Эволюционная химия

В целом, эволюция, изменение  систем — есть фундаментальное свойство природы, воспроизводимое в лабораторных условиях. Это не противоречит закону возрастания энтропии, так как  справедливо для незамкнутых систем (если через систему пропускать энергию, то энтропия в ней может уменьшаться). Процессы самопроизвольного усложнения изучает наука синергетика. Один из примеров эволюции неживых систем — формирование десятков атомов на основе лишь трёх частиц и образование миллиардов сложнейших химических веществ на основе атомов.

         3. Теория химической эволюции и биогенеза А.П. Руденко

          Проблема самоорганизации сложных макромолекулярных структур имеет общие корни с проблемой самосборки белков живых организмов: за очень короткое время полимерная цепочка из определенных аминокислотных звеньев точно складывается в определенную молекулярную конструкцию, формируя именно данный конкретный, белок. Таким образом, процессы химической самоорганизации органических молекул играют роль в предбиологической эволюции живых организмов. В настоящее время в химических науках сформировалось новое направление эволюционная химия наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем, в основе которой лежат представления о решающей роли катализа при Переходе от химических систем к биологическим.

1964 г. А. П. Руденко  (1925—2004) была предложена теория  химической эволюции и биогенеза,  где было показано, что эволюционирующими  элементами в развитии предбиологических химических систем являются те структуры и органические соединения, которые усиливали активность и селективность действия катализаторов Таким образом, и на этой стадии эволюции природы происходил отбор наиболее нужных ей веществ для создания живых организмов. Самопроизвольная автокаталитическая реакция в природе «служит» делу эволюции, является как бы «орудием» отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов. В этом смысле биокатализ с участием ферментов связан с проблемами биогенеза и происхождения жизни.

В биологии роль таких катализаторов  выполняют специфические белковые протеины — ферменты. Эти макромолекулы  ферментов обладают такой пространственной конфигурацией, которая дает возможность  изменить скорость реакции. Молекулы веществ, участвующих в реакциях, стремятся  присоединиться к активным участкам молекул фермента, повышая вероятность  их столкновения и, следовательно? начала химической реакции. Самоуправлением  в химических процессах как раз  и занимается автокаталитическая реакция: продукт этой реакции начинает управлять  ее скоростью и даже самой возможностью протекания.

 4. Связь химии и биологии

 Общеизвестно, что химия и биология долгое время шли каждая своим собственным путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма.

Резкое укрепление взаимосвязи  химии с биологией произошло  в результате создания А.М. Бутлеровым теория химического строения органических соединений. Руководствуясь этой теорией, химики-органики вступили в соревнование с природой. Последующие поколения  химиков проявили большую изобретательность, труд, фантазию и творческий поисках направленном синтезе вещества. Их замыслом было не только подражать природе, они хотели превзойти ее. И сегодня мы можем уверенно заявить, что во многих случаях это удалось.

Поступательное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию  структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами  практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке, над вопросами  о характере химических процессов  в живых тканях, об обусловленности  биологических функций химическими  реакциями.

Если посмотреть на обмен  веществ в организме с чисто  химической точки зрения, как это  сделал А.И. Опарин, мы увидим совокупность большого числа сравнительно простых  и однообразных химических реакций, которые сочетаются между собой  во времени, протекают не случайно, а в строгой последовательности, в результате чего образуются длинные  цепи реакций. И этот порядок закономерно  направлен, к постоянному самосохранению и самовоспроизведению всей живой  системы в целом в данных условиях окружающей среды.

Словом, такие специфические  свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность  реагировать на изменения внешней  среды, связаны с определенными  комплексами химических превращений.

Значение химии среди  наук, изучающих жизнь, исключительно  велико. Именно химией выявлена важнейшая  роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых  Кислот и т.д. Но главное заключается  в том, что объективно в самой  основе биологических процессов, функций  живого лежат химические механизмы. Все

функции и процессы, происходящие в живом организме, оказывается  возможным изложить на языке химии, в виде конкретных химических процессов.

Разумеется, было бы неверным сводить явления жизни к химическим процессам. Это было бы грубым механистическим  упрощением. И ярким свидетельством этого выступает специфика химических процессов в живых системах по сравнению с неживыми. Изучение этой специфики раскрывает единство и взаимосвязь химической и биологической форм движения материи. Об этом же говорят и другие науки, возникшие на стыке биологии, химии и физики: биохимия - наука об обмене веществ и химических процессов в живых организмах; биоорганическая химия - наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих живые организмы; физико-химическая биология как наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне, а также биофизика, биофизическая химия и радиационная биология.

Крупнейшими достижениями этого  процесса стали определение химических продуктов клеточного метаболизма (обмена веществ в растениях, животных, микроорганизмах), установление биологических  путей и циклов биосинтеза этих продуктов; был реализован их искусственный  синтез, сделано открытие материальных основ регулятивного и наследственного  молекулярного механизма, а также  в значительной степени выяснено значение химических процессов» энергетике процессов клетки и вообще живых  организмов.

Ныне для химии особенно важным становится применение биологических  принципов, в которых сконцентрирован  опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в течение  многих миллионов лет, опыт создания наиболее совершенных механизмов и  процессов. На этом пути есть уже определенные достижения.

Более столетия назад ученые поняли, что основой исключительной эффективности биологических процессов  является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. В ней появится новое управление химическими процессами, где начнут применяться принципы, синтеза себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими  всем катализаторам, тем не менее, они  не тождественны последним, поскольку  функционируют в рамках живых  систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения  химических процессов в неорганическом мире сталкиваются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично-практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций.

Здесь самым перспективным  направлением, очевидно, являются исследования, ориентированные на применение принципов  биокатализа в химии и химической технологии, для чего нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма.

В настоящее время уже  видны перспективы возникновения  и развития новой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и энергосберегающие  промышленные технологии.

Сегодня химики пришли к  выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет построить  принципиально новую химию, новое  управление химическими, процессами, где  начнут применяться принципы синтеза  себе подобных молекул. Предвидится  создание преобразователей, использующих с большим КПД солнечный свет, превращая его в химическую и  электрическую энергию, а также  химическую энергию в свет большой  интенсивности.

Для освоения каталитического  опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленном производстве химики наметили ряд перспективных  путей.

1. развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Этот катализ обогащается приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также способами классического гетерогенного катализа.

2. заключается в моделировании биокатализаторов. В настоящее время за счет искусственного отбора структур удалось построить модели многих ферментов характеризующихся высокой активностью и селективностью, иногда' почти такой же, как и у оригиналов, или с большей простотой строения.

Правда, пока все же полученные модели не в состоянии заменить природные  биокатализаторы живых систем. На данном этапе развития химических знании проблема эта решается чрезвычайно сложно. Фермент выделяется из живой системы, определяется его структура, он вводится в реакцию для осуществления каталитических функций. Но работает непродолжительное время и быстро разрушается, поскольку является выделенным из целого, из клетки. Цельная клетка со всем ее ферментным аппаратом - более важный объект, чем одна, выделенная из нее деталь.

3.  к освоению механизмов лаборатории живей природы связывается с достижениями химии иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции, которая и превращает их в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие.

4. в развитии исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи - изучением и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и формирования фермента, клетки и даже организма. Это ступень, на которой основы эволюционной химии как действенной науки с ее рабочими функциями. Ученые утверждают, что это движение химической науки к принципиально новой химической технологии с перспективой создания аналогов живых систем. Решение названной задачи займет важнейшее место в создании химии будущего.

         4.1. Химическая сущность процесса жизнедеятельности

Эволюционная химия вошла  в науку и практику сравнительно недавно в 50-60-х годах. Если биологи к тому времени широко использовали эволюционную теорию Дарвина, то химики не проявляли активного интереса к происхождению видов, составляющему сущность эволюционной теории.. Не без оснований считалось, что получение любого нового химического вещества всегда было делом рук и достоянием разума человека: молекулы нового химического соединения конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание строится из кирпичей или блоков. Живые же организмы подобным образом собрать нельзя. Но, несмотря на это, назревали эволюционные проблемы и для химических объектов, связанные с самопроизвольным (без участия человека) синтезом новых химических соединений - более сложных и высокоорганизованных продуктов по сравнению с исходными веществами. В этой связи эволюционную химию считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

Истоки эволюционной химии  уходят в далекое прошлое. Они  связаны с давнишней мечтой химиков - освоить опыт лаборатории живого организма и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Первым ученым, осознавшим важность исключительно  высокой упорядоченности, организованности и эффективности процессов в  живых организмах, был один из основателей  органической химии, шведский ученый Якоб Берцелиус (1779- 1848). Именно он впервые установил, что основой лаборатории живого организма является катализ, а точнее, биокатализ. Идеально совершенные превращения посредством катализа способна производить лаборатория живого организма - так считали немецкий ученый Ю. Либих (1803- 1873), французский естествоиспытатель М. Бертло (1827-1907) и многие другие химики XIX в.

Предполагается, что используя  принципы химии организмов, можно  построить совершенно новую химию, основанную на необычном управлении химическими процессами. Будут созданы  аналогичные катализаторы, далеко превосходящие  промышленные аналоги последнего времени. Тогда станет возможным преобразование солнечной энергии с большим  коэффициентом полезного действия в другие виды энергии: химическую, электрическую, тепловую. Возможно, сочетание  биохимической энергетики с синтезом полимерных материалов приведет к созданию такой макромолекулы, которая подобно  нашим мышцам будет способна превратить химическую энергию в механическую.

Такие задачи могут показаться фантазией. Можно привести примеры, когда в науке многие проблемы вначале казались тоже фантастическими. В свое время это были проблемы строения атома и его ядра. Прошло около полстолетия экспериментальных  и теоретических исследований - и  первоначальные идеи вылились в реальную возможность получения атомной  энергии.

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение  как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме. Такие по содержанию исследования проводят и химики-органики, и биохимики, и  даже медики. При этом, решая одни и те же задачи, они ставят разные цели. Химиков-органиков интересуют перспективы создания более сложных  веществ путем конструирования  их молекул для реализации возможностей синтеза аналогов органических соединении, образующихся в живых организмах. Биологи преследуют цель изучения субстратной и функциональной основ жизнедеятельности организмов. Медики стремятся выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяет все эти исследования идея о ведущей роли ферментов или, в более широком смысле, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, впервые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером (1822- 1895), остается основополагающей и по сей день при изучении химии живой природы в рамках динамической биохимии, основной предмет которой - химические процессы, происходящие в живом организме. В то же время изучением молекулярного состава и структуры ткани живого и неживого организма занимается статическая биохимия.