Эволюционная химия: сущность и основные проблемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский государственный университет

Кафедра философии и методологии науки

Реферат

Эволюционная химия: сущность и основные проблемы

Минск 2005

Содержание

эволюционный химия материя спенсер

Введение

1. Философский подход к эволюции материи и в эволюционной химии

1.1. Теории эволюции материи по Спенсеру

1.2 Методологические принципы концепции А.И. Опарина

1.3 Философские аспекты основных современных решений проблемы происхождения живого

2. Эволюционная химия как высший уровень развития химических знаний

2.1 Различные подходы к самоорганизации

2.2 Общая теория химической эволюции и биогенеза Руденко

Заключение

Список литературы

Введение

Основной проблемой химии является получение из веществ природы необходимых материалов (например: керамика, стекло, лекарства), но химические знания во все времена объединяла одна непреходящая и главная задача - задача получения веществ с необходимыми свойствами. Чтобы ее реализовать, надо уметь из одних веществ получать другие, то есть, осуществлять их качественные изменения. Качество - совокупность свойств веществ, следовательно, надо знать, как управлять свойствами, знать, от чего они зависят. Также химия одновременно должна решать и теоретические задачи генезиса свойств веществ, то есть полученные теоретические знания использовать для получения и производства необходимых материалов. Поэтому основная проблема - есть инвариантное ядро химии.

Ее основная проблема возникла в древности, и не теряет своего значения и теперь, то есть, история химии есть единый процесс, а не сумма историй различных химических наук. Смена способов решения основной проблемы химии сопровождалась возникновением новых отраслей химического знания каждая со своим предметом:

Аналитическая химия, как наука о составе вещества.

Структурная химия, как наука о структуре вещества.

Физическая химия, как наука о химических процессах.

Эволюционная химия, как наука о химических кинетических системах.

Так в развитие химии происходило последовательное появление концептуальных систем, причем каждая новая возникала на основе научных достижений предыдущей, опиралась на нее и включала ее в себя в преобразованном виде. Идеи эволюции материи занимали важное место у геологов, астрономов, химиков же этот вопрос мало волновал. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химиков вопрос о происхождении вещества не волновал, потому что получение любого нового химического индивида всегда было делом рук и разума человека: молекула нового химического соединения конструировалась по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же организмы из блоков собрать нельзя. Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, которая в общем виде была выдвинута в 1964 г., профессором Московского университета А.П. Руденко. Искусственный выбор каталитических структур ориентировался на естественную, осуществляемую природой эволюцию от неорганической химии к живым системам. Другим основанием для развития исследований в области эволюционной химии являются реальные достижения «нестационарной кинетики». В результате этих достижений у химиков появилась возможность решать эволюционные проблемы применительно к своим объектам. Это проблемы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают предбиологией - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем и обогащение их более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными. Наряду с понятием эволюционная химия используют понятие химическая эволюция, это процесс, приводящий к возникновению жизни, - биогенезу, диалектическому переходу от неживого вещества в живое среди всех возможных процессов развития материального мира. Поэтому эволюционная химия и химическая эволюция тождественны, так как живое вещество и является более высокоорганизованным по отношению к неживому.

Выбор темы этого реферата связан с тем, что эволюционная химия появилась не давно, полностью еще не сформировалась, большому числу химиков еще даже не известно, что появился новый уровень развития химических знаний. Трудность этой темы обусловлена тем, что источники посвященная эволюционной химии весьма неполны, противоречивы. Эволюционная химия как наука носит междисциплинарный характер, ее развитие весьма актуально, так как эволюционная химия позволит создавать новые биотехнологии, безотходные технологии и производства, в которых химические процессы протекают не только в экстремальных (высокие давления и температуры), но и в обычных условиях. Также меня как аналитика интересует задача достоверного определения токсичных веществ в ультрамалых количествах, с помощью “биологических индикаторов”, а без знания процессов и механизмов взаимодействие живого и неживого, эта задача, может стать лженаучной. Возможно, не последнее место будет за методами эволюционной химии в решении проблемы “воспроизводства природной среды искусственным путем, приспособления ее к масштабам и темпам технического прогресса”.

Целью данного реферата является обобщение имеющихся литературных источников по данной теме, рассмотрения эволюции материи, эволюционной химии и ее общей теории и основного закона с точек зрения философского, естественнонаучного и прикладного (технического) подхода.

1. Философский подход к эволюции материи и в эволюционной химии

В настоящее время перед естествознанием стоит задача выявления механизма закономерного, направленного характера развития материи в целом и в каждой из основных ее форм, включая химическую. Переход неживого вещества в живое является проблемой эволюционной химии. Изучение химической эволюции ставит перед философией вопрос о закономерности, месте и роли химической формы движения материи в едином мировом процессе. Так В.В. Орлова и Т.С. Васильева, считают, что “химическое представляет собой одну из основных форм материи, имеющую относительно самостоятельный характер и не сводимую к ее ближайшему предшественнику - физической материи. Она обладает специфическим способом существования и развития - субстратным синтезом и является закономерным звеном единого мирового процесса. Природа химической формы материи может быть выяснена только в контексте всеобщего мирового процесса. Последний получает объяснение на основе познания каждого из своих составных моментов - физической, химической, биологической и социальной форм материи. Исследование природы, факторов и закономерностей развития химической реальности делает возможным глубокое познание смежных с нею форм материи - физической, биологической и социальной. Эвристический потенциал химического знания блестяще проявился при объяснении одного из сложнейших биологических феноменов - наследственности. Процесс взаимодействия и взаимного проникновения концепций физики, химии, биологии, наук о человеке получит в будущем более радикальный характер, с которым можно связать появление новых продуктивных идей, как в химии, так и в других фундаментальных науках”.

Проблема химической эволюции находится среди многих естественнонаучных и философских проблем. Перед философией она ставит задачу более четкого определения таких понятий, как “эволюция”, “движение”, “развитие”, “форма движения материи”, “форма существования материи”, “сложность”, “иерархия”, “структура”, “система”, “организация”, “направленность”, “время”. Сейчас перед химией и философией остро встал вопрос о специфике химического. В связи с этим большое значение для всей проблемы эволюции имеет выявление специфических черт химического пространства и химического времени. В смежных науках - геологии и биологии - проблеме времени до сих пор уделялось значительно больше внимания, не говоря уже о физике. Работа над проблемой химической эволюции позволяет выявить границы онтологической и гносеологической редукции, решить проблему редукционизма, которая продолжает оставаться актуальной. Изучение химической формы движения материи в настоящее время невозможно рассматривать вне познания этапов химической эволюции вещества, т.е. вневременных и исторических характеристик химизма.

В данном реферате я рассматриваю эволюцию живой материи на основании концепций Г. Спенсер и А.И. Опарина.

Упрощенно можно привести классификацию этапов химической эволюции.

1) астрофизический: синтез ядер химических элементов, синтез молекул в межзвездной среде;

2) космохимический: эволюция химических соединений на планетах, спутниках и кометах;

3) геохимический;

4) биогеохимический;

5) антропохимический.

Третий и четвертый этапы были выделены В.И. Вернадским, пятый (техногенный) - его учеником Ферсманом.

На каждом этапе действуют свои специфические законы. В силу этого естественнонаучное решение проблемы предполагает комплексный подход к изучению феномена химической эволюции.

1.1 Теории эволюции материи по Спенсеру

В 19 веке появились четыре великие концепции эволюции, разработка которых продолжается до настоящего времени. Они известны по своим авторам, - это Ж.Б. Ламарк, Ж. Кювье, Ч. Дарвин и Г. Спенсер. Три первых автора до сих пор цитируются в специальной биологической и философской литературе. Г. Спенсер на своих знаниях создал теорию эволюции материи. Дарвин Спенсера знал, цитировал его и не претендовал на приоритет в создании эволюционного учения. Дарвин сузил понятие эволюции до понятия биологической эволюции и предпринял все усилия для доказательства своих тезисов специфическими для биологии методами, а Спенсер под эволюцией понимал усложнение строения материи вообще и ограничился общеметодологическими рассуждениями.

Основные положения теории эволюции материи по Спенсеру.

1. Во всей Вселенной, как целом, и в каждой мельчайшей ее части совершается непрерывное перераспределение материи и движения.

2. Это перераспределение создает эволюцию там, где преобладает интеграция материи и рассеяние движения, и создает разложение там, где преобладает потеря движения и дезинтеграция материи.

3. Эволюция является простой, когда процесс интеграции или образование концентрированного агрегата не осложняется другими процессами.

4. Эволюция является сложной, когда вместе с первичным переходом от бессвязной формы к более связной происходят вторичные изменения вследствие различия условий, в которых находятся различные части агрегата.

5. Эти вторичные изменения представляют превращение однородного в разнородное, превращение, совершающееся, как и первое, во всей Вселенной, как целом, и во всех (или почти во всех) ее мельчайших частях: в агрегате небесных светил и туманностей, в Солнечной системе, в Земле, как неорганической массе, в каждом растительном и животном организме (закон фон Бэра), в агрегате организмов геологического периода, в сознании, в обществе, во всех продуктах социальной деятельности.

6. Процесс интеграции, обнимающий всю Вселенную и действующий в каждом данном месте, комбинируется с процессом дифференциации, благодаря чему происходит уже не простой переход однородного к разнородному, но переход от неопределенной однородности к определенной разнородности, - и эта возрастающая определенность, которая сопровождает возрастающую разнородность, обнаруживается, как и последняя, во всей совокупности вещей и в каждом их разряде, вплоть до самых мельчайших.

7. Одновременно с перераспределением материи в каждом развивающемся агрегате происходит также перераспределение сохраненного движения его составных элементов по отношению друг к другу; это последнее также постепенно становится более определенно разнородным.

8. Так как бесконечной и абсолютной однородности не существует, перераспределение, одной из фаз которого является эволюция, неизбежно. Причины этой неизбежности следующие:

9. Неустойчивость однородного вследствие различного воздействия на различные части ограниченного агрегата посторонних сил. Проистекающие отсюда превращения усложняются благодаря:

10. Размножению следствий. Каждая масса и части массы, на которые действует сила, разлагает и дифференцирует эту силу, вследствие чего она производит в них новые разнообразные перемены, и каждая из этих последних становится, в свою очередь, источником подобным же образом размножающихся перемен: размножение их все возрастает по мере того, как агрегат становится разнороднее. Действию этих двух причин возрастающей дифференциации способствует (что значат двоеточия?).

11. Разложение, т.е. процесс, постоянно направленный к разъединению несходных единиц и соединению сходных единиц и способствующий более резкому выражению или большей определенности, вызванной иным путем дифференциации.

12. Равновесие есть конечный результат превращений, претерпеваемых каждым развивающимся агрегатом. Изменения в нем продолжаются до тех пор, пока не установится равновесие между посторонними силами, действию которых подвергаются все части агрегата, и противопоставляемыми им силами этих частей.

13. Разложение представляет обратное изменение, претерпеваемое рано или поздно каждым развившимся агрегатом. Продолжая подвергаться действию окружающих неуравновешенных сил, каждый агрегат всегда может подлежать дезинтеграции в силу постепенного или внезапного возрастания содержимого им движения; это разложение совершается быстро в телах, бывших недавно одушевленными, медленно - в неодушевленных массах и продолжается в течение бесконечно долгого периода в каждой планетной или звездной массе, в которой, в прошедшем, с бесконечно отдаленного времени, медленно совершался процесс эволюции: цикл ее превращений, таким образом, завершается.

14. Эта смена эволюции и разложения, завершающаяся в небольших агрегатах в течение коротких периодов, а в обширных, рассеянных в пространстве, агрегатах в течение периодов, неизмеримых для человеческого ума, насколько мы можем видеть, - универсальна и бесконечна, причем каждая из чередующихся фаз преобладает попеременно, в зависимости от местных условий, то в той, то в другой сфере пространства.

15. Все эти явления, как в главных, так и в мельчайших своих чертах необходимо вытекают из постоянства силы в ее формах: материи и движения. Количество последних, распределенное в пространстве, не увеличивается и не уменьшается, а остается неизменным; отсюда должно неизбежно следовать непрерывное перераспределение, выражающееся как в эволюции и разложении, так и во всех их перечисленных выше главных чертах.

Исходные, самые простые элементы (частицы), взаимодействуя между собой, образуют более сложные системы (агрегаты), которые, в свою очередь, также взаимодействуют, образуя еще более сложные системы и т.д. Это явление Спенсер называет интеграцией. Прямым следствием такой интеграции является возникновение иерархических уровней в организации материи: атомы, молекулы-системы из атомов, минералы или клетки-системы из молекул, организмы-системы из клеток и т.д.

Если взаимодействие элементов является сложным, то возникающие из них системы следующего уровня будут отличаться друг от друга, т.е. будут более разнообразными, чем системы предыдущего уровня. Это - дифференциация. Интеграция совместно с дифференциацией ведет к все большему усложнению строения вещества, т.е. к его эволюции. Интеграция, или образование систем следующего уровня, возможна лишь при одновременной диссипации энергии (у Спенсера - движения). То есть усложнение строения вещества оплачивается рассеиванием энергии. Что касается - о «переходе от неопределенной однородности к определенной разнородности», то можно сказать, что здесь содержится представление об уменьшении энтропии вещества в ходе эволюции. В своей теории Спенсер органично соединил традицию Демокрита «состоять из…» и традицию Гераклита «все течет, все изменяется», осуществив синтез двух антитезисов и сформулировав, таким образом, новую концепцию развития. Я считаю, что имеет смысл привести временную последовательность эволюции материи применительно к нашей планете.

Эволюция материи во времени. По современным представлениям, эволюция материи в нашей Вселенной начинается в момент Большого взрыва. Эту временную точку относят на 20 млрд. лет назад. Общая концепция начальных, физических, стадий заключается в следующем. Резкое расширение Вселенной на первых этапах приводит к дифференциации Первоматерии на два класса элементарных частиц: кварки и лептоны (электроны, в частности). Кварки обладают способностью к взаимодействию путем обмена между собой глюонами. Это взаимодействие относят к сильному взаимодействию, глюоны же являются его переносчиками. В результате образуются системы из кварков, главным образом нуклоны, протоны и нейтроны^8,9. Это первый уровень организации материи (кварки и лептоны-нулевой уровень, правда, возможно, обнаружатся еще более глубокие уровни, подобно тому, как в 1963 г. были обнаружены кварки). Взаимодействие кварков обратимо, поэтому системы из них устойчивы лишь при миграции энергии, выделяющейся при взаимодействии, из зоны контакта, - эта миграция обеспечивается продолжающимся расширением Вселенной. Следующий по времени (но не по уровню организации) этап эволюции - начало взаимодействия нуклонов и лептонов (электронов)⁷. Это взаимодействие относят к электромагнитному. Переносчиками данного взаимодействия являются фотоны. Схема электромагнитного взаимодействия такова: электрон и протон притягиваются, пространственно сближаются, при этом каждый шаг сближения оплачивается выделением фотона в пространство⁹. Электромагнитное взаимодействие также локально обратимо: сближение партнеров влечет за собой выделение кванта, поглощение кванта влечет за собой удаление партнеров. Характер электромагнитного взаимодействия (так же как и сильного) существенно усложняется из-за квантово-механических ограничений. В частности, спектр возможных энергий системы электрон - протон дискретизуется, а их взаимные траектории движения размазываются в пространстве. Образующиеся устойчивые системы электрон - протон носят название атомов, а именно, это атомы водорода.

Атомный уровень представляет собой третий уровень организации материи, для второго уровня - интеграции нуклонов в ядра элементов время еще не пришло. Этот этап эволюции начинается с образования облаков из водорода, которые начинают взаимодействовать посредством гравитационных сил: формируются протогалактики и далее протозвезды. Первичные неоднородности в распределении вещества по Вселенной, являющиеся зародышами водородных облаков и сгущений, имеют своей причиной особенности процесса Большого взрыва. Гравитация - дальнодействующее взаимодействие, поэтому ее итогом является интеграция вещества в очень большие системы, галактики и звезды. В этом процессе интеграции потенциальная энергия взаимодействия выделяется в виде кинетической энергии, что приводит к повышению температуры внутри образующихся объектов, главным образом в звездах.

При повышении температуры в протозвездах выше определенного уровня (10⁷ К) кинетической энергии нуклонов становится достаточно для преодоления кулоновского барьера и их сближения до расстояния реализации следующего варианта сильного взаимодействия - взаимодействия нуклонов¹⁰. Оно имеет в своей основе взаимодействие кварков в составе нуклонов. Взаимодействие нуклонов осуществляется посредством обмена мезонами, его результат - образование систем из нуклонов, ядер элементов. Путь от ядер водорода к ядрам высших элементов осуществляется в последовательности ядерных реакций присоединения либо одного нуклона, либо альфа-частицы. Жизнь звезд - это и есть реакции термоядерного синтеза. При снижении количества водорода в звездах и уменьшении интенсивности этих реакций жизнь звезд заканчивается, ее финал зависит от массы звезды. Если масса ниже определенного предела, звезда превращается в белый карлик, если выше - вероятнее всего звезда взрывается в виде новой или сверхновой звезды, разбрасывая по пространству большую часть своего вещества. Это вещество уже содержит не только водород, но и ядра высших элементов. Во вновь образованных межзвездных облаках (облаках второго поколения) температура существенно ниже, чем в звездах, ядерные реакции в них прекращаются и главным становится электромагнитное взаимодействие между ядрами высших элементов и электронами. На этом этапе завершается становление организационного уровня атомов. В межзвездных облаках второго и последующих поколений уже существуют атомы большинства элементов. Гравитационная интеграция этих облаков приводит к образованию звезд второго и последующих поколений, уже имеющих планетные системы. В звездах концентрируется водород и частью гелий, в планетах - все остальные элементы.

На уровне межзвездных облаков второго поколения начинается становление четвертого организационного уровня вещества - образование систем из атомов. В формировании связи главную роль играют внешние электроны атомов, которые образуют связанные пары с антипараллельными спинами. Эти составляющие пару (пары) связанные электроны являются обобществленными между двумя (реже - более) атомами. Можно сказать, что атомы обмениваются данной парой, как нуклоны - мезонами или как кварки - глюонами. Это взаимодействие относят к электромагнитному, оно также известно как химическое. Исходная его причина - межатомное электромагнитное взаимодействие между зарядами ядер и электронов, но преломляемое через призму внутриатомного взаимодействия аналогично взаимодействию нуклонов, которое есть следствие взаимодействия входящих в их состав кварков. Образуемые в результате системы носят название молекул - это простые молекулы типа H₂O, NH₃, CO₂ и т.д.

Так на образованных планетах главным взаимодействием становится химическое. Всевозможные такие взаимодействия между простыми молекулами (химические реакции) и образование их более сложных видов называют химической эволюцией. Ее результатом кроме сложных молекул становятся различные макромолекулярные структуры, главным образом минералы, которые в планетарной коре составляют разнообразие пород. Макромолекулярные структуры - это структуры следующего организационного уровня.

Среди всех планет обратим особое внимание на планеты земной группы, на поверхности которых соотношение давления и температуры находится в особом интервале, обеспечивающем пребывание воды, H₂O, в жидкой фазе. Свойства воды таковы, что она является уникальным растворителем минералов и большой части химических веществ. За счет этого концентрации молекул различных взаимодействующих веществ в водных образованиях (лужах, озерах, реках, морях и океанах) увеличиваются, что приводит к существенному увеличению скоростей химических реакций.

Особую роль в химическом взаимодействии играют также различные границы раздела фаз, перепады температур, вулканическая активность планет и ультрафиолетовое излучение от звезды. Сложность и разнообразие химических взаимодействий возрастает, что приводит к образованию особого вида макромолекул гетерополимеров, обладающих сложной трехмерной структурой и способных к катализу различного вида. Крайне важны для дальнейшей эволюции и другие надмолекулярные системы, такие как липидные мембраны, образуемые в воде на границе раздела фаз из гидрофобно-гидрофильных молекул (например, в виде пены). Трехмерные структуры гетерополимеров и липидные мембраны стабилизируются слабыми химическими связями - водородными, ионными и гидрофобными.

Следующий этап эволюции - предбиологический и начало интересов эволюционной химии. На этом этапе шло образование устойчивых структур из гетерополимеров и липидных мембран. Важную роль здесь и далее стали играть особые гетерополимеры, способные к матричному самокопированию и накоплению информации, на Земле это оказались нуклеиновые кислоты. При появлении самокопирующихся структур, несущих информацию, стал возможен их естественный отбор по принципу кинетического совершенства: больше потомков оставляет та матрица, которая быстрее самокопируется.

В этом процессе важна как информационная составляющая, определяющая длину и разнообразие гетерополимеров, так и кинетическая, определяющая скорость химических реакций самокопирования. Итогом предбиологической эволюции стало образование простейших клеток, известных как прокариоты - безъядерные клетки.

В земной истории этот исторический момент относят ко времени, отстоящем от нашего на 4,2 млрд. лет. Этап появления клеток с ядрами - эукариотов продолжался примерно 2 млрд. лет. Большую часть этого времени заняли становление биосферы и биотического кругооборота, организация биологических потоков вещества и энергии, формирование кислородной атмосферы. Интеграция клеток-прокариотов в клетки-эукариоты осуществлялась путем возникновения и углубления симбиоза между клетками-хозяевами и специализированными клетками, защищающими хозяев от кислорода или реализующими фотосинтетическую функцию. Углубление этой специализации привело к образованию органоидов, митохондрий и хлоропластов. Также существенно усложнилась сеть мембран, мембранных пузырьков, возник цитоскелет и т.д. Оформилось два типа клеток: растительные (автотрофные) и животные (гетеротрофные). Одновременно усложнялась и перестраивалась генетическая система, при этом объем хранимой генетической информации возрос примерно в 10 раз.

Следующий этап усложнения организации материи - образование систем из клеток-эукариотов, известных как многоклеточные организмы. Его относят во времени на 1 млрд. лет назад. Здесь необходимо отметить, что многоклеточность начала реализовываться еще на уровне прокариотов, - это, например, актиномицеты или сложные сине-зеленые водоросли. Однако простота клеток прокариотов, их генома не позволила создать сложные системы. И только многоклеточные системы из эукариотов обозначили явный переход на следующий уровень организации, характеризующийся сложностью строения организмов.

Дальнейшие этапы эволюции известны из общеобразовательных программ, хотя последних ход эволюции излагается преимущественно на основе теории Дарвина. Следующий уровень - системы, состоящие из организмов, достаточно не определенный. Здесь есть и популяции в целом, в которых системность обеспечивается обменом генетической информацией в ряду поколений, и семьи, и стаи животных, в которых системность реализуется в обмене поведенческой информацией в целях более успешного выживания и воспитания потомков. Уровень систем из популяций (экосистемы, биоценозы) формируется как реализация общебиологического императива «жизнь на планетах существует исключительно в форме биотического кругооборота».

Элементы экологических систем - популяции суть разные участки пищевых цепей: растения - растительноядные животные - хищники первого порядка - хищники второго порядка и т.д. до редуцентов. В системы их связывает потребление органического вещества, синтезированного на более низком уровне пищевой цепи. Отмечу, что главным в данном веществе является организационная негэнтропия, часть, которой переводится в процессе утилизации (гликолиза и дыхания) в форму свободной энергии, негэнтропии, связанной с энергией, и далее рассеивается. Поэтому экосистемы представляют собой пирамиду биомассы на разных этажах пищевой цепи. Совокупность экосистем, возникших в различных географических зонах планеты, функционирующих в разных физико-химических условиях и взаимодействующих путем обмена организмами, газами, растворенными веществами и водой, в пределах всей планеты образует биосферу. Биосфера - это высший из известных на настоящий момент уровней организации материи.

Уровни организации вещества и их количественные характеристики организации вещества. Поскольку каждый уровень организации вещества обладает качественными и количественными характеристиками, то представляет интерес их сравнить. Для сравнения уровней материи используем три общих параметра систем: энергию связи, характерный размер и характерное время. В таблице 1 представлены опубликованные значения этих параметров для различных уровней интеграции материи.

Таблица 1. Иерархические уровни организации вещества

Анализ данных, приведенных в таблице показывает, что все три параметра от уровня к уровню однонаправлено изменяются скачком на порядки величин, иногда на три-шесть порядков, т.е. масштабы систем от уровня к уровню на порядки изменяются. Существует направленность изменений величин параметров. Энергия связи резко уменьшается, вплоть до того что становится незначимой на уровнях живых систем. Характерный размер резко возрастает. Также резко возрастает характерное время. Например, миг в жизни атома - это миллион актов обменов глюонов на уровне кварков или нуклонов. Один клеточный цикл бактерий (прокариоты) включает в себя 10 химических актов. Целая эпоха на одном уровне соответствует однократному изменению на следующем. Сравнивая теорию эволюции материи по Спенсеру и эволюционную теорию видов Дарвина, можно сделать вывод, что эволюция может быть, как вертикальной (теория Спенсера показывает, как возникают уровни организации материи), так и горизонтальной (Дарвин рассматривал эволюцию в пределах одного уровня организации живого).

1.2 Методологические принципы концепции А.И. Опарина

А.И. Опарин применил диалектико-материалистический подход к решению проблемы происхождения жизни, нашел конкретное воплощение в естествознании, прежде всего в гипотезе, который в 1924 г. изложил основы своей концепции в книге “Происхождение жизни”. Им впервые была разработана конкретно-научная программа экспериментальных исследований данной проблемы. Обобщив достижения космологии, органической химии, геофизики, биохимии, геоморфологии, астрофизики и др., он предложил гипотезу, объясняющую закономерный характер химической эволюции в направлении усложнения ее продуктов вплоть до образования простейших живых существ.

А.И. Опарин теоретически предположил и экспериментально доказал возможность образования абиогенным путем органических соединений, которые возникают при действии электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана, и др.

Под влиянием различных факторов внешней среды эволюция углеводородов привела к образованию аминокислот, нуклеотидов и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в “первичном бульоне” гидросферы Земли способствовали возникновению коллоидных систем, так называемых коацерватных капель. Последние, выделяясь из окружающей среды и имея неодинаковую внутреннюю структуру, по-разному реагировали на внешнюю среду.

Исходным пунктом анализа А.И. Опарина является материалистический подход к пониманию сущности живого. “Жизнь, - писал он, - материальна по своей природе. Это особая, качественно отличная от неорганического мира форма движения материи”¹⁸. Говоря о достоинствах методологии А.И. Опарина, следует подчеркнуть его умение рассматривать в развитии наиболее сложные аспекты этой кардинальной мировоззренческой проблемы. Эта методология помогла сделать А.И.

Опарину предположение о том, что условия, в которых происходил процесс зарождения и эволюции жизни, также претерпевали качественные изменения. Было установлено, что превращениям углеродистых соединений в химический период эволюции соответствовала атмосфера с восстановительными свойствами.

После того как возникли простые анаэробные формы жизни и увеличивалось количество кислорода, она постепенно стала приобретать окислительные характеристики, что в наибольшей мере свойственно земной атмосфере в настоящее время. Исходя из диалектической теории развития и обобщив богатый материал из биофизики и биохимии, А.И. Опарин предложил программу оригинальных модельных опытов с фазово-обособленными системами, или пробионтами (коацерватными каплями), для объяснения возникновения и совершенствования обмена веществ живых организмов и таких важных его составляющих, как белки (ферменты и строительный материал для морфологических структур), нуклеиновые кислоты (носители генетической информации), полисахариды и липиды (источник энергии биохимических реакций).

Однако самое интересное в данном подходе заключается в том, что “на модели коацерватных капель удается экспериментально продемонстрировать зачатки естественного отбора, той закономерности, которая в дальнейшем легла в основу всей последующей эволюции такого рода открытых, фазово-обособленных, целостных систем, на пути к возникновению простейших организмов”. Сегодня проблема происхождения жизни исследуется различными науками. Основа такого конкретно-научного подхода заложена А.И. Опариным, он наметил главные пути исследования конкретных механизмов перехода химической эволюции в биологическую.

Также А.И. Опарин разработал мировоззренческие и методологические проблемы в решении вопроса о сущности жизни и ее происхождения. Последовательное применение принципов диалектического материализма в процессе конкретного научного познания позволили А.И. Опарину прийти к выводу, что “возникновение жизни отнюдь не является какой-то “счастливой случайностью”, а представляет собой вполне закономерное событие, неотъемлемую часть общей эволюции Вселенной. С этой точки зрения познание процесса возникновения жизни вполне доступно объективному, научному изучению, не требующему постулирования какого-то предшествующего плана творения”.

1.3 Философские аспекты основных современных решений проблемы происхождения живого

Также существуют и другие философские аспекты основных современных решений проблемы происхождения живого. В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное свойство живого изучается в данном исследовании преимущественно (вещество, энергия, информация), все современные концепции происхождения жизни можно условно разделить на три направления: субстратное (биохимики во главе с А.И. Опариным), энергетическое (И. Пригожин, Л.И. Блюменфельд, М.В. Волькенштейн, К.С. Тринчер, П.Г. Кузнецов, Л.А. Николаев и др.) и информационное (А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, М. Эйген, Ф. Крик, Д.С. Чернавский и др.). Из конкретных концепций, получивших сегодня широкое признание, можно указать, кроме гипотезы Опарина о путях эволюции обмена веществ и Холдейна о становлении механизма передачи наследственной информации, на гипотезу Кастлера об эволюции молекулы полинуклеотида со свойствами репликации; идею Кальвина о молекулярной эволюции свойства автокатализа некоторых биополимеров; концепцию Бернала о химической эволюции в адсорбционных пленках; гипотезу Фокса и Дозе об эволюции протеиноидных микросфер; теорию Эйгена об эволюции самовоспроизводящегося гиперцикла систем синтеза белков и полинуклеотидов; концепцию Меклера о перекрестной стереокомплементарности (механизм воспроизводства генетической информации и кода) и др.

При всем многообразии данных точек зрения их объединяет общий методологический подход, сутью которого является историческая экстраполяция, т.е. объяснение истории развития живого из знания субстратных, энергетических и информационных характеристик современных живых систем. В данном случае направление процесса познания противоположно естественному ходу возникновения живого и начальные и конечные пункты их не совпадают. Это накладывает определенные ограничения на возможности актуалистического, или, как его еще называет А.П. Руденко, биологического, подхода, самый главный недостаток которого состоит в том, что он не способен в принципе вскрыть законы химической эволюции, определяющие ее условия, возможность, причины и направленность. “Из-за незнания законов химической эволюции в актуалистических гипотезах и теориях остается непонятным механизм естественного отбора эволюционных изменений; неясно, почему вообще происходит химическая эволюция и чем она отличается от неорганизованных химических процессов, почему эволюция направлена от простого к сложному, от неорганических веществ к органическим, от органических веществ к биополимерам и т.д.”

Анализируя философский аспект химической эволюции, необходимо отметить, что она рассматривается, главным образом, в контексте биогенеза. С появлением живого химическая эволюция не прекращается, а, наоборот, интенсифицируется, так как возникают биогеохимические и техногенные процессы, которые приводят к появлению веществ и соединений ранее не существовавших в природе и представляющих опасность для живых организмов (например - диоксины).

Более того, неконтролируемое вторжение химии в природный круговорот веществ угрожает самому существованию биосферы, о чем в свое время писал В.И. Вернадский.

2. Эволюционная химия как высший уровень развития химических знаний

Химические знания до определенного момента накапливались эмпирически, но с ростом объема знаний появилась необходимость в их классификации и систематизации. Во введении мною представлена концептуальная система химических знаний. Исторически химия в процессе своего развития прошла путь от проблемы элементного и молекулярного состава веществ, через понятие о “структуре” молекулы реагента, к проблемам химических процессов. Разделилась на неорганическую и органическую химию, появились в химии такие дисциплины, как квантовая химия, химическая термодинамика и кинетика, произошло также взаимопроникновение физики, химии и биологии. Накопленные знания дали предпосылку к появлению и развитию эволюционной химии.

Эволюционная химия - раздел предбиологии - науки о самоорганизации и саморазвитии химических систем, обогащение их более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными. Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Они привлекли внимание исследователей совсем недавно, в 1970-е гг. Однако их истоки уходят в прошлое, к давнишней мечте химиков "освоить опыт лаборатории живого организма" и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь.

Первым ученым, осознавшим высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах, был основатель органической химии Й.Я. Берцелиус. Он установил, что основой лаборатории живого организма является биокатализ. Идеалом совершенства каталитических превращений считали лабораторию живого организма немецкий ученый Ю. Либих, французский естествоиспытатель П.Э.М. Бертло и другие. Много внимания каталитическому опыту живой природы уделял лауреат Нобелевской премии русский ученый академик Н.Н. Семенов. Он рассматривал химические процессы, протекающие в тканях растений и животных, как своеобразное "химическое производство" живой природы. Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул. Предвидится создание преобразователей, использующих с большим КПД солнечный свет, превращая его в химическую и электрическую энергию, а также химическую энергию в свет большой интенсивности.

Для освоения каталитического опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленном производстве химики наметили ряд перспективных путей. Первый - развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Этот катализ обогащается приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также способами классического гетерогенного катализа. Второй путь заключается в моделировании биокатализаторов. В настоящее время за счет искусственного отбора структур удалось построить модели многих ферментов, характеризующихся высокой активностью и селективностью, иногда почти такой же, как и у оригиналов, или с большей простотой строения. Пока все же полученные модели не в состоянии заменить природные биокатализаторы живых систем. На данном этапе развития химических знаний проблема эта решается чрезвычайно сложно, фермент выделяется из живой системы, определяется его структура, он вводится в реакцию для осуществления каталитических функций. Но работает непродолжительное время и быстро разрушается, поскольку является выделенным из целого, из клетки. Цельная клетка со всем ее ферментным аппаратом - более важный объект, чем одна, выделенная из нее деталь. Третий путь к освоению механизмов лаборатории живой природы связывается с достижениями химии иммобилизованных систем.

Сущность иммобилизации (лат. immobilis - неподвижный) состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции (лат. ad на, у, при + sorbere - поглощать, всасывать), которая превращает их в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие. Благодаря систематическим исследованиям русского химика И.В. Березина и его сотрудников решены проблемы использования иммобилизованных ферментов в тонком органическом синтезе, трансформации стероидов, модификации малостабильных соединений, разделении рацематов на оптически активные формы.

Некоторые из этих процессов реализованы в промышленных масштабах. Намечаются пути применения иммобилизованных оксидах, выделенных микроорганизмами, для тяжелого органического синтеза, в частности, для получения на основе парафинов и ароматических углеводородов спиртов, альдегидов, кетонов, кислот, окисей. Изучаются перспективы ферментативного обезвреживания сточных вод. Четвертый путь в развитии исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи - изучением и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и формирования фермента, клетки и даже организма.

Это ступень, на которой возникают основы эволюционной химии как действенной науки с ее рабочими функциями. Это движение химической науки к принципиально новой химической технологии с перспективой создания аналогов живых систем. Возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов. Искусственный отбор каталитических структур ориентировался на естественный, осуществляемый природой на путях эволюции от неорганической материи к живым системам.

Другим поводом для развития исследований в области эволюционной химии являются реально ощутимые успехи “нестационарной кинетики”, или динамики химических систем. Они получены совершенно неожиданно в условиях нарушенного стационарного режима работы гетерогенных катализаторов. В 1960-х гг. были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались. В эволюционной химии существенное место занимает понятие “самоорганизация”. “Самоорганизация” отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации".

2.1 Различные подходы к самоорганизации

Существуют два подхода к решению проблем самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур, т. е. проблема состава элементов-органогенов и соответствующей структуры биологических систем. Функциональный подход: отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно больших числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

Отбор химических элементов проходил в процессе самоорганизации предбиологических систем. Предполагается, что многие из 110 открытых на сегодня химических элементов, попадая в живые организмы, участвуют в их жизнедеятельности. Но основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем. Это натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель, весовая доля которых в организмах примерно 1,6%. Еще около 20 элементов участвуют в построении и функционировании узко специфических биосистем, например, водорослей, состав которых определяется в Известной мере питательной средой. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений. Из них 96% - органические, состоящие из тех же 6-18 элементов. Из остальных 90 химических элементов природа (в условиях Земли) создала всего около 300 тыс. неорганических соединений. Из органогенов на Земле наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика - около 0,24 весовых процента. В Космосе безраздельно господствуют только два элемента - водород и гелий, а все остальные можно 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 теми сооружениями, которые представляют собой высокоорганизованные структуры. С химической точки зрения, эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию прочных и энергоемких связей, причем связей лабильных, т.е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению.

Указанным условиям отвечает углерод как органоген № 1. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности. Углерод реализует их единство, выступает в качестве носителя внутреннего противоречия. Азот, фосфор, сера как органогены, а также элементы, составляющие активные центры ферментов, - железо и магний тоже отличаются лабильностью. Кислород и водород не столь лабильны и их рассматривают как носителей окислительных и восстановительных процессов. Подобно тому, как из всех химических элементов только б органогенов и 10-16 других элементов отобраны природой для основы биосистем, в результате эволюции шел отбор и химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют только несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит 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.

Исследователи - химики и биологи - поражаются трудно обозримому миру животных и растений, составленному природой из такого узкого круга органических веществ. Полагают, что когда период химической подготовки - время интенсивных и разнообразных превращений - сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Находят массу доказательств тому, 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 и состав веществ, накапливаемых впрок, и т. п.

Каким же образом происходила так называемая химическая подготовка, в результате которой из минимума химических элементов и химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистема? Химикам важно понять это, чтобы научиться у природы приспособлять к своим нуждам "менее организованные материалы", например, синтезировать сахар из СОз, СОНз и H₂O, получать стереоспецифические соединения и т.п.

Исследователи настойчиво открывают все больше и больше тайн природы. И эти открытия показывают, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Примером может служить система пирольных циклов в гемине, обеспечивающая повышение активности атома железа в окислительно-восстановительных реакциях в миллиарды раз. Первой и наиболее простой из этих структур можно назвать различные фазовые границы. Они служили основой физической и химической адсорбции, которая вносила элементарное упорядочение во взаимное расположение частиц, увеличивала их концентрацию и служила фактором появления каталитического эффекта. Вторым структурным фрагментом считают группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. Сюда относят полупроводниковые цепи и структуры, ответственные за трансгидрирование, или перенос водорода. Третья структура, необходимая для эволюционирующих систем, - это группировки, выполняющие задачу энергетического обеспечения. К ним относятся оксиоксогруппы, фосфоросодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями. Следующим фрагментом эволюционирующих систем является развитая полимерная структура типа РНК и ДНК. Она выполняет ряд функций, свойственных перечисленным выше структурам, и главное - роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе Подобных структур. В связи с этим привлекает внимание ряд выводов, полученных различными путями и в самых разных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, термодинамике, химической кинетике). На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Условия высоких температур (” 5000°К), электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния и с лихвой перекрывают те порции энергии, которые необходимы для преодоления энергетических барьеров.