Химическая эволюция, или пребиотическая эволюция, — этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул, содержащихся главным образом во вторичной атмосфере (сероводород, метан, углекислый газ, аммиак, водород, водяной пар), под влиянием внешних энергетических (молнии, естественная радиоактивность горных пород, солнечный ультрафиолет, вулканическая деятельность) и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми, бесспорно, являются все углеродосодержащие молекулы.

Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.

Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел»Энгельс Ф. Анти-Дюринг; Маркс К. и Энгельс Ф., Сочинения, 2‑е изд., т. 20, с. 82., осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и/или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остаётся открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.

Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции, появилось через 0,5—1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ — альдегидов, спиртов, сахаров и даже глицина (аминокислота), которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.

Методология исследования химической эволюции (теория) Исследование химической эволюции осложняется тем, что в настоящее время знания о геохимических условиях древней Земли не являются достаточно полными.

Поэтому, кроме геологических, привлекаются также астрономические данные. Так, условия на Венере и Марсе рассматривают как близкие к тем, что были на Земле на различных этапах её эволюции.

Основные данные о химической эволюции получены в результате модельных экспериментов, в ходе которых удалось получить сложные органические молекулы при имитации различных химических составов атмосферы, гидросферы и литосферы и климатических условий.

На основе имеющихся данных был выдвинут ряд гипотез о конкретных механизмах и непосредственных движущих силах химической эволюции.

Абиогенез

Абиогенез — образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов.

В широком смысле абиогенез — возникновение живого из неживого, то есть исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1920-х годах академик А. И. Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли, или просто коацерваты.

В 1953 году Стэнли Миллером экспериментально осуществлён абиогенный синтез аминокислот и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.

Существует также теория гиперциклов, согласно которой первые проявления жизни были связаны с так называемыми гиперциклами — комплексами сложных каталитических реакций, в которых продукт каждой предыдущей реакции является катализатором для последующей.

В 2008 году американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды нуклеотид-монофосфаты, активированные имидазолом — «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК.

В 2011 году японские учёные сообщили, что им удалось создать везикулы с катионной оболочкой и элементами ДНК внутри, способную к делению в результате полимеразной цепной реакции, реплицирующей ДНК.

Обзор темы Гипотезы химической эволюции должны объяснять следующие аспекты:

Появление в Космосе или на Земле условий для автокаталитического синтеза больших объёмов и значительного разнообразия углеродсодержащих молекул, то есть — возникновение в абиогенных процессах веществ, необходимых и достаточных для начала химической эволюции. Появление из таких молекул относительно устойчивых замкнутых агрегатов, позволяющих так изолировать себя от окружающей среды, что с ней становится возможным избирательный обмен веществом и энергией, то есть — возникновение неких протоклеточных структур. Появление в таких агрегатах способных к самоизменению и к саморепликации химических информационных систем, то есть — возникновение элементарных единиц наследственного кода. Появление взаимной зависимости между свойствами белков и функциями ферментов с носителями информации (РНК, ДНК), то есть — возникновение собственно кода наследственности, как необходимого условия уже для биологической эволюции.

Большой вклад в прояснение этих вопросов, среди прочих, сделали следующие учёные:

Александр Опарин: Коацерваты. Гарольд Юри и Стэнли Миллер в 1953: Возникновение простых биомолекул в симулируемой древней атмосфере. Сидней Фокс: Микросферы из протеноидов. Томас Чек (университет Колорадо) и Сидней Алтман (университет Yale New Haven Connecticut) в 1981: Автокаталитическое РНК-деление: «Рибозимы» объединяют катализ и информацию в молекуле. Они в состоянии вырезать себя из более длинной цепи РНК и соединять остающиеся концы снова. Уолтер Гилберт (Гарвард университет, Кембридж) разрабатывает в 1986 идею мира РНК. Гюнтер фон Кидровски (Рур-университет Бохум) представляет в 1986 году первую самореплицирующуюся систему на основе ДНК, важный вклад в понимание функций роста самореплицирующихся систем Манфред Эйген (институт Макса Планка факультет биофизической химии, Геттинген): Эволюция ансамблей молекул РНК. Гиперцикл. Юлий Ребек (Кембридж) создаёт искусственную молекулу (Aminoadenosintriazidester), которая самореплицируется в растворе хлороформа. Копии все же идентичны образцу, так что эволюция для этих молекул невозможна. Джон Корлис (Goddard центр космических полётов — НАСА): Термальные источники морей поставляют энергию и химикалии, которые делают возможными независимую от космической среды химическую эволюцию. Ещё сегодня они являются средой жизни для первоначальных по многим признакам археобактерий (Archaea). (Мюнхен) — гипотеза мира сульфидов железа: первые само-реплицирующиеся структуры с обменом веществ возникли на поверхности пирита. Пирит (сульфид железа) поставил для этого необходимую энергию. На растущих и снова распадающихся кристаллах пирита эти системы могли расти и размножаться, и различные популяции конфронтировали с разным условиям среды (условия отбора). А. Г. Cairns-Smith (университет Глазго) и Дэвид К. Мауерцалл (Rockefeller-Universität New York, Нью-Йорк) видят в глиняных минералах систему, которая сначала сама подчинена химической эволюции, из-за чего возникает много различных, самореплицирующихся кристаллов. Эти кристаллы притягивают своим электрическим зарядом органические молекулы и катализируют синтез комплексных биомолекул, причём объём информации кристаллических структур служит сначала матрицей. Эти органические соединения становятся всё более сложными до тех пор, пока они не смогут размножаться без помощи глиняных минералов. Вольфганг Вайганд, Марк Дерр и др. (Институт Макса Планка факультет биогеохимии, Йена) показали в 2003, что сульфид железа может катализировать синтез аммиака из молекулярного азота.

Унифицированная модель химической эволюции ещё не разработана, возможно, потому, что основные принципы ещё не открыты.

Предварительные рассуждения

Биомолекулы

Пребиотический синтез сложных соединений молекул может делиться на три последовательных этапа: Возникновение простых органических соединений (спиртов, кислот, гетероциклических соединений: пуринов, пиримидинов и пирролов) из абиогенных материалов. Синтез более сложных органических соединений — «биомолекул» — представителей наиболее распространённых классов метаболитов, в том числе и мономеров — структурных единиц биополимеров (моносахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов) из простых органических соединений. Возникновение сложных биополимеров (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты) из основных структурных единиц — мономеров.

Одним из вопросов является химический состав среды, в которой осуществлялся пребиологический синтез, в том числе то, какие неорганические компоненты являлись источниками различных элементов, входящих в состав различных органических соединений.

+ Элементный состав биомолекул:CHONSPУглеводыXXXЖирыXXXXФосфолипидыXXXXXБелкиXXXXXНуклеотидыXXXXXПорфириныXXXX

+ Возможные неорганические источники элементов:Восстановленная формаОкислённая формаУглерод (C)Метан (CH4), Монооксид углерода (угарный газ, CO)Углекислый газ (CO2)Водород (H)Водород (H2)Вода (H2O)Кислород (O)H2OКислород (O2)Азот (N)Аммиак (NH3)Нитраты (NO3-)Сера (S)Сероводород (H2S)Сульфаты (SO42-)Фосфор (P)Фосфаты (PO43-)

Все гипотезы исходят из того, что, помимо воды и фосфатов, на начальных этапах истории Земли в атмосфере и гидросфере в достаточном количестве имелись только восстановленные формы, отличающиеся от обычных в современный период химических соединений, так как древняя атмосфера не содержала молекулярного кислорода.

В качестве источника энергии, инициирующей синтез, в это время могли выступать ультрафиолетовое излучение Солнца, тепло вулканических процессов, ионизирующие излучения радиоактивного распада и электрические разряды. Существуют также теории, в рамках которых источником необходимой для возникновения биомолекул энергии могут служить окислительно-восстановительные процессы между вулканическими газами (восстановитель) и частично окисляющими сульфидными минералами, например, пиритом (FeS2)

Развитие древней атмосферы Развитие земной атмосферы является частью химической эволюции и к тому же важным элементом истории климата. Сегодня её разделяют на четыре важные ступени развития.