3.2. Особенности современной химии. Эволюционная химия

Возникновение эволюционной химии связано с необходимостью понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Эволюционная химия – наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Она изучает процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами.

Главным предметом изучения в эволюционной химии является эволюция химических соединений (хемогенез), которая обеспечила переход к биогенезу. Биогенез — образование органических соединений живыми организмами. Понимание механизма хемогенеза важно для прояснения проблемы происхождения жизни на Земле и процессов самоорганизации материальных систем.

Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем - субстратный и функциональный.

Согласно субстратному подходу в процессе самоорганизации предбиологических систем шел отбор тех химических элементов, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Известно, что только шесть элементов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — составляют основу живых систем. Они называются органогены, и их доля в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Их доля составляет 1,6%. Еще около 20 элементов участвуют в жизнедеятельности живых систем в зависимости от среды обитания и состава питания. Их доля равна 1%. Следовательно, из 118 химических элементов, открытых к настоящему времени, химическая эволюция для построения основы жизни «отобрала» всего 37.

Особая роль в химической эволюции отведена углероду. На основе химических элементов природа создала около 8 млн. различных соединений, но из них 96% являются органическими, т.е. соединениями углерода. Этот элемент обладает особыми свойствами. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей с самыми разными элементами, с помощью которых он способен создавать самые разнообразные структуры, может формировать цепи и полимерные молекулы. Его соединения активны при невысокой температуре, они хорошо растворяются в воде.

Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен. Например, из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 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.

Почему же именно эти элементы и соединения были отобраны в процессе химической эволюции? На это вопрос отвечают теории, которые лежат в основе функционального подхода в решении вопросов химической эволюции.

Отличительной чертой функционального подхода является исследование закономерностей самоорганизации химических систем. В 1964 г. советским ученым А.П. Руденко была предложена теория, где было показано, что преимущества в эволюции предбиологических систем получали те структуры и органические соединения, которые усиливали активность и селективность действия катализаторов. Химическая эволюция представляет собой саморазвитие именно каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом в хемогенезе являются катализаторы. При протекании реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Катализаторы, изменение которых связано с уменьшением активности реагирующих веществ, «выключаются» из химических реакций.

Саморазвитие, самоорганизация каталитических систем происходит за счет постоянного притока энергии, источником которой является химическая реакция. Следовательно, преимущество получают те системы, которые развиваются на базе экзотермических (с выделением энергии) реакций.

Химическая эволюция создала все предпосылки для появления живого из неживой природы, а планета Земля оказалась в таких специфических условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться. Эволюционная химия углубляет представления о мире, ее концепции являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной. Сегодня химики пришли к выводу, что, используя принципы, на которых построена химия организмов, в будущем можно создать принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул, будут созданы катализаторы высокой степени специфичности, построят преобразователи, способные с большим КПД фиксировать солнечную энергию.