Стереоизомерия и асимметрия живого (нарушенные симметрии)

Неизменность (инвариантность) свойств объекта (системы) имеет место только для определенных преобразований, которые характерны для данного объекта, и может нарушаться при других преобразованиях.

Если некоторый объект нельзя совместить с его зеркальным двойником (отражением) с помощью каких-либо перемещений и поворотов, то такие объекты называют стереоизомерами.

О стереоизомерах говорят, что они зеркально-асимметричны. Объекты-стереоизомеры имеют одинаковую форму, размеры и в то же время различны, так как не совпадают со своим зеркальным образом.

Примерами стереоизомеров являются: рука человека / правая и левая перчатка, кристаллы кварца, винты с правой и левой нарезкой.

Одну из двух форм стереоизомера (произвольно какую) называют правой (П), зеркально-отраженную форму — левой (Л).

Замечено, что «праволапость» присуща не только человеку, но и некоторым животным. «Правши» и «левши» обнаружены и в мире растений. «Левши» хмель и бобовые вьются только по левой спирали, а вьюнок по правой. Могут быть левыми и правыми листья, цветы, иголки и даже корни. Оказалось, что они обладают разными качествами. Советский ученый Юрий Урманцев установил, например, что левые листья фасоли лучше развиты, но зато правые богаче аминокислотами. Селекционеры заметили, что несимметричные растения более жизнеспособны, и вывели новые урожайные морозоустойчивые сорта.

Одним из достижений современного естествознания является открытие того факта, что ряд свойств П- и Л-форм объектов живой природы качественно различаются друг от друга (диссимметрия жизни). Биологи установили, что несимметричные молекулы более жизнеспособны, процессы в них идут активней. Так, антибиотик пенициллин вырабатывается из грибка только в П-форме; искусственно приготовленная его Л-форма антибиотически неактивна.

Свойство зеркальной асимметрии молекул называется киральностью или хиральностью (от греч. «рука»).

Одна из наиболее замечательных черт жизни — это способность организма извлекать из окружающей среды химические соединения, молекулярная структура которых по большей части симметрична, и изготовлять из них правые или левые асимметрические соединения углерода. Растения, например, используют симметричные неорганические соединения вроде воды и углекислого газа и превращают их в асимметричные молекулы крахмала и сахара.

Тела всех живых существ насыщены асимметричными молекулами, а также асимметричными спиралями белков и нуклеиновых кислот. Все белки, входящие в состав живых организмов, «левые». Это значит, что соединяющиеся в белковую молекулу атомы «закручивают» ее влево. Стоит только произвести синтез органических асимметричных соединений, как получатся примерно в одинаковом количестве и левые соединения, и их зеркальное отображение — правые.

Обычно в природе П- и Л-формы встречаются не в равных количествах. Как правило, преобладает либо П-, либо Л-форма, а в живых организмах зеркально-асимметрические молекулы встречаются только в виде какой-либо одной формы.

«Живые» молекулы (молекулы органических веществ, составляющих живые организмы) могут быть только одной ориентации – Л или П – хиральная чистота живого.

В чем причина «левизны» природы, толком до сих пор неизвестно. Согласно одной из существующих гипотез, причинами неравноправия П- и Л-форм могут быть диссимметрические элементарные частицы, а также правополяризованный свет, который в небольшом избытке всегда присутствует в рассеянном солнечном свете и образуется при отражении обычного света от зеркальной поверхности морей и океанов.

На преобладание в живых организмах зеркально-асимметричных молекул в виде только одной формы (П или Л) впервые обратил внимание Луи Пастер. Пастер и позднее В.И. Вернадский полагали, что именно здесь проходит граница между живой и неживой природой.

С вопросами зеркальной симметрии тесно связана и проблема возникновения жизни на Земле, появление которой связывают с нарушением существовавшей до того зеркальной симметрии в неживой природе. Согласно одной из гипотез (Л.Л. Морозов), переход от мира зеркально-симметричных молекул к чисто П- или Л-формам произошел не в процессе длительной эволюции, а скачком («Большой биологический взрыв»), в результате акта самоорганизации материи.

Эволюция – цепочка нарушений симметрии.

Ричард Фейман: «На 99,99 процента природе все равно, что левое, что правое, — и вдруг одно едва приметное явленьице выходит из ряда вон и оказывается совершенно однобоким. Ни один человек пока еще не имеет ни малейшего представления о том, как объяснить эту загадку».