6. Про різні підходи до проблеми самоорганізації передбіологічних систем
Нині є два підходи до проблеми самоорганізації передбіологічних систем. Обидва вони систематично обговорюються в природничо-науковій та у філософській літературі. Це так звані субстратний і функціональний підходи.
До першого з них відносять теорії біогенезу, відправним постулатом яких є специфіка речової основи біологічних систем, тобто суворо певний склад елементів-органогенів і не менш певна структура хімічних сполук, що входять в живий організм. Усі особливості функціонування організмів, з позицій цих теорій, виводять із властивостей конкретного біохімічного складу організмів - білків, нуклеїнових кислот та інших біополімерів. Рішення. проблеми біогенезу представники цього підходу бачать у з'ясуванні шляхів поступового ускладнення органічних сполук аж до білковоподібних
тіл та біорегуляторів. Легко бачити, що до субстратного підходу у його рафінованому вигляді відносяться всі актуалістичні теорії, про недоліки яких було сказано вище. •.
Раціональними результатами субстратного підходу до проблеми біогенезу є накопичена інформація про відбір хімічних елементів та структур.
Відбір хімічних елементів — цього рухомого будівельного матеріалу еволюціонуючих систем — постає передусім як дуже промовистий науковий факт. Нині відомо 107 хімічних елементів. Є підстави вважати, що більшість із них потрапляє в ті чи інші живі організми і так чи інакше бере участь у життєдіяльності. Однак основу живих систем складають лише шість елементів, які давно отримали найменування органогенів. Це вуглець, водень, кисень, азот, фосфор і сірка, загальна масова частка яких в організмахстановить97,4%/ За ними слідують 12 елементів, які беруть участь у побудові багатьох фізіологічно важливих компонентів біосистем. Це натрій, калій, кальцій, магній, залізо, кремній, алюміній, хлор, мідь, цинк, кобальт. Їхня масова частка в організмах дорівнює приблизно 1,6%. Можна назвати ще 20 елементів, що беруть участь у побудові та функціонуванні окремих вузькоспецифічних біосистем (наприклад, водоростей, склад яких визначається певною мірою складом живильного середовища). Їх частка в організмах становить близько 1%. Участь решти елементів у побудові біосистем практично не зафіксовано.
Картина власне хімічного світу теж дуже виразно свідчить про добір елементів.Тепер відомо всього близькошести-семи мільйонів хімічних сполук. З них переважна більшість (близько 96%)—це органічні сполуки,основний будівельний матеріал яких—все ті ж 6—18 елементів . І як це не парадоксально, з решти 95—99 хімічних елементів природа(принаймні, на Землі)створила лише близько 400 тис. неорганічних сполук.
Така різка диспропорція між ледве доступною для огляду безліччю органічних сполук і нікчемною (6—18) кількістю складових їх органогенів, так само як і виключно диференційований відбір того ж мінімуму елементів для побудови живих систем, не можна цілком пояснити факторами різної поширеності елементів у Космосі та на Землі. У Космосі взагалі безроздільно панують лише два елементи - водень і гелій, тоді як всі інші елементи можна розглядати тільки як домішка до них.
На Землі найбільш поширені залізо, кисень, кремній, магній, алюміній, кальцій, нікель, натрій, калій,тоді як вуглець займає лише 16 місце. В атмосфері Землі вуглецю не більше 0,01 масових часток у відсотках, в океанах - близько 0,002,
у літосфері - 0,1. Вуглець у літосфері Землі поширений у 276 разів менше, ніж кремній, у 88 разів менше, ніж алюміній, і навіть у 6 разів менше, ніж відносно рідкісний титан. З органогенів найбільш поширені лише кисень та водень. Поширеність же вуглецю, азоту, фосфору та сірки в поверхневих шарах Землі приблизно однакова і загалом невелика — лише близько 0,24 масових часток у відсотках.
Отже, геохімічні умови грають скільки-небудь істотну роль відборі хімічних елементів для формування органічних систем, тим паче біосистем. Визначальними чинниками тут виступають вимоги відповідності між будівельним матеріалом та тими спорудами, про які вище йшлося як про структури високоорганізованих.
З хімічної точки зору ці вимоги зводяться до відбору елементів, здатних до утворення, по-перше, досить міцних і, отже, енергоємних хімічних зв'язків і, по-друге, лабільних зв'язків, тобто легко піддаються гемолізу, гетеролізу або циклічному перерозподілу. Ось чому вуглець обраний, або відібраний з багатьох інших елементів як органоген номер один. Цей елемент справді відповідає всім вимогам лабільності. Він, як ніякий інший елемент, має найрідкісніші і протилежні хімічні властивості, здатний реалізувати їх єдність, виступає як носій внутрішніх протиріч.
Атоми вуглецю в тому самому з'єднанні здатні виконувати роль і акцептора, і донора електронів. Вони утворюють майже всі типи зв'язків, які знає хімія: а) менш ніж одноелектронні та одноелектронні (наприклад, при хемосорбції)вуглеводнів на графіті); б) двоелектронні (наприклад, в етані); в) триелектронні (у бензолі); г) чотириелектронні (R2C = CR2); д) шестиелектронні (З = З зв'язку) з різними проміжними значеннями зарядів зв'язків. Серед вуглець-вуглецевих зв'язків можна зустріти чисто ковалентні, майже чисто іонні та іоноїдні з різними значеннями зарядів атомів: С 6 +, С в
Чи є необхідність докладно характеризувати інші органогени. Кисень і водень не можна, звичайно, вважати так само лабільними елементами; їх швидше слід розглядати як носії крайніх та односторонніх властивостей — окисних та відновлювальних. Що ж до таких органогенів, як азот, фосфор і сірка, або деяких елементів, що становлять активні центри ферментів, наприклад, заліза, магнію, то вони, подібно до вуглецю, відрізняються також особливою лабільністю. Розглядаючи питання про відбір елементів, Дж. Бернал зазначає, що лабільні атоми сірки, фосфору і заліза, які зазнають великих перетворень у неорганічному світі, мають основне значення в біохімії, у той час як стабільні атоми,
такі, як кремній, алюміній або натрій, що становлять незрівнянно більшу частину земної кори, відіграють лише другорядну роль або зовсім відсутні [7].
Слід особливо наголосити на тому, що внутрішньомолекулярна або внутрішньокомплексна взаємодія атомів таких елементів, як С, N, S, Р, Н, Про, Fe, Mg, Ti створює виняткове багатство хімічних зв'язків. Сюди відносяться і сполучені зв'язки, що імітують напівпровідникові властивості, і кумульовані зв'язки, що мають ще більшу π-електронну провідність. Сюди відносяться багаті на енергію так звані макро-ергічні зв'язки в сполуках типу аденозинтрифосфату і одночаснослабкі водневі зв'язки. Поряд із попарними міжатомними зв'язками типу С—Н, С—С у сполуках цих елементів зустрічаються явно багатоцентрові, до яких відноситься, зокрема, як можна вважати, і зв'язок атома заліза з піррольними кільцями в гемінах.
Про те, як відбувався відбір структур, який його механізм сказати досить важко. Але цей процес залишив нам свого роду музей. Подібно до того, як з 107 хімічних речовин лише 6 органогенів і 10—15 інших речовин відібрано природою, щоб скласти основу біосистем, так само в результаті еволюції відбувався ретельний відбір і хімічних сполук. З мільйонів органічних сполук у побудові живого беруть участь лише кілька сотень; зі 100 відомих амінокислот до складу білків входить лише 20; лише чотири нуклеотиди лежать в основі всіх складних полімерних нуклеїнових кислот, відповідальних за спадковість та регуляцію білкового синтезу в будь-яких живих організмах.
Дослідники - як хіміки, так і біологи - називають вражаючим той факт, що з такого вузького кола відібраних природою органічних речовин складено світ світ тварин і рослин. Вважають, що коли період хімічної підготовки — період інтенсивних і різноманітних перетворень — змінився періодом біологічної еволюції, хімічна еволюція ніби застигла. Тепер знаходять масу доказів тому, що амінокислотний склад гемоглобіну найнижчих хребетних тварин і людини практично той самий; більш-менш однаковими залишаються у різних видів рослин склад ферментативних засобів, склад речовин, що накопичуються на користь, і т. д.
Яким чином проводилася та «хімічна підготовка», внаслідок якої з мінімуму хімічних елементів та мінімуму хімічних сполук утворився найскладнішийвисокоорганізований комплекс - біосистема, що має здатність витрачати мінімум роботи, щоб знову виробляти максимум організації? Л. А. Миколаїв вдало зауважив, що це механізми клітини функціонують отже кожному етапі всієї послідовності реакцій організаційна робота виявляється міні-
мальний. Синтез білка здійснюється лише тоді, коли і просторові, і енергетичні умови такі, що ферментному апарату залишається лише замикати ланцюжки амінокислот [19, с. 11].
Хіміку важливо все це зрозуміти для того, щоб навчитися у природи (а потім, можливо, і піти далі її) так легко і просто пристосовувати для своїх потреб «менш організовані матеріали», наприклад: фіксувати азот повітря за нормальних температур і тисків, синтезувати цукру з СО2, СО, Н2 і H2О, отримувати стереоспецифічні сполуки і т.д.
Завіса, що відокремлювала нас від цих таємниць, стала потроху підніматися. У результаті еволюції відбиралися ті структури, які забезпечували найдосконаліші види зв'язків * (зокрема зворотний зв'язок) і регулювання.
Першою і найпростішою з цих структур можна назвати різні фазові кордону. Вони служили основою фізичної та хімічної адсорбції, яка: а) вносила елементарне впорядкування у взаємне розташування частинок; б) збільшувала концентрацію останніх та в) служила фактором появи каталітичного ефекту.
Другим структурним фрагментом називають угруповання, що забезпечують процеси перенесення електронів та протонів. Сюди відносять напівпровідникові ланцюги та структури, відповідальні за так зване трансгідрування або перенесення водню. Легко бачити, що цей тип структурних фрагментів пов'язаний з необхідністю залучення вуглецю, а також іншихорганогенів, здатних утворювати подвійні зв'язки та служити донорами та акцепторами протонів. Неважко бачити також, що ці угруповання є початком або напівпровідникового, тобто окислювально-відновного, або кислотно-основного каталізу.
Третій структурний фрагмент, необхідний еволюціонуючих систем,— це угруповання, відповідальні енергетичне забезпечення. Сюди входять оксиоксо-групи, фосфоровмісні та інші фрагменти з макроергічних зв'язків. Висловлювалося припущення, що ці структурні одиниці теж виконують роль каталізаторів по відношенню до ряду реакцій, але швидше за все їх призначення полягає у знятті термодинамічних заборон шляхом поєднання реакцій диспропорціонування та руйнування макроергічних зв'язків з ферментативними реакціями [22].
Наступним фрагментом еволюціонуючих систем є вже розвинена полімерна структура типу РНК і ДНК, що виконує ряд функцій, властивих переліченим вище структурам, і головне роль каталітичної матриці, на якій здійснюється відтворення собі подібних структур.
* Тут мають на увазі й не так хімічна зв'язок, скільки будь-яка інша, забезпечує взаємовідносини між системами, підсистемами і елементами систем.
Якщо спробувати знайти щось спільне між усіма щойно названими структурними фрагментами, то цим загальним виявиться не так елементний склад, як розвинена поверхня речовини, зокрема близькість до колоїдного стану і ставлення до каталізу.
У цьому звертає на себе увагу ряд висновків, отриманих різними шляхами й у різних галузях науки (геології, геохімії, космохімії, біохімії, біології, термодинаміки, хімічної кінетиці). Ці висновки сформульовані у роботах Дж. Бернала[7], Л. А. Ніколаєва (19) та Ю. А. Жданова [22].
На ранніх стадіях хімічної еволюції світу каталіз немає. Умови високих температур (5000 К), електричних розрядів і радіації, з одного боку, перешкоджають утворенню конденсованого стану, а з іншого — з лишком перекривають ті порції енергії, які необхідні для подолання енергетичних бар'єрів.