הגדרה של אבולוציה כימית. שלבים של אבולוציה כימית. איפה החיים התחילו

תורת האבולוציה הכימית או איך החיים התחילו

תיאוריית האבולוציה הכימית - התיאוריה המודרנית של מקור החיים - מבוססת על רעיון היצירה הספונטנית. הוא מבוסס לא על הופעתם הפתאומית של יצורים חיים על פני כדור הארץ, אלא על היווצרות תרכובות ומערכות כימיות המרכיבות את החומר החי. היא בוחנת את הכימיה של כדור הארץ הקדום, בעיקר את התגובות הכימיות שהתרחשו באטמוספרה הפרימיטיבית ובשכבת פני השטח של המים, שם, ככל הנראה, רוכזו יסודות קלים המהווים את הבסיס לחומר חי וכמות עצומה של אנרגיית השמש נספגה. תיאוריה זו מנסה לענות על השאלה: כיצד באותה תקופה רחוקה יכלו תרכובות אורגניות להתעורר באופן ספונטני ולהיווצר למערכת חיה?

הגישה הכללית לאבולוציה כימית נוסחה לראשונה על ידי הביוכימאי הסובייטי A.I. Oparin (1894-1980). ב-1924 ראה אור בברית המועצות ספרו הקצר שהוקדש לסוגיה זו; ב-1936 יצאה לאור המהדורה החדשה והמורחבת שלו (ב-1938 היא תורגמה לאנגלית). אופרין הפנה את תשומת הלב לעובדה שהתנאים המודרניים על פני כדור הארץ מונעים את הסינתזה של מספר רב של תרכובות אורגניות, שכן חמצן חופשי, זמין בעודף באטמוספירה, מחמצן תרכובות פחמן לפחמן דו חמצני (פחמן דו חמצני, CO 2). בנוסף, הוא ציין כי בזמננו, כל חומר אורגני "נטוש" על פני כדור הארץ משמש אורגניזמים חיים (רעיון דומה הובע על ידי צ'ארלס דרווין). עם זאת, טען אופרין, תנאים אחרים שררו על כדור הארץ הראשוני. ניתן לשער שלא היה חמצן באטמוספירה של כדור הארץ באותה תקופה, אך היה שפע של מימן וגזים המכילים מימן, כמו מתאן (CH 4) ואמוניה (NH 3). (אטמוספרה כזו, עשירה במימן ודלה בחמצן, נקראת צמצום, בניגוד לאטמוספירה המודרנית המחמצנת, עשירה בחמצן ודלה במימן.) לפי אופרין, תנאים כאלה יצרו הזדמנויות מצוינות לסינתזה ספונטנית של אורגני. תרכובות -דינייה.

כשהוא מבסס את הרעיון שלו לגבי האופי המשקם של האטמוספירה הפרימיטיבית של כדור הארץ, אופרין העלה את הטיעונים הבאים:

1. מימן מצוי בשפע בכוכבים

2. פחמן נמצא בספקטרום של שביטים וכוכבים קרירים כחלק מרדיקלים CH ו-CN, ופחמן מחומצן מופיע רק לעתים רחוקות.

3. פחמימנים, כלומר. תרכובות של פחמן ומימן המצויות במטאוריטים.

4. האטמוספרות של צדק ושבתאי עשירות ביותר במתאן ואמוניה.

כפי שציין אופרין, ארבע הנקודות הללו מצביעות על כך שהיקום בכללותו נמצא במצב מצטמצם. כתוצאה מכך, על כדור הארץ הפרימיטיבי, פחמן וחנקן היו צריכים להיות באותו מצב.

5. גזים געשיים מכילים אמוניה. זה, סבר אופרין, מצביע על כך שחנקן היה קיים באטמוספרה הראשונית בצורה של אמוניה.

6. החמצן הכלול באטמוספרה המודרנית מיוצר על ידי צמחים ירוקים בתהליך הפוטוסינתזה, ולכן הוא מוצר ביולוגי במקורו.

בהתבסס על שיקולים אלה, אופרין הגיע למסקנה שפחמן על כדור הארץ הפרימיטיבי הופיע לראשונה בצורת פחמימנים, וחנקן בצורת אמוניה. עוד הוא הציע כי במהלך התגובות הכימיות הידועות כעת, התעוררו תרכובות אורגניות מורכבות על פני כדור הארץ חסר החיים, אשר, לאחר פרק זמן ארוך למדי, ככל הנראה הולידו את היצורים החיים הראשונים. האורגניזמים הראשונים היו כנראה מערכות פשוטות מאוד, המסוגלות לשכפול (חלוקה) בלבד בשל הסביבה האורגנית שממנה נוצרו. בשפה המודרנית, הם היו "הטרוטרופים", כלומר, הם היו תלויים בסביבה, שסיפקה להם תזונה אורגנית. בקצה הנגדי של הסקאלה הזו נמצאים "אוטוטרופים", למשל, אורגניזמים כמו צמחים ירוקים המסנתזים בעצמם את כל החומרים האורגניים הדרושים מפחמן דו חמצני, חנקן אנאורגני ומים. לפי התיאוריה של אופרין, אוטוטרופים הופיעו רק לאחר שהטרוטרופים דללו את אספקת התרכובות האורגניות באוקיינוס הפרימיטיבי.

J.B.S. Haldane (1892-1964) העלה רעיון, בכמה בחינות דומה לדעותיו של Oparin, אשר הוצג במאמר פופולרי שפורסם בשנת 1929. הוא הציע שחומר אורגני יסונתז במהלך תהליכים כימיים טבעיים שהתרחשו לפני כדור הארץ הביולוגי הצטבר באוקיינוס, שבסופו של דבר הגיע לעקביות של "מרק דליל חם". לפי Haldane, האטמוספירה הפרימיטיבית של כדור הארץ הייתה אנאירובית (נטולת חמצן), אך הוא לא טען שנדרשו תנאים להפחתה כדי להתרחש סינתזה של תרכובות אורגניות. לפיכך, הוא הניח שפחמן יכול להיות באטמוספירה בצורה מחומצנת לחלוטין, כלומר בצורה של דו חמצני, ולא כחלק מתאן או פחמימנים אחרים. במקביל התייחס האלדן לתוצאות ניסויים (לא שלו), שהוכיחו אפשרות להיווצרות תרכובות אורגניות מורכבות מתערובת של פחמן דו חמצני, אמוניה ומים בהשפעת קרינה אולטרה סגולה. עם זאת, בעתיד, כל הניסיונות לחזור על הניסויים הללו לא צלחו.

בשנת 1952, הרולד אורי (1893-1981), שלא עסק במקור החיים עצמם, אלא באבולוציה של מערכת השמש, הגיע באופן עצמאי למסקנה שלאטמוספירה של כדור הארץ הצעיר יש אופי משוחזר. הגישה של אופרין הייתה איכותית. הבעיה שאורי חקר הייתה פיזיקוכימית במהותה: תוך שימוש כנקודת מוצא בנתונים על הרכב הענן הקדמוני של אבק קוסמי ותנאי הגבול שנקבעו על ידי התכונות הפיזיקליות והכימיות הידועות של הירח וכוכבי הלכת, הוא שאף להתפתח מבחינה תרמודינמית היסטוריה מקובלת של מערכת השמש כולה. אוריי, במיוחד, הראה שעד סוף תהליך ההיווצרות לכדור הארץ הייתה אטמוספירה מופחתת מאוד, שכן מרכיביו העיקריים היו מימן וצורות מופחתות לחלוטין של פחמן, חנקן וחמצן: מתאן, אמוניה ואדי מים. שדה הכבידה של כדור הארץ לא יכול היה להחזיק מימן קל, והוא התאדה בהדרגה לחלל החיצון. תוצאה משנית של אובדן המימן החופשי הייתה חמצון הדרגתי של מתאן לפחמן דו חמצני, ואמוניה לגז חנקן, שאחרי זמן מסוים הפך את האטמוספירה מצמצום לחמצון. אורי הניח שדווקא בתקופת הנידוף המימן, כשהאטמוספירה הייתה במצב חיזור ביניים, יכול להיווצר חומר אורגני מורכב בכמויות גדולות על פני כדור הארץ. לפי הערכותיו, האוקיינוס, כנראה, היה אז פתרון של אחוז אחד של תרכובות אורגניות. התוצאה הייתה חיים בצורתם הפרימיטיבית ביותר.

מאמינים שמערכת השמש נוצרה מהערפילית הפרוטו-סולרית, ענן ענק של גז ואבק. גיל כדור הארץ, כפי שנקבע על בסיס מספר הערכות עצמאיות, קרוב ל-4.5 מיליארד שנים. כדי לגלות את הרכב הערפילית הקדמונית, סביר ביותר לחקור את השפע היחסי של יסודות כימיים שונים במערכת השמש המודרנית. על פי מחקרים, היסודות העיקריים - מימן והליום - מהווים יחד למעלה מ-98% ממסת השמש (99.9% מההרכב האטומי שלה) ולמעשה, מערכת השמש כולה. מכיוון שהשמש היא כוכב רגיל וכוכבים רבים בגלקסיות אחרות שייכים לסוג זה, הרכבה מאפיין בדרך כלל את שפע היסודות בחלל החיצון. רעיונות מודרניים לגבי התפתחות הכוכבים מאפשרים לנו להניח שמימן והליום שלטו בשמש ה"צעירה", שהיא הייתה לפני 4.5 מיליארד שנים.

ארבעת היסודות העיקריים של כדור הארץ הם בין תשעת היסודות הנפוצים ביותר בשמש בהרכבו, כוכב הלכת שלנו שונה באופן משמעותי מהחלל החיצון בכללותו. (ניתן לומר את אותו הדבר על מרקורי, נוגה ומאדים; עם זאת, צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון אינם מופיעים ברשימה זו.) כדור הארץ מורכב בעיקר מברזל, חמצן, סיליקון ומגנזיום. חסרים של כל היסודות הקלים החשובים מבחינה ביולוגית (למעט חמצן) ניכרים, ולפי תיאוריית אופרין-אורי, נחוצים להפליא לתחילתה של אבולוציה כימית. בהתחשב במיעוט יסודות קלים ובעיקר גזים אצילים, סביר להניח שכדור הארץ נוצר במקור ללא אטמוספירה כלל. למעט הליום, לכל הגזים האצילים - ניאון, ארגון, קריפטון וקסנון - יש משקל סגולי מספיק כדי להישמר על ידי כוח המשיכה של כדור הארץ. קריפטון וקסנון, למשל, כבדים יותר מברזל. מכיוון שהיסודות הללו יוצרים מעט מאוד תרכובות, סביר להניח שהם היו קיימים באטמוספירה הפרימיטיבית של כדור הארץ בצורה של גזים ולא יכלו להימלט כאשר כוכב הלכת הגיע לבסוף לגודלו הנוכחי. אך מכיוון שכדור הארץ מכיל פי מיליוני פחות מהם מהשמש, טבעי להניח שלכוכב הלכת שלנו מעולם לא הייתה אטמוספירה דומה בהרכבה לשמש. כדור הארץ נוצר מחומרים מוצקים שהכילו רק כמות קטנה של גז נספג או נספג, כך שבהתחלה לא הייתה אטמוספירה. היסודות המרכיבים את האטמוספירה המודרנית הופיעו ככל הנראה על כדור הארץ הפרימיטיבי בצורה של תרכובות כימיות מוצקות; לאחר מכן, בהשפעת חום הנובע מהתפרקות רדיואקטיבית או שחרור אנרגיית כבידה המלווה את הצטברות כדור הארץ, התפרקו תרכובות אלו ליצירת גזים. במהלך תהליך הפעילות הוולקנית, גזים אלו נמלטו מבטן האדמה ויצרו אטמוספירה פרימיטיבית.

התכולה הגבוהה של ארגון באטמוספרה המודרנית (כ-1%) אינה סותרת את ההנחה שגזים אצילים נעדרו בתחילה מהאטמוספירה. לאיזוטופ של ארגון, הנפוץ בחלל החיצון, מסת אטומית של 36, בעוד המסה האטומית של ארגון שנוצרה בקרום כדור הארץ במהלך ההתפרקות הרדיואקטיבית של אשלגן היא 40. תכולת החמצן הגבוהה באופן חריג בכדור הארץ (בהשוואה לאור אחר). יסודות) מוסבר על ידי העובדה שאלמנט זה מסוגל לשלב עם יסודות רבים אחרים, וליצור תרכובות מוצקות מאוד יציבות כגון סיליקטים וקרבונטים, שהם חלק מסלעים.

ההנחות של יורי לגבי האופי המפחית של האטמוספירה הפרימיטיבית התבססו על תכולת הברזל הגבוהה בכדור הארץ (35% מהמסה הכוללת). הוא האמין שהברזל המרכיב כעת את ליבת כדור הארץ התפזר במקור פחות או יותר שווה בכל נפחו. כאשר כדור הארץ התחמם, הברזל נמס ונאסף במרכזו. עם זאת, לפני שזה קרה, הברזל הכלול במה שנקרא כיום המעטפת העליונה של כוכב הלכת קיים אינטראקציה עם מים (שהיו נוכחים על כדור הארץ הפרימיטיבי בצורה של מינרלים hydrated, דומים לאלה שנמצאו בכמה מטאוריטים); כתוצאה מכך, כמויות אדירות של מימן השתחררו לאטמוספירה הקדמונית.

מחקר שבוצע מאז תחילת שנות ה-50 העמיד בסימן שאלה מספר הוראות של התרחיש המתואר. כמה מדענים פלנטריים הביעו ספקות שהברזל המרוכז כעת בקרום כדור הארץ יוכל אי פעם להיות מופץ באופן שווה בכל נפח כדור הארץ. הם נוטים להאמין שההצטברות התרחשה בצורה לא אחידה וברזל התעבה מהערפילית לפני אלמנטים אחרים היוצרים כעת את המעטפת ואת קרום כדור הארץ. עם הצטברות לא אחידה, תכולת המימן החופשי באטמוספרה הפרימיטיבית הייתה צריכה להיות נמוכה יותר מאשר במקרה של תהליך אחיד. מדענים אחרים מעדיפים הצטברות, אבל ממשיכים בדרך שלא אמורה להוביל להיווצרות אווירה מפחיתה. בקיצור, בשנים האחרונות נותחו מודלים שונים של היווצרות כדור הארץ, שחלקם יותר, אחרים פחות, תואמים רעיונות לגבי האופי המשקם של האטמוספירה המוקדמת.

ניסיונות לשחזר את האירועים שהתרחשו עם שחר היווצרות מערכת השמש קשורים בהכרח לאי ודאויות רבות. מרווח הזמן בין הופעת כדור הארץ להיווצרות הסלעים העתיקים ביותר שניתן לתארך גיאולוגית, שבמהלכם התרחשו התגובות הכימיות שהובילו להופעת החיים, הוא 700 מיליון שנים. ניסויי מעבדה הראו שסינתזה של מרכיבי המערכת הגנטית מצריכה סביבה משקמת; לכן, אנו יכולים לומר שמאחר שהחיים התעוררו על כדור הארץ, פירוש הדבר עשוי להיות הדבר הבא: או שהאטמוספירה הפרימיטיבית הייתה בעלת אופי מפחית, או שהתרכובות האורגניות הנחוצות למקור החיים הובאו לכדור הארץ מאיפשהו. מכיוון שגם היום מטאוריטים מביאים לכדור הארץ מגוון של חומרים אורגניים, האפשרות האחרונה לא נראית פנטסטית לחלוטין. עם זאת, מטאוריטים, ככל הנראה, אינם מכילים את כל החומרים הדרושים לבניית מערכת גנטית. למרות שחומרים ממקור מטאוריט כנראה תרמו תרומה משמעותית למאגר הכולל של תרכובות אורגניות על כדור הארץ הפרימיטיבי, כעת נראה סביר ביותר שהתנאים על כדור הארץ עצמו היו בעלי אופי מפחית עד כדי כך שהיווצרות חומר אורגני התאפשרה. , המוביל להופעת החיים.

ביולוגים מודרניים הראו שהחיים הם תופעה כימית השונה מתהליכים כימיים אחרים בביטוי של תכונות גנטיות. בכל מערכות החיים המוכרות, חומצות גרעין וחלבונים משמשים כנשאים של תכונות אלו. הדמיון בין חומצות הגרעין, החלבונים והמנגנונים הגנטיים הפועלים על בסיסם באורגניזמים ממגוון רחב של מינים אינו מותיר כמעט ספק שכל היצורים החיים החיים כיום על פני כדור הארץ מחוברים בשרשרת אבולוציונית המחברת אותם גם לאלה שהיו קיימים. בעבר והפכו למינים שנכחדו. אבולוציה כזו היא תוצאה טבעית ובלתי נמנעת של עבודתן של מערכות גנטיות. לפיכך, למרות המגוון האינסופי, כל היצורים החיים על הפלנטה שלנו שייכים לאותה משפחה. למעשה יש רק צורת חיים אחת על פני כדור הארץ, שיכולה להופיע רק פעם אחת.

היסוד העיקרי של הביוכימיה הארצית הוא פחמן. התכונות הכימיות של יסוד זה הופכות אותו למתאים במיוחד ליצירת סוג של מולקולות גדולות עשירות במידע הנחוצות לבניית מערכות גנטיות בעלות אפשרויות אבולוציוניות בלתי מוגבלות כמעט. החלל גם עשיר מאוד בפחמן, ומספר נתונים (תוצאות של ניסויי מעבדה, ניתוחים של מטאוריטים וספקטרוסקופיה של החלל הבין-כוכבי) מצביעים על כך שיצירת תרכובות אורגניות הדומות לאלו המרכיבות חומר חי היא קלה למדי ובא. קנה מידה רחב מתרחש ביקום. לכן סביר להניח שאם קיימים חיים במקומות אחרים ביקום, הם מבוססים גם על הכימיה של הפחמן.

תהליכים ביוכימיים המבוססים על כימיית פחמן יכולים להתרחש רק כאשר משולבים תנאים מסוימים של טמפרטורה ולחץ על פני כדור הארץ, כמו גם נוכחות של מקור אנרגיה מתאים, אטמוספירה וממס. למרות למים ממלאים תפקיד של ממס בביוכימיה יבשתית, ייתכן, אם כי לא בהכרח, שממסים אחרים משתתפים בתהליכים הביוכימיים המתרחשים בכוכבי לכת אחרים.

קריטריונים לאפשרות של מקור החיים

1. טמפרטורה ולחץ

אם ההנחה שחיים חייבים להתבסס על כימיה של פחמן נכונה, אזי ניתן לקבוע במדויק את התנאים המגבילים לכל סביבה המסוגלת לתמוך בחיים. קודם כל, הטמפרטורה לא תעלה על גבול היציבות של מולקולות אורגניות. קביעת מגבלת הטמפרטורה אינה קלה, אך אין צורך במספרים מדויקים. מכיוון שהשפעות הטמפרטורה והלחץ תלויות זו בזו, יש לשקול אותן יחד. בהנחה של לחץ של כ-1 atm (כמו על פני כדור הארץ), ניתן להעריך את גבול הטמפרטורה העליון של החיים, בהתחשב בכך שרבות מהמולקולות הקטנות המרכיבות את המערכת הגנטית, כמו חומצות אמינו, נהרסות במהירות בשעה טמפרטורות של 200-300 מעלות צלזיוס. על סמך זה, אנו יכולים להסיק שאזורים עם טמפרטורות מעל 250 מעלות צלזיוס אינם מיושבים. (עם זאת, אין זה אומר שהחיים נקבעים על ידי חומצות אמינו בלבד; בחרנו בהן רק כמייצגים טיפוסיים של מולקולות אורגניות קטנות.) גבול הטמפרטורה בפועל של החיים אמור להיות נמוך מזה כמעט בוודאות, שכן מולקולות גדולות עם מורכבות מבנים תלת מימדיים, בפרט חלבונים, הבנויים מחומצות אמינו, בדרך כלל רגישים יותר לחום מאשר מולקולות קטנות. גבול הטמפרטורה העליון לחיים על פני כדור הארץ הוא קרוב ל-100 מעלות צלזיוס, וסוגים מסוימים של חיידקים יכולים לשרוד במעיינות חמים בתנאים אלה. עם זאת, הרוב המכריע של האורגניזמים מתים בטמפרטורה זו.

זה אולי נראה מוזר שגבול הטמפרטורה העליון של החיים קרוב לנקודת הרתיחה של מים. האם צירוף מקרים זה נובע בדיוק מהעובדה שמים נוזליים אינם יכולים להתקיים בטמפרטורה מעל נקודת הרתיחה שלהם (100 מעלות צלזיוס על פני כדור הארץ), ולא מתכונות מיוחדות של החומר החי עצמו?

לפני שנים רבות, תומס ד. ברוק, מומחה לחיידקים תרמופיליים, הציע שניתן למצוא חיים בכל מקום בו קיימים מים נוזליים, ללא קשר לטמפרטורה שלהם. כדי להעלות את נקודת הרתיחה של המים, אתה צריך להגביר את הלחץ, כפי שקורה, למשל, בסיר לחץ אטום. חימום מוגבר גורם למים לרתוח מהר יותר מבלי לשנות את הטמפרטורה שלהם. תנאים טבעיים בהם קיימים מים נוזליים בטמפרטורות מעל נקודת הרתיחה הרגילה שלהם נמצאים באזורים של פעילות גיאותרמית תת-מימית, בהם מים מחוממים נשפכים מבפנים כדור הארץ בפעולה משולבת של לחץ אטמוספרי ולחץ של שכבת מי אוקיינוס. בשנת 1982 גילה K.O. Stetter חיידקים שטמפרטורת ההתפתחות האופטימלית עבורם הייתה 105°C בעומק של עד 10 מ' באזור של פעילות גיאותרמית. מכיוון שהלחץ מתחת למים בעומק של 10 מ' הוא 1 אטמוספירה, הלחץ הכולל בעומק זה הגיע ל-2 אטמוספירה. נקודת הרתיחה של מים בלחץ זה היא 121 מעלות צלזיוס.

ואכן, מדידות הראו שטמפרטורת המים במקום זה הייתה 103 מעלות צלזיוס. כתוצאה מכך, חיים אפשריים בטמפרטורות מעל לנקודת הרתיחה הרגילה של מים.

ברור שלחיידקים שיכולים להתקיים בטמפרטורות של כ-100 מעלות צלזיוס יש "סוד" שחסר לאורגניזמים רגילים. מכיוון שהצורות התרמופיליות הללו גדלות בצורה גרועה או לא בכלל בטמפרטורות נמוכות, הוגן להניח שגם לחיידקים רגילים יש "סוד" משלהם. תכונה מרכזית הקובעת את יכולת ההישרדות בטמפרטורות גבוהות היא היכולת לייצר רכיבים תרמיים יציבים, בעיקר חלבונים, חומצות גרעין וממברנות תאים. חלבונים באורגניזמים רגילים עוברים שינויים מהירים ובלתי הפיכים במבנה, או דנטורציה, בטמפרטורות סביב 60 מעלות צלזיוס. דוגמה לכך היא קרישה של אלבומין ביצת עוף (לבן ביצה) במהלך הבישול. החלבונים של חיידקים החיים במעיינות חמים אינם חווים שינויים כאלה עד לטמפרטורה של 90 מעלות צלזיוס. חומצות גרעין נתונות גם לדנטורציה בחום. לאחר מכן, מולקולת ה-DNA מחולקת לשני הגדילים המרכיבים אותה. זה מתרחש בדרך כלל בטווח הטמפרטורות של 85-100 מעלות צלזיוס, בהתאם ליחס הנוקלאוטידים במולקולת ה-DNA.

במהלך הדנטורציה נהרס המבנה התלת מימדי של חלבונים (ייחודי לכל חלבון), הדרוש לביצוע פונקציות כמו קטליזה. מבנה זה נתמך על ידי סט שלם של קשרים כימיים חלשים, כתוצאה מכך הרצף הליניארי של חומצות אמינו היוצר את המבנה הראשוני של מולקולת החלבון משתלב בקונפורמציה מיוחדת האופיינית לחלבון נתון. הקשרים התומכים במבנה התלת מימדי נוצרים בין חומצות אמינו הממוקמות בחלקים שונים של מולקולת החלבון. מוטציות של הגן, המכיל מידע על רצף חומצות האמינו האופייני לחלבון מסוים, עלולות להוביל לשינויים בהרכב חומצות האמינו, מה שבתורו משפיע לרוב על היציבות התרמית שלו. תופעה זו פותחת את הדלת לאבולוציה של חלבונים תרמיים יציבים. גם המבנה המולקולרי המבטיח את היציבות התרמית של חומצות גרעין וממברנות תאים של חיידקים החיים במעיינות חמים נקבע גנטית.

מכיוון שהלחץ הגובר מונע רתיחה של מים בנקודת הרתיחה הרגילה שלהם, היא יכולה גם למנוע חלק מהנזק למולקולות ביולוגיות הקשורות בחשיפה לטמפרטורות גבוהות. לדוגמה, לחץ של כמה מאות אטמוספרות מדכא את הדנטורציה התרמית של חלבונים. זה מוסבר על ידי העובדה שהדנטורציה גורמת למבנה הסליל של מולקולת החלבון להתפרק, מלווה בעלייה בנפח. על ידי מניעת התרחבות נפח, לחץ מונע דנטורציה. בלחצים גבוהים בהרבה, 5000 אטמוספירה או יותר, הוא עצמו הופך לגורם לדנטורציה. המנגנון של תופעה זו, הכוללת הרס דחיסה של מולקולת החלבון, אינו ברור עדיין. חשיפה ללחץ גבוה מאוד מובילה גם לעלייה ביציבות התרמית של מולקולות קטנות, שכן לחץ גבוה מונע את עליית הנפח, שבמקרה זה נגרמת משבירת קשרים כימיים. לדוגמה, בלחץ אטמוספרי, אוריאה מתפרקת במהירות בטמפרטורה של 130 מעלות צלזיוס, אך היא יציבה, לפחות למשך שעה, ב-200 מעלות צלזיוס ובלחץ של 29 אלף אטמוספירה.

מולקולות בתמיסה מתנהגות אחרת לגמרי. בעת אינטראקציה עם ממס, הם מתפרקים לעתים קרובות בטמפרטורות גבוהות. השם הכללי לתגובות כאלה הוא פתרון; אם הממס הוא מים, התגובה נקראת הידרוליזה.

הידרוליזה היא התהליך העיקרי שבו חלבונים, חומצות גרעין ועוד הרבה מולקולות ביולוגיות מורכבות מושמדות בטבע. הידרוליזה מתרחשת, למשל, במהלך תהליך העיכול בבעלי חיים, אך היא מתרחשת גם מחוץ למערכות חיות, באופן ספונטני, במיוחד בטמפרטורות גבוהות. שדות חשמליים המתעוררים במהלך תגובות סולבוליטיות מובילים לירידה בנפח התמיסה באמצעות היצרות אלקטרו, כלומר. קישור של מולקולות ממס שכנות. לכן, יש לצפות שלחץ גבוה יזרז את תהליך הסולבוליזה, וניסויים מאשרים זאת.

מכיוון שאנו מאמינים שתהליכים חיוניים יכולים להתרחש רק בתמיסות, יוצא שלחץ גבוה אינו יכול להעלות את גבול הטמפרטורה העליון של החיים, לפחות בממסים קוטביים כמו מים ואמוניה. טמפרטורה של כ-100 מעלות היא כנראה גבול טבעי. כפי שנראה, זה מוציא כוכבי לכת רבים במערכת השמש משיקולים כבתים אפשריים.

2. אווירה

התנאי הבא הדרוש למגורים של כוכב לכת הוא נוכחות של אטמוספירה. תרכובות פשוטות למדי של יסודות קלים, אשר, על פי ההנחות שלנו, מהוות את הבסיס לחומר חי, הן, ככלל, נדיפות, כלומר, הן במצב גזי בטווח טמפרטורות רחב. ככל הנראה, תרכובות כאלה מיוצרות בהכרח בתהליכים מטבוליים באורגניזמים חיים, כמו גם במהלך השפעות תרמיות ופוטוכימיות על אורגניזמים מתים, המלווים בשחרור גזים לאטמוספירה. גזים אלו, שהדוגמאות הפשוטות ביותר שלהם על פני כדור הארץ הם פחמן דו חמצני (פחמן דו חמצני), אדי מים וחמצן, נכללים בסופו של דבר במעגל החומרים המתרחש בטבע החי. אם כוח המשיכה של כדור הארץ לא היה יכול להחזיק אותם, הם היו מתאדים לחלל החיצון, כוכב הלכת שלנו היה ממצה בסופו של דבר את "מאגרי היסודות הקלים" שלו והחיים בו ייפסקו. לפיכך, אם התעוררו חיים על גוף קוסמי כלשהו ששדה הכבידה שלו לא היה חזק מספיק כדי להחזיק אטמוספירה, הוא לא יכול היה להתקיים לאורך זמן.

הוצע כי חיים עשויים להתקיים מתחת לפני השטח של גרמי שמיים כגון הירח, שיש להם אטמוספירה דקה מאוד או שאין להם אטמוספירה כלל. הנחה זו מבוססת על העובדה שניתן ללכוד גזים בשכבה התת-קרקעית, שהופכת לבית הגידול הטבעי של אורגניזמים חיים. אבל מכיוון שכל בית גידול שהתעורר מתחת לפני השטח של כדור הארץ משולל ממקור האנרגיה העיקרי החשוב מבחינה ביולוגית - השמש, הנחה כזו רק מחליפה בעיה אחת באחרת. החיים זקוקים לזרימה מתמדת של חומר ואנרגיה כאחד, אבל אם החומר משתתף במחזור הדם (זה קובע את הצורך באטמוספירה), אז האנרגיה, לפי חוקי היסוד של התרמודינמיקה, מתנהגת אחרת. הביוספרה מסוגלת לתפקד כל עוד היא מסופקת באנרגיה, אם כי מקורותיה השונים אינם שווי ערך. לדוגמה, מערכת השמש עשירה מאוד באנרגיה תרמית - חום נוצר במעמקים של כוכבי לכת רבים, כולל כדור הארץ. עם זאת, איננו יודעים על אורגניזמים שיוכלו להשתמש בו כמקור אנרגיה לתהליכי חייהם. כדי להשתמש בחום כמקור אנרגיה, הגוף חייב כנראה לתפקד כמו מנוע חום, כלומר להעביר חום מאזור בטמפרטורה גבוהה (למשל מצילינדר מנוע בנזין) לאזור בטמפרטורה נמוכה (לרדיאטור). ). בתהליך זה, חלק מהחום המועבר הופך לעבודה. אבל כדי שהיעילות של מנועי חום כאלה תהיה גבוהה מספיק, נדרשת טמפרטורה גבוהה של "המחמם", וזה מייצר מיד קשיים עצומים למערכות חיים, שכן הוא מעורר בעיות רבות נוספות.

אף אחת מהבעיות הללו לא נגרמת מאור השמש. השמש היא מקור אנרגיה קבוע, כמעט בלתי נדלה, המשמש בקלות בתהליכים כימיים בכל טמפרטורה. החיים על הפלנטה שלנו תלויים לחלוטין באנרגיה סולארית, ולכן טבעי להניח ששום מקום אחר במערכת השמש לא יכלו להתפתח חיים ללא צריכה ישירה או עקיפה של סוג זה של אנרגיה.

העובדה שחלק מהחיידקים מסוגלים לחיות בחושך, משתמשים רק בחומרים אנאורגניים לתזונה, ופחמן דו חמצני כמקור הפחמן היחיד, לא משנה את מהות העניין. אורגניזמים כאלה, הנקראים chemolithoautotrophs (שפירושו המילולי: להאכיל את עצמם מכימיקלים אנאורגניים), משיגים את האנרגיה הדרושה להמרת פחמן דו חמצני לחומרים אורגניים על ידי חמצון מימן, גופרית או חומרים אנאורגניים אחרים. אך מקורות האנרגיה הללו, בניגוד לשמש, מתרוקנים ולאחר השימוש לא ניתן לשחזר אותם ללא השתתפות אנרגיית השמש. לפיכך, מימן, מקור אנרגיה חשוב לכמה chemolithoautotrophs, נוצר בתנאים אנאירוביים (למשל, בביצות, בקרקעית אגמים או במערכת העיכול של בעלי חיים) באמצעות פירוק תחת פעולת חיידקים של חומר צמחי, שהוא עצמו, כמובן, נוצר במהלך הפוטוסינתזה. Chemolithoautotrophs משתמשים במימן זה כדי לייצר מתאן וחומרים הנחוצים לחיי התא מפחמן דו חמצני. מתאן חודר לאטמוספירה, שם הוא מתפרק בהשפעת אור השמש ליצירת מימן ותוצרים אחרים. האטמוספירה של כדור הארץ מכילה מימן בריכוז של 0.5 חלקים למיליון; כמעט כולו נוצר מתאן ששוחרר על ידי חיידקים. מימן ומתאן משתחררים לאטמוספירה גם בהתפרצויות געשיות, אך בכמויות קטנות לאין ערוך. מקור משמעותי נוסף למימן אטמוספרי הוא השכבות העליונות של האטמוספירה, שבהן, בהשפעת קרינת UV השמש, אדי מים מתפרקים, ומשחררים אטומי מימן, הבורחים לחלל החיצון.

אוכלוסיות רבות של בעלי חיים שונים - דגים, רכיכות ימיות, מולים, תולעי ענק ועוד, שנמצאו חיים בסמוך למעיינות חמים שהתגלו בעומק של 2500 מ' באוקיינוס השקט, מיוחסת לעיתים את היכולת להתקיים באופן עצמאי. -simo מאנרגיה סולארית. ידועים כמה אזורים כאלה: אחד ליד הארכיפלג גלפגוס, השני במרחק של כ-21° לצפון-מערב, מול חופי מקסיקו. אספקת המזון ידועה לשמצה מצומצמת באוקיינוס העמוק, וגילוי האוכלוסייה הראשונה כזו ב-1977 העלה מיד את השאלה לגבי מקור המזון שלה. נראה כי אפשרות אחת היא שימוש בחומר אורגני המצטבר על קרקעית האוקיינוס, פסולת הנובעת מפעילות ביולוגית בשכבת פני השטח; הם מועברים לאזורים של פעילות גיאותרמית על ידי זרמים אופקיים הנובעים מפליטות אנכיות של מים חמים. התנועה כלפי מעלה של מים מחוממים גורמת להיווצרות זרמים קרים אופקיים בתחתית המכוונים לנקודת השחרור. ההנחה היא שכך מצטברים כאן שרידים אורגניים.

מקור נוסף לחומרי הזנה נודע לאחר שהתגלה כי מי מעיינות תרמיים מכילים מימן גופרתי (H 2 S). יתכן שחיידקים כימוליטו-אוטוטרופיים נמצאים בתחילת שרשרת המזון. כפי שהראה מחקר נוסף, כימוליטואוטרופים הם אכן המקור העיקרי לחומר אורגני במערכת האקולוגית של מעיינות תרמיים.

מכיוון שה"דלק" לקהילות אלה במעמקי הים הוא מימן גופרתי שנוצר במעמקי כדור הארץ, הם נחשבים בדרך כלל כמערכות חיות שיכולות להסתדר ללא אנרגיית שמש. עם זאת, זה לא לגמרי נכון, שכן החמצן שהם משתמשים בהם כדי לחמצן את ה"דלק" הוא תוצר של טרנספורמציות פוטוכימיות. ישנם רק שני מקורות משמעותיים של חמצן חופשי על פני כדור הארץ, ושניהם קשורים לפעילות השמש.

האוקיינוס ממלא תפקיד חשוב בחיי המערכת האקולוגית של הים העמוק מכיוון שהוא מספק את הסביבה התרמית לאורגניזמים שבלעדיהם הם לא יכלו להתקיים. האוקיינוס מספק להם לא רק חמצן, אלא גם את כל החומרים המזינים הדרושים, למעט מימן גופרתי. זה מסיר פסולת. והיא גם מאפשרת לאורגניזמים הללו לעבור לאזורים חדשים, דבר הכרחי להישרדותם, שכן המקורות הם קצרי מועד - על פי הערכות, תוחלת חייהם אינה עולה על 10 שנים. המרחק בין מעיינות תרמיים בודדים באזור אחד של האוקיינוס הוא 5-10 ק"מ.

3. ממס

כיום מקובל בדרך כלל שתנאי הכרחי לחיים הוא גם נוכחות של ממס מסוג זה או אחר. תגובות כימיות רבות המתרחשות במערכות חיות יהיו בלתי אפשריות ללא ממס. על כדור הארץ, ממס ביולוגי כזה הוא מים. זהו המרכיב העיקרי של תאים חיים ואחת התרכובות הנפוצות ביותר על פני כדור הארץ. בשל העובדה שהיסודות הכימיים היוצרים מים נפוצים בחלל החיצון, מים הם ללא ספק אחת התרכובות הנפוצות ביותר ביקום. אבל למרות שפע כזה של מים בכל מקום. כדור הארץ הוא כוכב הלכת היחיד במערכת השמש שעל פניו יש אוקיינוס; זו עובדה חשובה שנחזור אליה בהמשך.

למים יש מספר תכונות מיוחדות ובלתי צפויות, שבזכותן הם יכולים לשמש כממס ביולוגי - בית גידול טבעי לאורגניזמים חיים. תכונות אלו קובעות את תפקידו העיקרי בייצוב הטמפרטורה של כדור הארץ. תכונות אלו כוללות: טמפרטורות התכה (התכה) ורתיחה גבוהות; קיבולת חום גבוהה; טווח רחב של טמפרטורות שבתוכם המים נשארים במצב נוזלי; קבוע דיאלקטרי גבוה (שחשוב מאוד לממס); היכולת להתרחב ליד נקודת הקיפאון. נושאים אלו זכו להתפתחות מקיפה, במיוחד בעבודותיו של ל.ג. הנדרסון (1878-1942), פרופסור לכימיה באוניברסיטת הרווארד.

מחקר מודרני הראה שתכונות חריגות כאלה של מים נובעות מהיכולת של המולקולות שלהם ליצור קשרי מימן זו עם זו ועם מולקולות אחרות המכילות אטומי חמצן או חנקן. במציאות, מים נוזליים מורכבים מאגרגטים שבהם מולקולות בודדות מחוברות זו לזו על ידי קשרי מימן. מסיבה זו, כאשר דנים באילו ממיסים לא מימיים יכולים לשמש מערכות חיות בעולמות אחרים, מוקדשת תשומת לב מיוחדת לאמוניה (NH 3), שגם היא יוצרת קשרי מימן ובעלת תכונות רבות הדומות למים. חומרים אחרים המסוגלים ליצור קשרי מימן נקראים גם הם, במיוחד חומצה הידרופלואורית (HF) ומימן ציאניד (HCN). עם זאת, שני התרכובות האחרונות אינן מועמדות לתפקיד זה. פלואור הוא יסוד נדיר: לכל אטום פלואור ביקום הנצפה ישנם 10,000 אטומי חמצן, כך שקשה לדמיין תנאים על כל כוכב לכת שיעדיפו את היווצרותו של אוקיינוס המורכב מ-HF ולא מ-H 2 O. באשר למימן ציאניד (HCN), היסודות המרכיבים אותו נמצאים בשפע בחלל החיצון, אך תרכובת זו אינה יציבה מספיק מבחינה תרמודינמית. לכן לא סביר שהוא יוכל להצטבר אי פעם בכמויות גדולות על כוכב לכת כלשהו, אם כי, כפי שאמרנו קודם, HCN מייצג תווך חשוב (אם כי זמני) בסינתזה הפרה-ביולוגית של חומרים אורגניים.

אמוניה מורכבת מיסודות נפוצים למדי, ולמרות שהיא פחות יציבה ממים, היא יציבה מספיק כדי להיחשב כממס ביולוגי אפשרי. בלחץ של 1 atm, הוא במצב נוזלי בטווח הטמפרטורות 78 - 33 מעלות צלזיוס. טווח זה (45°) צר בהרבה מהטווח המקביל למים (100°C), אך הוא מכסה את האזור של סולם הטמפרטורה שבו המים אינם יכולים לתפקד כממס. בהתחשב באמוניה, ג'נדרסון ציין כי זוהי התרכובת הידועה היחידה שכממס ביולוגי, מתקרבת למים בתכונותיה. אבל בסופו של דבר, המדען חזר בו מהצהרתו מהסיבות הבאות. ראשית, אמוניה אינה יכולה להצטבר בכמות מספקת על פני השטח של כוכב לכת כלשהו; שנית, בניגוד למים, הוא אינו מתרחב בטמפרטורות הקרובות לנקודת הקיפאון (כתוצאה מכך כל המסה שלו יכולה להישאר כולה במצב מוצק וקפוא), ולבסוף, בחירתו כממס שוללת את היתרונות של שימוש בחמצן כמגיב ביולוגי. הנדרסון לא הביע דעה נחרצת לגבי הסיבות שימנעו את הצטברות האמוניה על פני כוכבי הלכת, אך בכל זאת צדק. אמוניה נהרסת על ידי קרינת UV מהשמש בקלות רבה יותר מאשר מים, כלומר המולקולות שלה מתפצלות בהשפעת קרינה באורך גל ארוך יותר, הנושאת פחות אנרגיה, המיוצגת באופן נרחב בספקטרום השמש. המימן שנוצר בתגובה זו מתאדה מכוכבי הלכת (למעט הגדולים) אל החלל החיצון, בעוד חנקן נשאר. מים נהרסים באטמוספירה גם בהשפעת קרינת השמש, אבל רק אורך גל קצר בהרבה מזה שהורס אמוניה, והחמצן (O 2) והאוזון (O 3) המשתחררים יוצרים מסך שמגן ביעילות רבה על כדור הארץ מפני UV קטלני מקרינה. בדרך זו, מתרחשת הגבלה עצמית של הרס פוטו של אדי מים אטמוספריים. במקרה של אמוניה, לא נצפית תופעה דומה.

טיעונים אלה אינם מתאימים לכוכבי לכת כמו צדק. מכיוון שמימן קיים בשפע באטמוספירה של כוכב הלכת הזה, בהיותו המרכיב הקבוע שלו, סביר להניח שנוכחות של אמוניה שם. הנחות אלו מאוששות על ידי מחקרים ספקטרוסקופיים של צדק ושבתאי. לא סביר שיש אמוניה נוזלית על כוכבי הלכת הללו, אבל קיומם של ענני אמוניה המורכבים מגבישים קפואים בהחלט אפשרי.

בהתחשב בסוגיית המים במובן הרחב, אין לנו הזכות לטעון מראש או להכחיש שניתן להחליף מים כממס ביולוגי בתרכובות אחרות. כאשר דנים בבעיה זו, יש לעתים קרובות נטייה לפשט אותה, שכן, ככלל, רק התכונות הפיזיקליות של ממיסים חלופיים נלקחות בחשבון. יחד עם זאת, העובדה שציין הנדרסון מוקטנת או מתעלמת לחלוטין, כלומר: מים משמשים לא רק כממס, אלא גם כמשתתף פעיל בתגובות ביוכימיות. היסודות המרכיבים את המים "משולבים" בחומרים של אורגניזמים חיים באמצעות הידרוליזה או פוטוסינתזה בצמחים ירוקים (ראה תגובה 4). המבנה הכימי של חומר חי המבוסס על ממס אחר, כמו כל הסביבה הביולוגית, חייב להיות שונה בהכרח. במילים אחרות, שינוי הממס כרוך בהכרח בתוצאות עמוקות ביותר. אף אחד לא ניסה ברצינות לדמיין אותם. ניסיון כזה הוא בקושי הגיוני, שכן הוא מייצג לא יותר או פחות מפרויקט לעולם חדש, וזוהי מאמץ מפוקפק מאוד. עד כה איננו מסוגלים אפילו לענות על השאלה לגבי האפשרות של חיים ללא מים, וכמעט שלא נלמד דבר על כך עד שנגלה דוגמה לחיים נטולי מים.

כתחום ידע ממשי המאחד את הטבע האנא-אורגני והאורגני בנושא שלו, הכימיה היא, במלוא מובן המילה, מדע אינטגרלי, קשור, שנועד לחשוף את סודות מקור החיים, המבנה האובייקטיבי של מערכות סמוכות. של פיתוח מציאות טבעית. הפונקציות הקוגניטיביות והחברתיות של הכימיה דורשות ניתוח זהיר ומקיף ביותר של היסודות הפילוסופיים של המדע, כולל, קודם כל, בעיות האבולוציה הכימית, הספציפיות והקשר שלה עם תהליכים פיזיקליים וביולוגיים, ובחלקם גם חברתיים.

הדיסציפלינה התיאורטית העיקרית החוקרת את הצורה הכימית של תנועת החומר היא הכימיה, שהתמיינה כעת לדיסציפלינות רבות הקשורות זו בזו באופן בלתי נפרד. לאחר שצברה חומר אמפירי עצום, הכימיה היא אחד המקורות החשובים ביותר לפיתוח הדיאלקטיקה המטריאליסטית. בתורה, היא עצמה משתמשת באופן יצירתי בדיאלקטיקה, המוכתבת על ידי הצורך ליצור תיאוריה שמכלילה ומסנתזת דיסציפלינות כימיות שונות למכלול אחד.

הצורה הכימית של תנועת החומר היא תוצאה של אבולוציה ארוכה. הוא הטרוגני ביותר בבסיסו ומכסה את השטח מהתרכובות הכימיות הפשוטות ביותר ועד למבנים דמויי חלבון הנוצרים באופן אביוטי. ניתן להבחין בשני שלבים גדולים בהופעת הצורה הכימית של תנועת החומר. ההופעה הראשונה של יסודות כימיים בתהליכים אסטרופיזיים וגרעיניים. מכיוון שלא נוצרים קשרים כימיים במקרה זה, היווצרותם של יסודות כימיים אינה התפתחות ישירה של המערכות הכימיות עצמן. "האבולוציה בתוך הטבלה המחזורית אינה כימית בטבעה." השלב השני - התפתחות הצורה הכימית הממשית של תנועת החומר - מתגלה במלואו רק בתנאים פלנטריים, בתהליכים גיאוכימיים. בהינתן תנאים נוחים, מערכות כימיות מסוגלות ליצור צורות חיים מסוימות. עצם הופעתם של החיים היא אחת מהדרכים המהירות של האבולוציה. "החיים", הדגיש פ. אנגלס, "היו צריכים להתעורר בצורה כימית." אבולוציה כימית, שהובילה להופעתם של צורות חיים פרימיטיביות, פועלת ישירות כאבולוציה פרה-ביולוגית. כל העושר של אובייקטים שונים של הצורה הכימית של תנועת החומר לא התעורר מיד, אלא רק במהלך האבולוציה הארוכה. הצורה הכימית של תנועת החומר היא אבולוציונית בבסיסה. אי ההבנה של הטבע האבולוציוני הזה היא שמובילה לכל מיני מושגים ויטליסטיים ותיאולוגיים בכימיה.

אבולוציה כימית היא הדרך היחידה המובילה להופעתם של חיים. אידיאליסטים מתכחשים לדרך זו או מסבירים אותה כתוצאה מפעולת העיקרון הרוחני.

למעשה, המושג של ז'אק מונוד מוביל בהכרח לאותן מסקנות, המנסה להפריך את המטריאליזם הדיאלקטי, לאחר שסווג אותו בעבר, כמו הפוזיטיביזם של ג' ספנסר ותורתו של טיילהרד דה שרדן, לקטגוריית המושגים שבהם אובייקטיבי תופעות נגזרות מחוקי ההתפתחות של הסובייקטיבי. לפיכך, הוא מייחס לחומרנות הדיאלקטית את הרעיון של טילהרד בדבר גורם מסוים שיוצר את הכיוון של "אבולוציה קוסמית" כלפי האדם. לג'יי מונוד עצמו יש גישה שלילית לתורת האבולוציה, כפי שמעידה התזה שלו על טבעו של ה-DNA מבודד לחלוטין מהשפעת העולם החיצון, שאינו מסוגל לחלוטין "לקבל מידע כלשהו מהעולם החיצון". תזה זו דורשת בהכרח (כשהיא מוצגת באופן עקבי) הכרה במעשה יצירה אחד. ג'יי מונוד משוכנע שתהליכי חיים מצטמצמים לחלוטין לחוקים ברמה המולקולרית.

הרדוקציוניזם המוחלט שלו, למעשה, שולל תכונות חדשות איכותיות המתעוררות כתוצאה מהתפתחות עצמית של מערכות ואינטגרציה שלהן.

הרעיון של "צמצום" כל תכונות ההתפתחות והתפקוד של יצורים חיים לחוקי הפיזיקה והכימיה הוא מכניסטי בעליל. אבל מנגנון עקבי מוביל בהכרח להיפך שלו - ויטליזם. לדוגמה, אלסר מניח את נוכחותם של חוקים ביוטוניים מיוחדים בטבע הדומם, המבטיחים את הופעתם של יצורים חיים. הוא מוותר מילולית על הוויטליזם, אבל החוקים המסתוריים הללו, במהותם, אינם שונים מכוח החיים של הוויטליסטים. דעותיו של אלסר מנותחות על ידי הפיזיקאי המפורסם א' ויגנר. לאחר שהגיע למסקנה ש"לפי התיאוריה המכאנית הקוונטית, ההסתברות לקיומם של מצבים יוצרים עצמיים היא אפס", אז הוא כותב "על התפקיד הדומיננטי של תופעה כזו כמו תודעה" עבור מערכות מתארגנות עצמית. מסקנה זו אופיינית למדי; מנגנון עקבי, ללא קשר לאיזה חוקי מכניקה - קלאסי, סטטיסטי או קוונטי - הוא נובע, חוסר היכולת להבין את ההופעה ההיסטורית של החוקים עצמם (למשל, ביולוגיים), נאלץ לפנות לתפקיד המוביל של התודעה .

בהתבסס על סטטיסטיקה קלאסית, בהתבסס על ההנחה של התרחשות חד פעמית של מולקולת חלבון, ניאו-תומיסט ווטר מגיע למסקנה שלוקח 10,243 מיליארד שנים עד שאירוע כזה מתרחש. מכאן הוא מסיק מסקנה על מקורם האלוהי של יצורים חיים.

סטטיסטיקה קלאסית, כמו תרמודינמיקה פנומנולוגית, עדיין נתונה לפרשנות שרירותית, במיוחד החוק השני של התרמודינמיקה, שעל בסיסו הם מנסים להסיק מסקנות ויטליסטיות בכנות.

מושגים כאלה חייבים להיות נתונים לביקורת מפורטת מנקודת המבט של הדיאלקטיקה המטריאליסטית, תוך מעורבות של חומר מדעי טבעי. במהלך ביקורת כזו, יש לפתור משימה משולשת: ראשית, לבסס את הכזב של פרשנויות אידיאליסטיות; שנית, הסבר חומרני של תהליכים אבולוציוניים, ובפרט אבולוציה כימית; שלישית, הכללה פילוסופית של חומר מדעי הטבע, פיתוח עקרונות פילוסופיים כלליים. לפיתוח העקרונות הללו חשובה במיוחד הכימיה, שצברה שפע של חומר אמפירי ותיאורטי.

אבולוציה כימית היא תוצאה של התפתחות ארוכה, המתבצעת באמצעות סדרה של שלבי ביניים, בעלת כיוון מסוים ומובילה באופן טבעי למצב חדש מבחינה איכותית של החומר. לפיתוח מערכות כימיות יש תכונות משותפות לכל המערכות המתפתחות. כידוע, תכונות דומות, ללא תלות במפרט האיכותי של מערכות, נחקרות על ידי הפילוסופיה. "כל התפתחות", כתב ק' מרקס, "ללא קשר לתוכן שלה, ניתן לייצג כסדרה של שלבי התפתחות שונים הקשורים זה בזה..." השאלות המרכזיות של תורת ההתפתחות, שתקפות גם לגבי צורת התנועה הכימית, הן שאלות לגבי הגורם הראשוני להתפתחות, כיוונה ומה גרם למצב החדש האיכותי שנוצר.

שאלת ההתפתחות, היווצרותה של איכות חדשה, היא כללית ופילוסופית ביותר. הקונקרטיזציה שלו היא שאלת הופעת החיים כתוצאה מאבולוציה פרה-ביולוגית ארוכת טווח. לפתור בעיה באופן כללי פירושו לספק את המתודולוגיה הנכונה לפתרון בעיות ספציפיות.

מערכות חדשות איכותיות שעולות כתוצאה מכל תהליך אינן תוספות לאלו המקוריות. בתהליך האבולוציה הכימית, נוצרות מערכות חדשות איכותיות רבות. בנוסף למענה על השאלה לגבי הסיבות וכיווני ההתפתחות, יש כאן חשיבות רבה להבנת ההתניה של מצב חדש מבחינה איכותית. התפתחות ברמה הכימית מאפשרת לחשוף באופן משמעותי כמה עקרונות פילוסופיים כלליים החשובים לבירור התניה זו. F. אנגלס הראה את הקשר בין כימיה ופילוסופיה, וחשף, במיוחד, באמצעות החומר של הכימיה, את מנגנון הפעולה של חוק המעבר של שינויים כמותיים לאיכותיים, ולאחר מכן, בהתבסס על חוק זה, הוא נתן א. הגדרת הכימיה עצמה. בהתבסס על החומר של הכימיה המודרנית, נעשים כיום ניסיונות להמשיך ולפתח את חוק המעבר של שינויים כמותיים לאיכותיים.

למערכות האיכותיות החדשות שצצות כתוצאה מפיתוח יש מספר תכונות בהשוואה לאלו המקוריות. העיקרי שבהם יהיה לשפר את רגע הדינמיות והמורכבות. במקרה זה, כפי שכבר צוין, מתרחשת שילוב של נכסים ומפלגות בהכרח. יתר על כן, ככל שיותר רכיבים נכללים במכלול, כך גדל מספר הדרכים שבהן הם יכולים להיות מחוברים זה לזה, ולהשפיע זה על זה. התוצאה הבלתי נמנעת של זה תהיה עלייה בסלקטיביות ובייחודיות של כל מערכת בנפרד. המספר הכמעט בלתי מוגבל של חלבונים מאוד מגוונים וספציפיים, שמכילים בכל המקרים לא יותר מ-22 חומצות אמינו באיכות שונה, מעיד על כך. ולבסוף, כתוצאה מהאבולוציה הכימית, היבט כזה של המערכת כמו היכולת לשקף, בעיקר את היצירה של מערכות מתפתחות והאינטראקציות ביניהן, עובר שינוי.

כימיה מודרנית היא דיסציפלינה תיאורטית השוכנת בין תיאוריות פיזיקליות וביולוגיות. ככל שהיא מתפתחת, היא עוברת ממושגים איכותיים וסמי-כמותיים לתיאוריה כמותית קפדנית יותר. מושגים קוונטיים נמצאים בשימוש נרחב בו. הצלחות משמעותיות שהושגו בכיוון זה מלוות, במקביל, בטעויות שונות בעלות אופי אידיאולוגי ומתודולוגי מובהק. הרעיון של צמצום הכימיה לפיזיקה גורם במיוחד להרבה פרשנויות סותרות ישירות. מושג זה נמצא כעת בוויכוח נמרץ.

קיים קשר מבני-גנטי בין צורות התנועה הפיזיקליות, הכימיות והביולוגיות של החומר קיים מעבר אבולוציוני מצורות תנועה נמוכות לגבוהות יותר. הכחשת מעבר כזה, למעשה, משמעה הכחשת האבולוציה של צורות התנועה של החומר והאחדות החומרית של העולם. נוכחות היצירה של כמה צורות מאחרות היא הבסיס להצהרה על גזירת הגבוה מהנמוך יותר. בין תיאוריות פיזיקליות, כימיות וביולוגיות, ככל הנראה, צריכים להיות מעברים, שכן מעברים דומים קיימים באופן אובייקטיבי בטבע בין צורות תנועה. זיהוי מעברים וקשרים בין תיאוריות תורם ביותר לשילוב ידע מדעי.

אי הבנה של האחדות הדיאלקטית של צורות התנועה של החומר מובילה להתנגדות חריפה שלהן. גישה כזו מובילה למסקנות לא מבוססות לגבי פעולתם של חוקים פיזיקליים מיוחדים ביצורים חיים. לדוגמה, K.S. Trincher מדבר על פעולת החוק הרביעי של התרמודינמיקה. חוקים פיזיקליים זהים לגבי חומר חי ולא חי, אך לא נובע מכך שלחוקים כימיים וביולוגיים אין ספציפיות. הספציפיות שלהם טמונה בתחום אחר.

היסודות הפילוסופיים המודרניים של הכימיה נקבעים באופן משמעותי על ידי ניתוח תהליך האבולוציה הכימית. שאלת האבולוציה הכימית רלוונטית במיוחד משום שבתוך מסגרתה יש מעבר מחוסר חיים לחיים. תוך התעלמות ממעבר זה, ניסיונות להסביר את הביולוגי ישירות מהמוביל הפיזי למנגנון (המגוון שלו - פיזיקיזם), וההנחה של "פער" בין החיים לבין הלא-חיים והמאמצים הלא מוצלחים לגלות את הביולוגי בתוך הפיזי מובילים לכל. מיני פרפורמציות וויטליזם.

למחקר על הצורה הכימית של תנועת החומר יש חשיבות רבה לתיאוריה הפילוסופית המדעית ולפרקטיקה החברתית-היסטורית. יחד עם הפתרון הספציפי של סוגיות מסוימות, יש צורך לשקול את הבעיות הפילוסופיות של הצורה הכימית של תנועת החומר, שכן "מי שלוקח על עצמו סוגיות מסוימות מבלי לפתור תחילה כלליות, בהכרח בכל צעד "יתקל" באלה באופן בלתי מודע. שאלות כלליות."

צורת התנועה הכימית של החומר פועלת כצורת התנועה הגבוהה ביותר בטבע האנאורגני. בהיותה מעבר בין צורות התנועה הפיזיות והביולוגיות, היא ממלאת תפקיד אינטגרלי, מבטיח אחדות, יחסי הגומלין והמעבר ביניהן. הצורה הכימית של תנועת החומר מעניינת במיוחד עבור זיהוי, לימוד וקונקרטיזציה של העקרונות הכלליים של פיתוח מערכת, דבר שקשה לעשותו על בסיס חקר הצורה הפיזית של תנועת החומר בשל העוני והאלמנטריות היחסית שלו. , או הביולוגית - בשל הדינמיות והמורכבות הגבוהות ביותר שלו, לעיתים מטשטשות את ההפרדה של העיקר מהמשני והמשני.

אבולוציה כימית, על פי המדע המודרני, שימשה כבסיס להופעת החיים במערכת הכוכבים שלנו. להופעתם של חיים ביקום, יש לעמוד במספר תנאים: נוכחות של נוקלאוסינתזה, היווצרות כוכבים, מרחב תלת-ממדי בו יכולים להתקיים רק אטומים, מערכות פלנטריות וכו' גילויים בתחום הקוסמולוגיה על הקביעה ש"החיים הם תוצאה של תהליכים טבעיים המתרחשים ביקום" (S. Ponnamperuma). בהקשר לבעיית החיים, המרכיב המהותי ביותר של האבולוציה הכימית המתרחשת ביקום הוא השינוי של תרכובות פחמן העומדות בבסיס הופעת החיים הארציים.

פחמן הוא ללא ספק אחד היסודות הנפוצים ביותר בחלל, מכיוון שלצורך הנוקלאוסינתזה שלו הוא אינו דורש (כמו יסודות קלים כמו הליום, חנקן או חמצן) מקורות אנרגיה יוצאי דופן, למשל בצורה של פיצוצים של "סופרנובה". נוכחות פחמן זוהתה בספקטרום של כל מחלקות הכוכבים. נכון, בכוכבים שטמפרטורת פני השטח שלהם היא כ-25,000 מעלות צלזיוס, הפחמן מופיע רק במצב מיונן או בצורת אטומים. אבל גם בכוכבים מסוג A עם טמפרטורת פני השטח של כ-10,000 מעלות צלזיוס, ישנם תנאים התורמים ליצירת תרכובות פחמן-מימן. מספר התרכובות הללו גדל ככל שהטמפרטורה של הכוכבים יורדת. במקרה של השמש, שטמפרטורת פני השטח שלה היא כ-6000 מעלות צלזיוס, הוכחה נוכחותם של הפחמימנים והציאנוגן הפשוטים ביותר (P. Davis). המעניינים ביותר בהקשר זה הם כוכבי פחמן, המכונים גם "ענקים אדומים". הם מאופיינים בעודף משמעותי של פחמן ביחס לחמצן, מה שמעיד על קיומה של כמות משמעותית של תרכובות פחמן שונות באטמוספרות שלהם.

על פי תוצאות מחקר של האסטרופיזיקאי האנגלי פ. הויל, גרגרי גרפיט בסדר גודל של כמה מאות אנגסטרום מופיעים ללא הרף באטמוספירה של כוכבי פחמן, אשר בהשפעת לחץ האור נדחפים לחלל הבין-כוכבי, נוצרים ענני אבק גרפיט שם והופכים למקור לתרכובות פחמן הטרוגניות בסביבה זו. נכון להיום, ישנן אינדיקציות לכך שלחלקיקי אבק קוסמי יש מבנה מורכב - ליבת סיליקט מוקפת במעטפת של חומרים אורגניים, שבה ככל הנראה מתרחשים תהליכים כימיים שונים (J. Greenberg). כוכבים רבים הם האתר של הסינתזה העיקרית של תרכובות פחמן ראשוניות, שניתן לראות בהן כמבשרים של תרכובות אורגניות מורכבות יותר. "הפרשה הידועה שאנו והכוכבים עשויים מאותו חומר אינן מילים ריקות. האטומים המרכיבים את המולקולות השונות של האטמוספרה, קרום כדור הארץ, נהרות, אגמים ואוקיינוסים, צמחים ובעלי חיים. לידת הגלקסיה" (S. Ponnamperuma).

בגלקסיה מתרחש ללא הרף תהליך היווצרותם של כוכבים חדשים מחומר בין-כוכבי, אך במקביל, הכוכבים המתעוררים מוותרים על חלק מהחומר שלהם לסביבה הסובבת אותם, ומעשירים אותו בתרכובות פחמן. לפיכך, תנאים נוחים לסינתזה של תרכובות אורגניות שונות מתעוררים בחלל החיצון. תהליכים כימיים מורכבים יכולים להתפתח בענני גז ואבק בין-כוכביים, וכתוצאה מכך מצטברים יותר ויותר חומרים אורגניים פשוטים ומורכבים יותר בחלל החיצון. לפיכך, תצפיות רדיו מראות כי בגלקסיה שלנו, עננים יוצרי כוכבים כוללים מולקולות בין-כוכביות אורגניות כגון חומצה בורית, פורמלדהיד, אתנול וכו' (N. Scoville, J. Young), שבאזורים מסוימים של ערפילית אנדרומדה יש מולקולות של ציאניד ופורמלדהיד (א.ש. שרוב).

מקור תרכובות הפחמן הנוצרות בחלל הוא לא רק האטמוספירות החמות של כוכבים, אלא גם גרגרי אבק בין-כוכבי קפוא. המשמעות היא שתרכובות פחמן אורגניות יכולות להיווצר, להתקיים ולהתפתח בטווח טמפרטורות רחב מאוד שנע בין 300°K (האווירה של כוכבי פחמן) ל-2°K (ענני גז ואבק). זו הסיבה העיקרית לכך שאטמוספירות הכוכבים, היווצרותם של חומרי גז ואבק, וגופים שמימיים כמו שביטים, כמו גם כל החלל הבין-כוכבי, רוויות בשפע גדול של פחמן ותרכובותיו (G.A. Gurzadyan).

מחקר בתחום הכימיה הקוונטית של קור הראה שבזכות תופעה קוונטית ספציפית, מה שמכונה "אפקט המנהרה", תגובות כימיות יכולות להתרחש אפילו בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט (V.I. Goldansky). מניסויים עולה כי תגובות פילמור של חומרים אורגניים מוצקים מתרחשות ישירות במהלך הקרנה של החומר בקרינה אולטרה סגולה כבר בטמפרטורה של הליום נוזלי (-269 מעלות צלזיוס). המשמעות של מחקרים אלו היא שהם מראים אפשרות לסנתז מולקולות אורגניות, המהוות את הבסיס לחומר חי, בתנאים של קור קוסמי בהשפעת קרינה קוסמית. ברור ש"אפקט המנהרה" ממלא תפקיד חשוב למדי בתפקוד הביו-מולקולות הוא "פועל" הן באזור הקור העמוק והן באזור הטמפרטורה שמעל 200°K (V.I. Goldansky).

אחד התהליכים העיקריים העומדים בבסיס תפקודן של מערכות ביולוגיות אמיתיות הוא העברה (באמצעות "אפקט המנהרה") של אלקטרון בחלבון (E.G. Petrov). כתוצאה מכך, מתרחש מבנה מחדש של התצורה הגרעינית של המקרומולקולה, אשר משפיע על הביו-אנרגטיות של התא. ישנן עדויות לכך ש"השפעות המנהרה" במערכות פוליאטומיות קובעות את היווצרותן של תכונות ביולוגיות כגון עצבנות ועצבנות (M.A. Shishlo, S.H. Kubli, V.P. Nuzhny).

חשיבותן של שיטות מחקר מכניות קוונטיות בביוכימיה נעוצה בעובדה שאלקטרונים דה-לוקאליים ממלאים את התפקיד העיקרי בתהליכי החיים. המקורות שלהם הם אותם יסודות טבעיים המהווים את עיקר החומרים הביוכימיים.

ידוע שמערכות חיות מורכבות מ-99% מימן, פחמן, חנקן וחמצן, כאשר שלושת היסודות האחרונים יוצרים בקלות קשרים מרובים. זה כולל גם יסודות חשובים מאוד לתהליכים ביוכימיים, כמו גופרית וזרחן. לחמשת האלמנטים הללו, אפילו במקרה של קשרים בודדים, יש "זוג אלקטרונים בודד" שיכול לבטל את המיקום ולקשר אתרים מצומדים. לכן, אין זה מפתיע שכל "החומרים הביוכימיים החשובים ביותר הקשורים לתפקודים הבסיסיים של חומר חי או לביצוע פונקציות אלה הם מערכות משולבות לחלוטין או לפחות חלקית" (B. Püllman, A. Püllman).

התרכובות המצומדות המרכיבות את היחידות המבניות והתפקודיות הבסיסיות של תא חי כוללות חומצות גרעין, חלבונים, פוספטים עשירים באנרגיה ורוב האנזימים. כיוון שהתרכובות הללו מורכבות יחסית, והטבע אינו סולח להגזמות, יש להן תכונה חיונית כלשהי המאפשרת להן להשתתף בתהליכי החיים. תכונה זו היא דה-לוקליזציה של אלקטרונים, המעניקה למולקולה יציבות נוספת (כלומר, למשל, היא יכולה לקבוע את ההתנגדות של מולקולות לקרינה ולייצג את הבסיס לבחירה ברמה המולקולרית) ומספקת אפשרות לתגובות שאינן אופייניות. למולקולות מסוגים אחרים. הדינמיות של החיים תואמת את הדינמיות של "ענן האלקטרונים" במולקולות מצומדות. כתוצאה מכך, מערכות כאלה יכולות להיחשב הן כמבנה המקורי והן כבסיס החיים העיקרי.

פרטים על הפילוסופיה של הכימיה

כימיה, בשיתוף עם מדעים אחרים ובברית הדוקה עם הפילוסופיה, מספקת חומר נרחב ויסודי למדען לפיתוח השקפות מדעיות ופילוסופיות על הטבע והעולם הסובב אותו.

ידוע כי ההישגים המעשיים של הכימיה הפכו לאחד הרגעים החשובים ביותר של המהפכה המדעית והטכנולוגית המתמשכת, והיקף הייצור האנושי והפעילות הכימית הפך בולט מאוד בהשפעתו על הטבע והחברה. הצמיחה המהירה של כימיזציה של הייצור מציבה מספר בעיות בעלות אופי פילוסופי וסוציולוגי.

הצד הכלכלי, הפוליטי, האידיאולוגי, המוסרי, האסתטי של התפתחות הכימיה וכימיזציה של הייצור, תפקידם בהתקדמות הטכנולוגיה, כוחות הייצור, ביחסי החברה עם הטבע, וההשלכות החברתיות העקיפות של הכימיזציה. ההשפעה ההפוכה של גורמים חברתיים שונים על מהלך ההתפתחות של מדע הכימיה, על כיוון היישומים המעשיים של הישגיו הם חלק מהשאלות הללו.

ניתן להבחין בשלוש קבוצות עיקריות של סוגיות פילוסופיות בכימיה. הראשון שבהם קשור בהכללה של מה שהכימיה החדשה השיגה בהכרת החומר, עם הזיהוי כיצד היא מעשירה את התמונה המדעית הכללית של החומר, הטבע ומה המשמעות האידיאולוגית של התגליות שהתגלו. זהו ההיבט האונטולוגי של הישגי הכימיה. התפתחותן של שאלות אלו מאפשרת לברר, להבין טוב יותר את מהותן של תופעות מסוימות שהתגלו על ידי הכימיה, לראות את הקשר שלהן עם תופעות אחרות - פיזיקליות וביולוגיות ואחרות, להבין את מקומן במערכת הטבע הכללית. פיתוח שאלות אלו הכרחי לא רק לפיתוח תפיסת עולם מדעית כללית התואמת את רמת הידע שהושגה על הטבע ולהתאמת כיוונים נוספים של מחקר כימי. קבוצת הנושאים השנייה והרחבה ביותר מורכבת מבעיות אפיסטמולוגיות ומתודולוגיות. הם נוגעים בעצם הפעילות הקוגניטיבית של כימאי, הכלים הלוגיים שלו, ניתוח פיתוח הידע הכימי של מושגי ההפשטות המשמשים בכימיה, שיטות מחקר וכו'. תוצאות ההכרה, המתגבשות בצורה של מושגים, עקרונות, תיאוריות חדשות, הופכות תמיד לכלים להכרה נוספת. לחשוף לא רק את משמעות השקפת העולם המדעית הטבעית הכללית של ידע חדש, אלא את משמעותם בפיתוח המנגנון הקוגניטיבי של המדע, את תפקודו ככלי ואמצעי הכרה - זוהי המשימה של המחקר על הצד המתודולוגי והאפיסטמולוגי של הכימיה. . שאלות אלו רכשו דחיפות ומשמעות מיוחדת בהקשר להתפתחות המהירה של הכימיה המודרנית, המתמטיזציה הגוברת והפשטת הידע. הקבוצה השלישית של שאלות פילוסופיות של כימיה הן שאלות הקשורות לחשיפת ההיבט החברתי של התפתחות הכימיה והפרקטיקה הכימית. אלו נושאים הקשורים להפיכת הכימיה לכוח יצרני, הקשורים לעובדה שהמושגים שפותח על ידי המדע הופכים לכלים לפעילותם המעשית של אנשים לשנות מציאות אובייקטיבית. אלו שאלות הקשורות לעובדה שחומרים שנחקרים בכימיה הם לא רק נושא מסתורי של מחקר מדעי מתמשך, אלא גם משהו שהאנושות זקוקה לו באופן חיוני. נוכחות או היעדר סוגים מסוימים של חומרים, הנמסרים על ידי כימיה עם יכולת ליצור מחדש חומר, לשלוט בתכונותיו ובטרנספורמציות שלו, כל זה מהווה גורם משמעותי בהתפתחות החברתית ומשפיע באופן משמעותי על היבטים שונים של החיים החברתיים. כמובן, החלוקה של בעיות פילוסופיות של כימיה לשלוש הקבוצות הללו היא די שרירותית. חוקי הקיום, העולם האובייקטיבי וחוקי הידע, החשיבה אינם דבר בלתי תלוי לחלוטין זה בזה, הם מאוחדים, חופפים ובמובן מסוים זהים. הדיאלקטיקה הסובייקטיבית, הדיאלקטיקה של המושגים, היא השתקפות של התנועה הדיאלקטית של העולם האמיתי והאובייקטיבי. לכן, קבוצת השאלות הראשונה (ההיבט האונטולוגי) אינה יכולה להיפרד לחלוטין מבעיות אפיסטמולוגיות. התמונה המדעית הכללית של הטבע והחומר היא תוצאה של ידע; הוא מתבטא במושגים, בהפשטות ונושא את חותמת העמדה האפיסטמולוגית, המתודולוגית של החוקרים, ובעצמו פועל, בתורו, ככלי של ידע, בסיס לשיפור המנגנון הקוגניטיבי של המדע, הופעתה ופתרון של אפיסטמולוגיה ו סוגיות מתודולוגיות (לדוגמה, לניתוח שינויים במבנה התיאוריה המדעית). גם קבוצת השאלות הנוגעות להיבט החברתי של הכימיה לא ניתנת להפרדה מוחלטת מאלה אפיסטמולוגיות ואונטולוגיות. התפתחותן של בעיות אפיסטמולוגיות והשקפת עולם במדע נושאת תמיד חותמת של מאבק אידיאולוגי ותהליכים חברתיים של תקופתו. המשמעות האידיאולוגית של הישגים מסוימים של כימיה אינה מוגבלת רק לעובדה שהם מספקים נתונים כדי להבהיר רעיונות כלליים על הטבע. מקומה ותפקידה של הכימיה והפעילות הכימית של האנושות בתמונה הכוללת של הקיום יכולים להתגלות בצורה מלאה יותר רק על ידי התחשבות בהיבט החברתי שלהם, השפעתם על חייהם של אנשים, על מצב היחסים בין החברה לטבע. שאלות פילוסופיות של כימיה, כמו כל מדע מסוים אחר, אינן שאלות עצמאיות לחלוטין חיצוניות לו, שאלות הנוגעות רק לחובבים בודדים המבקשים לספק את סקרנותם הבטלה. ניתן לומר ללא הגזמה ששאלות פילוסופיות פועלות כאחד המרכיבים ההכרחיים בפיתוח של בעיות מדעיות ומעשיות של כימיה. האיחוד בין כימיה ופילוסופיה התרחש לאורך ההיסטוריה שלהם. היותו חלק בלתי נפרד בהיסטוריה של היווצרות תמונת מדעי הטבע הכללית של העולם, ההיסטוריה של הידע על התכונות הכימיות של החומר, ההיסטוריה של השליטה המעשית בו, הייתה שזורה באופן הדוק עם ההיסטוריה של התפתחות האדם. מערכת היחסים עם העולם החיצון, עם ההיסטוריה של הידע על הצד החומרי והרוחני של יחסים אלה. ההיסטוריה של הכימיה מוכיחה באופן משכנע שנציגים מרכזיים רבים של מדע זה נבדלו על ידי תרבות פילוסופית, אפיסטמולוגית גבוהה, ובמידה זו או אחרת, תמיד גילו עניין בצד האידיאולוגי, המתודולוגי והחברתי של התפתחות הכימיה, ובטבעה. ורמת העמדה הפילוסופית שלהם תמיד באה לידי ביטוי בכיוונים שיטות ותוצאות המחקר שלהם. שאלות בעלות אופי אידיאולוגי כללי ושאלות הנוגעות לחוקי הידע שזורות באופן הדוק במיוחד בפעילות היומיומית של כימאי. מדע הכימיה נמצא כעת על סף המראה אדיר. היא תצטרך להבין את תהליכי היווצרותם של מינרלים בקרום כדור הארץ, תרכובות כימיות על כוכבי לכת וכוכבים אחרים, לחדור למקומות הסודיים מאוד של טרנספורמציות ביוכימיות, תעשיית זרועות, חקלאות ושירותי בריאות באמצעות תרופות סינתטיות חדשות. ההצלחות שהשיגה הכימיה בהכרת הטבע היו תוצאה של אחדות הדוקה בפיתוח התיאוריה והפרקטיקה הכימית. התפתחות הכימיה משכנעת את הצורך במחקר מעמיק נוסף של מנגנוני החשיבה המדעית של כימאים, ה"טכנולוגיה שלה", תכונותיה בשלבים שונים של מדע הכימיה. ניתוח אפיסטמולוגי של הפעילות הקוגניטיבית של כימאי, ההפשטות, המודלים והשיטות היישומיות שלו לפישוט ואידיאליזציה חשוב בעיקר עבור הכימאים עצמם. הבנה לא מספקת של פעולתם ומהותם של אמצעי ההכרה, מקורם ויכולותיהם מתבררת בדרך כלל כגורם לטעויות מתודולוגיות במחקר ובמסקנות, חוסר אונים מול מתקפת הספקולציות המטפיזיות והאידיאליסטיות על קשיים אפיסטמולוגיים בהחלפת אחד מהם. הפשטה עם אחר, מה שמוביל לבזבוז של מאמץ מדעי ומשאבים חומריים. לסיכום, אנו יכולים לומר שהשאלות הפילוסופיות של הכימיה אינן שאלות שללא הפתרון שלהן יכול המדע הזה להתפתח במהירות ובהצלחה. שאלות אלו, בדרך זו או אחרת, פועלות כאחד המרכיבים הן בפיתוח בעיות מדעיות ספציפיות של הכימיה המודרנית, בעיקר הבעיות התיאורטיות הגדולות שלה, והן בפעילות היומיומית של כימאי בהשגת ידע חדש על החומר, בהתמרה. חומרים טבעיים ליתרונות חומריים חיוניים לאנשים.

תֵאוֹרִיָה אבולוציה מולקולרית אביוגנית של החייםמחומרים אנאורגניים נוצר על ידי המדען הרוסי A.I. Oparin (1924) והמדען האנגלי J. Haldane (1929). לפי מדעני טבע, כדור הארץ הופיע לפני כ-4.5-7 מיליארד שנים. בתחילה, כדור הארץ היה ענן אבק, שהטמפרטורה שלו נעה בין 4000-8000 מעלות צלזיוס. בהדרגה, במהלך תהליך הקירור, אלמנטים כבדים החלו להתמקם במרכז הפלנטה שלנו, וקלים יותר - לאורך הפריפריה.

ההנחה היא שהאורגניזמים החיים הפשוטים ביותר על פני כדור הארץ הופיעו לפני 3.5 מיליארד שנים. החיים הם התוצאה קודם כל כִּימִיולאחר מכן אבולוציה ביולוגית.

פרוטוביונטים הם גם עדיין לא צורת חיים שלמה. ההנחה היא שהם רכשו בהדרגה תרכובות הדומות לאנזימים (קו-אנזימים, אנזימים עצמם), ו-ATP, באמצעים אביוגניים.

הופעת התא (סינתזת מטריקס)

הופעתה של סינתזת מטריקס כתוצאה מהסתגלות הדדית והיתוך של הפונקציות של חלבונים וחומצות גרעין מילאה תפקיד מרכזי בהפיכת הפרוטוביונטים לתאים אמיתיים.

סינתזת מטריקסהיא סינתזה ביולוגית של מולקולות חלבון המבוססת על מידע הכלול בחומצות גרעין.

עם הופעת תהליך סינתזת המטריצה, האבולוציה הכימית פינתה את מקומה לאבולוציה הביולוגית. התפתחות החיים נמשכה כעת באמצעות אבולוציה ביולוגית.

A.I. Oparin היה הראשון שהעלה את הרעיון לחקור באופן ניסיוני את מקור החיים. ואכן, S. Miller (1953) יצר מודל ניסיוני של התנאים העיקריים של כדור הארץ. על ידי השפעה על מתאן מחומם, אמוניה, מימן ואדי מים עם פריקה חשמלית, הוא סינתז חומצות אמינו כמו אספרגין, גליצין, גלוטמין (במערכת כזו, גזים חיקו את האטמוספירה, ופריקה חשמלית חיקה ברק; איור 57).

ד אורו, על ידי חימום מימן ציאניד, אמוניה ומים, ביצע את הסינתזה של אדנין. ריבוז ודאוקסי-ריבוז יוצרו על ידי חשיפת מתאן, אמוניה ומים לקרינה מייננת. התוצאות של ניסויים כאלה אושרו על ידי מחקרים רבים. בתהליך האבולוציה, מונומרים הפכו בהדרגה לפולימרים ביולוגיים (פוליפפטידים, פולינוקלאוטידים), מה שגם אושר בניסוי. לפיכך, בניסויים של S. Fox, פרוטינואידים (חומרים דמויי חלבון) יוצרו על ידי חימום תערובת של חומצות אמינו. לאחר מכן, פולימרים של נוקלאוטידים סונתזו בניסויים.

תרכובות הדומות לקואצרבטים סונתזו באופן ניסיוני ונחקרו ביסודיות על ידי A.I. Oparin ותלמידיו. חומר מהאתר

עם זאת, לא היה ידוע מה הגיע ראשון באבולוציה הביוכימית של החיים: חלבונים או חומצות גרעין. לפי התיאוריה של A.I, מולקולות חלבון הופיעו תחילה. תומכי ההשערה הגנטית, להיפך, האמינו שחומצות גרעין הופיעו תחילה. הנחה זו הונחה ב-1929 על ידי ג'י מילר. מחקרי מעבדה הוכיחו אפשרות לשכפול של חומצות גרעין ללא השפעת אנזימים. לדברי מדענים, הריבוזומים הראשוניים כללו רק RNA, והיכולת לסנתז חלבון הייתה יכולה להופיע מאוחר יותר. מאוחר יותר התקבלו נתונים חדשים המאששים הנחה זו. שכפול של חומצה ריבונוקלאית ללא השתתפות אנזימים, שעתוק הפוך, כלומר אפשרות של סינתזת DNA על בסיס RNA - כל זה הוא עדות להשערה הגנטית.

בתהליך הפיכת הכימיה למדע, התרחשה מה שנקרא האבולוציה הכימית, ונקודת המפנה של תהליך מהפכני זה הגיעה לאחר יצירתו ב-1777 של חוקר הטבע הצרפתי Lavoisier של תורת הבעירה עם תיאור תפקידו של חַמצָן. במקביל, החלה עדכון של כל המושגים הבסיסיים והעקרונות העיקריים של הכימיה, הטרמינולוגיה והמינוח של החומרים השתנו.

קורס יסודי

שנת 1789 עמדה בסימן פרסום ספר הלימוד של לבויזיה, שהפך מיד למדריך הראשי לתיאורטיקנים ולעוסקים במדע המתהווה. ב"קורס היסוד של כימיה" כבר הייתה הרשימה הראשונה בעולם - טבלה של גופים פשוטים, שפרטה את היסודות הכימיים הידועים. ספר זה מאת Lavoisier התבסס על תורת החמצן של בעירה, שדרכה כוונה האבולוציה הכימית בנתיב חדש לחלוטין. הדבר החשוב ביותר בקביעת יסוד הוא הניסיון שהמדען בחר כקריטריון העיקרי, ולבואזיה לא חשב על כל מה שלא אושר בניסוי, למשל, אטומי או לבואזיה.

האבולוציה הכימית הלכה בדרך החוקים שגובשו על ידו - על שימור המסה, על אופי התכונות של תרכובות, על ההבדלים ביניהן בהרכב היסודות. זה היה אז שהכימיה לבשה צורה של מדע עצמאי, שחקרה את הרכב הגופים בניסוי. האבולוציה הכימית לא יכלה להסתדר בלי הרציונליזציה של הנושא, ולפיכך, האנושות נטשה לבסוף את העבר האלכימי, שכן רעיונות על טבע החומר ותכונותיו השתנו באופן קיצוני ומהיר מאוד. והדחף לתהליך זה היה המחקר של לבואזיה. עכשיו אפילו תלמידי בית ספר יודעים שצריך לשקול את שלבי האבולוציה הכימית (או האבולוציה הפרה-ביוטית) מהתקופה שקדמה במאה השמונה-עשרה, לאף אחד לא היו רעיונות כאלה על העולם.

חַיִים

האבולוציה הכימית של כדור הארץ החלה על כוכב לכת חסר חיים לחלוטין, כאשר חומרים אורגניים החלו לצאת בהדרגה ממולקולות אנאורגניות, שהושפעו במיוחד מגורמי אנרגיה ובחירה. התגלגלו תהליכי ארגון עצמי, האופייניים אפילו למערכות מורכבות יחסית. אז, פחמן הופיע על כדור הארץ. ליתר דיוק, הופיעו לראשונה מולקולות המכילות פחמן, שהן בעלות חשיבות בסיסית לא רק להופעתה, אלא גם להמשך הפיתוח של כל חומר חי.

אנחנו עדיין לא יודעים מהי מהות האבולוציה הכימית בשלבים הראשונים של התפתחות החיים. מה שידוע על הכימיה של כל חומר מגביל את התהליך האבולוציוני לגבולות העמדה של מים-פחמן. אולי יש אפשרויות לדרך קיום אחרת ביקום, ומקור החלבון שלנו אינו המוצא היחיד. כאן התממש שילוב ייחודי של תכונות הפילמור של פחמן עם תכונות הדפולריזציה של סביבה מימית בשלב הנוזל. התברר שהתנאים הללו מספיקים לתחילת האבולוציה הכימית של החיים, וגם הכרחיים להתפתחות כל מגוון צורות החיים המוכרות לנו.

התחלת התהליך

האנושות אפילו לא יודעת הכל על העריסה שלה. במיוחד על היכן ומתי החלו שלבי האבולוציה הכימית על פני כדור הארץ. אנחנו יכולים רק לנחש גם לגבי זה. כאן, ראשית, כל מסגרת זמן אפשרית לחלוטין.

כאשר הסתיים המחזור השני של היווצרות הכוכבים, כאשר תוצרי הפיצוץ התעבו והעניקו אלמנטים בחלל הבין-כוכבי הנקראים כבדים, בעלי מסה העולה על עשרים ושש. כאשר הכוכבים, כבר בדור השני, רכשו מערכות פלנטריות משלהם, שבהן כבר היו כמויות מספיקות של היסודות הכבדים הדרושים. מהות האבולוציה הכימית הייתה יכולה להתממש בכל עת לאחר המפץ הגדול בטווח שבין חצי מיליארד למיליארד וחצי שנים.

איפה החיים התחילו

מאיפה זה יכול היה לנבוע זו גם שאלה פתוחה. בהתחשב ביצירתם של תנאים רבים וסבירים מספיק, השקת אבולוציה כימית יכולה להתרחש כמעט בכל סביבה. אלה כוללים את הפנים של כוכבי לכת, מעמקי האוקיינוסים ומשטחים, אפילו תצורות פרוטו-כוכביות.

יתרה מכך, עננים של גז בין-כוכבי יכולים לשמש גם כקרש קפיצה להתקפת חומר חי על חוסר חיים, וזה מאושש על ידי החומרים האורגניים שהתגלו שם - אלכוהולים וסוכרים, אלדהידים, חומצות אמינו גליצין ועוד, שיכולים לשמש כ חומר מוצא להופעתם של חיים דרך תחילת האבולוציה הכימית.

תֵאוֹרִיָה

כדור הארץ הקדום שומר על סודותיו, ולאנושות עדיין אין מידע אמין על התנאים הגיאוכימיים של קיומה לפני הופעת החיים. מחקר גיאולוגי אינו יכול לספק את כל השאלות שעולות, ולכן נעשה שימוש נרחב באסטרונומיה למחקר. כך נבנית תורת האבולוציה הכימית. תנאי ונוס או מאדים של ימינו נחשבים דומים לכדור הארץ בשלבים מסוימים של האבולוציה הכימית.

מתבצעים ניסויים במודלים, וכך מתקבלים כל הנתונים הבסיסיים המוכרים לנו. לדוגמה, על ידי הדמיית הרכבים כימיים ותנאי אקלים שונים באטמוספרה, בהידרוספירה ובליתוספירה, התקבלו מולקולות אורגניות מורכבות. השגת נתונים חדשים בניסוי תמיד מעשירה את התיאוריה בהקמה. לפיכך, הועלו השערות רבות בנוגע למנגנונים ספציפיים ולכוחות המניעים הישירים של האבולוציה הכימית שהתרחשה.

מחקר ברוסיה

החיים על פני כדור הארץ נוצרו הודות לאביוגנזה, כלומר, לידתן של תרכובות אורגניות, שנוכחותן אופיינית לטבע החי מחוץ לכל אורגניזם וללא השתתפות קלה של אנזימים. זהו השלב הראשון שבו יצורים חיים יוצאים מדברים שאינם חיים.

על פי ההנחה של האקדמאי אופרין בשנות העשרים של המאה העשרים, תמיסות של תרכובות עתירות מולקולריות מסוגלות ליצור אזורים מסוימים שבהם ריכוזם מוגבר, וההפרדה מהסביבה החיצונית אינה מונעת מהם להחליף עמה. אזורים אלה נקראים coacervates או coacervate droplets.

בחו"ל

הסינתזה האביוגנית הראשונה שבוצעה בתנאי כדור הארץ הפרימיטיבי בוצעה בשנת 1953 על ידי סטנלי מילר, תוך סינתזה של חומצות אמינו עם חומרים אורגניים אחרים. לאחר מכן, הופיעה התיאוריה של היפר-מחזורים, אשר מסבירה את ביטויי החיים באבולוציה על ידי נוכחותם של קומפלקסים של תגובות קטליטיות זה אחר זה, כאשר התוצר של הקודם הופך לזרז עבור הבא.

רק בשנת 2008, ביולוגים אמריקאים יצרו את ה"פרוטוסל" הראשון, שבאמצעות מעטפת של חומצות שומן ושומנים, היה מסוגל לקבל מונו-פוספטים נוקלאוטידים מהסביבה. אבני הבניין המופעלות על ידי אימידאזול חיוניות לחלוטין לסינתזת DNA. ובשנת 2011 נוצרו ביפן שלפוחיות עם יסודות DNA מתחת למעטפת קטיונית, שהיו מסוגלות להתחלק כאשר התרחשה DNA משוכפל של תגובת שרשרת בגודל רב.

השערות עיקריות

האבולוציה הכימית של החיים על פני כדור הארץ בהשערות מסבירה את נקודות היסוד הבאות.

הצורך להופיע תנאים על פני כדור הארץ או בחלל שבהם מתרחשת סינתזה אוטוקטליטית של מולקולות המכילות פחמן, והסינתזה חייבת להיות בעלת נפחים גדולים וגיוון משמעותי, מספיק כדי להתחיל בתהליך האבולוציה הכימית.
הופעת מבנים פרוטו-תאיים העולים מהמולקולות שתוארו לעיל. יחידות סגורות יציבות אלו מבודדות מהסביבה המטבוליזם של חומרים ואנרגיות בהן מתרחש באופן סלקטיבי. כך נוצרים מבנים פרוטו-תאיים.
באגרגטים המתקבלים מופיעה היכולת להתפתחות עצמאית - שכפול עצמי ושינוי עצמי של כל מערכות המידע הכימיות. כך נוצרות יחידות אלמנטריות של הקוד התורשתי.
השלב הבא הוא הופעת תלות הדדית בין תפקודי האנזימים לבין תכונותיהם של חלבונים עם RNA ו-DNA כנשאי מידע. כך נוצר קוד התורשה בפועל, הנחוץ לאבולוציה ביולוגית.

תגליות

כפי שהוזכר לעיל, אלכסנדר אופרין גילה קואצרבטים עוד בשנות העשרים של המאה הקודמת. יתרה מכך, סטנלי מילר והרולד אורי בשנת 1953 תיארו את הופעתן של ביו-מולקולות פשוטות באטמוספרה עתיקה מדומה ואת תהליך הופעתם. לאחר מכן, סידני פוקס סיפרה לעולם על מיקרוספרות פרוטנואידים. בשנת 1981, T. Check ו-S. Altman הצליחו לצפות בחלוקה האוטוקטליטית של RNA, כיצד ריבוזימים מסוגלים לשלב מידע וקטליזה במולקולה, "לחתוך" את עצמם מהשרשרת ולחבר את ה"קצוות" הנותרים.

בשנת 1986, W. Gilbert מקיימברידג' פיתח את הרעיון של "עולם ה-RNA", והמערכת הראשונה המשכפלת עצמית המבוססת על DNA הוצגה במקביל על ידי Gunter von Kiedrowski מגרמניה, שהייתה תרומה מרכזית להבנה. של מערכות משכפלות עצמיות ותפקודי הצמיחה שלהן. המדע התקדם במהירות בכיוון הזה: מנפרד אייגן גילה את ההיפר-מחזור, את האבולוציה של אנסמבלים של מולקולות RNA, וג'וליוס רבק יצר את המולקולה המלאכותית הראשונה שמשכפלת את עצמה בכלורופורם.

חלל וכדור הארץ

במרכז טיסות החלל של נאס"א חקר ג'ון קורליס את תהליך אספקת האנרגיה והכימיקלים ממקורות תרמיים של הים, שהופכים את האבולוציה הכימית לבלתי תלויה בסביבת החלל שהם עדיין מספקים בית גידול קבוע לארכיאובקטריה המקורית. בעולם של סולפידים ברזל, עלו מספר השערות מאת Günter Wächtershäuser.

הוא תיאר את המבנים הראשונים המשכפלים את עצמם עם חילוף חומרים שהתעוררו על פני השטח של פיריט (ברזל גופרתי), שסיפק את האנרגיה הדרושה לחילוף החומרים. בתנאים סלקטיביים, גבישי פיריט גדלים ומתפוררים יכולים לגדול ולהתרבות, וליצור אוכלוסיות שונות. מינרלי חימר נחקרו מקרוב גם עבור הופעתן של מולקולות אורגניות. אף על פי כן, מודל מאוחד של אבולוציה כימית עדיין לא קיים, שכן העקרונות הבסיסיים של תנועת תהליך זה טרם התגלו.

בשנות ה-60 של המאה ה-20, נקבע בניסוי כי במהלך האבולוציה הכימית נבחרו אותם מבנים כימיים שתרמו לעלייה חדה בפעילות ובסלקטיביות של זרזים. זה אפשר לפרופסור של MSU A.P. רודנקו בשנת 1964, התיאוריה של התפתחות עצמית של מערכות קטליטיות פתוחות, שיכולה להיחשב בצדק כתיאוריה כללית של כימותרפיה וביוגנזה. המהות של תיאוריה זו היא שהאבולוציה הכימית מייצגת התפתחות עצמית של מערכות קטליטיות, ולפיכך, החומר המתפתח הוא הזרזים.

א.פ. רודנקו גם ניסח את החוק הבסיסי של אבולוציה כימית: עם המהירות וההסתברות הגדולים ביותר, נוצרים אותם נתיבים של שינויים אבולוציוניים בזרז שבהם יש עלייה מקסימלית בפעילות המוחלטת שלו.

התפתחות עצמית, ארגון עצמי של מערכות יכול להתרחש רק עקב זרימה מתמדת של אנרגיה, שמקורה הוא העיקרי, כלומר. תגובה בסיסית.מכאן נובע שהיתרונות האבולוציוניים המקסימליים מתקבלים על ידי מערכות קטליטיות המתפתחות על בסיס אקסותרמיתתגובות.

תקופת זמן של אבולוציה כימית.בשלבים הראשונים של האבולוציה הכימית של העולם, קטליזה נעדרה. הביטויים הראשונים של קטליזה מתחילים כאשר הטמפרטורה יורדת ל-5000°K ומטה והיווצרות מוצקים ראשוניים. כמו כן, מאמינים שכאשר תקופת ההכנה הכימית, כלומר. התקופה של טרנספורמציות כימיות אינטנסיביות ומגוונות הוחלפה בתקופה של אבולוציה ביולוגית כאילו קפאה.

משמעות יישומית של כימיה אבולוציונית.כימיה אבולוציונית לא רק עוזרת לחשוף את המנגנון של ביוגנזה, אלא גם מאפשרת לפתח שליטה חדשה בתהליכים כימיים, הכרוכה ביישום עקרונות הסינתזה של מולקולות דומות ויצירת זרזים חזקים חדשים, כולל ביו-זרזים - אנזימים, וזה, בתורו, המפתח לפתרון הבעיות של יצירת תהליכים תעשייתיים דלי פסולת, נטולי פסולת וחיסכון באנרגיה.

חזרה לראש המסמך

תיאוריות של מקור החיים

התיאוריות הידועות ביותר על מקור החיים על פני כדור הארץ עד כה הן הבאות.

בריאתנות. לפי תיאוריה זו, החיים נוצרו על ידי ישות על טבעית – אלוהים בזמן מסוים. דעה זו מוחזקת על ידי חסידי כמעט כל תורות הדת. עם זאת, אין ביניהם נקודת מבט אחת בסוגיה זו, בפרט, על הפרשנות של הרעיון הנוצרי-יהודי המסורתי של בריאת העולם (ספר בראשית). יש מי שלוקחים את התנ"ך כפשוטו ומאמינים שהעולם וכל היצורים החיים המאכלסים אותו נוצרו בשישה ימים של 24 שעות כל אחד ( בשנת 1650, הארכיבישוף אושר, שחיבר את הגילאים של כל האנשים המוזכרים באילן היוחסין המקראי, חישב שאלוהים החל לברוא את העולם באוקטובר 4004 לפני הספירה. וסיים את עבודתו בדצמבר ב-23 באוקטובר בשעה 9:00, יוצר את האדם. עם זאת, מסתבר שאדם נוצר בתקופה שבה כבר הייתה קיימת ציוויליזציה עירונית מפותחת במזרח התיכון). אחרים אינם מתייחסים לתנ"ך כאל ספר מדעי ומאמינים שהעיקר בו הוא ההתגלות האלוהית על בריאת העולם על ידי הבורא הכל יכול בצורה מובנת לאנשי העולם העתיק. במילים אחרות, התנ"ך אינו עונה על השאלות "איך?" ו"מתי?", אבל עונה על השאלה "למה?". במובן הרחב, הבריאתנות מאפשרת אפוא גם את בריאת העולם בצורתו השלמה וגם את בריאת עולם המתפתח על פי החוקים שקבע הבורא.

תהליך בריאת העולם האלוהי נתפס כאילו התרחש פעם אחת בלבד ולכן אינו נגיש להתבוננות. עם זאת, עבור מאמין, האמת התיאולוגית (אלוהית) היא מוחלטת ואינה דורשת הוכחה. יחד עם זאת, עבור מדען אמיתי, האמת המדעית אינה מוחלטת היא מכילה תמיד אלמנט של השערה. לפיכך, מושג הבריאתנות מוצב אוטומטית מחוץ לתחום המחקר המדעי, שכן המדע עוסק רק באותן תופעות שניתנות לצפייה וניתנות לאישוש או לדחייה במהלך המחקר (עקרון הזיוף של תיאוריות מדעיות). במילים אחרות, המדע לעולם לא יוכל להוכיח או להפריך את הבריאתנות.

דור ספונטני. על פי תיאוריה זו, חיים קמו ונובעים שוב ושוב מחומר שאינו חי. תיאוריה זו הייתה נפוצה בסין העתיקה, בבל ומצרים. אריסטו, אשר מכונה לעתים קרובות מייסד הביולוגיה, שפיתח הצהרות מוקדמות יותר של אמפדוקלס על האבולוציה של יצורים חיים, דבק בתיאוריה של מקור החיים הספונטני. הוא האמין כי "... יצורים חיים יכולים להתעורר לא רק דרך הזדווגות של בעלי חיים, אלא גם דרך פירוק האדמה." עם התפשטות הנצרות, תיאוריה זו מצאה את עצמה באותה "מסגרת" המקוללת על ידי הכנסייה עם תורת הנסתר, קסם ואסטרולוגיה, למרות שהיא המשיכה להתקיים אי שם ברקע עד שהופרכה בניסוי ב-1688 על ידי הביולוג והרופא האיטלקי. פרנצ'סקו רדי. העיקרון "החיים נובעים רק מחיים" נקרא עקרון Redi במדע. כך צמח המושג ביוגנזה, לפיו חיים יכולים לצמוח רק מחיים קודמים. באמצע המאה ה-19, ל' פסטר הפריך סופית את תיאוריית היצירה הספונטנית והוכיח את תקפותה של תיאוריית הביוגנזה.

תורת הפנספרמיה. על פי תיאוריה זו, החיים הובאו לכדור הארץ מבחוץ, ולכן, במהותו, לא ניתן להתייחס אליהם כתיאוריה של מקור החיים ככאלה. הוא אינו מציע שום מנגנון להסביר את מקור החיים העיקרי, אלא פשוט מציבה את הבעיה של מקור החיים למקום אחר ביקום.

תורת האבולוציה הביוכימית. חיים התעוררו בתנאים הספציפיים של כדור הארץ הקדום כתוצאה מתהליכים שצייתו לחוקים פיסיקליים וכימיים.

התיאוריה האחרונה משקפת השקפות מדעיות טבעיות מודרניות ולכן תידון ביתר פירוט.

על פי המדע המודרני, גיל כדור הארץ הוא כ-4.5-5 מיליארד שנים. בעבר הרחוק, התנאים על פני כדור הארץ היו שונים בתכלית מאלה המודרניים, אשר קבעו מהלך מסוים של אבולוציה כימית, שהיה תנאי מוקדם להופעת החיים. במילים אחרות, לאבולוציה ביולוגית עצמה קדמה פרה-ביוטיקהאבולוציה הקשורה למעבר מחומר לא אורגני לחומר אורגני, ולאחר מכן לצורות חיים יסודיות. זה היה אפשרי בתנאים מסוימים שהיו על כדור הארץ באותה תקופה, כלומר:

· טמפרטורה גבוהה, כ-4000 O C, · אטמוספירה המורכבת מאדי מים, CO 2, CH 3, NH 3, · נוכחות של תרכובות גופרית (פעילות געשית), · פעילות חשמלית גבוהה של האטמוספירה, · קרינה אולטרה סגולה מהשמש , שהגיע בקלות לשכבות התחתונות של האטמוספירה ולפני כדור הארץ, שכן שכבת האוזון טרם נוצרה.

יש להדגיש את אחד ההבדלים החשובים ביותר בין תיאוריית האבולוציה הביוכימית לתיאוריית היצירה הספונטנית, כלומר: לפי תיאוריה זו. החיים התעוררו בתנאים שאינם מתאימים לביוטה מודרנית!

חזרה לראש המסמך

השערת אופרין-הלדן. בשנת 1923 הופיעה ההשערה המפורסמת של אופרין, שהסתכמה לכאלה: הפחמימנים המורכבים הראשונים יכולים להיווצר באוקיינוס מתרכובות פשוטות יותר, להצטבר בהדרגה ולהוביל להופעתו של "מרק ראשוני". השערה זו קיבלה במהירות משקל של תיאוריה. יש לומר כי מחקרים ניסויים שלאחר מכן הצביעו על תקפותן של הנחות כאלה. אז בשנת 1953, ס. מילר, לאחר שדמה את התנאים כביכול של כדור הארץ הקדום (טמפרטורה גבוהה, קרינה אולטרה סגולה, פריקות חשמליות), סינתזה בתנאי מעבדה 15 חומצות אמינו שהן חלק מהיצורים החיים, כמה סוכרים פשוטים (ריבוז). מאוחר יותר, יוצרו חומצות גרעין פשוטות (Orgel). נכון לעכשיו, כל 20 חומצות האמינו המהוות את הבסיס לחיים סונתזו.

אופרין הניח את זה לחלבונים יש תפקיד מכריע בהפיכת יצורים שאינם חיים לדברים חיים.. חלבונים מסוגלים ליצור קומפלקסים הידרופיליים: מולקולות מים יוצרות מעטפת סביבן. קומפלקסים אלה יכולים להיפרד מהפאזה המימית וליצור מה שנקרא coacervates (<лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки. Существенный недостаток этой гипотезы – она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.

(המדען האנגלי Haldane (אוניברסיטת קיימברידג') פרסם את השערתו ב-1929, לפיה יצורים חיים הופיעו גם על פני כדור הארץ כתוצאה מתהליכים כימיים באטמוספירה של כדור הארץ עשירה בפחמן דו חמצני, והיצורים החיים הראשונים היו אולי "מולקולות ענקיות הוא לא הזכיר לא קומפלקסים הידרופיליים ולא קואצרבטים, אבל שמו מוזכר לעתים קרובות ליד שמו של אופרין, וההשערה נקראה השערת אופרין-הלדין.)

התפקיד המכריע בהופעת החיים הוקצה לאחר מכן להופעתו של מנגנון לשכפול של מולקולת ה-DNA. אכן, כל שילוב מורכב של חומצות אמינו ותרכובות אורגניות מורכבות אחרות, לא משנה כמה מורכב, אינו חיים. אחרי הכל, המאפיין החשוב ביותר של החיים הוא יכולתם לשכפל את עצמם. הבעיה כאן היא שה-DNA עצמו "חסר אונים", הוא יכול לתפקד רק בנוכחות חלבונים אנזים(לדוגמה, מולקולת DNA פולימראז ש"משחררת" את מולקולת ה-DNA, מכינה אותה לשכפול). נותרה פתוחה השאלה כיצד "מכונות" מורכבות כמו פרוטו-DNA והקומפלקס המורכב של חלבון-אנזימים הנחוצים לתפקודו יכולים להתעורר באופן ספונטני.

לאחרונה פותח רעיון מקור החיים המבוסס על RNA , כלומר האורגניזמים הראשונים היו יכולים להיות RNA, שכפי שניסויים מראים, יכול להתפתח אפילו במבחנה. נצפו תנאים לאבולוציה של אורגניזמים כאלה במהלך התגבשות חימר . הנחות אלו מבוססות, במיוחד, על כך שבמהלך התגבשות החרסיות, כל שכבה חדשה של גבישים מסודרת בהתאם למאפיינים של הקודמת, כאילו היא מקבלת ממנה מידע על המבנה. זה דומה למנגנון של שכפול RNA ו-DNA. לפיכך, מתברר שהאבולוציה הכימית החלה בתרכובות אנאורגניות, והביופולימרים הראשונים יכולים להיות תוצאה של תגובות אוטוקטליטיות מולקולות קטנות אלומינוסיליקט חימר.

חזרה לראש המסמך

מחזוריות יתר ומקור החיים. מושג הארגון העצמי יכול לתרום להבנה טובה יותר של תהליכי המקור והאבולוציה של החיים, בהתבסס על תיאוריית האבולוציה הכימית של רודנקו, שנידונה קודם לכן, ועל השערתו של הכימאי הפיזיקלי הגרמני מ' אייגן. לפי האחרונים, תהליך הופעת התאים החיים קשור קשר הדוק לאינטראקציה נוקלאוטידים ( נוקלאוטידים - יסודות של חומצות גרעין - ציטוזין, גואנין, תימין, אדנין), שהם נושאי מידע מהותיים , ו חלבונים (פוליפפטידים [ 1] ), משמש כזרזים תגובות כימיות. בתהליך האינטראקציה, נוקלאוטידים, בהשפעת חלבונים, מתרבים בעצמם ומעבירים מידע לחלבון העוקב אחריהם, כך ש- מעגל אוטוקטליטי סגור , אשר מ' אייגן כינה מחזור יתר . במהלך האבולוציה הנוספת, עולים מהם התאים החיים הראשונים, תחילה ללא גרעין (פרוקריוטים), ולאחר מכן עם גרעינים - איקריוטים.

כאן, כפי שאנו רואים, יש קשר הגיוני בין תורת האבולוציה של זרזים לבין הרעיון של שרשרת אוטוקטליטית סגורה. במהלך האבולוציה, עקרון האוטוקטליזה מתווסף על ידי עקרון ההתרבות העצמית של תהליך מאורגן מחזורי שלם בהיפר-מחזורים, שהוצע על ידי מ' אייגן. רבייה של רכיבים של היפר-מחזורים, כמו גם שילובם למחזורים חדשים, מלווה בעלייה בחילוף החומרים הקשורה לסינתזה של מולקולות עתירות אנרגיה וסילוק מולקולות דלות אנרגיה כ"פסולת". ( מעניין לציין כאן את התכונות של וירוסים כצורת ביניים בין חיים ללא חיים:הם משוללים מהיכולת לבצע חילוף חומרים, וחודרים לתאים, מתחילים להשתמש במערכת המטבולית שלהם). אז לפי Eigen, יש תחרות בין היפר-מחזורים, או מחזורים של תגובות כימיות, שמובילות ליצירת מולקולות חלבון. מחזורים שעובדים מהר יותר ויעילה יותר מאחרים "זוכים" בתחרות.

לפיכך, מושג הארגון העצמי מאפשר ליצור קשר בין דברים חיים לדברים שאינם חיים במהלך האבולוציה, כך שהופעת החיים אינה נראית כצירוף אקראי גרידא ובלתי סביר ביותר של תנאים ותנאים מוקדמים להיווצרותם. הוֹפָעָה. בנוסף, החיים עצמם מכינים את התנאים להמשך התפתחותם.

חזרה לראש המסמך

שאלות אבטחה

1. רשום את השלבים העיקריים של היווצרות כוכב הלכת בהתאם למודל הסיבובי. 2. אילו מאפיינים משותפים של כוכבי הלכת של מערכת השמש מעידים על מקור משותף של כוכבי הלכת? 3. הסבר את שפע היסודות הכימיים במערכת השמש. 4. כיצד התרחשה ההתמיינות של החומר של כדור הארץ? הסבר את מבנה כדור הארץ. 5. מהי גיאוכרונולוגיה?

6. לאילו חלקים (לפי מידת הידע) מתחלקת ההיסטוריה של כדור הארץ? 7. אילו יסודות נקראים אורגנוגנים ומדוע? 8. אילו יסודות יוצרים את ההרכב הכימי של מערכות חיות? 9. מהו ארגון עצמי? 10. מהי המהות של גישות מצע ופונקציונליות לבעיית הארגון העצמי של מערכות כימיות?

11. מהי כימיה אבולוציונית? 12. מה ניתן לומר על הברירה הטבעית של יסודות כימיים ותרכובותיהם במהלך האבולוציה הכימית? 13. מה המשמעות של פיתוח עצמי של מערכות קטליטיות? 14. מהי המשמעות היישומית של כימיה אבולוציונית? 15. רשום את התיאוריות העיקריות של מקור החיים.

16. מה זה בריאתנות? האם אפשר להפריך את הבריאתנות? הסבר את תשובתך. 17. מהי נקודת התורפה של תורת הפנספרמיה? 18. במה שונה תורת האבולוציה הביוכימית מתורת המקור הספונטני של החיים? 19. אילו תנאים נחשבים הכרחיים להופעתם של חיים כתוצאה מאבולוציה ביוכימית? 20. מהי אבולוציה פרה-ביוטית?

21. מהי השערת אופרין-הלדן? 22. מה הבעיה העיקרית בהסבר המעבר מ"לא חי" ל"חי"? 23. מהו היפר-מחזור?

סִפְרוּת

1. דובנישאבה ט.יא. מושגים של מדעי הטבע המודרניים. - נובוסיבירסק: YuKEA, 1997. 2. Kuznetsov V.N., Idlis G.M., Gutina V.N. מדעי הטבע. - מ.: אגר, 1996. 3. גריאדובוי ד.נ. מושגים של מדעי הטבע המודרניים. קורס מבני על יסודות מדעי הטבע. - M.: Uchped, 1999. 4. מושגי מדעי הטבע המודרניים / עורך. סִי. סמיגין. - Rostov n/d: Phoenix, 1997. 5. Yablokov A.V., Yusufov A.G. דוקטרינה אבולוציונית. – M.: Higher School, 1998. 6. Ruzavin G.I. מושגים של מדעי הטבע המודרניים. – מ.: "תרבות וספורט", UNITI, 1997. 7. Solopov E.F. מושגים של מדעי הטבע המודרניים. – מ.: ולאדוס, 1998.

8. פרדוקס נודלמן ר. קמבריון. - "ידע הוא כוח", אוגוסט, ספטמבר-אוקטובר 1988.

[ 1] פוליפפטידים - שרשרת ארוכה של חומצות אמינו

חזרה לראש המסמך

זכויות ההפצה והשימוש בקורס שייכות ל האוניברסיטה הטכנית לתעופה מדינת אופא