CC BY
21схожих признаков, обусловленных аналогичностью растительного покрова и микроклиматических условий. Однако отмечаются существенные различия аласных и аллювиальных почв в типе распределения гумуса по почвенному профилю, наличию карбонатов и легкорастворимых солей.
Литература
1. Десяткин Р.В. Специфика почвообразования в аласах // Почвоведение. - 1990. - № 12. - С. 5-15.
2. Десяткин Р.П., Романов В.И. Почвы долины среднего течения р. Амги. - Якутск, 1989. - 120 с.
3. К’ювская Л.Г.. Копоровский А.К. Районирование и мелиорация мерзлотных почв Якутии. - Новосибирск, 1978.
4. Леса среднетасжной подзоны Якутии / П.А. Тимофеев, А.П. Исаев, И.П. Щербаков и др. - Якутск: ЯИЦ СО РАН, 1994. - 140 с.
5. Соловьев П.А. Криолитозона северной части Ле-но-Амгинского междуречья. - М.: Изд-во АН СССР, 1959.- 144 с.
6. Соловьев П.А. Аласный рельеф Центральной Якутии и его происхождение // Многолетнемерзлые породы и сопутствующие им явления на территории Якутской АССР. - М., 1962. - С. 38- 53.
УДК 1Ф: 54
К диалектике химического процесса в пребиотической фазе развития природы*
В.Р. Ларионов
Показана диалектика химического знания о пребиотической фазе зарождения жизни. Впервые подчеркивается, что естественный первичный отбор может происходить без участия ДНК и РНК. Ранняя стадия естественного отбора осуществляется фталонитрилом и его мезомерной формой биполярного иона иминоизоиндоленина. Прогрессирующее развитие естественного отбора начинается за счет эволюции памяти порфирина, гема и глобина, входящих в основной состав живого вещества гемоглобина.
The dialectics of chemical knowledge of the prebiotic phase of life initiation is shown. For the fust time it is underlined that the initial natural selection can occur without both DNA and RNA. The early stage of natural selection is realized by phthalonitrile and its mesomeric form of iminoisoindolenine a bipolar ion. The progressing development of natural selection begins by means of the evolution of memory of porfirinium, haema and globin entering into the main composition of such a living substance as haemoglobin.
В настоящее время в научной литературе наблюдается широкая дискуссия фундаментальной проблемы о том, как на исходно необитаемой Земле зародилась жизнь. В своих работах Б.М.Кедров [1, 2] неоднократно подчеркивает то, что длительное время проблему химизма объясняли лишь соотношением состава и свойств веществ и только на их основе стремились объяснить все многообразные свойства химических соединений. В современных условиях с развитием химической науки в этом
ЛАРИОНОВ Владимир Романович - к.х.и., с.н.с. ИГДС СО РАН.
* Статья принята к печати 27 ноября 2006 г.
направлении приобрела большое значение теория химического строения А.М. Бутлерова, обогащаемая достижениями структурной теории, стереохимии и квантовой химии. Именно она в качестве центрального понятия химического превращения могла объяснить разнохарактерные свойства многочисленных соединений [3-5]. На основе этой теории разрабатываются современные подходы и пути не только к синтезу новых веществ, но и объяснению химических процессов, происходящих в условиях пребиотической фазы зарождения жизни. В решении этих проблем в контексте исключительную роль играют философско-методологические принципы объяснения, на-
НЛУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2007. №3 13. Ззш 1*276
блюдаемости, подобия, сравнения, симметрии, химическая и физико-химическая картины мира, принципы дополнительности, а также комплексные, системные подходы и т. д.
В своей работе В.Н. Пармон [6] наиболее реальным качественным отличием феномена «жизнь» от неживой природы считает способность живых систем к прогрессивной необратимой эволюции, когда характерные многоступенчатые биохимические превращения приводят к более сложным объектам, сохраняющим все перечисленные атрибуты живых объектов. Данное свойство живых организмов автор неразрывно связывает с «биологической памятью», которая способствует достройке существующей системы и их закреплению с помощью генетического аппарата, имеющего химическую основу. Автор на основе уникальной роли ДНК и РНК в процессах возникновения жизни считает их материальными носителями биологической памяти.
Из вышесказанного следует, что определенные материальные неживые частицы, особенно неорганические вещества, обладающие кристаллическими структурами, в том числе лсд и металлы проявляют некоторые свойства памяти. На этом принципе основано применение обычного металлического стержня в медицинских операциях для сращивания поврежденных костей. При этом следует учесть замечание автора о том, что доминирующие современные теории естественного пути зарождения РНК, ДНК и жизни на Земле отсутствуют. В то же время он справедливо подчеркивает теорию Опарина-Холдсйна-Бернала о самоорганизации высокомолекулярного вещества в коацерваты и т.п.; теорию Миллера об образовании предшественников биомолекул за счет сильных физических воздействий типа УФ-света, молний и т.д. на протоатмосферу и протооксан; теорию Кауфмана о фазовом переходе при увеличении сложности молекул и т.п., которые не прогнозируют естественного появления РНК, ДНК и им подобных. Таким образом, в настоящее время весьма актуальным является вопрос, из чего образовались и как исторически появились первые функционирующие молекулы РНК в виде наиболее примитивных из известных хранителей и переносчиков биологической информации.
В этом плане в контексте философско-методологического принципа аналогии существующих в природе известных химических веществ с учетом данных следующих литературных источников [7— 101 и на основе конкретного
примера живого вещества крови гемоглобина нами целенаправленно синтезированы несуществующее в природе вещество свинецдифталоциа-нин [9], а также дифталоцианины переходных металлов периодической системы.
В условиях пребиотичсской фазы зарождения жизни на Земле после фазы плазмы, т.е. среды частично или полностью ионизованного газа, образованного в результате термической ионизации атомов или молекул, дальнейшая фаза развития Земли связана с развитием химической формы движения материи под действием высокой, но постепенно снижающейся температуры. При этом, согласно формулировке современной химической квантовой теории, общим для всех узловым понятием является переходное состояние, или активированный переходный комплекс [5]. Придерживаясь философско-методологического принципа аналогии и согласно принципу подобия работы [5], можно представить вероятные механизмы образования активированного переходного комплекса при взаимодействии углерода с простыми веществами, например, с металлами.
Типичную химическую реакцию (если учесть возраст химических элементов 5,2-104 лет [11]) взаимодействия углерода с металлами (кальцием) принято представить в виде следующей схемы уравнения химической реакции: 2С+Са = С3Са, где два атома углерода соединяются с атомом кальция. Составленное уравнение химической реакции фиксирует лишь исходные и конечные продукты в виде мертвых (без движения) частиц и не фиксирует механизмы превращения химического процесса.
Здесь по теории абсолютных скоростей химических реакций появляется возможность впервые рассмотреть один из многочисленных вариантов детального механизма взаимодействия атома металла с углеродом. В ходе химической реакции два атома углерода медленно приближаются к атому кальция. По мере их сближения постепенно преодолеваются силы взаимного отталкивания между атомами веществ, подобно при подъеме путника на горный перевал. При этом наиболее интересные и принципиальные узловые события химических процессов протекают, как показано в работе [5], в наивысшей точке «горного перевала», как бы на гребне горного хребта. На этой точке схема химической реакции между взаимодействующими мертвыми неорганическими частицами дополнена автором новым живым, постоянно движущимся членом и уравнение химической реакции составляется по схеме:
98
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2007, №3
Са
Са —/ Ч СаС2 С ::::Р
О.... Карбид
Кальций v-------v---/ кальция
м *
Переходное состояние реагирующих атомов и молекул.или активированный комплекс
После прохождения условной перевальной точки начинается как бы спуск в соседнюю долину и наступает момент фонтанного самопроизвольного химического процесса. При этом слабо фиксированная тройная связь между двумя атомами углерода окончательно устанавливается с образованием карбида кальция.
По мере дальнейшего развития химического знания новый иллюстрированный комплекс получил двойное название «активированный комплекс», которое было предложено Эйрингом, термин «переходное состояние» ввели Поляньи и Ивенс [5].
По такому механизму в естественных условиях пребиотичсского этапа развития Земли примерно 5109 лет тому назад образовались молекулы простых неорганических веществ водорода, кислорода, азота вплоть до воды fil]. А образование карбидов различных металлов, включая кремний и кальций, могло произойти более позднее - в протоатмосфере в инертной среде но мере охлаждения окружающей среды. Данное утверждение можно подтвердить обычными условиями синтеза карбидов из углерода и металлов или их окислов, который осуществляется при высоких температурах в вакууме или инертной среде в режиме горения или на пламени плазматрона при температуре до 5000-10000 К с быстрым охлаждением продукта реакции в среде аргона или гелия. Ионные карбиды щелочных металлов разлагаются при температуре около 800’С [11, 12].
Под действием влаги окружающей среды карбиды щелочных металлов и кальция образуют их растворим!,le гидроокислы и органическое вещество ацетилен.
Другой возможный вариант образования карбидов следующий: например, карбиды кремния принадлежат к немногочисленной группе природных минералов муассанитов, возраст которых, вероятно, совпадает с возрастом земной коры (примерно около 4109 лет) и вулканическими процессами. Изучение химического состава минералов муассанита из базитов сравнитель-
но молодой Сибирской платформы (возраст примерно 1-1,2 млрд лет) на рентгеновском микроанализаторе показало наличие примесей алюминия в интрузивах Усть-Ханньинский -
0,15%, Билляхский - 0,22%, а содержание других примесей Ыа, Са, Не, Т1, Мп и Сг в муассани-тах не превышает 0,04% (в среднем 0,01-0,02%) [13]. Здесь следует подчеркнуть, что из указанных примесей марганец карбиды не образует. А карбиды железа, титана и хрома в воде не растворяются, но взаимодействуют с кислотами с преимущественным образованием в воде растворимых солей, которые могли удалиться из состава перечисленных примесей. В повышенном количестве в примесях, как показано выше, присутствует лишь алюминий. Это связано с тем, что его гидроокись после реакции взаимодействия муассанита с водой не растворима. Примеси амфотерной гидроокиси алюминия из муассанитов могли удалиться лишь частично в результате ее растворения основными окислами щелочных металлов или кислотными окислами азота, хлора и др. А примеси в муассанитах щелочных и щс-лочно-земельных металлов (Ыа, Са, и др.) при взаимодействии с водой сразу образуют хорошо растворимые щелочи, поэтому их содержание в составе муассанитов кремния незначительно. Эти результаты подтверждают существование карбидов в минералах муассанита из указанных примесей металлов до взаимодействия их с влагой окружающей среды. Наряду с этим они дают возможность предположить, что карбиды щелочных и щелочно-земельных металлов по первому варианту образовались 4109 лет тому назад. А их отсутствие в древних геологических отложениях, возможно, объясняется образованием хорошо растворимых щелочей и газообразного ацетилена при взаимодействии с влагой окружающей среды.
Если учесть данные работы [14] о четырех стадиях длительной эволюции жизни на Земле, в частности о том, что естественный целенаправленный синтез РНК в молекулах живого вещества в монтмориллоните (или панспермии) приблизительно произошел 3,8 млрд лет назад, мир прокариот (ДНК«-»РНК—*бслок+ мембра-на=клстка) - 3,6 млрд лет назад, то период естественной длительной эволюции первого органического вещества ацетилена из неорганических веществ карбидов и воды, возможно, начался около 4 млрд лет назад.
Ацетилен, имеющий в своей молекуле тройную связь, обладает свойством высокой химической активности. Впоследствии в условиях ссте-
2С +
Атомы
углерола
ствсннои длительном природной эволюции при взаимодействии трех молекул ацетилена, согласно работе [10], может образоваться конечный продукт данного этапа химического превращения - бензол и его многочисленные производные вплоть до фталонитрила [7-10], исходного продукта для целенаправленного синтеза нами мс-таллдифталоциаиинов.
Следует особо подчеркнуть строение молекулы фталоцианина и его металлических комплексов, включая металлдифталоцианины, в частности то, что их внутреннее кольцо хромофорной системы тетразапорфин [10], как показано на схеме, по своему строению идентично с природным соединением порфирином. Он представляет собой внутреннее кольцо гема комплекса железа и иротопорфирина [8] живого вещества, входящего в состав гемоглобина. Следовательно, металлические комплексы фталоцианинов, включая металлдифталоцианины, имеют идентичное строение с гемом гемоглобина.
ЫН
■О-
N
0 "О 0~н “О
1 ж | I л '
N—< /= Ы==\/—М
Внутреннее тетразапорфиновое порфирин
кольцо фталоцианина [10] [8]
В работе [8] отмечается, что генетические изменения состава в биосинтезе живого вещества крови гемоглобина затрагивают глобин. Поэтому гемоглобин состоит из четырех пептидных субъединиц - двух а-глобинов и двух [5-глобинов,
которые связаны с гемом. Исходя из этого утверждения, зная электропроводимость гемоглобина и связывая его с памятью живого организма, нами были исследованы электрофизические свойства впервые синтезированных металлдиф-талоцианинов.
Все металлдифталоцианины обладают фото-чувствитсльностыо, которая повышается при действии (лигировании) кислорода. Фоточувст-витслыюсть танталдифталоцианина в интервале температур от 20 до Ю0°С имеет активационный характер. Максимальной фоточувствитслыю-стью Аа,/а,= 10 5 обладают его слои с электродами из серебра и алюминия, когда у последнего образуется объемный заряд (барьер). При этом свечение (фотопроводимость) образца, или память танталдифталоцианина, после отключения измерительного тока продолжается от 4 до 12 с, тогда как у обычных соединений оно составляет сотые, тысячные доли секунд.
Фталонитрил и его мезомерная форма биполярного иона иминоизоиндоленин независимо от РНК и ДНК посредством естественного многоступенчатого отбора могли привести к образованию более сложных совершенствующихся колец тетразапор-фина или порфирина. При взаимодействии их с металлами они, соответственно, могут образовать металлдифталоцианины и темы, обладающие памятью. При дальнейшем совершенст вовании гемов с глобинами они могут образовать, как описано выше, живое вещество гемоглобин.
Ниже сравниваются наши обобщенные проблемы, на которые дается ответ физикохимического рассмотрения феномена возникновения жизни на основе диалектического и кинетико-термодинамического анализов естественного отбора автокаталитических систем.
Существующая точка зрения Результаты анализа работы [6] Экспериментальные результаты
Для прогрессивного естественного отбора за счет мутаций необходимы ДНК и РНК Первичный прогрессивный естественный отбор может происходить без ДНК и РНК Первичный прогрессивный отбор может происходить без ДНК и РНК за счет эволюции памяти с участием порфирина. гема и глобина, входящих в основной состав гемоглобина
«Пребиотический» бульон был «жирным» (т.с. концентрированным в отношении исходных соединений для синтеза биомолекул) Для инициирования пре-биотического естественного отбора бульон должен быть «тощим» Для инициирования пребиотического естественного отбора бульон не только должен быть «тощим», но и процессы могут протекать в среде абсолютного спирта или протоатмосфере Земли в вакууме порядка 10 --10“4 мм рт.ст.
Живой организм обязательно является диссипативной структурой (некоторые нелинейные стадии химических превращений метаболического цикла должны быть кинетически необратимыми) [ 15] На ранних стадиях эволюции предшсдственники живых организмов могли не являться «диссипативными» структурами (кинетически необратимой должна быть только стадия «смерти») [16] На ранних стадиях эволюции в структурах активированных переходных комплексов превращения неорганических веществ углерода и водорода, карбида кальция и воды могли образовать органическое вещество ацетилен, имеющий некоторую способность проявления пребиотичсской естественной эволюции в зависимости от окружающей среды через образования бензола и его гомологов до фталонитрила, без существенной роли их памяти за счет упорядоченной химической организации системы их превращения
Даже примитивные пре-биотические структуры в природе должны были образовываться из сложных органических молекул Для начала естественного отбора достаточно было наличие простейшего соединения формальдегида Первоначальные прсбиотическне структуры в природе, возможно, должны были образовываться из органических соединений, например фталонитрила и его активированного комплекса биполярного иона иминоизоиндоленина в присутствии металлов, образующих посредством порфирина тем и глобин и обладающих памятью подобно молекулам живых веществ гемоглобина
Даже первые пребиоти-чсскис процессы - это термодинамически затрудненная поликонденсация органических молекул в водном растворе Образование сахаров и формальдегидов в воде не претерпевает термодинамических затруднений Образование и эволюция ацетилена, фгалонитрила, гема и гемоглобина в жидкой среде не претерпевают термодинамических затруднений
В результате проведенного анализа и на основе исследований [6, 9, 10, 13,] можно предположить явление «жизнь» без упоминания уникальности РНК или ДНК. На ранней стадии естественного эволюционного отбора посредством фгалонитрила и, вероятно, его комплекса биполярного иона, орг анизуется прогрессивный первичный отбор порфирина, тема, глобина и им подобных производных, обладающих дальнейшим развитием памяти и организующих условия формирования и развития РНК и ДНК, которые предполагают возникновение естественных условий появления жизни.
Литература
1. Кедров Б.М. Энгельс о развитии химии. - М.: Наука, 1979.-С. 5-69.
2. Кедров Б.М. Общий ход познания вещества // Вопросы философии. -1965. - №4. - С. 10.
3. Гегель Г. Энциклопедия философских наук. Т. 2. -М., 1975.-С. 324.
4. Жерар Ш. Введение к изучению химии по унитарной системе. - СПб., 1859. - С. 4- 5.
5. Жданов Ю.А. Узловое понятие современной теоретической химии // Вопросы философии. - 1977. -№1.-С. 102-113.
6. Пармой В.Н. Пребиотическая фаза зарождения жизни // Вестник РАН. - 2002. - Т. 72, №11. - С. 976-983.
7. Павлов Б.А., Терентьев ЛИ. Курс органической химии. - М.: Госхимиздат, 1961 -С. 386.
8. Терней А. Современная органическая химия. В 2 т. ТЛ / Пер с англ. - М.: Мир, 1981. - С. 493.
9. A.c.№459470 М.Кл.С. Способ получения дифта-лоцианина свинца / М.И. Альянов, В.П. Бородкин, Ф.П. Снегирева, В.Р. Ларионов, заявитель и патентообладатель Ивановский химико-технологический ИИ-T.-№1880421, заявка 09.02.1973, опубл. 14.10. 1974.
10. Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей. - М.: Химия, 1971. -448 с.
11. Геологический словарь. В 2 т. Т. 1. - М.: Недра, 1978.-С. 114-115.
12. Химическая энциклопедия. В 5 т. Т.2 - М.: Сов. энцикл., 1990. - С. 316-317.
13. Округич A.B., Заякина Н.В. Особенности состава и генезис муассанита из трапов Сибирской платформы // Самородное минералообразование в магматическом процессе: Тез. докл. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1981.-С. 125-128.
14. Добрецов Н.Л. О ранних стадиях зарождения и эволюции жизни // Вестник ВОГиС. - 2005. - Т. 9, №1. - С. 43-54.
15. Рубин А.Б. Биофизика. Т. 1 и 2. - М.: Книжный дом «Университет», 1999.
16. Пармон В.Н. Физико-химические движущие силы и направление естественного отбора и эволюции пребиотических автокаталитических систем //Журнал физ. химии. - М., 2002. - Т.76, №1.
