Подобно тому, как кристалл самособирается из атомов, «присоединяя» их к себе из насыщенного раствора, процесс эволюции содержал своего рода самосборку разных блоков веществ из окружающей среды. Весь ансамбль форм живого укоренен в свойствах физического вакуума и задается одновременно множеством решений некоего биологического аналога фундаментальных физических уравнений. И это происходило задолго до того, как реальный процесс предбиологической эволюции мог начаться. Процесс эволюции представляет собой не простое превращение одних видов в другие путем хаотических мутаций, а прохождение «проб», «ошибок», шаг за шагом, испытаний вариантов возможностей и параллельно с этим растекание по многомерному полю допустимых вариаций в плоскости одного эволюционного этажа. Эволюция – это не только возникновение (и исчезновение) новых форм, но и последовательность заполнения вакаций, выявление новых возможностей у элементов уже существующего этапа. История Космоса единый, хотя и чрезвычайно неравномерный процесс самовозникновения усложняющихся форм материи.
Физические процессы образования атомных ядер в физическом вакууме проходили внутри «старых» звезд. (Химическое вещество в буквальном смысле есть «пепел» таких звезд – долгожителей.) До того, как появилось наше Солнце, несколько поколений тяжелых звезд прошли свой жизненный цикл, превратив первоначальный водород в основные химические кирпичики жизни. Физические процессы образования элементов – органогенов «направлены» на возникновение химической материи, предопределяют субстрат, структуру, свойства и законы химического поведения органогенов. Физическая связь химических реакций определяется количественным соотношением атомов разных элементов. Р. Дикке считал, что для того, чтобы появились строительные блоки органогенов – химических элементов тяжелее водорода – углерод, азот и кислород должны оказаться рассеянными по галактике в результате завершения цикла эволюции звезд хотя бы одного поколения. Ф. Хойл открыл, что ядра углерода синтезируются в звездах в результате почти одновременного столкновения трех ядер гелия. Пылевые облака, из которых образуются звезды, и планеты на 98% состоят из водорода и гелия. Но в остальных 2% входящих в состав органических соединений элементы (углерод, водород, кислород, азот) составляют более 90%. При образовании планет большую роль играет пылевая компонента. Органические частицы вместе с газом оседают в диске, где из-за гравитационной неустойчивости формируются сгустки размером в несколько метров в диаметре, и это в основном органика. Здесь возникают условия для астрокатализа, образуется мир РНК, который является предшественником жизни. (Вестник РАН, июнь 2012, С. 572.) Изучаются экзопланеты в галактике М 31 туманности Андромеды с массой равной 2 массам Земли.
Герберт Спенсер писал, что исследователями мало – помалу заполнялась пропасть между неорганическим и органическим веществом. Более пяти тысяч сложных органических соединений ныне производят химики из неорганических веществ. Изучается биохимическая доклеточная эволюция макромолекул – гиперциклов и возникновение мембран. Природа «строит» химические объекты, опираясь на преобразование молекулярной и надмолекулярной структур, предваряющих законы развития живого: наследственность, изменчивость, естественный отбор.
Переход химической эволюции к биохимической и биологической эволюции выразился в усложнении структуры систем. Взаимосвязь «одиночных» атомов привела к простым молекулам (комплексам атомов) Они сгруппировались и перешли в сложные макромолекулы (самовоспроизводящихся белков) и ультрамолекулярные системы (пробионтам), затем в одноклеточные организмы, способные совершать «направленные» действия. Возник биологический катализатор, действующий как сила ускоряющая (и направляющая?) биологическое развитие. Возникновением молекул – центральным событием в химической эволюции – управляют энергия и спин (угловой момент движения электронов и ядер, поскольку электрон и ядро – квантовые волчки).
ОЖИВЛЕНИЕ КОСНОЙ МАТЕРИИ. ЖИЗНЬ. Вселенной 13,8 млрд. лет, галактике «Млечный путь» – 13 млрд. лет. Возраст Солнца 4,6 млрд. лет, возраст планеты Земля около 4,5 млрд. лет. Жизнь на ней зародилась не позднее 3,7 млрд. лет. В первичной атмосфере не было кислорода, но были водяные пары, водород, углекислый газ, сера, азот и температура тропиков. Появление жизни относят ко времени самого первого охлаждения планеты Земля с условиями «подходящих» температур для набора комплексов группирующихся веществ. Жизнь «пряталась» в квантовой неопределенности и «готовила» себя в химическом предклеточном состоянии, дожидаясь «подходящей» обстановки для своего самовозникновения. Земля оказалась «подходящей» планетой, насыщаемой энергией «подходящей» звезды – Солнца. Она располагалась на «подходящем» для жизни расстоянии от звезды – не слишком близко, но и не далеко. (Не выяснена роль собственной радиоактивности планеты и подвижки земных плит в процессах перехода вещества в существо.)
Исследователи Космической станции установили, что семена некоторых растений, лишайников и микробов в условиях открытого космоса не разрушаются. Бактериальные споры выживают только в местах, защищенных от ультрафиолетового излучения Солнца. Аминокислоты и пептиды разрушаются под воздействием солнечного ультрафиолета. Следы микроорганизмов найдены в метеорите с Марса и делается заключение, что, возможно, на нем была жизнь.
СОЛНЦЕ. К.Я. Кондратьев и И.П. Федченко в работе «Влияние спектра солнечной радиации на эволюцию биосферы» отмечают сходство химического состава солнечной и земной атмосферы, исключение составляет водород, которого на Солнце значительно больше, чем на Земле. Поскольку Земля с начала своего существования находилась в сфере непосредственного воздействия Солнца, то интенсивность и спектральный состав солнечной радиации предопределил строение органических веществ. В период биохимической эволюции, когда в атмосфере планеты не было большого количества свободного кислорода, и, следовательно, не мог образоваться озоновый экран, защищающий поверхность от ультрафиолетовых излучений в области длин волн короче 300 мм, эта область спектра солнечного излучения поставляла энергию для синтеза биохимических соединений. Из химических веществ (Н
2
2
2
3
Совокупность факторов, позволяющих возникнуть жизни на Земле, ученые называют жизнепригодностью. Она определяется массой планеты, ее составом, орбитальными характеристиками и параметрами звезды, вокруг которой вращается. Для того чтобы на планете Земля образовались океаны, моря, реки, озера, горы необходимо было, чтобы множество факторов сошлись в едином целом, и было «достаточным» расстояние до звезды, у которой был определенный «запас» водорода, превращающийся в гелий.
ВОДА. Жизнь невозможна без воды. На планете Земля оказалась вода первичного океана со всеми необходимыми для появления жизни химическими веществами. В эволюции геологических систем планеты вода непрерывно растворяет горные породы, накапливает в себе химические элементы, формирует новые связи между ними. Вода «обеспечивает» единство неживого и живого. (В.И. Вернадский) О появлении воды на Земле существует две гипотезы. Первая состоит в том, что соединения водорода с кислородом накапливались в период остывающей горячей планеты. Вторая состоит в том, что вода может иметь не планетное происхождение. Вода обнаружена в виде спектральных линий излучения Солнца и с ним попадала на Землю. Молекулы воды находятся во внутреннем пространстве «нашей» звезды. Возможно, вода попадала на Землю при бомбардировке триллионами ядер комет на 80 % состоящих из воды. На Земле вода находится в жидком, твердом, газообразном, ионном состоянии. Обнаружилось и пятое ее состояние – канальное: нейтронного рассеяния в условиях ограниченной среды (расстояний ядра атома), использования энергии связей.
Вода выступает катализатором многих химических реакций. Химическая активность воды удивительна. Зарождение жизни, возможно, произошло в бескислородной водной среде. Кислород из-за высокой окислительной способности первоначально был ядовит для протоорганизмов, у которых отсутствовали защитные биохимические системы. Протоорганизмы по способу питания являлись гетеротрофами, использовали в пищу органические соединения абиотического происхождения водоемов раннего археозоя (первичного химического бульона) океанских лагун. В них и произошел 3.7 млрд. лет назад переход усложняющихся аминокислот в органеллы – цианобактерии. (Их «родственниками» являются сине-зеленые водоросли.) Цианобактерии были способны к фотосинтезу – усвоению энергии солнечного света для «своих» химических реакций, в процессе которых часть воды разлагается и выделяет в атмосферу кислород. Это радикально изменило содержание химического состава земной атмосферы и позволило жизни довольно быстро распространяться по всей поверхности планеты.
Вода – составная часть живых организмов. Любой живой организм содержит не менее 60 – 65 % воды, а у некоторых организмов воды 98%. Человеческий организм на 70 % состоит из воды, и она содержится во всех его 100 миллиардах клеток. Все его ткани насыщены водой. Ее в коже 65 %, в мышцах 60 %, в головном мозгу 71%. Даже кости наполовину состоят из воды. Поэтому человека можно считать рожденным водной планетой? При весе в 70 кг организм человека состоит из 44 кг кислорода, 14 кг углерода, 7 кг водорода, 2 кг азота. В нем 1 кг кальция, 700 г фосфора, 170 г калия, 140 г серы, по 70 г натрия и хлора, 30 г магния, 3 г железа, а также менее 1 г меди, марганца, йода и других веществ. В течение 5 – 7 лет происходит смена всех атомов человеческого организма.
УГЛЕРОД – фундамент живого организма. Земные организмы основаны на углероде. Атомы углерода могут формировать сразу четыре связи и образовывать цепочки и кольца, что объясняет разнообразие органических молекул. Они «просты» у предбиологических образований. Связи усложняются у вирусов, у бактерий, которые преобладали на планете первые 3 млрд. лет и были на ней единственными живыми организмами. Существует несколько конкурирующих вариантов понимания начала биологического развития. Проблемой остаются «начальные» истоки, неизвестны условия, невозвратимо исчезнувшие на планете миллиарды лет назад, когда произошло «оживление» сложных химических образований – органел. Признаются две стадии в возникновении жизни. Первая: химическая эволюция через биохимическое реакции привела органическое вещество к живой клетке. (Автотрофные образования создают органическое вещество из неорганического вещества.) Вторая: неизвестно как возникла «первая» живая клетка, но ее потомки развиваются в разных направлениях, порождая многообразие жизни на Земле. Жизнь – самосохраняющиеся и самовоспроизводящиеся химические процессы органического вещества. Происходило усложнение и упорядоченность молекул и атомов неорганической материи. Принцип дифференциации выразился в образовании новых видов жизни и в освоении ими различных экологических ниш. Для каждого элемента периодической системы существует «свой» вид бактерий, химически преобразующий его. Бактерии генерировали энергию, ассимилировали неорганическую среду и углерод. Переход от неживого к живому облегчался тем, что в одном и том же химическом бульоне одновременно появился комплекс химических молекул (системы доклеточного уровня – нуклеиновые кислоты и др.) белки с углеродистыми скелетами, присоединяющие химические элементы, нужные для жизни.
В эволюционной химии изучаются молекулярные ансамбли, высокоорганизованные надмолекулярные структуры со способностью молекулярного распознавания химической информации, селективным связыванием, взаимодействием рецепт – субстрат, молекулярным катализом, трансмембранным переносом. Это приводит их к самоорганизации, программированию самосборки в ходе становления биологических объектов. Примером этого являются ключевые для жизни белковые структуры.
ПРЕВРАЩЕНИЕ НЕЖИВОГО ВЕЩЕСТВА В ЖИВОЕ СУЩЕСТВО. Теория биохимической эволюции строится на идее возникновения органического вещества из неорганического вещества и усложнении его самоорганизации в переходе в живой организм. «Живые системы не являются живыми ниже молекулярного уровня» (Н. Винер) По В.И. Вернадскому появление жизни – результат целостного эволюционного процесса физических, геохимических, биологических изменений в ходе космической эволюции. Жизнь – это вечная смена. Этим она отличается от всего неживого. Но и в неживом веществе – вечная смена, но с иным ритмом, масштабом, временем изменений и последствий.
Проблема процесса оживления косной материи не решена. К ее решению приближает гипотеза предбиологической эволюции соединений на углеродной основе, заложенной в структуре атомов. Многообразие молекул (состоящих из атомов) восходят к одной общей для них форме. Степень различия между двумя молекулами показывает их «удаление» от своего общего «предка» в процессе эволюции. Английский биолог и химик Руперт Шелдрейк в книге «Новая наука жизни» (1986 г.) высказал убеждение, что жизнь не может быть сведена к химическим реакциям сложных молекул, а живые организмы – это не просто сложные биологические машины. Формы, развитие и поведение организмов определяются «морфологическими полями», которые в настоящее время не могут быть обнаружены на Земле – слишком изменились на ней условия физические, химические и прабиологические.
КАТАЛИЗАТОР – ПОСРЕДНИК. Катализ играл большую роль в переходе химических систем в биологические, «поддерживая» поступление новых и удаление использованных химических реагентов при самоорганизации открытых систем. Катализатор обладает созидательным потенциалом. (Некоторые вещества могут быть и замедлителем, тормозом изменения.) М.И. Штеренберг разделяет гипотезу саморазвития катализаторов в неживой природе. Он полагает, что свойства, считающиеся спецификой жизни, существуют в неживой природе, такие как матрицирование через образование спиралей подобных ДНК, неорганических катализаторов и коротких пептидов – аминокислотных цепочек, способных к матрицированию пептидно – нуклеатидных комплексов. Эти состояния – моменты перехода неживого к живому. На основе катализа дается теоретическое обоснование самым общим представлениям об условиях, возможности, направленности и причинах химической добиологической эволюции. (512. 28) Теория эволюционного катализа описывает саморазвитие открытых каталических систем и приводит к выводу, что возникновение жизни является естественным результатом и продуктом химической эволюции каталических систем. Каталические реакции – это важнейшие процессы химии живого. В современных клетках они управляют ферментами, но на ранних стадиях эволюции сложных молекул еще не существовало. Их появление привело к быстрому росту молекулярной сложности, поскольку они служат связующим звеном, посредником между разными реакциями, образуя химические цепи. В них вступают в силу законы нелинейной динамики. Каталические реакции значительно увеличили число случайных событий, что привело к развертыванию полномасштабной дарвинской конкуренции за выживание, постоянно подталкивающей протоклетки к увеличению сложности, удалению от равновесия и, в конце концов, к переходу к жизни.