Идущие по пустыне: время
Причем случись изменение значения хотя бы одной из фундаментальных постоянных в ту или другую сторону на бесконечно малую долю процента – и жизнь на Земле никогда бы не возникла.
Для того чтобы создать сложнейшие макромолекулы, необходимо было провести отбор химических элементов.
В настоящее время известно более 100 химических элементов, однако, основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов С, Н, О, N, Р, S (углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера), общая весовая доля которых составляет 97,4 %. За ними следуют еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co (натрий, калий, кальций, марганец, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт). Их весовая доля в организмах менее 1,6 %.
Об отборе свидетельствует и общая химическая картина мира. В настоящее время известно около 8 миллионов химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96 %) – это органические соединения, основной строительный материал, в которых все те же 6 + 12 элементов.
Интересно, что из остальных химических элементов Природа создала лишь около 300 тысяч неорганических соединений. Принцип отбора действует и далее. Так из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен. Далее, из 100 известных аминокислот в состав белков входят только 20. Важно отметить, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ сформировался весь труднообозримый мир живого.
Каковы же принципы отбора химических соединений – своеобразной «химической подготовки» к образованию сложнейших биологических систем? Выяснилось, что определяющая роль здесь принадлежит катализаторам, то есть веществам, активирующим молекулы реагентов и повышающим скорость химических реакций.
Этот процесс ныне представляется следующим образом.
1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Условия высоких температур (выше 5 тысяч градусов по Кельвину [39]), электрические разряды и радиация препятствуют образованию конденсированного состояния.
2. Проявления катализа начинаются при снижении температуры ниже 5 тысяч градусов по Кельвину и образовании первичных тел.
3. Роль катализатора возрастала (но пока еще незначительно) по мере того, как физические условия (главным образом температура) приближались к современным земным значениям. Появление аминокислот и первичных сахаров было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа.
4. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, то есть известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получились относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.
В 60-х годах XX века было экспериментально установлено, что в ходе химической эволюции отбирались те химические структуры, которые способствовали резкому повышению активности и избирательной способности катализаторов. Это позволило профессору МГУ А. П. Руденко в 1964 году выдвинуть теорию саморазвития открытых каталитических систем, которая в развернутой форме появилась в 1969 году и была названа теорией эволюционного катализа.
Профессор А. П. Руденко считал, что единственной формой диалектического перехода от неживого вещества к живому среди всех возможных процессов развития материального мира является биогенез, или эволюционная химия, приводящая к возникновению жизни! [13].
Теория эволюционного катализа
Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы.
При катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой.
Если в ходе реакции идет постоянный приток извне новых реактивов, отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами (ЭОКС).
С точки зрения А. П. Руденко, процесс химической эволюции неотделим от явления катализа, причем объектом служит не отдельная молекула, а каталитическая система.
Наиболее сложным случаем катализа является автокатализ, возникающий при каталитическом воздействии продукта реакции на вступающие в нее исходные вещества. Таким образом, на химическом уровне организации материи возникает способность многократного самоускорения, изменения и развития, а саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока энергии.
Основным источником энергии, по мнению Руденко, является химическая реакция, которая борется с равновесием и самоорганизацией каталитических систем. В результате борьбы преимущество получает та, которая развивается на основе реакции с бо́льшим выделением тепла [40] и с ростом активности (базисная реакция). Максимальное эволюционное преимущество получает каталитическая система, развивающаяся на базе реакции с самым большим тепловыделением.
Базисная реакция является не только источником энергии, необходимой для полезной работы в системе, которая направлена против равновесия, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.
– Руденко считает, что источником энергии, необходимой для полезной работы в организме, которая направлена против равновесия, является базовая химическая реакция. Базовая реакция – это та, которая идет с наибольшим тепловыделением. Это правильно?
Аструс: Нет, не совсем. Внутренняя энергия не задевается. Надо обязательно затрагивать именно внутреннюю энергию.
– Нам непонятно: с одной стороны, базовая реакция должна идти с ростом негэнтропии, а с другой – она характеризуется большим тепловыделением. А это ведет к росту энтропии (потерь энергии). Как связать два противоположных свойства?
Аструс: Как внешнее и внутреннее.
– Реакция – внешний фактор, выделение тепла – внутренний фактор. А как задеть внутреннюю энергию?
Аструс: Привлечь как диссипативный элемент, который нарушает закон равновесия.
– Нарушает закон в какую сторону?
Аструс: Возникает дискретность то вверх, то вниз. Вызывается раскачка. А при раскачивании возникает эффект усиления.
В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Те же центры, изменение которых связано с уменьшением активности, постоянно выключаются из кинетического процесса, они «не выживают».
С точки зрения Руденко, при многократных последовательных необратимых изменениях катализатора переход его на все более высокие уровни сопровождается эволюцией механизма базисной реакции как за счет изменений состава и структуры катализаторов, функционировавших в начале реакции, так и за счет дробления химического процесса на элементарные стадии и появления новых катализаторов этих стадий. Эти новые катализаторы появляются за счет их саморазвития.
А. П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализатора, при которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.