Общая теория химической эволюции и биогенеза

В 60-х годах 20-го века было установлено экспериментально, что в ходе химической эволюции отбирались те химические структуры, которые способствовали резкому повышению активности и избирательной способности катализаторов. Это позволило профессору МГУ А.П. Руденко в 1964 г. теорию саморазвития открытых каталитических систем, которая по праву можно считать общей теорией хемо- и биогенеза. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.

А.П. Руденко сформулировал и основной закон химической эволюции: с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Саморазвитие, самоорганизация систем может происходить только за счет постоянного притока энергии, источником которой является основная, т.е. базисная реакция. Из этого следует, что максимальные эволюционнные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций.

Временной период химической эволюции. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Первые проявления катализа начинаются при понижении температуры до 5000 К и ниже и образовании первичных твердых тел. Полагают также, что когда период химической подготовки, т.е. период интенсивных и разнообразных химических превращений сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция как бы застыла.

Прикладное значение эволюционной химии.Эволюционная химия не только помогает раскрыть механизм биогенеза но и позволяет разработать новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул и создание новых мощных катализаторов, в том числе биокатализаторов – ферментов, а это , в свою очередь, является залогом решения задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов.

С точки зрения современных воззрений И. Пригожина: его теории неравновесной термодинамики, диссипативных структур каталитическая теория представляет типичный случай самоорганизации открытых систем, когда из простейших веществ в присутствии катализаторов (природных глин, железа, других активных металлов образуется более сложное вещество. Это сложное вещество вступает в дальнейшие взаимодействия, причем в разных направлениях, проходя точку бифуркации.^х Среди множества продуктов реакции случайно отбирались те, которые могли производит более упорядоченные, тоо есть более сложные структуры. В конце концов могли образоваться (и образовались по этой теории) упорядоченные структуры - биологически активные молекулы, способные воспроизводиться, иными словами, способные к неопределенно долгой эволюции под действием естественного отбора. Была ли такой структурой на раннем этапе РНК или какой-то кристалл неорганического происхождения, сказать трудно, но если принять за основу происхождение жизни через образование РНК, то это была РНК. Такие реакции называются автокаталитическими.

Явление самоорганизации присуще живому организму, начиная с опло-дотворения клетки и развития зародыша вплоть до наступления смерти. В сформировавшейся, отлаженной системе, какой является взрослый организм, преобладают гомеостатические связи, которые стремятся свести внешние воздействия к нулю (например, поддерживая постоянство температуры тела), то есть отрицательная обратная связь. (гомеостаз - простое балансирование с природой, энергетически не активное состояние, буквальное подчинение природе). Это типичное стационарное состояние с изменением энтропии, близким к нулю.

На стадии развития зародыша организм матери – типичная диссипативная структура. В процессе формирования, действует своеобразный механизм целеполагания, сочетания положительной и отрицательной обратной связи. Получается, будто система преследует определенную цель, и, имея перед собой стратегическую задачу, строит гибкую тактику, обеспечивающую ее выполнение. Это дало повод Хансу Дришу (1867-1941) применить к живым системам аристотелевское понятие энтелехии (греч. "имеющее цель в самом себе" - целенаправленность как движущая сила).

Как замечает И. Пригожин, на первых стадиях "эволюции к жизни" возникают механизмы, выталкивающие систему в сильнонеравновесные условия. В живых системах роль "понизителя энтропии" ("демона Максвелла") выполняют ферменты. Организм ведет себя как молекула, вступающая только в те реакции, где ее свободная энергия понижается (за счет получения информации).

Уже на самых ранних стадиях зарождения органических веществ действует механизм отбора того, что наилучшим образом подогнано друг к другу,

наиболее пригодно к дальнейшему усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. В дальнейшем такой же отбор производит организм. Скорее даже, происходит не приспособление организма к среде, а повышение организованности и устойчивости системы в целом.

Открытые системы

Чтобы окончательно разобраться в вопросе об открытых системах и их роли в происхождении жизни, обсудим понятие структуры.

Каждый из нас в общих чертах знает, что такое структура; как правило, это определённое расположение, конфигурация частиц – атомов, молекул или ионов. Так, вполне определённую структуру представляет собой кристалл. Он отличается от газа, от жидкости и от куска масла, так как во всех этих веществах взаимное расположение частиц не является строго определённым, фиксированным. Но имея дело с кристаллом, мы можем быть уверены, что обнаружим частицы на строго определённом расстоянии друг от друга. В «бесструктурных» состояниях вещества – в газах, жидкостях и амфорных

^х Бифуркация (от латинского bifurcus — двузубый, раздвоенный) — буквально означает «раздвоение», разделение, разветвление. В этом смысле слово употребляется, например, в анатомии («бифуркация бронха»), в географии (так обозначается разделение реки на две ветви). В математике термин применяется в более широком смысле — для обозначения качественных изменений объектов при изменении параметров, от которых эти объекты зависят. Переход через бифуркацию — процесс случайный, подобный бросанию монеты.

твёрдых телах – относительные расположения частиц совершенно неопределённы.

Обобщая эти предварительные наблюдения, нетрудно заметить, что частицы в кристаллических твёрдых телах расположены упорядоченно (или, иногда говорят, обладают пространственной когерентностью); В противоположность этому в газах (и в меньшей степени в жидкостях) подобная пространственная упорядоченность практически отсутствует: расположения частиц не обладают взаимной корреляцией. Таким образом, можно сказать, что понятие структуры равнозначно понятию упорядоченности, когерентности, когда частицы организованы в строго определённые конфигурации; напротив, отсутствие структуры означает и отсутствие упорядоченности, когда расположения частиц вполне случайны. В такое понимание связи структуры и порядка хорошо вписываются как твёрдое тело, обладающее структурой, так и бесструктурные газы.

Твёрдые тела обладают дальним порядком; им присуща глобальная структура или крупномасштабная когерентность – в том смысле, что расположения частиц вполне предсказуемы на больших расстояниях (например, вплоть до границ кристалла). Газы практически полностью лишены подобной глобальной структуры: в расположении их частиц отсутствует когерентность даже на самых малых расстояниях. Жидкости, как подсказывает нам интуиция, занимают промежуточное положение между твёрдыми телами и газами. Они обладают лишь локальной структурой и лишены структуры глобальной; на малых расстояниях (порядка нескольких соседних молекул) расположения частиц сохраняют упорядоченность, полностью теряя её на больших расстояниях. Существуют различные виды жидкостей с большей или меньшей степенью упорядоченности. Например, жидкие кристаллы обладают дальним порядком по некоторым направлениям, тогда как по другим он полностью отсутствует. Можно сказать, что такие анизотропные вещества по одним направлениям являются твёрдыми телами, а по другим – жидкостями. Подобная анизотропия служит причиной необычных оптических свойств этих веществ, позволяющих использовать их в качестве материала для дисплеев ЭВМ, микрокалькуляторов, наручных часов и т.п.

Итак, везде и всегда, если только устанавливается состояние упорядоченности, мы будем рассматривать это как возникновение структуры. Более того, будем считать, что упорядоченность – это не только наличие корреляции в пространстве, как в обычных физических объектах; она может также проявляться – и это имеет принципиальное значение – как корреляция во времени (в последнем случае термин «когерентность» употребляется в своём буквальном смысле).

Обобщив таким образом наши рассуждения, посмотрим, какие объекты подходят под новую классификацию. Очевидно, что сюда безоговорочно относится давно знакомое нам твёрдое тело; обнаруживается, однако, «новичок». Это структура такого типа, которая сохраняется только при условии рассеяния энергии. Подобные структуры называют диссипативными; к ним, в частности, относятся живые организмы, в том числе человек.

Диссипативные структуры. Диссипативные структуры – это структуры, образующиеся в результате рассеяния (диссипации) энергии. К ним относятся некоторые недолговечные структуры, которые распадаются, как только прекращается поток энергии или вещества. Некоторые из таких структур являются по своей природе биологическими, другие – физическими; все они возникают из хаоса – «праха» и вновь обращаются в «прах».

Диссипативные структуры встречаются также и в химии. Образование таких структур обусловлено тем, что некоторые химические реакции приводят к периодическим изменениям концентраций реагирующих веществ, причём эти изменения могут происходить как во времени, так и в пространстве. При изменении во времени одно вещество сменяется другим, потом вновь восстанавливается, но лишь затем, чтобы в очередной раз исчезнуть. При пространственных перемещениях веществ в сосуде, где происходит реакция, образуются области, содержащие различные вещества.

В качестве примера такой реакции приведу систему, содержащую окислитель KIO₃, восстановитель – малоновую кислоту СН₂(СООН)₂, еще один окислитель – перекись водорода и крахмал – окрашивающий индикатор свободного йода.

В прозрачном, бесцветном растворе вначале протекает реакция

KIO₃ + Н₂О₂ → I₂ + Н₂О и др. продукты (синяя окраска)

По мере накопления йода он вступает в реакцию с малоновой кислотой и исчезает

I₂ + СН₂(СООН)₂ → KI + др. продукты ( исчезновение окраски)

KI + H₂O₂ ® I₂ и др. продукты (синяя окраска)

Реакция продолжается до тех пор, пока концентрация реагентов не снизится

нже необходимого порога.

Впервые такую периодическую реакцию описал профессор Белоусов в статье, которую пытался опубликовать в одном из отечественных химических журналов в 1951 году. Однако статья получила отрицательную рецензию типа "Этого не может быть, потому что не может быть никогда!" В 1957 г. он снова пытался опубликовать эту статью, и опять – безуспешно. Только в 1961 году статья была опубликована. Впоследствии механизм реакции исследовал Жаботинский из Пущинского научного центра, в связи с чем эта реакция получила название реакции Белоусова-Жаботинского и прославила их обоих в мировой науке). В 1980 году Белоусову (посмертно) и Жаботинскому была присуждена Ленинская премия.

Наше воображение бессильно представить миллиарды и миллиарды молекул, взаимодействующих только через столкновения, которые начинают действовать вместе, «дружно» - так, что реакционная среда периодически изменяет свой цвет. Это зрелище – наглядное подтверждение существования тех дальнодействующих корреляций, о которых мы говорили выше.

. Подобные процессы, по существу, лежат в основе явления жизни и отнюдь не относятся лишь к разряду лабораторных курьёзов. Например, биение сердца является периодическим во времени процессом, который поддерживается целым комплексом осциллирующих химических реакций. К реакциям, обладающим периодичностью в пространстве, относится, например, возникновение клеточной структуры тела (называемое в биологии морфогенезом). Полосатая раскраска, присущая зебрам и представителям семейства кошачьих, весьма напоминает картины стратификации, возника-ющие в ходе некоторых химических реакций, когда участвующие в них вещества могут диффундировать по всей среде.

Выявляется интересная аналогия между концентрациями реагирующих веществ и продуктов реакции, с одной стороны, и численностью популяций различных видов животных в какой-либо экологической системе – с другой (аналогия основана на сходстве описывающих эти явления математических систем уравнений). При этом одно из веществ в реакции можно рассматривать как «добычу» (или «жертву») для другого вещества – «хищника». Тогда соответственно увеличение и уменьшение концентраций этих веществ аналогичны росту и падению численности конкурирующих популяций животных. Это даёт нам возможность избежать упоминания совершенно незнакомых нам химических веществ при обсуждении важных и интересных понятий. Гораздо проще – и не менее информативно – иметь дело с более наглядными объектами, например с лисами и кроликами, или с любыми другими зависимыми друг от друга видами плотоядных хищников и их травоядных жертв. Проведём теперь рассуждение, которое позволит нам объяснить существование диссипативных структур – периодически изменяющихся в пространстве и во времени популяций как на лоне природы, так и в химической пробирке.

Кролики (К) поедают траву (Т). Предположим, что запас травы постоянен и неисчерпаем. Тогда одновременное наличие травы и кроликов способствует неограниченному росту кроличьей популяции. Этот процесс можно символически изобразить так:

Кролики + Трава à Больше кроликов.

Химики изобразили бы соответствующий процесс так:

К + Т à 2К.

Тот факт, что в стране кроликов всегда имеется в достатке травы (или что вещество Т всегда проникает в сосуд, где идёт реакция), вполне аналогичен непрерывному подводу тепловой энергии. Реакция «кролики – трава» проходит спонтанно в направлении увеличения популяции кроликов, что является прямым следствием второго начала термодинамики. Деятельность кроликов по поеданию травы при поверхностном наблюдении может рассматриваться как целенаправленная. В действительности, однако, это не более чем весьма сложно управляемый и косвенный канал, по которому Вселенная в своём естественном развитии «съезжает вниз» по мере рассеяния энергии. Кролики, образно говоря, создаются из травы (посредством сложнейших механизмов биосинтеза), то есть в итоге они возникают за счёт энергии Солнца. Но, как было показано, по мере приобретения кроликами структуры, ещё больший беспорядок создаётся где-либо в другом месте Вселенной. Процессы, сопутствующие поеданию кроликами травы, чрезвычайно сложны; тем не менее рождение новых кроликов от тех что поели траву (и соответствующее увеличение свободной энергии), - это не более чем фрагмент сложнейшего узора, который «ткёт» Вселенная в процессе эволюции и «сползания» к хаосу. Горячие (в буквальном смысле) объекты Вселенной (например, Солнце или вещество, из которого состоят кролики и трава) охлаждаются; при этом конкретные пути процесса охлаждения весьма запутанны и сложны. В частности, за счёт некоторого количества съеденной травы могут возникнуть локальные отклонения (уменьшение энтропии), которые мы, также представляющие собой подобные отклонения, воспринимаем как кроликов. Таким образом, химические и биологические процессы, которые кажутся нам исключительно насыщенными и сложными (и действительно являются таковыми как с точки зрения науки, так и с точки зрения искусства), в своей глубинной сущности в принципе не отличаются от процесса охлаждения.

Но вот на поляну, где мирно резвятся кролики, прокрались хищные лисицы (Л), для которых кролики являются добычей. Подобно тому, как по мере поедания травы кроликов становится больше, за счёт поедания кроликов возрастает число лисиц.

Лисицы + Кролики à Больше лисиц.

Химик, воспринимающий ход реакции более беспристрастно (сама реакция и её обозначение, разумеется, тоже проще), записал бы эту реакцию так:

Л + К à 2Л.

В свою очередь лисицы, как и кролики, также являются жертвами – на этот раз человека, и по мере того, как они воспроизводятся, они также умирают или подвергаются частичному истреблению. Точнее говоря, происходит процесс

Лисицы à меха

или, в «химической» записи,

Л à М

Конечный продукт химической реакции (или меха в нашем случае) выводится наружу из пробирки, биологической клетки (или экологической системы) и не играет непосредственной роли в дальнейшем ходе процесса. Этот конечный продукт можно, однако, рассматривать как носитель энергии, выводимой из системы, к которой она была вначале подведена (например, в виде травы). Таким образом, в экологической системе также существует поток энергии – аналогично тому как это имеет место в химической пробирке или биологической клетке.

Сущность жизни. Сказанное выше позволяет понять сущность биологических процессов, необходимых для появления живых организмов (в частности, нуклеиновых кислот). На обыденном уровне мы все интуитивно понимаем, что представляет собой живое, а что - мёртвое. Однако при попытке определить сущность жизни как на обыденном, так и на научном уровне, возникают большие трудности, так как сущность жизни и в том и в другом случае понимается и определяется различным способом.

Современная биология в вопросе о сущности живого всё чаще идёт по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.

Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого? К числу свойств живого обычно относят следующие:

- живые организмы характеризуются сложной упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

- живые организмы получают энергию из окружающей Среды (негэнтропию), используя её на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию;

- живые организмы активно, опережающе реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешнее раздражение - универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных (но и автоматов – реле и др.);

- живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

- всё живое размножается. Способность к самовоспроизведению - один из самых главных признаков жизни, так как в этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы;

- живые организмы передают потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в генах - единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах.

- живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни.

Особенности живого известный биолог Б. М. Медников (1982) сформулиро­вал в виде аксиом теоретической биологии: