5.5. Эволюционная химия.

В 70-е г.г. XX в. химия вышла на высший уровень развития: возникла эволюционная химия как результат обобщения материала, накопленного в разных областях научного знания (опыты по самоорганизации химических систем, изучение термодинамики необратимых процессов, идеи биохимической эволюции и т.д.). В основе эволюционной химии лежит теория самоорганизации химических систем. Это те принципы, по которым эволюционирует живая материя, используя для этого возможности биохимических процессов. Синтез новых соединений, более сложных и высокоорганизованных, при условии самопроизвольного протекания химических процессов – вот что стремится познать эволюционная химия. Конечно, учёные пытаются понять это, изучая, прежде всего, «лабораторию» живого организма: как из неорганической возникает органическая материя? Как из химических реакций в их системной субординации возникает жизнь с высокоэффективным химическим «производством», которое осуществляется в клетке, в тканях растительных и животных организмов?

Многие из известных науке химических элементов участвуют в химических процессах живых организмов, но основу живого составляют только 6 из них, которые и получили название органогенов. Это: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая весовая доля в живой материи составляет 97,4%. Ещё 12 элементов – натрий, калий, магний, хлор, медь и др. составляют около 1,6%. Остальное очень слабо представлено в живой материи.

Наиболее высокие органогенные способности у углерода. Кислород и водород – носители окислительных и восстановительных процессов; азот, фосфор, сера – активно участвуют в работе ферментов; железо и магний – отличаются неустойчивостью в своих функциях.

Было обнаружено: из известных науке 8 миллионов химических соединений подавляющее большинство (около 96%) – это органические соединения. И это при том, что органогены – далеко не самые распространённые химические элементы на Земле: общая весовая доля наиболее важных органогенов (углерод, азот, фосфор и сера) в поверхностных слоях Земли составляет только 0,24%. Значит, в отборе химических элементов при формировании органических и затем биосистем геохимические условия не могли играть главной роли.

Организмы, и прежде всего углерод, были выделены химической эволюцией, так как:

- они обладают способностью образовывать достаточно прочные энергоёмкие химические связи;

- образуемые ими связи достаточно мобильные, способные к перестройке.

Эволюционная химия установила также, что из нескольких миллионов органических соединений в построении живой материи принимают участие только несколько сотен, а из более 100 известных аминокислот только 20 входят в состав белков. Но только из 4-х нуклеотидов образуются сложные нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), кодирующие наследственность и программы метаболизма. Таким образом, огромный мир растений и животных возник из небольшого набора органических веществ. Из минимума химических элементов и соединений возникло огромное многообразие биологических систем.

Всё это свидетельствует о том, что в ходе эволюции отбирались те химические структуры, которые обладают гибкой реактивностью и способны селектировать каталитическое действие. Одни структуры лучше способны были к адсорбции, другие – переносу электронов, третьи – энергетическому обеспечению, четвёртые – воспроизведению себе подобных. Причём в процессе эволюции эти способности возникали постепенно и последовательно.

В 70-х г.г. XX в. А.П.Руденко попытался построить общую теорию химической эволюции. Согласно ей, химическая эволюция представляет собой единый процесс хемогенеза (усовершенствование химических соединений на предбиологической стадии) и биогенеза (переход химической эволюции в биологическую). Этот процесс рассматривается как саморазвитие открытых каталитических систем, в ходе которого действовали механизмы конкуренции и естественного отбора, то есть для последующей эволюции отбирались те структуры, которые обладали наибольшим эволюционным потенциалом и были способны к самосовершенствованию. C наибольшей скоростью и вероятностью происходили те эволюционные изменения, в которых возможно максимальное увеличение активности катализаторов, при условии, что для этого есть достаточные источники энергии. В результате возникают автокаталитические системы, способные к самовоспроизведению (редупликации) и химическая эволюция переходит на качественно новый уровень – биологическую эволюцию.

Опираясь на теорию Руденко, современные химики делают некоторые предварительные выводы относительно этапов химической эволюции:

▪ на ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал, так как условия высоких температур (более 5 000 К), электрических разрядов и радиации препятствовали образованию конденсированного состояния;

↓

▪ при падении температуры ниже 5 000 К и образовании первичных твёрдых тел имеют место первые проявления катализа;

↓

▪ после достижения определённого уровня набора неорганических и органических соединений роль катализа начинает резко возрастать;

↓

▪ в ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп;

↓

▪ появление и развитие полимерных структур типа РНК и ДНК, выполняющих роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

Таким образом, эволюционная химия как наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем совместно с другими областями естествознания (физики, геологии, биологии) подступает к расшифровке механизмов предбиологической эволюции, а вместе с тем – к созданию новейших технологий на принципах, заимствованных у живой природы. С этой целью в современной эволюционной химии изучаются многообразные катализаторы, которыми пользуются живые организмы, предпринимаются попытки моделировать высокую активность и селективность биокатализаторов в технологических процессах производства с помощью закрепления катализаторов на твёрдой поверхности. Это обеспечивает стабильность и непрерывное их действие.

Такие способы широко используются в тонком органическом синтезе. Созданы технологии в промышленных масштабах для синтеза органических соединений различных типов, для разработки различных способов обезвреживания и очистки использованной воды или воздуха. По принципу ферментов будет возможно создание катализаторов с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут катализаторы, используемые в современной химической промышленности.

В целом, изучение и промышленное освоение опыта каталитических реакций живых систем – важнейшая задача современной химии, которая открывает перспективы создания технологий «мягких» (без высоких температур и давлений), безотходных и энергосберегающих, то есть создания «нефизического», «немеханического» производства – производства будущего.