Теория химической революции в биогенезе

Бондарев  Сергей 

РЕФЕРАТ

на  тему: 

«Теория химической эволюции в биогенезе» 

    Химическая  эволюция, приводящая к возникновению  жизни,— биогенез, является единственной формой диалектического перехода от неживого вещества в живое среди всех возможных процессов развития материального мира. Знания в этой области всегда составляли существенную часть картины мира и материалистического мировоззрения. Поэтому проблемы химической эволюции и биогенеза относятся к важнейшим вопросам естествознания, представляют большой интерес для материалистической философии и давно уже привлекают внимание ученых разных специальностей. 

    История развития эволюционных представлений в  химии

    Проблема  химической эволюции в полном виде как проблема диалектического перехода от неживого вещества к живым организмам, сформулирована в философско-методологическом плане Ф. Энгельсом, а также рассматривалась в трудах ряда естествоиспытателей, пытавшихся представить происхождение жизни эволюционным путем. Начиная с работ А. И. Опарина, предложившего теорию происхождения жизни, в которой впервые была рассмотрена конкретная физико-химическая модель этого сложного явления, ряд других исследователей развивали идею прогрессивной химической эволюции, варьируя и учитывая успехи науки в области биохимии и молекулярной биологии. Наряду с этим многие авторы рассматривали проблему химической эволюции и в частном виде, как проблему абиогенного синтеза органических и биологически важных веществ в природных условиях, как проблему образования химических соединений вообще и даже как проблему происхождения элементов.

    В связи с этим возникает ряд принципиальных вопросов: что такое химическая эволюция в конкретном плане; существуют ли особые объекты химической эволюции и специфические химические явления и законы, отличные от обычных химических проявлений, или к химической эволюции относятся любые проявления химизма; что эволюционирует в химии: вещества или процессы; каковы роль молекулярно-структурного и функционального аспектов и их взаимоотношение в химической эволюции; каковы причины, движущие силы и закономерности прогрессивной химической эволюции. До появления работ в области эволюционного катализа не было достаточно аргументированных ответов ни на один из этих вопросов, а без этого нельзя представить себе и предмет химии в области химической эволюции. Поэтому химики не занимались этой проблемой. Несмотря на то, что проблема химической эволюции и биогенеза по сути химическая и является одной: из актуальнейших проблем химии, она как бы временно выпала из круга интересов химиков, оказалась где-то в стороне от главных путей развития химии, но в то же время привлекла внимание биохимиков, биологов, геохимиков, геологов, астрофизиков.

    Произошла своеобразная экспансия других наук в область химии, привнесшая несвойственные химии подход к проблеме и собственное понимание задач исследования и предмета в области химической эволюции. При этом был разработан биохимический подход к проблеме, рассматривающий осуществившуюся когда-то на Земле химическую эволюцию ретроспективно, со стороны биологии, на основе ее известного конечного результата. Основанием для разработки такого подхода послужили большие успехи современной биохимии и молекулярной биологии в расшифровке биохимических функций, молекулярной основы и генетического кода живого, давшие знание настоящего, а также удовлетворительный опыт применения актуалистического подхода в такой описательной науке, как историческая геология, где по сути прошлых событий вынуждены судить лишь по их следам.

    Так как было показано, что живое вещество состоит из ограниченного числа  видов простейших органических и  неорганических молекул, образующих биополимеры  или участвующих в метаболизме (20 а — аминокислот L—ряда, 5 пуринов  и пиримидинов, несколько моносахаридов D—ряда, фосфорная кислота, вода и некоторые другие — всего несколько сотен, составляющих ничтожную часть от известного сейчас многообразия индивидуальных химических веществ), то согласно актуалистическому подходу решение проблем химической эволюции и биогенеза казалось легко достижимым. Оно сводилось к объяснению путей образования и превращения в биополимеры небольшого числа веществ, т. е. к рассмотрению молекулярной эволюции в ряду: простейшие неорганические и органические вещества — малые биомолекулы — биополимеры — надмолекулярные системы биополимеров — живая клетка.

    В соответствии с этим задачи экспериментальных исследований, которые после известных опытов Миллера по синтезу аминокислот из смеси металла, аммиака и воды, под действием электрических разрядов показали, что все молекулярные составляющие живого вещества (аминокислоты, карболовые кислоты, пурины, моносахариды, порфириноподобные вещества и нр.) могут быть легко синтезированы абиогенно из простейших веществ с привлечением реальных для условий первичной Земли источников нехимнческой энергии (ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов, радиоактивных излучений, тепла вулканических извержений, ударных волн и пр.). Следовательно, объяснение первого этапа молекулярной биохимической эволюции в рамках физических и химических законов не имеет никаких принципиальных трудностей, чего нельзя сказать о ее исследующих этапах.

    Все основные биополимеры также были синтезированы в абиогенных условиях при термической поликонденсации аминокислот с помощью пирофосфорной кислоты, тем не менее условия синтеза оказались резко отличными от условий, предполагавшихся для происхождения жизни в водной среде. Все эти синтезы, представляющие гидратационную конденсацию мономеров, в водной среде имеют положительный потенциал Гиббса и требуют дополнительной затраты химической энергии, источники которой неизвестны. Без дополнительной энергии эти синтезы не могут осуществиться, а имевшиеся биополимеры не смогли бы сохраниться длительное время, так как равновесие процесса в этих условиях сдвинуто в сторону их гидролиза.

    Еще большие трудности и противоречия возникают при объяснении последующих этапов молекулярной эволюции, а также ее причин, движущих сил, механизмов естественного отбора, происхождения генетического кода. Неясно, почему вообще происходит химическая эволюция  и чем она отличается от неорганизованных химических процессов, почему для построения живого в эволюции было отобрано ограниченное число веществ из всех возможных, почему химическая эволюция приводит к системам, удаляющимся от равновесия, характерным свойством которых является устойчивое неравновесие, а остальные самопроизвольные процессы природы приводят к равновесию и т. д. Причины этих трудностей заключаются, по-видимому, в неспособности актуалистического подхода вскрыть заколы химической эволюции, определяющие ее условия, возможности, причины и направленность, так как этот подход устанавливает процесс давно прошедшей, эволюции лишь по ее следам в современной жизни, а факторы, условия и законы эволюции не сохраняют специфических следов ни в вещественном составе, ни в морфологических особенностях организмов. Поэтому нельзя сделать однозначных выводов даже о путях эволюции и причинах появления тех или иных структур, точно устанавливаемых в живых организмах, не говоря уже о причинах и законах самой эволюции. Из этого следует, что никакие дальнейшие успехи биохимии и молекулярной биологии в расшифровке биохимических функций, состава и молекулярной структуры компонентов живого не могут изменить создавшегося положения при решении проблем химической эволюции и биогенеза актуалистическим методом.

    Эти трудности приводят исследователей либо к глубокой неудовлетворенности состоянием дел в области биогенеза, что высказывали, например, Бернал и Кеньои, либо к выводу о принципиальной: невозможности объяснения исторического пути химической эволюции (Эйген), либо к выводу о неприменимости законов экспериментальной науки для обсуждения этих проблем (Мора). Некоторые исследователи отказываются от решения этой проблемы для условий Земли и пускаются в фантастические предположения об особых экзотических условиях происхождения жизни у «молибденовой звезды» с последующим ее заносом к нам в результате целенаправленной деятельности внеземной цивилизации (Крик, Оргел), другие отказываются от эволюционного подхода к этой проблеме, допуская случайность образования системы репликации ДНК (Кастлер) или самовоспроизводящихся белков нуклеотидных гиперциклов (Эйген).

    Легко видеть, что «экспансия» биолого-биохимических  идей и методов в область химической эволюции, кроме привлечения внимания к проблеме и установления природы и происхождения ряда биологически важных веществ, практически ничего не дала, ибо она не помогла ответить ни на один из сформулированных выше химических вопросов, касающихся специфики самого явления, объектов, причин и закономерностей химической эволюции; не дала объяснений, как и почему происходит химическая эволюция и биогенез. Очевидно, что на вопросы, стоящие перед химией, должна и может сполна ответить только сама химия. 

    Формы структурной организации  химических объектов

    Объекты химической эволюции ЭОКС были выявлены в результате теоретического анализа разных проявлений катализа и нарушений их классических формы, а также распространения примененного при этом системного и динамического подхода на все проявления химизма. Было достигнуто общетеоретическое обобщение всех проявлений химии, дана их систематика  по сущностным характеристикам, отражающим формы структурной и функциональной организации вещества и уровни проявлений, химизма, и показано, что только ЭОКС обладают комплексом свойств, необходимых для осуществления прогрессивной химической эволюции. Вместе с тем была, определена сущность химической эволюции как процесса необратимых последовательных изменений ЭОКС.

    Согласно  упомянутой классификации все элементарные объекты химии по форме структурной организации делятся на две группы: объекты с равновесной организацией, структура которых определяется устойчивым порядком взаимодействия согласно принципу Больцмана (молекулы и другие поли атомные образования), и объекты с неравновесной структурой и функциональной организацией, порядок взаимодействия частей в которых определяются ходом химического процесса и интенсивностью обмена веществ. Такие динамические образования являются химическими системами. В отличие от статической структуры объектов первого рода, химическим системам свойственна динамическая структура, существующая временно. Имеются четыре типа элементарных химических систем: элементарные некаталитические, элементарные открытые некаталитические и каталитические системы. Среди этих систем только ЭОКС способны существовать во времени и пространстве в виде генеалогически связанных катализатором точно воспроизводимых копий неравновесной структурной функциональной организации и проявляют свойство устойчивого неравновесия и гомеостазиса в цепочке повторных каталитических актов. В отличие от других систем ЭОКС способны не только динамически существовать, но и развиваться при взаимодействии, с факторами внешней среды за счет изменений природы катализатора и устойчивого порядка его функционирования.

    Таким   образом,   представления   об   ЭОКС   являются развитием    представлений     о     переходных    состояниях в   кинетике   с   учетом   нх   системных   и   динамических свойств. 

    Причины и закономерности химической эволюции

    Наиболее существенной частью EOBQTO знания в области химической эволюции и происхождении жизни, даваемого теориями эволюционного катализа и общей теорией химической эволюции и биогенеза, являются представления о принципах и законах химической эволюции, ее причинах и движущих силах в механизме естественного отбора. Выявление закономерностей и причин химической эволюции стало возможным только в результате разработки количественной теории, описывающей эволюцию ЭОКС, и использования количественных параметров кинетического, термодинамического, вероятностного и информационного характера в виде эволюционных функций.

    Среди эволюционных закономерностей химии выделяются:

• принципы существования ЭОКС при неизменной их природе, характеризующие особенности их неравновесной структурной и функциональной организации; механизм гомеостазиса и необходимый комплекс постоянных условий существования;
• принципы выживания при однократных необратимых изменениях природы ЭОКС, характеризующие особенности эволюционных изменений и химического поведения систем при их взаимодействиях со случайными факторами внешней среды и механизм первичного естественного отбора на выживание систем;
• принципы развития при многократных изменениях природы ЭОКС, характеризующие возможность химической эволюции в виде цепей последовательных эволюционных изменений (феноменологические законы развития ЭОКС вероятностного, кинетического, термодинамического и информационного характера);
• принципы саморазвития, самоорганизации и самоусложнения ЭОКС, характеризующие направленность эволюции, ее причины, движущие силы и механизм естественного отбора по прогрессивным качествам; эти принципы являются следствием проявления основного законa прогрессивной химической эволюции, определяющего наибольшую скорость пли наибольшую вероятность тех путей эволюционных изменений, которые приводят к максимальному эволюционному эффекту, количественно измеряемому функциями от абсолютной каталитической активности как переменной;
• принципы саморазвития свойств и функций ЭОКС в прогрессивной химической эволюции, характеризующие механизм преодоления вероятностных и кинетических пределов развития в результате формирования качественно новых признаков систем и определяющие естественные этапы химической эволюции.

    Причиной  прогрессивной химической эволюции является тенденция к росту рассеивания свободной энергии базисного обменного процесса, т. е. движущей силой является сама базисная реакция.