Почему эволюционную химию можно

назвать «предбиологией»?

Природа в процессе эволюции живых организмов создала своеобразные химические технологии, необычайной эффектив­ности. При изучении химизма живой природы биохимией и молекулярной биологией было установлено, что состав иструктура биополимерных молекул представляют собой еди­ный набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и химическими методами. С дру­гой стороны, было установлено, что в живых системах осу­ществляются такие типы химических превращений, какие никогда не обнаруживались в живом мире.

Важнейшее значение в современной химии придается про­блеме поиска эффективных катализаторов для множества про­цессов химической технологии. Между тем давно уже было установлено, что основой химии живого являются каталити­ческие химические реакции, т.е. биокатализ. Химизм жи­вой природы являлся идеалом для исследователей: «Подража­ние живой природе есть химизм будущего!» Этот девиз, кото­рый был провозглашен академиком А.Е. Арбузовым в 1930 г., является целеполагающей идеей развития эволюционной кон­цепции в химии.

Интенсивные исследования последнего времени направ­лены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи. Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогов органичес­ких соединений, образующихся в живых организмах; биоло­гов — вещественная и функциональная основы жизнедеятель­ности; исследователи-медики пытаются выяснить биохимичес­кие границы между нормой и патологией в организме. Объединяет все эти работы концептуальное представление о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизне­деятельности. Эта идея, предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером в XIX в., остается осно­вополагающей и сегодня.

Изучив принципы, заложенные эволюцией в химизм жи­вой природы, можно использовать их для развития химичес­кой науки и технологии. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия. Ферменты — это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществ­ляются многочисленные химические реакции, которые благо­даря каталитическому действию ферментов могут идти с боль­шой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, то есть в пределах примерно от 5 до 40 °С. (Чтобы эти реакции протекали вне организма, потребовалась бы их активация за счет высокой температуры или иных факторов активации. Для живой клетки такие условия означали бы ги­бель.) Следовательно, ферменты можно определить как биологические катализаторы. Биокатализаторы обладают высо­кой селективностью (избирательностью) — один фермент ка­тализирует обычно только одну реакцию. По принципу биокатализаторов будут созданы искусственные катализаторы.

Биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза (проис­хождения жизни), какой бы трудной она ни являлась. Задача изучения и освоения всего многообразия каталитических процессов в живой природе — это пролог эволюционной химии. Уже обозначены основные подходы к освоению каталитичес­кого опыта живой природы.

Проблемы моделирования биокатализаторов показали не­обходимость детального изучения химической эволюции, то есть Установления закономерностей самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же более высокоорганизованными продуктами по срав­нению с исходными веществами. В 1960-х гг. было обнаруже­но явление самосовершенствования катализаторов в ходе ре акции (тогда, как обычно, катализаторы в процессе их работы дезактивировались, ухудшались и выбрасывались). Речь идет о проявлении самоорганизации в химическом процессе. Здесь понятие «самоорганизация» означает такое изменяющееся состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности. Про­блема биологической самоорганизации (и биологической эво­люции) оказывается самым непосредственным образом свя­зана с проблемой химической самоорганизации (и химичес­кой эволюции). Одна из задач химии, а именно, самого новейшего ее направления — эволюционной химии, понять, как из неорга­нической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную хи­мию можно назвать «предбиологией».

56. В чем сущность химической эволюции и чем она заканчивается?

Картина хемогенеза отчетливо свидетельствует о своеоб­разном химическом «естественном отборе» веществ. Как уже отмечалось выше, на сегодняшний день известны 112 хими­ческих элементов, однако основу живых систем составляют только 6 из них, которые в связи в этим обстоятельством по­лучили название органогенов. Это углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и сера (S). Их общая ве­совая доля в живой материи составляет 97, 4%. Еще 12 эле­ментов (Na, К, Са, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn) составляют примерно 1, 6%. Остальные слабо представлены в живой материи, то есть к участию в живой материи природа отобрала ограниченный набор элементов. К настоящему мо­менту науке известно всего около 8 млн химических соедине­ний. Из них подавляющее большинство (около 96%) — это органические соединения, основной «строительный матери­ал» которых перечисленные выше элементы. Из остальных химических элементов природа создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Резкая диспропорция между громадным множеством орга­нических соединений и малым количеством составляющих их элементов, а также факт принадлежности этих же элементов к органогенам нельзя объяснить на основе различной распро­страненности элементов. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. Совместная же весовая доля важ­нейших органогенов (С, N, P, S) в поверхностных слоях Земли всего около 0, 24%. Следовательно, геохимические ус­ловия не сыграли сколько-нибудь существенной роли в отборе Химических элементов при формировании органических систем, ^а тем более биосистем.

Тогда возникает вопрос, по каким признакам химическая эволюция отобрала малую часть элементов в число органоге­нов? С химической точки зрения видны признаки, по кото­рым происходил этот «естественный отбор» элементов. Это, во-первых, способность образовывать достаточно прочные энергоемкие химические связи. Во-вторых, образуемые связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми, пе­рестраиваемыми.