Субстратный подход к проблеме биогенеза

 

В рамках этого подхода было отмечено, что при переходе к простейшим формам жизни шел особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Эти элементы в химии получили название органогенов.

Результатами субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур, который оказался подобным биологической эволюции. В настоящее время наукой открыто 110 химических элементов. Большинство из них попадает в живые организмы и участвует в их жизнедеятельности. Однако основу жизнедеятельности обеспечивают только шесть химических элементов, которые называются органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их суммарная весовая доля в структуре живого организма составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биологических систем. Это натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их весовая доля в организме составляет 1,6%. Кроме того, существуют еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, весовая доля которых составляет около 1%. Все остальные элементы в построении биосистем практически не участвуют.

Общая картина химического мира также весьма убедительно свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время химической науке известно около 8 млн химических соединений. Из них подавляющее большинство (96%) составляют органические соединения, которые образованы на основе тех же 6–18 элементов. А из остальных 90 химических элементов природа создала всего лишь около 300 тысяч неорганических соединений.

Такая резкая диспропорция между органическими и неорганическими соединениями, а также исключительно дифференцированный отбор минимума органогенов не могут быть объяснены различной распространенностью химических элементов в космосе и на Земле, поскольку в космосе безраздельно господствуют только два элемента – водород и гелий, а на Земле больше всего кислорода и водорода. Распространенность остальных органогенов (углерода, азота, фосфора и серы) в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика – около 0,24 весовых процента.

Таким образом, можно сделать вывод, что определяющими факторами в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем, выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям:

– способность образовывать прочные и, следовательно, энергоемкие связи;

– эти связи должны быть лабильными (изменчивыми), способными к образованию новых разнообразных связей.

Данным условиям отвечает углерод – органоген номер один. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовывать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия.

Азот, фосфор и сера как органогены, а также железо и магний (они составляют активные центры ферментов) также лабильны. Кислород и водород свойством лабильности обладают в меньшей мере, поэтому являются носителями окислительных и восстановительных процессов.

О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов и 10–15 других элементов были отобраны природой, чтобы составить основу биосистем, так же в результате эволюции шел тщательный отбор химических соединений.

Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен. Из ста известных аминокислот в состав белков входит только 20. Лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов и химических соединений образовались сложнейшие биосистемы. Без этого ученые не смогут приспособить к своим нуждам простые химических системы, чтобы получить из них более сложные соединения.

Сегодня ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Есть уже и некоторые выводы:

– на ранних этапах химической эволюции мира катализ вовсе отсутствовал. Условия высоких температур (выше 5000 К), электрических разрядов и радиации, с одной стороны, препятствовали образованию конденсированного состояния вещества, ас другой – с лихвой перекрывали те порции энергии, которые необходимы для протекания большинства реакций;

– первые проявления катализа начались при смягчении условий и образовании первичных твердых тел;

– роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия приближались к земным. Но общее значение катализа вплоть до образования более или менее сложных органических молекул все еще не могло быть высоким;

– после того, как был накоплен определенный количественный минимум органических и неорганических соединений, прежде всего Сахаров и аминокислот, роль катализа начала резко возрастать.