Хімічна еволюція чи пребіотична еволюція — етап, що передував появі життя, в ході якого органічні, пребіотичні речовини виникли з неорганічних молекул під впливом зовнішніх енергетичних і селекційних факторів, і через розгортання процесів самоорганізації, властивих усім відносно складним системам, якими, безперечно, є всі молекули, що мають вуглець.

Також ці терміни позначають теорію виникнення та розвитку тих молекул, які мають важливе значення для утворення й розвитку живої речовини.

Загальна характеристика Всі відомі дані про хімічні властивості речовини дають змогу обмежити концепцію хімічної еволюції рамками так званого «воднево-вуглецевого шовінізму». Цей підхід постулює, що життя у Всесвіті можливе в єдиному варіанті – як «спосіб існування білкових тіл»Энгельс Ф. Анти-Дюринг; Маркс К. и Энгельс Ф., Сочинения, 2‑е изд., т. 20, с. 82., утвореному завдяки унікальному поєднанню полімеризаційних властивостей вуглецю і деполяризаційних рідкофазних властивостей водного середовища, як спільно необхідних і/або достатніх умов для виникнення та розвитку всіх відомих форм життя. При цьому вважається, що в межах однієї сформованої біосфери може існувати лише один, спільний для всіх живих істот цієї біоти код спадковості, але поки залишається відкритим питання, чи існують інші біосфери поза Землею та чи можливі інші варіанти генетичного апарату.

Також невідомо, коли й де саме почалася хімічна еволюція. Це могло статися в будь-який момент після закінчення другого циклу зореутворення, який настав після конденсації продуктів вибухів первинних наднових зірок, що збагатили міжзоряний простір важкими елементами (з атомною масою понад 26). Друге покоління зірок, яке вже мало планетні системи, збагачені необхідними для хімічної еволюції важкими елементами, з'явилося через 0,5-1,2 млрд років після Великого вибуху. За певних цілком імовірних умов, для запуску хімічної еволюції може бути придатним практично будь-яке середовище: океанічні глибини, надра чи поверхні планет, протопланетні утворення та навіть хмари міжзоряного газу, що підтверджують повсюдні виявлення астрофізичними методами в космосі численних видів органічних сполук — альдегідів, спиртів, вуглеводів і навіть гліцину, які разом слугують матеріалом для хімічної еволюції, кінцевим результатом якої є виникнення життя.

Методологія дослідження хімічної еволюції (теорія) Дослідження хімічної еволюції ускладнюється тим, що зараз знання про геохімічні умови древньої Землі не є достатньо повними.

Тому, крім геологічних, потрібні також астрономічні дані. Наприклад, умови на Венері та Марсі розглядають як близькі до тих, що були на Землі на різних етапах її еволюції.

Основні дані про хімічну еволюцію отримані через модельні експерименти, в ході яких вдалося отримати складні органічні молекули при імітації різних хімічних складів атмосфери, гідросфери та літосфери та кліматичних умов.

На основі наявних даних висунуто ряд гіпотез про конкретні механізми та безпосередні рушійні сили хімічної еволюції.

Абіогенез Абіогенез — утворення органічних сполук, поширених в живій природі, поза організмом без участі ферментів.

У загальному розумінні абіогенез — виникнення живого з неживого, тобто вихідна гіпотеза сучасної теорії походження життя. У 1920-х роках академік Опарин припустив, що в розчинах високомолекулярних сполук можуть мимовільно утворюватися зони підвищеної концентрації, які відносно відокремлені від зовнішнього середовища і можуть підтримувати обмін з нею. Він назвав їх коацерватними краплями, або просто коацервати.

У 1953 Стенлі Міллером експериментально здійснено абіогенним синтез амінокислот та інших органічних речовин в умовах, що відтворюють умови первісної Землі.

Існує також теорія гіперциклів, згідно з якою перші прояви життя були пов'язані з т. зв. гіперциклами — комплексами складних каталітичних реакцій, в яких продукт кожної попередньої реакції є каталізатором для наступної.

У 2008 році американські біологи зробили важливий крок для розуміння початкових етапів зародження життя. Їм вдалося створити «протоклітини» з оболонкою з простих ліпідів і жирних кислот, здатну втягувати з навколишнього середовища нуклеотид-монофосфати, активовані імідазолом — «цеглинки», необхідні для синтезу ДНК. У 2011 році японські вчені повідомили, що їм вдалося створити везикули з катіонною оболонкою та елементами ДНК всередині, здатну до поділу в результаті полімеразної ланцюгової реакції, реплікується ДНК.

Цинковий світ Гіпотези хімічної еволюції повинні пояснювати такі аспекти:

Поява в Космосі або на Землі умов для автокаталітичного синтезу великих обсягів і значного різноманіття молекул вуглецю, тобто — виникнення в абіогенних процесах речовин, необхідних і достатніх для початку хімічної еволюції. Поява з таких молекул щодо стійких замкнутих агрегатів, що дозволяють так ізолювати себе від навколишнього середовища, що з нею стає можливим виборчий обмін речовиною та енергією, тобто — виникнення деяких протоклітинних структур. Поява в таких агрегатах здатних до самозміни й до самореплікації хімічних інформаційних систем, тобто — виникнення елементарних одиниць спадкового коду. Поява взаємної залежності між властивостями білків і функціями ферментів з носіями інформації (РНК, ДНК), тобто — виникнення власне коду спадковості, як необхідної умови вже для біологічної еволюції.

Значний внесок у розв'язанні цих питань, серед інших, зробили такі вчені:

Олександр Опарин: Коацервати. Гарольд Юрі та Стенлі Міллер в 1953: Виникнення простих біомолекул в симульованій древній атмосфері. Сідней Фокс: Мікросфери з . Томас Чек (університет Колорадо) і Сідней Алтман (університет Yale New Haven Connecticut) в 1981: автокаталітичний РНК-поділ: «Рібозими» об'єднують каталіз та інформацію в молекулі. Вони можуть вирізати себе з довшого ланцюга РНК і з'єднувати знову кінці, що залишилися. Волтер Гілберт (Гарвард університет, Кембридж) розробляє в 1986 ідею світу РНК. Гюнтер фон Кідровськи (Рур-університет Бохум) представляє в 1986 році першу самовідтворювану систему на основі ДНК, важливий внесок у розуміння функцій зростання самовідтворюваних систем Манфред Ейген (інститут Макса Планка факультет біофізичної хімії, Геттінген): Еволюція ансамблів молекул РНК. Гіперцикл. Юлій Ребека (Кембридж) створює штучну молекулу (Aminoadenosintriazidester), яка самовідтворюється в розчині хлороформу. Копії все ж ідентичні зразку, тому еволюція для цих молекул неможлива. Джон Корліс (Goddard центр космічних польотів — НАСА): Термальні джерела морів постачають енергію і хімікалії, які роблять можливими незалежну від космічного середовища хімічну еволюцію. Ще сьогодні вони є середовищем життя для початкових за багатьма ознаками археобактерій (Archaea). (Мюнхен) — гіпотеза залізо-сірчаного світу: перші самовідтворювані структури з обміном речовин виникли на поверхні піриту. Пірит (сульфід заліза) надавав для цього необхідну енергію. На кристалах піриту, які поступово зростали та розпадалися, ці системи могли рости та розмножуватися, та різні популяції протистояли в різних умовах середовища (умови відбору). А. Г. Cairns-Smith (університет Глазго) і Девід К. Мауерцалл (Rockefeller-Universität New York, Нью-Йорк) передбачають, що в глиняних мінералах є система, в якій відбувається хімічна еволюція, через що виникає багато різних, самовідтворюваних кристалів. Ці кристали притягують своїм електричним зарядом органічні молекули та каталізують синтез комплексних біомолекул, причому обсяг інформації кристалічних структур спочатку є матрицею. Ці органічні сполуки стають все складнішими доти, доки вони не зможуть розмножуватися без допомоги глиняних мінералів. Вольфганг Вайганд, Марк Дерр та ін. (Інститут Макса Планка факультет біогеохімії, Єна) показали у 2003, що сульфід заліза може каталізувати синтез аміаку з молекулярного азоту.

Уніфікована модель хімічної еволюції ще не розроблена, можливо, тому, що основні принципи ще не досліджені цілком.

Вступні міркування

Біомолекули

Пребіотичний синтез складних сполучень молекул може ділитися на три послідовні етапи:

Виникнення простих органічних сполук (спиртів, кислот, гетероциклічних сполук : пуринів, піримідинів і піролів) з неорганічних матеріалів. Синтез складніших органічних сполук — «біомолекул» — представників найбільш поширених класів метаболітів, в тому числі й мономерів — структурних одиниць біополімерів (моносахаридів, амінокислот, жирних кислот, нуклеотидів) з простих органічних сполук. Виникнення складних біополімерів (полісахариди, білки, нуклеїнові кислоти) з основних структурних одиниць — мономерів.

Одним з питань є хімічний склад середовища, в якому здійснювався б пребіологічний синтез, в тому числі те, які неорганічні компоненти були б джерелами різних елементів, що входять до складу різних органічних сполук. +Елементний склад біомолекул: C H O N S P Вуглеводи X X X Жири X X X X Фосфоліпіди X X X X X Білки X X X X X Нуклеотиди X X X X X Порфірини X X X X +Можливі неорганічні джерела елементів: Відновлена форма Окислена форма Вуглець (C) Метан (CH4), Монооксид вуглецю (чадний газ, CO) Вуглекислий газ (CO 2) Водень (H) Водень (H2) Вода (H2O) Кисень (O) H2O Кисень (O2) Азот (N) Аміак (NH 3) Нітрати (NO3-) Сірка (S) Сірководень (H 2 S) Сульфати (SO42-) Фосфор (P) Фосфати (PO43-)

Всі гіпотези виходять з того, що, крім води та фосфатів, на початкових етапах історії Землі в атмосфері та гідросфері в достатній кількості були тільки відновлені форми, що відрізняються від звичайних в сучасний період хімічних сполук, оскільки стародавня атмосфера не містила молекулярного кисню.

Як джерело енергії, що ініціює синтез, в цей час могли виступати ультрафіолетове випромінювання Сонця, тепло вулканічних процесів, іонізаційне випромінювання радіоактивного розпаду та електричні розряди. Існують також теорії, в рамках яких джерелом необхідної для виникнення біомолекул енергії можуть служити окислювально-відновні процеси між вулканічними газами (відновник) і частково окислювальним сульфідними мінералами, наприклад, піритом (FeS2).

Цинковий світ Розвиток земної атмосфери є однією з частин хімічної еволюції й до того ж важливим елементом історії клімату. Сьогодні її поділяють на чотири важливі етапи розвитку.

Спочатку відбувалося утворення хімічних елементів в космосі та поява з них Землі — приблизно 4,56 мільярда років тому. Ймовірно наша планета вже досить рано мала атмосферу з водню (H2) і гелію (He), яка, однак, знову розвіялася в космічний простір. Астрономи вважають, що через відносно високі температури та ефекти сонячного вітру на Землі та інших прилеглих до Сонця планетах могла залишитися тільки невелика кількість легких хімічних елементів (включаючи вуглець, азот і кисень). Всі ці елементи, які складають сьогодні основну частину біосфери, були занесені, за цією теорією, ударами комет з більш зовнішніх ділянок сонячної системи лише через великий проміжок часу, коли протопланети трохи охололи. Протягом перших декількох мільйонів років після виникнення сонячної системи постійно повторювалися зіткнення з небесними тілами, викликані ними колізії знищували глобальними стерилізаціями утворені в цей час живі системи. Тому поява життя змогло розпочатися тільки після накопичення води за тривалий час хоча б в найглибших западинах.

З повільним охолодженням Землі, вулканічною діяльністю (виділення газів з надр Землі) і глобальним розподілом матеріалів комет, що впали, виникла друга атмосфера Землі. Швидше за все, вона складалася з водяної пари (H2O; до 80 %), вуглекислого газу (CO2; до 20 %), сірководню (H2S; до 7 %), аміаку (NH3) і метану (CH4). Високий відсоток водяної пари пояснюється тим, що поверхня Землі була на той момент ще занадто гаряча для утворення морів. Перш за все з води, метану й аміаку в умовах молодої Землі могли утворитися невеликі органічні молекули (кислоти, спирти, амінокислоти), пізніше також органічні полімери (полісахариди, жири, поліпептиди), які були нестабільні в кислотній атмосфері.