42. Химическая эволюция.

Химическая эволюция — процесс необратимых изменений, приводящий к появлению новых химических соединений - продуктов, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эти процессы стали активно и целенаправленно исследовать в 1970-е гг. Первым осознал высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах основатель органической химии Й.Я. Берцелиус. Он установил, что основой живого организма является биокатализ. Большое значение каталитическому опыту живой природы придавалось и в XX в. Так, академик H.H. Семенов рассматривал хим. процессы, протекающие в тканях растений и животных, как своеобр. «химическое производство» живой природы.

Кратко рассмотрим этапы химической эволюции. Вероятно, следует признать, что она началась с появлением простейшего носителя - атома. Предполагается, что первыми образовались простейшие атомы (вернее, их ядра) водорода в результате Большого взрыва. Через 10 секунд появились ядра дейтерия. При остывании Вселенной происходит рекомбинация ядер гелия и оставшихся ядер водорода с электронами: образуются атомы гелия и водорода — исходный материал для межзвездного газа и звездных систем.

Дальнейший синтез химических элементов продолжается, в недрах звезд при повышении температуры. После ядер гелия 4Не наиболее устойчивыми являются ядра 12С и О. Термоядерная эпоха образования таких ядер наступает после выгорания водорода. Дальнейшее слияние ядер гелия приводит к образованию 20Ne, 24Mg и т.п. Далее образуются ядра вплоть до 27А1 и 28Si.

Можно с большой долей вероятности предположить, что в Солнечной системе сменилось несколько этапов ядерного синтеза. В настоящее время многие исследователи полагают, что планеты Солнечной системы образовались из солнечной материи, выброшенной из Солнца, когда оно становилось сверхновой звездой. Охлаждение дало возможность для соединения атомов в молекулы, т.е. началась собственно химическая эволюция.

Когда температура протопланетной туманности понизилась, то начали конденсироваться самые тугоплавкие вещества, в частности образовались капельки железа, а впоследствии и силикатов (солей кремниевых кислот). С формированием Земли как планеты на химическую эволюцию стала оказывать действие эволюция Земли. Это влияние выражалось в изменении концентрационного распределения химических элементов в теле Земли и по ее оболочкам. Геологическая и химическая эволюции протекают в значительной степени совместно, взаимно влияя друг на друга. Химическая эволюция привела к появлению жизни. Это произошло благодаря развитию не веществ, а химических систем и процессов, в них происходящих.

Проблема самоорганизации химических систем

Выделяют субстратный и функциональный подходы. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза является накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

Основу живых систем составляют шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. За ними следуют еще 12 элементов. Еще около 20 элементов участвуют в построении и функционировании узкоспецифических биосистем. Наиболее распространенные на Земле - кислород и водород. В то же время можно говорить о господстве во Вселенной водорода и гелия, а все остальные элементы - примесь. Определяющими факторами выступают требования соответствия между строительным материалом и высокоорганизованными структурами, из которых они сооружаются. С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных образовывать прочные и энергоемкие связи, причем связи лабильные.

Из такого узкого круга органических веществ построено все разнообразие мира животных и растений. Последние научные открытия показывают, что в ходе химической эволюции отбирались те структуры, которые способствовали повышению активности и селективности действия каталитических групп. Первая и наиболее простая структура - различные фазовые границы. Вторым структурным фрагментом считают группировки, обеспечивающие процессы переноса электронов и протонов. Третья структура - группировки, выполняющие задачу энергетического обеспечения.

Следующим фрагментом эволюционирующих систем является развитая полимерная структура типа РНК и ДНК.

Отличительной чертой функционального подхода к проблеме предбиологической эволюции является концентрация усилий на исследовании самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.

А.П. Руденко выдвинул общую теорию химической эволюции и биогенеза. Сущность данной теории состоит в утверждении, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор наиболее активных каталитических центров. Те же центры, изменение которых связано с уменьшением активности, постепенно исключаются из кинет. процесса.

Считается, что саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем обусловлены постоянным потоком трансформируемой энергии. Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий. Во-первых, можно классифицировать этапы химической эволюции, во-вторых, появляется принципиально новый метод изучения катализа как динамического явления, в-третьих, дается конкретная характеристика пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу в результате преодоления так называемого второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.