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 левовращающих молекул (или модификаций вещества) делают смесь оптически неактивной, она называется рацемической смесью. В 1848 г. Л. 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 левовращающие плоскости поляризации, у глюкозы — правовращающая форма, у фруктозы — левовращающая. Молекула ДНК также асимметрична, ее спираль закручена вправо. Установлено, что

348

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 хирально чистые соединения — аминокислоты, сахара и др. В искусственных условиях тоже можно получить раздельно левые и правые вещества. Так, Л. 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.

12.5.2. Гомохиральность и самоорганизация в живых организмах

Отечественные ученые школы В. И. Гольданского (1928 — 2001)

Л. Л. Морозов и В. А. Аветисов, учитывая генетическую программу построения белков живого организма, считают, что имеется не просто нарушение зеркальной симметрии, а образование с позиций хиральности уникальной последовательности звеньев в соответствующих биополимерных цепях. Такое свойство живого они назвали гомохиральностью. В этом смысле ключе-

349

вые биологические макромолекулы являются гомохиральными полимерами. Однако экспериментальное доказательство существования таких полимеров, в которых нарушена зеркальная симметрия и где проявляется один вид гомохиральных биополимеров (а именно такова форма жизни на Земле, с учетом антропного принципа), не означает, что

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

во Вселенной не может быть и других форм жизни. Кроме того, конечно, не ясен сам механизм образования гомохиральности, особенно на предбиологической стадии эволюции.

Биоорганический мир является сложной самоорганизующейся иерархической системой, но динамика образования иерархии в исходно разупорядоченной «первоначальной» среде остается пока не установленной. И несмотря на сам факт осознания неизбежности самоорганизации сложных макромолекулярных структур биологического уровня, нам не хватает конкретных знаний об этих процессах. Живой организм умеет строить фантастические по сложности молекулярные конструкции удивительно быстро и надежно, по определенному и непростому генетическому плану. Но все это происходит тогда, когда живой организм уже возник. А как образуются гомохиральные полимеры на добиологической стадии эволюции, когда не было ни генетического «плана», ни биохимической технологии сборки полимерных цепей?

Число же таких даже относительно простых цепей с различной последовательностью правых и левых мономеров составляет около 10100, что больше числа электронов во всей Вселенной [160]. Каждая клетка человека содержит двойную нить ДНК из четырех миллиардов нуклеотидов длиной почти в два метра, упакованных в крошечный объем клеточного ядра. Известный генетик В.В. Сойфер подсчитал, что если все ДНК клеток одного человека выстроить в линию, то эта нить протянется до Солнца.

Самособирающиеся сложные макромолекулярные структуры из гомохиральных мономеров действительно являются уникальными, потому что они собираются (без Разума Человека, сами!) единственным способом из огромного числа возможных вариантов. Согласно В. Аветисову в этом — биохимический парадокс, называемый парадоксом Левинталя: как понять и объяснить, что полимерная цепь с огромной скоростью выбирает и реализует нужный для конкретных частей живого организма способ самосборки белков. В обычных условиях требуемое для этого время кажется бессмысленно большим, значительно большим, чем возраст Вселенной.

350

В. Аветисов приводит образный пример такой ситуации. Если взять массу органической материи, равную массе всей Земли, и синтезировать каждую полимерную последовательность только один раз в результате самых быстрых химических процессов и заниматься этим делом в течение всего времени существования Вселенной, то можно получить число вариантов этого процесса, сопоставимое с числом капель во всем Мировом океане! Поэтому приходится считать, что природа не имеет никаких реальных шансов перебрать все возможные варианты образования даже простых полимеров. Вероятность этого процесса такая же, как если трясти мешок с деталями от телевизора и ожидать, что в результате мы получим собранный таким образом работающий телевизор.

Мерой этого перебора вариантов может служить постоянная Авогадро (~1023) — это число, которое значительно меньше числа возможных цепей в 10100. Из этого сравнения вытекает, что вероятность появления длинных гомохиральных последовательностей физически равна нулю. Отсюда В. И. Гольданский и В. А. Аветисов делают вывод, что длительный эволюционный путь не может реально привести к возникновению асимметричного биоорганического мира и это произошло спонтанно. Такие представления для физической идеологии нашего курса не являются чем-то новым, а лишь подтверждают, что эволюция идет через точки бифуркации и при определенных условиях — нелинейно, в режимах с обострением.

Что может быть причиной нарушения зеркальной симметрии неживого, приводит к асимметрии живого, его молекулярной асимметричности? Условиями такого фазового перехода предположительно могли быть изменение электромагнитного поля Земли, вращение Земли, поляризация солнечного и лунного света, асимметрия геофизических и геокосмических факторов, случайные флуктуации в органической среде, слабые взаимодействия. Оценка пороговой энергии, необходимой для таких переходов, и масштабов объемов, где они возможны, по А. Л. Морозову, составляет соответственно (0,1—10) 10-12 Дж и 10 нм, что указывает на принципиально квантовый характер этих процессов.

В космомикрофизике слабыми взаимодействиями объясняют нарушение симметрии между веществом и антивеществом сразу после Большого Взрыва (БВ), однако, по мнению В. И. Гольданского, связь между химическими реакциями предбиологического этапа жизни и слабыми взаимодействиями не проявляется. Энер-

351

гии элементарных частиц после БВ велики, а энергии химических реакций на

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

холодных стадиях эволюции Вселенной, когда могли образовываться хиральные органические соединения, очень малы по сравнению с ядерными, и, по-видимому, асимметричное влияние слабых взаимодействий на них ничтожно мало.

В 1980 г. было установлено, что право- и левовращающие молекулы, помещенные в магнитное поле, по-разному поглощают свет. Это свойство молекул разной хиральности назвали магнитным дихроизмом. Ученые из Гренобльской лаборатории во Франции в июне 2000 г. показали, что химическая реакция, приводящая к разделению левых и правых молекул (процесс называется энтаниоселекцией), не может осуществляться в слабом (для такого процесса) магнитном поле Земли. Полагают, что в момент зарождения жизни на Земле были другие условия, способствовавшие формированию первых микроорганизмов из молекул определенной направленности.

Однако не следует однозначно считать превалирующей роль асимметрии по сравнению с симметрией. Оба этих представления одинаково важны для живого в диалектическом единстве, отражая двойственность и единство мира. Понятия симметрии

иасимметрии неразрывно связаны с понятиями устойчивости и неустойчивости, порядка

ихаоса, организации и дезорганизации сложных систем в гармонии их динамики. Симметрия связана с сохранением, стабильностью процессов, их устойчивостью, делая возможными те процессы, которые подчиняются законам сохранения. Она ограничивает число возможных вариантов структур или вариантов поведения системы. Большая энтропия соответствует более высокой симметрии, а высокой симметрии соответствует большая вероятность состояний (§ 8.7). Поэтому симметричному состоянию соответствует и меньшая информация.

Симметрия (проявление здорового консерватизма) как бы ограничивает число возможных вариантов поведения системы, сводит их лишь к необходимому, организуя некий минимальный порядок; в известном смысле симметрия подчеркивает общее в

объектах и явлениях, что можно рассматривать как проявление категорий целого и частей1.

Асимметрия, как процесс развития частей, основанный на случайностях, флуктуациях, обеспечивает эволюцию живого организма через дезорганизацию, хаотические состояния. Согласно И. Р. Пригожину процесс самоорганизации живого через возни-

J См. сноску на с. 212.

352

кающие диссипативные структуры связан с нарушением симметрии в точках бифуркации.

Реальный мир живого организма и его жизнедеятельность обеспечиваются и симметрией, и асимметрией, в сочетании с сохранением целостности организма и его динамического развития. Диалектическая борьба противоположностей симметрии— асимметрии проявляется и в том, что стремление организма сохранить наследственные различия между левым и правым уравновешивается преимуществами, которые организм имеет благодаря симметричному расположению некоторых своих органов (например, наши конечности больше подчиняются симметрии, чем внутренние органы).

В заключение отметим, что в биологии понятие левого и правого играет большую роль, чем в физике, поскольку физическая структура пространства не позволяет их отличить иначе, чем выбором отсчета, что произвольно. Как Вы думаете, почему мы здороваемся правой рукой?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие теории происхождения жизни на Земле Вы знаете? В чем их сущность?

2.Объясните основные положения гипотезы А.И. Опарина о происхождении жизни.

3.Каковы отличия между автотрофными и гетеротрофными организмами?

4.Каков механизм воспроизведения жизни на молекулярном уровне?

5.Может ли возникнуть жизнь в современных условиях в виде эукариотных организмов?

6.Чем различаются анаэробные и аэробные формы жизни?

7.Какова роль свободных радикалов и автокаталитических процессах в химической эволюции?

8.В чем состоит сущность теории молекулярной самоорганизации?

9.Что представляют собой биохимические составляющие живого вещества?

10.Какова роль углерода в живой природе?

И. Из чего состоят белки и нуклеиновые кислоты?

12.Какое значение имеет АТФ в энергетических процессах клетки?

13.Какими свойствами воды обусловлены ее функции в живом организме?

14.Что такое клетка и из чего она состоит?

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.