В качестве актуальной области знания, объединяющей в своем предмете неорганическую и органическую природу, химия является в полном смысле этого слова интегральной, смежной наукой, призванной раскрыть тайны возникновения жизни, объективную структуру смежных систем развивающейся природной действительности. Познавательные и общественные функции химии требуют самого внимательного и всестороннего анализа философских оснований науки, включая, прежде всего, проблемы химической эволюции, ее специфики и взаимосвязи с физическими и биологическими, а отчасти также и социальными процессами.
Главной теоретической дисциплиной, изучающей химическую форму движения материи, является химия, дифференцировавшаяся к настоящему времени на множество дисциплин, неразрывно связанных друг с другом. Накопив огромный эмпирический материал, химия является одним из важнейших источников развития материалистической диалектики. В свою очередь, она сама творчески использует диалектику, что диктуется необходимостью создания теории, обобщающей и синтезирующей различные химические дисциплины в единое целое.
Химическая форма движения материи есть результат длительной эволюции. Она крайне неоднородна в своей основе и охватывает область от простейших химических соединений до белковоподобных структур, возникающих абиотическим путем. Можно выделить два больших этапа возникновения химической формы движения материи. Первый возникновение химических элементов в астрофизических и ядерных процессах. Поскольку при этом не образуются химические связи, то становление химических элементов не есть непосредственное развитие самих химических систем. «Эволюция в рамках периодической системы не носит химического характера». Второй этап - развитие собственно химической формы движения материи - наиболее полно развертывается лишь в планетарных условиях, в геохимических процессах. При наличии благоприятных условий химические системы способны порождать те или иные формы жизни. Само возникновение жизни есть одна из магистралей эволюции. «Жизнь, - подчеркивал еще Ф. Энгельс, - должна была возникнуть химическим путем». Химическая эволюция, приведшая к возникновению примитивных форм жизни, выступает непосредственно как предбиологическая эволюция. Все богатство разнообразных объектов химической формы движения материи возникло не сразу, а лишь в ходе длительной эволюции. Химическая форма движения материи эволюционна в своей основе. Именно непонимание этой эволюционности ведет к всевозможным виталистическим и теологическим концепциям в химии.
Химическая эволюция - единственный путь, ведущий к возникновению жизни. Идеалистами этот путь или отрицается, или объясняется следствием действия духовного начала.
По сути дела, к таким же выводам неизбежно ведет и концепция Жака Моно, который пытается опровергнуть диалектический материализм, предварительно отнеся его, как и позитивизм Г. Спенсера и учение Тейяра де Шардена, к разряду концепций, в которых объективные явления выводятся из законов развития субъективного. Так, он приписывает диалектическому материализму идею Тейяра о некотором факторе, создающем направленность «космической эволюции» к человеку. Сам Ж. Моно к теории эволюции относится отрицательно, о чем свидетельствует его тезис об абсолютно изолированном от влияния внешнего мира характере ДНК, которая совершенно неспособна «к получению какой-либо информации из внешнего мира». Этот тезис необходимо требует (при последовательном приведении) признания единого акта творения. Ж. Моно убежден, что жизненные процессы полностью сводятся к закономерностям молекулярного уровня.
Его абсолютный редукционизм, по сути дела, отрицает качественно новые особенности, возникающие в результате саморазвития систем, их интеграции.
Концепция «сведения» всех особенностей развития и функционирования живого к законам физики и химии является явно механистичной. Но последовательный механицизм неизбежно ведет к своей противоположности - витализму. Например, Эльзассер постулирует наличие в неживой природе особых биотонических законов, которые и обеспечивают возникновение живого. Он на словах открещивается от витализма, но эти таинственные законы, по сути, ничем не отличаются от жизненной силы виталистов. Взгляды Эльзассера анализирует известный физик Е. Вигнер. Придя к выводу, что «согласно квантовомеханической теории вероятность существования самопроизводящихся состояний равна нулю», он далее пишет «о доминирующей роли такого явления, как сознание» для самоорганизующихся систем. Этот вывод весьма характерен; последовательный механицизм независимо от того, из законов какой именно механики - классической, статистической или квантовой - он исходит, не будучи в состоянии понять историческое возникновение самих законов (например, биологических), вынужден апеллировать к ведущей роли сознания.
Исходя из классической статистики, на основе допущения о разовом возникновении белковой молекулы неотомист Веттер приходит к выводу о том, что для свершения подобного события необходимо 10243 миллиардов лет. Отсюда он делает вывод о божественном происхождении живого.
Классическая статистика, как и феноменологическая термодинамика, до сих пор подвергается произвольному истолкованию, особенно второе начало термодинамики, на основе которого пытаются сделать откровенно виталистические выводы.
Подобные концепции необходимо подвергать детальной критике с позиций материалистической диалектики, с привлечением естественнонаучного материала. В ходе такой критики должна решаться триединая задача: во-первых, обоснование ложности идеалистических трактовок; во-вторых, материалистическое объяснение эволюционных процессов, и в частности химической эволюции; в-третьих, философское обобщение естественнонаучного материала, разработка общефилософских принципов. Для разработки этих принципов особенно велико значение химии, накопившей богатейший эмпирический и теоретический материал.
Химическая эволюция - результат длительного развития, осуществляемого через ряд промежуточных ступеней, имеющего определенную направленность и закономерно приводящего к качественно новому состоянию материи. Развитие химических систем имеет черты, общие для всех развивающихся систем. Как известно, подобные черты, независимые от качественной специфики систем, исследуются философией. «Всякое развитие, - писал К. Маркс, - независимо от его содержания, можно представить как ряд различных ступеней развития, связанных друг с другом...». Главными вопросами теории развития, справедливыми и для химической формы движения, являются вопросы об исходной причине развития, его направленности, о том, чем обусловлено возникшее качественно новое состояние.
Вопрос о развитии, о становлении нового качества является предельно общим, философским. В качестве его конкретизации выступает вопрос о возникновении жизни в результате длительной предбиологической эволюции. Решить вопрос в общем плане - значит дать верную методологию для решения частных вопросов.
Возникающие в результате какого-либо процесса качественно новые системы неаддитивные исходным. В процессе химической эволюции возникает множество качественно новых систем. Помимо ответа на вопрос о причинах и направленности развития большое значение имеет здесь понимание обусловленности качественно нового состояния. Развитие на химическом уровне позволяет в значительной степени вскрыть некоторые общефилософские закономерности, важные для выяснения этой обусловленности. Ф. Энгельс показал взаимосвязь химии и философии, раскрыв, в частности, на материале химии механизм действия закона перехода количественных изменений в качественные, а далее, опираясь на этот закон, дал определение самой химии. На основе материала современной химии в настоящее время делаются попытки развить далее закон перехода количественных изменений в качественные.
Возникающие в итоге развития качественно новые системы имеют ряд особенностей по сравнению с исходными. Главной из них будет усиление момента динамичности, сложности. При этом, как уже указывалось, неизбежно происходит интеграция свойств и сторон. Далее, чем больше компонентов будет входить в целое, тем большим числом способов они могут быть взаимосвязаны в нем, влияя друг на друга. Неизбежным следствием этого явится увеличение избирательности, неповторимости каждой индивидуальной системы. Практически необозримое число самых разнообразных и специфичных белков, в которые во всех случаях входит не более 22 разнокачественных аминокислот, свидетельствует об этом. И, наконец, в итоге химической эволюции претерпевает изменение такая сторона системы, как способность к отражению, в первую очередь генезис развивающихся систем и их взаимодействий.
Современная химия является теоретической дисциплиной, лежащей между физической и биологической теориями. Она, развиваясь, переходит от качественных и полуколичественных представлений к более строгой количественной теории. Широко используются в ней квантовые представления. Значительные успехи, достигнутые в этом направлении, в то же время сопровождаются различными ошибками, которые носят ярко выраженный мировоззренческий, методологический характер. Особенно много прямо противоречащих друг другу толкований вызывает концепция сведения химии к физике. Данная концепция в данный момент оживленно дискутируется.
Между физической, химической и биологической формами движения материи существует структурно-генетическая связь, имеет место эволюционный переход от низших форм движения к высшим. Отрицание подобного перехода, по сути дела, будет означать отрицание эволюции форм движения материи и материального единства мира. Наличие генезиса одних форм из других является основанием для утверждения о выведении высшего из низшего. Между физической, химической и биологической теориями, по-видимому, должны существовать переходы, поскольку аналогичные переходы объективно существуют в природе между формами движения. Выявление перехода и связей между теориями необычайно способствует интеграции научного знания.
Непонимание диалектического единства форм движения материи ведет к их резкому противопоставлению. Подобная установка приводит к ничем не обоснованным выводам о действии в живом особых физических законов. Например, К. С. Тринчер говорит о действии четвертого закона термодинамики. Физические законы едины для живой и неживой материи, но отсюда совершенно не следует, что химические и биологические законы не имеют никакой специфики. Их специфика лежит в иной области.
Современные философские основания химии существенно определяются анализом процесса химической эволюции. Вопрос о химической эволюции особенно актуален потому, что в ее рамках происходит переход от неживого к живому. Игнорирование данного перехода, попытки объяснить биологическое непосредственно из физического приводят к механипизму (его разновидности - физикализму), а постулирование «пропасти» между живым и неживым и безуспешные усилия обнаружить биологическое в рамках физического - к всевозможным разновидностям преформизма и витализма.
Исследования химической формы движения материи имеют большое значение для научной философской теории и общественно-исторической практики. Наряду с конкретным решением частных вопросов необходимо рассматривать и философские проблемы химической формы движения материи, ибо «кто берется за частные вопросы без предварительного решения общих, тот неминуемо будет на каждом шагу бессознательно для себя «натыкаться» на эти общие вопросы».
Химическая форма движения материи выступает как высшая форма движения в неорганической природе. Будучи переходной между физической и биологической формами движения, она играет интегрирующую роль, обеспечивая единство, их взаимосвязь и переход между ними. Химическая форма движения материи представляет особый интерес для выявления, изучения и конкретизации общих принципов системного развития, что затруднительно сделать на основе исследования физической формы движения материи вследствие ее сравнительной бедности и элементарности или же биологической - из-за ее чрезвычайно высокой динамичности и сложности, подчас затемняющей отделение главного от побочного и второстепенного.
Химическая эволюция послужила, по представлениям современной науки, основой для появления жизни в нашей звездной системе. Для возникновения жизни во Вселенной необходимо выполнение ряда условий: наличие нуклеосинтеза, звездообразования, трехмерного пространства, в котором только и могут существовать атомы, планетные системы и др. Открытия в области космологии дают основания для утверждения, что "жизнь есть результат естественных процессов, происходящих во Вселенной" (С. Поннамперума). В связи с проблемой жизни наиболее существенным элементом химической эволюции, разыгрывающейся во Вселенной, является трансформация углеродных соединений, лежащих в основе возникновения земной жизни.
Углерод относится, бесспорно, к наиболее распространенным элементам в космосе, ибо для своего нуклеосинтеза он не требует (подобно таким легким элементам, как гелий, азот или кислород) никаких необычных источников энергии, например в виде вспышек "сверхновых" звезд. Присутствие углерода обнаружено в спектрах всех классов звезд. Правда, в звездах, температура поверхности которых составляет около 25000°С, углерод выступает только в ионизованном состоянии или в виде атомов. Но уже в звездах класса А с температурой поверхности около 10000°С имеются условия, способствующие возникновению соединений углерода с водородом. Количество этих соединений возрастает по мере уменьшения температуры звезд. В случае Солнца, температура поверхности которого составляет около 6000 °С, установлено наличие простейших углеводородов и циана (П. Девис). Наиболее интересными в этом плане являются углеродные звезды, называемые также "красными гигантами". Они характеризуются значительным избытком углерода относительно кислорода, что позволяет предполагать существование в их атмосферах значительного количества различных углеродных соединений.
Согласно результатам исследований английского астрофизика Ф. Хойла, в атмосфере углеродных звезд постоянно возникают зерна графита размером порядка нескольких сот ангстрем, которые под влиянием давления света выталкиваются в межзвездное пространство, образуя там облака графитовой пыли и становясь в этой среде источником разнородных углеродистых соединений. В настоящее время имеются указания на то, что частицы космической пыли обладают сложным строением - силикатное ядро, окруженное оболочкой из органических веществ, в которой, очевидно, протекают различные химические процессы (Дж. Гринберг). Многочисленные звезды являются местом первичного синтеза исходных углеродных соединений, которые могут быть рассматриваемы как предвозвестники более сложных органических соединений. "Известный афоризм, что и мы и звезды сделаны из одного материала, - не пустые слова. Атомы, из которых состоят различные молекулы атмосферы, земной коры, рек, озер и океанов, растений и животных, возникли при рождении Галактики" (С. Поннамперума).
В Галактике непрерывно происходит процесс формирования новых звезд из межзвездной материи, но одновременно возникшие звезды отдают часть своего вещества окружающей их среде, обогащая ее углеродными соединениями. Таким образом, в космическом пространстве возникают условия, благоприятные синтезу различных органических соединений. В межзвездных газопылевых облаках могут развиваться сложные химические процессы, в результате которых в космическом пространстве накапливается все больше простых и более сложных органических субстанций. Так, радионаблюдения показывают, что в нашей Галактике звездообразующие облака включают в себя такие органические межзвездные молекулы, как муравьиная кислота, формальдегид, этанол и др. (Н. Сковилл, Дж. Янг), что в некоторых участках туманности Андромеды имеются молекулы циана и формальдегида (А.С. Шаров).
Источником возникающих в Космосе углеродных соединений являются не только горячие атмосферы звезд, но и ледяные зерна межзвездной пыли. Это означает, что углеродные органические соединения могут возникать, существовать и эволюционировать в весьма широком интервале температур в границах от ЗООО°К (атмосферы углеродных звезд) до 2°К (газопылевые облака). Это является главной причиной того, что и атмосферы звезд, и образования газопылевой материи, и небесные тела типа комет, а также и все межзвездное пространство насыщены большим обилием углерода и его соединений (Г.А. Гурзадян).
Исследования в области квантовой химии холода показали, что благодаря специфически квантовому явлению, так называемому "туннельному эффекту", химические реакции могут идти даже при температурах, близких к абсолютному нулю (В.И. Гольданский). Из экспериментов следует, что реакции полимеризации твердых органических веществ происходят непосредственно в ходе облучения вещества ультрафиолетом уже при температуре жидкого гелия (-269°С). Значимость этих исследований состоит в том, что они показывают возможность синтеза органических молекул, которые составляют основу живой материи, в условиях космического холода под действием космической радиации. Очевидно, "туннельный эффект" играет достаточно важную роль в функционировании биомолекул, он "работает" как в области глубокого холода, так и в области температур выше 200°К (В.И. Гольданский).
Одним из основных процессов, лежащих в основе функционирования реальных биосистем, является перенос (с помощью "туннельного эффекта") электрона в белке (Э.Г. Петров). В результате этого происходит перестройка ядерной конфигурации макромолекулы, которая оказывает влияние на биоэнергетику клетки. Имеются данные о том, что "туннельные эффекты" в многоатомных системах определяют формирование таких биологических свойств, как раздражимость и возбудимость (М.А. Шишло, С.Х. Кубли, В.П. Нужный).
Важность квантовомеханических методов исследования в биохимии заключается в том, что основную роль в жизненных процессах играют делокализованные электроны. Их источниками являются те природные элементы, которые составляют основную часть биохимических веществ.
Известно, что живые системы на 99% состоят из водорода, углерода, азота и кислорода, причем последние три элемента наиболее легко образуют кратные связи. Сюда же относятся и такие весьма важные для биохимических процессов элементы, как сера и фосфор. Эти пять элементов даже в случае одинарных связей располагают "неподеленной парой электронов", способной делокализоваться и связывать сопряженные участки. Поэтому неудивительно, что все "наиболее важные биохимические вещества, связанные с основными функциями живой материи или осуществляющие эти функции, представляют собой полностью или по крайней мере частично сопряженные системы" (Б. Пюльман, А. Пюльман).
К соединениям с сопряженными связями, составляющим основные структурные и функциональные единицы живой клетки, относятся нуклеиновые кислоты, белки, богатые энергией фосфаты и большинство ферментов. Так как эти соединения относительно сложны, а природа не прощает излишеств, то они обладают некоторой существенной особенностью, позволяющей им участвовать в жизненных процессах. Этой особенностью является делокализация электронов, придающая молекуле дополнительную устойчивость (т.е., например, может определять устойчивость молекул к действию излучений и представлять основу для отбора на молекулярном уровне) и обеспечивающая возможность таких реакций, которые не характерны для молекул других типов. Динамичность жизни согласуется с динамичностью "электронного облака" в сопряженных молекулах. Следовательно, такие системы можно рассматривать и как исходную структуру, и как главную основу жизни.
Специфика философии химии
Химия в содружестве с другими науками и в тесном союзе с философией, дает обширный, фундаментальный материал для выработки у ученого научно-философских взглядов на природу и окружающий мир.
Известно, что практические достижения химии стали одним из важнейших моментов происходящей научно-технической революции, а масштабы производственно-химической деятельности людей стали весьма ощутимыми по своим воздействиям на природу и общество. Стремительный рост химизации производства ставит ряд проблем философского и социологического характера.
Экономическая, политическая, идеологическая, нравственная, эстетическая сторона развития химии и химизации производства, их роль в прогрессе техники, производительных сил, в отношениях общества с природой, и опосредованные социальные последствия химизации, и обратное влияние различных социальных факторов на ход развития химической науки, на направление практических применений ее достижений - вот некоторые из этих вопросов.
Можно выделить три основные группы философских вопросов химии. Первая из них связана с обобщением того нового, что достигла химия в познании вещества, с выявлением того, как она обогащает общую научную картину вещества, природы, каково мировоззренческое значение сделанных открытий. Это онтологический аспект достижений химии. Разработка этих вопросов позволяет выяснить, глубже понять сущность тех или иных открытых химией явлений, увидеть их связи с другими - физическими и биологическими и прочими явлениями, осмыслить их место в общей системе природы. Разработка этих вопросов необходима не только для выработки общего научного мировоззрения, соответствующего достигнутому уровню знаний о природе и для корректировки дальнейших направлений химического исследования. Вторую и самую обширную группу вопросов составляют вопросы гносеологические и методологические. В них затрагивается сама познавательская деятельность химика, ее логический инструментарий, анализ развивающегося химического знания применяемых в химии понятий абстракций, методов исследования и т.д. Результаты познания, оформляясь в виде новых понятий, принципов, теорий, всегда становятся и инструментами дальнейшего познания. Раскрыть не только общую естественнонаучную мировоззренческую значимость новых знаний, но их значение в развитии познавательного аппарата науки, их функционирования в роли орудий и средств познания - вот задача исследований методологической и гносеологической стороны химии. Это вопросы в условиях бурного развития современной химии, растущей математизации, абстрактности знаний приобрели особую остроту и значимость. Третья группа философскиx вопросов химии - это вопросы, относящиеся к раскрытию социального аспекта развития химии и химической практики. Это вопросы, связанные с превращением химии в производительную силу, связанные с тем, вырабатываемые наукой понятия становятся орудиями практической деятельности людей по преобразованию объективной действительности. Это вопросы, связанные и с тем, что изучаемые химией вещества - не только загадочный предмет упорных научных исследований, но и то, что жизненно нужно человечеству. Наличие или отсутствие тех или иных видов вещества, доставляемое химией умением переделывать вещество, управлять его свойствами и превращениями, все это является существенным фактором общественного развития и заметно отражается на различных сторонах жизни общества. Конечно, деление философских проблем химии на указанные три группы довольно условно. Законы бытия, объективного мира и законы познания, мышления не есть нечто абсолютно независимое друг от друга, они едины, совпадают и в определенном смысле тождественны. Субъективная диалектика, диалектика понятий есть отражение диалектического движения действительного, объективного мира. Поэтому первую группу вопросов (онтологический аспект) нельзя полностью оторвать от гносеологических проблем. Общая научная картина природы, вещества представляет собой результат познания; она выражается в понятиях, в абстракциях и несет на себе печать гносеологической, методологической позиции исследователей и сама выступает, в свою очередь, орудием познания, базой для совершенствования познавательного аппарата науки, возникновения и решения, гносеологических и методологически вопросов (например, для анализа сдвигов в структуре научной теории). Группа вопросов, касающихся социального аспекта химии, тоже не может быть полностью оторвана от гносеологических и онтологических. Разработка гносеологических, мировоззренческих проблем в науке всегда несет на себе печать идеологической борьбы, социальных процессов своего времени. Мировоззренческое значение тех или иных достижений химии не ограничиваются только тем, что они дают данные для уточнения общих представлений о природе. Место и роль химии и химической деятельности человечества в общей картине бытия полнее могут быть раскрыты лишь с учетом их социального аспекта, влияния на жизнь людей, на состояние отношений общества с природой. Философские вопросы химии, как и всякой другой частной науки, не являются вопросами абсолютно самостоятельными внешними по отношению к ней, вопросами, волнующими лишь отдельных любителей, стремящихся удовлетворить свою праздную любознательность. Можно без преувеличения сказать, что философские вопросы выступают как одна из непременных составных частей в разработке научных и практических проблем химии. Союз химии и философии имел место на протяжении всей их истории. Будучи составной частью в истории формирования обшей естественнонаучной картины мира, история познания химических свойств вещества, история практического овладения им, тесно переплеталась с историей развития отношения человека с окружающим миром, с историей познания материальной и духовной стороны этих отношений. История химии убедительно свидетельствует о том, что многие крупные представители этой науки отличались высокой философской, гносеологической культурой и в той или иной мере всегда проявляли интерес к мировоззренческой, методологической и социальной стороне развития химии, а характер и уровень их философской позиции всегда отражался в направлениях, методах и результатах их исследований. Вопросы общего мировоззренческого характера и вопросы, касающиеся законов познания, особенно тесно вплетены в повседневную деятельность химика. Химическая наука находится сейчас на пороге грандиозного взлета. Ей предстоит выяснить процессы образования минералов земной коры, химических соединений на других планетах и звездах, проникнуть в самые тайники биохимических превращений, вооружить промышленность, сельское хозяйство, здравоохранение новыми синтетическими препаратами. Те успехи, которые одерживала химия в познании природы, явились результатом тесного единства в развитии химической теории и практики. Развитие химии убеждает в необходимости дальнейшего углубленного изучения механизмов научного мышления химиков, его «технологии», его особенностей на разных этапах химической науки. Гносеологический анализ познавательной деятельности химика, его абстракций, моделей, применяемых методов упрощения и идеализации важен в первую очередь для самих химиков. Недостаточное понимание действия и природы средств познания, их происхождения и возможностей обычно оказывается причиной методологических ошибок в исследованиях и выводах, беспомощности перед натиском метафизических и идеалистических спекуляций на гносеологических трудностях при замене одних абстракций на другие, приводит к напрасной трате научных сил и материальных средств. В заключение можно сказать, что философские вопросы химии не являются вопросами, без решения которых эта наука может быстро и успешно развиваться. Эти вопросы, так или иначе выступают как одна из составных частей и в разработке конкретных научных проблем современной химии, прежде всего ее больших теоретических проблем, и в повседневной деятельности химика по добыванию новых знаний о веществе, по преобразованию веществ природы в жизненно нужные людям материальные блага.
2014-05-31Абиогенез и самозарождения. Первыми свои мысли о том, как на Земле появилась жизнь, высказывали еще древние мудрецы. Уже тогда они предполагали, что живые организмы возникли из неорганической материи. В античные времена идея самозарождения (спонтанного зарождения) живых существ из неживых материалов воспринималась как нечто само собой разумеющееся. В Средневековье представления о происхождении жизни получили формы религиозной догмы. Одним из ее постулатов стала идея о возникновении живых существ из земли в процессе гниения под воздействием животворящего духа.
В эпоху Возрождения активно распространилась легенда о гомункулуса — крохотную человечка, которую можно создать из глины, почвы или другой неживой материи с помощью магических заклинаний и обрядов.
Ошибочность идеи о самозарождении жизни документально доказал итальянский врач Франческо Реди (1626-1698). Он провел ряд опытов, которые показали, что мясные мухи, вопреки мнению, что тогда бытовало, развиваются из отложенных самками яиц, а не зарождаются сами по себе в гниющем мясе. Так, Реди брал два куска мяса, раскладывал их в два глиняных горшки, один из которых накрывал дымкой. Через некоторое время в открытом горшке развивались личинки, а в закрытом не было никаких признаков личинок или мух. Поэтому ученый сделал вывод: мухи садятся на гниющий мясо и откладывают в него личинки, в результате чего рождаются новые мухи.
Однако в большинстве биологов вплоть до XIX в. не возникало сомнения, что свойством самозарождения обладают все одноклеточные организмы. Эту идею развенчал только в 1865 выдающийся микробиолог Луи Пастер (1822-1895). К тому времени уже было известно, что после длительного кипячения в закрытой пробкой колбе любой среде, оно остается стерильным до тех пор, пока колба остается невидкоркованою. Однако сторонников идеи самозарождения ни убеждал этот опыт. Они считали, что для самозарождения необходим чистый, а не прогретый воздух. Поэтому на заказ Пастера специально изготовили колбу с изогнутым в виде лебединой шеи горлышком (рис. 197). Прокипяченный в такой колбе питательный бульон не произрастал бактериями так же, как и в колбе, закрытой пробкой. Пастер объяснял это тем, что микроорганизмы, которые проникают в такую колбу вместе с воздухом, оседают на изгибах горлышка. Свои слова он подтвердил, встряхнув колбу так, чтобы бульон обполоскав стенки горлышка. Именно после этого через некоторое время в отваре появились бактерии. Таким образом Л. Пастер доказал, что в среде, лишенной микроорганизмов, невозможно их зарождения даже при идеальных условиях.
Сейчас убежищем идеи самозарождения организмов остается креационизм — религиозно — философская концепция, разнообразие живой природы, человечество, Землю и Вселенную рассматривает как акт божественного творения.
Отрицание идеи возможности спонтанного зарождения организмов в современных условиях не противоречит научным представлениям о том, что жизнь на Земле возникла из неорганической материи миллиарда лет назад в результате химической или, как еще ее называют, предбиологической эволюции. Идея предбиологических развития природы, который привел к образованию жизни, получила название абиогенеза (от греч. А — не, к биос и генезис). Сейчас считается, что эволюция жизни на нашей планете состоит из двух этапов: абиогенеза и биогенеза — собственно биологической эволюции, когда живые организмы происходят только от живых организмов.
Химическая эволюция. Материальная сущность тел живых организмов достаточно проста. Они построены из полимерных органических соединений, основу которых составляют соединения атомов углерода. Процесс жизнедеятельности — это не что иное, как совокупность упорядоченных, вытекающих друг из друга, химических реакций. Мысленно разложив клетку на отдельные структуры и макромолекулы, из которых она построена, а метаболизм организма сначала на биохимические циклы, а затем на отдельные реакции, легко представить логику постепенного усложнения строения химических соединений и реакций, которое могло происходить миллиарды лет назад. В лабораторных условиях, имитирующих условия первобытной Земли, возможно сначала осуществить синтез простейших биогенных соединений, затем из них получить биополимеры, обладают каталитической активностью, а затем — структуры, напоминающие клеточную мембрану. Тем самым можно доказать принципиальную возможность химической эволюции — поступательного процесса появления новых химических соединений, более сложных и высокоорганизованных сравнению с исходными веществами, происходил на Земле перед возникновением жизни.
Основные положения концепции химической эволюции такие.
Жизнь на Земле возникла естественным путем из неорганических веществ с затратой энергии, которая поступала извне.
Возникновение жизни — это процесс появления все новых химических соединений и химических реакций.
Химическая эволюция — процесс, который протекал в течение миллиардов лет в очень специфических условиях под влиянием мощных внешних источников энергии.
Важную роль в химической эволюции сыграл предбиологический отбор, способствовавший возникновению, прежде всего, сложных соединений, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.
Ключевым в процессе химической эволюции был фактор самоорганизации, присущий всем сложным системам, к которым относятся и органические молекулы.
А можно в современных условиях на Земле найти предельное состояние между неживым и живым? Оказывается, можно. Это те же вирусы, которые проявляют свойства как живого, так и неживого, хотя, как считает большинство ученых, не имеют никакого отношения к химической эволюции и происхождения жизни. Интереснее находка совершенно нового пограничного состояния между живым и неживым — так называемых нанобактерий. Это очень мелкие шаровидные субстанции, которые по размерам не превышают вирусы. их можно разглядеть только в электронный микроскоп. Большинство ученых считают их биоминералы. Нанобактерии способны к самовоспроизведению в присутствии определенных витаминов. их размножения при этом происходит путем самокопирования. Нанобактерии не содержат ни ДНК, ни PHK, ни каких-либо белков. Химические процессы в этих субстанциях происходят иначе, чем у прокариот, а скорость их роста в тысячи раз меньше, чем у бактерий.
Современные представления об основных этапах абиогенеза. Образование распространенных в живой природе органических соединений вне организма проходит ряд этапов.
1. Синтез органических мономеров: органических кислот, аминокислот, углеводов, азотистых оснований. Для этого на первобытной Земле были все условия: количество воды, метана, аммиака и цианидов, отсутствие кислорода и других окисления нювачив (атмосфера имела восстановительный характер), а также избыток свободной энергии в виде ультрафиолетового излучения, электрических разрядов и вулканической деятельности.
Возможность синтеза аминокислот и других низкомолекулярных органических соединений из химических элементов и неорганических соединений доказана экспериментально. Для этого составляющие атмосферы тогдашней Земли (углекислый газ, метан и аммиак, водяной пар) были помещены в замкнутую колбу и сквозь эту смесь пропущенные электрические разряды (рис. 198). В результате удалось синтезировать ряд сравнительно сложных биогенных соединений: аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновую кислоту), янтарную и молочную кислоты, другие низкомолекулярные органические соединения. Похожие результаты были получены неоднократно, в том числе за использование других источников энергии, других газов, их различного соотношения. Учитывая, что сейчас в межпланетном пространстве найдены десятки простых органических соединений, можно вполне обоснованно предположить, что за миллиарды лет до возникновения жизни концентрация органических соединений на Земле местами могла быть достаточно высокой. Растворенные в воде, они образовывали так называемый «первичный бульон».
2. Синтез органических полимеров, осуществлялся из имеющихся мономеров, стал следующим этапом химической эволюции. Катализаторами могли быть ионы металлов, а матрицей — частицы глины. В результате этого процесса в «первичном бульоне» образовывались различные полипептиды и простейшие липиды (вспомните, из которых двух компонентов построены жиры). Они сочетались друг с другом, образуя сложные многомолекулярных комплексы — коацерваты (от лат. Коацерватус — собран вместе), имевших вид капель с четкими границами (рис. 199). Коацерваты уже были способны поглощать различные вещества, в них происходили различные реакции, в частности полимеризация мономеров, поступали извне. За счет этих реакций капли могли расти — увеличиваться в объеме, а после достижения критической массы размножаться — дробиться на дочерние капли.
В процессе превращения химии в науку совершалась так называемая химическая эволюция, и переломный момент этого революционного процесса наступил после создания в 1777 году французским естествоиспытателем Лавуазье теории горения с описанием роли кислорода. Тогда же начался пересмотр всех основополагающих понятий и главных принципов химии, изменилась терминология и номенклатура веществ.
Элементарный курс
Год 1789 ознаменовался выходом учебника Лавуазье, сразу ставшего главным пособием для теоретиков и практиков родившейся науки. В "Элементарном курсе химии" уже был первый в мире список - таблица простых тел, где перечислялись известные химические элементы. В основе этого фолианта Лавуазье лежала именно кислородная теория горения, посредством которой химическая эволюция была направлена по абсолютно новому пути. Самое главное в определении элемента - опыт, именно его и избрал учёный главным критерием, а всё, что не подтверждается опытным путём, например атомарное или Лавуазье не рассматривал.
Химическая эволюция пошла путём сформулированных им законов - о сохранении массы, о характере свойств соединений, об их различиях в элементном составе. Именно тогда химия приняла вид науки самостоятельной, изучающей состав тел экспериментальным путём. Никак не могла химическая эволюция обойтись без рационализации предмета, и, таким образом, человечество окончательно отказалось от алхимического прошлого, поскольку представления о природе вещества и его свойствах изменялись коренным образом и очень быстро. А толчком к этому процессу послужили исследования Лавуазье. Теперь даже школьники знают, что этапы химической эволюции (или пребиотической эволюции) нужно рассматривать со времён, которые предшествовали В восемнадцатом веке таких представлений о мире никто ещё не имел.
Жизнь
Химическая эволюция Земли начиналась на абсолютно безжизненной планете, когда органические вещества постепенно начали возникать из молекул неорганических, на которые особым образом влияли энергетические и селекционные факторы. Разворачивались процессы самоорганизации, которые свойственны даже относительно сложным системам. Так, на Земле появился углерод. Вернее, сначала появились углеродосодержащие молекулы, имеющие принципиальное значение не только для возникновения, но и для дальнейшего развития всякого живого вещества.
Нам неизвестно до сих пор, в чем сущность химической эволюции на ранних этапах развития жизни. Известное о химизме любого вещества ограничивает эволюционный процесс границами водно-углеродного постулата. Возможно, во Вселенной есть варианты иного способа существования и наше белковое происхождение - не единственный "выход в свет". Здесь осуществилось уникальное сочетание полимеризационных качеств углерода с деполяризующими свойствами водной среды, находящейся в фазе жидкости. Эти условия оказались достаточными, чтобы началась химическая эволюция жизни, а также необходимыми для развития всего известного нам многообразия жизненных форм.
Запуск процесса
Человечеству даже о собственной колыбели известно далеко не всё. Тем более о том, где и когда начались этапы химической эволюции на Земле. Об этом мы тоже можем только предполагать. Здесь, во-первых, возможны абсолютно любые сроки.
Когда окончился второй цикл звёздообразования, когда конденсировались продукты взрыва которые дали межзвёздному пространству элементы, называемые тяжёлыми, у которых масса превышает двадцать шесть. Когда звёзды уже во втором поколении обрели собственные планетные системы, где необходимых тяжёлых элементов уже было достаточное количество. Реализоваться сущность химической эволюции могла в любой момент после Большого взрыва в промежутке от полумиллиарда до полутора миллиардов лет.
Где зарождалась жизнь
Где она могла зародиться - тоже вопрос открытый. При создании многих достаточно вероятных условий запуск химической эколюции мог произойти практически в любой среде. Это и недра планет, и глубины океанов, и поверхности, даже протопланетные образования годятся.
Более того, облака межзвёздного газа тоже могут послужить плацдармом для атаки живого вещества на безжизненность, и это подтверждают обнаруженные там органические вещества - спирты и сахара, альдегиды, аминокислоты глицина и многое другое, способное послужить исходным материалом для возникновения жизни посредством начавшейся химической эволюции.
Теория
Древняя Земля хранит свои секреты, и человечество пока не имеет достоверных сведений о геохимических условиях её существования до возникновения жизни. Геологическеи исследования не могут удовлетворить все возникающие вопросы, и потому для изучения широко привлекается астрономия. Так выстраивается теория химической эволюции. Сегодняшние венерианские или марсианские условия рассматриваются как аналогичные для Земли на определённых этапах химической эволюции.
Ставятся эксперименты на моделях, и таким образом получаются все известные нам основные данные. Например, с помощью имитации разнообразных химических составов и климатических условий в атмосфере, гидросфере, литосфере были получены сложные органические молекулы. Получение новых данных экспериментальным путём всегда обогащает строящуюся теорию. Так, были во множестве выдвинуты гипотезы относительно конкретных механизмов и непосредственно движущих сил состоявшейся химической эволюции.
Исследования в России
Жизнь на Земле образовалась благодаря абиогенезу, то есть рождению органических соединений, пребывание которых свойственно живой природе вне всякого организма и без малейшего участия ферментов. Это самый первый этап, когда живое появляется из неживого.
По предположению академика Опарина в двадцатых годах двадцатого века, растворы высокомолекулярных соединений получают возможность образовывать некие зоны, где их концентрация повышена, и отделённость от внешней среды не мешает им обмениваться с ней. Эти зоны называются коацерватами или коацерватными каплями.
За рубежом
Первый абиогенный синтез, осуществлённый в условиях первобытной Земли, провёл в 1953 году Стэнли Миллер, синтезировав аминокислоты с другими органическими веществами. Впоследствии появилась теория гиперциклов, которая объясняет проявления жизни в эволюции присутствием комплексов каталитических реакций, следующих друг за другом, где продукт предыдущей становится катализатором для следующей.
Лишь в 2008 году американскими биологами была создана первая "протоклетка", которая сквозь оболочку из жирных кислот и липидов была способна получать нуклеотид-монофосфаты из окружающей среды. Эти активированные имидазолом "кирпичи" абсолютно необходимы для синтеза ДНК. А в 2011 году в Японии были созданы везикулы с элементами ДНК под катионной оболочкой, которые были способны к делению, поскольку шла полиразмерная цепная реакция, реплицирующая ДНК.
Основные гипотезы
Химическая эволюция жизни на Земле в гипотезах объясняет следующие основополагающие моменты.
- Необходимость появления на Земле или в Космосе условий, при которых происходит автокаталитический синтез угреродосодержащих молекул, причём синтез должен иметь большие объёмы и значительное разнообразие, достаточное для начала процесса химической эволюции.
- Возникновение протоклеточных структур, появляющихся из молекул, описанных выше. Эти устойчивые замкнутые агрегаты изолированы от окружающей среды, обмен веществ и энергий в них проходит избирательно. Так возникают протоклеточные структуры.
- В образовавшихся агрегатах появляется способность к самостоятельному развитию - саморепликация и самоизменение всех информационных химических систем. Так возникают элементарные единицы наследственного кода.
- Следующий этап - появление взаимозависимости между функциями ферментов и свойствами белков с РНК и ДНК как носителями информации. Так возникает собственно код наследственности, который необходим для биологической эволюции.
Открытия
Как было сказано выше, Александр Опарин ещё в двадцатых годах прошлого века открыл коацерваты. Далее Стэнли Миллер и Гарольд Юри в 1953 году описали возникновение в симулирующей древней атмосфере простые биомолекулы и процесс их возникновения. Далее Сидней Фокс рассказал миру о микросферах из протеноидов. В 1981 году Т. Чеку и С. Алтману удалось наблюдать автокаталитическое деление РНК, как рибозимы способны объединять информацию и катализ в молекуле, "вырезая" себя из цепочки и соединяя остающиеся "концы".
В 1986 году У. Гилберт из Кембриджа разработал идею "Мир РНК", а Гюнтером фон Кидровски из Германии тогда же была представлена первая самореплицирующаяся система на основе ДНК, что явилось важнейшим вкладом в понимание самореплицирующихся систем и функций их роста. Наука быстро пошла вперёд в этом направлении: Манфред Эйген открыл гиперцикл, эволюцию ансамблей молекул РНК, а Юлий Ребек создал первую искусственную молекулу, которая самореплицируется в хлороформе.
Космос и Земля
В Центре космических полётов НАСА Джон Корлис изучал процесс поставки из термальных источников морей энергии и химикалий, которые делают химическую эволюцию независимой от космической среды, они и сегодня являются для первоначальных археобактерий постоянной средой обитания. В мире сульфидов железа появился ряд гипотез Гюнтера Вэхтерсхойзера.
Он описал первые самореплицирующиеся структуры с обменом веществ, возникшие на поверхности пирита (сульфид железа), который и дал необходимую для обмена веществ энергию. В условиях отбора растущие и распадающиеся кристаллы пирита могут расти и размножаться, создавая различные популяции. Также плотно были изучены минералы глины на предмет появления органических молекул. Тем не менее унифицированной модели химической эволюции пока не существует, поскольку основные принципы движения этого процесса ещё не открыты.
Единство происхождения жизни на Земле и причины неоднородности и разнообразия живых организмов
Выполнила:
студентка естественно –
геграфического факультета
гр. БИ – 11
Фролова Алла Александровна
Ульяновск, 2014 г
Глава I. Единство происхождения. 3
1. 1. Предбиологическая (химическая) эволюция. 3
1. 2. Основные этапы химической эволюции. 3
Глава II. Причины неоднородности и разнообразия. 7
Используемая литература. 10
Глава I. Единство происхождения.
Предбиологическая (химическая) эволюция.
По мнению большинства ученых (в первую очередь астрономов и геологов), Земля сформировалась как небесное тело около 5 млрд лет т.н. путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака.
Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы. Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.
Основные этапы химической эволюции.
Когда температура первичной атмосферы достигает 1000°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и, наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном.
Когда температура первичной атмосферы опустилась ниже 100°С, на Землю обрушились горячие дожди и появился первичный океан. С потоками дождя в первичный океан поступали абиогенно синтезированные органические вещества, что превратило его, в разбавленный «первичный бульон». По-видимому, именно в первичном океане начинаются процессы образования из простых органических молекул - мономеров сложных органических молекул - биополимеров.
Образование биополимеров (в частности, белков из аминокислот) могло происходить и в атмосфере при температуре около 180°С. Кроме того, возможно, на древней Земле аминокислоты концентрировались в пересыхающих водоемах и полимеризовались в сухом виде под действием ультрафиолетового света и тепла лавовых потоков.
Полимеризация нуклеотидов проходит легче, чем полимеризация аминокислот. Показано, что в растворах с высокой концентрацией солей отдельные нуклеотиды самопроизвольно полимеризуются, превращаясь в нуклеиновые кислоты.
Жизнь всех современных живых существ - это процесс непрерывного взаимодействия важнейших биополимеров живой клетки - белков и нуклеиновых кислот.
Таким образом, тайна зарождения жизни - это тайна возникновения механизма взаимодействия белков и нуклеиновых кислот.
Где же происходило развитие сложного процесса взаимодействия белков и нуклеиновых кислот? По теории А.И. Опарина, местом зарождения жизни стали так называемые коацерватные капли.
Гипотеза возникновения взаимодействия белков и нуклеиновых кислот:
Явление коацервации состоит в том, что в некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более концентрированного раствора - коацервата. При встряхивании коацерват распадается на отдельные мелкие капельки. В воде такие капли покрываются стабилизирующей их гидратной оболочкой (оболочкой из молекул воды) - рис. 2.4.1.4.
Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ: под воздействием чисто физико-химических сил они могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада. За счет избирательного концентрирования веществ из окружающей среды они могут расти, а но достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться».
Возникшие в результате концентрирования белковых растворов коацерватные капли в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липидов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема).
Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.
Для коацерватных капель также существует процесс «естественного отбора», при котором в растворе сохраняются наиболее стабильные капли.
Несмотря на внешнее сходство коацерватных капель с живыми клетками, у коацерватных капель отсутствует главный признак живого - способность к точному самовоспроизведению, самокопированию. Очевидно, предшественниками живых клеток явились такие коацерватные капли, в состав которых вошли комплексы молекул-репликаторов (РНК или ДНК) и кодируемых ими белков. Возможно, комплексы РНК-белок длительное время существовали вне коацерватных капель в виде так называемого «свободноживущего гена», а возможно, их формирование проходило непосредственно внутри некоторых коацерватных капель.
Исключительно сложный, не до конца понятный современной науке процесс возникновения жизни на Земле прошел с исторической точки зрения чрезвычайно быстро. Уже 3,5 млрд лет т.н. химическая эволюция завершилась появлением первых живых клеток и началась биологическая эволюция. (URL:http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/proishozhdenie-zhizni (дата обращения: 28.09.2014).