Устойчивое развитие и традиционная экономика

Появление концепции УР подорвало фундаментальную основу традиционной экономики — неограниченный экономический рост. В одном из основных документов Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) «Повестке дня на XXI век», в главе 4 (часть 1), посвященной изменениям в характере производства и потребления, прослеживается мысль, что надо идти дальше концепции устойчивого развития, когда говорится, что некоторые экономисты «ставят по сомнение традиционные понятия экономического роста», и предлагаются поиски «схем потребления и производства, которые отвечают существенным потребностям человечества».

Традиционная экономика утверждает, что максимизация прибыли и удовлетворение потребителей в рыночной системе совместимо с максимизацией благополучия людей и что недостатки рынка можно исправить государственной политикой. Вторая полагает, что краткосрочная максимизация прибыли и удовлетворение индивидумов-потребителей в конечном итоге приведет к истощению природных и социальных ресурсов, на которых зиждется благосостояние людей и выживание биологических видов.

Экономика устойчивого развития

Прогресс экономической науки привел к все большему учету в природного фактора. С одной стороны, большинство традиционных природных ресурсов стали дефицитными. Причем это относится не только в невозобновимым ресурсам, но также и к так называемым возобновимым ресурсам — прежде всего ресурсам экосистем (экосистемным «товарам» и «услугам») и биоразнообразию. Одно из определений устойчивого развития — это неистощительное развитие в долгосрочном, межпоколенном плане. Так как природа является основой жизнедеятельности человека, ее истощение и деградация при существующих экономических отношениях негативно сказывается на социальных отношениях, росте нищеты и структурах производства и потребления. С другой стороны, оказалось, что многие возобновимые природные блага не имеет должной ценности, что является источником их истощения и деградации. Поэтому произошел переход к экологической экономике и экономике устойчивого развития. В то же время взаимодействие социальных и экологических факторов привело к рассмотрению еще одного фактора производства — социального капитала.

Литература

• Бобылев С. Н., Гирусов Э. В., Перелет Р. А. Экономика устойчивого развития. Учебное пособие. Изд-во Ступени, Москва, 2004, 303 сс., ISBN 5-94713-046-7

• Гвишиани Д. М. Мосты в будущее. Институт системного анализа, УРСС, Москва, 2004

• Р. Перелет. Экологическая дипломатия. Международная жизнь, 10, 1988

• Устойчивое экологобезопасное развитие: Курс лекций/ Под ред. А. Д. Урсула. — М.: Издательство РАГС, 2001

• «Наше общее будущее»: Доклад Международной комиссии по окружающей среде и развитию (МКОСР)": Пер. с англ./Под ред. и с послесл. С. А. Евтеева и Р. А. Перелета/—М.:Прогресс, 1989

• Перелет Р. А. Выявление показателей устойчивого развития // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. ВИНИТИ — 1995. — № 6

Волновая концепция

Волновая концепция — одна из концепций, с помощью которых выстраивается периодизация развития общества.

Существует несколько концепций, с помощью которых выстраивается периодизация исторического развития. Традиционно основными из них считаются — формационная (Маркс) и цивилизационная (Ясперс, Тойнби). Первая из них кладёт в основу развития человеческого общества производственно-хозяйственные отношения, а вторая — социокультурные типы.

На третье место после этих двух концепций можно заслуженно поставить волновую концепцию. Идея 3-х волн не нова, но наиболее подробно её изложил Э. Тоффлер в своей книге «Третья волна». В концепии выделяются три основных стадии развития человечества — аграрная, индустриальная, постиндустриальная.

Доиндустриальное общество

Эту стадию также принято называть традиционной или аграрной. Здесь преобладают добывающие виды хозяйственной деятельности — земледелие, рыболовство, добыча полезных ископаемых. Подавляющее большинство населения (примерно 90%) занято в сельском хозяйстве. Главной задачей аграрного общества было производство пищевых продуктов, чтобы просто прокормить население. Это наиболее продолжительная из трёх стадий, и её история насчитывает тысячи лет. В наше время на данной стадии развития до сих пор находится большинство стран Африки, Латинской Америки и Юго-Восточной Азии. В доиндустриальном обществе основным производителем является не человек, а природа. 1

Индустриальное общество

Термин впервые прозвучал в работах Сен-Симона на рубеже XVIII—XIX веков, и примерно в то же время учение об индустриальной системе было развито А. Смитом. Широкое распространение концепция индустриального общества получила в 50 — 60-х гг. XX века в США (Арон, Ростоу, Белл и другие), когда с помощью неё решались даже прикладные задачи — организация на предприятиях и решение трудовых конфликтов.

В индустриальном обществе все силы направлены на промышленное производство, чтобы произвести необходимые обществу товары. Промышленный переворот принёс свои плоды — теперь главная задача аграрного и индустриального общества, состоящая в том, чтобы просто прокормить население и обеспечить его элементарными средствами к существованию, ушла на второй план. Всего лишь 5-10 % населения, занятых в сельском хозяйстве, производили достаточно продовольствия, чтобы прокормить всё общество.

Формирование индустриального общества связано с распространением крупного машинного производства, урбанизацией (отток населения из деревень в города), утверждением рыночной экономики и возникновением социальных групп предпринимателей (буржуазия) и наёмных работников (пролетариат).

Переход к индустриальному обществу происходит на базе индустриализации — развития крупного машинного производства. Начало индустриализации можно датировать серединой XVIII-го века, когда произошёл промышленный переворот в Великобритании — переход от мануфактуры к машинному производству. Сроки и темпы индустриализации в различных странах неодинаковы (например, Великобритания превратилась в индустриальную страну к середине XIX века, а Франция — в начале 20-х гг. XX века). В России индустриализация успешно развивалась с конца XIX — начала XX веков, а после Октябрьской революции (с конца 1920-х гг.) индустриализация осуществлялась форсированно.

В конце XX века индустриальное общество переходит к постиндустриальному.

Постиндустриальное общество

Основателем концепции постиндустриального общества стал выдающийся американский социолог Даниэл Белл. В вышедшей в 1973 году книге «Грядущее постиндустриальное общество» он подробно изложил свою концепцию, тщательно анализируя основные тенденции в изменении отношений секторов общественного производства, становлении экономики услуг, формировании научного знания как самостоятельного элемента производственных сил.

Однако сам термин «постиндустриальное общество» появился в США ещё в 1950-ые годы, когда стало ясно, что американский капитализм середины столетия во многом отличается от индустриального капитализма, существовавшего до Великого Кризиса 1929—1933 годов.

Капитализм 1950-х уже не был похож на тот классический американский и европейский капитализм начала века, о котором писал Маркс — городское общество уже нельзя было строго разделить на буржуазию и пролетариат, ведь благосостояние простого рабочего росло, и, к тому же, начал появляться средний класс, состоящий из людей, занимающих достаточно престижные позиции в обществе, которых, вместе с тем, нельзя было отнести ни к господствующему, ни к угнетаемому классу. Вместе с тем рост производства вызвал расширение корпораций. Если в начале века корпорации занимались лишь крупными производством (железными дорогами, добычей и переработкой нефти), то во второй половине века они захватили даже те секторы экономики, в которые традиционно занимали частные собственники или мелкие фирмы . Также стали появляться крупнейшие транснациональные корпорации. В то же время техника, используемая в производстве, все более усложнялась, что вызвало потребность в квалифицированных кадрах и увеличило ценность научного знания.

С конца 1960-х термин «постиндустриальное общество» наполняется новым содержанием — возрастает престиж образования, появляется целый слой квалифицированных специалистов, менеджеров, людей умственного труда. Сфера услуг, науки, образования постепенно начинает преобладать над промышленностью и сельским хозяйством, где тоже активно используются научные знания. В 1950−1970 годы стало очевидно, что человечество вступает в новую эпоху.

Переход к новому типу общества — постиндустриальному происходит в последней трети XX века. Общество уже обеспечено продовольствием и товарами, и на первый план выдвигаются различные услуги, в основном связанные с накоплением и распространением знаний . А в результате научно-технической революции произошло превращение науки в непосредственную производительную силу, которая стала главным фактором и развития общества, и его самосохранения.

Вместе с этим у человека появляется больше свободного времени, а, следовательно, и возможностей для творчества, самореализации. В это время технические разработки становятся все более наукоёмкими, теоретические знания приобретают наибольшее значение. Распространение этого знания обеспечивает сверхразвитая сеть коммуникаций.

Эволюция и революция

Очевидно сходство волновой теории с формационной теорией Маркса, однако волны, в отличие от формаций Маркса, сменяют друг друга в результате эволюции, а не революции. По Марксу революция — это локомотив истории, но, с точки зрения эволюционной теории, революции только затормаживают развитие. По Тоффлеру-же, наоборот, главный двигатель истории — технический прогресс, и, хоть очередная волна приходит в результате качественного скачка и является грандиозным поворотом истории и величайшей трансформацией всех сторон общественной и личной жизни, эти изменения бескровны и носят эволюционных характер.

Ссылки

• Книга Э.Тоффлера «Третья волна»

 

 Химическая эволюция

Эволюция

Звездная эволюция Химическая эволюция Биологическая эволюция Биопоэз Дарвинизм Ламаркизм Ортогенез Номогенез Социальная эволюция

Родственные темы

Космология Креационизм Научная картина мира Синергетика

Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — это история возникновения и развития тех молекул, которые имеют значение в историческом развитии живых существ. При этом органические, пребиотические молекулы возникли из неорганических молекул под влиянием энергетических процессов.

Вступление

Реконструкция появления органических молекул трудна, так как ископаемые и точные знания геохимических условий земли древнее 3,8 млрд лет отсутствуют.

Поэтому существуют различные гипотезы о ходе химической эволюции. В основном они опираются на эксперименты, основанные на предположениях о химическом составе атмосферы, гидросферы и литосферы, а также климатических условиях тех времен.

Основанные на гипотезах, эксперименты на данный момент недостаточны для создания теории возникновения жизни на земле. Однако уже наблюдались процессы создания комплексных молекул, которые необходимы для органических процессов, но образование сложных систем из них пока ещё не было достигнуто. Эти наблюдения считаются уже большим успехом и достаточны для разработки гипотез.

Обзор

Гипотезы химической эволюции должны объяснять различные аспекты:

1. Небиологическое начало биомолекул, то есть их развитие из неживущих и, соответственно, неорганических предшественников.

2. Появление способных к само-репликации и само-изменению химических информационных систем, то есть возникновение клетки.

3. Появление взаимной зависимости функции (ферментов) и информации (РНК, ДНК).

4. Условия среды Земли в период от 4,5 до 3,5 млрд лет назад.

Большой вклад в прояснение этих вопросов, среди прочих, сделали следующие ученые:

• Александр Опарин: Коацерваты.

• Гарольд Юри и Стэнли Миллер в 1953: Возникновение простых биомолекул в симулируемой древней атмосфере.

• Сидней Фокс: Микросферы из протеноидов.

• Томас Кеч (университет Колорадо) и Сидней Алтман (университет Yale New Haven Connecticut) в 1981: Автокаталитическое РНК-деление: «Рибозимы» объединяют катализ и информацию в молекуле. Они в состоянии вырезать себя из более длинной цепи РНК и соединять остающиеся концы снова.

• Вальтер Жильбер (Гарвард, университет Кембридж) разрабатывает в 1986 идею мира РНК.

• Гюнтер фон Кидровски (Рур-университет Бохум) представляет в 1986 году первую само-реплицирующуюся систему на основе ДНК, важный вклад в понимание функций роста само-реплицирующихся систем

• Манфред Айген (институт Макса Планка факультет биофизической химии, Геттинген): Эволюция ансамблей молекул РНК. Гиперцикл.

• Юлий Ребек (Кембридж) создаёт искусственную молекулу (Aminoadenosintriazidester), которая само-реплицируется в растворе хлороформа. Копии все же идентичны образцу, так что эволюция для этих молекул невозможна.

• Джон Корлис (Goddard центр космических полётов — НАСА): Термальные источники морей поставляют энергию и химикалии, которые делают возможными абсолютно независимую от столкновений с метеоритами химическую эволюцию. Ещё сегодня они являются средой жизни для первоначальных по многих признаках археобактерий (Archaea).

• Гюнтер Вэхтерсхойзер (Мюнхен): Первые само-реплицирующиеся структуры с обменом веществ возникли на поверхности пирита. Пирит (сульфид железа) поставил для этого необходимую энергию. На растущих и снова распадающихся кристаллах пирита эти системы могли расти и размножаться, и различные популяции конфронтировали с разным условиям среды (условия отбора).

• А. Г. Cairns-Smith (университет Глазго) и Дэвид К. Мауерцалл (Rockefeller-Universität New York, Нью-Йорк) видят в глиняных минералах систему, которая сначала сама подчинена химической эволюции, из-за чего возникает много различных, самореплицирующихся кристаллов. Эти кристаллы притягивают своим электрическим зарядом органические молекулы и катализируют синтез комплексных биомолекул, при чём объём информации кристаллических структур служит сначала матрицей. Эти органические соединения становятся все более сложными, до тех пор пока они не могут размножаться без помощи глиняных минералов.

• Вольфганг Вайганд, Марк Дерр и др. (Институт Макса Планка факультет биогеохимии, Йена) показали в 2003, что сульфид железа может катализировать синтез аммиака из молекулярного азота.

Унифицированная модель химической эволюции ещё не разработана, возможно потому, что основные принципы ещё не открыты.

Предварительные рассуждения

Биомолекулы

Пребиотический синтез сложных соединений молекул может делится на три последовательных этапа:

1. Возникновение простых органических соединений (спиртов, кислот, гетероциклических соединений: пуринов, пиримидинов и пирролов) из неорганических материалов.

2. Синтез более сложных органических соединений-"биомолекул" — представителей наиболее распостранённых классов метаболитов, в том числе и мономеров — структурных единиц биополимеров (моносахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеотиды) из простых органических соединений.

3. Возникновение сложных биополимеров (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты) из основных структурных единиц — мономеров.

Биомолекулы — возникновение и функция

Одним из вопросов является химический состав среды в которой осуществлялся пребиологический синтез, в том числе какие неорганические компоненты являлись источниками различных элементов, входящих в состав различных органических соединений.

Элементный состав биомолекул:	C H O N S P Углеводы X X X       Жиры X X X X     Фосфолипиды X X X X   X Белки X X X X X   Нуклеотиды X X X X   X Порфирины X X X X
Возможные неорганические источники элементов:	Восстановленная форма Окислённая форма Углерод (C) Метан (CH4), Монооксид углерода (угарный газ)]] (CO) Углекислый газ (CO2) Водород (H) Водород (H2) Вода (H2O) Кислород (O) H2O Кислород (O2) Азот (N) Аммиак (NH3) Нитрат (NO3-) Сера (S) Сероводород (H2S) Сульфаты (SO42-) Фосфор (P)   Фосфаты (PO43-)

Все гипотезы исходят из того, что помимо воды и фосфата в начале в достаточной массе находились в достаточном количестве только упрощённые формы привычных сегодня химических соединений, так как древняя атмосфера едва ли содержала молекулярный кислород.

В качестве источника энергии, инициирующей синтез, в это время могли выступать Ультрафиолетовое излучение Солнца, тепло вулканических процессов, ионизирующие излучения радиоактивного распада и электрические разряды. Существуют также теории, в рамках которых источником необходимой для возникновения биомолекул энергии могут служить окислительно-восстановительные процессы между вулканическими газами (восстановитель) и частично окисляющими сульфидными минералами, например пиритом (FeS₂)

Развитие древней атмосферы

Развитие земной атмосферы является частью химической эволюции и к тому же важным элементом истории климата. Сегодня её разделяют на четыре важные ступени развития.

В начале происходило образование химических элементов в космосе и появление из них земли — приблизительно 4,56 миллиардов лет назад. Предположительно наша планета уже довольно рано имела атмосферу из водорода (H₂) и гелия (He), которая была однако снова потеряна в космическое пространство. Астрономы исходят так же из того, что из-за относительно высоких температур и эффектов солнечного ветра на земле и других близлежащих солнцу планетах могло остаться только мало легких химических элементов (включая углерод, азот и кислород). Все эти элементы, составляющие сегодня основную часть биосферы, были занесены, по этой теории, ударами комет из более внешних участков солнечной системы лишь через большой промежуток времени, когда протопланеты немного остыли. В течение первых нескольких миллионов лет после возникновения солнечной системы постоянно повторялись столкновения с небесными телами, вызванные ими коллизии уничтожали глобальными стерилизациями образованные в это время живые системы. Поэтому появление жизни смогло начаться только после накопления воды на длительное время хотя бы в самых глубоких местах моря.

Следы вулканической активности: отложения серы на краях Halema’uma’u-кратера вулкана Мауна Лоа на Гаваях

Извержение вулкана — самая захватывающая форма вулканической деятельности

С медленным остыванием земли, вулканической деятельностью (выделение газов из недр земли) и глобальным распределением материалов упавших комет возникла вторая атмосфера земли. Скорее всего она состояла из водяного пара (H₂O до 80 %), углекислого газа (CO₂; до 20 %), сероводорода (до 7 %), аммиака и метана. Высокий процент водяного пара объясняется тем, что поверхность земли была на тот момент ещё слишком горяча для образования морей. Прежде всего из воды, метана и аммиака в условиях молодой земли могли образоваться небольшие органические молекулы (кислоты, спирты, аминокислоты), позднее так же органические полимеры (полисахариды, жиры, полипептиды), которые были нестабильны в кислотной атмосфере.

После охлаждения атмосферы ниже температуры кипения воды наступил очень длительный дождь, который и образовал океаны. Насыщенность других газов атмосферы относительно водяного пара повысилась. Высокое ультрафиолетовое облучение обусловило фотохимический распад воды метана и аммиака, в результате чего накопились углекислый газ и азот. Лёгкие газы — водород и гелий — уносились в космос, углекислый газ растворялся в больших количествах в океане, окисляя воду. Значение pH упало до 4. Инертный и малорастворимый азот N₂ накапливался со временем и образовывал около 3,4 миллиардов лет назад основную составляющую атмосферы.

Выпадение в осадок, прореагировавшего с ионами металлов, растворенного углекислого газа (карбонаты) и дальнейшее развитие живых существ, которые ассимилировали углекислый газ, привело к уменьшению CO₂-концентрации и поднятию значения pH в водоёмах.

Кислород O₂ играет важнейшую роль в дальнейшем развитии атмосферы. Он образовался с появлением способных к фотосинтезу живых существ, предположительно цианобактерий (сине-зелёных водорослей) или им подобных прокариотов. Ассимиляция ими углекислого газа привела к дальнейшему понижению кислотности, насыщенность атмосферы кислородом оставалась все-таки довольно низкой. Причина этого — незамедлительное использование растворенного в океане кислорода для окисления двухвалентных ионов железа и других окисляемых соединений. Около двух миллиардов лет назад этот процесс завершился и кислород стал постепенно накапливаться в атмосфере.

Очень реактивный кислород легко окисляет восприимчивые органические биомолекулы и становится таким образом фактором отбора окружающей среды для ранних организмов. Только немногие анаэробные организмы смогли переместиться в свободные от кислорода жизненные пространства, другая часть выработала ферменты (например, каталазы), которые делают кислород не опасным. В некоторых микроорганизмах из подобных энзимов развились комплексные мембранные энзимы — конечные оксидазы, которые метаболически использовали присутствующий кислород для накопления энергии необходимой для роста собственной клетки — конечная стадия окисления в аэробной цепи дыхания. В зависимости от организма имеются различные формы конечных оксидаз, например хинол-оксидаза или цитохром C — оксидаза, которые различаются активными центрами, содержащими ионы меди и гемины. Это дает основание полагать, что они произошли различными параллельными путями развития. Во многих случаях в одном организме встречаются различные типы конечных оксидаз. Эти энзимы являются последними в цепи последовательно задействованных комплеков энзимов, которые энергию окислительно-восстановительных процессов сохраняют переносом протонов или ионов натрия в форме трансмембранного электрического потенциала. Последний другим комплексом энзимов преобразовывается снова в химическую энергию в форме АТФ. Синтез АТФ и прочих компонент цепи дыхания в эволюционном свете значительно старше конечных оксидаз, так как они играли важную роль уже во многих аэробных процессах обмена веществ (аэробное дыхание, многие процессы брожения, метаногенез) а так же при аноксигенном и оксигенном фотосинтезе.

Миллиард лет назад содержание кислорода в атмосфере перешагнуло планку одного процента и спустя несколько миллионов лет был образован озоновый слой. Сегодняшнее содержание кислорода в 12 % было достигнуто лишь 350 миллионов лет назад и сохраняется с тех пор стабильным.

Роль воды для эволюции жизни

H₂O — единственное химическое соединение, присутствующие при обычных условиях во всех трёх агрегатных состояниях.

Для жизни, как мы её знаем (или определяем), нужна вода как универсальный растворитель. Она имеет качества, которые, принятом естественнонаучном понимании, делают возможными начало жизни. Возможно, жизнь может независимо от воды возникать и существовать, тем не менее считается доказанным, что присутствие жидкой воды (в определённой области или на определённой планете, например, Марс) не только делает возможным наш вид жизни, но и делает очень вероятным её возникновение.

Для возникновения жизни важны следующие качества воды:

• Вода находится в жидком состоянии при температуре, в которой стабильны органические молекулы.

• Вода особенно подходит как полярное средство для химических реакций, так как она делает возможным гомогенное перемешивание, имея высокую теплоёмкость, принимает выделяющуюся при реакциях теплоту и предоставляет в распоряжение протоны для катализов.

• Вода обнаруживает незначительные глобальные колебания в температуре и осмотических значениях (локально могут возникать большие различия), что ведёт к глобально уравновешенному климату.

• Вода поглощает вредное для макромолекул ультрафиолетовое облучение. Однако оно проникает через замёрзшую воду (лед) до определённой глубины.

• Вода, в которой растворены вещества, например, морская вода, образует при вымораживании области разных концентраций веществ, которые окружены мембранами льда (смотри гипотезу морского льда). Ограничение от внешней среды и повышенная концентрация веществ считаются необходимыми для образования биологически активных молекул.

• Особенность воды (при нагревании от 0 до 4 (3,98 — точно) °С вода сжимается) предотвращает замерзание водоёмов со дна — холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.

Эксперименты

Эксперимент Миллера — Юри

Эксперимент Юри и Миллера: из воды, метана и аммиака на древней земле образовались органические соединения (NASA-Photo)

Одна из самых известных гипотез эволюции была опубликована в двадцатые годы 20. столетия русским исследователем А. И. Опариным и британским исследователем Дж. Холдан. Теория утверждала, что условия на земле того времени благоприятствовали химическим реакциям. Из неорганических соединений в атмосфере и море должны были синтезироваться органические соединения. Необходимая энергия поставлялась очень интенсивным ультрафиолетовым облучением, которое могло беспрепятственно проникать в атмосферу в связи с малым содержанием в ней O₂ и O₃. В 1953 году эта теория была обоснована химиками Стэнли Миллер и Гарольдом К. Юри очень хорошими результатами эксперимента с первичным бульоном. Опытом они доказывают, что в похожей на предположительные пребиотические условия среды, посредством притока энергии (молнии), из неорганических соединений (вода, метан, аммиак и водород) могут возникнуть аминокислоты и более простые карбоксиловые и жирные кислоты — одни из важнейших строительных элементов более комплексных биомолекул. В более поздних, в большинстве случаев более сложно построенных опытах с первичным бульоном смогли получить как все важнейшие строительные элементы живых существ: аминокислоты, жиры, пурины (основа нуклеотидов) и сахар, — так и сложные органические соединения порфины и изопрены.

Хотя этим показана возможность естественного образования органических молекул, сегодня рассматриваются эти результаты для настоящего происхождения жизни на земле довольно критично. В эксперименте с первичным бульоном исходили из того, что атмосфера на тот период времени имела щелочной характер, что соответствовало научным представлениям того времени. Сегодня же исходят из слабощелочного или даже нейтрального характера атмосферы, хотя вопрос ещё не окончательно решён и обсуждаются также локальные химические отклонения атмосферных условий, например в окрестностях вулканов. Позднейшими экспериментами была доказана возможность появления органических молекул и в этих условиях, даже таких, которые не получились при первых опытах, но в значительно меньших количествах. Этим часто аргументируется, что происхождение органических молекул другим путём, играло как минимум дополнительную роль. Приводятся происхождение органики в космосе и занесение её на землю метеоритами или происхождение в окрестностях Гидротермальных источников срединно-океанических хребтов.

Дальнейшим аргументом против происхождения органических молекул из первичного бульона приводят то, что во время опыта получается рацемат, то есть смесь из аминокислот L и D-форм. Соответственно должен был существовать естественный процесс, в котором отдавалось предпочтение определённому вращению хиральных молекул. Космобиологи утверждают, что легче доказать происхождение органических соединений в космосе, так как фотохимические процессы с циркулярно-популяризированным излучением, например от пульсаров, в состоянии уничтожить молекулы только определённого вращения. И действительно у найденных в метеоритах хиральных органических молекул преобладали на 9 % левовращающиеся. Однако в 2001 году Alan Saghatelian et al.^[1] показал, что самореплицирующиеся пептидные системы тоже в состоянии эффективно усиливать молекулы определённого вращения в рацематной смеси, что по мнению этого учёного поддерживает земное происхождение вращения биологических молекул.

Дальнейшие реакции

Из появляющихся при эксперименте Миллера-Юри промежуточных продуктов альдегидов и синильной кислоты HCN можно получить при симулируемых условиях земли 4,5 млрд лет назад дальнейшие биомолекулы. Таким образом Хуан Оро удалось в 1961 году синтез аденина:

Эдукты			Продукты
2 Формальдегид	HCN	H2O	Серин
5 Формальдегид			Рибоза
	5 HCN		Аденин

Из рибозы, аденина и трифосфата возникает аденозинтрифосфат (АТФ), который используется в организмах в качестве универсального энергоносителя и строительного элемента (как монофосфат) рибонуклеиновых кислот (РНК).

Участие минералов и горных пород

• Кристаллические поверхности могут служить матрицей для растущих макромолекул. При этом различные кристаллические поверхности могут связывать определенные энантиомеры молекул. L-и D аминокислоты присоединяются к разным местам кристалла кальцита.

• Аарон Качальсский (Вайцманн-институт, Израиль) показал, что в водном растворе, содержащем монтмориллонит (один из минералов глин), возможен синтез белков с длиной цепи в больше чем 50 аминокислот с почти 100%-ным выходом.

• Ионы металлов могут выступать в роли катализаторов, доноров электронов или же включаться в биомолекулы.

• Минералы глин в водных растворах часто несут поверхностный электрический заряд и могут таким образом притягивать и удерживать противоположно заряженные органические молекулы.

• В микрополостях горных пород молекулы органических соединений защищены от ультрафиолетового облучения.

Теория Вехтерхойзер

Особенно интенсивная форма содействия минералов и горных пород пребиотическому синтезу органических молекул должна протекать на поверхности минералов сульфида железа. Теория Миллера-Юри имеет существенные ограничения, особенно учитывая ошибочное объяснение полимеризации мономерных составляющих биомолекулы.

Анаэробные бактерии, обмен веществ которых происходит с участием железа и серы, существуют и сегодня.

Слиток сросшихся кристаллов сульфида железа FeS₂

Альтернативный сценарий был с начала 1980-х годов разработан Гюнтером Вехтерхойзер. По этой теории жизнь на земле возникла на поверхности железно-серных минералов, то есть сульфидов, которые и сегодня образуются посредством геологических процессов, а на молодой земле должны были встречаться гораздо чаще. Большое преимущество этого концепта перед предшественниками в том, что впервые образование комплексных биомолекул связано с постоянным надежным источником энергии. Энергия поступает из восстановления частично окисленных железно-серных минералов, например пирита (FeS₂), водородом (уравнение реакции: FeS₂ + H₂ FeS + H₂S) и поставляет достаточно энергии для эндотермического синтеза мономерных структурных элементов биомолекул и их полимеризации:

Fe²⁺ + FeS₂ + H₂ 2 FeS + 2 H⁺       ΔG°' = — 44.2 kJ/mol

Другие тяжелые металлы так же как и ионы железа тоже образуют нерастворимые сульфиды. В дополнение к этому пирит и другие железно-серные минералы имеют положительно заряженную поверхность, на которой могут распологаться, концентрироваться и реагировать между собой преимущественно отрицательно заряженные биомолекулы (органические кислоты, фосфорные эфиры, тиолы). Необходимые для этого вещества (сероводород, моноксид углерода и соли двухвалентного железа) попадают из раствора на поверхность этого «железо-серного мира». Вехтерхойзер привлекает для своей теории и сегодня существующие основопологающие механизмы обмена веществ и выводит из них замкнутый в себе сценарий синтеза комплексных органических молекул (органические кислоты, аминокислоты, сахар, азотистые основания, жиры) из простых неорганических соединений, находящихся в вулканических газах (NH₃, H₂, CO, CO₂, CH₄, H₂S).

В противоположность к эксперименту Миллер-Юри не привлекаются источники энергии из вне, в форме молнии или ультрафиолетового излучения, кроме того первые ступени синтеза при высоких температурах протекают гораздо быстрее (например катализированные энзимами химические реакции). При температурах подводных вулканов до 350 °C возникновение жизни является вполне представимым. Только позднее при возникновении чувствительных к высоким температурах катализаторам (витамины, белки) эволюция должна была происходить при более низких температурах.

Сценарий Вехтерхойзера хорошо подходит к условиям глубоководных гидротермальных источников, так как имеющийся там переход температур из глубины к поверхности, позволяет подобное распределение реакций. Древнейшие из сегодня живущих микроорганизмов самые жароустойчивые, предельный известный температурный максимум для их роста составляет +113 °C. Кроме того железо-серные активные центры и сегодня задействованы в биохимических процессах, что может указывать на первичное участие Fe-S-минералов в развитии жизни.

Образование макромолекул

Такие молекулы как аминокислота аланин могут объединятся в огромные молекулы — так образуются например белки

Биомакромолекулы — это белки и нуклеиновые кислоты. Увеличение молекулярных цепей (полимеризация) нуждается в энергии и происходит с выделением воды (конденсация). При расщеплении макромолекул (гидролиз) энергия выделяется. Так как химическое равновесие настолько сильно смещено в сторону мономеров, что реакция протекает термодинамически необратимо в сторону гидролиза полимеров, синтез полимеров невозможен без постоянного поступления энергии. Даже с помощью теоретической поддержки испарением воды, добавлением солей (связывают воду) или распадом продуктов, равновесие смещается лишь незначительно. В итоге возникновение жизни очень вероятно связано с надежным источником энергии, который использовался бы для полимеризации.

[Мономеры]_n + (n-1) H_2O n Мономеры + Тепло,

но

Энергия + n Мономеры [Мономеры]_n + (n-1) H_2O.

В качестве источника энергии в биохимии используется чаще всего АТФ, для образования которого необходимы уже существующие энзимы. В условиях молодой земли возможно снабжение энергией синтеза полимеров гидролитическим расщеплением полифосфатов, что используется некоторыми энзимами вместо ращепления АТФ и сегодня. Но маловероятно, что полифосфаты были в необходимом количестве, так как они могли спонтанно образовываться, при испарении фосфатосодержащих растворах, но также относительно быстро гидролизироваться, растворяясь в воде. Подобные процессы могли происходить на побережье при регулярном приливе и отливе. Но в этом случае все зависимые от воды процессы постоянно прерывались бы, что слишком замедлило бы синтез комплексных соединений. Поэтому обратимся к совсем другой системе, в которой происходит как синтез мономерных состовляющих так и зависимое от постоянного источника энергии образование полимеров, — к анаэробным окислительно-восстановительным реакциям с сульфидами металлов.

Равновесие синтеза полимеров смещается в сторону образования полимеров повышением концетрации мономеров и обезвоживанием продуктов реакции. Условием для этого является ограничение среды реакции, которая имеет лишь ограниченный обмен веществ с внешней средой. Традиционно считалось, что подобные процессы протекают в маленьких прудах с высоким испарением, что основной идеей опирается ещё на труды Ч. Дарвина. Сегодня рассматриваются вулканические регионы океонов с осевшими от гидротермальных источников сульфидами металлов как вполне подходящее место для развития подобного сценария.

Другие варианты решения проблемы имеют сильные ограничения и сложносопоставимы с условиями ранней земли. Преимущественно требуется для одного или нескольких этапов исключение воды, что очень легко осуществить в лаборатории, но не в рассматриваемое время на земле. Одна из подобных систем — это полимеризация карбомидов (R-N=C=N-R) или дициана (N≡C-C≡N) в безводной средстве. При этом конденсация исходных составляющих протекает параллельно реакции карбомида, при которой выделяется необходимая энергия:

Энергия + [H-X-OH] + [H-X-OH] [X-X] + H_2O (H-X-OH = мономер, например аминокислота или рибоза)

[R-N ≡ C ≡ N-R] + H_2O [R-NH-CO-NH-R] + Энергия (если R = H возникает мочевина)

При ультра-фиолетовом излучении из синильной кислоты и образуется дициан, однако, в высыхающей трясине летучая молекула быстро испарилась бы. Если сухая смесь аминокислот нагревается до 130 °C несколько часов, то образуются похожие на белок макромолекулы. При наличии полифосфатов достаточно 60 °C. Эти условия могут образоваться, если вода с растворенными аминокислотами вступает в контакт с горячим, вулканическим пеплом.

Если нагреть смесь нуклеотида в присутствии полифосфатов до 55 °C, то хотя и возникают полинуклеотиды, но все же соединение происходит вероятнее за счет 5’- и 2’-C-атомов рибозы, так как оно протекает легче, чем во всех организмах имеющиеся 5’-3’-связи. Из обоих типов полинуклеотидов образуются двойные цепи (сравни со стороением ДНК). Разумеется 5’-3’-двойные цепи стабильнее чем 5’-2’.

Если на 2’ атоме углерода рибозы отсутствует гидроксильная группа, получается дезоксорибоза. Теперь могут образовываться типичные для ДНК 5’-3’ связи.

Образование пребиотических структур (предшественников клеток)

Клетки поддерживают свои функции тем, что они образуют ограниченные среды для реакций, чтобы разделять друг от друга процессы обмена веществ и исключать нежелательные реакции. Одновременно могут создаваться различия концентраций.

Коацерваты

Известно, что с повышением концентрации многие органические соединения, молекулы которых содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки, способны в водных растворах к мицеллообразованию, то есть выделению микрокапелек органической фазы. Мицеллообразование наблюдается также при высаливании, то есть при увеличении концентрации солей в коллоидных растворах биополимеров-полиэлектролитов, при этом выделяются микрокапли диаметром 1—500 мкм, содержащие биополимеры в высокой концентрации.

Александр Иванович Опарин (1894—1980) главным образом изучал возможности обмена веществ в коацерватах (от латинского coacervatio — сгусток или куча) — модельных мицеллах. Им было показано, что ограниченные среды с простым обменом веществ могут возникнуть исключительно самоорганизацией, при условии присутствия катализаторов со специфическими свойствами. Так как использованные субстанции входят в состав живущих сегодня организмов, Опаринские коацерваты нужно видеть не как предшественники клеток, а как модель-аналог для возникновения предшественников клеток.

Опарин исследовал смеси из белков (гистон и альбумин), белков и углеводов (гистон и гуммиарабик) и белков и полинуклеотидов (гистон или клупеин и ДНК или РНК).

Если капельки из гистона и гуммиарабика содержат фермент фосфорилазу, то они могут поглотить из окружающей среды глюкозу-1-фосфат, создать из неё крахмал и сохранить. Освобожденный фосфат диффундирует наружу. Капелька увеличивается с накоплением крахмала, пока не распадается на мелкие капельки, которые тоже могут содержать фосфорилазу, разумеется, меньше чем исходная капелька. Вместе с тем замедляется обмен веществ. Таким образом становится очевидным, что для сохраниния качеств клетки необходима регенерация ферментов после её деления.

Если к взвеси добавить разлагающий крахмал, фермент амилазу, получаются коацерваты с двухступенчатым обменом веществ: 1) поглощение глюкозы-1-фосфата → синтез крахмала; 2) вывод фосфата → расщепление крахмала и вывод мальтозы.

Микросферы

В 1970 году Сидней Фокс смог подтвердить, что из подобных белку продуктов, которые возникают при нагревании сухих смесей аминокислоты, а также самосоединением могут возникнуть растущие капельки, так называемые микросферы. Они отграничиваются от окружающей среды мембраной обратного осмоса и поглощают другой протеиноподобный материал из среды. Вследствие чего они растут и разделяются снова на более мелкие капельки. На основании этого Фокс пришёл к выводу, что эти системы имеют ферментные качества, разлагают глюкозу или ведут себя как эстераза или пероксидаза, без добавления ферментов извне.

Мир РНК

Основная статья: Гипотеза РНК мира

Впервые гипотеза мира-РНК была выдвинута в 1986 году Уолтером Гильбертом и гласила, что молекулы РНК были предшественниками организмов.

Гипотеза отталкивается от способности РНК к хранению, передаче, и размножению генетической информации, а также от её способности катализировать реакции в качестве рибозимов. В эволюционной среде молекулы РНК, которые множат преимущественно себя, встречались бы чаще других.

Исходным пунктом являются простые самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Некоторые из них имеют способность катализировать синтез белков, которые, в свою очередь, сами катализируют синтез РНК и свой собственный синтез (развитие трансляции). Некоторые молекулы РНК соединяются в двойную РНК-спираль, они развиваются в молекулы ДНК и носители наследственной информации (развитие транскрипции).

Основой служат определенные РНК-молекулы, которые могут копировать любые РНК-образцы включая себя самих. Дженнифер А. Doudna и Джек В. Szostak использовали как образец для развития этого типа РНК производящий разрезание и сплайсинг самой себя интрон прокариотного одноклеточного организма Tetrahymena thermophila. Это подтверждает то, что в рибосомах собственно rРНК являются каталитическими молекулами и таким образом РНК катализирует синтез белка. Однако ограничения состоят в том, чтобы при само-реплицирующихся РНК не моно-, а олигонуклеотиды являются составляющими звеньями и необходимы вспомогательные вещества.

В 2001 году было открыто, что важными каталитическими центрами рибосом являются РНК, а не, как раньше было принято, белки. Это показывает, что каталитическая функция РНК, как она предполагалась в гипотезе мира-РНК, используется сегодня живыми существами.

Так как рибосомы считаются очень первоначальными клеточными органоидами, это открытие считается важным взносом в обоснование гипотезы мира-РНК. Уже можно уверенно сказать, что молекулы РНК — по меньшей мере принципиально — являются в состоянии из аминокислот синтезировать белки.

В этой связи «ПНК» (Пептид — нуклеиновые кислоты) также представляют интерес как возможные предшественники РНК.

Альтернативные возможности появления жизни на земле

Биомолекулы из космоса

Земля все время своего существования подвергается бомбардировке кометами и метеоритами. Особенно интенсивными они были сразу после образования планеты. В некоторых метеоритах были обнаружены простые органические соединения, среди прочих аминокислоты. Одним из возможных доказательств происхождения аминокислот в космосе могла бы быть одинаковая хиральность органических соединений (L-аминокислот и D-сахара) — у метеоритных аминокислот доказано преобладание L-типа до 9 %. ^[2]. Но это распределение может быть объяснено и действием неорганических жировых катализаторов. С помощью опытов, при которых симулировались условия космоса, было доказано, что основные органические соединение, в особенности аминокислоты, могут образовываться и в таких условиях.(Бернштейн, М. П., et al. 2002. Racemic amino acids from the ultraviolet photolysis of interstellar ice analogues. Nature 416, 401 и Munoz Caro, G., et al. 2002. «Amino acids from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogues.» Nature 416, 403).

«Черные курильщики»

Условия среды в этих гидротермальных источниках возможно поспособствовали гемоафтотрофному возниковению жизни. Эта теория отстаивается особенно исследователями Вильямом Мартин и Михаелем Руссель (M. Martin, M. J. Russell, (2003). On the origins of cells : a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleared cells. Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 358, 59-85).

Ссылки

1. ↑ A. Saghatelian et al. , 2001, A chiroselective peptide replicator, Nature, 409, 797—801

2. ↑ [1] J.R. Cronin, S. Pizzarello, (2002) Enantiomeric Excesses in Meteoritic Amino Acids Science, 275, pp. 951—955

 

Закономерность — это объективно существующая, повторяющаяся, су­щественная связь явлений, описанная, как правило, на качествен­ном, содержательном уровне.

Закон — необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся со­отношение между явлениями (необходимая связь явлений.

Понятия, перечисленные в данном разделе, для наглядности сгруппи­руем в следующую схему (рис. 1).

Дальнейшее познание предметной области приводит к очередному периоду развития науки на более высоком — методическом (теоретическом) уровне.

 

Открытие Периодического закона

Д. И. Менделеев

В марте 1869 г. русский химик Д.И. Менделеев представил Русскому химическому обществу сообщение об открытии им Периодического закона химических элементов. В том же году вышло первое издание менделеевского учебника «Основы химии», в котором была приведена его периодическая таблица. В конце 1870 г. он доложил РХО статью «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов», в которой предсказал свойства нескольких не открытых ещё элементов. Для предсказания свойств простых веществ и соединений Менделеев исходил из того, что свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы (то есть сверху и снизу) и одновременно двух соседних элементов в периоде (слева и справа).

В 1871 г. в итоговой статье «Периодическая законность химических элементов» Менделеев дал следующую формулировку Периодического закона: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомного веса». Тогда же Менделеев придал своей периодической таблице вид, ставший классическим (т.н. короткий вариант).

Периодический закон Д. И. Менделеева — фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д. И. Менделеевым в марте 1869 при сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных масс (весов). Термин «периодический закон» Менделеев впервые употребил в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал окончательную формулировку Периодического закона: «…свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».^[1] Графическим (табличным) выражением периодического закона является разработанная Менделеевым периодическая система элементов.

Триады Дёберейнера и первые системы элементов

В 1829 г. немецкий химик И. Дёберейнер предпринял первую значимую попытку систематизации элементов. Он заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно объединить по три в группы, которые он назвал триадами:

Li — Na — K; Ca — Sr — Ba; S — Se — Te; P — As — Sb; Cl — Br — I.

Сущность предложенного закона триад Дёберейнера состояла в том, что атомная масса среднего элемента триады была близка к полусумме (среднему арифметическому) атомных масс двух крайних элементов триады. Хотя разбить все известные элементы на триады Дёберейнеру, естественно, не удалось, закон триад явно указывал на наличие взаимосвязи между атомной массой и свойствами элементов и их соединений. Все дальнейшие попытки систематизации основывались на размещении элементов в соответствии с их атомными массами.

Идеи Дёберейнера были развиты Л. Гмелиным, который показал, что взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами значительно сложнее, нежели триады. В 1843 г. Гмелин опубликовал таблицу, в которой химически сходные элементы были расставлены по группам в порядке возрастания соединительных (эквивалентных) весов. Элементы составляли триады, а также тетрады и пентады (группы из четырёх и пяти элементов), причём электроотрицательность элементов в таблице плавно изменялись сверху вниз.

В 1850-х гг. М. фон Петтенкофер и Ж. Дюма предложили т.н. дифференциальные системы, направленные на выявление общих закономерностей в изменении атомного веса элементов, которые детально разработали немецкие химики А. Штреккер и Г. Чермак.

В начале 60-х годов XIX в. появилось сразу несколько работ, которые непосредственно предшествовали Периодическому закону.

Спираль де Шанкуртуа

А. де Шанкуртуа располагал все известные в то время химические элементы в единой последовательности возрастания их атомных масс и полученный ряд наносил на поверхность цилиндра по линии, исходящей из его основания под углом 45° к плоскости основания (т.н. земная спираль). При развертывании поверхности цилиндра оказывалось, что на вертикальных линиях, параллельных оси цилиндра, находились химические элементы со сходными свойствами. Так, на одну вертикаль попадали литий, натрий, калий; бериллий, магний, кальций; кислород, сера, селен, теллур и т. д. Недостатком спирали де Шанкуртуа было то обстоятельство, что на одной линии с близкими по своей химической природе элементами оказывались при этом и элементы совсем иного химического поведения. В группу щелочных металлов попадал марганец, в группу кислорода и серы — ничего общего с ними не имеющий титан.

Таблица Ньюлендса

Английский учёный Дж. Ньюлендс в 1864 г. опубликовал таблицу элементов, отражающую предложенный им закон октав. Ньюлендс показал, что в ряду элементов, размещённых в порядке возрастания атомных весов, свойства восьмого элемента сходны со свойствами первого. Ньюлендс пытался придать этой зависимости, действительно имеющей место для лёгких элементов, всеобщий характер. В его таблице в горизонтальных рядах располагались сходные элементы, однако в том же ряду часто оказывались и элементы совершенно отличные по свойствам. Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, таблица не содержала свободных мест; в итоге закон октав был принят чрезвычайно скептически.

Таблицы Одлинга и Мейера

В 1864 г. У. Одлинг опубликовал таблицу, в которой элементы были размещены согласно их атомным весам и сходству химических свойств, не сопроводив её, однако, какими-либо комментариями.

В том же 1864 г. появилась первая таблица немецкого химика Л. Мейера; в неё были включены 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям. Мейер намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерное (аналогичное триадам Дёберейнера) изменение атомной массы в рядах сходных элементов.

В 1870 г. вышла работа Мейера, содержащая новую таблицу под названием «Природа элементов как функция их атомного веса», состоявшая из девяти вертикальных столбцов. Сходные элементы располагались в горизонтальных рядах таблицы; некоторые ячейки Мейер оставил незаполненными. Таблица сопровождалась графиком зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид, прекрасно иллюстрирующий термин «периодичность», уже предложенный к тому времени Менделеевым.

В отличие от своих предшественников, Менделеев не только составил таблицу и указал на наличие несомненных закономерностей в численных величинах атомных весов, но и решился назвать эти закономерности общим законом природы. Он взял на себя смелость на основании предположения, что атомная масса предопределяет свойства элемента, изменить принятые атомные веса некоторых элементов и подробно описать свойства неоткрытых ещё элементов.

Д.И. Менделеев на протяжении многих лет боролся за признание Периодического закона; его идеи получили признание только после того, как были открыты предсказанные Менделеевым элементы: галлий (П. Лекок де Буабодран, 1875), скандий (Л. Нильсен, 1879) и германий (К. Винклер, 1886) — соответственно экаалюминий, экабор и экасилиций. С середины 1880-х годов Периодический закон был окончательно признан в качестве одной из теоретических основ химии.

П роявления периодического закона в отношении энергии ионизации

Рис. Зависимость энергии ионизации атомов от порядкового номера элемента

Зависимость энергии ионизации атома от порядкового номера элемента (рис. 1) носит отчетливо периодический характер. Легче всего удалить электрон из атомов щелочных металлов, включающих по одному валентному электрону, труднее всего — из атомов благородных газов, обладающих замкнутой электронной оболочкой. Поэтому периодичность изменения энергии ионизации атомов характеризуется минимумами, отвечающими щелочным металлам, и максимумами, приходящимися на благородные газы. Наряду с этими резко выраженными минимумами и максимумами на кривой энергии ионизации атомов наблюдаются слабо выраженные минимумы и максимумы, которые по-прежнему нетрудно объяснить с учетом упомянутых эффектов экранирования и проникновения, эффектов межэлектронных взаимодействий и т. д.