Концепции современного естествознания - Коллектив Авторов

Начальный этап этого процесса (появления жизни) связан с геологической эволюцией Земли. На первых этапах своей истории наша планета была очень горячей (4–8 тыс. °С). По мере остывания вследствие вращения атомы тяжелых элементов смещались к центру. На поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов, таких как углерод, азот, водород, кислород. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: метан, вода, двуокись углерода, аммиак, молекулярный водород, азот. В этой атмосфере присутствовали лишь следы свободного кислорода. Она была богата инертными газами: неоном, аргоном, гелием.

Физические и химические свойства воды (высокая теплоемкость, вязкость, полярность, агдезия, когезия, хороший растворитель и т. д.) и углерода (способность образовывать линейные соединения, трудность образования оксидов, способность к восстановлению, ковалентная связь) определили роль воды и углерода в зарождении жизни.

Образование простых органических соединений

Первичная атмосфера Земли на начальных этапах эволюции планеты носила восстановительный характер, поскольку практически не содержала свободного кислорода. Понижение температуры способствовало переходу некоторых газообразных соединений в жидкое и твердое состояния. При падении температуры поверхности Земли ниже 100 °C произошла конденсация водяных паров с сильнейшими ливнями и грозами. Это привело к образованию первичных водоемов. Активная вулканическая деятельность Земли выносила в водную среду наряду с другими соединениями множество соединений металлов с углеродом, карбидов. В результате соединения карбидов с водой образовывались углеводородные соединения. Теплая дождевая вода имела в своем составе углеводородные соединения, газы (СО2,NН3 и др.), соли, которые вступали в химические реакции. Образовывались и углеродисто-азотистые группы – N = С = N-. Постепенно в водной среде на поверхности нашей молодой планеты стали накапливаться простейшие органические соединения.

Образование сложных органических соединений

Следующий этап биогенеза характеризовался образованием уже более сложных органических соединений, созданием белковых веществ. Повышенная температура в водах океана, мощное ультрафиолетовое излучение Солнца (тогда озоновый слой отсутствовал), грозовые электрические разряды создавали мощный энергетический фон, благодаря которому простые молекулы органических веществ при взаимодействии с другими химическими соединениями и между собой постепенно усложнялись. Это усложнение привело к образованию различных полимеров: полисахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеиновых кислот. Это предположение экспериментально было подтверждено американским ученым биологом С. Миллером в 1953 г. на специально сконструированной установке. При этом были получены сахара и целый ряд аминокислот. Позже в аналогичных экспериментах в условиях лаборатории была доказана возможность получения сложных биохимических соединений, в том числе и белковых молекул, а также азотистых оснований нуклеотидов. Данные опыты показали возможность образования молекул белка в искусственных условиях.

Образовавшиеся сложные органические вещества скапливались в водах первичного океана, особенно в его прибрежных, хорошо прогреваемых частях, образуя первичный «бульон». Его насыщению способствовала и деятельность подземных вулканов. В таком «бульоне» предположительно мог развиваться процесс образования сложных органических макромолекул.

Химический состав живой природы

Состав живых организмов насчитывает всего 16 химических элементов, в то время как неживая природа – более 110 элементов. Из 16 элементов живой природы четыре элемента – углерод, водород, кислород и азот – составляют 99 % массы живого вещества. Связано это с особенностями физических и химических свойств этих элементов – валентностью, способностью образовывать прочные ковалентные связи между атомами. В живом организме главным элементом является углерод. В основе живого лежат углеродные соединения, где атомы углерода связываются между собой прочной ковалентной связью. Это обеспечивает стабильность и прочность как химического соединения, так и живого организма в целом. Атомы углерода способны образовывать длинные разветвленные цепочки как друг с другом, так и с атомами кислорода, водорода, азота. По существу, все живое – это «углеродные» тела. Раньше полагали, что молекулы углерода присущи только живому. Поэтому соединения углерода получили названия органических. В природе соединений углерода существует гораздо больше, чем соединений других элементов таблицы Менделеева, причем большая их часть не связана с живыми организмами.

В состав живого входят также такие макроэлементы, как фосфор, сера, калий, кальций, магний, железо, натрий. Они образуют группу так называемых биофильных элементов, или органогенов. Важное функциональное значение для организмов имеют и микроэлементы: кобальт, бор, цинк, молибден, йод, медь. Они составляют сотые и тысячные доли процента от массы организмов.

Мономеры и макромолекулы

Все живое состоит из различных малых органических молекул – мономеров. Объединяясь, мономеры образуют макромолекулы (их еще называют биологическими молекулами), представляющие собой полимерные цепочки. Мономеры складываются в определенную, конкретную молекулярную конструкцию, образуя при этом необходимый конкретный белок. Это значит, что процессы химической самоорганизации макромолекул играли ключевую роль в предбиологической эволюции.

Современная эволюционная химия как наука о самоорганизации и эволюции химических систем предпочтение в проблеме самоорганизации макромолекулярных структур в предбиологический период отдает катализу. Появление автокаталитических, а также повышение уровня информационных связей резко увеличило интенсивность упорядочения перехода материи от простых ко все более сложным, информационно насыщенным органическим соединениям. По мнению А. Руденко, эволюционирующими элементами в развитии предбиологических химических систем являются именно те структуры и соединения, которые резко усиливали действия катализаторов. В этом смысле биокатализ с участием ферментов тесно связан с проблемами биогенеза и происхождения жизни.

По мнению М. Эйгена, образование макромолекул и их эволюция связаны с неравновесным состоянием открытых живых систем. Обмен веществом и информацией с окружающей средой (метаболизм) можно рассматривать как совокупность химических реакций в живой системе (клетке). При этом молекулы-мономеры, переходя из окружающей среды в живую систему (организм), привносят в него определенную информацию. Последняя перерабатывается организмом и закрепляется в нем при процессах полимеризации и деструкции. Полимеризация идет путем самоинструктируемой репродукции образованных макромолекул. Если в живой системе скорость репродукции (воспроизведения) выше, чем скорость деструкции биополимеров, то макромолекулы растут; если нет, то они распадаются. Поступают в систему только те мономеры, которые преодолевают конкуренцию, поэтому они имеют определенную селекционную ценность для макромолекул. Таким образом, идет естественный отбор, то есть предшественниками живых систем, по-видимому, были лишь те макромолекулы, которые обладали определенными необходимыми свойствами. Следовательно, дарвинский естественный отбор уже проявил себя и на добиологической стадии развития материи.

В живых организмах важную роль играют три класса молекул – мономеров: аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды. Они служат строительным материалом для полимерных биологических макромолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Размеры мономеров колеблются в диапазоне 0,5–1,0 нм, а макромолекул – 5-300 нм. Диаметр молекулы аминокислоты порядка 0,5 нм, хромосомы – примерно 1 нм, а атомов углерода и водорода – около 0,4 нм. Для сравнения средний диаметр соматической клетки 10–20 мкм, растительной – 30–50 мкм. Таким образом, атомы примерно в 100 000 раз меньше клетки.

Все живые организмы, их клетки, органеллы как субструктуры клеток, выполняющие специфические функции, являются в целом совокупностями макромолекул. Живые организмы содержат четыре основных класса биополимеров: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Они являются структурной основой всех живых организмов и играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности.

Белки – это высокомолекулярные органические соединения, макромолекулы которых построены из остатков 20 аминокислот (мономеров). Белки играют первостепенную роль в процессах жизнедеятельности всех живых организмов. Им свойственны разнообразные функции: структурная – построение клеток и тканей; регуляторная – ее выполняют некоторые из гормонов; защитная – выполняют антитела; транспортная – выполняет гемоглобин; энергетическая и т. д. Только в организме человека, например, насчитывается свыше 10 млн различных белков. Без белков невозможен обмен веществ. Биосинтез белков идет при участии нуклеиновых кислот. На долю белка приходится примерно 50 % сухой массы всех органических соединений клетки.