей опирается ещё на труды Ч. Дарвина. Сегодня рассматриваются вулканические регионы океанов с осевшими от гидротермальных источников сульфидами металлов как вполне подходящее место для развития подобного сценария.

Другие варианты решения проблемы имеют сильные ограничения и сложносопоставимы с условиями ранней земли. Преимущественно требуется для одного или нескольких этапов исключение воды, что очень легко осуществить в лаборатории, но не в рассматриваемое время на земле. Одна из подобных систем - это полимеризация карбамидов (R-N=C=N-R) или дициана (N≡C-C≡N) в безводной среде. При этом конденсация исходных составляющих протекает параллельно реакции карбамида, при которой выделяется необходимая энергия:

Энергия + + + H 2 O (H-X-OH = мономер, например аминокислота или рибоза)

H 2 O + Энергия (если R = H возникает мочевина)

При ультрафиолетовом излучении из синильной кислоты и образуется дициан, однако, в высыхающей трясине летучая молекула быстро испарилась бы. Если сухая смесь аминокислот нагревается до 130 °C несколько часов, то образуются похожие на белок макромолекулы. При наличии полифосфатов достаточно 60 °C. Эти условия могут образоваться, если вода с растворенными аминокислотами вступает в контакт с горячим вулканическим пеплом.

Если нагреть смесь нуклеотида в присутствии полифосфатов до 55 °C, то, хотя и возникают полинуклеотиды, но всё же соединение происходит вероятнее за счёт 5’- и 2’-C-атомов рибозы, так как оно протекает легче, чем во всех организмах имеющиеся 5’-3’-связи. Из обоих типов полинуклеотидов образуются двойные цепи (сравни со строением ДНК). Разумеется 5’-3’-двойные цепи стабильнее, чем 5’-2’.

Если на 2’ атоме углерода рибозы отсутствует гидроксильная группа, получается дезоксорибоза. Теперь могут образовываться типичные для ДНК 5’-3’ связи.

Образование пребиотических структур (предшественников клеток)

Клетки поддерживают свои функции тем, что они образуют ограниченные среды для реакций, чтобы разделять друг от друга процессы обмена веществ и исключать нежелательные реакции. Одновременно могут создаваться различия концентраций.

Коацерваты

Известно, что с повышением концентрации многие органические соединения, молекулы которых содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки , способны в водных растворах к мицеллообразованию , то есть выделению микрокапелек органической фазы. Мицеллообразование наблюдается также при высаливании, то есть при увеличении концентрации солей в коллоидных растворах биополимеров-полиэлектролитов, при этом выделяются микрокапли диаметром 1-500 мкм, содержащие биополимеры в высокой концентрации.

Химическая эволюция

По мнению большинства ученых (в первую очередь астрономов и геологов), Земля сформировалась как небесное тело около 5 млрд лет т.н. путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака.

Под влиянием сил сжатия частицы, из которых формируется Земля, выделяют огромное количество тепла. В недрах Земли начинаются термоядерные реакции. В результате Земля сильно разогревается. Таким образом, 5 млрд лет т.н. Земля представляла собой несущийся в космическом пространстве раскаленный шар, температура поверхности которою достигала 4000-8000°С (рис. 2.4.1.1).

Постепенно, за счет излучения тепловой энергии в космическое пространство, Земля начинает остывать. Около 4 млрд лет т.н. Земля остывает настолько, что на ее поверхности формируется твердая кора; одновременно из ее недр вырываются легкие, газообразные вещества, поднимающиеся вверх и формирующие первичную атмосферу. По составу первичная атмосфера существенно отличалась от современной. Свободный кислород в атмосфере древней Земли, по-видимому, отсутствовал, а в ее состав входили вещества в восстановленном состоянии, такие, как водород (Н 2), метан (СН 4), аммиак (NH 3), пары воды (Н 2 О), а возможно, также азот (N 2), окись и двуокись углерода (СО и С0 2).

Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии обладают высокой реакционной способностью и в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы. Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.

Около 5 млрд лет т.п. - возникновение Земли как небесного тела; температура поверхности - 4000-8000°С

Около 4 млрд лет т.н. - формирование земной коры и первичной атмосферы

При температуре 1000°С - в первичной атмосфере начинается синтез простых органических молекул

Энергию для синтеза дают:

Температура первичной атмосферы ниже 100°С - формирование первичного океана -

Синтез сложных органических молекул - биополимеров из простых органических молекул:

простые органические молекулы - мономеры

сложные органические молекулы - биополимеры

Рис. 2.1. Основные этапы химической эволюции

Когда температура первичной атмосферы достигает 1000°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и, наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного (т.е. проходящею без участия живых организмов) синтеза органических веществ.

Признанию и широкому распространению теории А.И. Опарина во многом способствовало то, что процессы абиогенного синтеза органических молекул легко воспроизводятся в модельных экспериментах.

Возможность синтеза органических веществ из неорганических была известна с начала 19 в. Уже в 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество - мочевину из неорганическою - циановокислого аммония. Однако возможность абиогенного синтеза органических веществ в условиях, близких к условиям древней Земли, была впервые показана в опыте С. Миллера.

В 1953 г. молодой американский исследователь, студент- дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН 4 , аммиака NH, и паров воды Н 2 0 (рис. 2.4.1.2). Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.

Рис. 2.2. Установка С. Миллера

В дальнейших опытах по абиогенному синтезу, проводимых различными исследователями, использовались не только электрические разряды, но и другие виды энергии, характерные для древней Земли, - космическое, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, высокие температуры, присущие вулканической деятельности, а также разнообразные варианты газовых смеси, имитирующих первичную атмосферу. В результате был получен практически весь спектр органических молекул, характерных для живого: аминокислоты, нуклеотиды, жироподобные вещества, простые сахара, органические кислоты.

Более того, абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности). При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.

Когда температура первичной атмосферы опустилась ниже 100°С, на Землю обрушились горячие дожди и появился первичный океан. С потоками дождя в первичный океан поступали абиогенно синтезированные органические вещества, что превратило его, но образному выражению английского биохимика Джона Холдейна, в разбавленный «первичный бульон». По-видимому, именно в первичном океане начинаются процессы образования из простых органических молекул - мономеров сложных органических молекул - биополимеров (см. рис. 2.4.1.1).

Однако процессы полимеризации отдельных нуклеогидов, аминокислот и Сахаров - это реакции конденсации, они протекают с отщеплением воды, следовательно, водная среда способствует не полимеризации, а, напротив, гидролизу биополимеров (т.е. разрушению их с присоединением воды).

Образование биополимеров (в частности, белков из аминокислот) могло происходить в атмосфере при температуре около 180°С, откуда они смывались в первичный океан с атмосферными осадками. Кроме того, возможно, на древней Земле аминокислоты концентрировались в пересыхающих водоемах и полимеризовались в сухом виде под действием ультрафиолетового света и тепла лавовых потоков.

Несмотря на то что вода способствует гидролизу биополимеров, в живой клетке синтез биополимеров осуществляется именно в водной среде. Этот процесс катализируют особые белки-катализаторы - ферменты, а необходимая для синтеза энергия выделяется при распаде аденозинтрифосфорной кислоты - АТФ. Возможно, синтез биополимеров в водной среде первичного океана катализировался поверхностью некоторых минералов. Экспериментально показано, что раствор аминокислоты аланина может полимеризоваться в водной среде в присутствии особого вида глинозема. При этом образуется пептид полиаланин. Реакция полимеризации аланина сопровождается распадом АТФ.

Полимеризация нуклеотидов проходит легче, чем полимеризация аминокислот. Показано, что в растворах с высокой концентрацией солей отдельные нуклеотиды самопроизвольно полимеризуются, превращаясь в нуклеиновые кислоты.

Жизнь всех современных живых существ - это процесс непрерывного взаимодействия важнейших биополимеров живой клетки - белков и нуклеиновых кислот.

Белки - это «молекулы-рабочие», «молекулы-инженеры» живой клетки. Характеризуя их роль в обмене веществ, биохимики часто используют такие образные выражения, как «белок работает», «фермент ведет реакцию».Важнейшая функция белков- каталитическая . Как известно, катализаторы - это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в конечные продукты реакции не входят.Бачки-катализаторы называются ферментами. Ферменты в согни и тысячи раз ускоряют реакции обмена веществ. Обмен веществ, а значит, и жизнь без них невозможны.

Нуклеиновые кислоты - это «молекулы-компьютеры», молекулы - хранители наследственной информации. Нуклеиновые кислоты хранят информацию не обо всех веществах живой клетки, а только о белках. Достаточно воспроизвести в дочерней клетке белки, свойственные материнской клетке, чтобы они точно воссоздали все химические и структурные особенности материнской клетки, а также свойственный ей характер и темпы обмена веществ. Сами нуклеиновые кислоты также воспроизводятся благодаря каталитической активности белков.

Таким образом, тайна зарождения жизни - это тайна возникновения механизма взаимодействия белков и нуклеиновых кислот. Какими же сведениями об этом процессе располагает современная наука? Какие молекулы явились первичной основой жизни - белки или нуклеиновые кислоты?

Ученые полагают, что несмотря на ключевую роль белков в обмене веществ современных живых организмов, первыми «живыми» молекулами были не белки, а нуклеиновые кислоты, а именно рибонуклеиновые кислоты (РНК).

В 1982 г. американский биохимик Томас Чек открыл автокаталитические свойства РНК. Он экспериментально показал, что в среде, содержащей в высокой концентрации минеральные соли, рибонуклеотиды спонтанно (самопроизвольно) полимеризуются, образуя полинуклеотиды - молекулы РНК. На исходных поли- нуклеотидных цепях РНК, как на матрице, путем спаривания комплементарных азотистых оснований образуются РНК-ко- пии. Реакция матричного копирования РНК катализируется исходной молекулой РНК и не требует участия ферментов либо других белков.

Дальнейшие события достаточно хорошо объясняются процессом, который можно было бы назвать «естественным отбором» на уровне молекул. При самокопировании (самосборке) молекул РНК неизбежно возникают неточности, ошибки. Содержащие ошибки копии РНК снова копируются. При повторном копировании вновь могут возникнуть ошибки. В результате популяция молекул РНК на определенном участке первичного океана будет неоднородна.

Поскольку параллельно с процессами синтеза идут и процессы распада РНК, в реакционной среде будут накапливаться молекулы, обладающие либо большей стабильностью, либо лучшими автокаталитическими свойствами (т.е. молекулы, которые быстрее себя копируют, быстрее «размножаются»).

На некоторых молекулах РНК, как на матрице, может происходить самосборка небольших белковых фрагментов - пептидов. Вокруг молекулы РНК образуется белковый «чехол».

Наряду с автокаталитическими функциями Томас Чек обнаружил у молекул РНК и явление самосплайсинга. В результате самосплайсинга участки РНК, не защищенные пептидами, самопроизвольно удаляются из РНК (они как бы «вырезаются» и «выбрасываются»), а оставшиеся участки РНК, кодирующие белковые фрагменты, «срастаются», т.е. самопроизвольно объединяются в единую молекулу. Эта новая молекула РНК уже будет кодировать большой сложный белок (рис. 2.4.1.3).

По-видимому, первоначально белковые чехлы выполняли в первую очередь, защитную функцию, предохраняя РНК от разрушения и повышая тем самым ее стабильность в растворе (такова функция белковых чехлов и у простейших современных вирусов).

Очевидно, что на определенном этапе биохимической эволюции преимущество получили молекулы РНК, кодирующие не только защитные белки, но и белки-катализаторы (ферменты), резко ускоряющие скорость копирования РНК. По-видимому, именно таким образом и возник процесс взаимодействия белков и нуклеиновых кислот, который мы в настоящее время называем жизнью.

В процессе дальнейшего развития, благодаря появлению белка с функциями фермента - обратной транскриптазы, на одно- цепочечных молекулах РНК стали синтезироваться состоящие из двух цепей молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Отсутствие у дезоксирибозы ОН-группы в 2" положении делает молекулы ДНК более стабильными по отношению к гидролитическому расщеплению в слабощелочных растворах, а именно слабощелочной была реакция среды в первичных водоемах (эта реакция среды сохранилась и в цитоплазме современных клеток).

Где же происходило развитие сложного процесса взаимодействия белков и нуклеиновых кислот? По теории А.И. Опарина, местом зарождения жизни стали так называемые коацерватные капли.

Рис. 2.3.Гипотеза возникновения взаимодействия белков и нуклеиновых кислот:

а) в процессе самокопирования РНК накапливаются ошибки (1 - нуклеотиды, соответствующие исходной РНК; 2 - нуклеотиды, не соответствующие исходной РНК, - ошибки в копировании); б) на часть молекулы РНК за счет ее физико-химических свойств «налипают» аминокислоты (3 - молекула РНК; 4 - аминокислоты), которые, взаимодействуя друг с другом, превращаются в короткие белковые молекулы - пептиды.

В результате свойственного молекулам РНК самосплайсинга незащищенные пептидами участки молекулы РНК разрушаются, а оставшиеся «срастаются» в единую молекулу, кодирующую крупный белок.

В результате возникает молекула РНК, покрытая белковым чехлом (сходное строение имеют и наиболее примитивные современные вирусы, например вирус табачной мозаики)

Явление коацервации состоит в том, что в некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более кон центрирован но го раствора - коацервата. При встряхивании коацерват распадается на отдельные мелкие капельки. В воде такие капли покрываются стабилизирующей их гидратной оболочкой (оболочкой из молекул воды) - рис. 2.4.1.4.

Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ: иод воздействием чисто физико-химических сил они могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада. За счет избирательного концентрирования веществ из окружающей среды они могут расти, а но достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться».

Возникшие в результате концентрирования белковых растворов коацерватные капли в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липи- дов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема - рис. 2.4.1.4).

Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.

Для коацерватных капель также существует процесс «естественного отбора», при котором в растворе сохраняются наиболее стабильные капли.

Несмотря на внешнее сходство коацерватных капель с живыми клетками, у коацерватных капель отсутствует главный признак живого - способность к точному самовоспроизведению, самокопированию. Очевидно, предшественниками живых клеток явились такие коацерватные капли, в состав которых вошли комплексы молекул-репликаторов (РНК или ДНК) и кодируемых ими белков. Возможно, комплексы РНК-белок длительное время существовали вне коацерватных капель в виде так называемого «свободноживущего гена», а возможно, их формирование проходило непосредственно внутри некоторых коацерватных капель.

Рис 2.4.Возможный путь перехода от коацерватных капель к примитивным клешам:

а) образование коацсрвата; 6) стабилизация коацерватных капель в водном растворе; в) - формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану: 1 - коацерватная капля; 2 - мономолекулярный слой липида на поверхности водоема; 3 - формирование вокруг капли одинарного липидного слоя; 4 - формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану; г) - коацерватная капля, окруженная двойным липидным слоем, с вошедшим в ее состав белково-нуклеотидным комплексом - прообраз первой живой клетки

Исключительно сложный, не до конца понятный современной науке процесс возникновения жизни на Земле прошел с исторической точки зрения чрезвычайно быстро. Уже 3,5 млрд лет т.н. химическая эволюция завершилась появлением первых живых клеток и началась биологическая эволюция.

Биологическая эволюция

Появление примитивной клетки означало окончание предбиологической эволюции живого и начало биологической эволюции жизни.

Первыми возникшими на нашей планете одноклеточными организмами были примитивные бактерии, не обладавшие ядром, то есть прокариоты. Как уже указывалось, это были одноклеточные безъядерные организмы. Они были анаэробами, поскольку жили в бескислородной среде, и гетеротрофами, поскольку питались готовыми органическими соединениями «органического бульона», то есть веществами, синтезированными в ходе химической эволюции. Энергетический обмен у большинства прокариот происходил по типу брожения. Но постепенно «органический бульон» в результате активного потребления убывал. По мере его исчерпания некоторые организмы стали вырабатывать способы формирования макромолекул биохимическим путем, внутри самих клеток при помощи ферментов. В таких условиях конкурентоспособными оказались клетки, которые смогли получать большую часть необходимой энергии непосредственно от излучения Солнца. По этому пути и шел процесс формирования хлорофилла и фотосинтеза.

Переход живого к фотосинтезу и автотрофному типу питания явился поворотом в эволюции живого. Атмосфера Земли стала «наполняться» кислородом, который для анаэробов явился ядом. Поэтому многие одноклеточные анаэробы погибли, другие укрылись в бескислородных средах – болотах и, питаясь, выделяли не кислород, а метан. Третьи приспособились к кислороду. У них центральным механизмом обмена стало кислородное дыхание, которое позволило увеличить выход полезной энергии в 10–15 раз по сравнению с анаэробным типом обмена – брожением. Переход к фотосинтезу был длительным процессом и завершился около 1,8 млрд лет назад. С возникновением фотосинтеза в органическом веществе Земли накапливалось все больше энергии солнечного света, что ускоряло биологический круговорот веществ и эволюцию живого в целом.

В кислородной среде сформировались эукариоты, то есть одноклеточные, имеющие ядро организмы. Это были уже более совершенные организмы с фотосинтетической способностью. Их ДНК уже были сконцентрированы в хромосомы, тогда как у прокариотных клеток наследственное вещество было распределено по всей клетке. Хромосомы эукариотов были сконцентрированы в ядре клетки, а сама клетка уже воспроизводилась без существенных изменений. Таким образом, дочерняя клетка эукариот была почти точной копией материнской и имела столько же шансов на выживание, сколько и материнская.

Образование растений и животных

Последующая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Такое разделение произошло в протерозое, когда Земля была заселена одноклеточными организмами.

С начала эволюции эукариоты развивались двойственно, то есть в них параллельно были группы с автотрофным и гетеротрофным питанием, что обеспечивало целостность и значительную автономность живого мира.

Растительные клетки эволюционировали в сторону уменьшения способности передвижения из-за развития жесткой целлюлозной оболочки, но в направлении использования фотосинтеза.

Животные клетки эволюционировали в сторону увеличения способности к передвижению, а также совершенствования способов поглощать и выделять продукты переработки пищи.

Следующим этапом развития живого стало половое размножение. Оно возникло примерно 900млн лет назад.

Дальнейший шаг в эволюции живого произошел около 700–800млн лет назад, когда появились многоклеточные организмы с дифференцированными телом, тканями и органами, выполняющими определенные функции. Это были губки, кишечнополостные, членистоногие и т.д., относящиеся к многоклеточным животным.

На протяжении всего протерозоя и в начале палеозоя растения населяют в основном моря и океаны. Это зеленые и бурые, золотистые и красные водоросли. Впоследствии в морях кембрия уже существовали многие типы животных. В дальнейшем они специализировались и совершенствовались. Среди морских животных той поры ракообразные, губки, кораллы, моллюски, трилобиты.

В конце ордовикского периода стали появляться крупные плотоядные, а также позвоночные животные.

Дальнейшая эволюция позвоночных шла в направлении челюстных рыбообразных. В девоне стали появляться уже двоякодышащие рыбы – амфибии, а затем насекомые. Постепенно развивалась нервная система как следствие совершенствования форм отражения.

Особо важным этапом в эволюции форм живого являлись выход растительных и животных организмов из воды на сушу и дальнейшее увеличение количества видов наземных растений и животных. В дальнейшем именно из них и происходят высокоорганизованные формы жизни. Выход растений на сушу начался в конце силура, а активное завоевание суши позвоночными началось в карбоне.

Переход к жизни в воздушной среде требовал от живых организмов очень многих изменений и предполагал выработку соответствующих приспособлений. Он резко увеличил темпы эволюции живого на Земле. Вершиной эволюции живого стал человек. Жизнь в воздушной среде «увеличила» массу тела организмов, в воздухе не содержатся питательные вещества, воздух иначе, чем вода, пропускает свет, звук, тепло, количество кислорода в нем выше. Ко всему этому необходимо было приспособиться. Первыми приспособившимися к условиям жизни на суше позвоночными были рептилии. Их яйца были снабжены пищей и кислородом для эмбриона, покрыты твердой скорлупой, не боялись высыхания.

Примерно 67млн лет назад преимущество в естественном отборе получили птицы и млекопитающие. Благодаря теплокровности млекопитающих они быстро завоевали господствующее положение на Земле, что связано с условиями похолодания на нашей планете. В это время именно теплокровность стала решающим фактором выживания.

Она обеспечивала постоянную высокую температуру тела и стабильность функционирования внутренних органов млекопитающих. Живорождение млекопитающих и вскармливание детенышей молоком явилось мощным фактором их эволюции, позволяющим размножаться в разнообразных условиях среды. Развитая нервная система способствовала разнообразию форм приспособления и защиты организмов. Произошло разделение хищно-копытных животных на копытных и хищников, а первые насекомоядные млекопитающие положили начало эволюции плацентарных и сумчатых организмов.

Решающим этапом эволюции жизни на нашей планете явилось появление отряда приматов. В кайнозое примерно 67–27 млн. лет назад приматы разделились на низших и человекообразных обезьян, являющихся древнейшими предками современного человека. Предпосылки появления современного человека в процессе эволюции формировались постепенно.

Сначала был стадный образ жизни. Он позволил сформировать фундамент будущего социального общения. Причем если у насекомых (пчелы, муравьи, термиты) биосоциальность вела к потере индивидуальности, то у древних предков человека, напротив, она развивала индивидуальные черты особи. Это явилось мощной движущей силой развития коллектива.

Эры и периоды

Согласно современным оценкам возраст Земли составляет около 4,5-5 млрд. лет. Появление на планете первых водоемов, с которыми связывают зарождение жизни, отстоит от настоящего времени на 3,8-4 млрд. лет. Историю Земли принято делить на крупные промежутки времени – эры и периоды. Границами между ними являются крупные геологические события, связанные с историей развития планеты как космического тела. К таким событиям относятся горообразовательные процессы, усиление вулканической деятельности, поднятие и опускание суши, изменения очертаний материков и океанов.

Геохронологическая история Земли состоит из 5 эр.

^ Таблица 1. Хронология основных событий в эволюции многоклеточных организмов

Эра	Период	Начало, млн. лет назад	Краткая геологическая обстановка	Основные эволюционные события
Кайнозойская	Четвертичный	2,4	Оформление современных очертаний материков и рельефа. Неоднократные смены климата. Четыре крупных оледенения Северного полушария	Вымирание многих видов растений, упадок древесных форм, расцвет травянистых. Эволюция человека. Вымирание крупных видов млекопитающих.
Неоген		Повсеместное поднятие гор. По своим особенностям климат близок к современному.	Преобладание покрытосеменных и хвойных, увеличение площади степей. Расцвет плацентарных млекопитающих. Появление человекообразных обезьян.
Палеоген		Климат теплый	Расцвет покрытосеменных, млекопитающих, птиц.
Мезозойская	Мел		Похолодание климата во многих районах.	Развитие млекопитающих, птиц, цветковых растений. Вымирание многих рептилий.
Юра		Климат влажный, теплый, к концу периода сухой.	Господство рептилий на суше, в воде и воздухе. Возникновение покрытосеменных и птиц.
Триас			Появление млекопитающих. Расцвет рептилий, распространение голосеменных.
Палеозойская	Пермь		Отступление морей, усиление Вулканической активности климат стал резко континентальным, более сухим и холодным.	Великое вымирание морских организмов. Появление голосеменных, распространение рептилий.
Карбон		Понижение уровня материков. Климат вначале теплый и влажный, потом прохладный.	Появление рептилий.
Девон			Появление древних амфибий, насекомых. Господство рыб. Появление лесов из папоротников и плаунов.
Силур		Формирование единого евроамериканского континента. Поднятие материков, установление низменностей. Климат теплый, влажный, сменяется сухим.	Выход растений и беспозвоночных на сушу.
Ордовик		Климат теплый, влажный.	Обилие морских водорослей. Появление первых позвоночных (бесчелюстных).
Кембрий		Опускание материков и широкое затопление их морями. Климат умеренный, сухой, сменяется влажным.	Жизнь сосредоточена в морях. Развитие беспозвоночных. Появление высших растений.
Протерозойская	Поздний протерозой	1650		Развитие эукариот, многоклеточных растений и животных
Ранний протерозой	2600		Развитие низших растений
Археозойская		4000		Зарождение жизни, появление прокариот. Господство бактерий и сине-зеленых, появление зеленых водорослей.

История развития Земли для удобства изучения поделена на четыре эры и одиннадцать периодов. Два самых последних периода в свою очередь поделены на семь систем или эпох.

Земная кора стратифицирована, т.е. различные горные породы, слагающие ее, слоями лежат друг на друге. Как правило, возраст горных пород по направлению к верхним слоям уменьшается. Исключение составляют участки с нарушенным из-за движений земной коры залеганием слоев. Уильям Смит в 18 в. заметил, что в течении геологических периодов времени некоторые организмы значительно продвинулись в своем строении.

По современным оценкам возраст планеты Земля насчитывает примерно 4,6 - 4,9 10 лет. Эти оценки основываются главным образом на исследовании горных пород методами радиометрического датирования.

АРХЕЙ

О жизни в архее известно не много. Единственными животными организмами были клеточные прокариоты - бактерии и сине-зеленые водоросли. Продуктами жизнедеятельности этих примитивных микроорганизмов являются и древнейшие осадочные породы (строматолиты)- известковые образования в виде столбов, обнаружены в Канаде, Австралии, Африке, на Урале, в Сибири.

Бактериальную основу имеют осадочные породы железа, никеля, марганца. Многие микроорганизмы - активные участники формирования колоссальных, пока еще мало разведенных ресурсов полезных ископаемых на дне Мирового океана. Велика роль микроорганизмов и в образовании горючих сланцев, нефти и газа. Сине-зеленые, бактерии быстро распространяются в архее и становятся хозяевами планеты. Эти организмы не имели обособленного ядра, но развитой системой обмена веществ, способностью к размножению. Сине-зеленые, кроме того, обладали аппаратом фотосинтеза. Появление последнего было крупнейшим ароморфозом в эволюции живой природы и открыло один из путей (вероятно, специфически земной) образования свободного кислорода. К концу архея (2,8-3 млрд. лет назад) появляются первые колониальные водоросли, окаменевшие остатки которых найдены в Австралии, Африке и др. Важнейший этап развития жизни на Земле тесно связан с изменением концентрации кислорода в атмосфере, становлением озонового экрана. Благодаря жизнедеятельности сине-зеленых содержание свободного кислорода в атмосфере заметно возросло. Накопление кислорода привело к возникновению первичного озонового экрана в верхних слоях биосферы, который открыл горизонты для расцвета.

ПРОТЕРОЗОЙ

Протерозой - огромный по продолжительности этап исторического развития Земли. В течении его бактерии и водоросли достигают исключительного расцвета, с их участием интенсивно шли процессы отложения осадков. В результате жизнедеятельности железобактерий в протерозе образовались крупнейшие железорудные месторождения. На рубеже раннего и среднего рифея господство прокариот сменяется расцветом эукариотов - зеленых и золотистых водорослей. Из одноклеточных эукариотов за короткое время развиваются многоклеточные со сложной организацией и специализацией. Древнейшие представители многоклеточных животных известны с позднего рифея (700-600 млн. лет назад). Теперь мы можем утверждать, что 650 млн. лет назад земные моря населяли разнообразные многоклеточные: одиночные и колониальные полипы, медузы, плоские черви и даже предки современных кольчатых червей, членистоногих, моллюсков и иглокожих. Среди растительных организмов в то время преобладали одноклеточные, но появляются и многоклеточные водоросли (зеленые, бурые, красные), грибы.

ПАЛЕОЗОЙ

К началу палеозойской эры жизнь миновала, может быть, самую важную и трудную часть своего пути. Сформировались четыре царства живой природы: прокариоты, или дробянки, грибы, зеленые растения, животные. Родоначальниками царства зеленых растений были одноклеточные зеленые водоросли, распространенные еще в морях протерозоя. Наряду с плавающими формами среди низ появились и прикрепленные ко дну. Фиксированный образ жизни потребовал расчленения тела на части. Но более перспективным оказалось приобретение многоклеточности, разделение многоклеточного тела на части, выполняющие различные функции. Решающее значение для дальнейшей эволюции имело возникновение такого важного ароморфоза как половой процесс.

Как и когда произошло разделение живого мира на растения и животные? Един ли их корень? Споры ученых вокруг этого вопроса не затихают и сегодня. Возможно, первые животные произошли от общего ствола всех эукариотов или от одноклеточных зеленых водорослей.

КЕМБРИЙ

Расцвет скелетных беспозвоночных. В этот период происходилочередной период горообразования, перераспределения площади суши и моря. Климат кембрия был умеренным, материки неизменными. На суше по-прежнему жили лишь бактерии и сине-зеленые. В морях господствовали зеленые и бурые водоросли, прикрепленные ко дну; в толщах вод плавали диатомовые, золотистые, эвгленовые водоросли. В результате увеличения смыва солей из суши, морские животные получили возможность усваивать в больших количествах минеральные соли. А это, в свою очередь, открыло перед ними широкие пути построения жесткого скелета. Наиболее широкого распространения достигли древнейшие членистоногие - трилобиты, внешне сходные с современными ракообразными - мокрицами. Очень характерен для кембрия своеобразный тип многоклеточных животных - археоциат, который вымер к концу периода. В то время жили также разнообразные губки, кораллы, плеченогие, моллюски. Позднее появились морские ежи.

ОРДОВИК

В морях ордовика были разнообразно представлены зеленые, бурые и красные водоросли, многочисленные трилобиты. В ордовике появились первые головоногие моллюски, родственники современных осьминогов и кальмаров, распространились плеченогие, брюхоногие моллюски. Шел интенсивный процесс образования рифов четырехлучевыми кораллами и табулятами. Широкое распространение получают граптолиты - полухордовые, сочетающие в себе признаки беспозвоночных и позвоночных животных напоминающие современных ланцетников. В ордовике появились споровые растения - псилофиты, произростающие по берегам пресных водоемов.

СИЛУР

На смену теплым мелководным морям ордовика пришли значительные площади суши, что привело к иссушению климата.

В силурских морях доживали свой век граптолиты, пришли в упадок трилобиты, но исключительного расцвета достигли головоногие моллюски. Кораллы постепенно вытеснили археоциат. В силуре развились своеобразные членистоногие - гигантские ракоскорпионы, достигающие до 2 м. в длину. К концу палеозоя вся группа ракоскорпионов почти вымерла. Они напоминали современного мечехвоста. Особенно примечательным событием этого периода было появление и распространение первых представителей позвоночных животных - панцирных “рыб”. Эти “рыбы” лишь по форме напоминали настоящих рыб, но принадлежали к другому классу позвоночных - бесчелюстными или круглоротым. Они не могли долго плавать и большей частью лежали на дне заливов и лагун. Из-за малоподвижного образа жизни они оказались неспособными к дальнейшему развитию. Из современных представителей клуглоротых известны миноги и миксины. Характерная черта силурийскрго периода - интенсивное развитие наземных растений. Одним из первых наземных, вернее земноводных, растений были псилофиты, ведущие свою родословную от зеленых водорослей. В водоемах водоросли адсорбируют воду и растворенные в ней вещества всей поверхностью тела, вот почему у них нет корней, а выросты тела, напоминающие корни, служат лишь органами прикрепления. В связи с необходимостью проведения воды от корней к листьям возникает сосудистая система. Выход растений на сушу - один из величайших моментов Эволюции. Он был подготовлен предыдущей эволюцией органического и неорганического мира.

ДЕВОН

Девон - период рыб. Климат девона был более резко континентальный, происходили обледенения в горных районах Южной Африки. В более теплых районах климат изменился в сторону большего иссушения, появились пустынные и полупустынные области.

Теория химической эволюции (пребиотическая эволюция , теория абиогенеза ) — 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. Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.
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 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.

Исследования

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.

Абиогенез

В широком смысле абиогенез — возникновение живого из неживого, то есть исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 20-х годах XX века академик Александр Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их коацерватные капли, или просто коацерваты .

В 1953 году Стэнли Миллером экспериментально осуществлён абиогенный синтез аминокислот и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли. 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.

Аспекты

Гипотезы химической эволюции должны объяснять различные аспекты:
1. Небиологическое начало биомолекул, то есть их развитие из неживущих и, соответственно, неорганических предшественников.
2. Появление способных к саморепликации и самоизменению химических информационных систем, то есть возникновение клетки.
3. Появление взаимной зависимости функции (ферментов) и информации (РНК, ДНК).
4. Условия среды Земли в период от 4,5 до 3,5 млрд лет назад.

Рассуждения

Биомолекулы
Пребиотический синтез сложных соединений молекул может делится на три последовательных этапа:
1. Возникновение простых органических соединений (спиртов, кислот, гетероциклических соединений: пуринов, пиримидинов и пирролов) из неорганических материалов.
2. Синтез более сложных органических соединений - "биомолекул" - представителей наиболее распространённых классов метаболитов, в том числе и мономеров - структурных единиц биополимеров (моносахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов) из простых органических соединений.
3. Возникновение сложных биополимеров (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты) из основных структурных единиц - мономеров.

Развитие древней атмосферы
Развитие земной атмосферы является частью химической эволюции и к тому же важным элементом истории климата. Сегодня её разделяют на четыре важные ступени развития.

В начале происходило образование химических элементов в космосе и появление из них земли — приблизительно 4,56 миллиардов лет назад. Предположительно наша планета уже довольно рано имела атмосферу из водорода и гелия, которая однако постепенно утекла в космическое пространство. Астрономы исходят так же из того, что из-за относительно высоких температур и эффектов солнечного ветра на Земле и на других близлежащих к Солнцу планетах могло остаться небольшое количество легких химических элементов (включая углерод, азот и кислород). Все эти элементы, составляющие сегодня основную часть биосферы, были занесены ударами комет из внешних участков солнечной системы лишь через большой промежуток времени, когда протопланеты немного остыли. В течение первых нескольких миллионов лет после возникновения солнечной системы постоянно повторялись столкновения с небесными телами, а вызванные ими коллизии уничтожали образованные в это время живые системы. Поэтому появление жизни смогло начаться только после накопления воды за длительное время хотя бы в самых глубоких впадинах.
С медленным остыванием земли, вулканической деятельностью (выделение газов из недр земли) и глобальным распределением материалов упавших комет возникла вторая атмосфера земли. Скорее всего она состояла из водяного пара (H2O до 80 %), углекислого газа (CO2 до 20 %), сероводорода (до 7 %), аммиака и метана. Высокий процент водяного пара объясняется тем, что поверхность земли была на тот момент ещё слишком горяча для образования морей. Прежде всего из воды, метана и аммиака в условиях молодой земли могли образоваться небольшие органические молекулы (кислоты, спирты, аминокислоты), позднее - органические полимеры (полисахариды, жиры, полипептиды), которые были нестабильны в кислотной атмосфере.
После охлаждения атмосферы до температуры ниже кипения воды наступил очень длительный дождь, который и образовал океаны. Насыщенность других газов атмосферы относительно водяного пара повысилась. Высокое ультрафиолетовое облучение обусловило фотохимический распад воды, метана и аммиака, в результате чего накопились углекислый газ и азот. Лёгкие газы — водород и гелий — уносились в космос, углекислый газ растворялся в больших количествах в океане, окисляя воду. Значение pH упало до 4. Инертный и малорастворимый азот N2 накапливался со временем и образовал около 3,4 миллиардов лет назад основную составляющую атмосферы.
Выпадание в осадок прореагировавшего с ионами металлов растворенного углекислого газа (карбонаты) и дальнейшее развитие живых существ, которые ассимилировали углекислый газ, привело к уменьшению CO2-концентрации и поднятию значения pH в водоёмах.
Кислород O2 играл важнейшую роль в дальнейшем развитии атмосферы. Он образовался с появлением способных к фотосинтезу живых существ, предположительно цианобактерий (сине-зелёных водорослей) или им подобных прокариотов. Ассимиляция ими углекислого газа привела к дальнейшему понижению кислотности, но насыщенность атмосферы кислородом оставалась все-таки довольно низкой. Причина этого — незамедлительное использование растворенного в океане кислорода для окисления двухвалентных ионов железа и других окисляемых соединений. Около двух миллиардов лет назад этот процесс завершился, и кислород стал постепенно накапливаться в атмосфере.
Очень реактивный кислород легко окисляет восприимчивые органические биомолекулы и становится таким образом фактором отбора окружающей среды для ранних организмов. Только немногие анаэробные организмы смогли переместиться в свободные от кислорода жизненные пространства, другая часть выработала ферменты, которые делают кислород не опасным.
Миллиард лет назад содержание кислорода в атмосфере перешагнуло планку одного процента и спустя несколько миллионов лет был образован озоновый слой. Сегодняшнее содержание кислорода в 21 % было достигнуто лишь 350 миллионов лет назад и сохраняется с тех пор стабильным.

Значение воды для возникновения жизни
H2O — химическое соединение, присутствующие при обычных условиях во всех трёх агрегатных состояниях.
Для жизни, как мы её знаем (или определяем), нужна вода как универсальный растворитель. Вода имеет комплекс качеств, которые делают жизнь возможной. Нет данных, что жизнь может возникать и существовать независимо от воды и принято считать, что только наличие воды в жидкой фазе (в определённой области или на определённой планете), делает вероятным возникновение там жизни.

Иллюстрации

Рис. 1-2. Наземный и глубоководный вулканы - вероятные предусловия возникновения жизни на Земле

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.

Этапы химической эволюции

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 10 6 К.

После ядер гелия Не наиболее устойчивыми являются ядра 12 С и 1б 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 18l 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 (табл. 7.1). 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.

Проблема самоорганизации химических систем

Выделяют субстратный и функциональный подходы к решению проблем самоорганизации предбиологических химических систем в биологические . Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

Считается, что многие из 109 открытых на сегодня химических элементов, попадая в живые организмы, участвуют в их* жизнедеятельности. Основу живых систем составляют шесть элементов - органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Общая весовая доля этих элементов в организмах составляет около 97,4%. За ними следуют еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%. Еще около 20 элементов участвуют в построении и функционировании узкоспецифических биосистем, например водорослей, состав которых определяется в известной мере питательной средой. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. При этом в настоящее время насчитывается более 5 млн химических соединений, из которых 96% - органические, состоящие из перечисленных 6-18 элементов. Остальные 90 химических элементов в условиях Земли входят всего в 300 тыс. неорганических соединений.

Наиболее распространенные на Земле органогены - кислород и водород. Распространенность углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика - около 0,24% по весу. В то же время можно говорить о господстве во Вселенной двух элементов - водорода и гелия, а все остальные элементы следует рассматривать как примесь к ним. Таким образом, геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющими факторами выступают требования соответствия между строительным материалом и высокоорганизованными структурами, из которых они сооружаются.

С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных образовывать прочные и энергоемкие связи, причем связи лабильные. Указанным условиям отвечает углерод, который способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности. Азот, фосфор, сера как органогены, а также железо и магний, составляющие активные центры ферментов, тоже отличаются лабильностью. Кислород и водород не столь лабильны, но они являются носителями окислительных и восстановительных процессов.

Подобно тому как из всех химических элементов только шесть органогенов и 10-16 других элементов отобраны природой для основы биосистем, так и в ходе эволюции шел отбор химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют только несколько сот. Более того, из 100 известных аминокислот в состав белков входят 20 и только по четыре нуклеотида ДНК (дезоксирибонук-леиновая кислота - высокомолекулярное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов; вместе с белками образует вещество хромосом, ДНК - носитель генетической информации) и РНК (рибонуклеиновая кислота - высокомолекулярное соединение, участвующее в реализации генетической информации в клетках всех живых организмов) составляют основу всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Из такого узкого круга органических веществ построено все разнообразие мира животных и растений. Полагают, что, когда период химической подготовки сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция в каком-то смысле застыла. Доказательством этого служит тот факт, что аминокислотный состав гемоглобина самых низших позвоночных животных и человека практически один и тот же. Более или менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав ферментативных средств, состав веществ, накапливаемых впрок, и т.п.

Одна из важнейших задач науки связана с определением пути химической подготовки, в результате которой из минимума химических элементов и химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс - био-

система. Это важно выяснить для того, чтобы научиться у природы (а затем, может быть, и пойти дальше ее) приспособлять к своим нуждам <менее организованные материалы>, например синтезировать сахар из С0 2 , СО, Н 2 и Н 2 0 и т.д. Последние научные открытия показывают, что в ходе химической эволюции отбирались те структуры, которые способствовали повышению активности и селективности действия каталитических групп. Первая и наиболее простая структура - различные фазовые границы. Они служили основой физической и химической адсорбции, которая вносила элементарное упорядочение во взаимное расположение частиц, увеличивала их концентрацию и выступала фактором проявления каталитического эффекта. Вторым структурным фрагментом считают группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов, - полупроводниковые цепи и структуры, ответственные за перенос водорода. Третья структура, необходимая для эволюционирующих систем, - группировки, выполняющие задачу энергетического обеспечения; к ним относятся ок-сиоксогруппы, фосфорсодержащие и др.

Следующим фрагментом эволюционирующих систем является развитая полимерная структура типа РНК и ДНК. Она выполняет ряд функций, свойственных перечисленным выше структурам, а главное - роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе подобных структур. В связи с этим привлекает внимание ряд выводов, полученных различными путями в самых разных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, термодинамике, химической кинетике). Во-первых, считается, что на ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Высокие температуры (намного более 5000 К), электрические разряды и радиация препятствуют образованию конденсированного состояния и перекрывают те порции энергии, которые необходимы для преодоления энергетических барьеров. В о - в т о -р ы х, проявления катализа возможны при смягчении условий образования первичных твердых тел. В-третьих, роль катализатора возрастала по мере того, как условия (главным образом температура) приближались к существующим сейчас на Земле. Но общее значение катализа еще не могло быть высоким вплоть до образования более или менее сложных органи-

ческих молекул. В-четвертых, появление таких относительно несложных систем, как С 3 ОН, СН 2 =СН 2 , НС=СН, Н 2 СО, НСООН, HCsN, а тем более оксикислот, аминокислот и первичных Сахаров, было некаталитической подготовкой старта для большого катализа. В-пятых, роль катализа в развитии химических систем начала сильно возрастать после достижения стартового состояния - известного количественного минимума органических и неорганических соединений. Отбор активных соединений происходил из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

Отличительной чертой функционального подхода к проблеме предбиологической эволюции является концентрация усилий на исследовании самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Этот подход получил большое распространение у физиков и математиков, рассматривающих эволюционные процессы с позиции кибернетики. Крайней точкой зрения здесь является утверждение о полном безразличии к материалу эволюционных систем, поэтому живые системы, вплоть до интеллекта, могут быть смоделированы, например, из металлических систем.

В 1960-е гг. А.П. Руденко выдвинул общую теорию химической эволюции и биогенеза. Он осуществил синтез рациональных сторон субстратного и функционального подходов. Его теория в комплексе решает вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции. Пока только эта теория может служить основанием эволюционной химии как новой концептуальной системы.

Сущность данной теории состоит в утверждении, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор наиболее активных каталитических центров. Те же центры, изменение которых связано с уменьшением активности, постепенно исключаются из кинетического процесса. При многократных последовательных необратимых изме-

нениях катализатора переход его на все более высокие уровни сопровождается эволюцией базисной реакции как за счет изменений состава и структуры катализаторов, функционировавших в начале реакции, так и вследствие дробления химического процесса на элементарные стадии и появления на них новых катализаторов, которые появляются не путем захвата их из внешней среды, а благодаря саморазвитию.

Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Считается, что саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем обусловлены постоянным потоком трансформируемой энергии. А так как главным источником энергии служит базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на основе реакций с самым большим сродством (экзотермические реакции). Таким образом, базисная реакция является не только источником энергии, необходимой для полезной работы в системе, которая направлена против равновесия, но и инструментом отбора наиболее совершенных эволюционных изменений в катализаторе.

Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий. Во-первых, можно классифицировать этапы химической эволюции, а на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации следующим образом: кристаллы, близкие к идеальным, - реальные кристаллы после раскристаллизации - реальные кристаллы с включением примесей из сферы реакций - твердые кристаллы с хемосорби-рованными комплексами - гомогенные каталитические системы - микрогетерогенные и коллоидные системы.

Во-вторых, появляется принципиально новый метод изучения катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакций.

В-третьих, дается конкретная характеристика пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу в результате преодоления так называемого второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

В настоящее время набирает потенциал новое направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика, которая занимается теорией управления нестационарными процессами. Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, стоящих перед человечеством: значительное ускорение химических превращений в <мягких> условиях; осуществление новых, энергетически затрудненных процессов путем сопряжения эндо- и экзотермических реакций; возможность экономии углеводородного сырья и переход от нефти к углю -более распространенному сырьевому источнику. Химия имеет реальные предпосылки для моделирования и интенсификации фотосинтеза; фотолиза воды с получением водорода как самого высокоэффективного и экологически чистого топлива; промышленного синтеза на основе углекислого газа широкого спектра органических продуктов, в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравьиной кислоты; промышленного синтеза многочисленных фторматериалов. Сегодня созрели условия для создания малоотходных и энергосберегающих промышленных производств.