2.5. Особая роль органогенов в биохимической эволюции

Эволюционная химия широко использует понятие самоорганизации, означающей восходящую упорядоченность систем живой материи, включая образование предбиологических, т. е. переходных, систем. Особый интерес к таким системам обусловлен естественным стремлением человека разгадать самую, пожалуй, удивительную загадку природы, таящуюся в механизме качественного скачка к живой материи. Рассмотрение проблемы самоорганизации предбиологических систем строится в основном на основе субстратного подхода (термин «субстрат», произошедший от лат. substratum – «основа», означает химическое вещество, подвергающееся превращению под действием фермента). Этот подход акцентирует внимание на вещественной основе биологических систем, т. е. на определении их химического состава и структуры химических соединений, из которых строится живой организм в ходе биогенеза – зарождения и развития жизни.

Картина распределения химических элементов на Земле, являющейся «колыбелью» жизни, существенно отличается от их распределения во Вселенной (см. выше). Почти 99% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов, среди которых, кстати, мы не найдем наиболее распространенных во Вселенной водорода и гелия. Эту восьмерку составляют кислород (около 47%), кремний (около 27,5%) и далее алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний. Естественным представляется вывод о том, что природой отобран весьма узкий круг элементов для построения неживой материи.

Оказывается, что подобная тенденция проявляется и в составе живых организмов, более 97% общей массы которых составляют всего шесть элементов, называемых органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Как видим, за исключением кислорода, здесь фигурируют совсем другие элементы.

Этим, однако, отбор элементов в природе не ограничивается. Среди известных в настоящее время примерно 8 млн. химических соединений около 97% – органические соединения, состоящие в основном из уже упомянутых шести органогенов, и только 3% – неорганические соединения. На фоне такой асимметрии вполне обоснованным выглядит предположение о том, что в процессе предбиологической подготовки природа создавала как можно более широкий спектр органических соединений для того, чтобы не были ограничены возможности их самоорганизации.

Безусловно, следует обратить внимание на то, что состав элементов-органогенов не связан с распространенностью элементов на Земле. Действительно, распространенность углерода, азота, фосфора и серы весьма невелика – около четверти процента по массе. Тем не менее, углерод, доля которого составляет около 0,1%, является важнейшим органогеном.

Итак, органогенами оказались отнюдь не те элементы, запасы которых в природе были велики, принцип отбора состоял в другом. Прежде всего, для самоорганизации органических соединений потребовались элементы, способные к образованию прочных и, следовательно, энергоемких связей с другими элементами, причем связей лабильных, т. е. подвижных, способных к перестройке. Такой лабильностью обладает углерод. Атомы углерода способны выполнять роли и акцептора, и донора электронов, образовывать как ионные, так и ковалентные связи, причем эти связи могут быть как одноэлектронные, так и с задействованием двух, трех, четырех и шести электронов. Высокой лабильностью отличаются также такие органогены, как азот, фосфор и сера. Что же касается кислорода и водорода, то им отведена роль элементов, выполняющих противоположные функции – окисления и восстановления.

Подобный отбор происходил в процессе эволюции и в отношении химических соединений. В результате лишь несколько сотен из миллионов органических соединений входят в состав живой материи, а из более чем 150 известных аминокислот лишь 20 служат мономерными звеньями, из которых построены всё белки. А ведь только в организме человека содержится более миллиона различных белков. Можно только поражаться тому, какое разнообразие живой материи возникло из минимума элементов и соединений.

Данные, которыми располагает современная биохимия, свидетельствуют о том, что принцип отбора «строительного материала» в ходе химической эволюции состоял в поддержании химической деятельности тех соединений, которые проявляли себя активными и селективными катализаторами, обеспечивая при этом упорядочение в расположении фрагментов органических структур. Считается, что, начиная с определенного состояния, при котором уже существовало определенное «стартовое» количество как неорганических, так и органических соединений, роль катализа в предбиологической эволюции необычайно возросла. Начались естественный отбор и сохранение активных соединений, которые получались различными химическими путями и обладали широким спектром каталитических возможностей.