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 молекулярное строение, 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 возникновению жизни на Земле. 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 живого вещества, 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 сверхновых звёзд, 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 процессе химической 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.
