logo
Касперович

Химические основы жизни

Напомним, что понятие «самоорганизация» означает упорядоченность существования материальных динамических, т.е. качественно изменяющихся систем. В отличие от понятия «организация» оно отражает особенности существования динамических систем, которые сопровождаются их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности или материальной организации.

Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем, которые все чаще обсуждаются в естественнонаучной и философской литературе:

К субстратному подходу относят теорию происхождения жизни с вполне определенными особенностями вещественной основы биологических систем, т.е. со строго определенным составом элементов-органогенов и не менее определенной структурой входящих в живой организм химических соединений. Рациональный результат субстратного подхода к проблеме биогенеза – накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

В настоящее время известно более ста (116) химических элементов. Большинство из них попадает в те или иные живые организмы и, так или иначе, участвует в их жизнедеятельности.

Основу живых систем составляют только шесть элементов, давно получивших наименование органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера (их общая весовая доля в организмах составляет 97,4%).

За ними следуют 12 элементов, входящих в состав многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт (их весовая доля в организмах примерно 1,6%).

Можно назвать еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем (например, водорослей, состав которых определяется в известной мере питательной средой). Их доля в организмах составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

Картина химического мира весьма отчетливо свидетельствует об отборе элементов. К настоящему времени известно около 8 млн химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96%) – органические соединения, основной строительный материал которых – все те же 6-18 элементов. Такой же отбор наблюдается и среди химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белка входит только 20. И как ни парадоксально, из всех остальных 95–99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Столь резкая диспропорция между едва обозримым множеством органических соединений и каким-то минимумом составляющих их органогенов так же, как и исключительно дифференцированный отбор того же минимума элементов для построения живых систем, нельзя всецело объяснить факторами различной распространенности элементов в космосе и на Земле. В космосе наиболее широко распространены лишь два элемента – водород и гелий, все остальные элементы можно рассматривать только как дополнение к ним.

На Земле наиболее распространены: железо, кислород, кремнии, магний, алюминий, кальций, натрий, калий, никель, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. В атмосфере Земли углерода не более 0,01 весового процента, в океанах – около 0,002, в литосфере – 0,1. Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий, и даже в 6 раз меньше, чем относительно редкий титан. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и, в общем, невелика – всего около 0,24 весовых процента. Следовательно, геохимические условия не играют сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают требования соответствия между строительным материалом и объектами с высокоорганизованной структурой.

С химической точки зрения такие требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию, во-первых, достаточно прочных и, следовательно, энергоемких химических связей и, во-вторых, связей лабильных, т.е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод выделен из многих других элементов как органоген №1:

Подобно тому, как из всех химических элементов только шесть органогенов да 10-15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу биосистем, так же в результате эволюции шел тщательный отбор и химических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого организма участвуют лишь несколько сотен; 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. Удивительно, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен трудно обозримый, многообразный мир животных и растений. Полагают, что когда период химической подготовки – период интенсивных и разнообразных превращений сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Теперь находят массу доказательств того, что аминокислотный состав гемоглобина самых низших позвоночных и человека практически один и тот же; более или менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав ферментативных средств, состав веществ, накапливаемых впрок и т.д.

Каким образом проводилась та химическая подготовка, в результате которой из минимума химических элементов и минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистема? Химику важно это понять для того, чтобы научиться у природы так легко и просто приспосабливать для своих нужд «менее организованные материалы», например: синтезировать сахар, получать стереоспецифические соединения и т.п.

В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. К примеру, фрагмент эволюционных систем – развитая полимерная структура типа РНК и ДНК, выполняющая важные функции передачи наследственной информации.

Заслуживает внимания ряд выводов, полученных самыми различными путями и в различных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, биохимии, термодинамике, химической кинетике). На ранних стадиях химической эволюции мира катализ вообще отсутствовал. Условия высоких температур (выше 5000ºК), электрических разрядов и радиации препятствовали образованию конденсированного состояния. Первые проявления катализа начинались при смягчении условий (при температуре ниже 5000 К) и образовании первичных твердых тел. Роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия (главным образом, температура) приближались к земным. Но роль катализа вплоть до образования более или менее сложных органических молекул оставалась несущественной. Появление таких относительно несложных систем, как аминокислоты и первичные сахара, было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т.е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать сравнительно быстро. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических способов и обладали широким каталитическим спектром.

Элементарные каталитические системы являются прообразами живых организмов согласно теории саморазвития элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС), выдвинутой и разработанной профессором Московского университета А.П. Руденко в 1964-69 годах. Это наиболее подробно разработанный вариант общей теории химической эволюции и биогенеза, в которой комплексно решаются вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, об уровне химической организации и иерархии химических систем в процессе эволюции. Сущность теории А.П. Руденко состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В процессе развития каталитических систем складываются механизмы конкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитической активности. Возникает явление автокатализа, когда продукты реакции выступают как катализаторы, ускоряющие ее дальнейшее течение, реакции становятся самоускоряющимися и через самовоспроизведение осуществляют переход от химической эволюции к эволюции биологической.

Отличительная черта второго, функционального подхода к проблеме предбиологической эволюции состоит в сосредоточении внимания на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Среди естествоиспытателей такого подхода придерживаются преимущественно физики и математики, рассматривающие эволюционные процессы с позиций кибернетики. Крайняя точка зрения – утверждение о полном безразличии к материалу эволюционных систем: живые системы, вплоть до интеллекта, могут быть смоделированы даже из металлических систем.