Эволюционная химия. Взаимосвязь химии и биологии

Под эволюционными проблемами в химии понимают про­цессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высо­коорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Они привлекли внимание исследователей совсем недавно, в 1970-е гг. Однако их истоки уходят в прошлое, к давнишней мечте химиков "освоить опыт лаборатории живого организма" и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь.

Первым ученым, осознавшим высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах, был основатель органической химии Й.Я. Берцелиус. Он установил, что основой лаборатории живого организма является биокатализ. Идеалом совершенства каталитических превращений счи­тали лабораторию живого организма немецкий ученый Ю. Ли-бих, французский естествоиспытатель П.Э.М. Бертло и другие.

Много внимания каталитическому опыту живой природы уделял лауреат Нобелевской премии русский ученый академик Н.Н. Семенов. Он рассматривал химические процессы, проте­кающие в тканях растений и животных, как своеобразное "химическое производство" живой природы.

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 применять 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.

Первый - 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.

Второй путь заключается в моделировании биокатализаторов. В настоящее время за счет искусственного отбора структур удалось построить модели многих ферментов¹, характеризую­щихся высокой активностью и селективностью, иногда почти та­кой же, как и у оригиналов, или с большей простотой строения.

Пока все же полученные модели не в состоянии заменить природные биокатзлизаторы живых систем. На данном этапе развития химических знаний 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.

Третий путь к освоению механизмов лаборатории живой природы связывается с достижениями химии иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации (лат. immobilis — непод­вижный) состоит в закреплении выделенных из живого орга­низма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции (лат. ad на, у, при + sorbere — поглощать, всасывать), которая превращает их в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие.

Благодаря систематическим исследованиям русского химика И.В. Березина и его сотрудников решены проблемы использо­вания иммобилизованных ферментов в тонком органическом синтезе, трансформации стероидов, модификации малостабильных соединений, разделении рацематов на оптически ак­тивные формы.

Некоторые из этих процессов реализованы в промышлен­ных масштабах. Намечаются пути применения иммобилизованных оксидаз, выделенных микроорганизмами, для тяжелого органического синтеза, в частности, для получения на основе парафинов и ароматических углеводородов спиртов, альдеги­дов, кетонов, кислот, окисей. Изучаются перспективы фермен­тативного обезвреживания сточных вод.

Четвертый путь в развитии исследований, ориентирован­ных на применение принципов биокатализа в химии и химиче­ской технологии, характеризуется постановкой самой широкой задами — изучением и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и формирования фермента, клет­ки и даже организма. Это ступень, на которой возникают осно­вы эволюционной химии как действенной науки с ее рабочими функциями. Это движение химической науки к принципиально новой химической технологии с перспективой создания ана­логов живых систем.

Возникновению эволюционной химии способствовали исследо­вания в области моделирования биокатализаторов. Искусствен­ный отбор каталитических структур ориентировался на естест­венный, осуществляемый природой на путях эволюции от не­органической материи к живым системам. Другим поводом для развития исследований в области эволюционной химии явля­ются реально ощутимые успехи "нестационарной кинетики", или динамики химических систем. Они получены совершенно неожиданно в условиях нарушенного стационарного режима работы гетерогенных катализаторов.

В 1960-х гг. были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе ра­боты они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались.

В эволюционной химии существенное место занимает по­нятие "самоорганизация". "Самоорганизация отражает законы такого существования динамических систем,, которое сопрово­ждается их восхождением на все более высокие уровни слож­ности и системной упорядоченности, или материальной орга­низации".

Существуют два подхода к решению проблем самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный.

Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза яв­ляется накопленная информация об отборе химических эле­ментов и структур, т. е. проблема состава элементов-органогенов и соответствующей структуры биологических систем. От­бор химических элементов проходил в процессе самоорганиза­ции предбиологических систем.

Предполагается, что многие из 110 открытых на сегодня химических элементов, попадая в живые организмы, участвуют в их жизнедеятельности. Но основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогенов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весо­вая доля которых в организмах составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в по­строении многих физиологически важных компонентов био­систем. Это натрий, калий, кальций, магний, алюминий, же­лезо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель, весовая доля которых в организмах примерно 1,6%. Еще около 20 элементов участвуют в построении и функционировании узко специфических биосистем, например, водорослей, состав которых определяется в известной мере питательной средой. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

В настоящее время насчитывается около 8 млн химических соединений. Из них 96% — органические, состоящие из тех же 6—18 элементов. Из остальных 90 химических элементов при­рода (в условиях Земли) создала всего около 300 тыс. неоргани­ческих соединений.

Из органогенов на Земле наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика — около 0,24 весовых процента. В Космосе безраздельно господствуют только два элемента - водород и гелий, а все остальные можно рассматривать как примесь к ним.

Таким образом, геохимические условия не играют сущест­венной роли в отборе химических элементов при формирова­нии органических и биологических систем. Определяющими факторами выступают требования соответствия между строи­тельным материалом и теми сооружениями, которые представ­ляют собой высокоорганизованные структуры.

С химической точки зрения, эти требования сводятся к от­бору элементов, способных к образованию прочных и энерго­емких связей, причем связей лабильных, т. е. легко подвергающихся гемолизу, гетеролизу или циклическому перераспределе­нию. Указанным условиям отвечает углерод как органоген № 1. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удержи­вать внутри себя самые редкие химические противоположно­сти. Углерод реализует их единство, выступает в качестве носи­теля внутреннего противоречия.

Азот, фосфор, сера как органогены, а также элементы, со­ставляющие активные центры ферментов, — железо и магний тоже отличаются лабильностью. Кислород и водород не столь лабильны и их рассматривают как носителей окислительных и восстановительных процессов.

Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов и 10—16 других элементов отобраны природой для основы биосистем, в результате эволюции шел отбор и хи­мических соединений.

Из миллионов органических соединений в построении жи­вого участвуют только несколько сотен; из 100 известных ами­нокислот в состав белков входит 20; лишь по четыре нуклеоти-да ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нук­леиновых кислот, ответственных за наследственность и регуля­цию белкового синтеза в любых живых организмах.

Исследователи — химики и биологи — поражаются трудно обозримому миру животных и растений, составленному приро­дой из такого узкого круга органических веществ. Полагают, что когда период химической подготовки — время интен­сивных и разнообразных превращений — сменился перио­дом биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Находят массу доказательств тому, что аминокис­лотный состав гемоглобина самых низших позвоночных жи­вотных и человека практически один и тот же; более или менее одинаковыми остаются у разных видов растений со­став ферментативных средств и состав веществ, накапливае­мых впрок, и т. п.

Каким же образом происходила так называемая химическая подготовка, в результате которой из минимума химических элементов и химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс — биосистема? Химикам важно понять это, чтобы научиться у природы (а затем, мо­жет быть, и пойти дальше ее) приспособлять к своим нуж­дам "менее организованные материалы", например, синтезировать сахар из СС>2, СОН2 и Н2О, получать стереоспецифические соединения и т. п.

Исследователи настойчиво открывают все больше и больше тайн природы. И эти открытия показывают, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способство­вали резкому повышению активности и селективности дейст­вия каталитических групп. Примером может служить система пирольных циклов в гемине, обеспечивающая повышение активности атома железа в окислительно-восстановительных реакциях в миллиарды раз.

Первой и наиболее простой из этих структур можно назвать различные фазовые границы. Они служили основой физической и химической адсорбции, которая вносила элементарное упоря­дочение во взаимное расположение частиц, увеличивала их концентрацию и служила фактором появления каталитического эффекта. Вторым структурным фрагментом считают группи­ровки, обеспечивающие процессы переноса электронов и про­тонов. Сюда относят полупроводниковые цепи и структуры, ответственные за трансгидрирование, или перенос водорода. Третья структура, необходимая для эволюционирующих систем, — это группировки, выполняющие задачу энергетического обеспечения. К ним относятся оксиоксогруппы, фосфоросодержащие и другие фрагменты с макроэргическими связями.

Следующим фрагментом эволюционирующих систем яв­ляется развитая полимерная структура типа РНК и ДНК. Она выполняет ряд функций, свойственных перечисленным выше структурам, и главное — роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

В связи с этим привлекает внимание ряд выводов, получен­ных различными путями и в самых разных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, термодинамике, химической кинетике).

- На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Условия высоких температур (» 5000°К), электри­ческих разрядов и радиации препятствуют образованию кон­денсированного состояния и с лихвой перекрывают те порции энергии, которые необходимы для преодоления энергетических барьеров,

- Проявления катализа начинаются при смягчении условий (<<5000°К) и образовании первичных твердых тел.

- Роль катализатора возрастала по мере того как физиче­ские условия (главным образом температура) приближались к земным. Но общее значение катализа, вплоть до образования более или менее сложных органических молекул, все еще не могло быть высоким.

- Появление таких даже относительно несложных систем, как СН₃ОН, СН₂ = СН₂, НС = СН, Н₂СО, НСООН, НС = N, а тем более оксикислот, аминокислот и первичных Сахаров было своеобразной некаталитической подготовкой старта для боль­шого катализа.

- Роль катализа в развитии химических систем после дос­тижения стартового состояния, известного количественного минимума органических и неорганических соединений начала возрастать с фантастической быстротой. Отбор активных со­единений происходил в природе из тех продуктов, которые по­лучались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

Отличительной чертой второго, функционального, подхода к проблеме предбиологической эволюции является сосредоточе­ние внимания на исследовании самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы.

Среди естествоиспытателей данного подхода придержива­ются преимущественно физики и математики, которые рас­сматривают эволюционные процессы с позиции кибернетики. Крайней точкой зрения в нем является утверждение о полном безразличии к материалу эволюционных систем. Живые систе­мы, вплоть до интеллекта, могут быть смоделированы даже из металлических систем.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, которая в общем виде была выдвинута в 1964 г., профессором Московского университета А.П. Руденко. В ней осуществлен синтез рациональных сторон субстратного и функционального подходов. Она решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, высоте химической организа­ции и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Пока только эта теория может служить основанием эволю­ционной химии как новой концептуальной системы, возвы­шающейся над учением о химическом процессе.

Сущность данной теории состоит в утверждении, что хими­ческая эволюция представляет собой саморазвитие каталитиче­ских систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естествен­ный отбор тех каталитических центров, которые обладают наи­большей активностью. Те же центры, изменение которых свя­зано с уменьшением активности, постепенно выключаются из кинетического процесса, "не выживают". При многократ­ных последовательных необратимых изменениях катализато­ра переход его на все более высокие уровни сопровождается эволюцией механизма базисной реакции как за счет измене­ний состава и структуры катализаторов, функционировавших в начале реакции, так и за счет дробления химического про­цесса на элементарные стадии и появления на них новых катализаторов. Эти новые катализаторы появляются не путем захвата их из внешней среды, а благодаря саморазвитию.

А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и веро­ятностью образуются те пути эволюционных изменений ката­лизатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение катали­тических систем происходят за счет постоянного потока транс­формируемой энергии. А так как главным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развиваю­щиеся на основе реакций с самым большим средством (экзо­термические реакции).

Базисная реакция является, таким образом, не только ис­точником энергии, необходимой для полезной работы в систе­ме, которая направлена против равновесия, но и орудием отбо­ра наиболее совершенных эволюционных изменений в катали­заторе.

Теория саморазвития открытых каталитических систем име­ет ряд важных следствий.

Первое — общая классификация этапов химической эволю­ции, а на ее основе классификация катализаторов по уровню их организации. Эта классификация может быть представлена следующим рядом катализаторов с последовательным повыше­нием уровня организации: кристаллы, близкие к идеальным, - реальные кристаллы после раскристаллизации - реальные кристаллы с включением примесей из сферы реакций - твердые кристаллы с хемосорбированными комплексами - гомогенные каталитические системы, в том числе металлоорганические, ме-таллокомплексные катализаторы стереоспецифического дейст­вия - микрогетерогенные и коллоидные системы.

Второе следствие — принципиально новый метод изучения катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакций.

И, наконец, третье следствие - конкретная характеристика пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу в результате преодоления так называемого второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

Набирает теоретический и практический потенциал новей­шее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика., которая зани­мается теорией управления нестационарными процессами.

Развитие химических знаний уже на сегодняшний день по­зволяет надеяться на разрешение многих проблем, стоящих пе­ред человечеством. Это прежде всего возможность значитель­ного ускорения химических превращений в "мягких" усло­виях за счет объединения в катализаторах будущего следующих достоинств: гетерогенного, гомогенного и металлоэнзимного катализа; достижение близкой к 100% селективности процес­сов; осуществление новых важных энергетически затрудненных процессов путем сопряжения эндо- и экзотермических реак­ций; существенная экономия углеводородного сырья и переход от нефти к углю как более распространенному сырьевому ис­точнику.

Химия имеет реальные предпосылки для моделирования и интенсификации фотосинтеза: фотолиз воды с получением водорода как самого высокоэффективного и экологически чистого топлива; промышленный синтез на основе углеки­слого газа широкого спектра органических продуктов, и в первую очередь метанола, этанола, формальдегида и муравь­иной кислоты; промышленный синтез многочисленных фторматериалов.

Сегодня созрели, условия для создания малоотходных, без­отходных и энергосберегающих промышленных производств, рачительного использования каждого килограмма сырья и ки­ловатта энергии для получения необходимых материалов.