Эволюционная химия

Химики давно пытались понять, какая лаборатория лежит в основе процесса возникновения жизни из неорганической безжизненной материи — лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения» более сложные, чем исходные вещества?

И. Я. Берцелиус(1779-1848)первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой. Возникновение и эволюция жизни на Земле была бы невозможна без существования ферментов, служащих по сути дела живыми катализаторами.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения.

Тем не менее, современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов:

· изучение и использование приемов живой природы,

· применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов,

· освоение механизмов живой природы,

· развитие исследований с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме самоорганизации систем. В процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для появления жизни и ее функционирования. Из более чем ста химических элементов, открытых к настоящему времени, многие принимают участие в жизнедеятельности живых организмов. Наука же считает, что только шесть элементов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов; натрий, калий, кальций, магний», железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор.

Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.

Из такого количества органических соединений в строительстве биомира задействованы природой всего несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Каким образом природа из такого ограниченного количества химических элементов и химических соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс — биосистему?

Этот процесс ныне представляется следующим образом.

1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Условия высоких температур — выше 5 тыс. градусов по Кельвину, электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния.

2. Проявления катализа начинаются при смягчении условий ниже 5 тыс. град, по Кельвину и образования первичных тел.

3. Роль катализатора возрастала (но пока еще незначительно), по мере того, как физические условия (главным образом температура) приближались к современным земным. Появление таких, даже относительно несложных систем, как: СН₃ОН, СН₂ = СН₂; НС ≡ СН, Н₂СО, НСООН, НС ≡N, а тем более аминокислот, первичных сахаров, было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа.

4. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т.е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получились относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Открытый А.П. Руденко основной закон химической эволюции гласит, что эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность.Теория саморазвития каталитических систем позволяет выявлять этапы химической эволюции; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. А Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться. Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет. Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека. Видимо, одним из проявлений природы и является появление человека как самосознающей себя материи. На определенном этапе он может оказывать ощутимое воздействие на среду собственного обитания, причем как позитивное, так и негативное.

В последующих лекциях мы будем более подробно говорить о сущности жизни.

Вопросы для повторения

1. Что изучает химия, и какие основные методы она использует?

2. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?

3. Что называют химическим элементом?

4. Что называется простым и сложным веществом?

5. От каких факторов зависят свойства веществ?

6. Кто стал основоположником системного подхода в развитии химических знаний? Какую систему он построил?

7. Какой вклад в развитие химических знаний внесли физики?

8. Что такое катализаторы?

9. Какие элементы называют органогенами?

10.Для чего химики изучают лабораторию «живой природы»?

11.Чем отличаются ферменты от химических катализаторов?

12.Каковы потенциальные возможности эволюционной химии?

Литература

Основная:

1. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – М.: Гардарики, 2006. Гл. 11.

2. Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко и В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА.2003. – Гл. 5.

3. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. – М.: Академический Проект, 2002. Гл. 4.

Дополнительная:

1. Азимов А. Краткая история химии: Развитие идей и представлений химии от алхимии до ядерной бомбы. – СПб.: Амфора, 2002.

2. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Изд. 4-е. В 2 т. – СПб., М., Краснодар: Лань, 2003.

3. Пиментел Д., Курод Д. Возможности химии сегодня и завтра. М., 1992.

4. Фримантл М. Химия в действии: В 2 ч. – М.: Мир, 1998.

5. Эмсли Дж. Элементы. — М.: Мир, 1993.

6. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. Ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000.

ТЕМА 11. ЗЕМЛЯ КАК СРЕДА ЖИЗНЕОБИТАНИЯ: ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СТРЕЛА ВРЕМЕНИ

История показывает, что зарождение и развитие науки всегда было тесно связано с удовлетворением жизненных запросов человеческого общества. Именно поэтому в ногу со все убыстряющимся техническим прогрессом изменялись и развивался комплекс наук о Земле, развившийся из единой некогда географии, или землеведения. «Золотым» веком классического землеведения быта эпоха Великих географических открытий XV— XVII вв.

В период XVII — XIX вв. впервые была создана вполне достоверная географическая карта всего мира со многими конкретными подробностями по устройству земной поверхности н разнообразными особенностями океанов. Были получены первые представления о геологическом строении континентов, о различии их климатов, о составе растительного покрова и животного мира.

С 60-х гг. XVIII в. в Европе получила распространение геогнозия (греч. «учение о Земле») — область науки, приблизительно соответствующая нынешней геологии. Долгое время понятия «геогнозия», «минералогия», «горная наука» существовали параллельно.

Крупнейшими разделами знаний о Земле, впоследствии разделившимися на ряд родственных наук, стали, прежде всего:

· геология или наука о строении земных недр и их минеральных богатств;

· физическая география, охватывающая все главные сведения об устройстве земной поверхности (орография), ее гидрографии, т. е. строении речной сети и другим вод суши, растительном покрове и животном мире;

· океанография и метеорология, изучающие главные свойства океанов, морей и атмосферы.

С точки зрения современных наук о Земле,геологические процессы являются непосредственным продолжением и развитием тех процессов, которые развертывались в ходе космической эволюции при образовании галактик, звездных и планетных систем. Внутренние и внешние геосферные оболочки возникли в ходе длительной эволюции нашей планеты при взаимодействии множества сначала физических и химических факторов неорганической природы, а потом и процессов, происходящих в живой природе.

1. Земля – планета Солнечной системы

Но является ли она единственной планетной системой, которая возникла в силу появления в определенном месте пространства и времени маловероятного стечения весьма благоприятных условий и факторов?

Представление о случайном характере возникновения Солнечной системы и ее уникальности в настоящее время подвергаются все более аргументированной критике.

Во-первых, сам процесс возникновения и эволюции Вселенной, как мы видели, представляет собой закономерный процесс самоорганизации материи на разных стадиях ее развития. Вряд ли поэтому можно сомневаться в том, что возникновение звезд, в том числе с окружающими их планетами, является процессом случайным и уникальным.

Во-вторых, этот теоретический аргумент сейчас подкрепляется астрономическими наблюдениями. Так, с помощью американского спутника ИРАС удалось обнаружить у 10% звезд в окрестности Солнца избыточное инфракрасное излучение, дальнейший анализ которого привел к. заключению, что эти звезды окружены облаками, содержащими мелкие твердые частицы. По-видимому, из подобного рода газопылевой материи путем ее конденсации и возникли планеты нашей Солнечной системы. К сожалению, в настоящее время наука не располагает более или менее правдоподобными гипотезами ее происхождения, хотя, начиная с XIX века, было выдвинуто большое число таких гипотез. Часть из них рассмотрена в теме, посвященной концепциям Мегамира.

Трудности, которые возникают на этом пути, обусловлены в первую очередь тем, что Солнечная система является единственным объектом, который мы в состоянии наблюдать и изучать. Поэтому ее невозможно исследовать с помощью сравнительного метода. Тем не менее, уже сейчас возможно понять и объяснить многие процессы, которые происходят на поверхности и внутри нашей планеты.

Сравнивая размеры, расстояния, рельеф, состав атмосферы и другие характеристики планет, можно выявить некоторое сходство и различие между ними. Прежде всего, существует явное различие между планетами земной группы и группы Юпитера, которые представляют собой планеты-гиганты.

Изучение планет земной группы дает нам возможность анализировать характер геологических процессов, которые могли происходить на нашей планете и даже прогнозировать их дальнейшее развитие. Действительно, отсутствие вулканической и тектонической деятельности на Меркурии, Венере свидетельствует о том, что к настоящему времени они завершили цикл своей геологической истории и перешли в стадию своего разрушения, дезорганизации и упадка.

В отличие от планет своей группы, Земля все еще находится в стадии активной геологической деятельности, о чем свидетельствуют возобновляющиеся извержения вулканов, случаи землетрясений в разных местах, постепенное изменение рельефа на поверхности континентов и особенно океанического дна, континентальные дрейфы и т. п.

Земля является третьей планетой по счету от Солнца. Она вращается вокруг одного из своих диаметров — земной оси,которая пересекается с ее поверхностью в северном и южном географических полюсах.Один оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365 дней 6 часов 9 мин. 9 сек. Этот период обращения называется звездным годом.

По своей форме Земля представляет собой геоид, приближающийся геометрически к сфероиду. Гравитационное поле Земли обусловливает ее сферическую форму, а также удерживает атмосферу. Один оборот вокруг оси Земля совершает за 23 час. 56 мин. 4 сек.; этот промежуток времени называется звездными сутками.