Часть 4 Свойства материи. Пространство и энергия

4.1. Что такое симметрия, и как изменяется степень симметричности геометрических фигур?

Понятие симметрии широко используется при описании материальных объектов. В самом общем смысле под симметрией понимают ИНВАРИАНТНОСТЬ (неизменность) свойств материального объекта по отношению к каким–либо преобразованиям над ним.

Наиболее простым примером является геометрическая симметрия – свойство объекта совпадать со своим изображением при повороте на некоторый угол вокруг своей оси. Чем меньше величина угла поворота, тем выше степень симметрии. Рассмотрим понятие симметрии на примере объёмных геометрических фигур: шара, куба, параллелепипеда, пирамиды.

Рис. 3. Убывание степени симметрии в ряду: шар, куб, параллелепипед, пирамида

Шар обладает наивысшей степенью симметрии, т.к. его поверхность состоит из множества точек, равноудаленных от центра. Для совмещения с собственным изображением достаточно повернуть шар вокруг своей оси на произвольный бесконечно малый угол в любой из плоскостей.

Куб совмещается с собственным изображением при повороте на 90 градусов, а параллелепипед – на 180 градусов в любой из трёх плоскостей. Наконец, пирамида обладает симметрией только в одной (горизонтальной) плоскости.

4.2. Что такое хиральность? Каково значение этого явления в биологических системах?

ХИРАЛЬНОСТЬ (от греч. hyros – «рука») – свойство объекта не совпадать со своим зеркальным отображением. Объекты, совпадающие со своим зеркальным отображением, называют зеркально симметричными, или ахиральными (резьба болтов, рука человека). Зеркальную асимметрию могут проявлять не только предметы, но и процессы (например, химические реакции).

Из повседневного опыта легко сделать вывод, что человек обладает структурной хиральностью: сердце находится слева, а печень – справа. Кроме того, имеется и функциональная хиральность: люди делятся на «правшей» и «левшей».

Молекулы также могут обладать хиральностью. Например, оказалось, что существует два типа кристаллов соли винной кислоты, каждый из которых является зеркальным отображением другого. Если приготовить растворы из этих кристаллов, то оказывается, что один из растворов вращает плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой – в обратном направлении. Появилось предположение, что существует два вида молекул соли – так называемые «правые» (D, лат. – dextro) и «левые» (L – levo) изомеры.

Живые организмы не обладают зеркальной симметрией: в них преобладают правые либо левые молекулы-изомеры. Кроме вращения плоскости поляризации света, оптические изомеры можно различить и по другим свойствам. Например, один из изомеров лимонена обладает запахом лимона, а другой – апельсина.

У основных аминокислот (п. 8.3), из которых состоят белки (кроме глицина) существуют L- и D-изомеры. Однако белки за редким исключением построены исключительно из L-аминокислот.

В нуклеиновых кислотах присутствует только правый изомер сахара и, как правило, ДНК и РНК образуют правую спираль.

Почему в живой природе ахиральность проявляется в столь существенном масштабе? На каком этапе химической эволюции от неживого к живому появилась и закрепилась хиральная «чистота» биомолекул? Зеркально симметричные химические реакции могут приводить к образованию неравных количеств L- и D- аминокислот благодаря явлению, которое называют спонтанным нарушением симметрии – самопроизвольным переходом из симметричного состояния в асимметричное. При некоторых реакциях может происходить синтез изомеров только какого-то одного типа.