Химическая эволюция на молекулярном уровне

До возникновения жизни на Земле в течение около 2 млрд лет происходила химическая эволюция неживой (косной) материи.

Между ними образовались химические связи и возникали новые устойчивые молекулярные системы.

Иными словами, происходили химические реакции, и постепенно появилось огромное разнообразие молекул. В результате последующих химических реакций образовывались все более сложные химические вещества с более высокой организацией, по сравнению с исходными веществами.

Очевидно, что из первичной смеси частиц могут образовываться самые разнообразные упорядоченные структуры (конечные продукты), но преимущественно распространение получают те, для которых скорость процесса образования превышает скорость распада, т. е. наблюдаются конкуренция образовавшихся структур и отбор наиболее устойчивых.

На определенном уровне развития микросистемы возникают автокаталитические процессы, благодаря которым повышается качественный уровень обратных связей.

Случайно появившаяся молекула катализатора начинает управлять ходом химического процесса и воспроизводить подобные себе молекулы. Этот процесс уже носит упорядоченный характер и осуществляется под воздействием возникших ранее факторов.

Безусловно, при воспроизводстве вещества, вследствие действия изменяющихся внешних факторов, возможны сбои и случайные искажения структур, в результате чего появляются вещества-мутанты.

Как и в случае простейших химических реакций, здесь наблюдается конкуренция различных автокаталитических процессов, исход которой определяют скорость синтеза и энергетика.

В процессе химической эволюции геосферы таким путем происходило образование вначале неорганических (солей, оксидов и др.), а затем и органических соединений.

В процессе стратификации вещества геосферы при отвердевании расплавов, выпаривании перенасыщенных растворов солей или под действием высоких давлений в глубинах земной коры происходила упаковка некоторых неорганических соединений в геометрически правильные упорядоченные структуры — кристаллы.

Органические кристаллы (а к ним относится большинство биополимеров) образовались в результате эволюции органических молекул.

По некоторым оценкам, сегодня насчитывается около 300 тыс. неорганических и 6 млн органических соединений, созданных природой. Основу органики составляют всего шесть элементов — органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их доля в структуре органических соединений составляет 97%.

В основу органики природа заложила углерод, химические связи которого образуют остов молекул.

Разнообразие классов органических соединений обусловлено способностью углерода к образованию одно-, двух-, трех-, четырех- и шести- электронных связей.

Появление автокаталитических реакций и повышение уровня информационных связей увеличило скорость упорядочения материи и образования все более сложных, информационно насыщенных соединений.

Однако при синтезе таких сложных образований, какбелки, нуклеиновые кислоты, ферменты, природа “использовала” далеко не все имеющиеся в ее арсенале простые органические соединения. Например, для построения белков из ста аминокислот используется всего лишь двадцать.

Автокаталитические системы со временем становятся основой простейших самоорганизующихся биохимических систем. Появляется циклическая организация процессов.

Первичная химическая реакция дает продукт, который становится исходным для последующей реакции и в то же время является катализатором первой реакции и управляет ее развитием. С реакцией второго уровня происходит аналогичный процесс.

Над первым циклом как бы надстраивается второй и управляет первым. Конечный продукт второго цикла становится исходным продуктом для третьего, и т. д.

Процессы, протекающие на вышележащем уровне, управляют процессами нижележащего уровня. Создается пирамида (иерархия) циклов, управление которыми осуществляется по принципу обратной связи.

Такую структуру М. Эйген назвал гиперциклом. В гиперцикле, как и в одиночной автокаталитической реакции, возможно появление мутантов, но благодаря конкуренции выживают оптимальные с точки зрения фундаментальных законов природы организмы. Они и составляют биохимическую основу более сложных структур.

По этому принципу развивается большинство биохимических реакций. Ученые предполагают, что этот механизм лежал в основе перехода от косной материи к примитивному самовоспроизводящемуся (живому) веществу, а период формирования иерархических самоуправляющихся автокаталитических циклов называют ранним этапом предбиологической эволюции вещества.

В 1960-х гг. была разработана теория химической эволюции, в основу которой были заложены идеи самоорганизации и саморазвития каталитических систем и самосовершенствования катализаторов в процессе синтеза.