Хімічная эвалюцыя: этапы і сутнасць

У працэсе ператварэння хіміі ў навуку здзяйснялася так званая хімічная эвалюцыя, і пераломны момант гэтага рэвалюцыйнага працэсу наступіў пасля стварэння ў 1777 году французскім прыродазнаўцам Лавуазье тэорыі гарэння з апісаннем ролі кіслароду. Тады ж пачаўся перагляд усіх асноватворных паняццяў і галоўных прынцыпаў хіміі, змянілася тэрміналогія і наменклатура рэчываў.

элементарны курс

Год 1789 адзначыўся выхадам падручніка Лавуазье, адразу стаў галоўным дапаможнікам для тэарэтыкаў і практыкаў якая нарадзілася навукі. У "элементарна курсе хіміі" ўжо быў першы ў свеце спіс - табліца простых тэл, дзе пералічваліся вядомыя хімічныя элементы. У аснове гэтага фаліянта Лавуазье ляжала менавіта кіслародная тэорыя гарэння, з дапамогай якой хімічная эвалюцыя была накіравана па абсалютна новым шляху. Самае галоўнае ў вызначэнні элемента - вопыт, менавіта яго і выбраў навуковец галоўным крытэрыем, а ўсё, што не пацвярджаецца дасведчаным шляхам, напрыклад атамарнага або малекулярнае будынак, Лавуазье не разглядаў.

Хімічная эвалюцыя пайшла шляхам сфармуляваных ім законаў - аб захаванні масы, аб характары уласцівасцяў злучэнняў, аб іх адрозненнях ў элементнай складзе. Менавіта тады хімія прыняла выгляд навукі самастойнай, якая вывучае склад тэл эксперыментальным шляхам. Ніяк не магла хімічная эвалюцыя абысціся без рацыяналізацыі прадмета, і, такім чынам, чалавецтва канчаткова адмовілася ад Алхімічны мінулага, паколькі ўяўленні аб прыродзе рэчывы і яго ўласцівасці змяняліся карэнным чынам і вельмі хутка. А штуршком да гэтага працэсу паслужылі даследаванні Лавуазье. Цяпер нават школьнікі ведаюць, што этапы хімічнай эвалюцыі (або пребиотической эвалюцыі) трэба разглядаць з часоў, якія папярэднічалі ўзнікненню жыцця на Зямлі. У васемнаццатым стагоддзі такіх уяўленняў аб свеце ніхто яшчэ не меў.

жыццё

Хімічная эвалюцыя Зямлі пачыналася на абсалютна знежывелай планеце, калі арганічныя рэчывы паступова пачалі ўзнікаць з малекул неарганічных, на якія асаблівым чынам ўплывалі энергетычныя і селекцыйныя фактары. Разгортваліся працэсы самаарганізацыі, якія ўласцівы нават адносна складаным сістэмам. Так, на Зямлі з'явіўся вуглярод. Дакладней, спачатку з'явіліся углеродосодержащие малекулы, якія маюць прынцыповае значэнне не толькі для ўзнікнення, але і для далейшага развіцця усякага жывога рэчыва.

Нам невядома да гэтага часу, у чым сутнасць хімічнай эвалюцыі на ранніх этапах развіцця жыцця. Вядомае аб хімізм любога рэчыва абмяжоўвае эвалюцыйны працэс межамі водна-вугляроднага пастулату. Магчыма, ў Сусвеце ёсць варыянты іншага спосабу існавання жывога рэчыва, і наша бялковае паходжанне - не адзіны "выхад у свет". Тут ажыццявілася унікальнае спалучэнне полімерізаціонная якасцяў вугляроду з деполяризующими ўласцівасцямі воднай асяроддзя, якая знаходзіцца ў фазе вадкасці. Гэтыя ўмовы апынуліся дастатковымі, каб пачалася хімічная эвалюцыя жыцця, а таксама неабходнымі для развіцця ўсяго вядомага нам разнастайнасці жыццёвых формаў.

запуск працэсу

Чалавецтву нават пра ўласную калыскі вядома далёка не ўсё. Тым больш пра тое, дзе і калі пачаліся этапы хімічнай эвалюцыі на Зямлі. Пра гэта мы таксама можам толькі меркаваць. Тут, па-першае, магчымыя абсалютна любыя тэрміны.

Калі скончыўся другі цыкл зоркаўтварэньня, калі кандэнсаваных прадукты выбуху звышновых зорак, якія далі міжзоркавага прасторы элементы, званыя цяжкімі, у якіх маса перавышае дваццаць шэсць. Калі зоркі ўжо ў другім пакаленні здабылі ўласныя планетныя сістэмы, дзе неабходных цяжкіх элементаў ўжо было дастатковую колькасць. Рэалізавацца сутнасць хімічнай эвалюцыі магла ў любы момант пасля Вялікага выбуху ў прамежку ад паўмільярда да паўтара мільярда гадоў.

Дзе зараджалася жыццё

Дзе яна магла зарадзіцца - таксама пытанне адкрытае. Пры стварэнні многіх досыць верагодных умоў запуск хімічнай эколюции мог адбыцца практычна ў любы асяроддзі. Гэта і нетры планет, і глыбіні акіянаў, і паверхні, нават протопланетные адукацыі падыходзяць.

Больш за тое, аблокі міжзоркавага газу таксама могуць паслужыць плацдармам для нападу жывога рэчыва на знежывелай, і гэта пацвярджаюць выяўленыя там арганічныя рэчывы - спірты і цукру, альдэгіды, амінакіслоты гліцыну і многае іншае, здольнае паслужыць зыходным матэрыялам для ўзнікнення жыцця праз распачатай хімічнай эвалюцыі.

тэорыя

Старажытная Зямля захоўвае свае сакрэты, і чалавецтва пакуль не мае дакладных звестак аб геахімічных чаго яна жыве да ўзнікнення жыцця. Геалагічныя даследаванні не могуць задаволіць усе пытанні, якія ўзнікаюць, і таму для вывучэння шырока прыцягваецца астраномія. Так выбудоўваецца тэорыя хімічнай эвалюцыі. Сённяшнія венерианские або марсіянскія ўмовы разглядаюцца як аналагічныя для Зямлі на пэўных этапах хімічнай эвалюцыі.

Ставяцца эксперыменты на мадэлях, і такім чынам атрымліваюцца ўсе вядомыя нам асноўныя дадзеныя. Напрыклад, з дапамогай імітацыі разнастайных хімічных складаў і кліматычных умоў у атмасферы, гідрасферы, літасферы былі атрыманы складаныя арганічныя малекулы. Атрыманне новых дадзеных эксперыментальным шляхам заўсёды ўзбагачае якая будуецца тэорыю. Так, былі ў мностве вылучаны гіпотэзы адносна канкрэтных механізмаў і непасрэдна рухаючых сіл якая адбылася хімічнай эвалюцыі.

Даследаванні ў Расіі

Жыццё на Зямлі ўтварылася дзякуючы абиогенезу, то ёсць нараджэнню арганічных злучэнняў, знаходжанне якіх уласціва жывой прыродзе па-за ўсякім арганізма і без найменшага ўдзелу ферментаў. Гэта самы першы этап, калі жывое з'яўляецца з нежывога.

Па здагадцы акадэміка Опарина ў дваццатых гадах дваццатага стагоддзя, растворы высокамалекулярных злучэнняў атрымліваюць магчымасць утвараць нейкія зоны, дзе іх канцэнтрацыя павышана, і аддзелены ад навакольнага асяроддзя не перашкаджае ім абменьвацца з ёй. Гэтыя зоны называюцца коацерватами або коацерватными кроплямі.

за мяжой

Першы абиогенный сінтэз, здзейсненага ва ўмовах першабытнай Зямлі, правёў ў 1953 годзе Стэнлі Мілер, сынтэзаваўшы амінакіслоты з іншымі арганічнымі рэчывамі. Пасля з'явілася тэорыя гиперциклов, якая тлумачыць праявы жыцця ў працэсе хімічнай эвалюцыі прысутнасцю комплексаў каталітычных рэакцый, наступных адзін за адным, дзе прадукт папярэдняй становіцца каталізатарам для наступнай.

Толькі ў 2008 годзе амерыканскімі біёлагамі была створана першая "протоклетка", якая скрозь абалонку з тоўстых кіслот і ліпідаў была здольная атрымліваць нуклеатыд-монофосфат з навакольнага асяроддзя. Гэтыя актываваныя имидазолом "цагліны" абсалютна неабходныя для сінтэзу ДНК. А ў 2011 годзе ў Японіі былі створаны везікулы з элементамі ДНК пад катыённай абалонкай, якія былі здольныя да дзялення, паколькі ішла полиразмерная ланцуговая рэакцыя, реплицирующая ДНК.

асноўныя гіпотэзы

Хімічная эвалюцыя жыцця на Зямлі ў гіпотэзах тлумачыць наступныя асноватворныя моманты.

1. Неабходнасць з'яўлення на Зямлі або ў Космасе умоў, пры якіх адбываецца автокаталитический сінтэз угреродосодержащих малекул, прычым сінтэз павінен мець вялікія аб'ёмы, і значнае разнастайнасць, дастатковую для пачатку працэсу хімічнай эвалюцыі.
2. Узнікненне протоклеточных структур, якія з'яўляюцца з малекул, апісаных вышэй. Гэтыя ўстойлівыя замкнёныя агрэгаты ізаляваны ад навакольнага асяроддзя, абмен рэчываў і энергій у іх праходзіць выбарча. Так узнікаюць протоклеточные структуры.
3. У ўтварыліся агрэгатах з'яўляецца здольнасць да самастойнага развіцця - саморепликация і самоизменение ўсіх інфармацыйных хімічных сістэм. Так узнікаюць элементарныя адзінкі спадчыннага кода.
4. Наступны этап - з'яўленне ўзаемазалежнасці паміж функцыямі ферментаў і ўласцівасцямі бялкоў з РНК і ДНК як носьбітамі інфармацыі. Так узнікае уласна код спадчыннасці, які неабходны для біялагічнай эвалюцыі.

адкрыцця

Як было сказана вышэй, Аляксандр Опарин яшчэ ў дваццатых гадах мінулага стагоддзя адкрыў коацерваты. Далей Стэнлі Мілер і Гаральд Юры ў 1953 годзе апісалі ўзнікненне ў сімулюе старажытнай атмасферы простыя біямалекул і працэс іх узнікнення. Далей Сіднэй Фокс распавёў свету пра мікрасферы з протеноидов. У 1981 годзе Т. Чэку і С. Алтману атрымалася назіраць автокаталитическое дзяленне РНК, як рибозимы здольныя аб'ядноўваць інфармацыю і каталіз у малекуле, "выразаючы" сябе з ланцужка і злучаючы якія застаюцца "канцы".

У 1986 году У. Гілберт з Кембрыджа распрацаваў ідэю "Свет РНК", а Гюнтэрам фон Кидровски з Германіі тады ж была прадстаўлена першая самореплицирующаяся сістэма на аснове ДНК, што з'явілася найважнейшым укладам у разуменне самореплицирующихся сістэм і функцый іх росту. Навука хутка пайшла наперад у гэтым напрамку: Манфрэд Эйген адкрыў гиперцикл, эвалюцыю ансамбляў малекул РНК, а Юлій Ребека стварыў першую штучную малекулу, якая самореплицируется ў хлараформе.

Космас і Зямля

У Цэнтры касмічных палётаў НАСА Джон Корлис вывучаў працэс пастаўкі з тэрмальных крыніц мораў энергіі і хімікаліяў, якія робяць хімічную эвалюцыю незалежнай ад касмічнай асяроддзя, яны і сёння з'яўляюцца для першапачатковых археобактерий пастаяннай асяродкам існаваньня. У свеце сульфідаў жалеза з'явіўся шэраг гіпотэз Гюнтэра Вэхтерсхойзера.

Ён апісаў першыя самореплицирующиеся структуры з абменам рэчываў, якія ўзніклі на паверхні пірыту (сульфід жалеза), які і даў неабходную для абмену рэчываў энергію. Ва ўмовах адбору растуць і якія распадаюцца крышталі пірыту могуць расці і размнажацца, ствараючы розныя папуляцыі. Таксама шчыльна былі вывучаны мінералы гліны на прадмет з'яўлення арганічных малекул. Тым не менш уніфікаванай мадэлі хімічнай эвалюцыі пакуль не існуе, паколькі асноўныя прынцыпы руху гэтага працэсу яшчэ не адкрыты.