Mi történt a kémiai evolúció során. A kémiai evolúció és az élet megjelenése a földön

Kertészkedés

A kémiai evolúció szakaszai

Kémiai evolúció- visszafordíthatatlan változások folyamata, amely új kémiai vegyületek – az eredeti anyagokhoz képest összetettebb és szervezettebb termékek – megjelenéséhez vezet. Ezeket a folyamatokat az 1970-es években kezdték aktívan és célirányosan tanulmányozni. a kémiai folyamatok folyamatosan növekvő összetettségének olyan szintre történő vizsgálatával kapcsolatban, amely hozzájárult az élő anyag Földön való megjelenéséhez. Az e folyamatok iránti érdeklődés a régóta fennálló próbálkozásokra nyúlik vissza, hogy megértsék, hogyan keletkezik a szerves anyag, majd az élet a szervetlen anyagokból. A szerves kémia megalapítója, J. Ya. volt az első, aki felismerte az élő szervezetekben zajló kémiai folyamatok magas szintű rendezettségét és hatékonyságát. Berzelius (18. század vége - 19. század eleje). Megállapította, hogy az élő szervezet laboratóriumainak alapja a biokatalízis. A XX. században nagy jelentőséget tulajdonítottak az élő természet katalitikus élményének. Így az akadémikus N.N. Semenov a növények és állatok szöveteiben lezajló kémiai folyamatokat egyfajta<химическое производство>vadvilág.

Tekintsük röviden a kémiai evolúció szakaszait. Valószínűleg fel kell ismerni, hogy a legegyszerűbb hordozó - az atom - megjelenésével kezdődött. Az ősrobbanás koncepciója szerint a ma létező kémiai elemek az Univerzum evolúciója során keletkeztek a szupersűrű és szuperforró állapotból a csillagok és galaxisok modern világává. Feltételezzük, hogy a hidrogén legegyszerűbb atomjai (vagy inkább atommagjai) keletkeztek először. Körülbelül 1 másodperccel az ősrobbanás után az anyag sűrűsége 1 t/cm 3 -re, a hőmérséklet 100 milliárd K-re csökkent, az átmérő pedig 1500 milliárd km-re nőtt. Az anyag teljesen ionizált állapotban volt

nukleonokból (protonokból és neutronokból) és elektronokból álló plazma. Újabb 10 s elteltével, amikor a hőmérséklet 10 milliárd K-ra csökkent, a magreakció feltételei megjelentek a deuteronok - deutérium (nehézhidrogén) atommagok kialakulásához.

Ezen a hőmérsékleten azonban ennek a reakciónak az egyensúlya erősen balra tolódik (csak 1 milliárd K hőmérsékleten tolódik el jobbra - kb. 100 másodperccel az Ősrobbanás után), és a deuteronok nem halmozódhatnak fel, mivel ezek alatt körülmények között héliummagokká alakulnak (ez a séma meglehetősen kielégítő magyarázatot ad a hélium mennyiségére az Univerzumban). Az anyag fejlődésének csillag előtti szakaszában más kémiai elemek magjai nem képződnek, mivel a táguló Univerzum sűrűsége és hőmérséklete gyorsan csökken. Ebben az esetben a 4 He képződési folyamata (a bal felső szám a relatív atomtömeg, azaz egy atom tömege, atomtömeg-egységben kifejezve, amely a szénizotóp tömegének 1/12-e tömegszám 12 - 1,6605655(86)10" 27 kg), amely körülbelül 2 perccel az ősrobbanás után kezdődik, és a 4. perc végére leáll. Amikor az Univerzum 3500 K hőmérsékletre hűl (körülbelül 1 millió év után), megtörténik a héliummagok és a megmaradt hidrogénmagok elektronokkal való rekombinációja: a hidrogén a csillagközi gáz és a csillagrendszerek kiindulási anyaga.

A kémiai elemek további szintézise a csillagok belsejében a hőmérséklet emelkedésével folytatódik. A hidrogénből és héliumból álló csillagközi gáz protocsillaggá kondenzációs folyamata során a gravitációs kompresszió hatására a hőmérséklet emelkedik, és ismét lehetővé válik a hélium hidrogénből történő képződésének reakciója. Ezt a szakaszt a 20 10 6 K-t meg nem haladó hőmérséklet jellemzi.

A hélium atommagok után a 12 C és 16 O atommagok nem a legstabilabbak Az ilyen magok kialakulásának termonukleáris korszaka (T< 100 млн К) наступает после того, как на первом этапе истощается, <выгорает>hidrogén. Ebben a korszakban az óriáscsillagok sűrű kiégett magjaiban szén és oxigén (nem atomok, hanem magok) közvetlen képződése lehetséges. A héliummagok további fúziója 20 Ne, 24 Mg stb. képződéséhez vezet. A későbbi atomkorszakra, amikor a hőmérséklet eléri az 1 milliárd K-t, az a jellemző<горением>szén. Ebben az esetben magok képződnek

27 A1-ig és 28 Si-ig. 30 milliárd K felett nehezebb magok lépnek be a reakcióba, kezdve a szilíciummal 32 Si A kialakuló termodinamikai egyensúly körülményei között olyan elemek szintetizálódnak, amelyek a közeli elemek atomjai, amelyek magjai a legstabilabb atommagok. . Ebben az esetben a teljes rendszer minimális energiája elérhető, és a nehezebb atommagok nem szintetizálódnak. A nagy atomszámú elemek előállítása más mechanizmussal történik - a neutronok szekvenciális magok általi befogása és az azt követő (3-bomlás. Ilyen folyamatokban a legnehezebb nuklid l81 Bi lehet. A 18l Bi-nál nehezebb atommagok szintetizálása során új és szupernóvák robbanása hatalmas neutronfluxussűrűség körülményei között, amikor az atommagok nem egyenként, hanem csoportosan képesek befogni a neutronokat.

Nagy valószínűséggel feltételezhető, hogy a Naprendszerben a magfúzió több szakasza is bekövetkezett. A Nap kémiai összetételének és a csillaganyag kémiai összetételének összehasonlítása arra enged következtetni, hogy a fent leírt magfúziós folyamatok mindegyike a Naprendszerben zajlott le, és a csillag kezdeti tömege a mi Galaxisunkban meghaladta a kritikus tömeg (1,44 naptömegnek felel meg), és instabilnak bizonyult. A gravitációs vonzás hatására a protocsillag összehúzódott, hőmérséklete megemelkedett, biztosítva a magfúzió első szakaszait. A felszabaduló energia ebben az esetben túl nagynak bizonyult, aminek következtében egy idő után robbanás történt, és a legnehezebb elemek magjai keletkeztek. A csillag tömege az anyag kilökődése miatt csökkent. Ezt a folyamatot addig ismételték, amíg a központi tömegű csillag tömege a kritikus határ alá nem esett. Egy ilyen mechanizmus elegendő időintervallumot biztosít a kémiai, geológiai, földrajzi és biológiai evolúcióhoz.

Sok kutató most úgy véli, hogy a Naprendszer bolygói abból a napanyagból jöttek létre, amely a Napból kilökődött, amikor szupernóvá lett. A Nap körül kialakult korong alakú gázköd lehűlése lehetővé tette, hogy az atomok molekulákká egyesüljenek, i.e. megindult maga a kémiai evolúció.

A molekulák nem képződhetnek csillaghőmérsékleten, amikor az atomok többsége többszörösen töltött ionok formájában létezik (például a napkoronában 1 millió K hőmérsékleten a vasatomok Fe 13+ ionok). Kétatomos molekulákat csak a leghidegebb, 2000-3000 K felületi hőmérsékletű csillagok spektrumában találtak (Al, Mg, Ti, Zr, C, Si oxidjai és néhány más, a legerősebb kémiai kötéssel rendelkező kétatomos molekula). Ugyanakkor a csillagközi térben nagyszámú molekula van jelen, köztük meglehetősen összetettek is (7.1. táblázat). Feltételezzük, hogy ezeknek a molekuláknak az összetétele megfelel a csillaganyag lehűlése következtében létrejött első molekulák összetételének. Más molekulákat is találtak, de sokkal kisebb mennyiségben.

Amikor a protoplanetáris köd hőmérséklete 1000-1800 K-ra csökkent, elkezdtek kondenzálódni, i.e. A leginkább tűzálló anyagok folyékonyak és szilárdakká váltak, különösen vascseppek, majd szilikátok (kovasavsók) keletkeztek.

400-1000 K hőmérsékleten más fémek és kénnel és oxigénnel alkotott vegyületeik kondenzálódnak. A szilikát anyag fagyasztott cseppjei kondrulok (kis gömb alakú testek) formájában a későbbi kondenzáció során nyilvánvalóan sok aszteroidát képeztek - a kondritos meteoritok elsődleges testeit. Feltételezhető, hogy a napszél hatására a primer gáz differenciálódása (a plazma kiáramlása a napkoronából a bolygóközi térbe) és a hőmérsékleti gradiens következtében a legkönnyebb elemek atomjai a perifériára kerültek. A Naprendszer és a Naphoz közelebb elhelyezkedő földi bolygók a legmagasabb hőmérsékletű, magas vastartalmú frakció kondenzálásával keletkeztek.

A Föld mint bolygó kialakulásával a Föld evolúciója elkezdte befolyásolni a kémiai evolúciót. Ez a hatás a kémiai elemek koncentráció-eloszlásának változásában nyilvánult meg (és fejeződik ki jelenleg is) a Föld testében és héjaiban (a légkörben, a hidroszférában, a kéregben, a köpenyben, a magban), valamint a teremtésben. az új anyagok képződésének feltételei (hőmérséklet, nyomás).

Természetesen fordított hatás is volt. Az új anyagok képződése és az új kémiai folyamatok lehetőségeinek megjelenése új geológiai képződmények, például üledékes kőzetek kialakulását idézte elő. Így a geológiai és kémiai evolúció nagymértékben együtt megy végbe, kölcsönösen befolyásolva egymást. A kémiai evolúció vezetett az élet kialakulásához. Ez nem az anyagok, hanem a kémiai rendszerek és a bennük zajló folyamatok fejlődésének köszönhető.

A kémiai rendszerek önszerveződésének problémája

Vannak szubsztrát és funkcionális megközelítések a prebiológiai kémiai rendszerek biológiai rendszerekké történő önszerveződésének problémáinak megoldására. Az eredmény szubsztrát megközelítés a biogenezis problémájához a kémiai elemek és szerkezetek kiválasztásáról felhalmozott információ tartozik.

Úgy tartják, hogy a ma felfedezett 109 kémiai elem közül sok, amikor bekerül az élő szervezetekbe, részt vesz azok* élettevékenységében. Az élő rendszerek alapját hat elem alkotja - organogének: szén, hidrogén, oxigén, nitrogén, foszfor és kén. Ezeknek az elemeknek a teljes tömeghányada az élőlényekben körülbelül 97,4%. Őket további 12 elem követi, amelyek a biorendszerek számos élettanilag fontos összetevőjének felépítésében vesznek részt: nátrium, kálium, kalcium, magnézium, alumínium, vas, szilícium, klór, réz, cink, kobalt, nikkel. Tömeghányaduk a szervezetekben körülbelül 1,6%. Körülbelül 20 további elem vesz részt a rendkívül specifikus biorendszerek felépítésében és működésében, például az algák, amelyek összetételét bizonyos mértékig a tápközeg határozza meg. Az összes többi elem részvételét a biorendszerek felépítésében gyakorlatilag nem rögzítik. Ugyanakkor jelenleg több mint 5 millió kémiai vegyület létezik, amelyek 96%-a szerves, és a felsorolt 6-18 elemből áll. A fennmaradó 90 kémiai elemet a Föld körülményei között mindössze 300 ezer szervetlen vegyület tartalmazza.

A Földön a leggyakoribb organogének az oxigén és a hidrogén. A Föld felszíni rétegeiben a szén, a nitrogén, a foszfor és a kén mennyisége megközelítőleg azonos, és általában kicsi - körülbelül 0,24 tömeg%. Ugyanakkor beszélhetünk két elem - a hidrogén és a hélium - dominanciájáról az Univerzumban, és az összes többi elemet ezek keverékének kell tekinteni. A geokémiai feltételek tehát nem játszanak jelentős szerepet a kémiai elemek kiválasztásában a szerves és biológiai rendszerek kialakulása során. A meghatározó tényezők az építőanyag és a magasan szervezett szerkezetek közötti megfelelési követelmények, amelyekből készültek.

Kémiai szempontból ezek a követelmények az erős és energiaigényes kötések kialakítására alkalmas elemek kiválasztásában merülnek fel, és a kötések labilisak. A szén, amely képes befogadni és magában tartani a legritkább kémiai ellentéteket, megfelel ezeknek a feltételeknek. A nitrogén, a foszfor, a kén, mint organogének, valamint a vas és a magnézium, amelyek az enzimek aktív központjai, szintén labilitást mutatnak. Az oxigén és a hidrogén nem annyira labilis, de az oxidációs és redukciós folyamatok hordozói.

Ahogy az összes kémiai elem közül, a természet csak hat organogént és 10-16 másik elemet választott ki a bioszisztémák alapjául, úgy az evolúció során a kémiai vegyületek szelekciója is kialakult. A milliónyi szerves vegyület közül csak néhány száz vesz részt az élőlények felépítésében. Ráadásul a 100 ismert aminosavból a fehérjék 20 és csak négy nukleotidot tartalmaznak a DNS-ből (a dezoxiribonukleinsav egy nagy molekulatömegű vegyület, amely élő szervezetek sejtmagjaiban található; a fehérjékkel együtt a kromoszómák anyagát képezi, a DNS a genetikai információ hordozója) és az RNS (ribonukleinsav - egy nagy molekulatömegű vegyület, amely részt vesz a genetikai információ megvalósításában minden élő szervezet sejtjében) képezik az öröklődésért és a fehérjeszintézis szabályozásáért felelős összes komplex polimer nukleinsav alapját. bármilyen élő szervezet.

A szerves anyagok ilyen szűk köréből épül fel az állat- és növényvilág teljes sokfélesége. Úgy tartják, hogy amikor a kémiai előkészítés időszaka átadta helyét a biológiai evolúció időszakának, a kémiai evolúció bizonyos értelemben megfagyott. Ezt bizonyítja, hogy a legalacsonyabb gerinceseknél és az embereknél a hemoglobin aminosav-összetétele gyakorlatilag megegyezik. Az enzimatikus szerek összetétele, a későbbi felhasználásra felhalmozott anyagok összetétele stb. a különböző növényfajokban többé-kevésbé változatlan marad.

A tudomány egyik legfontosabb feladata a kémiai előállítás útjának meghatározása, melynek eredményeként egy összetett, magasan szervezett komplex - bio-

rendszer. Fontos kideríteni, hogy tanuljunk a természettől (és aztán esetleg túllépjünk rajta), hogy alkalmazkodjunk az igényeihez<менее организованные материалы>például cukrot szintetizálni C0 2-ből, CO-ból, H 2-ből és H 2 0-ból stb. A legújabb tudományos felfedezések azt mutatják, hogy a kémiai evolúció során azokat a struktúrákat választották ki, amelyek hozzájárultak a katalitikus csoportok aktivitásának és szelektivitásának növekedéséhez. Az első és legegyszerűbb szerkezet a különböző fázishatárok. Ezek szolgáltak alapul a fizikai és kémiai adszorpcióhoz, amely elemi rendezettséget vitt be a részecskék egymáshoz viszonyított elrendezésébe, növelte koncentrációjukat és a katalitikus hatás megnyilvánulásának tényezője volt. A második szerkezeti töredéket tekintjük csoportok, az elektronok és protonok átviteli folyamatainak biztosítása, - a hidrogén átviteléért felelős félvezető láncok és szerkezetek. A fejlődő rendszerekhez szükséges harmadik struktúra az energiaellátási feladatot ellátó csoportosulások; ezek közé tartoznak az oxioxo-csoportok, a foszfortartalmúak stb.

A fejlődő rendszerek következő fragmentuma egy fejlett polimer szerkezet, például RNS és DNS. Számos, a fent felsorolt struktúrákra jellemző funkciót lát el, és ami a legfontosabb: egy katalitikus mátrix szerepét, amelyen hasonló szerkezetek reprodukálódnak. E tekintetben a tudomány különböző területein (geológia, geokémia, kozmokémia, termodinamika, kémiai kinetika) számos, különféle módon levont következtetés vonzza a figyelmet. Először is, úgy gondolják, hogy a világ kémiai evolúciójának korai szakaszában hiányzott a katalízis. A magas hőmérséklet (sokkal több, mint 5000 K), az elektromos kisülések és a sugárzás megakadályozza a kondenzált anyagok képződését, és blokkolja azokat az energiarészeket, amelyek szükségesek az energiakorlátok leküzdéséhez. Másodszor, a katalízis megnyilvánulásai akkor lehetségesek, ha az elsődleges szilárd anyagok képződésének feltételei enyhülnek. Harmadszor, a katalizátor szerepe megnőtt, ahogy a körülmények (főleg a hőmérséklet) közeledtek a Földön jelenleg létezőkhöz. De a katalízis általános jelentősége még nem lehetett magas, amíg többé-kevésbé összetett szerves anyagok keletkeztek

ikális molekulák. Negyedszer, az olyan viszonylag egyszerű rendszerek megjelenése, mint a C 3 OH, CH 2 =CH 2, HC=CH, H 2 CO, HCOOH, HCsN, és még inkább a hidroxisavak, aminosavak és primer cukrok, nem katalitikus hatást fejtettek ki. felkészülés a nagyszabású katalízis megkezdésére . Ötödször, a katalízis szerepe a kémiai rendszerek fejlesztésében nagymértékben megnőtt, miután elérte a kiindulási állapotot - a szerves és szervetlen vegyületek ismert mennyiségi minimumát. A hatóanyagok kiválasztása azokból a termékekből történt, amelyeket viszonylag sok kémiai úton kaptak, és széles katalitikus spektrummal rendelkeztek.

Megkülönböztető tulajdonság funkcionális megközelítés A prebiológiai evolúció problémája az, hogy erőfeszítéseinket az anyagi rendszerek önszerveződésének tanulmányozására kell összpontosítani, azon törvényszerűségek azonosítására, amelyeknek ezek a folyamatok alá vannak vetve. Ez a megközelítés széles körben elterjedt az evolúciós folyamatokat a kibernetika szemszögéből vizsgáló fizikusok és matematikusok körében. A szélsőséges nézőpont itt az evolúciós rendszerek anyagával szembeni teljes közömbösség kijelentése, ezért élő rendszerek, egészen az intelligenciáig modellezhetők például fémrendszerekből.

Az 1960-as években A.P. Rudenkót jelölték a kémiai evolúció és biogenezis általános elmélete. Elvégezte a szubsztrátum és a funkcionális megközelítések racionális szempontjainak szintézisét. Elmélete komplexben oldja meg az evolúciós folyamat mozgatórugóira és mechanizmusára vonatkozó kérdéseket, i.e. a kémiai evolúció törvényeiről, az elemek és szerkezetek kiválasztásáról és ok-okozati összefüggésükről, a kémiai rendszerek kémiai szerveződéséről és hierarchiájáról, mint az evolúció következménye. Eddig csak ez az elmélet szolgálhat alapjául az evolúciós kémiának, mint új fogalmi rendszernek.

Ennek az elméletnek a lényege az az állítás, hogy a kémiai evolúció a katalitikus rendszerek önfejlődését jelenti, és ezért a katalizátorok a fejlődő anyagok. A reakció során a legaktívabb katalitikus centrumok természetes szelekciója megy végbe. Ugyanazok a központok, amelyek változása az aktivitás csökkenésével jár, fokozatosan kikerülnek a kinetikai folyamatból. Több egymást követő visszafordíthatatlan változtatással,

Egy katalizátor esetében egyre magasabb szintre való átmenete az alapreakció kialakulásával jár együtt mind a reakció kezdetén működő katalizátorok összetételének és szerkezetének megváltozása, mind a katalizátorok széttöredezése miatt. a kémiai folyamat elemi szakaszokká és új katalizátorok megjelenése rajtuk, amelyek nem a külső környezetből való befogásuk révén, hanem az önfejlesztésnek köszönhetően jelennek meg.

Rudenko megfogalmazta a kémiai evolúció alaptörvényét, amely szerint a katalizátor evolúciós változásainak azok az útjai valósulnak meg a legnagyobb sebességgel és valószínűséggel, amelyeknél az abszolút aktivitása maximálisan megnövekszik.

Úgy gondolják, hogy a katalitikus rendszerek önfejlődése, önszerveződése és önbonyolítása az átalakult energia állandó áramlásának köszönhető. És mivel a fő energiaforrás az alapreakció, a legnagyobb evolúciós előnyöket a legnagyobb affinitású reakciók (exoterm reakciók) alapján fejlődő katalitikus rendszerek érik el. Az alapreakció tehát nemcsak az egyensúly ellen irányult rendszerben a hasznos munkához szükséges energiaforrás, hanem a katalizátor legfejlettebb evolúciós változásainak kiválasztásának eszköze is.

A nyitott katalitikus rendszerek önfejlődésének elmélete számos fontos következménnyel jár. Először is lehetséges a kémiai evolúció szakaszainak osztályozása, és ennek alapján a katalizátorok szervezettségük szerinti osztályozása a következőképpen: ideálishoz közeli kristályok - kristályosodás után valódi kristályok - valódi kristályok a reakcióból származó szennyeződések bevonásával gömb - szilárd kristályok kemiszorbeált komplexekkel - homogén katalitikus rendszerek - mikroheterogén és kolloid rendszerek.

Másodszor, egy alapvetően új módszer van kialakulóban a katalízis mint a reakciók során bekövetkező katalizátor-változásokkal összefüggő dinamikus jelenség vizsgálatára.

Harmadszor, konkrét leírást adunk a kémiai evolúció határairól és a kemogenezisből a biogenezisbe való átmenetről a katalitikus rendszerek önfejlődésének úgynevezett második kinetikai határának leküzdése eredményeként.

Jelenleg egy új irány kap lehetőséget, bővíti a kémiai rendszerek fejlődésének megértését - a nem stacionárius kinetika, amely a nem stacionárius folyamatok szabályozásának elméletével foglalkozik. A kémiai ismeretek fejlődése lehetővé teszi számunkra, hogy reménykedjünk az emberiség előtt álló számos probléma megoldásában: a kémiai átalakulások jelentős felgyorsításában.<мягких>körülmények; új, energetikailag akadályozott folyamatok megvalósítása endo- és exoterm reakciók összekapcsolásával; a szénhidrogén-alapanyag megtakarításának lehetősége és az olajról a szénre való átállás, ami egy gyakoribb nyersanyagforrás. A kémiának vannak valós előfeltételei a fotoszintézis modellezéséhez és fokozásához; víz fotolízise hidrogén előállítására, amely a leghatékonyabb és legkörnyezetbarátabb üzemanyag; szerves termékek széles körének szén-dioxidon alapuló ipari szintézise, elsősorban metanol, etanol, formaldehid és hangyasav; számos fluoranyag ipari szintézise. Ma már megérettek a feltételek a hulladékszegény és energiatakarékos ipari termelés megteremtésére.

A kémiai evolúció visszafordíthatatlan változások folyamata, amely új kémiai vegyületek megjelenéséhez vezet – olyan termékekhez, amelyek összetettebbek és jobban szervezettebbek, mint az eredeti anyagok. Ezeket a folyamatokat az 1970-es években kezdték aktívan és célirányosan tanulmányozni. a kémiai folyamatok folyamatosan növekvő összetettségének olyan szintre történő vizsgálatával kapcsolatban, amely hozzájárult az élő anyag Földön való megjelenéséhez. Az e folyamatok iránti érdeklődés a régóta fennálló próbálkozásokra nyúlik vissza, hogy megértsék, hogyan keletkezik a szerves anyag, majd az élet a szervetlen anyagokból. A szerves kémia megalapítója, J. Ya. volt az első, aki felismerte az élő szervezetekben zajló kémiai folyamatok magas szintű rendezettségét és hatékonyságát. Berzelius (18. század vége - 19. század eleje). Megállapította, hogy az élő szervezet laboratóriumainak alapja a biokatalízis. A XX. században nagy jelentőséget tulajdonítottak az élő természet katalitikus élményének. Így az akadémikus N.N. Semenov a növények és állatok szöveteiben lezajló kémiai folyamatokat az élő természet egyfajta „kémiai termelésének” tekintette.

Ezen a hőmérsékleten azonban ennek a reakciónak az egyensúlya erősen balra tolódik (csak 1 milliárd K hőmérsékleten tolódik el jobbra - kb. 100 másodperccel az Ősrobbanás után), és a deuteronok nem halmozódhatnak fel, mivel ezek alatt körülmények között héliummagokká alakulnak (ez a séma meglehetősen kielégítő magyarázatot ad a hélium mennyiségére az Univerzumban). Az anyag fejlődésének csillag előtti szakaszában más kémiai elemek magjai nem képződnek, mivel a táguló Univerzum sűrűsége és hőmérséklete gyorsan csökken. Ebben az esetben a 4 He képződési folyamata (a bal felső ábra a relatív atomtömeg, azaz egy atom tömege, atomtömeg-egységekben kifejezve, amely a szénizotóp tömegének 1/12-e 12-es tömegszám - 1,6605655(86)10"27 kg, körülbelül 2 perccel az ősrobbanás után kezdődik, és a 4. perc végére leáll, amikor az Univerzum 3500 K hőmérsékletre hűl (körülbelül 1 millió év után), rekombináció a héliummagok és a megmaradt hidrogénmagok elektronokkal: atomok keletkeznek, és a hidrogén a csillagközi gáz és a csillagrendszerek kiindulási anyaga.

A hélium atommagok után a 12 C és 16 O atommagok nem a legstabilabbak Az ilyen magok kialakulásának termonukleáris korszaka (T< 100 млн К) наступает после того, как на первом этапе истощается, «выгорает» водород. В эту эпоху в плотных выгоревших ядрах звезд-гигантов возможно непосредственное образование углерода и кислорода (не атомов, а ядер). Дальнейшее слияние ядер гелия приводит к образованию 20 Ne, 24 Mg и т.п. Более поздняя ядерная эпоха, когда обеспечивается температура до 1 млрд. К, характеризуется «горением» углерода. При этом образуются ядра вплоть до 27 А1 и 28 Si. Выше 30 млрд. К в реакцию вступают более тяжелые ядра, начиная с кремния 32 Si. В условиях складывающегося при этом термодинамического равновесия синтезируются элементы вплоть до железа и атомы близких ему элементов, ядра которых являются самыми стабильными ядрами. При этом достигается минимум энергии всей системы, и более тяжелые ядра не синтезируются. Получение элементов с большими атомными номерами осуществляется по другому механизму - последовательный захват ядрами нейтронов и последующий 3-распад. В подобных процессах в качестве самого тяжелого может получиться нуклид l81 Bi. Ядра, более тяжелые, чем 181 Bi, синтезируются во время взрывов новых и сверхновых звезд в условиях огромной плотности нейтронных потоков, когда возможен захват ядрами нейтронов не по одному, а группами.

A molekulák nem jöhettek létre csillaghőmérsékleten, amikor a legtöbb atom többszörösen töltött ionként létezik (például a napkoronában 1 millió K hőmérsékleten a vasatomok Fe 13+ ionok). Kétatomos molekulákat csak a leghidegebb, 2000-3000 K felületi hőmérsékletű csillagok spektrumában találtak (Al, Mg, Ti, Zr, C, Si oxidjai és néhány más, a legerősebb kémiai kötéssel rendelkező kétatomos molekula). Ugyanakkor a csillagközi térben nagyszámú molekula van jelen, köztük meglehetősen összetettek is. Feltételezzük, hogy ezeknek a molekuláknak az összetétele megfelel a csillaganyag lehűlése következtében létrejött első molekulák összetételének. Más molekulákat is találtak, de sokkal kisebb mennyiségben.

A kémiai evolúció elmélete (prebiotikus evolúció, abiogenezis elmélet) - az élet evolúciójának első szakasza, melynek során a szervetlen molekulákból szerves, prebiotikus anyagok keletkeztek külső energetikai és szelekciós tényezők hatására, valamint az összes viszonylag összetett rendszerre jellemző önszerveződési folyamatok kibontakozása következtében, amelyek kétségtelenül minden széntartalmú molekula. Ezek a kifejezések jelölik azon molekulák keletkezésének és fejlődésének elméletét is, amelyek alapvető fontosságúak az élő anyag keletkezése és fejlődése szempontjából.
Az élet az univerzumunkban az egyetlen lehetséges változatban jelenik meg: a „fehérjetestek létmódjaként”, amely a szén polimerizációs tulajdonságainak és a folyékony fázisú vizes környezet depolarizáló tulajdonságainak egyedi kombinációjának köszönhetően valósul meg, szükség szerint. és kellő feltételeket teremteni minden általunk ismert életforma kialakulásához és fejlődéséhez . Ez azt jelenti, hogy legalább egy kialakult bioszférán belül csak egy öröklődési kód lehet, amely egy adott bióta összes élőlényére jellemző, de nyitva marad a kérdés, hogy léteznek-e más bioszférák a Földön kívül, és lehetségesek-e a genetikai apparátus más változatai. .

Kutatás

A kémiai evolúció tanulmányozását bonyolítja, hogy jelenleg az ókori Föld geokémiai viszonyaira vonatkozó ismeretek nem eléggé teljesek. Ezért a geológiai adatok mellett csillagászati adatokat is felhasználnak. Így a Vénusz és a Mars körülményei közel állnak azokhoz, amelyek a Földön a fejlődés különböző szakaszaiban voltak. A kémiai evolúció főbb adatait olyan modellkísérletek nyerik, amelyek során a légkör, a hidroszféra és a litoszféra különböző kémiai összetételének, valamint az éghajlati viszonyoknak a szimulálásával összetett szerves molekulákat kaptak. A rendelkezésre álló adatok alapján számos hipotézist állítottak fel a kémiai evolúció sajátos mechanizmusairól és közvetlen mozgatórugóiról.

Ősnemzés

Tág értelemben ősnemzés- az élőlények élettelenből való keletkezése, vagyis az élet keletkezésének modern elméletének kiinduló hipotézise. A 20. század 20-as éveiben Alexander Oparin akadémikus azt javasolta, hogy a nagy molekulatömegű vegyületek oldataiban spontán módon megnövekedett koncentrációjú zónák alakulhatnak ki, amelyek viszonylag elkülönülnek a külső környezettől, és képesek fenntartani a vele való cserét. Koacervátum cseppeknek, vagy egyszerűen koacervátumoknak nevezte őket.

1953-ban Stanley Miller kísérletileg hajtotta végre aminosavak és más szerves anyagok abiogén szintézisét a primitív Föld körülményeit reprodukáló körülmények között. Van egy hiperciklus-elmélet is, amely szerint az élet első megnyilvánulásai hiperciklusok formájában voltak - összetett katalitikus reakciók komplexe, amelyek termékei a következő reakciók katalizátorai.
2008-ban az amerikai biológusok fontos lépést tettek az élet keletkezésének kezdeti szakaszainak megértése felé. Sikerült létrehozniuk egy „protocellát” egyszerű lipidekből és zsírsavakból álló héjjal, amely képes aktivált nukleotidokat vonni a környezetből - a DNS-szintézishez szükséges „építőkockákat”.

Szempontok

A kémiai evolúció hipotéziseinek különböző szempontokat kell megmagyarázniuk:
1. A biomolekulák nem biológiai kezdete, vagyis nem élő, és ennek megfelelően szervetlen prekurzorokból való fejlődése.
2. Önreplikációra és önváltoztatásra képes kémiai információs rendszerek kialakulása, vagyis egy sejt megjelenése.
3. A funkció (enzimek) és az információ (RNS, DNS) kölcsönös függésének kialakulása.
4. A Föld környezeti viszonyai a 4,5-3,5 milliárd évvel ezelőtti időszakban.

A kémiai evolúció egységes modelljét még nem dolgozták ki, talán azért, mert az alapelveket még nem fedezték fel.

Érvelés

Biomolekulák
A komplex molekuláris vegyületek prebiotikus szintézise három egymást követő szakaszra osztható:
1. Egyszerű szerves vegyületek (alkoholok, savak, heterociklusos vegyületek: purinok, pirimidinek és pirrolok) keletkezése szervetlen anyagokból.
2. Bonyolultabb szerves vegyületek szintézise - "biomolekulák" - a metabolitok leggyakoribb osztályainak képviselői, beleértve a monomereket - a biopolimerek szerkezeti egységeit (monoszacharidok, aminosavak, zsírsavak, nukleotidok) egyszerű szerves vegyületekből.
3. Komplex biopolimerek (poliszacharidok, fehérjék, nukleinsavak) megjelenése az alapvető szerkezeti egységekből - monomerekből.

Az ősi légkör kialakulása
A Föld légkörének fejlődése a kémiai evolúció része, és egyben fontos eleme az éghajlat történetének. Ma négy fontos fejlődési szakaszra oszlik.

Kezdetben kémiai elemek keletkeztek az űrben, és belőlük keletkezett a Föld - körülbelül 4,56 milliárd évvel ezelőtt. Feltehetően bolygónkon már korán hidrogén-hélium légkör uralkodott, amely azonban fokozatosan kiszivárgott a világűrbe. A csillagászok úgy vélik továbbá, hogy a viszonylag magas hőmérséklet és a napszél hatása miatt kis mennyiségű könnyű kémiai elem (köztük szén, nitrogén és oxigén) maradhat a Földön és más, a Naphoz közeli bolygókon. Mindezek az elemek, amelyek ma a bioszféra zömét alkotják, csak hosszú idő után, a protobolygók kissé lehűlésekor üstökösütések hatására kerültek be a külső Naprendszerből. A Naprendszer megjelenése utáni első néhány millió évben az égitestekkel való ütközések folyamatosan ismétlődnek, és az általuk okozott ütközések tönkretették az akkor kialakult élőrendszereket. Ezért az élet megjelenése csak a víz hosszú időn át tartó felhalmozódása után kezdődhetett meg, legalábbis a legmélyebb mélyedésekben.
A föld lassú lehűlésével, a vulkáni tevékenységgel (gázok felszabadulásával a föld belsejéből) és a lehullott üstökösökből származó anyagok globális eloszlásával a Föld második légköre keletkezett. Valószínűleg vízgőzből (80%-ig H2O), szén-dioxidból (20%-ig CO2), hidrogén-szulfidból (legfeljebb 7%), ammóniából és metánból állt. A vízgőz magas százalékát az magyarázza, hogy a Föld felszíne akkoriban még túl meleg volt a tengerek kialakulásához. Mindenekelőtt a fiatal föld körülményei között vízből, metánból és ammóniából kisméretű szerves molekulák (savak, alkoholok, aminosavak), később pedig szerves polimerek (poliszacharidok, zsírok, polipeptidek) képződhettek, amelyek instabilak voltak savas légkör.
Miután a légkör a víz forráspontja alá hűlt, nagyon hosszan tartó esőzés következett, amiből az óceánok alakultak ki. Az egyéb légköri gázok vízgőzhöz viszonyított telítettsége megnőtt. Az erős ultraibolya sugárzás a víz, a metán és az ammónia fotokémiai lebomlását okozta, ami szén-dioxid és nitrogén felhalmozódását eredményezte. Könnyű gázok - hidrogén és hélium - kerültek az űrbe, a szén-dioxid nagy mennyiségben oldódott az óceánban, oxidálva a vizet. A pH-érték 4-re csökkent. Az inert és rosszul oldódó nitrogén N2 idővel felhalmozódott, és mintegy 3,4 milliárd évvel ezelőtt a légkör fő alkotóelemét képezte.
A fémionokkal reakcióba lépő oldott szén-dioxid (karbonátok) kiválása és a szén-dioxidot asszimiláló élőlények továbbfejlődése a víztestekben a CO2-koncentráció csökkenéséhez és a pH-érték növekedéséhez vezetett.
Az oxigén O2 döntő szerepet játszott a légkör további fejlődésében. A fotoszintézisre képes élőlények, feltehetően cianobaktériumok (kék-zöld algák) vagy hasonló prokarióták megjelenésével jött létre. A szén-dioxid asszimilációjuk a savasság további csökkenéséhez vezetett, de a légkör oxigénnel való telítettsége meglehetősen alacsony maradt. Ennek oka az óceánban oldott oxigén azonnali felhasználása a kétértékű vasionok és más oxidálható vegyületek oxidálására. Körülbelül kétmilliárd éve ez a folyamat befejeződött, és az oxigén fokozatosan felhalmozódott a légkörben.
A nagyon reaktív oxigén könnyen oxidálja az érzékeny szerves biomolekulákat, és így környezeti szelekciós tényezővé válik a korai élőlények számára. Csak néhány anaerob organizmus tudott beköltözni az oxigénmentes életterekbe, a másik részük olyan enzimeket fejlesztett ki, amelyek nem teszik veszélyessé az oxigént.
Egymilliárd évvel ezelőtt a légkör oxigéntartalma átlépte az egy százalékos szintet, majd néhány millió évvel később kialakult az ózonréteg. A mai, 21%-os oxigéntartalmat mindössze 350 millió évvel ezelőtt érték el, és azóta is stabil.

A víz jelentősége az élet keletkezésében
A H2O egy kémiai vegyület, amely normál körülmények között mindhárom aggregációs állapotában jelen van.
Az általunk ismert (vagy definiált) élethez vízre, mint univerzális oldószerre van szükség. A víz olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek lehetővé teszik az életet. Nincs bizonyíték arra, hogy élet keletkezhet és létezhet a víztől függetlenül, és általánosan elfogadott, hogy csak a víz jelenléte a folyékony fázisban (egy bizonyos területen vagy egy bizonyos bolygón) valószínűsíti az élet kialakulását ott.

Illusztrációk

Rizs. 1-2. A szárazföldi és mélytengeri vulkánok valószínű előfeltételei az élet kialakulásának a Földön

A kémiai evolúció tanulmányozásának módszertana (elmélet)

A kémiai evolúció tanulmányozását bonyolítja, hogy jelenleg az ókori Föld geokémiai viszonyaira vonatkozó ismeretek nem eléggé teljesek.

Ezért a geológiai adatok mellett csillagászati adatokat is felhasználnak. Így a Vénusz és a Mars körülményei közel állnak azokhoz, amelyek a Földön a fejlődés különböző szakaszaiban voltak.

A kémiai evolúció főbb adatai modellkísérletekből származnak, amelyek a légkör, a hidroszféra és a litoszféra különböző kémiai összetételének, valamint az éghajlati viszonyoknak a szimulálásával összetett szerves molekulákat állítottak elő.

A rendelkezésre álló adatok alapján számos hipotézist állítottak fel a kémiai evolúció sajátos mechanizmusairól és közvetlen mozgatórugóiról.

Ősnemzés

Tágabb értelemben az abiogenezis az élőlények élettelenből való kiemelkedése, vagyis az élet keletkezésének modern elméletének kiinduló hipotézise. A 20. század 20-as éveiben Oparin akadémikus azt javasolta, hogy nagy molekulatömegű vegyületek oldataiban spontán módon fokozott koncentrációjú zónák alakulnak ki, amelyek viszonylag elkülönülnek a külső környezettől, és képesek fenntartani a cserét azzal. Felhívta őket Coacervat cseppek, vagy egyszerűen koacervál.

A témakör áttekintése

A kémiai evolúciós hipotéziseknek a következő szempontokat kell megmagyarázniuk:

A feltételek megjelenése az űrben vagy a Földön nagy mennyiségű és jelentős számú széntartalmú molekula autokatalitikus szintéziséhez, vagyis a kémiai evolúció megkezdéséhez szükséges és elegendő anyagok megjelenése az abiogén folyamatokban.
Viszonylag stabil zárt aggregátumok kialakulása az ilyen molekulákból, lehetővé téve számukra, hogy elszigeteljék magukat a környezettől oly módon, hogy lehetővé válik az anyag és az energia szelektív cseréje vele, azaz bizonyos protocelluláris struktúrák kialakulása.
Az önváltoztatásra és önreplikációra képes kémiai információs rendszerek ilyen aggregátumokban való megjelenése, vagyis az örökletes kód elemi egységeinek megjelenése.
A fehérjék tulajdonságai és az információhordozókkal (RNS, DNS) működő enzimek működése közötti kölcsönös függőség kialakulása, vagyis a tényleges öröklődési kód megjelenése, mint a biológiai evolúció szükséges feltétele.

Többek között a következő tudósok járultak hozzá jelentős mértékben e kérdések tisztázásához:

Harold Urey és Stanley Miller 1953-ban: Egyszerű biomolekulák megjelenése egy szimulált ősi légkörben.
Sydney Fox: Protenoid mikrogömbök.
Thomas Check (University of Colorado) és Sidney Altman (Yale New Haven Connecticut) 1981-ben: Autokatalitikus RNS hasadás: A "ribozimek" a katalízist és az információt egyesítik egy molekulában. Képesek kivágni magukat egy hosszabb RNS-szálból, és a fennmaradó végeket újra összekapcsolni.
Walter Gilbert (Harvard, Cambridge-i Egyetem) 1986-ban dolgozta ki az RNS-világ ötletét.
Günther von Kidrowski (Ruhr-University Bochum) bemutatja az első DNS-alapú önreplikáló rendszert 1986-ban, ami fontos hozzájárulás az önreplikáló rendszerek növekedési funkcióinak megértéséhez.
Manfred Eigen (Max Planck Intézet, Biofizikai Kémiai Kar, Göttingen): RNS-molekulák összeállításainak evolúciója. Hiperciklus.
Julius Rebeck (Cambridge) mesterséges molekulát (Aminoadenoszintriazidester) hoz létre, amely kloroformos oldatban önmagában replikálódik. A másolatok még mindig azonosak a mintával, így ezeknek a molekuláknak az evolúciója lehetetlen.
John Corlis (Goddard Space Flight Center – NASA): A termikus tengerek energiát és vegyi anyagokat szolgáltatnak, amelyek lehetővé teszik a kémiai evolúciót az űrkörnyezettől függetlenül. Még ma is lakókörnyezete az archaeobaktériumoknak (Archaea), amelyek sok tekintetben az eredetiek voltak.
Günther Wächtershäuser Günter_Wächtershäuser ) (München): A pirit felszínén keletkeztek az első önreplikálódó, anyagcserével rendelkező struktúrák. A pirit (vas-szulfid) szolgáltatta ehhez a szükséges energiát. Növekvő és bomló piritkristályokon ezek a rendszerek növekedni és szaporodni tudtak, és a különböző populációk eltérő környezeti feltételekkel (szelekciós feltételekkel) szembesültek.
A. G. Cairns-Smith (University of Glasgow) és David K. Mauerzall (Rockefeller-Universität New York, New York) olyan rendszert lát az agyagásványokban, amely először maga is alá van vetve a kémiai evolúciónak, ami sok különböző, önreplikálódó kristályt eredményez. Ezek a kristályok elektromos töltésükkel vonzzák magukhoz a szerves molekulákat, és komplex biomolekulák szintézisét katalizálják, mátrixként először a kristályszerkezetek információmennyisége szolgál. Ezek a szerves vegyületek egyre összetettebbé válnak, amíg nem képesek szaporodni agyagásványok segítsége nélkül.
Wolfgang Weigand, Mark Derr és munkatársai (Max Planck Institute of Biogeochemistry, Jena) 2003-ban kimutatták, hogy a vas-szulfid képes katalizálni az ammónia szintézisét molekuláris nitrogénből.

A kémiai evolúció egységes modelljét még nem dolgozták ki, talán azért, mert az alapelveket még nem fedezték fel.

Előzetes megfontolások

Biomolekulák

A komplex molekuláris vegyületek prebiotikus szintézise három egymást követő szakaszra osztható:

Egyszerű szerves vegyületek (alkoholok, savak, heterociklusos vegyületek: purinok, pirimidinek és pirrolok) keletkezése szervetlen anyagokból.
Bonyolultabb szerves vegyületek szintézise - „biomolekulák” - a metabolitok leggyakoribb osztályainak képviselői, beleértve a monomereket - a biopolimerek szerkezeti egységeit (monoszacharidok, aminosavak, zsírsavak, nukleotidok) egyszerű szerves vegyületekből.
Komplex biopolimerek (poliszacharidok, fehérjék, nukleinsavak) megjelenése az alapvető szerkezeti egységekből - monomerekből.

Az egyik kérdés annak a környezetnek a kémiai összetétele, amelyben a prebiológiai szintézis zajlott, beleértve azt is, hogy mely szervetlen komponensek voltak a különböző szerves vegyületeket alkotó elemek forrásai.

Az elemek lehetséges szervetlen forrásai:

Minden hipotézis azon alapul, hogy a víz és a foszfátok mellett a Föld történetének kezdeti szakaszában a légkörben és a hidroszférában csak redukált formák voltak elegendő mennyiségben, eltérve a modern korban megszokott kémiai vegyületektől, hiszen az ősi légkör nem tartalmazott molekuláris oxigént.

Ebben az időben a Nap ultraibolya sugárzása, a vulkáni folyamatokból származó hő, a radioaktív bomlásból származó ionizáló sugárzás és az elektromos kisülések energiaforrásként működhetnek, amely elindítja a fúziót. Vannak olyan elméletek is, amelyekben a biomolekulák keletkezéséhez szükséges energia forrása lehet a vulkáni gázok (redukálószer) és a részben oxidáló szulfid ásványok, például a pirit (FeS 2) közötti redox folyamatok.

Az ősi légkör kialakulása

A Föld légkörének fejlődése a kémiai evolúció része, és egyben fontos eleme az éghajlat történetének. Ma négy fontos fejlődési szakaszra oszlik.

Először a kémiai elemek keletkeztek az űrben, és a Föld előkerült belőlük - körülbelül 4,56 milliárd évvel ezelőtt. Feltehetően bolygónkon már korán hidrogén (H 2) és hélium (He) légköre volt, amely azonban ismét elveszett a világűrbe. A csillagászok úgy vélik továbbá, hogy a viszonylag magas hőmérséklet és a napszél hatása miatt a Földön és más, a Naphoz közeli bolygókon csak kis mennyiségben maradhattak könnyű kémiai elemek (köztük szén, nitrogén és oxigén). Mindezek az elemek, amelyek ma a bioszféra fő részét alkotják, ezen elmélet szerint csak hosszú idő után, a protobolygók kissé lehűlésekor üstökösbecsapódások hatására kerültek be a Naprendszer külső részeiből. A Naprendszer megjelenése utáni első néhány millió évben az égitestekkel való ütközések folyamatosan ismétlődnek, az általuk okozott ütközések globális sterilizációkkal tönkretették az akkor kialakult élő rendszereket. Ezért az élet megjelenése csak a víz hosszú időn át tartó felhalmozódása után kezdődhetett meg, legalábbis a legmélyebb mélyedésekben.

Vulkáni tevékenység nyomai: kénlerakódások a hawaii Mauna Loa vulkán Halema'uma'u kráterének szélén

A vulkánkitörés a vulkáni tevékenység leglátványosabb formája.

A föld lassú lehűlésével, a vulkáni tevékenységgel (gázok felszabadulásával a föld belsejéből) és a lehullott üstökösökből származó anyagok globális eloszlásával a Föld második légköre keletkezett. Valószínűleg vízgőzből (80%-ig H 2 O), szén-dioxidból (CO 2; legfeljebb 20%), hidrogén-szulfidból (legfeljebb 7%), ammóniából és metánból állt. A vízgőz magas százalékát az magyarázza, hogy a Föld felszíne akkoriban még túl meleg volt a tengerek kialakulásához. Mindenekelőtt a fiatal föld körülményei között vízből, metánból és ammóniából kisméretű szerves molekulák (savak, alkoholok, aminosavak), majd később szerves polimerek (poliszacharidok, zsírok, polipeptidek) is kialakulhattak, amelyek instabilak voltak savas légkör.

Miután a légkör a víz forráspontja alá hűlt, nagyon hosszan tartó esőzés kezdődött, amelyből az óceánok alakultak ki. Az egyéb légköri gázok vízgőzhöz viszonyított telítettsége megnőtt. Az intenzív ultraibolya sugárzás a víz, a metán és az ammónia fotokémiai lebomlását okozta, ami szén-dioxid és nitrogén felhalmozódását eredményezte. Könnyű gázok - hidrogén és hélium - kerültek az űrbe, a szén-dioxid nagy mennyiségben oldódott az óceánban, növelve a víz savasságát. A pH-érték 4-re csökkent. Az inert és rosszul oldódó nitrogén N2 idővel felhalmozódott, és mintegy 3,4 milliárd évvel ezelőtt a légkör fő alkotóelemét képezte.

A fémionokkal reakcióba lépő oldott szén-dioxid (karbonátok) kiválása és a szén-dioxidot asszimiláló élőlények továbbfejlődése a víztestekben a CO 2 koncentráció csökkenéséhez és a pH növekedéséhez vezetett.

Az oxigén O 2 létfontosságú szerepet játszik a légkör további fejlődésében. A fotoszintézisre képes élőlények, feltehetően cianobaktériumok (kék-zöld algák) vagy hasonló prokarióták megjelenésével jött létre. A szén-dioxid asszimilációjuk a savasság további csökkenéséhez vezetett, a légkör oxigénnel való telítettsége meglehetősen alacsony maradt. Ennek oka az óceánban oldott oxigén azonnali felhasználása a kétértékű vasionok és más oxidálható vegyületek oxidálására. Körülbelül kétmilliárd éve ez a folyamat befejeződött, és az oxigén fokozatosan felhalmozódott a légkörben.

A nagyon reaktív oxigén könnyen oxidálja az érzékeny szerves biomolekulákat, és így környezeti szelekciós tényezővé válik a korai élőlények számára. Csak néhány anaerob organizmus volt képes beköltözni az oxigénmentes ökológiai résbe, másik részük olyan enzimeket (például katalázokat) termelt, amelyek az oxigént nem veszélyessé teszik. Egyes mikroorganizmusokban ezekből az enzimekből komplex membránenzimek fejlődtek ki - a végső oxidázok, amelyek metabolikusan a jelenlévő oxigént használták fel a saját sejtjeik növekedéséhez szükséges energia felhalmozására - ez az oxidáció utolsó szakasza az aerob légzési láncban. A szervezettől függően a terminális oxidázok különböző formái léteznek, például a kinol-oxidáz vagy a citokróm-C-oxidáz, amelyek a rézionokat és hemeket tartalmazó aktív helyükben különböznek. Ez okot ad arra, hogy feltételezzük, hogy ezek különböző párhuzamos fejlődési utakon mentek végbe. Sok esetben különböző típusú terminális oxidázok fordulnak elő ugyanabban a szervezetben. Ezek az enzimek az utolsók a szekvenciális enzimkomplexek láncolatában, amelyek protonok vagy nátriumionok transzmembrán elektromos potenciál formájában történő átvitelével tárolják a redox folyamatok energiáját. Ez utóbbit egy másik enzimkomplexum ATP formájában kémiai energiává alakítja vissza. Az ATP és a légzőlánc egyéb komponenseinek szintézise evolúciós fényben jóval régebbi, mint a végső oxidázoké, hiszen már számos aerob anyagcsere-folyamatban (aerob légzés, számos fermentációs folyamat, metanogenezis) játszottak fontos szerepet, valamint anoxigén és oxigénes fotoszintézis.

Egymilliárd éve a légkör oxigéntartalma átlépte az egy százalékot, majd több millió évvel később kialakult az ózonréteg. A mai, 21%-os oxigéntartalmat mindössze 350 millió évvel ezelőtt érték el, és azóta is stabil.

A víz jelentősége az élet keletkezésében és megőrzésében

A H 2 O egy kémiai vegyület, amely normál körülmények között mindhárom aggregációs állapotában jelen van.

Bár ez bebizonyította a szerves molekulák természetes kialakulásának lehetőségét, ezeket az eredményeket manapság néha kritikus értékelések vetik alá. Az őslével végzett kísérletben azt feltételezték, hogy az akkori légkör lúgos volt, ami megfelelt az akkori tudományos elképzeléseknek. Ma már a légkör enyhén lúgos vagy éppen semleges jellegéből indulnak ki, bár a kérdés még nem került végleges megoldásra és szóba kerülnek a légköri viszonyok lokális kémiai eltérései is, például vulkánok környékén. A későbbi kísérletek bebizonyították a szerves molekulák megjelenésének lehetőségét ilyen körülmények között, olyanok is, amelyek az első kísérletekben nem derültek ki, de sokkal kisebb mennyiségben. Gyakran érvelnek azzal, hogy a szerves molekulák más módon való eredete legalább további szerepet játszott. Elméleteket is adunk a környékbeli szerves anyagok eredetére vonatkozóan.

Az őslevesből származó szerves molekulák eredete ellen olykor érvet ad az a tény, hogy a kísérlet során racemátot kapnak, vagyis az aminosavak L és D formáinak egyenlő keverékét. Ennek megfelelően léteznie kellett egy természetes folyamatnak, amelyben a királis molekulák egy bizonyos változatát részesítették előnyben. Egyes kozmobiológusok azzal érvelnek, hogy könnyebb bizonyítani a szerves vegyületek eredetét az űrben, mivel véleményük szerint a cirkulárisan polarizált sugárzású fotokémiai folyamatok, például a pulzárokból, csak bizonyos fordulatszámú molekulákat képesek elpusztítani. Valójában a meteoritokban található királis szerves molekulák között a balra forgató molekulák 9%-kal domináltak. Azonban 2001 Alan Saghatelian kimutatta, hogy az önreplikálódó peptidrendszerek egy racemát keverékben is képesek hatékonyan szelektálni bizonyos rotációjú molekulákat, ami lehetővé teszi a polimerek földi eredetét bizonyos optikai izomerekből.

További reakciók

A Miller-Urey kísérletben megjelent aldehidek és hidrogén-cianid HCN közbenső termékeiből 4,5 milliárd éve szimulált földi körülmények között további biomolekulák nyerhetők. Így Juan Oro képes volt adenint szintetizálni 1961-ben:

Ribózból, adeninből és trifoszfátból adenozin-trifoszfát (ATP) keletkezik, amelyet a szervezetek univerzális energiahordozóként és a ribonukleinsavak (RNS) építőelemeként (monofoszfátként) használnak.

Ásványok és kőzetek bevonása

A kristályos felületek mátrixként szolgálhatnak a makromolekulák növekedéséhez. Ebben az esetben különböző kristályos felületek képesek megkötni a molekulák bizonyos enantiomerjeit. Az L- és D aminosavak a kalcitkristály különböző helyeire kötődnek.
Aaron Kachalssky (Weizmann Institute, Izrael) kimutatta, hogy montmorillonitot (az egyik agyagásványt) tartalmazó vizes oldatban közel 100%-os hozammal lehet szintetizálni 50 aminosavnál hosszabb lánchosszúságú fehérjéket.
A fémionok katalizátorként, elektrondonorként működhetnek, vagy beépülhetnek a biomolekulákba.
A vizes oldatokban lévő agyagásványok gyakran hordoznak felületi elektromos töltést, így vonzzák és megtartják az ellentétes töltésű szerves molekulákat.
A kőzetek mikroüregeiben a szerves vegyületek molekulái védve vannak az ultraibolya sugárzástól.

Wechterhäuser elmélet

A vas-szulfid ásványok felületén az ásványok és a kőzetek által a szerves molekulák prebiotikus szintéziséhez nyújtott segítség különösen intenzív formája kell, hogy történjen. A Miller-Urey elméletnek jelentős korlátai vannak, különösen a biomolekula monomer komponenseinek polimerizációjának hibás magyarázata miatt.

Az anaerob baktériumok, amelyek anyagcseréje vas és kén részvételével megy végbe, ma is léteznek.

A vas-szulfid kristályok egymásbanövekedése FeS 2

Günter Wächterhäuser az 1980-as évek eleje óta egy alternatív forgatókönyvet dolgozott ki. Ezen elmélet szerint a földi élet vas-kén ásványok, azaz szulfidok felszínén keletkezett, amelyek geológiai folyamatok révén ma is keletkeznek, és sokkal gyakoribbnak kellett volna lenniük a fiatal földön. Ez az elmélet, szemben az RNS-világ hipotézisével, azt sugallja, hogy az anyagcsere megelőzte az enzimek és gének megjelenését. A fekete dohányosokat megfelelő helynek javasolják az óceánok fenekén, ahol magas a nyomás, magas a hőmérséklet, nincs oxigén és rengeteg különféle vegyület, amely az „élet építőkövei” építőanyagaként szolgálhat. katalizátor a kémiai reakciók láncolatában. Ennek a koncepciónak az a nagy előnye az elődeihez képest, hogy a komplex biomolekulák képződése most először kapcsolódik állandó, megbízható energiaforráshoz. A részlegesen oxidált vas-kén ásványok, például pirit (FeS 2) hidrogénnel történő redukciója során energia szabadul fel (reakcióegyenlet: FeS 2 + H 2 FeS + H 2 S), és ez az energia elegendő az endoterm szintézishez. biomolekulák monomer szerkezeti elemei és polimerizációjuk:

Fe 2+ + FeS 2 + H 2 2 FeS + 2 H + ΔG°" = -44,2 kJ/mol

Más fémek, például a vas, szintén oldhatatlan szulfidokat képeznek. Ezen kívül a pirit és más vas-kén ásványok pozitív töltésű felülettel rendelkeznek, amelyen túlnyomórészt negatív töltésű biomolekulák (szerves savak, foszfor-észterek, tiolok) elhelyezkedhetnek, koncentrálódhatnak és reagálhatnak egymással. Az ehhez szükséges anyagok (hidrogén-szulfid, szén-monoxid és vassók) oldatból hullanak e „vas-kén világ” felszínére. Wechterhäuser az anyagcsere meglévő alapvető mechanizmusaira támaszkodik elméletéhez, és ezekből vezet le egy zárt forgatókönyvet összetett szerves molekulák (szerves savak, aminosavak, cukrok, nitrogéntartalmú bázisok, zsírok) szintézisére a vulkáni gázokban található egyszerű szervetlen vegyületekből ( NH3, H2, CO, CO 2, CH4, H2S).

A Miller-Urey kísérlettel ellentétben nem vesznek részt külső energiaforrások, például villámlás vagy ultraibolya sugárzás; ráadásul a szintézis első szakaszai magas hőmérsékleten és nyomáson sokkal gyorsabban mennek végbe (például enzimek által katalizált kémiai reakciók). A víz alatti vulkánok 350 °C-ig terjedő hőmérsékletén az élet felbukkanása egészen elképzelhető. Csak később, a magas hőmérsékletre érzékeny katalizátorok (vitaminok, fehérjék) megjelenésével alacsonyabb hőmérsékleten kellett az evolúciónak végbemennie.

A Wechterhäuser szcenárió jól illeszkedik a mélytengeri hidrotermális szellőzők körülményeihez, mivel az ott elérhető hőmérséklet-különbség hasonló reakcióeloszlást tesz lehetővé. A ma legidősebb élő mikroorganizmusok a leghőállóbbak, növekedésük legnagyobb ismert hőmérsékleti maximuma +122 °C. Emellett a vas-kén aktív centrumok ma is részt vesznek a biokémiai folyamatokban, ami utalhat a Fe-S ásványok elsődleges részvételére az élet kialakulásában.

Makromolekulák képződése

A biomakromolekulák fehérjék és nukleinsavak. A molekulaláncok tágulása (polimerizáció) energiát igényel, és víz felszabadulásával (kondenzáció) történik. A makromolekulák lebontásakor (hidrolízis) energia szabadul fel. Mivel a kémiai egyensúly olyan erősen eltolódik a monomerek felé, hogy a reakció termodinamikailag irreverzibilisen a polimerek hidrolízise felé halad, a polimerek szintézise állandó energiaellátás nélkül lehetetlen. Még a víz elpárolgásából, sók hozzáadásával (megkötő víz) vagy a termékek lebontásából származó elméleti alátámasztással is csak kis mértékben tolódik el az egyensúly. Ennek eredményeként az élet megjelenése nagy valószínűséggel egy megbízható energiaforráshoz kapcsolódik, amelyet polimerizációhoz használnának.

[monomerek] n + H 2 O n monomerek + hő,

Energia + monomerek [monomerek] n + H 2 O.

Az ATP-t leggyakrabban a biokémiában használják energiaforrásként, amelynek kialakulásához már meglévő enzimekre van szükség. Fiatal föld körülményei között a polifoszfátok hidrolitikus hasításával lehet energiát szolgáltatni a polimerek szintéziséhez, amit ma az ATP hasítása helyett egyes enzimek használnak fel. Nem valószínű azonban, hogy a polifoszfátok a szükséges mennyiségben voltak, mivel a foszfáttartalmú oldatok párolgása során spontán képződhettek, de viszonylag gyorsan hidrolizálódtak is, vízben oldódva. Hasonló folyamatok fordulhatnak elő a tengerparton rendszeres apály és dagály mellett. De ebben az esetben minden vízfüggő folyamat folyamatosan megszakadna, ami túlságosan lelassítaná a komplex vegyületek szintézisét. Ezért térjünk át egy teljesen más rendszerre, amelyben mind a monomer komponensek szintézise, mind a polimerek képződése, állandó energiaforrástól függő, végbemegy - anaerob redox reakciók fém-szulfidokkal.

A polimer szintézis egyensúlya a polimerek képződése felé tolódik el a monomerek koncentrációjának növelésével és a reakciótermékek dehidratációjával. Ennek feltétele a reakcióközeg korlátozottsága, amelynek csak korlátozott anyagcseréje van a külső környezettel. Hagyományosan úgy gondolták, hogy az ilyen folyamatok nagy párolgású kis tavakban mennek végbe, ami Charles Darwin munkáin alapul. Napjainkban az óceánok vulkáni régióit, ahol a hidrotermikus szellőzőnyílásokból lerakódott fém-szulfidok találhatók, meglehetősen alkalmas helynek tekintik egy ilyen forgatókönyv kidolgozására.

A probléma más megoldásainak erős korlátai vannak, és nehéz összehasonlítani a korai földi viszonyokkal. Lehetőleg ki kell zárni a vizet egy vagy több lépésben, ami nagyon könnyen elvégezhető a laboratóriumban, de nem a kérdéses időpontban a földön. Az egyik ilyen rendszer a karbamid (R-N=C=N-R) vagy cianogén (N≡C-C≡N) polimerizálása vízmentes környezetben. Ebben az esetben a kiindulási komponensek kondenzációja a karbamidreakcióval párhuzamosan megy végbe, amely során a szükséges energia felszabadul:

Energia + + + H 2 O (H-X-OH = monomer, például aminosav vagy ribóz)

H 2 O + energia (ha R = H karbamid fordul elő)

Ultraibolya sugárzás hatására cianogén képződik a hidrogén-cianidból, azonban a száradó mocsárban az illékony molekula gyorsan elpárologna. Ha az aminosavak száraz keverékét több órán át 130 °C-on melegítjük, fehérjeszerű makromolekulák képződnek. Ha polifoszfátok vannak jelen, 60 °C elegendő. Ezek a körülmények akkor alakulhatnak ki, ha oldott aminosavakat tartalmazó víz érintkezik forró vulkáni hamuval.

Ha egy nukleotidkeveréket polifoszfátok jelenlétében 55 °C-ra melegítünk, akkor bár polinukleotidok keletkeznek, a kapcsolat nagy valószínűséggel a ribóz 5'- és 2'-C atomjai miatt jön létre, mivel könnyebben fordul elő, mint az összesben. élőlények 5'-3' kötései. Mindkét típusú polinukleotid kettős láncot alkot (hasonlítsa össze a DNS szerkezetével). Természetesen az 5'-3' duplaszálak stabilabbak, mint az 5'-2'-esek.

Ha a ribóz 2' szénatomján nincs hidroxilcsoport, akkor dezoxiribózt kapunk. Most már kialakulhatnak a DNS tipikus 5'-3' kötései.

Prebiotikus struktúrák (sejtprekurzorok) kialakulása

A sejtek fenntartják funkciójukat azáltal, hogy korlátozott reakciókörnyezetet hoznak létre, hogy az anyagcsere-folyamatokat elkülönítve tartsák egymástól, és kizárják a nem kívánt reakciókat. Ugyanakkor koncentrációbeli különbségek is létrehozhatók.

Koacervál

Ismeretes, hogy növekvő koncentrációval számos szerves vegyület, amelynek molekulái hidrofil és hidrofób régiókat is tartalmaznak, vizes oldatokban micellizálódni, azaz a szerves fázis mikrocseppjeit felszabadítani képes. Micellák képződése figyelhető meg a kisózás során is, vagyis a sók koncentrációjának növekedésével a biopolimerek-polielektrolitok kolloid oldataiban, és nagy koncentrációban biopolimereket tartalmazó, 1-500 mikron átmérőjű mikrocseppek szabadulnak fel.

Korábban már elhangzott, hogy a számítógépek használata lehetővé tette a Naprendszer és különösen a Föld kialakulását, fejlődését különféle modelleken megépíteni, kiszámítani. A Föld kémiai evolúciója A Föld evolúciója során a különféle elemek bizonyos arányaiban kialakultak. A Föld, a belső bolygók közül a legnagyobb tömegű, megjárta a kémiai evolúció legnehezebb útját. Hangsúlyozandó, hogy a Föld geológiai története...

Ossza meg munkáját a közösségi hálózatokon

Ha ez a munka nem felel meg Önnek, az oldal alján található a hasonló művek listája. Használhatja a kereső gombot is

A modern természettudomány fogalmai
16. előadás A Föld kémiai evolúciója

A legmeggyőzőbb modell a Nap és a bolygók kialakulása egyetlen forgó gáz-por komplexből, i.e. vminek megfelelően forgó hipotéziseket. Emlékezzünk vissza, hogy e hipotézisek szerint egy protocsillag, a Nap egy forgó gázköd közepén keletkezett. A centrifugális erők az egyenlítői régióban instabil gáz- és poráramlás kialakulásához vezettek. Ezt követően az anyagnak ez a része elszakadt a Naptól, magával vitte a felesleges szögimpulzust. Így keletkezett a Nap egyenlítői síkjában egy gáz-por korong (gyűrű).

A nap felmelegítette ennek a gyűrűnek a belső részét, párolgást okozva, és a napszél által a könnyebb elemeket a gyűrű távolabbi részeibe „kiűzi”. Ez a folyamat körülbelül 100 millió évig tartott. A Naptól való távolságtól függően a köd különböző részei eltérő sebességgel hűltek le, ami a kémiai folyamatok előfordulásának eltéréséhez vezetett. A bolygók és különösen a Föld kémiai evolúciója is másként zajlott: először a legtűzállóbb elemek kondenzáltak, majd az illékonyak. A kémiai vegyületek fejlődésének további történetét a Föld fejlődésével összefüggésben tekintjük.

Vissza a dokumentum tetejére

1. A Föld kémiai evolúciója

A Föld evolúciója során a különféle elemek bizonyos arányai alakultak ki. A bolygók, üstökösök, meteoritok és a Nap anyaga tartalmazza a periódusos rendszer összes elemét, ami bizonyítja közös eredetüket, de a mennyiségi összefüggések eltérőek. A különböző természeti rendszerekben bármely kémiai elem atomszámát általában a szilíciumhoz viszonyítva fejezik ki, mivel a szilícium a bőséges és nehezen illékony vegyületek közé tartozik.

A sorszám növekedésével az elemek elterjedtsége csökken, de nem egyenletesen. Figyelemre méltó, hogygyakoribbak a páros rendszámú elemek, különösen a 4-es többszörös tömegszámú elemek. Ide tartozik különösen a He, CO, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. A helyzet az, hogy ezek a tömegszámok stabil magoknak felelnek meg. G. Ury és G. Suess amerikai kozmokémikusok a következőket írták erről: „... a kémiai elemek és izotópjaik bőségét a nukleáris tulajdonságok határozzák meg, és a minket körülvevő anyag hasonló a kozmikus atomtűz hamujához, amelyből létrejött.”

A radioaktivitás a Föld egyik legfontosabb tulajdonsága, amely meghatározza eredetét és kémiai evolúcióját. Az összes ősbolygó erősen radioaktív volt. A radioaktív bomlás energiája miatt felmelegedve kémiai differenciálódáson mentek keresztül, ami a földi bolygók belső fémes magjainak kialakulásában tetőzött.

Litofil elemek, pl. a bolygók szilárd héját alkotó elemek (Si, O, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K) felfelé mozogtak, a köpeny olvadt anyagából az olvadó frakciók olvadása során felszabaduló gázok bazaltos olvadékokhoz vezettek, amely szintén a bolygók felszínére ömlött. A velük együtt kiszabaduló gázkomponensek olyan elsődleges atmoszférákat hoztak létre, amelyek csak viszonylag nagy bolygókat tudtak befogadni, köztük a Földet is. A Föld szerkezetének kialakulási diagramja az 1. ábrán látható.

A Föld a legmasszívabb a belső bolygók között, és a kémiai evolúció legnehezebb útját járta be. A meteoritanyagban is megtalálható összetett szerves vegyületeket szintén asszimilálták. Ezek az anyagok a protoplanetáris felhő lehűlésének utolsó szakaszában keletkeztek. Ezt követően a Földön az élet kialakulásához vezettek.

Vissza a dokumentum tetejére

Geokronológia. orosz geokémikus A.E. Fersman (1883-1945) a Föld atomjainak létezését három korszakra osztotta:

A csillagos létfeltételek korszaka,
- a bolygók kialakulásának kezdetének korszaka,
- a geológiai fejlődés korszaka.

A Föld kőzeteinek kialakulásának idejét és sorrendjét geológiai fejlődésének korszakában a kifejezés geokronológia.

1881-ben Bolognában a Nemzetközi Földtani Kongresszuson bevezették a korszak, korszak, időszak, évszázad, idő kifejezéseket, és átvették a geokronológiai léptéket.

Hangsúlyoznunk kell, hogy a Föld geológiai története elválaszthatatlan biológiai evolúciójától, szoros összefüggésben és a fejlődő élet hatása alatt ment végbe. Ezeket az összefüggéseket a geokronológia is tükrözi.

A Föld geológiai és biológiai történetének ismeretének foka szerint létezésének teljes ideje két egyenlőtlen részre oszlik:

1. Kriptóz (criptos secret), ez a rész hatalmas időszakot ölel fel (570-3800 millió évvel ezelőtt). Ez a szerves élet rejtett fejlődésének időszaka, beleértve az archean és a proterozoikum korszakát is.

2. Fanerozoikum (görögül phaneros „nyilvánvaló” + zoe „élet”), az 570 millió év későbbi összetevője, amely magában foglalja a paleozoikum, a mezozoikum és a kainozoikum korszakot is;

A Föld biológiai evolúciójának történetében a fordulópont a paleozoikum korszak kambriumi időszaka volt. Ha a prekambriumi korszak az egysejtű szervezetek kizárólagos dominanciájának időszaka volt, akkor a posztkambriumi korszak a többsejtű formák korszaka lett. A kambrium korszakban, az evolúció történetében először jelentek meg modern típusú többsejtű szervezetek, kialakult azoknak a testi „terveknek” minden fő jellemzője, amelyek szerint ezek az organizmusok ma is felépülnek, megteremtették az előfeltételeket a ezeknek az organizmusoknak a jövőbeni tengerből a szárazföldre való megjelenése és a Föld teljes felszínének meghódítása.

Továbbra is rejtélyesnek tűnik, hogy az új formák megjelenése nem terjedt ki a teljes kambriumi korszakra, vagy legalábbis annak jelentős részére, hanem szinte egyidejűleg, mintegy három-öt millió év alatt. Geológiai időskálán ez egy teljesen jelentéktelen időszak - ez az evolúció teljes időtartamának csak egy ezreléke. Ezt az evolúciós ugrást "kambriumi robbanásnak" nevezték.

Vissza a dokumentum tetejére

2. Az önszerveződés fogalma a kémiában.

A szerves élet eredetének kérdése továbbra is a modern természettudomány egyik legérdekesebb és legösszetettebb kérdése. A kérdés megválaszolása azt jelenti, hogy elmagyarázzuk, hogyan hozta létre a természet minimális mennyiségű kémiai elemből és vegyületből a legbonyolultabb makromolekulákat, majd bioszisztémák magasan szervezett komplexét?

Erre a kérdésre jelenleg egy speciális kémiai tudományban – az evolúciós kémiában – keresik a választ. Néha úgy is hívják prebiológia a kémiai rendszerek önszerveződésének tudománya.

Az önszerveződés alatt az anyagdinamikai komplexitási szintek rendezettségének spontán növekedését értjük, pl. minőségileg változó rendszerek.

A prebiológiai rendszerek önszerveződésének problémájának szubsztrát és funkcionális megközelítései.Az evolúciós kémia keretein belül az önszerveződés problémájának két megközelítése létezik: szubsztrát és funkcionális. A funkcionális megközelítés maguknak az anyagi rendszerek önszerveződési folyamatainak tanulmányozására összpontosítja a figyelmet, azon törvényszerűségek azonosítására, amelyeknek ezek a folyamatok alá vannak vetve. Itt az evolúciós folyamatokat gyakran a kibernetika szemszögéből vizsgálják. Ebben a megközelítésben a szélsőséges nézőpont a fejlődő rendszerek anyagával szembeni teljes közömbösség kijelentése.

Szubsztrát megközelítésa biológiai rendszerek anyagi alapjainak tanulmányozásából áll, azaz. elemek-szervek és az élő szervezetben lévő kémiai vegyületek bizonyos szerkezete. A biogenezis (azaz az élet keletkezésének) problémájának szubsztrát megközelítésének eredménye a kémiai elemek és szerkezetek kiválasztásáról való információszerzés.

Valójában létezik bizonyos kémiai elemek kiválasztása a fejlődő rendszerek létrehozásához. Jelenleg több mint 100 kémiai elem ismeretes, azonban az élő rendszerek alapja mindössze 6 elemből, úgynevezett organogénekből áll: S, H, O, N, P, S , melynek teljes tömeghányada az 97,4 % . Őket további 12 elem követi, amelyek a biorendszerek számos fiziológiailag fontos összetevőjének felépítésében vesznek részt: Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co. Tömeghányaduk az élőlényekben 1,6%.

A világ általános kémiai képe is szelekcióról tanúskodik. Jelenleg körülbelül 8 millió kémiai vegyület ismeretes. Ezek túlnyomó többsége (kb. 96%) szerves vegyületek, amelyek fő építőanyaga ugyanaz a 6 + 12 elem. Érdekes, hogy a fennmaradó kémiai elemek közül a természet mindössze mintegy 300 ezer szervetlen vegyületet hozott létre.

Fontos megjegyezni, hogy a természet által kiválasztott szerves anyagok ilyen szűk köréből az egész nehezen átlátható élővilág kialakult.

Melyek a kémiai vegyületek kiválasztásának alapelvei - egyfajta „kémiai készítmény” összetett biológiai rendszerek kialakításához?

Kiderült, hogy itt a döntő szerep a katalizátoroké, pl. olyan anyagok, amelyek aktiválják a reagens molekulákat és növelik a kémiai reakciók sebességét. A katalizátorok azonban nem maradnak változatlanok a kémiai reakciók során: aktivitásuk vagy csökken, vagy nő.

Vissza a dokumentum tetejére

3. A kémiai evolúció és biogenezis általános elmélete

A 20. század 60-as éveiben kísérletileg megállapították, hogy a kémiai evolúció során azokat a kémiai szerkezeteket választották ki, amelyek hozzájárultak a katalizátorok aktivitásának és szelektivitásának erőteljes növekedéséhez. Ez lehetővé tette az MSU professzorának, A.P. Rudenko 1964-ben a nyitott katalitikus rendszerek önfejlődésének elméletét, amely joggal tekinthető a kemo- és biogenezis általános elméletének. Ennek az elméletnek az a lényege, hogy a kémiai evolúció a katalitikus rendszerek önfejlődése, és ezért a fejlődő anyag a katalizátor.

A.P. Rudenko megfogalmazta a kémiai evolúció alaptörvényét is:a legnagyobb sebességgel és valószínűséggel a katalizátor evolúciós változásainak azok az útjai alakulnak ki, amelyekben az abszolút aktivitása maximálisan megnő.

Önfejlődés, rendszerek önszerveződése csak állandó energiabeáramlás miatt jöhet létre, melynek forrása a fő, i.e. bázikus reakció.Ebből az következik, hogy a maximális evolúciós előnyöket az alapon fejlődő katalitikus rendszerek érik elhőtermelő reakciók.

A kémiai evolúció időszaka.A világ kémiai evolúciójának korai szakaszában a katalízis hiányzott. A katalízis első megnyilvánulása akkor kezdődik, amikor a hőmérséklet 5000°K-ra vagy az alá csökken, és az elsődleges szilárd anyagok képződése következik be. Azt is tartják, hogy amikor a kémiai előkészítés időszaka, i.e. az intenzív és változatos kémiai átalakulások időszakát a biológiai evolúció időszaka váltotta fel;

Az evolúciós kémia alkalmazott jelentősége.Az evolúciós kémia nemcsak a biogenezis mechanizmusának feltárásában segít, hanem lehetővé teszi a kémiai folyamatok új szabályozásának kidolgozását is, amely magában foglalja a hasonló molekulák szintézisének elveinek alkalmazását és új, erős katalizátorok létrehozását, beleértve a biokatalizátorokat és enzimeket, ez pedig a kulcsa a hulladékszegény, hulladékmentes és energiatakarékos ipari folyamatok létrehozásának problémáinak megoldásának.

Vissza a dokumentum tetejére

Az élet keletkezésének elméletei

A földi élet keletkezésének eddigi legismertebb elméletei a következők.

Kreacionizmus . Ezen elmélet szerint az életet egy természetfeletti lény, Isten teremtette egy meghatározott időben. Ezt a nézetet vallják szinte minden vallási tanítás követői. Közülük azonban nincs egységes álláspont ebben a kérdésben, különös tekintettel a hagyományos keresztény-zsidó világteremtési elképzelés értelmezésére (Mózes könyve). Vannak, akik szó szerint értelmezik a Bibliát, és úgy gondolják, hogy a világ és minden benne lakó élő szervezet hat nap, egyenként 24 órás (1650-ben Ussher érsek a bibliai genealógiában említett összes ember életkorát összeadva kiszámolta, hogy Isten Kr.e. 4004 októberében kezdte el teremteni a világot. és december 23-án 9 órakor fejezte be munkáját, megalkotva az embert. Kiderült azonban, hogy Ádámot akkor hozták létre, amikor egy jól fejlett városi civilizáció már létezett a Közel-Keleten.). Mások nem tekintik tudományos könyvnek a Bibliát, és úgy gondolják, hogy benne a fő dolog az isteni kinyilatkoztatás a világ mindenható Teremtő általi teremtéséről, az ókori világ emberei számára érthető formában. Más szavakkal, a Biblia nem ad választ a „hogyan?” kérdésre. és „mikor?”, hanem a „miért?” kérdésre válaszol. Tág értelemben tehát a kreacionizmus lehetővé teszi mind a világ megteremtését a maga teljes formájában, mind a Teremtő által meghatározott törvények szerint fejlődő világ megteremtését.

A világ isteni teremtésének folyamatát úgy képzelik el, hogy csak egyszer ment végbe, és ezért megfigyelhetetlen. A hívő ember számára azonban a teológiai (isteni) igazság abszolút, és nem igényel bizonyítást. Ugyanakkor egy igazi tudós számára a tudományos igazság nem abszolút, mindig tartalmaz egy hipotézis elemet. A kreacionizmus fogalma tehát automatikusan kívül esik a tudományos kutatás keretein, hiszen a tudomány csak azokkal a jelenségekkel foglalkozik, amelyek megfigyelhetők, és a kutatás során megerősíthetők vagy elvethetők (a tudományos elméletek falszifikálhatóságának elve). Más szóval, a tudomány soha nem lesz képes bizonyítani vagy cáfolni a kreacionizmust.

Spontán generáció. Ezen elmélet szerint az élet az élettelen anyagból többszörösen keletkezett és keletkezik. Ez az elmélet széles körben elterjedt az ókori Kínában, Babilonban és Egyiptomban. Arisztotelész, akit gyakran a biológia megalapítójának neveznek, és Empedoklész korábbi megállapításait kidolgozta az élőlények evolúciójáról, ragaszkodott az élet spontán keletkezésének elméletéhez. Úgy vélte, hogy „...élőlények keletkezhetnek nemcsak az állatok párosodásával, hanem a talaj bomlásával is.” A kereszténység elterjedésével ez az elmélet ugyanabban a „keretben” találta magát, amelyet az egyház az okkultizmussal, a mágiával és az asztrológiával megátkozott, bár valahol a háttérben tovább létezett egészen addig, amíg 1688-ban az olasz biológus és orvos kísérletileg meg nem cáfolta. Francesco Redi. „Az élet csak az életből fakad” elvet a tudományban Redi-elvnek nevezik. Így alakult ki a biogenezis fogalma, amely szerint élet csak az előző életből keletkezhet. A 19. század közepén L. Pasteur végül megcáfolta a spontán generáció elméletét, és bebizonyította a biogenezis elméletének érvényességét.

Panspermia elmélet. Ezen elmélet szerint az életet kívülről hozták a Földre, ezért lényegében nem tekinthető az élet keletkezésének elméletének, mint olyannak. Nem kínál semmilyen mechanizmust az élet elsődleges eredetének magyarázatára, hanem egyszerűenfelveti az élet keletkezésének problémájátaz Univerzum egy másik helyére.

A biokémiai evolúció elmélete. Az élet az ősi Föld sajátos körülményei között a fizikai és kémiai törvényeknek engedelmeskedő folyamatok eredményeként jött létre.

Ez utóbbi elmélet a modern természettudományi nézeteket tükrözi, ezért részletesebben tárgyaljuk.

A modern tudomány szerint a Föld kora hozzávetőlegesen 4,5 5 milliárd év. A távoli múltban a Föld körülményei gyökeresen eltértek a modernektől, ami meghatározta a kémiai evolúció egy bizonyos menetét, ami az élet kialakulásának előfeltétele volt. Más szavakkal, a tulajdonképpeni biológiai evolúciót megelőzteprebiotikusa szervetlen anyagokból a szerves anyagokba, majd az élet elemi formáiba való átmenethez kapcsolódó evolúció. Ez bizonyos körülmények között lehetséges volt, amelyek akkoriban léteztek a Földön, nevezetesen:

· magas hőmérséklet, körülbelül 4000 RÓL RŐL VAL VEL,
· vízgőzből álló atmoszféra, CO 2, CH3, NH3 ,
kénvegyületek jelenléte (vulkáni tevékenység),
a légkör magas elektromos aktivitása,
· a Nap ultraibolya sugárzása, amely könnyen elérte a légkör alsó rétegeit és a Föld felszínét, mivel az ózonréteg még nem alakult ki.

Kiemelendő az egyik legfontosabb különbség a biokémiai evolúció elmélete és a spontán generáció elmélete között, nevezetesen: ezen elmélet szerintaz élet a modern élővilág számára alkalmatlan körülmények között keletkezett!

Vissza a dokumentum tetejére

Oparin-Haldane sejtés. 1923-ban megjelent Oparin híres hipotézise, amely a következőkben bontakozott ki: az első összetett szénhidrogének az óceánban keletkezhettek egyszerűbb vegyületekből, fokozatosan felhalmozódhattak, és az „elsődleges húsleves” kialakulásához vezethettek. Ez a hipotézis gyorsan elméleti súlyt kapott. Azt kell mondanunk, hogy a későbbi kísérleti vizsgálatok az ilyen feltételezések érvényességét mutatták. Így 1953-ban S. Miller, miután szimulálta az ókori Föld feltételezett körülményeit (magas hőmérséklet, ultraibolya sugárzás, elektromos kisülések), laboratóriumi körülmények között szintetizált 15 aminosavat, amelyek az élőlények részét képezik, néhány egyszerű cukrot (ribóz). Később egyszerű nukleinsavakat (Orgel) szintetizáltak. Jelenleg mind a 20 aminosavat szintetizálták, amelyek az élet alapját képezik.

Oparin azt feltételezteA fehérjék döntő szerepet játszanak az élettelen dolgok élőlényekké alakításában.. A fehérjék képesek hidrofil komplexeket képezni: a vízmolekulák héjat alkotnak körülöttük. Ezek a komplexek elszakadhatnak a vizes fázistól, és úgynevezett koacervátumokat képezhetnek.<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.

(Haldane angol tudós (University of Cambridge) 1929-ben tette közzé hipotézisét, mely szerint a Föld szén-dioxidban gazdag légkörében kémiai folyamatok eredményeként élőlények is megjelentek a Földön, és az első élőlények talán „hatalmas molekulák voltak. ” Nem említett sem hidrofil komplexeket, sem koacervátumokat, de az ő nevét gyakran emlegetik Oparin neve mellett, a hipotézist pedig Oparin-Haldane hipotézisnek hívták.)

Az élet létrejöttében a döntő szerepet a későbbiekben a DNS-molekula replikációs mechanizmusának megjelenésére szabták. Valójában az aminosavak és más összetett szerves vegyületek bármilyen összetett kombinációja sem élet. Hiszen az élet legfontosabb tulajdonsága az, hogy képes reprodukálni önmagát. A probléma itt az, hogy a DNS maga "tehetetlen", tud működnicsak enzimfehérjék jelenlétében(például egy DNS-polimeráz molekula, amely „letekerteti” a DNS-molekulát, előkészítve azt a replikációhoz). Nyitott marad a kérdés, hogyan jöhetnek létre spontán módon olyan összetett „gépek”, mint a proto-DNS és a működéséhez szükséges komplex fehérje-enzimek.

Nemrég született egy ötletaz élet eredete RNS alapján, azaz az első élőlények az RNS lehetett, ami a kísérletek szerint akár kémcsőben is fejlődhet. Az ilyen szervezetek evolúciójának feltételeit betartjákagyagkristályosodás során. Ezek a feltételezések különösen azon a tényen alapulnak, hogy az agyagok kristályosodása során minden egyes új kristályréteg az előző jellemzőinek megfelelően rendeződik el, mintha abból kapna információt a szerkezetről. Ez hasonlít az RNS és DNS replikáció mechanizmusára. Így kiderült, hogy a kémiai evolúció szervetlen vegyületekkel kezdődött, és az első biopolimerek autokatalitikus reakciók eredményei lehetnek kis molekulák agyag-alumínium-szilikátok.

Vissza a dokumentum tetejére

A hiperciklusok és az élet eredete. Az önszerveződés koncepciója hozzájárulhat az élet keletkezési és fejlődési folyamatainak jobb megértéséhez, Rudenko kémiai evolúciójának korábban tárgyalt elmélete és M. Eigen német fizikai kémikus hipotézise alapján. Utóbbi szerint az élő sejtek megjelenésének folyamata szorosan összefügg az interakcióval nukleotidok ( nukleotidok - nukleinsavak elemei citozin, guanin, timin, adenin), amelyek anyagi információhordozók, És fehérjék (polipeptidek[ 1] ), katalizátorként szolgálnakkémiai reakciók. A kölcsönhatás során a nukleotidok a fehérjék hatására reprodukálják magukat és információt továbbítanak a következő fehérjéhez, így azárt autokatalitikus áramkör, amelyet M. Eigen hívott hiperciklus . A további evolúció során belőlük keletkeznek az első élő sejtek, először mag nélkül (prokarióták), majd magokkal - eukarióták.

Itt, mint látjuk, logikus kapcsolat van a katalizátorok evolúciós elmélete és a zárt autokatalitikus lánc fogalma között. Az evolúció során az autokatalízis elve kiegészül egy egész ciklikusan szervezett folyamat hiperciklusokban történő önreprodukciójának elvével, amelyet M. Eigen javasolt. A hiperciklusok komponenseinek szaporodását, illetve új hiperciklusokká való kombinálását a nagy energiájú molekulák szintézisével és az energiaszegény molekulák „hulladékként” való eliminációjával együtt járó anyagcsere fokozódása kíséri. (Érdekes itt megjegyezni a vírusok, mint az élet és a nem élet közti formák jellemzőit:megfosztják őket az anyagcsere képességétől, és a sejtekbe behatolva elkezdik használni az anyagcsere-rendszerüket). Tehát Eigen szerint verseny van a hiperciklusok vagy kémiai reakciók ciklusai között, amelyek fehérjemolekulák kialakulásához vezetnek. A többinél gyorsabban és hatékonyabban működő ciklusok „nyerik” a versenyt.

Az önszerveződés fogalma tehát lehetővé teszi az élő és élettelen dolgok közötti kapcsolat létrehozását az evolúció során, hogy az élet kialakulása ne tűnjön a feltételek és előfeltételek pusztán véletlenszerű és rendkívül valószínűtlen kombinációjának. kinézet.Ráadásul az élet maga készíti elő a feltételeket további fejlődéséhez.

Vissza a dokumentum tetejére

Ellenőrző kérdések

1. Sorolja fel a bolygóképződés főbb szakaszait a forgási modellnek megfelelően!
2. A Naprendszer bolygóinak milyen közös tulajdonságai utalnak a bolygók közös eredetére?
3. Ismertesse a kémiai elemek bőségét a Naprendszerben!
4. Hogyan történt a Föld anyagának differenciálódása? Magyarázza el a Föld szerkezetét!
5. Mi a geokronológia?

6. Milyen részekre oszlik (az ismeretek mértéke szerint) a Föld története?
7. Milyen elemeket nevezünk organogéneknek és miért?
8. Milyen elemek alkotják az élő rendszerek kémiai összetételét?
9. Mi az önszerveződés?
10. Mi a lényege a kémiai rendszerek önszerveződésének problémájának szubsztrát és funkcionális megközelítéseinek?

11. Mi az evolúciós kémia?
12. Mi mondható el a kémiai elemek és vegyületeik természetes szelekciójáról a kémiai evolúció során?
13. Mit jelent a katalitikus rendszerek önfejlesztése?
14. Mi az evolúciós kémia alkalmazott jelentősége?
15. Sorolja fel az élet keletkezésének főbb elméleteit!

16. Mi a kreacionizmus? Lehetséges-e megcáfolni a kreacionizmust? Magyarázza meg válaszát.
17. Mi a pánspermia elmélet gyenge pontja?
18. Miben különbözik a biokémiai evolúció elmélete az élet spontán keletkezésének elméletétől?
19. Milyen feltételeket tartanak szükségesnek az élet kialakulásához a biokémiai evolúció eredményeként?
20. Mi a prebiotikus evolúció?

21. Mi az Oparin-Haldane hipotézis?
22. Mi a fő probléma a „nem-élő”-ből az „élő”-be való átmenet magyarázatával?
23. Mi az a hiperciklus?

Irodalom

1. Dubnischeva T.Ya. A modern természettudomány fogalmai. - Novoszibirszk: UKEA, 1997.
2. Kuznyecov V.N., Idlis G.M., Gutina V.N. Természettudomány. - M.: Agar, 1996.
3. Grjadovoj D.N. A modern természettudomány fogalmai. Strukturális tanfolyam a természettudomány alapjairól. - M.: Uchped, 1999.
4. A modern természettudomány fogalmai / szerk. S.I. Samygin. - Rostov n/d: Főnix, 1997.
5. Yablokov A.V., Yusufov A.G. Evolúciós doktrína. M.: Felsőiskola, 1998.
6. Ruzavin G.I. A modern természettudomány fogalmai. M.: „Kultúra és Sport”, UNITI, 1997.
7. Solopov E.F. A modern természettudomány fogalmai. M.: Vlados, 1998.

8. Nudelman R. Kambriumi paradoxon. - „A tudás hatalom”, 1988. augusztus, szeptember-október.

[ 1] hosszú aminosavláncú polipeptidek

Vissza a dokumentum tetejére

A kurzus terjesztésének és felhasználásának joga a
Ufa Állami Repülési Műszaki Egyetem

Frissítve 2002.02.19.
Webmester O.V. Trushin

Egyéb hasonló művek, amelyek érdekelhetik.vshm>
14714.		A Föld evolúciója	105,7 KB
	Hiszen a legmélyebb kutak, amelyeket a föld vastagságában fúrtak, nem haladják meg az 1012 km-t, ami a földkéreg átlagos vastagságának körülbelül egyharmada, körülbelül 30 km, és csak 017 a Föld 6300 km-es sugara. Így fedezték fel például a földkéreg és a felső litoszféra határvonalát, a Mohorovici határt, igazolták, hogy a külső mag folyékony, és hatalmas mennyiségű megbízható adatot kaptak a belső szerkezetről. a Földről származó. Radioaktív órák segítségével határozták meg a Föld korát és...
21266.		Kémiai kinetika és egyensúly	23,79 KB
	A munka célja: a hőmérséklet hatásának vizsgálata a koncentrációs reakció sebességére a kémiai egyensúly eltolódásához. Elméleti indoklás: A kémiai reakció sebessége a reakció eredményeként reakcióba lépő vagy képződő anyag mennyisége egységnyi idő/térfogat alatt homogén reakciók esetén vagy egységnyi határfelület felülete heterogén reakciók esetén. Ha egy időn belül...
21607.		Kémiai korrózió. Korrózióvédelmi módszerek	21,93 KB
	A fémekből és ötvözetekből készült gépek és eszközök korróziónak vannak kitéve, ha természetes vagy technológiai környezetben használják őket. A korrózió következtében a fém tulajdonságai megváltoznak, funkcionális jellemzői gyakran romlanak. A fém a korrózió során részben vagy teljesen megsemmisülhet.
12744.		Természetes vizek kémiai jellemzői - a környezet-analitikai ellenőrzés tárgyai	82,84 KB
	Természetes vizek, mint diszperz rendszerek. Hidrogén indikátor pH - az alacsony koncentrációjú savak és lúgok hatása a természetes víz pH-jára. Természetes vizek, mint diszperz rendszerek. A környezetanalitikai ellenőrzés tárgya a víz: friss felszíni felszín alatti tengervíz, valamint csapadék, olvadékvíz, felszíni víztestekbe engedett szennyvíz.
9340.		Földértékelés	20,95 KB
	Földértékbecslés. Földértékbecslés. Az elbírálás tárgya Földpiac A föld szokásos ára A föld piaci értéke. Másodszor, az Orosz Föderációt alkotó számos szervezet bevezette a föld differenciált adóztatásának rendszerét.
7608.		Az oroszországi földpiac helyzete	67,95 KB
	Az oroszországi földviszonyok jogi szabályozásának javításának problémája a közelmúltban az egyik legsürgetőbbé vált, és nemcsak a jogászok, a jogalkotók és a politikusok körében, hanem a társadalom egészében is széles körben vitatják. A vitában részt vevő felek véleménye olykor ellentmondásos
5794.		LYUKAK A FÖLD ÓZONRÉTEGÉBEN	17,86 KB
	Az ózonréteg szerepe az emberek és a Földön élő összes élet számára az ózonréteg felfedezésével világossá vált. 1912-ben Charles Fabry és Henri Buisson francia fizikusoknak spektroszkópiai mérésekkel sikerült bebizonyítaniuk, hogy a légkör távoli rétegeiben van ózon, amely megvédi a bolygó felszínét az ultraibolya napsugárzás káros hatásaitól. Az ózonréteg magassága a Föld felszíne felett 12 és 50 km között mozog. A modern kutatók szerint csak az ózonréteg megléte tette lehetővé az élő szervezetek...
20227.		HŐELOSZTÁS. A FÖLD FŐ KLÍMAZÓNÁI	3,96 MB
	Itt keletkezett a klímaklíma hajlam szó, amely sok évszázadon át a földfelszín egy bizonyos, két szélességi körrel határolt zónáját jelölte. A tantárgyi munka céljai: A földfelszíni hőeloszlás tényezőinek tanulmányozása; Tekintsük a Föld fő éghajlati övezeteit. A Nap felszínén, a fotoszférán a hőmérséklet eléri...
20215.		Fehérorosz földek a Lengyel-Litván Nemzetközösség részeként (1569-1795)	55,14 KB
	A Lengyel-Litván Nemzetközösség létrejötte. A fehérorosz földek állami jogi és politikai státusza a Lengyel-Litván Nemzetközösség részeként. A Lengyel-Litván Nemzetközösség politikai válsága és területe három felosztása.
3202.		Kereslet és kínálat a földpiacon. A földszolgáltatások kínálatának rugalmatlansága	23,7 KB
	A földszolgáltatási kínálat rugalmatlansága. A földkészletek, mint erőforrás számunkra szigorúan korlátozottak és pótolhatatlanok. A földkészletek egyedisége és a földhasználat szigorú korlátozása a földbérlet jelenségét idézi elő. fizetésként egy szigorúan korlátozott és pótolhatatlan erőforrás - a föld - használatáért.

Mi történt a kémiai evolúció során. A kémiai evolúció és az élet megjelenése a földön

A kémiai evolúció tanulmányozásának módszertana (elmélet)

Ősnemzés

A témakör áttekintése

Előzetes megfontolások

Biomolekulák

Az ősi légkör kialakulása

A víz jelentősége az élet keletkezésében és megőrzésében

További reakciók

Ásványok és kőzetek bevonása

Wechterhäuser elmélet

Makromolekulák képződése

Prebiotikus struktúrák (sejtprekurzorok) kialakulása

Koacervál

A modern természettudomány fogalmai 16. előadás A Föld kémiai evolúciója

A modern természettudomány fogalmai
16. előadás A Föld kémiai evolúciója