Вернуться на страницу ежегодника Следующая статья
Химическая эволюция в Большой истории[*](Скачать pdf)
DOI: https://doi.org/10.30884/978-5-7057-6426-6_03
Леонид Ефимович Гринин Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»; Институт востоковедения РАН
В рамках исследования как Большой истории, так и эволюции, к сожалению, очень мало работ, посвященных ходу химической эволюции. Недостаточное внимание к химической эволюции тем более вызывает сожаление, что она является важнейшей частью мегаэволюции и Большой истории, на отдельных ее этапах даже выступающей как ведущая линия (в частности, в период формирования преджизни на Земле в 5-м млрд
л. н.).
В статье представлена краткая история химической эволюции –
от зарождения первых атомов во Вселенной до абиогенеза на Земле,
то есть этапа преджизни и формирования предпосылок для появления первых живых организмов. Историю химической эволюции можно разделить на три этапа: формирование атомов (предэволюция); история до начала абиогенной фазы на Земле; 3) абиогенная химическая эволюция.
Но автор хотел бы представить более подробную периодизацию химической эволюции до зарождения жизни.
Также необходимо уделить внимание той важной особенности химической эволюции, которая отличает ее от других линий эволюции –
ее коэволюционности. Показано, что химическая эволюция на всех своих этапах выступала как часть коэволюционного тандема: поначалу как часть космической, звездно-галактической эволюции, затем как часть планетарной эволюции, поскольку именно на планетах (при гораздо более комфортных для химических реакций температурных параметрах) и на-ступает новый качественный этап развития химической эволюции. На-конец, на Земле шло ее развитие сначала как части геохимической эволюции, а затем как части биохимической, причем это развитие продолжается и в настоящее время.
Ключевые слова: химическая эволюция, мегаэволюция, Большая история, космохимическая эволюция, коэволюция, биохимическая эволюция, геохимическая эволюция, звездно-галактическая эра.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Как ни странно, но исследований химической эволюции в рамках изучения Большой истории практически нет. Почему? Это сложный вопрос. Возможно, никто не знает ответа. Мы тоже этого не знаем, но у нас есть идея, которую мы изложим чуть ниже. Так или иначе, рассмотрение химической линии Большой истории может существенно обогатить наши представления об общем ходе Большой истории и о пути возрастания сложности. Более того, без понимания истории химической эволюции едва ли можно постичь тайну возникновения и развития жизни в ранние периоды (см.: Бернал 1969; Бетехтин 2007; Галимов 2008; Глянцев 2019; Гуотми, Каннингем 1960; Дегенс, Ройтер 1967; Дикерсон 1981; Добрецов 2005; Заварзин 2003; Загускин 2014; Кальвин 1971; Камшилов 1970; 1979; Лима-де-Фариа 1991; Руденко 1969; Спиридонов 2019; Haldane 1949; Lyons et al. 2014; Гринин 2013; 2017; 2020; Grinin 2018; Grinin L., Grinin A. 2019).
Образование атомов водорода и гелия в первый период после Большого взрыва и накопление атомов тяжелых элементов в результате коллапса звезд были двумя важными событиями химической эволюции. Однако образование атомов пока нельзя рассматривать как химическую эволюцию в полном смысле этого слова. Химическая эволюция – это возникновение и развитие разных и более сложных типов молекул и веществ. Следует понимать, что такая эволюция вряд ли могла начаться в очень горячей Вселенной и происходить в недрах звезд.
Поэтому важно понимать, что химические реакции:
а) могут протекать при понижении температуры до 5 тыс. градусов, но фактически наиболее благоприятные условия для них – это относительно низкие плюсовые температуры;
б) они постоянно происходят в космосе, даже при глубоких минусовых температурах; некоторые характеристики таких химических реакций известны из исследований газовых и пылевых облаков;
в) химические реакции должны еще более активно протекать в рамках эволюции планет и других космических тел (в том числе комет), как можно предположить из исследований тел Солнечной системы.
Некоторые химические соединения могли образоваться только при коллапсе звезд или на поверхности остывающих звезд.
ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ КАК ПЕРИФЕРИЙНАЯ И ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ БОЛЬШОЙ ИСТОРИИ
Химическую эволюцию можно рассматривать как периферийную и параллельную линию Большой истории. Почему? Из вышесказанного можно сделать следующие важные выводы: во-первых, химическая эволюция могла начаться только после того, как Вселенная остыла. Во-вторых, она всегда развивалась не в главной последовательности, то есть не в звездах и галактиках, а на периферии Вселенной. Химическая эволюция развивалась главным образом в газопылевых облаках и на периферийных небесных телах, в частности на планетах. И, следовательно, в течение многих миллиардов лет «достижения» химической эволюции были в некотором смысле незаметны (см. Рис. 1 и 2).
Вернемся теперь к вопросу о том, почему химической эволюции уделяется так мало внимания. Мы считаем, что одной из главных причин является параллельное развитие химической эволюции в рамках Большой истории. Другие причины: коэволюция химической эволюции с геологической и биологической, а также тот факт, что мы очень мало знаем об абиогенной химической эволюции. Сказанное, однако, ни в коей мере не умаляет роли химической эволюции; напротив, это делает ее исследование действительно актуальным.
Химическая эволюция началась еще до звездно-галактической эры,
то есть уже в первые миллионы лет после Большого взрыва, в газообразных водородно-гелиевых облаках. Именно здесь сформировались первые молекулы. Но, конечно, эта эволюция не могла активно идти без образования достаточного разнообразия химических элементов. Таким образом, химическая эволюция шла параллельно со звездно-космической эволюцией. В то же время (в облаках, на планетах, в кометах и метеоритах и т. д.) присутствуют не только многие десятки различных неорганических, но и множество органических веществ, включая воду, спирты, кислоты, моносахариды и даже аминокислоты, в частности глицин. Синтез простых
органических веществ постоянно происходит в различных космических средах.
Мы не знаем, когда образовались первые планеты, но с их появлением скорость химической эволюции значительно возросла из-за разнообразия условий протекания химических процессов на планетах, в том числе в различных газообразных и жидких средах.
Рис. 1. Развитие Большой истории (мегаэволюция). Фазы и линии Большой истории
Схема на Рис. 1 демонстрирует развитие Большой истории, структура которой состоит из десяти этапов – пяти основных и пяти переходных. Слева видна линия химической эволюции.
ПЕРИОДИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ
Мы выделяем следующую последовательность этапов химической эволюции до возникновения жизни:
1) образование атомов первых элементов (водорода, гелия и лития);
2) образование атомов вплоть до железа;
3) образование атомов элементов тяжелее железа;
4) образование простых соединений (неорганических и органических).
Однако важно заметить, что второй и третий этапы могли проходить параллельно с четвертым, но в разных условиях: вторая и третья стадии развиваются в звездах, а четвертая – в менее жаркой среде;
5) образование соединений, связанных с образованием минералов на планетах;
6) синтез более сложных органических образований уже на Земле, на-
пример нуклеотидов;
7) синтез более сложных веществ и полимеров, в том числе белков, еще не способных к репликации;
8) синтез репликаторов и веществ, связанных с возникновением жизни.
Теперь рассмотрим соотношение между химической эволюцией и Боль-шой историей.
Рис. 2. Химическая эволюция как периферийная и параллельная линия Большой истории
ОТЛИЧИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ ОТ ДРУГИХ ФОРМ ЭВОЛЮЦИИ В БОЛЬШОЙ ИСТОРИИ
Рис. 1 и 2 показывают важные особенности химической эволюции, отличающие ее от других типов эволюции. Это следующие особенности:
1. Все остальные виды эволюции – это отдельные фазы Большой истории. Так, один тип эволюции, реализовавшийся на определенном этапе Большой истории, сменяется другим типом;
2. Что касается химической эволюции, она идет параллельно Большой истории. Точнее, она развивается совместно с разными фазами Боль-
шой истории, являясь составной частью каждой из них. Таким образом, видно, что химическая эволюция развивалась как часть коэволюционного тандема на всех этапах Большой истории (см. Рис. 3).
Рассмотрим развитие химической эволюции подробнее в ее связи с этапами Большой истории.
• Первая фаза: после инфляционной фазы химическая эволюция развивалась как часть предзвездной фазы. Выше мы указывали, что химическая эволюция началась в предзвездных облаках. Но это была еще дохимическая эволюция.
• Звездно-галактическая фаза, включающая образование планет за пределами Солнечной системы, соответствует космохимической эволюции. Именно на протяжении этой фазы образуются первые химические вещества. Таким образом, на древних планетах (где температура была гораздо более благоприятной для химических реакций, чем на звездах) начался новый качественный этап развития химической эволюции. Однако нам практически ничего не известно об этой эволюции. С образованием Солнечной системы и началом планетарной фазы мы можем говорить о планетарной химической эволюции, поскольку о химических процессах на планетах Солнечной системы мы знаем довольно много.
Рис. 3. Химическая эволюция на Земле и ее возрастающая эволюционная роль. Феномен коэволюционизма
Формирование Солнечной системы означает, что основная линия Большой истории начинает сосредотачиваться на Земле, где начинаются геологические процессы. Наконец, на Земле химическая эволюция развивалась сначала как часть геологической, а затем как часть биологической эволюции. Это развитие геохимической и биохимической эволюции продолжается до сих пор.
Таким образом, химическая эволюция впервые перемещается в центр эволюционного развития. Затем, в фазе абиогенной химической эволюции (см. Рис. 3), роль химической эволюции быстро возрастает до уровня переходной фазы.
Период между образованием Земли и возникновением жизни был переломным для всей Большой истории, и в то же время он является наименее изученным и наименее понятным. В этот период химическая эволюция была составной и взаимосвязанной частью геологической, минералогической и биологической эволюции. Это был упомянутый выше коэволюционный тандем.
ОТ АБИОГЕННОЙ ФАЗЫ К ВОЗНИКНОВЕНИЮ ЖИЗНИ
Сильные и слабые стороны эволюционных гипотез о происхождении жизни
Существуют различные гипотезы об абиогенной химической эволюции и возникновении жизни, включая так называемую теорию РНК мира. Хотя за последние 15 лет прогресс был достигнут во многих аспектах, пока ни одна из гипотез не кажется полностью удовлетворительной. В основном это связано с чрезвычайной сложностью самой проблемы. Но с точки зрения эволюционной теории слабые стороны этих подходов заключаются в следующих моментах:
1 Эволюция сознательно или невольно сводится к одной из ее линий.
2. Во всех случаях выбирается один эволюционный механизм в качестве основного.
3. Достижения более поздних периодов, уже относящиеся к биологической фазе, экстраполируются на абиогенную фазу.
Мы считаем, что возможность крупного прорыва существует только при наличии ряда различных линий и путей развития. При этом каждое из этих направлений ограничено и обычно разрабатывает только один механизм или инновацию. Но эти линии конкурируют и дополняют друг друга. В результате наступает момент, когда инновации разных линий складываются в принципиально новую систему. Это означает начало мощного прорыва на новый уровень сложности. Однако после формирования и развития нового уровня начало такого прорыва становится затруднительным или даже невозможным. Это соотносится с важной идеей П. Тейяра де Шардена (1987) о том, что переходные формы не оставляют видимых материальных следов. Мы также сформулировали правило об архаичности первичных систем. Системы не возникают в зрелом виде. Для достижения зрелости и устойчивости им обычно требуется несколько трансформаций, включая циклы разрушения и реформирования. Однако такие первичные системы, как правило, выглядят архаично и редко сохраняются.
Поэтому первые доживые системы (так называемых протобионтов) следует рассматривать не как прямых предков первых живых организмов, а как их аналоги. По ряду функций эти аналоги уже были сравнимы с самыми примитивными живыми системами, но в целом они были организованы иначе (сейчас крайне сложно сказать, как именно). Кроме того, следует также учитывать, что условия на молодой Земле были своеобразными. Следовательно, такие структуры могли образоваться, но современные ученые вряд ли поверят в их существование, пока не появятся конкретные факты.
Направления эволюции абиогенных органических веществ
Таким образом, можно утверждать, что эволюция абиогенных органических веществ происходила в следующих различных направлениях:
а) усложнение химических соединений и структур;
б) увеличение энергоотдачи и скорости реакции;
в) отбор элементов и соединений по определенным параметрам;
г) концентрация веществ;
д) способность сложных соединений и протоорганизмов к количественному расширению и росту.
При этом значение этих направлений могло варьироваться в разных случаях, периодах и уровнях, поскольку переход на более высокий уровень эволюции требует изменений по многим направлениям;
е) избирательность и распознавание одних веществ другими в соответствии с важной эволюционной моделью распознавания «свой-чужой».
Наиболее важные преадаптации для начала биологической эволюции
Особого упоминания заслуживают важные преадаптации. Наиболее важными преадаптациями для начала биологической эволюции являются:
· создание изолированной от внешней среды системы, в которой могут протекать постоянные циклы химических и биохимических реакций;
· поддержание постоянных условий, концентраций, энергетического баланса, нужной скорости реакций в данной изолированной среде и т. д.;
· эффективные реакции на внешние условия и раздражители;
· репликация (то есть способность к воспроизводству);
· сохранение исходного кода без значимых искажений;
· управление сложными химическими процессами за счет использования все более совершенных катализаторов и веществ;
· автокатализ и способность к самосборке.
Эти прорывы и преадаптации заложили основы биохимического синтеза и расширения.
Особенно важными были способность накапливать энергию, а также способы ускорения реакций и увеличения концентрации вещества. Наряду с этим появились новые типы информации (химический и биохимический), которые позже достигли очень значительного развития в биологической эволюции.
Эти и другие достижения, конечно, не могли объединиться сразу и одновременно. Они объединились гораздо позже, когда были сформированы основные механизмы жизнедеятельности и живая клетка.
Первичные условия после возникновения Земли были уникальными. Без них переход к возникновению преджизни, а затем и жизни был бы невозможен. Станут ли когда-нибудь точно известны эти уникальные условия? Наверное, нет. Но в любом случае энергия должна была быть доступной в избытке. Следовательно, принципиальным отличием абиогенной химической эволюции от предыдущих стадий эволюции было приобретение способности накапливать энергию и использовать ее в своих целях путем химических превращений в течение жизни системы.
Рис. 4. Эволюционные этапы Большой истории, включая фазу протовирусов
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
В течение долгого времени абиотическая органическая химическая эволюция была лишь боковой и побочной в общем потоке неорганической химической эволюции. Тогда она смогла перейти на новый уровень эволюции, то есть к жизни, протекающей в сложном коэволюционном движении.
Абиогенная химическая эволюция была вовлечена в целый комплекс эволюционных процессов: геологических, минералогических и геохимических.
Например, можно предположить, что первоначально одним из важнейших направлений химической эволюции была интеграция протобионтов в геохимические процессы, такие как серные источники, и развитие способности использовать эти процессы в своих интересах.
Так постепенно абиотическая химическая эволюция набирала обороты. Кроме того, роль химической эволюции оставалась очень важной. Она снова становится частью более крупной – биологической – фазы.
В заключение еще две идеи.
Первое. Возможно, между абиогенной химической и биологической фазами существовала еще одна переходная фаза – фаза протовирусов.
На Рис. 4 мы показываем возможное место этой фазы в мегаэволюционном процессе. Следует учитывать, что химические реакции сыграли большую роль в возникновении и развитии протовирусов.
Второе. Мы остановили линию развития химической эволюции на биохимическом этапе. Здесь можно увидеть, как это можно проследить дальше, как важную составляющую социальной эволюции, которую можно было бы назвать социохимической. Ее значение начинает проявляться уже на этапе антропогенеза, с того момента, как человек научился управлять огнем. О дальнейшей роли химической эволюции в социальной фазе Большой истории говорить нет смысла, она широко известна. Тем не менее мы можем утверждать, что ни технология, ни повседневная жизнь не были бы возможны без постоянных усилий по освоению новых химических веществ и реакций.
Рис. 5. Социохимическая эволюция
Рис. 6. Полная линия химической эволюции от Большого взрыва до социальной эволюции
Библиография
Бернал Дж. 1969. Возникновение жизни. М.: Мир.
Бетехтин А. Г. 2007. Курс минералогии. М.: КДУ.
Галимов Э. М. (Ред.). 2008. Проблемы зарождения и эволюции биосферы. М.: ЛИБРОКОМ.
Глянцев А. 2019. В межзвездной среде впервые обнаружили важнейшую «молекулу жизни». URL: https://nauka.vesti.ru/article/1152892.
Гринин Л. Е. 2013. Большая история развития мира: космическая эволюция. Волгоград: Учитель.
Гринин Л. Е. 2017. Большая история развития мира: история и эволюция Солнечной системы. М.: Моск. ред. изд-ва «Учитель».
Гринин Л. Е. 2020. Большая история развития мира: планеты Солнечной системы. Их история и эволюция. Химическая эволюция в космосе и на Земле. М.: Моск. ред. изд-ва «Учитель».
Гуотми А., Каннингем Р. 1960. Действие кристаллической грани в катализе. Катализ. Исследование поверхности катализаторов / Ред. А. А. Баландин,
А. М. Рубинштейн, с. 74–117. М.: Ин. лит-ра.
Дегенс Э., Ройтер Дж. 1967. Аналитические методы исследования в органической геохимии. Органическая геохимия. М.: Недра.
Дикерсон Р. 1981. Химическая эволюция и происхождение жизни. Эволюция / Ред. Э. Майр, Ф. Айала, Р. Дикерсон и др. М.: Мир.
Добрецов Н. Л. 2005. О ранних стадиях зарождения и эволюции жизни. Вестник ВОГиС 9(1): 43–54.
Загускин С. Л. 2014. Возникновение и эволюция жизни с позиции хронобиологии. Пространство и время 3(17): 275–282.
Заварзин Г. А. 2003. Становление системы биогеохимических циклов. Палеонтологический журнал 6: 16–24. URL: http://evolbiol.ru/zavarzin2003.htm.
Кальвин М. 1971. Химическая эволюция. Молекулярная эволюция, ведущая к возникновению живых систем на Земле и на других планетах. М.: Мир.
Камшилов М. М. 1970. Биотический круговорот. М.: Наука.
Камшилов М. М. 1979. Эволюция биосферы. М.: Наука.
Лима-де-Фариа А. 1991. Эволюция без отбора: автоэволюция формы и функции. М.: Мир.
Руденко А. П. 1969. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: Изд-во МГУ.
Спиридонов В. 2019. Происхождение жизни на Земле: доказанная теория или нераскрытая тайна. URL: https://ria.ru/20180518/1520873401.html.
Тейяр де Шарден П. 1987. Феномен человека. М.: Наука.
Grinin L. E. 2018. Evolution of the Early Solar System in Terms of Big History and Universal Evolution. Journal of Big History 2(1): 15–26. URL: http://lowellgustafson.com/2018/01/.
Grinin L., Grinin A. 2019. The Star-Galaxy Era in Terms of Big History and Universal Evolution. Journal of Big History III(4): 69–92.
Haldane J. B. S. 1949. What is Life? London: Lindsay Drummond.
Lyons T. W., Reinhard C. T., and Planavsky N. J. 2014. The Rise of Oxygen in Earth’s Early Ocean and Atmosphere. Nature 506: 307–315.
[*] Для цитирования: Гринин Л. Е. 2024. Химическая эволюция в Большой истории. Эволюция: Большая история и глобальная эволюция: материалы V Международного симпозиума. Москва, 24–26 октября 2023 г. / Отв. ред. Л. Е. Гринин, А. В. Коротаев. Волгоград: Учитель. С. 28–39. DOI: 10.30884/978-5-7057-6426-6_03.
For citation: Grinin L. E. 2024. Chemical Evolution in Big History. Evolution: Вig History and Global Evolution: Proceedings of the 5th International Symposium. Moscow, October 24–26, 2023 / Ed. by L. E. Grinin, A. V. Korotayev. Volgograd: Uchitel. Pp. 28–39 (in Russian). DOI: 10.30884/978-5-7057-6426-6_03.
