Поняття самоорганізації у хімії

Питання про виникнення органічного життя залишається досі одним із найцікавіших і найскладніших питань сучасного природознавства. Відповісти це питання означає пояснити, як природа з мінімуму хімічних елементів і сполук створила найскладніші макромолекули, та був високоорганізований комплекс біосистем?

Відповідь це питання шукається нині у особливої хімічної науці – Еволюційної хімії. Її іноді називають такожпредбіологією – наукою про самоорганізацію хімічних систем.

Під самоорганізацією розуміють мимовільне підвищення упорядкованості рівнів складності матеріальних динамічних, тобто. якісно змінних систем.

Субстратний та функціональний підходи до проблеми самоорганізації передбіологічних систем. У рамках еволюційної хімії виділяється два підходи до проблеми самоорганізації: субстратний та функціональний. p align="justify"> Функціональний підхід зосереджує увагу на дослідженні самих процесів самоорганізації матеріальних систем, на виявленні законів, яким підпорядковуються ці процеси. Тут еволюційні процеси найчастіше розглядаються з позицій кібернетики. Крайньою точкою зору в цьому підході є твердження про повну байдужість до матеріалу систем, що еволюціонують.

Субстратний підхід полягає у дослідженні речової основи біологічних систем, тобто. елементів-органів та певної структури хімічних сполук, що входять у живий організм. Результатом субстратного підходу до проблеми біогенезу (тобто походження життя) є отримання інформації про відбір хімічних елементів та структур.

Справді, є певний відбір хімічних елементів до створення эволюционирующих систем. В даний час відомобільше 100 хімічних елементів, однак, основу живих систем становлять лише 6 елементів, що отримали назву органогенів:С, Н, О, N, Р, S, загальна вагова частка яких становить>97,4%. За ними слідують ще 12 елементів, які беруть участь у побудові багатьох фізіологічно важливих компонентів біосистем: Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co. Їхня вагова частка в організмах» 1,6 %.

Про добір свідчить і загальна хімічна картина світу. Нині відомо близько 8 млн. хімічних сполук. З них переважна більшість (близько 96%) – це органічні сполуки, основний будівельний матеріал яких ті самі 6 + 12 елементів. Цікаво, що з решти хімічних елементів Природа створила лише близько 300 тис. неорганічних сполук.

Принцип відбору діє далі. Так із мільйонів органічних сполук у побудові живого беруть участь лише кілька сотень.

Далі: зі 100 відомих амінокислот до складу білків входять лише 20.

Важливо, що з такого вузького кола відібраних природою органічних речовин сформувався весь світ живого, що важко оглядати.

Які принципи відбору хімічних сполук - своєрідної “хімічної підготовки” до утворення найскладніших біологічних систем?

Виявилося, що визначальна роль належить каталізаторам, тобто. речовин, що активують молекули реагентів та підвищують швидкість хімічних реакцій. Проте, каталізатори залишаються незміненими під час хімічних реакцій: їх активність або падає, або зростає.

Загальна теорія хімічної еволюції та біогенезу

У 60-х роках 20-го століття було встановлено експериментально, що в ході хімічної еволюції відбиралися ті хімічні структури, які сприяли різкомупідвищенню активності та вибіркової здатності каталізаторів. Це дозволило професору МДУ А.П. Руденко 1964 р. теорію саморозвитку відкритих каталітичних систем, яка по праву можна вважати загальною теорією хемо- та біогенезу. Сутність цієї теорії полягає в тому, що хімічна еволюція є саморозвитком каталітичних систем, і, отже, еволюціонуючим речовиною є каталізатори.

А.П. Руденко сформулював і основний закон хімічної еволюції:з найбільшою швидкістю та ймовірністю утворюються ті шляхи еволюційних змін каталізатора, на яких відбувається максимальне збільшення його абсолютної активності.

Саморозвиток, самоорганізація систем може відбуватися лише з допомогою постійного припливу енергії, джерелом якої є основна, тобто. базисна реакция. З цього випливає, що максимальні еволюційні переваги отримують каталітичні системи, що розвиваються на базіекзотермічнихреакцій.

Тимчасовий період хімічної еволюції. На ранніх стадіях хімічної еволюції світу каталіз був відсутній. Перші прояви каталізу починаються при зниженні температури до 5000 ° К і нижче та утворенні первинних твердих тіл. Вважають також, що період хімічної підготовки, тобто. період інтенсивних та різноманітних хімічних перетворень змінився періодом біологічної еволюції, хімічна еволюція як би застигла.

Прикладне значення еволюційної хімії. Еволюційна хімія не тільки допомагає розкрити механізм біогенезу а й дозволяє розробити нове управління хімічними процесами, що передбачає застосування принципів синтезу собі подібних молекул і створення нових потужних каталізаторів, у тому числі біокаталізаторів - ферментів, а це , у свою чергу, є запорукоювирішення завдань щодо створення маловідходних, безвідходних та енергозберігаючих промислових процесів.

Теорії виникнення життя

Найбільш відомими до теперішнього часу теоріями виникнення життя на Землі є такі.

Процес божественного створення світу мислиться як той, що мав місце лише один раз і тому недоступний для спостереження. Проте для віруючого теологічна (божественна) істина абсолютна і вимагає доказів. У той самий час, для справжнього вченого наукова істина перестав бути абсолютної, вона містить елемент гіпотези. Таким чином, концепція креаціонізму автоматично виноситься за межі наукового – дослідження, оскільки наука займається лише тими явищами, які піддаються спостереженню, можуть бути підтверджені або відкинуті в ході досліджень (принцип фальсифікації наукових теорій). Інакше кажучи, наука ніколи зможе ні довести, ні спростувати креаціонізм.

Самомивільне зародження. Відповідно до цієї теорії життя виникало і виникає неодноразово з неживої речовини. Ця теорія була поширена у Стародавньому Китаї, Вавилоні, Єгипті. Аристотель, якого часто називають фундатором біології, розвиваючи більш ранні висловлювання Емпедокла про еволюцію живого, дотримувався теорії мимовільного зародження життя. Він вважав, що «..живе може виникати як шляхом спарювання тварин, а й розкладанням грунту.». З поширенням християнства ця теорія опинилася в одній проклятій церквою «обоймі» з окультизмом, магією, астрологією, хоч і продовжувала існувати десь на задньому плані, доки не була спростована експериментально в 1688 р. італійським біологом і лікарем Франческо Реді. Принцип «Живе виникає лише з живого» отримав у науці назву Принципу Реді. Так складаласяконцепція біогенезу, за якою життя може виникнути тільки з попереднього життя. У середині 19 століття Л. Пастер остаточно спростував теорію мимовільного зародження і довів справедливість теорії біогенезу.

Теорія панспермії. Відповідно до цієї теорії життя було занесено на Землю ззовні, тому її, по суті, не можна вважати теорією виникнення життя як такого. Вона не пропонує жодного механізму для пояснення первинного виникнення життя, а просто переносить проблему походження життя в якесь інше місце Всесвіту.

Теорія біохімічної еволюції. Життя виникло в специфічних умовах древньої Землі в результаті процесів, що підкоряються фізичним та хімічним законам.

Остання теорія відображає сучасні природничі погляди і тому буде розглянута докладніше.

За даними сучасної науки вік Землі становить приблизно 4,5 – 5 млрд. років. У далекому минулому умови на Землі докорінно відрізнялися від сучасних, що зумовило певний перебіг хімічної еволюції, яка стала передумовою виникнення життя. Іншими словами, власне біологічної еволюції передувала передбіотична еволюція, пов'язана з переходом від неорганічної матерії до органічної, а потім до елементарних форм життя. Це було можливим за певних умов, які мали місце на Землі в той час, а саме:

висока температура, близько 4000 О С, · атмосфера, що складається з водяної пари, СО2, СН3, NH3, · присутність сірчистих сполук (вулканічна активність), · висока електрична активність атмосфери, · ультрафіолетове випромінювання Сонця, яке безперешкодно досягало нижніх шарів атмосфери та поверхні Землі, оскількиозоновий шар ще сформувався.

Слід підкреслити одне з найважливіших відмінностей теорії біохімічної еволюції від теорії мимовільного (спонтанного) зародження, саме: відповідно до цієї теоріїжиття виникла умовах, які сучасної біоти непридатні !

Гіпотеза Опаріна-Холдейна. У 1923 р. з'явилася знаменита гіпотеза Опаріна, що зводилася до наступного: перші складні вуглеводні могли виникати в океані з більш простих сполук, поступово накопичуватися і проводити виникнення «первинного бульйону». Ця гіпотеза швидко набула ваги теорії. Слід зазначити, що наступні експериментальні дослідження свідчили правомірності таких припущень. Так у 1953 р. С. Міллер, змоделювавши передбачувані умови древньої Землі (висока температура, ультрафіолетова радіація, електричні розряди) синтезував у лабораторних умовах 15 амінокислот, що входять до складу живого, деякі прості цукри (рибоза). Пізніше було синтезовано прості нуклеїнові кислоти (Орджел). В даний час синтезовано всі 20 амінокислот, що становлять основу життя.

Опарін припускав, що вирішальна роль у перетворенні неживого на живе належить білкам. Білки здатні утворювати гідрофільні комплекси: молекули води утворюють навколо них оболонку. Ці комплекси можуть відокремлюватися від водної фази та утворювати так звані коацервати (