Текст книги "Зеркальный мир"
Автор книги: Вернер Гильде
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 12 страниц)
ТЕОРЕМА СРТ
Теорема СРТ утверждает: если произвести зеркальное отражение какого-либо физического процесса в пространстве (изменив знаки координат на обратные), заменить все частицы соответствующими античастицами и обратить процесс во времени, то вновь возникнет физический процесс, протекающий точно так же, как первый.
На состояние физической системы можно наложить определенные предписания (называемые оператором), которые преобразуют его в иное состояние. Если при этом свойства оператора таковы, что в другой системе все процессы протекают так же, как в первой (исходной), то говорят об операторе симметрии или о принципе инвариантности.
Тремя важнейшими операторами симметрии являются:
С – оператор зарядового сопряжения С -заменяет все частицы в системе их античастицами;
Р – оператор паритета (пространственной инверсии) Р – меняет все знаки пространственных координат, то есть производит зеркальное отражение системы;
Т – оператор обращения времени Т– изменяет ход времени на обратный. Для операций С и Р существуют определенные случаи, когда выполнить пространственную инверсию (зеркальное отражение) или изменение знаков невозможно. По отношению к оператору Т это известно не столь точно. Но если все три операции преобразуют систему одновременно ч то новая система так же мало отличается от прежней, как изображение от своего зеркального отражения.
Но если все три операции преобразуют систему одновременно, то новая система так же мало отличается от прежней, как изображение от своего зеркального отражения.
ЗДЕСЬ ГЁТЕ ОШИБАЕТСЯ
Иоганн Вольфганг Гёте в своем известном автобиографическом произведении «Поэзия и правда» признался, что некую молодую даму он любил больше всех других. Казалось бы, подобное утверждение сугубо личного свойства едва ли может встретить возражения. Мне не известно, какой мерой исследователь творчества Гёте профессор Генрих Дюнтцер сумел измерить величину былой любви Гёте, но в своем комментарии он написал: «Тут Гёте заблуждается!» Этим крылатым выражением он снискал свою толику литературной славы. Конечно, Гёте в своей жизни нередко ошибался. Великий человек, обуреваемый множеством идей, вообще чаще делает ошибки, чем тот, кто почти или вовсе не способен размышлять, и уж заведомо гораздо чаще того, кто спустя годы критикует или комментирует результаты его трудов.
В сфере науки особенно легко посмеиваться над мнениями исследователей, живших в прошлом. Они ведь еще не знали того, что мы знаем сегодня. Но зато нам доподлинно известно, что потомки не преминут покачать головой по поводу наших собственных заблуждений и нашего неразумия.
Во времена Гёте многие физики изучали природу света. Тайного советника из Веймара тоже занимала эта проблема, он даже вступил по этому поводу в ожесточенный спор со своими современниками. Мы теперь знаем, что они спорили зря. Ведь предметом занятий Гёте был свет, каким он его видел. Поэт написал в 1805 г.:
Не будь подобен Солнцу глаз,
Не смог бы Солнце он увидеть...
(Эта тема подробно разработана в известной научно-популярно и книге акад. С. И. Вавилова «Глаз и Солнце». (М.: Наука, 1960). – Прим. перев)
Это верно. Но Солнце светит независимо от того, смотрим мы на него или нет. Цель естествоиспытателей как раз и заключается в поисках законов природы, действующих объективно и независимо от нас. Сегодня мы можем найти у Гёте объяснение тому, что ртутная лампа высокого давления в уличном светильнике испускает зеленоватый свет, а отбрасываемая ею тень окрашена в красные тона. Хотя поэт, естественно, еще не знал такой лампы, но зато прекрасно разбирался в цветных тенях. Точно так же Гёте, несомненно, сумел бы объяснить нам, почему на телеэкран набегает черная тень, когда с него исчезает лицо диктора. Однако подобные явления больше говорят о строении наших органов чувств, нежели о природе света. Если бы Гёте довелось узнать, что эта проблема вообще лежит за пределам:и возможностей чувственного представления человека, он безусловно воспринял бы такое сообщение с глубоким неудовольствием.
Мы говорим: свет – это электромагнитные волны. Мы рассуждаем о длинах волн света, их скорости и частоте мсолебанкй. Но тут неминуемо встает вопрос: а что же колеблется?
Когда речь идет о водяных волнах, нам видно, что мсолеблется (хотя наше зрительное восприятие волнообразного движения и является ложным). В случае звука колеблется воздух. Но в случае электромагнитных волн колеблется «поле». Вплоть до 1900 г. физики снова и снова пытались доказать существование колеблющейся среды в форме невидимого газа – эфира, в котором якобы и распространяется свет. Но все опыты оказывались неудачными или приводили к обратному выводу, доказывая, что эфира не существует. Ныне мы утешаемся сравнением: если температура в комнате регулярно опускается и вновь поднимается, то мы можем рассматривать этот процесс как колебание.
'Так Малюс доказал поляризацию света. Если правое зеркало отражает лишь колебания определенных направлений, а остальные гасит, то левое зеркало в соответствующем положении вообще не должно ничего больше отражать
Частоты (то есть число колебаний в секунду) электромагнит ных волн охватывают, как нам сегодня известно, диапазон от 1 Гц до более 1 секстиллиона Гц. Их шкала имеет столь огромную протяженность, что может быть изображена только в логарифмической форме; каждому отрезку логарифмической шкалы соответствуют десятикратные значения по отношению к значениям предыдущего отрезка.
Дециметровые волны, возбуждаемые в радарных установках с целью локации самолетов, судов или дождевых облаков, колеблются с частотой около 3 млрд. Гц. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме составляет 300 000 км/с, т. е 300 млн. м/с, или 3 млрд. дм/с. Чтобы достичь такой частоты все население Земли (примерно 4 млрд.) должно было бы пробежать мимо нас за одну секунду, то есть за время, необходимое для произнесения слов «двадцать один». Если повысить частоту в 100 тыс. раз, то будет достигнута граница области колебаний, технически осуществимых в настоящее время. Умножив это значение еще на 100 млн., мы окажемся в интервале частот радиоактивного гамма-излучения. Его частота – порядка трех секстиллионов герц, это число с 21 нулем (3 • 1021). Хотя это непостижимая для нас величина, значения такого порядка нам все же отчасти знакомы. Вспомните: кубический кристалл с ребром в 1 см содержит примерно 3 • 1024 атомов.
Световой луч падает на брусок из стекла. В нем присутствуют колебания любых направлений. Однако отражается лишь часть света, имеющая вполне определенное направление колебаний. Отраженный луч поляризуется
Свидетельством могущества человеческого разума служит тот факт, что почти весь этот диапазон частот находит техническое применение. Однако мы здесь ограничимся в основном областью видимого света с частотой колебаний в несколько квадриллионов герц. Говоря об угловых зеркалах, мы подразумеваем, что законы оптики действительны и для радара (до 100 млрд. Гц). Затем был описан опыт Макса фон Лауэ, который определил строение решетки каменной соли с помощью рентгеновских лучей (1000 квадриллионов Гц).
Современники Гёте, разумеется, ничего не ведали ни об электромагнитных полях, ни о частотах колебаний световых волн. Однако они знали важнейшие законы геометрической оптики (отражение, преломление), и им было известно, что свет можно описать как волну.
Двупреломляющие кристаллы поляризуют свет
В 1807 г. французский физик и инженер Этьен Луи Малюс произвел свой известный опыт с двумя отражающими стеклянными пластинками. В опыте Малюса световой луч падает на зеркало под углом 56°. При этом луч, естественно, отражается в соответствии с законом: угол падения равен углу отражения. Отраженный луч Малюс направил на другое зеркало и тоже под углом 56°. Пока второе зеркало было ориентировано параллельно первому, луч отражался от него вполне нормально. Но как только Малюс повернул второе зеркало относительно первого на 90°, второе зеркало перестало отражать. Оно осталось темным. Как же объяснить это внезапное «исчезновение света»? Мы будем исходить из того, что первоначально, до падения на первое зеркало, световые колебания были направлены во все стороны, причем вспомним, что колебания испытывает не материя, а поле. Однако не станем ломать себе голову над тем, как происходят световые колебания; предоставим это специалистам.
Тут мы знакомимся с новым и поразительным свойством зеркала. Оно сортирует разнонаправленные световые колебания и отражает только ту часть падающего света, которая колеблется в направлении, определенным образом ориентированном по отношению к поверхности зеркала. Колебания всех других направлений обратно не посылаются. Это явление называется поляризацией. Зеркало поляризует свет. Следовательно, первое зеркало отбрасывает на второе поляризованный свет. Если второе зеркало установлено так, что его поверхность «правильно» ориентирована по отношению к направлению поляризации, то оно без всяких осложнений отражает световой луч. Но если его поверхность установлена «неправильно», то зеркало лишается способности отражать. Впрочем, свет поляризуется зеркалом не полностью. Он еще сохраняет остатки колебаний, ориентированных под небольшими углами к основному направлению. Поэтому второе зеркало при малых отклонениях от параллельного положения еще не темнеет. Свет в зеркале слабеет лишь по мере вращения зеркала, пока наконец не погаснет окончательно при повороте его на 90°.
Некоторые силикаты (минералы кремния) построены из цепочек [8Ю2]-тетраэдров, у которых возможно зеркальное отражение. Вот почему кристаллы кварца появляются в виде правой и левой форм
Англичанин У. Николь (1768-1851) в 1829 г. (то есть еще при жизни Гёте) открыл другую возможность получать поляризованный свет. Он пропустил световой луч через кристалл известкового шпата (Оптический кальцит, или известковый шпат, – достаточно крупные водя-нопрозрачные кристаллы углекислого кальция – в минералогии принято называть исландским шпатом. – Прим. перев). К его немалому удивлению, кристалл расщепил этот луч на два разнонаправленных световых луча. Николь установил, что луч, пересекающий кристалл по прямолинейной траектории, является поляризованным. Доказал он это точно так же, как Малюс в опыте с зеркалами. Позади первого кристалла он поместил другой такой же. Если второй кристалл был расположен «правильно», то он пропускал поляризованный свет. Если же (после поворота) он оказывался в «неправильном» положении, то свет в нем гас.
Между тем техники научились использовать поляризацию света для самых различных целей. Теперь изготавливаются большие поляризационные фильтры. Они состоят из бесчисленного множества параллельно ориентированных игольчатых кристаллов сильно поляризующих веществ, нанесенных на тонкие пленки. Такие фильтры применяются, например, в фотографии для защиты от мешающих отражений (бликов) (Изучение оптических свойств минералов также ведется главным образом в поляризованном свете, при помощи поляризационного микроскопа (снабженного поляризатором и анализатором). – Прим. перев).
Как превратить шестиугольник в квадрат. В головоломках на разрезание и складывание фигур необходимо прежде всего найти такой способ разделения, который годится для обеих фигур
Тем временем выяснилось, что стекла и прозрачные пластмассы в напряженном состоянии оптически активны, то есть поляризуют свет подобно кристаллам кальцита и многих других веществ. Однако степень поляризации в этих случаях зависит от величины внутреннего напряжения. Этот эффект используется конструкторами, чтобы составить картину распределения и величины внутренних напряжений. Изготовляют модель из органического стекла, ее нагружают и рассматривают через поляризационный фильтр. Ввиду того что дневной свет, преломляясь, разлагается на составляющие его цвета, линии на эпюре напряжений тоже кажутся цветными. Они дают пластическое изображение внутреннего состояния напряженного материала.
Поляризующие стекла, применяемые в солнцезащитных очках, состоят из двух скрещенных поляризационных фильтров. В зависимости от степени их углового перекрытия регулируется яркость света, пропускаемого к глазам. Преимущество таких очков состоит в том, что они равномерно отфильтровывают все волны любой длины, тогда как прочие виды окрашенных стекол в солнцезащитных очках задерживают лишь волны определенного диапазона.
Строение молекулы винной кислоты допускает три варианта: L-винная кислота (а), D-винная кислота (б) и мезовинная кислота (в)
Кристаллографы, естественно, тоже пропускали поляризованный свет через всевозможные кристаллы. При этом кристаллы некоторых веществ, например кварца, обнаружили неожиданный эффект. Оказалось, что одни кристаллы кварца вращают пло-кость поляризации влево, а другие – вправо. Это вновь возвпя щает нас к левому и правому кварцу. По-видимому, здесь стой коротко описать, каким образом измеряется вращение плоскост поляризации. Прежде всего, пропустив свет сквозь кристалл получают поляризованный световой луч. (Некоторые физики воз ражают против использования здесь слова «луч», однако нам кажется, что в предлагаемой книге всюду, где это только возможно, следует пользоваться общепонятным лексиконом) Направление колебаний этого луча легко определить с помощью другого подходящего кристалла. Обычно этот второй кристалл (анализатор) поворачивают таким образом, чтобы он совсем не пропускал света. Введя теперь между поляризующими кристаллами или фильтрами исследуемый кристалл, мы обнаружим, что кристалл-анализатор вдруг снова стал пропускать свет. Дело в том, что исследуемый кристалл повернул плоскость поляризации света, прошедшего через первый поляризующий кристалл. Чтобы вновь достичь темноты, второй кристалл поворачивают на некоторый угол вправо или влево в зависимости от того, является ли изучаемый кристалл лево– или правовращающим.
Для выполнения подобных опытов выпускается специальная аппаратура, позволяющая весьма точно измерять угол вращения. Интересно, что многие оптически активные (вызывающие вращение плоскости поляризации света) вещества растворяются в жидкостях, не теряя этого свойства, что позволяет химикам использовать поляризационные приборы для проведения так называемого полярографического анализа. Справедливо следующее правило: чем больше вещества находится в растворе, тем сильнее вращение. На этом правиле основаны поляриметрические методы быстрого определения концентраций.
АСИММЕТРИЯ ВНУТРИ СИММЕТРИИ
Собственно говоря, симметрия и асимметрия должны бы взаимно исключать одна другую – как черное и белое или как день и ночь. Так оно и происходит на самом деле, пока симметрия или ее антипод рассматриваются по отношению к одному и тому же телу.
Тот факт, что растворы оптически активных веществ вращают плоскость поляризации в точности так же, как кристаллы, однозначно доказывает, что само кристаллическое состояние не может служить причиной этого явления. Ведь в растворе кристаллов лет. Но как в оптически активном кристалле, так и в растворах, обладающих этим свойством, присутствуют молекулы. Кристаллы, построенные – подобно металлам – из одних только атомов, оптически неактивны (кроме того, они непрозрачны!) Высокоупорядоченный кристалл, состоящий из ионов Na+ Cl-,тoжe не действует на проходящий свет. Однако кварц имеет более сложное строение, чем хлорид натрия. Если вы еще не забыли школьного курса химии, то должны помнить, что кварц – это диоксид кремния, химическая формула которого SiO2. Кремний, как и углерод, находится в четвертой группе периодической системы. А углерод (помните?) постоянно изображают со связями:
Строение гена. Спирали связаны между собой через определенные 'строительные детали'
Кремний, принадлежащий к той же группе, что и углерод, также четырехвалентен. Химия кремния, подобно химии углерода, весьма сложна. Кристаллическая структура кварца представляет собой трехмерный каркас из длинных цепей, построенных в форме винтовых лестниц. Разумеется, винтовые лестницы полностью асимметричны. Однако они бывают лево– и правосторонними, как изображение и его зеркальное отражение. Связанные между собой асимметричные цепи образуют либо левый, либо правый кристалл. Соответственно они оказывают оптическое влияние на свет.
У водорастворимых кристаллов органических соединений зеркальная симметрия молекул прослеживается как в твердом, так и в растворенном состоянии. Известный пример – винная кислота. Она встречается в виде левых и правых кристаллов. Соответственно ведет себя и ее раствор. Под праЬым направлением здесь всегда понимается направление по часовой стрелке. Таким образом, левая винная кислота вращает плоскость поляризации против часовой стрелки. Нидерландский физикохимик Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852-1911) объяснил такое поведение винной кислоты, исходя из строения ее молекулы. При одном и том же химическом составе можно написать три разные структурные формулы винной кислоты. Каждый из двух центральных атомов углерода в любом случае связан с группой СООН. В органической химии эта группа – отличительный признак кислоты. Проглотив таблетку аспирина или попробовав на язык уксус, вы ошущаете кисловатый вкус, он обусловлен именно присутствием группы СООН. Для нас, однако, важнее правая и левая связи атомов углерода. Они связывают либо атом водорода, либо группу ОН. Именно здесь кроется возможность возникновения двух зеркально-симметричных вариантов их взаимного расположения и, помимо того, третьего варианта, который симметричен сам по себе.
Красивый пример разложения узора. Мотив из восьмиугольников разлагается на квадраты
В книгах по химии вы часто можете встретить обозначения L– и D-винная кислота, производные от латинских слов laevus – левый и dexter – правый. Теперь нам уже нетрудно сообразить, что вещество, носящее название «декстро-энерген», должно быть оптически активным и притом правовращающим. В молекуле виноградного сахара (торговое наименование которого и есть «декстро-энерген») присутствует цепочка из атомов углерода, «подвески» которой могут быть синтезированы право– или левосторонними.
Вант-Гофф, впрочем, не пользовался такой простой плоскостной моделью, как мы. Он сразу рисовал ее в объемном изображении, что больше отвечает действительности. Каждый из четырех углеродных атомов винной кислоты расположен в вершине тетраэдра. К этим угловым атомам углерода и привязаны прочие атомы, кислородные и водородные.
Аммонит, окаменелость, возраст которой 180 млн. лет, – пример логарифмической спирали
Вследствие этого из одного совершенного Платонова тела (каким является тетраэдр) возникают дае различные, зеркально-симметричные формы. Однако здесь, как и в любой области естествознания, мы не должны воспринимать такие описания буквально. Речь идет всего лишь о картинках и моделях, назначение которых – помочь нам разобраться в тех или иных явлениях. Чтобы легче представить, как из асимметричных молекул вдруг возникает симметричный кристалл, рассмотрим несколько примеров на плоскости.
Под рубриками вроде «В часы досуга» порой встречаются задачи, где предлагается разложить одну плоскую фигуру, скажем шестиугольник, и образовать из нее другую плоскую фигуру, например квадрат. В данном случае две высокосимметричные плоские фигуры составляются из одинаковых асимметричных элементов. В свое время ведущим умельцем в такого рода разложениях и сложениях слыл австралиец Гарри Линдгрен (Линдгрен Г. Занимательные задачи на разрезание. -М.: Мир, 1977). Чтобы еще больше затруднить решение подобных задач, ставится дополнительное условие: обойтись возможно меньшим числом составных элементов. Линдгрен и другие любители, увлекавшиеся разложением фигур, отваживались разлагать даже узоры кафеля. В качестве иллюстрации позаимствуем разложение узора из восьмиугольников с маленькими квадратами в мотив из квадратов той же площади, что и восьмиугольники, причем малые квадраты в новом узоре сохраняются, но в несколько смещенном положении.
Раковина обычной улитки, которую можно найти у обочины дороги,-чудо формотворчества
Когда Вант-Гофф опубликовал свою теорию о правых и левыx молекулах она была встречена в штыки. Многие из его единственно удовлетворительное объяснение вращению поляризованного света, поэтому она все же получила признание. Тем временем химики разработали методы прямого определения формы молекул. И мы теперь знаем, что Вант-Гофф был прав.
АСИММЕТРИЯ ЛЮБОЙ ЦЕНОЙ
Природа всегда отбирает среди множества вариантов те, которые проще и надежнее всего обеспечивают жизнь и ее продолжение. Естественно, ее действия отличны от действии человека отыскивающего нужное слово в словаре или Рвение задачи в учебнике. Она просто вслепую воспроизводит все решения, как верные, так и ложные, полагаясь на то, что наилучшее из к пробьет себе дорогу, выживет в процессе эволюции, на протяжении сотен тысяч или миллионов лет. Подобно тому как это происходит и в технике (здесь уж, конечно, не без помоп человека), в живой природе побеждает то, что наиболее просто и надежно.
Одна из важнейших предпосылок жизни – наследственность Потомками лошадей снова и снова должны быть лошади И своих основных чертах они должны походить на родителей Австрийский естествоиспытатель Грегор И. Мендель (1822-1884) в 1860 г. на основании своих знаменитых опытов по гиб пи дизации сортов гороха (!) пришел к выводу, что дети половину наследственных факторов получают от одного из родителей я половину – от другого. Благодаря успехам современной микро биологии мы довольно отчетливо представляем себе, как это осуществляется с помощью носителей наследственности – генов
Полевой вьюнок обвивает ветку справа налево
Мы опять, как видите, вернулись к модели генной спирали построенной Уотсоном и Криком. При оплодотворении женского яйца наследственность может передаваться только в материальной форме. При этом однозначно должно указываться какие именно признаки наследуются. Здесь сразу же намечаются два возможных пути осуществления этой задачи.
Первый путь – это образование определенных химических соединений, каждое из которых соответствует наследуемому свойству. Однако он содержит много недостатков. И прежде всего он сопряжен с использованием огромного количества различных соединений для передачи всего набора наследуемых свойств. Вполне вероятно, что для передачи свойства «длинные ноги» лошади потребуется совсем иное химическое соединение, чем для передачи того же свойства блохе или слону. Кроме того, некоторые соединения неоднозначны: достаточно вспомнить о левой и правой винной кислоте. Более простым является другой путь кодирования информации, основанный на том же принципе, что и работа телеграфного аппарата системы Морзе или телетайпа. Телеграф «знает» и использует только три «структурных элемента»: тире, точку и пробел. Но информация, записанная с помощью азбуки Морзе, может содержать ошибки (а при передаче наследственности это недопустимо). Так, увидев на телеграфной ленте бессмысленное слово «зергало», телеграфист, надо думать, поймет из контекста, что имеется в виду зеркало. В случае особых сомнений он может запросить передающую станцию. Однако во избежание подобных недоразумений, чтобы исключить искажения, лучше подстраховаться. Наиболее простой способ – при передаче каждая буква дублируется: «ззееррккааллоо». Вероятность дважды заменить букву гораздо меньше, чем совершить ошибку один раз. К тому же при таком способе кодирования всегда известно, где начало, а где конец сообщения. Если мы прочитали на ней «топор», то однозначно заключаем, что это никак на «ропот». В силу всех этих преимуществ в природе в ходе естественного отбора для передачи наследственной информации победил принцип «азбуки Морзе». Лента, несущая эту информацию, состоит из молекул сахара и фосфата, построенных в два ряда. В каждом ряду они чередуются через одну: сахар – фосфат – сахар – фосфат. В пределах обоих рядов напротив каждой молекулы сахара располагается тоже молекула сахара, а против каждой молекулы фосфата – молекула фосфата. Промежутки между парами сахар – сахар (но не фосфат – фосфат) заполнены еще четырьмя видами химических соединений, которые получили следующие названия: аденин (А), цитозин (Z), гуанин (G) и тимин (Т). Запомним лишь обозначающих их буквы A, Z, G и Т. А всегда связано с Т, a Z – с G. Одна их групп всякий раз связывает пары сахар – сахар обоих рядов. В наглядном изображении получается полоса, напо-лестницу, поручни которой состоят из сахара и фосфата (ступеньки) – из групп А – Т или Z – G. Для ступенек возможны комбинации Т – А и А – Т наряду с Z – G и G – Z. Кроме того, последовательность перекладин может быть произвольной: скажем, комбинации Z – G могут следовать подряд несколько раз. Но пока такая лестница, подобно лестнице, которой пользуется электрик, остается прямой, она все еще сохраняет возможность оказаться симметричной. Последствия этого могли бы стать катастрофическими для любого живого существа. Но к счастью, концы «лестницы» спирально закручены. Такая абсолютная асимметрия исключает всякую генетическую ошибку.
Чешуйки обегают сосновую шишку по спирали
Построив свою модель, Уотсон и Крик получили первое показательство ее правильности. Размеры отдельных молекул бьши им известны. Действительности могла соответствовать лишь такая модель, к которой свободно подходили бы все структурные элементы. И только двойная спираль удовлетворяла этому требованию. Читатели, ближе знакомые с этим предметом знают что речь все время идет о дезоксирибонуклеиновой кислоте. Ввиду громоздкости этого слова чаще принято обозначать ее сокращенно – ДНК. Молекула ДНК, помимо способности к безошибочному обозначению наследуемых свойств, имеет и одно преимущество: она одинаково пригодна как для блох, так и для слонов и, конечно, для людей тоже. Комбинацией из четырех букв A, Z, Т, G все свойства обозначаются точно так же, как это делается посредствбм трех знаков при использовании азбуки Морзе. Конечно, «телеграфная лента» в этом случае должна быть достаточно длинной, чтобы на ней могли уместиться все команды будущему живому организму. Мы знаем из биологии, что у человека носителями наследственности служат 46 похожих на палочки хромосом. Если растянуть их двойные спирали, то получится лента длиной около метра. А так как атомы и молекулы очень малы (на одном сантиметре их помещается 100 млн ) то на протяжении одного метра оказывается возможным записать всю необходимую информацию. Хотя спирали и асимметричны, можно представить себе их зеркальные отражения. Так существует ли вероятность того, что в некой семье шявятся двое детей, из которых один ребенок окажется зеркальным отражением другого (будет «закручен в другую сторону»), ибо его генные спирали, пусть одинаковые со спиралями генов второго ребенка, зеркально симметричны по отношению к ним? Нет! Все витки ДНК всегда направлены в одну сторону – вправо как у обычного штопора. Поэтому в природе не существует зеркальных отражений с генными спиралями, закрученными в обратаую сторону. Благодаря абсолютной асимметрии и недопущению зеркального отражения вся заключенная в генах информация не может быть перепутана.
Вирусы – белковые соединения, стоящие на пороге живого, – тоже имеют правое направление вращения. Некоторые исключения обнаружены лишь у антибиотиков. Они «закручены» влево; на этом, очевидно, и основано их действие.
Краевой угол между каплей и подложкой служит мерой смачиваемости. Расплывшаяся капля на снимке сверху смачивает подложку, а капля снизу – нет
Вероятно, таков вообще признак жизни – ее стремление образовывав из симметричных молекул асимметричные и затем делать выбор в пользу одного из возможных видов асимметрии. Эта мысль по-видамому ведет свое начало от французского химика биолога и медика Луи Пастера (1822-1895). Уже из одного перечня его профессий видно, что он был человеком поистине универсальных знаний. Человечество обязано ему предохпа нительными прививками против бешенства и других заболеваний Ему принадлежит открытие, что кипячение убивает микробов К Пастеру восходят дезинфекция и методы стерилизации. Oн первым привел также весьма важное для философии и естествознания доказательство того, что живое возникает только из живого.
В молодости Пастер занимался винной кислотой – той самой, о которой мы уже рассказывали. Ему было известно, что наряду с винной кислотой существует химически тождественная ей виноградная кислота. Но обе эти кислоты различаются по их оптическим свойствам. Раствор винной кислоты оптически активен, он вращает поляризованный свет. Раствор виноградной кислоты, напротив, совсем не отклоняет света. Рассматривая кристаллы обеих кислот под микроскопом, Пастер обнаружил, что у винной кислоты они являются либо правыми, либо левыми, а у оптически нейтральной виноградной кислоты половина кристаллов – левые и половина – правые. Тогда он проделал весьма трудоемкую работу по сортировке кристаллов виноградной кислоты и перевел в раствор отдельно правые и левые кристаллы. Оба раствора, как и ожидалось, оказались оптически активными. Часть виноградной кислоты вращала световой луч влево, а часть – вправо.
У клестов-еловиков клювы с перекрещенными концами бывают 'в левом и правом исполнении'. Такая форма клюва очень удобна для расклевывания еловых шишек
Эти явления лишь 50 лет спустя объяснил Вант-Гофф. Однако и Пастер был уже весьма близок к их объяснению. Он продолжил свои эксперименты, помещая микробов в растворы виноградной кислоты. Выяснилось, что микробы способны различать левые и правые молекулы. Они избирательно поедали лишь один их вид. Измерить это оказалось очень просто: в ходе опыта по воздействию микробов на растворы нейтральная виноградная кислота становилась оптически активной. Пастер пришел к заключению, что живые существа, предпочитающие асимметричные молекулы, тоже должны быть асимметричными. Теперь мы знаем, что он был прав. Не только в спирали ДНК, но и всюду, где присутствуют белковые молекулы (а микробы – это высокомолекулярные органические белки), мы встречаемся со спиральным строением.
СПИРАЛИ В ЛЮБВИ
Возможно, это как-то связано со спиральной формой белковой молекулы, но только некоторым низшим животным присущи и внешние признаки спиралей с левым или правым направлением витков. Особенно бросаются в глаза спирали у раковин улиток. С доисторических времен до нас дошли окаменелости, сохранившие спиральные формы раковин. У большинства видов современных улиток раковины закручены вправо. Встречаются, однако, и раковины, завитые влево. Бывают, кроме того, виды улиток, которые строят свои домики, завивая их налево или направо в зависимости от условий окружающей среды.
