Вопрос 23 Эволюция химических элементов и молекул.

Теория химической эволюции или пребиотическая эволюция — первый этап эволюции жизни, в ходе кото­рого органические, пребиотические вещества возникли изнеорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углерод-содержащие молекулы.

Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему Х.Э. рамками так наз. «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представ­лена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел»^[1], осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной вод­ной среды, как совместно необходимых и/или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остается откры­тым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.

Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёз­дообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в меж­звездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными систе­мами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации Х.Э. появилось через 0,5-1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска Х.Э. может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов ор­ганических веществ — альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исход­ным материалом для Х.Э., имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.

Методология исследования химической эволюции (теория)Исследование химической эволюции осложняется тем, что в настоящее время знания о геохимических условиях древней Земли не являются достаточно полными.Поэтому, кроме геологи­ческих, привлекаются также астрономические данные. Так, условия на Венере и Марсе рассматривают как близкие к тем, что были на Земле на различных этапах её эволюции.Основные данные о химической эволюции получены в резуль­тате модельных экспериментов, в ходе которых удалось получить сложные органические молекулы при имитации различ­ных химических составов атмосферы, гидросферы и литосферы и климатических условий.На основе имеющихся данных был выдвинут ряд гипотез о конкретных механизмах и непосредственных движущих силах химической эволю­ции.Абиогене́з — образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без уча­стия ферментов.В широком смысле абиогенез — возникновение живого из неживого, то есть исход­ная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 20-х годах XX века академикОпарин предположил, что в раство­рах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные ка­пли, или просто коацерваты.В 1953 году Стэнли Миллером экспериментально осуществлён абиоген­ный синтез аминокислот и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобыт­ной Земли.Существует также теория гиперциклов; согласно которой первые проявления жизни были соответственно в виде гиперциклов — комплекса сложных каталитических реакций, продукты выхода которых являются катализаторами для последующих реакций.В 2008 году американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окру­жающей среды активированные нуклеотиды — «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК ^[2].

Обзор темыГипотезы химической эволюции должны объяснять следующие аспекты:Появление в Космосе или на Земле условий для автокаталитического синтеза больших объёмов и значительного разнообразия углеродсодержащих молекул, то есть — возникновение в абиогенных процессах веществ, необходимых и достаточных для начала химической эволюции.Появление из таких молекул относительно устойчивых замкнутых агрегатов, позволяющих так изолировать себя от окружающей среды, что с ней становится возможным избирательный обмен веществом и энергией, то есть — возникно­вение неких протоклеточных структур.Появление в таких агрегатах способных к само-изменению и к само-репликации хи­мических информационных систем, то есть — возникновение элементарных единиц наследственного кода.Появление вза­имной зависимости между свойствами белков и функциями ферментов с носителями информации (РНК, ДНК), то есть — возникновение собственно кода наследственности, как необходимого условия уже для биологической эволюции.Большой вклад в прояснение этих вопросов, среди прочих, сделали следующие учёные:Унифицированная модель химической эво­люции ещё не разработана, возможно потому, что основные принципы ещё не открыты.Пребиотический синтез сложных соединений молекул может делиться 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 распространён­ных классов метаболитов, в том числе и мономеров — структурных единиц биополимеров (моносахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов) из простых органических соединений.

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

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

Все гипотезы исходят из того, что помимо воды и фосфатов на начальных этапах истории Земли в атмосфере и гидро­сфере в достаточном количестве имелись только восстановленные формы, отличающиеся от обычных в современный период химических соединений, так как древняя атмосфера не содержала молекулярного кислорода.

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)