Зеркальная асимметрия природы.

«Жизнь, каковой она предстает перед нами,

 является функцией асимметрии Вселенной

 и следствий этого факта».

Луи Пастер

            Напомним несколько определений:

1. Свойство объекта не совпадать со своим зеркальным отображением называется хиральностью.

2. Понятие правого и левого объектов (резьба болтов,  рука человека).

Объекты, совпадающие со своим зеркальным отображением, называют зеркально симметричными, или ахиральными.

Подчеркнем, что не только предметы, но и процессы, например химические реакции, могут проявлять зеркальную асимметрию.

            Наш обычный опыт говорит, что человек обладает структурной хиральностью: сердце у него находится слева, а печень – справа. Кроме того, у человека имеется и функциональная хиральность: люди делятся на правшей и левшей.

            Но оказывается, что и молекулы обладают хиральностью.

Впервые внимание на этот факт обратил Луи Пастер (1848). 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. Пастер предположил, что существует два вида молекул соли – так называемые «правые» и «левые» изомеры.

            Пастер обнаружил, что живые организмы не обладают зеркальной симметрией: в них преобладают либо правые (D- Dextro), либо левые (L- Levo) молекулы-изомеры.

Действительно, напомним, что белки состоят из 20 аминокислот, и для всех этих аминокислот (за исключением глицина) существуют L- и D- изомеры. Однако белки построены исключительно из L- аминокислот (за исключением специальных пептидов).

(Не надо думать, что изомеры очень трудно различить. Например, лимонен обладает изомерами и различие можно определить по запаху: один из изомеров пахнет лимоном, другой – апельсином).

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

            Надо отметить, что существование изомеров не очень ожидаемо. Действительно, все химические реакции по существу являются результатом электромагнитных взаимодействий атомов. Для электромагнитных сил характерна симметрия (электромагнитные силы сохраняют четность), поэтому на первый взгляд можно ожидать, что в природе должно быть равные количества L- и D- изомеров.

В то же время мы понимаем, что Вселенная является несимметричной на всех уровнях – от субатомного до макроскопического. Каковы причины этого явления?

Вспомним, что во Вселенной действует всего четыре вида сил (взаимодействий):

1. Гравитационные - сохраняют четность

2. Электромагнитные (отвечают за обычные химические реакции) - сохраняют четность;

3. Сильные ядерные (удерживают части ядра вместе с помощью глюонов) - сохраняют четность;

4. Слабые ядерные  - не сохраняют четность (примером может служить испускание b-лучей при радиоактивном распаде, при котором число левых электронов намного превосходит число правых).

v     Теоретические расчеты показывают, что и молекулы должны становиться ахиральными из-за учета асимметричных сил, действующих на атомном уровне: L- аминокислоты должны количественно превосходить D- аминокислоты в соотношении 1:1017. Такое бесконечно малое различие объясняет, почему в лабораторных условиях оптические L- и D-изомеры получают практически в равных количествах.

            Ранее мы отмечали различные уровни организации окружающего мира, начиная с уровня элементарных частиц. Уже первый уровень зеркально асимметричен, и асимметричность элементарных частиц приводит к тому, что все атомы тоже становятся ахиральными.

Рассмотрим теперь вопрос о том, почему в живой природе ахиральность проявляется в столь существенном масштабе. На каком этапе химической эволюции от неживого к живому появилась и закрепилась хиральная «частота» биомолекул.

            Зеркально симметричные химические реакции могут приводить к образованию неравных количеств L- и D- аминокислот благодаря явлению, которое называют спонтанным нарушением симметрии.

Спонтанное нарушение симметрии – это механизм, в результате которого система «спонтанно», самопроизвольно, переходит из симметричного состояния в асимметричное.

Этот рисунок показывает, что при наличии автокаталитических реакций может происходить синтез изомеров только какого-то одного типа.

            Таким образом, была предложена модель, описывающая асимметрию живых организмов. В этой модели предполагалось, что каждый вид способен к самовоспроизведению и что присутствие одного из них уменьшает скорость роста популяции другого. Иными словами, происходит «межвидовая борьба» за существование.

Рассматривалось 4 различных варианта.

•  Первая клетка образуется сразу из L-аминокислот (маловероятный вариант), и затем она побеждает в борьбе.

• Первая клетка образуется с небольшим избытком L-аминокислот и затем происходит эволюционный отбор

• Первые клетки образуются одновременно с избытком L- и D- аминокислот, а затем идет межвидовая борьба

• Спонтанное нарушение симметрии приводит сразу к тому, что выживают во всех местах только L-аминокислоты

            Очевидно, что ключевые вопросы о происхождении гомохиральности жизни остаются без ответа, равно как и вопросы о происхождении зеркальной асимметрии на макроскопическом уровне.

Подведем некоторые итоги. Моделирование добиологической эволюции:

            1. Случайная самоорганизация хаоса с возникновением необратимой эволюции практически нереализуема.

            2. Системы должны быть открытыми, находиться в состояниях, далеких от равновесных, чтобы была возможность осуществления самоорганизации.

            3. Самоорганизация и отбор сложных органических макромолекул возможны, если абиогенная (химическая) молекулярная система характеризуется метаболизмом, самовоспроизведением и мутабельностью.

            (Метаболизм означает, что система открыта и в ней происходят полимеризация и распад полимеров. Метаболизм осуществляется за счет притока вещества, обладающего избыточной свободной энергией (в частности, это нуклеозидтрифосфаты, например, АТФ).

                Самовоспроизведение - матричное копирование полимера - означает автокаталитический процесс.

                Мутагенез - необходим для создания новой информации.)

4. Молекулярная система определенное время способна существовать в стационарном состоянии (условие сохранения постоянной организации или условие постоянных потоков). Эти условия определяются условиями окружающей среды.

5. Такая система может быть названа “дарвиновской”, поскольку происходит отбор и самосовершенствование. “Выживают” молекулы, обладающие наибольшей селективной ценностью (быстрее других реплицируются и эффективнее используют поступающие в систему вещества и энергию). Такие молекулы называются “главными копиями”. Очередной шаг в развитии наступает в результате мутаций, приводящих к созданию новых “главных копий”.

            6. Химическая эволюция развивалась в локальных системах (каоцерватах, микросферах, порах глинистых материалов), которые образовали химические микрореакторы. В ходе конкуренции этих микрореакторов возникал “молекулярный язык”, приводящий к созданию генетического кода.