12.5.1. Оптическая активность вещества и хиральность

Физическое явление поляризации света, открытое в 1808 г. французским физиком Э. Малюсом (1775 — 1812), заключается в нарушении осевой симметрии света в плоскостях, перпендику­лярных направлению светового луча. Свет — это поперечные ко­лебания векторов напряженности: электрического Е и магнитно­го В. В зависимости от условий падения и отражения световой волны эти величины в плоскостях, перпендикулярных направле­нию распространения волны, будут различными, что мы воспри­нимаем как ослабление или усиление света. Это легко прове­рить, если наблюдать прохождение света через две тонкие слю­дяные пластинки, поворачивая их относительно друг друга. Для каждого прозрачного вещества имеется угол, называемый углом полной поляризации или углом Брюстера, при котором наблюдает­ся полное гашение света, т.е. вещество становится полностью непрозрачным, что происходит, когда плоскости отражения, на­пример, пластинок из слюды, перпендикулярны друг другу.

Электромагнитные колебания в световом луче, отраженном под углом Брюстера, совершаются только в определенных плос­костях: вектор электрического поля колеблется перпендикуляр­но плоскости падения, а вектор магнитного поля — в плоскости падения света. Плоскость колебаний электрического вектора на­зывается плоскостью поляризации. Она может поворачиваться при прохождении поляризованного света через оптически актив­ные вещества. Причиной оптической активности является отсут­ствие в веществе элементов симметрии, вследствие чего его мо­лекулы могут существовать в двух пространственных формах, не различимых по физическим и химическим свойствам, кроме на­правления вращения плоскости поляризации.

Большинство оптически активных веществ известно в двух модификациях: право- и левовращающей. Вещество называется правовращающим, если при наблюдении против направления распространения света вращение плоскости поляризации проис­ходит по часовой стрелке, и левовращающим — при противопо­ложном направлении вращения. Равные количества право- и ле- вовращающих молекул (или модификаций вещества) делают смесь оптически неактивной, она называется рацемической смесью. В 1848 г. JI. Пастер показал, что оптически активные ве­щества всегда кристаллизуются в энантиоморфных видах, левой и правой модификациях: т.е. кристаллы правовращающей мо­дификации являются зеркальным отражением кристаллов левов­ращающей.

В неживой природе левые и правые молекулы встречаются почти одинаково, а в живых организмах встречается только один тип. Так, аминокислоты живых организмов имеют левовращаю- щие плоскости поляризации, у глюкозы — правовращающая форма, у фруктозы — левовращающая. Молекула ДНК также асимметрична, ее спираль закручена вправо. Установлено, что белковые полимерные цепи содержат только левовращающиеся аминокислоты, а полимерные цепи из молекул РНК и ДНК — только правовращающие сахара.

Отличие «живых» молекулярных конструкций от «неживых» состоит не только в том, что они построены из органических ве­ществ молекул, но еще и в том, что биомолекулы вмонтированы в эту конструкцию определенным образом с учетом чисто левой или чисто правой формы. Живые организмы в процессе жизне­деятельности извлекают из окружающей среды химические не­органические соединения, молекулы которых симметричны, или хирально не чисты, и превращают их в асимметричные, но хи- рально чистые соединения — аминокислоты, сахара и др. В ис­кусственных условиях тоже можно получить раздельно левые и правые вещества. Так, JI. Пастер из рацемической смеси получал равные количества левых и правых энантиоморфных кристаллов солей винной кислоты.

В настоящее время экспериментально установлено, что такое разделение наблюдается при нелинейной динамике прохожде­ния автокаталитических химических реакций. Это означает, что такой переход от симметричных молекул неживой природы к асимметричным биомолекулам живой природы мог происходить и на предбиологической стадии химической эволюции. Англий­ский ученый Ч. Франк в 1953 г. показал, что зеркальная симмет­рия может нарушаться именно в реакциях автокаталитического типа. Поэтому можно считать, что одним из необходимых усло­вий возникновения жизни является нарушение зеркальной сим­метрии. Образование жизни — это спонтанный переход от бес­порядка, где хаотически перемешаны в рацемической смеси ле­вые и правые энантиомеры неорганических и органических молекул, к упорядоченному хирально чистому состоянию органи­ческих молекул: только левые или только правые молекулы.