Связь физических, химических и биологических форм движения материи

Природа в процессе эволюции живых организмов создала своеобразные химические технологии необычайной эффективности. При изучении химизма живой природы биохимией и молекулярной биологией было установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и химическими методами.

Уже давно было установлено, что основой химии живого являются каталитические химические реакции, то естьбиокатализ. Химизм живой природы являлся идеалом для исследователей: «Подражание Живой природе есть химизм будущего!» Этот девиз, который был провозглашен академиком А. Е. Арбузовым в 1930 г., является целеполагающей идеей развития эволюционной концепции в химии.

Концептуальное представление о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенное великим французским естествоиспытателем Луи Пастером в XIXв., остается основополагающим и сегодня.

Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия. Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферменте. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, то есть примерно при 5–40°С. (Чтобы эти реакции протекали вне организма, потребовалась бы их активация за счет высокой температуры или иных факторов активации. Для живой клетки такие условия означали бы гибель.) Следовательно, ферменты можно определить какбиологические катализаторы. Биокатализаторы обладают высокой селективностью (избирательностью) – один фермент катализирует обычно только одну реакцию. По принципу биокатализаторов будут созданы искусственные катализаторы.

Биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза (происхождения жизни). Задача изучения и освоения всего многообразия каталитических процессов в живой природе – это пролог эволюционной химии.

Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции, то есть установления закономерностей самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. В 1960-х гг. было обнаружено явление самосовершенствования катализаторов в ходе реакции (тогда, как обычно, катализаторы в процессе работы дезактивировались, теряли свойства, и их приходилось утилизовывать). Речь идет о проявлении самоорганизации в химическом процессе. Здесь понятие “самоорганизация” означает такое изменяющееся состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности. Проблема биологической самоорганизации (и биологической эволюции) оказывается самым непосредственным образом связанной с проблемой химической самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления – эволюционной химии, – понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».

Возникает вопрос: по каким признакам химическая эволюция отобрала малую часть элементов в число органогенов? Это, во-первых, способность образовывать достаточно прочные, энергоемкие химические связи. Во-вторых,образуемые связи должны быть достаточно лабильными, то есть изменчивыми, перестраиваемыми.

Именно поэтому углерод был отобран эволюцией как органоген № 1. Атом углерода образует почти все типы химических связей, какие знает химия, с самыми разными значениями энергии связи. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные и стабильные углеродные скелеты молекул в виде цепей и (или) колец. Углеродные атомы образуют связи с остальными элементами-органогенами (V, N. О, Р и S). Соединение с этими и другими элементами в различных комбинациях обеспечивает колоссальное разнообразие органических соединений. Оно проявляется в размерах, форме молекул и их химических свойствах.

Кислород и водород нельзя считать столь же лабильными как углерод; их скорее следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных, лабильные атомы серы, фосфора и железа имеют большое значение в биохимии, в то время как стабильные – кремний, алюминий, натрий, составляющие несравненно большую часть земной коры, играют второстепенную роль.

Подобно тому как из всех химических элементов только 6 органогенов да еще 10–15 других элементов отобраны природой в основу биосистем, так же и в предбиологической эволюции шел отбор химических соединений. Из миллионов органических соединений впостроении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белка входит только 20.

Каким образом из минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистема? В связи с этой проблемой уже могут быть сделаны следующие предварительные выводы:

1.       На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация обеспечивают энергию, необходимую для активации любых химических взаимодействий.

2.       Первые проявления катализа возникают при смягчении условия (температура менее 5 000 К). Роль катализаторов возрастала по мере того, как физические условия становились все менее экстремальными.

3.       После достижения некоторого минимального набора неорганических и органических соединений роль катализа начала резко возрастать.

4.       В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.

5.       Следующим фрагментом эволюции, сшивающим химическую и биологическую линии эволюции, являются развитые полимерные структуры типа РНК и ДНК, выполняющие роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, выдвинутая в 1964 г. А. П. Руденко, по существу представляет собой единую теорию хемо- и биогенеза.Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Эта теория является в настоящее время основанием эволюционной концепции в химии.

Таким образом, эволюционная химия совместно с другими естественными науками постепенно подступает к расшифровке механизма предбиологической эволюции и зарождения живого, а вместе с этим – и к созданию новейших технологий на принципах, заимствованных у живой природы.