Таланов В

Основываясь на этом выводе, В.И.Вернадский делает заключение о безначальности и вечности жизни: «Признавая биогенез, согласно научному наблюдению, за единственную форму зарождения живого, неизбежно приходится допустить, что начало жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна постольку, поскольку вечен Космос, и представляется биогенезом» [1, 102]

Однако, прав ли В.И.Вернадский в резком противопоставлении живой и неживой материи, в своих суждениях о невозможности абиогенного происхождения жизни? Действительно ли существует столь фундаментальное структурное различие между живыми и неживыми веществами? Кратко обсудим эти вопросы с позиций структурной химии и кристаллохимии [3]. В основе нашего схематического рассмотрения лежат три принципа, которые отражают структурное единство неживой и живой природы. Это принципы структурного подобия, структурной иерархии и метрический принцип структурной организации вещества. По нашему мнению они являются проявлением более общего принципа самоорганизации живой и неживой материи.

Метрический принцип: все структурное многообразие живого и неживого вещества описывается тремя типами геометрий постоянной кривизны — Евклида, Лобачевского и Римана.

В.И.Вернадский писал: “Мы сейчас имеем право допустить в пространстве, в котором мы живем, проявление геометрических свойств, отвечающих всем трем формам геометрии — Евклида, Лобачевского и Римана. Правильно ли будет это заключение, логически вполне неоспоримое, покажет дальнейшее исследование“ [2, 21]. Научная мысль с давних времен допускала существование в окружающей нас реальности проявления неевклидовых геометрий. Это хорошо понимал и сам Евклид, отделивший постулат параллельности линий от других аксиом. Трудами Н.И.Лобачевского, А.Пуанкаре, А.Эйнштейна и многих других ученых созданы основания поиска проявлений, отличных от евклидовой геометрии свойств пространства в физической среде. Сам же В.И.Вернадский отмечал: “пространство жизни иное, чем пространство косной материи“ [2, 21].

Последующее развитие методов физико-химического анализа строения вещества, теории конденсированного состояния привело к открытию ошеломляющего многообразия типов структур с неевклидовой геометрией на различных структурных уровнях материи. Обратимся к примерам. Кристаллическое состояние вещества всегда мертво. Живой организм как целое никогда не может иметь кристаллическое строение, т.к. дальний трансляционный порядок в упаковке атомами трехмерного пространства полностью исключает возможность саморазвития, обмена веществ, репликации. В кристаллах из бесконечного множества осей симметрии могут быть только оси симметрии 1, 2, 3, 4-го и 6-го порядков. Конечно, искусственной огранкой, не согласующейся с внутренней атомной структурой, можно получить и некристаллографические оси симметрии.

Появление оси симметрии пятого порядка в некристаллических неорганических веществах приводит к структурам, подобным структурам простейших живых организмов. В.И.Вернадский неоднократно отмечал неевклидовый характер пространства живого вещества. К неевклидовым неорганическим структурам относятся, например, фуллерены. Фуллерены — аллотропные модификации углерода (наряду с алмазом, графитом, карбином и поликумуленом). Простейший из фуллеренов — кластер, имеющий сферическую симметрию и состоящий из 60-ти углеродных атомов. Наглядным образом его структуры является футбольный мяч. Все атомы углерода в молекуле - кластере идентичны и располагаются по вершинам сферических пяти- и шестиугольников таким образом, чтобы пятиугольники не имели общих ребер.

На рис. 1 показаны фуллереновая и гиперфуллереновая структуры (эта структура образуется из обычных фуллеренов в среде испаряемого лазером углерода) и «живые» фуллерены — радиолярии. Радиолярии относятся к простейшим организмам, имеют кремниевый скелет. Очевидна поразительная близость структурных организаций кластеров углерода и радиолярий.

С неевклидовостью пространства, в котором мы живем, связана проблема получения гигантских идеальных кристаллов (они всегда оказываются дефектными). Искривление пространства за счет гравитации может вносить определенный вклад и, например, в расщепление кристалла на блоки. Процесс организации решетчатой структуры кристалла можно описать с помощью эллиптической геометрии Римана [4].

Рис. 1. Структурная организация фуллерена (а), гиперфулерена (б) и радиолярии Aulonia (в)

Необычны структуры со спиральными решетками (рис. 2-4). Примерами веществ с такими структурами являются минералы галлуазит, цилиндрит, антигорит, клино-хризолит, асбесты. Строение всех этих неорганических соединений основано на спиралях Архимеда — атомы расположены подобно семечкам в головке подсолнуха. Каждая спираль имеет форму цилиндра. Совокупность цилиндров образует волокнистую структуру всего вещества. Существенно, что волокнистая структура обусловлена не наличием кремнекислородных цепей, а связана с механизмом формирования минералов. Еще в 1930 г. Л. Полинг предсказал, что сложные структурные слои, ограниченные с одной стороны кремнекислородной сеткой, а с другой - слоем, отвечающим гидроксиду магния (брусита), обладают тенденцией к сворачиванию из-за различия размеров кремнекислородной и бруситовых сеток. На рис.2 схематически показаны слои структур этих минералов. Черные треугольники обозначают проекции кремниевых тетраэдров, заштрихованный слой — это гидроксидный слой, в котором каждый катион магния окружен шестью кислородами.

Каждый структурный слой сворачивается в цилиндр с кремнекислородной сеткой на внутренней стороне (рис. 2а, б).

Рис. 2. Структуры минералов, составляющих серпентиновую группу (а — антигорит, б — хризотил)

Структура в целом представляет совокупность свернутых слоев, определенным образом наложенных друг на друга (рис. 3 а, б, в).

Рис. 3. Спиральные решетки с различной архитектурой в минералах галлузите (а), цилиндрите (б), клино-хризотил асбестах (в).

В энделите Al₄[Si₄О₁₀](OH)₈∙4Н₂O механизм формирования неевклидовой (цилиндрической) структуры кристалла обусловлен иной причиной — молекулами воды (рис. 4). В процессе дегидратации меняется форма трубок, и при полном удалении воды неевклидовость структуры исчезает.

Рис. 4. Схема, иллюстрирующая трубчатую форму энделита:

а ─ трубчатая форма; б ─ разрез трубки

Цилиндрическую симметрию имеют и так называемые нанотрубы (рис.5). Они состоят из свернутых слоев графита, закрытых с обоих сторон “крышками”. Каждую “крышку” образует половина молекулы фуллерена С₆₀. Однако существуют значительные отличия между нанотрубами и структурами минералов. Прежде всего, структуры минералов состоят из нескольких свитков (рис. 3), в то время как нанотрубы имеют концентрическую структуру (рис. 6а). Кроме того, хризотиловые трубы не имеют “крышек”. В углеродных нанотрубах “крышки” — элемент, структуры необходимый для погашения механических напряжений.

Рис. 5. Структура “кресельной” нанотрубы состава BCN₂ [5].

Отметим и в этом случае удивительную аналогию строения неорганических веществ (рис. 2-6) и структурной организации вируса табачной мозаики (рис. 7).

Этот вирус, как и другие палочко- и нитевидные вирусы, имеет спиральную структуру. Как видно из рис. 7, взятого нами из книги [6], структуру со спиральной симметрией можно также описать, используя понятие «поверхностная решетка».

Рис. 6. Модели многослойных нанотруб в виде “матрешки” (а) и “швейцарского рулета” (б) по книге [5].

Спиральная структура образуется из плоской решетки замыканием ее на цилиндр (рис. 7а). Оказывается, что структуры с близкими поверхностными решетками могут быть образованы замыканием трубки в спираль с нулевым стартом, двухзаходную или однозаходную спираль. Длинные нитевидные вирусные частицы (подобные волокнам в минералах хризолитах) являются весьма гибкими.

Рис. 7. Структурная организация вируса табачной мозаики. Спиральная структура и “поверхностная решетка“ (а) вируса: запятые соответствуют укладке белковых единиц (б).

Большинство вирусов с так называемым чехлом обладают икосаэдрической симметрией. Это самая подходящая симметрия для конструирования замкнутого чехла. Способ упаковки элементов в структуру с данной симметрией показан на рис. 8 . Вирусная структура собирается из белковых субъединиц. Субъединицы могут по-разному располагаться относительно друг друга и осей симметрии икосаэдра, образуя три вида упаковочных модулей (они обозначены буквами A, B, C на рис.8). Строение вирусов с икосаэдрической симметрией внешне существенно не отличается от строения фуллеренов (рис. 8).

Рис.8. Икосаэдрическая структура вируса, состоящая из 60 субъединиц (они обозначены запятыми) (а, б) и букминстерфуллерен (в).

Принцип подобия: структурные мотивы веществ различной природы могут быть тождественными или очень близкими, но отличаются друг от друга количественными характеристиками.

На рис. 9 показана двойная спираль в структуре шпинели. Она топологически подобна двойной спирали молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В неорганических веществах двойные спирали различных типов были предсказаны в результате теоретических расчетов структур кристаллов, а затем обнаружены в строении различных классов неорганических соединений [7-9].

Две цепи неорганических двойных спиралей комплементарны, т.е. имеется однозначное соответствие между атомами разных спиралей. Однако эти двойные спирали не являются молекулами в отличие от ДНК, а характеризуются сложными, бесконечными зацеплениями одна за другую. Ранее были проанализированы различные следствия подобия спирального строения неорганических оксидов и ДНК [9].

Рис. 9. Представление структуры шпинели с помощью тетраэдров и гексаэдров (а), условное представление в виде двойной спирали (б)

Множество химических структур представляет собой иерархически построенное единство, включающее уровни: атомы (ионы, радикалы), молекулы (кластеры, наночастицы, модули, “строительные блоки“ и т.д.), кристаллы, биологические молекулы, структуры супрамолекулярной химии.

Далее: принцип структурной иерархии можно сформулировать так: структура вещества имеет составной характер и слагается из модулей (фрагментов), являющихся “кирпичиками“ для более сложных структур. Этот принцип означает следующее. Структуры одного типа являются элементами, “строительными блоками”, из которых образуются структуры второго уровня, имеющие значительно большие пространственные размеры. Структуры второго уровня в свою очередь объединяются в структуры третьего уровня, и так далее, но, не до бесконечности. Давно известно из кристаллохимии силикатов, что кремний-кислородные тетраэдры, по разному сочлененные друг с другом, являются “кирпичиками” для построения огромного многообразия структур силикатов. Фрагментарное конструирование новых неорганических веществ по принципу “снизу вверх” на примере шпинелоидов проведено в работах [10 - 12]. Углеродные графитовые кольца являются модулями для построения углеродных нанотруб. Нитрид бора по электронной структуре подобен углероду, а гексагональный нитрид бора весьма похож на графит. Синтезированы нитрид-борные фуллерены и BC₂N нанотрубы (рис. 5). Во всех этих структурах нитрид бора является модулем для построения более сложных конструкций.

Структурное многообразие мира иерархизировано по многим признакам — по пространственным, временным, энергетическим и другим. Это означает, что базовые структуры описываются не всеми возможными значениями пространственных, временных, энергетических характеристик, а только определенными. Само число структурных уровней необозримо велико. Основной смысл структурной иерархии состоит в составной природе более сложных образований по сравнению со сложностью фрагментов (модулей), из которых образован вышестоящий уровень. Это приводит к тому, что модули, связываясь в структуру, передают ей часть своих функций, степеней свободы. При этом многие свойства более сложных структур не могут быть сведены к свойствам модулей.

В случае неорганических наночастиц реализуются пентагональная и икосаэдрическая симметрия, допустимы оси 5-го, 7-го и более высокого порядков, неразрешенные классической теорией для кристаллов. В строении наночастиц можно выделить фрагменты различной размерности, включая фрактальные [13, 14]. Все это структурные атрибуты живого вещества. Некоторые наночастицы представляют собой структурно-неоднородные образования с когерентными границами раздела между структурными фрагментами различной симметрии — “кентавры” [15]. Можно предположить, что модульной инженерией в будущем может быть осуществлено конструирование структур из живой и неживой материи.

По-видимому, для многих структур живого вещества могут быть найдены соответствующие аналоги среди структур косной материи — будь то оболочки, трубки, спирали, волокна, различные трехмерные образования. Некоторые интересные, по мнению автора, примеры приведены выше.

Огромное разнообразие типов химических структур имеет, по-видимому, глубокий эволюционный смысл. Из более ста химических элементов эволюция “выбрала” за основу живых систем шесть элементов (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и серу). Их общая массовая доля в организмах составляет 97,5%. Из почти 8 млн. соединений на органические соединения приходится 7,7 млн. Из этого числа в построении живых систем участвует лишь несколько сотен. А из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20. Всего лишь четыре нуклеотида входит в состав сложных биополимеров, ответственных за передачу наследственной информации. Избыточность выступает как один из основных факторов эволюции на всех структурных уровнях развития материи, в том числе и на уровне неорганических и органических структур.

Рассмотренное сходство структурных организаций некоторых простейших живых и неживых веществ свидетельствует о структурном единстве мира, проявляющемся во всеобщности и универсальности принципов структурообразования, симметрии и самоорганизации. Однако следует подчеркнуть, что отсутствие принципиальных структурных различий не означает, конечно, иных и, прежде всего, функциональных различий между живой и неживой материей.

В поисках ответов на “вечные” вопросы естествознания о происхождении жизни, специфики живого вещества и его космической роли в эволюции на каждом новом витке развития науки мы получаем новые свидетельства в пользу научных интуиций и догадок академика В.И.Вернадского. От современных же ученых требуется их дальнейшее подтверждение и разработка.