ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И БИОГЕНЕЗ
А, П. Руденко
Химическая эволюция, приводящая к возникновению жизни,— биогенез, является единственной формой диалектического перехода от неживого вещества в живое среди всех возможных процессов развития материального мира. Знания в этой области всегда составляли существенную часть картины мира и материалистического мировоззрения. Поэтому проблемы химической эволюции и биогенеза относятся к важнейшим вопросам естествознания, представляют большой интерес для материалистической философии и давно уже привлекают внимание ученых разиых специальностей.
1. К ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В ХИМИИ
Проблема химической эволюции в полном виде как проблема „диалектического перехода от неживого вещества к живым организмам, от низших проявлений химиз-
70
аг а и высшие сформулирована в философско-методологи-ческом плане Ф. Энгельсом ', а также рассматривалась в трудах ряда естествоиспытателей, пытавшихся представить происхождение жизни эволюционным путем. Начиная с работ А. И. Опарина2, предложившего коацерват-нуго теорию происхождения жизни, в которой впервые была рассмотрена конкретная физико-химическая модель этого сложного явления, ряд других исследователей3 развивали идею прогрессивной химической эволюции, варьируя и учитывая успехи науки в области биохимии и молекулярной биологии. Наряду с этим многие авторы рассматривали проблему химической эволюции и в частном виде, как проблему абиогенного синтеза органических и биологически важных веществ в природных условиях, как проблему образования химических соединений вообще п даже как проблему происхождения элементов.
В связи с этим возникает ряд принципиальных вопросов: что такое химическая эволюция в конкретном плане; существуют ли особые объекты химической эволюции и специфические химические явления и законы, отличные от обычных химических проявлений, или к химической эволюции относятся любые проявления химизма; что эволюционирует в химии: вещества или процессы; каковы роль молекулярпо-структурного и. функционального аспектов н их взаимоотношение в химической эволюции; каковы причины, движущие силы и закономерности прогрессивной химической эволюции. До появления работ в области эволюционного катализа 4 не было Достаточно аргументированных ответов ни на один из этих вопросов, а без этого нельзя представить себе и
1 См.: Маркс К., Энгельс Ф. Соч. 2-е пзд. Т. 20. С. 73, 564.
2 Опарин А. И. Происхождение жизни. М., 1924; Он же. Возникновение жизни на земле. М., 1957.
3 См.: Haldane J. The origin of life//Rationalist Annual, 1929; Кальвин М. Химическая эволюция. М., 1971; Руттеп М. Происхождение жнзнн (естественным путем). М., 1972; Новпк В. Теория Происхождения жизни «Коацерват в коапервате» // Происхождение жизни и эволюционная биохимия. М., 1975. С. 222—236; Фокс С., Дозе К. Молекулярная эволюция и возникновение жизни. М., 1975; Кедров Н. М., Серебровспая. Н. Б. Проблема происхождения и сущности жнзпи и ее философский аспект // Жури. ВХО им. Д. И. Менделеева. 1980. Т. 25, № 3. С. 252—275.
4 Руденко А. П. Саморазвивающиеся каталитические систе-М'>'//ДЛН СССР. 1964. Т. 159. С. 1374—1377; Он же. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М., 1969.
71
предмет химии в области химической эволюции. Поэтому химики не занимались этой проблемой 5. Несмотря на то что проблема химической эволюции и биогенеза по сути химическая и является одной: из актуальнейших проблем химии, она как бы временно выпала из круга интересов химиков, оказалась где-то в стороне от главных путей развития химии, но в то же время привлекла внимание биохимиков, биологов, геохимиков, геологов, астрофизиков.
Произошла своеобразная экспансия других наук в область химии, привнесшая несвойственные химии подход к проблеме и собственное понимание задач исследования и предмета в области химической эволюции. При этом был разработан биохимический подход к проблеме, рассматривающий осуществившуюся когда-то на Земле химическую эволюцию ретроспективно, со стороны биологии, на основе ее известного конечного результата. Основанием для разработки такого подхода послужили. большие успехи современной биохимии и молекулярной биологии в расшифровке биохимических функций, молекулярной основы и генетического кода живого, давшие знание настоящего, а также удовлетворительный опыт применения актуалистпческого подхода в такой описательной науке, как историческая геология, где о сути прошлых событий вынуждены судить лишь по их следам.
Так как было показано, что живое вещество состоит из ограниченного числа видов простейших органических и неорганических молекул, образующих биополимеры или участвующих в метаболизме (20 а — аминокислот L—ряда, 5 пуринов и пиримндпнов, несколько моносахаридов D—ряда, фосфорная кислота, вода и некоторые другие — всего несколько сотен, составляющих ничтожную часть от известного сейчас многообразия индивидуальных химических веществ), то согласно акту.алисти-чоскому подходу решение проблем химической эволюции и биогенеза казалось легко достижимым. Оно сводилось к объяснению путей образования и превращения в биополимеры небольшого числа веществ, т. е. к рассмотрению молекулярной эволюции в ряду: простейшие неорганические и органические вещества — малые биомолекулы — биополимеры — надмолекулярные системы биополимеров — живая клетка. ,
В соответствии с этим ставшщсь и задачи экспериментальных исследований, которые после известных опы-
5 Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. М., 1973.
72
тов Мпллера" по синтезу аминокислот из смеси металла, аммиака и воды под действием электрических разрядов показали, что все молекулярные составляющие живого вещества (аминокислоты, карболовые кислоты, пурины, пприыидпны, моносахариды, порфирпноподобные вещества и нр.) могут быть легко синтезированы абиогенно из простейших веществ с привлечением реальных для условий первичной Земли источников нехимнческон энергии (ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов, радиоактивных излучений, тепла вулканических извержений, ударных волн и пр.). Следовательно, объяснение первого этапа молекулярной биохимической эволюции в рамках физических и химических законов не имеет никаких принципиальных трудностей, чего нельзя сказать о ее исследующих этапах.
Хотя все основные биополимеры также были синтезированы в абиогенных условиях — полшгентиды при термической поликонденсащш аминокислот с помощью пнрофосфорноп кислоты7, нуклеозидфосфаты при действии УФ-лучей па адешш и метафосфат8, нуклеотиды и полинуклеотиды при нагревании углеводов и гетероциклических оснований с метафосфорпыми эфнрами9, тем не менее условия синтеза оказались резко отличными от условий, предполагавшихся для происхождения жизни в водной среде. Все этп синтезы, представляющие дегид-ратациопную конденсацию мономеров, в водной среде имеют положительный потенциал Гиббса и требуют дополнительной затраты химической энергии, источники которой неизвестны. Без дополнительной энергии эти синтезы не могут осуществиться, а имевшиеся биополимеры не смогли бы сохраниться длительное время, так-как равновесие процесса в этих условиях сдвинуто в сторону их гидролиза.
6 Miller S. L. Formation of organic Compounds on the Primitive Earth //The origin of Life on Earth. London, 1959. P. 123—135- cm. также: Кальвин М. Химическая эволюция. М., 1971; Фокс С., Дозе К. Молекулярная эволюция п возникновение жизни. М., 1975; Мухин, Л. И. Химическая эволюция // Журп. ВХО им. Д. И. Менделеева. 1980. Т. 25, № 4. С. 412-418; Map хинин Е. К Вулканы' и ншзнь. М., 1980.
7 Парада К., Фокс С. Термическая поликонденсацпя свободных аминокислот с полифосфорной кислотой // Происхождение пред-оиологдческих систем. М., 1966. С. 292—302.
8 Саган К. Первичный синтез нуклеозндфосфатов под дейст-ппем ультрафиолетовых лучей//Там же. С. 211—223.
9 Шрам Г. Синтез пуклеозидоп и полпнуклеотидоп с помощью ^етафосфорных эфпров // Там же. С. 303—320.
73
Еще большие трудности и противоречия возникают при объяснении последующих этапов молекулярной эволюции, а также ее причин, движущих сил, механизмов естественного отбора, происхождения генетического кода. Неясно, почему вообще происходит химическая этолюция и чем она отличается от неорганизованных химических процессов, почему для построения живого в эволюции было отобрано ограниченное число веществ из всех возможных, нечему химическая эволюция приводит к системам, удаляющимся от равновесия, характерным свойством которых является устойчивое неравновесие, а все: остальные самопроизвольные процессы природы приводят к равновесию и т. д. Причины этих трудностей заключаются, по-видимому, в неспособности актуалистпческого подхода вскрыть заколы химической эволюции, определяющие ее условия, возможности, причины и направленность, так как этот подход устанавливает процесс давно прошедшей, эволюции лишь по ее следам в современной жизни, а факторы, условия п законы эволюции не сохраняют специфических следов ни в вещественном составе, ни в морфологических особенностях организмов 10. Поэтому нельзя сделать однозначных выводов даже о путях эволюции и причинах появления тех или иных структур, точно устанавливаемых в живых организмах, не говоря уже о причинах и законах самой эволюции. Из этого следует, что никакие дальнейшие успехи биохимии и молекулярной биологии в расшифровке биохимических функций, состава н молекулярной структуры компонентов живого не могут изменить создавшегося положения при решении проблем химической эволюции и бпогенеза актуалистическим методом.
Эти трудности приводят исследователей либо к глубокой неудовлетворенности состоянием дел в области бпогенеза, что высказывали, например, Бернал ", Кеньоп и Стешшан 12, либо к выводу о принципиальной: невозможности объяснения исторического пути химической эволюции (Эйген13), либо к выводу о неприменимости законов
10 См. в связи с этим: Руденно А. П. Эволюционная химия н естсствепнопсторический подход к проблеме происхождения жиз-пи//Журн. ВХО им. Д. И. Менделеева. 1980. Т. 25, № 4. С. 390—. 404.
11 Бернал Дж. Возникновение жизни. М., 1969.
12 Кенъои Д., Сгсйнман Г. Биологическое предопределение. М„ 1972.
13 Эйген М. Самоорганизация материн и эволюция биологических макромолекул. М., 1973.
74
экспериментальной науки для обсуждения этих проблем (Мора11). Некоторые исследователи отказываются от решения этой проблемы для условий Земли и пускаются в фантастические предположения об особых экзотических условиях происхождения жизни у «молибденовой звезды» с последующим ее заносом к нам в результате целенаправленной деятельности внеземной цивилизации (Крик15, Оргел16), другие отказываются от эволюционного подхода к этой проблеме, допуская случайность образования системы репликации ДНК (Кастлер") или самовоспроизводящихся белковонуклеотидных гиперциклов (Эйген18). В ряде наших работ проведен более подробный анализ разных теорий происхождения жизни, основанных на идее молекулярной эволюции и биохимическом подходе к ней 1Э.
Легко видеть, что «экспансия» биолого-биохимических идей и методов в область химической эволюции, кроме привлечения внимания к проблеме и установления природы п происхождения ряда биологически важных веществ, практически ничего не дала, ибо она не помогла ответить ни на один из сформулированных выше химических вопросов, касающихся специфики самого явления, объектов, причин и закономерностей химической эволюции; не дала объяснений, как и почему происходит химическая эволюция и биогенез. Очевидно, что на вопросы, стоящие перед химией, должна и может сполна ответить только сама химия.
14 Мора П. Несостоятельность вероятностного подхода//Происхождение предбиологическпх систем. М., 1966. С. 47—75.
15 Criek F. N. The origin of the genetik code//J. Mol. Biol., 1968. T. 38. P. 367—379.
16 Orgel L. E. Evolution in the genetic apparatus//Ibid. P. 381—
17 Кастлер Г. Возникновение биологической организации. М.,
18 Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М., 1973.
13 Руденко А. П. Химическая добиологпческая эволюция каталитических систем и критерий живого//Критерии живого. М., 1971. С. 37—56; Он же. Эволюционный катализ и проблема происхождения жизни//Взаимодействие методов естественных наук в позна-"ин жпзпи. М., 1976. С. 186—235; Он же. Эволюционная химия н сстествешгонсторлчесшш подход к проблеме происхождения жпз-»Ц // Журн. ВХО им. Д. И. Менделеева. 1980. Т. 25, № 4. С. 390— 404.
75
ми,.-, способными к •_ прогрессивней • • хиуическо»^ зволдь щш г2, на,lOcijOB'e теории? эволюционного''каталша была разработана общая теория химической эволюции п биогенеза 23, описывающая условия, закономерности и естественные этапы добиологнческой химической эволюции. ц обосновано выделение повой области науки — эволюционной химии ", изучающей объекты и процессы химической эволюции, ее условия и законы, естественные этапы и биогенез.
Формы структурной организации химических объектов. Объекты химической эволюции ЭОКС были выявлены в результате теоретического анализа разных проявлений катализа и нарушений их классических форм2Г|, а также распространения примененного при этом системного и динамического подхода на все проявления химизма 26. Было достигнуто общетеоретическое обобщение всех проявлений химии, дана их систематика " по сущностным характеристикам, отражающим формы структурной и функциональной организации вещества и уровни проявлений, химизма, и показано, что только ЭОКС обладают комплексом свойств, необходимых для осуществления прогрессивной химической эволюции. Вместе с тем была, определена сущность химической эволюции как процесса необратимых последовательных изменений ЭОКС.
Согласно упомянутой классификации все элементарные объекты химии по форме структурной организации делятся на две группы: объекты с равновесной организацией, структура которых определяется устойчивым порядком взаимодействия согласно принципу Больцмапа (молекулы и другие полиатомные образования), и объекты с неравновесной структурой п функциональной организацией, порядок взаимодействия частей в которых и устойчивость структуры определяются ходом химического
22 Руденко Л. П. Эволюционный каталпз л проблема происхождения жизни.
23 Кузнецов К. II. Диалектика развития химпи.
24 Кузнецов В. И. Диалектика развития химии; On же. Тендеп-",»и развития химии. М., 1976; Руденко А. П. Эволюционная химия и сстестпепнопсторлческий подход к проблеме происхождения 'кизил. i -'-
" Рцденко А. П. Саморазвивающиеся каталитические системы; и" же. Теория саморазвития открытых каталитических систем.
26 Руденко А. П. Физпко-хнмпческне основания химической эволюции // Жури. (риз. химии. 1983. Т. 57.
27 Там же,
77 -
процесса и интенсивностью обмена веществ ц энергии • (переходные состояния химических реакций, взятые в динамике, во всех (разах их образования и распада при превращении исходных -веществ). Такие динамические образования являются химическими системами. В отличие от статической структуры объектов первого рода., химическим системам свойственна динамическая структура, существующая временно. „Имеются четыре типа элементарных химических систем: элементарный некаталп-тТ™"с1шё~1?~каталптические, элементарные открытые не-каталнтпческпе и каталитические системы. Среди этих систем только ЭОКС способны существовать во времени и пространстве в виде генеалогически связанных катализатором точно воспроизводимых копий неравновесной структурной л функциональной организации и проявляют . свойство устойчивого неравновесия и гомеостазпса в цепочке повторных каталитических актов. В отличие от других систем ЭОКС способны..не только динамически существовать, но и развиваться при взаимодействии, с факторами внешне!) среды за счет изменений природы катализатора и устойчивого порядка его функционирования.
Таким образом, представления об ЭОКС являются развитием представлений о переходных состояниях в кинетике с учетом нх системных и динамических . свойств.
Способ и условия существования объектов химической-эволюции. Основой существования любой ЭОКС является базисная реакция п катализатор, способом существования — обмен веществ п энергии базисной реакции, а формой неравновесной структурной п функциональной организации — устойчивый порядок функционирования катализатора (механизм базисной реакции), зависящий' только от • .природы базисной реакции и катализатора. Таким образом, сама химическая эволюция представляет Ообой последовательное изменение и усложнение механизма (аппарата осуществления) базисной' р'еакции при неизменной природе последней.
Так как существование ЭОКС возможно только в ходе базисной реакции, когда идет обмен веществ и энергии, а устойчивость систем определяется интенсивностью этого обмена, можно получить количественные характеристики способности систем к существованию, характеристики гомеостазпса и неравновесия. Главными параметрами, входящими в эти характеристики, являются
78
абсолютная йаталитпческая активность
— —
а~ ~
(где п — число каталитических актов за время t; t* — длительность одного каталитического акта — константа, которая при постоянной температуре зависит только от природы катализатора, входящего в ЭОКС) и элементарное сродство базисного процесса
(где Д7 — потенциал Гпббса; Лгл — число Авогадро; а — коэффициент, зависящий от .стехиометрии базисной реакции) 28. Существование ЭОКС возможно, если я/>0, устойчивость и гомеостазис систем тем выше, чем больше а/, а при одной и той же базисной реакции (/= const) of может изменяться лишь за счет изменений абсолютной каталитической активности, являющейся поэтому главным параметром всех эволюционных характеристик п естественного отбора систем. Теоретическое рассмотрение условий существования и развития обобщенной модели ЭОКС на основе этих параметров и позволило ограничить эти условия, охарактеризовать обобщенные свойства систем, особенности эволюционных изменений, принципы и законы химической эволюции, причины и движущие силы эволюции, механизм естественного отбо--ра, -пределы развития, механизм формирования новых свойств и функций систем, естественные этапы химической эволюции в биологическую. Такое количественное рассмотрение и дало ответ на поставленные вопросы.
Из разработанных теорий следует, что существувэт-особые объекты и процессы химической эволюции, отличающиеся от обычных объектов и процессов химии, и что процессы абиогенного синтеза органических веществ и некоторые другие природные химические процессы не относятся к процессам прогрессивной химической эволюции п биогенеза, поскольку не связаны с существованием и развитием ЭОКС.
Химическое поведение систем. Анализ обобщенных свойств ЭОКС и особенностей процесса химической эволюции показывает специфику проявлении высшего хн-
23 См.: Руденко Л. П. Теория саморазвития открытых каталитических систем.
79
мизма, свойственного объектам и "процессам химической эволюции. В отличие от проявлений обычного химизма, связанного с "образованием ц распадом связей между атомами, ЭОКС свойственны реакции на воздействия факторов внешней среды системы в целом, приводящие к изменениям ее неравновесной структурной и функциональной организации, а не только к образованию и распаду связей между атомами. Устойчивость системы проявляется в стремлении сохранить прежний порядок функционирования и само существование системы, что является проявлением гомеостазнса. Реакция же системы на внешние воздействия сводится к ее приспособлению к этим воздействиям, сопровождаемому адекватным изменением ее кинетической и конституционной сферы, что следует считать проявлением ее химического поведения. В химическом поведении ЭОКС в окружающей среде мы видим прототип отражения системой «внешнего мира» на химическом уровне. По-видимому, именно в химическом поведении ЭОКС следует видеть проявление отражения на химическом уровне, а не в особых свойствах некоторых полуфункциональных молекул^как это предполагается ", ибо рассмотрение возможной реализации переходных состояний, в которых какая-то лабильная молекула может формировать себя по внешнему предмету и отражать его, сводится к рассмотрению химического поведения ЭОКС. Изменения ЭОКС в химической эволюции, связанные с изменениями природы их конституционной: сферы и порядка функционирования, могут быть представлены ^av последовательные изменения их химического поведения, а усложнения химического поведения DOKG в ходе прогрессивной химической эволюции постепенно приближают проявления высшего химизма к проявлениям жизни. Поэтому следует признать, что между проявлениями элементарного химизма, изучаемого классический химией, и проявлениями жизни существует область проявлений высшего химизма, который должен изучаться в пределах эволюционной химии. , .
Причины и закономерности химической эволюции. Наиболее существенной частью eobqto знания в облачи химической эволюции и происхождении жизни, даваемого теориями эволюционного катализа и общей теорией химической эволюции и биогенеза, являются представления о принципах и законах химической эволюции, ее
29 См.: Жданов 10. А. Углерод и жизрь. Ростов п/Д., 1968.
80
причинах и движущих силах в механизме естественного отбора. Выявление закономерностей и причин химической эволюции стало возможным только в результате разработки количественной теории, описывающей эволюцию ЭОКС, и использования количественных параметров кинетического, термодинамического, вероятностного и информационного характера в виде эволюционных функций 30.
Среди эволюционных закономерностей химии выделяются:
принципы существования ЭОКС при неизменной их природе, характеризующие особенности их неравновесной структурной и функциональной организации; механизм гомеостазиса и необходимый комплекс постоянных условий существования;
принципы выживания при однократных необратимых изменениях природы ЭОКС, характеризующие особенности эволюционных изменений и химического поведения систем при их взаимодействиях со случайными факторами внешней среды и механизм первичного естественного отбора на выживание систем;
принципы развития при многократных изменениях природы ЭОКС, характеризующие возможность химической эволюции в виде цепей последовательных эволюционных изменений (феноменологические законы развития ЭОКС вероятностного,, -кинетического, термодинамического и информационного характера);
принципы саморазвития, самоорганизации и само-Усложпения ЭОКС, характеризующие направленность эволюции, ее причины, движущие силы и механизм естественного отбора по прогрессивным качествам; эти принципы являются следствием проявления основного зако-IFa прогрессивной химической эволюции, определяющего наибольшую скорость пли наибольшую вероятность тех путей эволюционных изменений, которые приводят к максимальному эволюционному эффекту, количественно Измеряемому функциями от абсолютной каталитической актцвности как переменной;
принципы саморазвития поведения ЭОКС, характери-3Ующие механизм опосредствованного выявления селек-Т1«Шоц ценности эволюционных изменений качественно-11оременных свойств (состав, строение, структурная и
30 См.: Руденко А. П. Теория саморазвития открытых каталп-'"ческпх систем.
81
функциональная организации и пр.) по прямому отбору на максимальную величину адекватно связанных с ними качественно постоянных эволюционных характеристик (функции от абсолютной каталитической активности);
принципы саморазвития свойств п функций ЭОКС в прогрессивной химической эволюции, характеризующие механизм преодоления вероятностных и кинетических пределов развития в результате формирования качественно новых признаков систем и определяющие естественные этапы химической эволюции.
Причиной прогрессивной химической эволюции является тенденция к росту рассеивания свободной энергии базисного обменного процесса, т. е. движущей сплои является сама базисная реакция. Происходит саморазвитие ЭОКС по основному параметру а, сопровождаемое постоянным ростом общей мощности базисной реакции, определяемой величиной а/.
Основной закон эволюции и самоорганизация химических систем, ЗОКС свойственна определенная нерашювсс- " кая структурная ц функциональная организация на/ всех этапах химической эволюции, начиная с образования простейших ЭОКС,—высота этой организации измеряется внутренней полезной работой базисного процесса, направленной против равновеспя и совершаемой в кинетической и конституционной, сферах ЭОКС- за счет временного задержания части освобождаемой в базисной реакции энергии. В ходе эволюции происходит .саморазвитие организации (самоорганизация) ЭОКС в папривле^ пни увеличения коэффициента полезного использования энергии базисного процесса на внутреннюю полезную работу, чем она и может быть оценена количественно. 'В ходе эволюции происходи^ также саморазвитие сложности (самоусложненпе) ЭОКС в направлении улечиче-кпя объема эволюционной информации, запечатленной в физико-химических .изменениях системы п измеряемой числом актов эволюционных изменений систем. Однако теория показывает, что уровень самоорганизации и самоусложнения систем по прогрессивным и регрессивным путям развития, ограниченным' одним и тем же числом эволюционных стадий, один и. тот же. Различна лишь скорость роста самоорганизации п самоуслоишения; она выше по прогрессивным путям эволюции, чем по регрессивным. Это значит, что естественный отбор идет пе по сампм параметрам, характеризующим организацию " сложность ЭОКС, а по скоростям их возрастания, завися-
82
щим от кинетического параметра а. Из этого следует, что самоорганизация п самоусложиошю ЭОКС подчинены их саморазвитию по параметру а и пе могут происходить независимо. Точно так нее сущность и механизм этих процессов не могут быть поняты в отрыве от сущности явления саморазвития. Поэтому неправильно рассматривать самоорганизацию в прогрессивной эволюции в отрыве от саморазвития и искать причины самоорганизации вис рамок проявления основного закона эволюции. Для рассмотрения вопросов самоорганизации прежде всего должен быть выявлен основной закон и определены движущие силы эволюции пли хотя бы учтена зависимость эффекта самоорганизации от проявлений основного закона, подразумеваемого в пеявиой форме, как это делается, например, у Матвеева3|, учитывающего принцип динамического уравновешивания систем как основу самоорганизации, или у Романовского32, говорящего о наличии «заводной пружины», приводящей в действие механизм самоорганизации. •
Естественные этапы химической эволюции и переход химической эволюции в биологическую. Типология эволюционирующих объектов в эволюционной химии строится па основе выявления обобщенных физико-химических форм преодоления вероятностных и кинетических пределов развития унифицированной модели ЭОКС согласно основному закону эволюции. При этом формируются качественно новые свойства и функции систем, а весь ход химической эволюции разбивается такими пределами на естественные этапы, на каждом из которых эволюция продолжается с сохранением определенного наследственного порядка функционирования п поведения ЭОКС. Последовательность этих этапов и физико-химические формы преодоления пределов строго детерминированы, так как зависят при одной и той же природе базисной реакции только от особенностей природы ЭОКС и факторов окружающей среды, обеспечивающих выполнение за-Кокгов эволюции при совершении эволюционных изменений.
При преодолении вероятностных пределов, связанных с° специфическими свойствами самих ЭОКС и внешней сРеДЫ, происходит саморазвитие механизма базисной
31 См.: Матвеев М. II. Диалектика самоорганизации предбло-Логцг,еских спстем- Казань, 1981.
32 См.: Романовский 10. М, Процессы самоорганизации в фнзн-Ке> хвмтш и биологии. М., 1981.
8З
реакции: простые ЭОКС превращаются в сложные, прог исходит переход от неорганических катализаторов к органическим, от гомогенных систем с прострапственпо-разобщенноп структурной и функциональной организацией к микрогетерогенным системам, имеющим границу раздела фаз, и т. д. При преодоления кнттотическкх^нре-долов (КП), связанных с постоянной тег,{пературоц т ограниченной концентрацией исходных веществ" базис ной реакции, происходят наиболее глубокие изменение саморазвития поведения ЭОКС: системы приобретают свойство однородного роста с умножением всехч их каталитических функций, достигших максимального развития (I КП), формируется свойство точной пространственной -редубликации систем в целом, т. е. свойство размножения в результате деления (II КП). При этом не только изменяются качественно-переменные свойства систем, связанные с их составом, структурой и неравновесной структурной и функциональной организацией, но происходят существенные качественные изменения параметров естественного отбора, являющихся в эволюции качественно-постоянными свойствами. Благодаря этому химическая эволюция подразделяется на две области; первичную (от начала до. I КП) и продбтюлогическую (ox I K1I до II КП); после преодоления 'II КП химическая эволюция исчерпывается и начинается биологическая эволюция живых систем, в которые превращаются ЭОКС.
При переходе к биологической эволюции резко возрастает темп эволюции и изменяется характер естественного отбора. Если до I КП параметром отбора служила абсолютная каталитическая активность, изменявшаяся но закону развития
лидуальных ЭОКС, а после II КП — как эволюция популяций самовоспроизводящихся ЭОКС. При этом в области химической эволюции проявляются несколько форм естественного отбора педарвнновского типа, а в области биологической эволюции одна форма отбора дарвиновского типа.
При переходе от химической тюл годин к биологической все особенности вещественного состава, неравновесной- структурной и функциональной организации систем, типа обмена веществ, вновь приобретенные свойства и функции — все, что входит в понятие природы и химического поведения ЭОКС, переходит в готовом виде к живым системам, составляя их фундаментальные свойства. У живых систем появляется при этом всего лишь одно специфическое свойство точной пространственной редуб-лпкацпп систем в целом, дальнейшее развитие и усложнение которого представляет внутреннее физико-химическое содержание последующей биологической эволюции.
Таким образом, эволюционная химия перебрасывает мост от классической химии к биологии. При этом уместно вспомнить пророческие слова Ф. Энгельса, который утверждал, что «.жизнь должна была возникнуть химическим путем» 33; «химия подводит к органической жизни, е она продвинулась достаточно далеко вперед, чтобы гарантировать нам, что она одна объяснит нам диалектический переход к организму» 34.
3. ВЗАИМОСВЯЗЬ ХИМИЧЕСКОГО АСПЕКТА ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ И БИОГЕНЕЗА С ДРУГИМИ АСПЕКТАМИ
Ведущая роль химического аспекта проблемы химической эволюции и биогенеза. Анализ условий н закономерностей химической эволюции и биогенеза убедительно до-казывает, что весь диалектический переход от неживого в жпвос в пределах первпчпой и предбиологической хи-хшческой эволюции, как и преодоление общего предела химической эволюции (II КП), превращающее ЭОКС в простейшие живые системы, лежнт в рамках химии и подчиняется законам физики и химии, в том числе эво-Л1°цпонным законам химии. Проблема химической эволго-
" Маркс К., Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. Т. 20. С. 73, 564. 34 Там ;ке.
85
щ.ч) и происхождения-, жизни — чисто 'хГимическая проблема. Только при сстествеипопсторическом .подходе к jipo-С.чсмо она может быть решена в ее ключевых моментах (Это, конечно, не значит, что при решении этой сложнейшей проблемы совершенно бесполезны взгляды и теории биологии, а также все другие аспекты частичного рассмотрения проблемы с каких-либо отдельных сторон. Здесь возможны молекулярно-структурные, функцноиаль- -. ные (кинетические), термодинамические, кибернетические (информационные), биофизические, биохимические, геохимические, астрофизические и другие специальные аспекты рассмотрения проблемы в зависимости от точек зрения, интересов и ограничений, вносимых отдельными учеными.)
; Отличие естественнопсторпческого подхода к проблеме, развиваемого в эволюционной химии, состоит в том, что он охватывает проблему в целом, рассматривает ее наиболее всесторонне, отдавая предпочтение первоочередного решения вопросам о сущности, причинах, движущих силах и закономерностях химической эволюции. При таком подходе функциональный аспект неизбежно рассматривается совместно с молекулярпо-структурным, термодинамическим и информационным, причем принципы саморазвития, самоорганизации и самоусложнепия ЭОКС, устанавливаемые как химические закономерности, дают более общее решение проблемы самоорганизации систем. Место эволюционной химии среди концептуальных си стем химии. Верхняя граница химии. Согласно представлениям В. И. Кузнецова35, развитие химии можно представить себе в виде формирования концептуальных систем, опирающихся на прежние системы и приводящих к более высокому уровню нашего знания о химизме. В истории научной химии выделяются четыре концептуальные системы: учение о составе, учение о структур^ учение о реакциях, учение о химической эволюции-В становлении четвертой концептуальной системы полу" чпла отражение диалектика проблемы химической эволЮ' дин н биогенеза, причем главную роль здесь сыграла разработка общей теории химической эволюции и биогенез»"': впервые предпринятая в теории эволюционного катализа. По логике развития химических представлений четвертая концептуальная система является в химии послед-
, ибо дальнейшее усложнение и развитие изучаемых материальных объектов переводит их в ранг живых систем, являющихся объектами биологии. В связи с этим эволюционная химия дает представления о физико-химических критериях верхней границы химии н критериях перехода от неживых ЭРКС к живым системам. Благодаря этому существует л предельная задача эволюционной химии при использовании явлений и законов химической эволюции в научных исследованиях и производственной деятельности. Этой задачей является воспроизведение искусственных живых систем (ИЖС) в результате осуществления исчерпывающей химической эволюции в лабораторных условиях. Прийти к решению такой задачи воз-можно только методами эволюционной химии, а для изучения поведения и развития ИЖС необходимы методы биологии, т. е. должна возникнуть область науки и практической деятельности, связанная с жизнеобеспечением и биологией ИЖС, которая сопряжена с одновременным решением химических и биологических задач. Значение эволюционной химии для развития науки и решения практических задач. Здесь важно не только решение предельной задачи, но н простое использование специфических свойств ЭОКС и принципов их саморазвития. При этом могут быть разработаны принципиально новые способы осуществления химических процессов и получения нужных веществ. Если-же говорить о теорети-ческом_ и практическом решении продельной задачи, то очевидным здесь является большая роль эволюционной химии в научно-теоретическом обосновании явления жизни, ее сущности и происхождения, в фундаментализацни основных биологических закономерностей, что важно для развития теоретической биологии. Воспроизведение ИЖС, кроме ^мировоззренческого и теоретического значения, имело бы огромное практическое значение, так как на °снове ИЖС как средства производства может быть со-3Даиа химико-биологическая технология промышленного производства искусственных пищевых продуктов из не-0Ргацического минерального сырья.
35 Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. М., Он же. Тенденции развития хпмпи. М., 1976.
86
Достарыңызбен бөлісу: |