— Я взглянул в сетку и, сунув в нее руку, с чисто конхиологическим, попросту говоря, с самым пронзительным криком, какой когда-либо вырывался из человеческого горла, вынул оттуда раковину.
Что случилось с господином профессором? — спросил с удивлением Консель. — Не укусил ли кто господина профессора?
— Не беспокойся, друг мой! Но я охотно бы поплатился пальцем за такую находку.
— Находку?
— Вот за эту раковину, — сказал я, показывая ему предмет своего восторга.
Да это же простая пурпурная олива, рода олив, отряда гребенчато-жаберных, класса брюхоногих, типа моллюсков….
— Верно, Консель! Но у раковины завиток идет не справа налево, как обычно, а слева направо!
Жюль Верн (из его романа «20 000 лье под водой» заимствован этот отрывок) глубоко понимал научные проблемы своей эпохи — в отличие от некоторых современных научных фантастов. Асимметрия живых организмов, определяемая в конечном счете асимметрией молекул, из которых они построены, и сегодня выдвигает множество важных и нерешенных вопросов. В то же время с асимметрией связаны прекрасные возможности для исследования строения молекул.
Двухатомные и трехатомные молекулы симметричны, в том смысле, что через три и тем более две их точки можно провести плоскость. Поэтому, например, молекула Н — О — С!, имеющая форму треугольника, совпадает со своим зеркальным отражением в этой плоскости (рис. 1). Но молекулы, содержащие четыре и больше атомов, могут быть и асимметричными. Молекула СНСlВr2 симметрична, потому что плоскость, проходящая через атомы С, Н, Сl, делит ее на две одинаковых половинки — правая и левая сторона молекулы неразличимы (рис. 2). А вот молекула С*НСlВrJ уже асимметрична — такую плоскость через нее провести невозможно. Как это принято в курсах химии, мы отметили атом углерода в таком соединении звездочкой. Это — асимметрический атом углерода, четыре валентности которого связаны с четырьмя разными атомами или группами атомов.
Наша асимметричная молекула С*НСlВrJ (хлорбромйодметан) может существовать в двух формах — правой и левой (рис. 3). Они относятся друг к другу, как правая и левая рука. И сколько ни верти их в пространстве, они друг с другом не совпадут.
Я на правую руку надела
Перчатку с левой руки…
(Анна Ахматова)
Такое возможно только в минуту сильного душевного смятения, описываемого поэтессой. И все равно перчатка не подойдет!
Рисовать молекулы просто. А как узнать в действительности, что вещество состоит из правых или левых молекул? Или из смеси тех и других? И как такую смесь разделить?
Почти все химические и физические свойства правых и левых молекул одного и того же вещества — так называемых зеркальных антиподов — тождественны. В самом деле, они содержат те же самые атомы, те же самые связи. Температуры плавления и кипения зеркальных антиподов одинаковы. Одинаковы их спектры, их химические реакции и т. д. и т. п. Но все-таки — «почти». Антиподы, по-разному взаимодействуют с любыми асимметричными факторами, в частности с асимметрично поляризованным светом.
Можно получить световой луч, поляризованный вправо, и луч, поляризованный влево. В таком луче вектор, изображающий электрическое поле световой волны, будет вращаться по часовой стрелке или против нее. И если на пути луча окажутся молекулы, то свет будет с ними взаимодействовать. Правые, к примеру, молекулы будут иначе взаимодействовать с правополяризованным светом, чем с левополяризованным (рис. 4). Оказывается, что это очень легко наблюдать.
Пусть свет поляризован линейно. Получить такой луч гораздо легче, чем поляризованный по кругу. Поляризовать свет можно его отражением под определенным углом, пропусканием через поляроидную пленку или специальную призму, сделанную из исландского шпата или кварца, и другими способами. Линейно-поляризованный луч представляет собой результат взаимного наложения двух лучей, поляризованных по кругу вправо и в влево. Если два световых вектора крутятся вправо и влево с одинаковыми скоростями, то суммарный вектор будет колебаться вдоль биссектрисы угла между этими двумя векторами — вдоль одной прямой, как показано на рис. 5. Значит, в линейно-поляризованном свете есть и правая и левая волна.
Если такой луч пропустить через среду, состоящую из правых молекул, то благодаря различию во взаимодействии света с веществом правый луч будет распространяться в среде, скажем, медленнее, чем левый. В результате направление суммарного вектора линейно-поляризованного луча повернется (рис. 6). Значит, асимметричные молекулы обладают способностью вращать плоскость поляризации света — они оптически активны. Чем больше оптически активных молекул встретится на пути луча, тем больше будет поворот плоскости поляризации. Можно, следовательно, определять (и с большой точностью) концентрацию асимметричного вещества по его оптической активности. Так поступают, например, в лабораториях на сахарных заводах, потому что молекулы сахарозы асимметричны (рис. 7) и вращают плоскость поляризации света вправо.
Итак, оптически активные асимметричные молекулы можно обнаружить без труда. А как их получить?
Если химик синтезирует в колбе вещество, состоящее из асимметричных молекул, без вмешательства какого-либо специального асимметричного фактора, то всегда получится смесь равных количеств правых и левых молекул — рацемическая смесь. Это обусловлено вторым началом термодинамики: в отсутствие асимметричного воздействия возникновение правых и левых молекул равновероятно; рацемической смеси отвечает состояние наибольшего беспорядка, наибольшая энтропия — мера этого беспорядка. Рацемическая смесь образуется по той же причине, по которой различные газы или жидкости смешиваются друг с другом или теплота переходит от более нагретого тела к менее нагретому, а не наоборот. Рацемическая смесь, конечно, не вращает плоскость поляризации света.
Для того чтобы разделить такую смесь, нужно воздействовать на нее каким-нибудь асимметричным веществом. Обозначим рацемическую смесь правых и левых молекул (п, л), и пусть они реагируют с чистым антиподом П:
(п, л) + П — п П + л П.
Соединения пП и лП уже не будут зеркальными отражениями друг друга. Такими отражениями были бы
пП Лл и лП Л п.
Следовательно, молекулы п П и л П имеют различное строение и их можно разделить перекристаллизацией или другими способами. Так и поступают химики.
Но откуда взять чистый антипод П для написанной нами реакции? Вот здесь-то и начинается самое интересное.
Чистые антиподы, определенные оптические изомеры, создаются живыми организмами — растительными и животными. Или, точнее, организмы состоят из определенных оптических изомеров, из асимметричных веществ.
Важнейшие для жизни молекулы — белки. Слова Энгельса «жизнь есть способ существования белковых тел…», сказанные более восьмидесяти лет назад, и сегодня сохранили свое значение. Белки представляют собой полимеры — большие цепные молекулы, построенные из звеньев двадцати типов. Это 20 аминокислотных радикалов; некоторые из аминокислот изображены на рис. 8. Все аминокислоты, кроме простейшей из них — глицина N+H3CH2COO-, асимметричны. Замечательное свойство природных аминокислот состоит в том, что во всех организмах, начиная с вируса и кончая человеком, они представлены совершенно определенными антиподами. Это так называемые L-аминокислоты. Латинская буква «эль» не означает, что они вращают плоскость поляризации влево, это просто символ определенного расположения атомов в пространстве, определенной конфигурации, показанной на рис. 9.
Чистые антиподы характерны не только для белков, но и для всех других биологически-функциональных молекул — для нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и так далее. Сахароза, упомянутая выше, также природное соединение — углевод растительного происхождения. А для разделения рацемических смесей на практике обычно применяют алкалоиды — сложные вещества щелочного характера, образующиеся в растениях. К ним относятся хинин, кофеин, стрихнин.
Вдумаемся в сказанное. Получается, что в колбе в силу второго начала термодинамики синтезируется рацемическая смесь. А в живом организме образуются чистые антиподы. Значит ли это, что живые организмы не подчиняются основным законам физики, физической химии?
Сторонники витализма, исходящие из существования некоей непостижимой «жизненной силы», отвечают на этот вопрос положительно. В самом деле, второе начало гласит, что любая совокупность молекул самопроизвольно переходит в состояние наибольшего беспорядка, так, чтобы энтропия была максимальной. Но каждый организм представляет собою систему высокоупорядоченную, апериодический кристалл, по выражению одного из создателей квантовой механики — Эрвина Шредингера.
Так что же, витализм прав? Нет, напротив. Мы допустили в наших рассуждениях неточность. Второе начало, так же как и первое (закон сохранения и превращения энергии), справедливо не для любой системы, а только для системы изолированной, не обменивающейся с окружающей средой ни веществом, ни энергией. В такой системе энергия не постоянна, а энтропия — мера беспорядка — максимальна. Но живой организм — открытая система! Необходимое условие его существования — обмен веществом и энергией с окружающей средой. Значит упорядоченность организма не противоречит термодинамике. И важная черта этой упорядоченности — пространственная асимметрия природных соединений, приводящая и к асимметрии организма как целого.
Мы видим, что вопрос об асимметрии молекул оказывается связанным с основными проблемами биологии. Пойдем дальше. Откуда все-таки взялись асимметричные молекулы в организмах? И какой в них прок?
У нас еще нет убедительного ответа на первый из этих вопросов. Он будет получен, когда наука решит проблему происхождения жизни. Общее признание завоевала развитая академиком А. И. Опариным теория происхождения жизни из неорганических веществ. Теперь все ученые уверены в ее справедливости. Но никому еще не удалось (пока!) получить живой организм искусственно.
Можно думать, что первоначальные живые организмы возникали неравномерно и первичная жизнь зародилась в месте случайного скопления определенных оптических изомеров. Несколько позднее в каком- то другом месте возникла и «зеркальная» жизнь. Но первые зародыши жизни успели за это время продвинуться дальше по пути биохимической эволюции и истребили своих антиподов.
Дает ли преимущества организму его асимметрия? Если бы их не было, асимметрия не закреплялась бы эволюцией. Очевидно, что асимметричным молекулам свойственна большая специфичность химических реакций. Вещество, обозначенное нами выше как П, по-разному реагирует с молекулами п и л. И организм, построенный из чистых оптических изомеров, сможет приспособляться к окружающей среде с большей избирательностью, чем построенный из рацемических смесей.
Мы нуждаемся для жизни в L-амино- кислотах, получаемых из растительных и животных белков, расщепляющихся при пищеварении. D-аминокислоты организмом не усваиваются. Биологические катализаторы — ферменты (это и есть важнейшие белки), будучи построены асимметрично, действуют только на один оптический антипод, не трогая другого. Мы бы умерли с голоду, попав в условия «зеркальной» жизни.
В прелестной сказочной повести Льюиса Кэррола «Алиса в зазеркальи», героиня, пройдя сквозь зеркало, попадает в «отраженный» мир. В нем происходит немало чудес. Но Кэррол, будучи математиком, видимо, не был знаком с физико-химией асимметричных веществ и не использовал соответствующих возможностей для своей фантастики. Эта тема еще ждет своего воплощения.
Асимметрия белков и аминокислот химически продиктована асимметрией углеводов. Гены — вещество наследственности— представляют собой молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Молекула ДНК — матрица, в которой закодирован «белковый текст». Почему же этот текст строится из чистых антиподов, из L-амино- кислот? Потому что сама молекула ДНК асимметрична. На рис. 10 изображено строение одной цепи такой молекулы. Асимметричны входящие в цепь группы дезоксирибозы — углеводные группы. Значит именно в углеводах заложена асимметрия белков и остальных природных соединений.
Существует ли асимметрия в неживой природе? Несомненно. В любом месторождении кристаллического кварца встречаются (примерно в равном количестве) правые и левые кристаллы, вращающие плоскости поляризации в разные стороны (рис. 11). Человек в состоянии отобрать правые кристаллы от левых (это существенно для оптического приборостроения), так как он сам асимметричен и поэтому знает разницу между правым и левым. Именно так поступил в 1848 г. Луи Пастер, впервые выделивший чистые антиподы. Имея дело с рацемической смесью кристаллов винной кислоты, Пастер отделял правые кристаллы от левых — их внешняя огранка различается, как и у кварца; различается и структура их молекул (рис. 12).
Пастер выступил здесь в роли асимметричного фактора, который мы обозначили выше буквой П. Закручивание раковины моллюска в определенную сторону, о котором говорил Жюль Верн, — это выражение все той же асимметрии, присущей живым организмам.
Итак, природные соединения вращают плоскость поляризации света, они оптически активны. Биохимики и биофизики благодарны за это природе. Дело в том, что оптическая активность — свойство молекул, необычайно чувствительное к любым изменениям их строения или межмолекулярного взаимодействия. Изучая оптическую активность при разных длинах волн падающего света, мoжно получить информацию о строении белков, нуклеиновых кислот, углеводов и других соединений.
Полимерные цепи гибки. О гибкости макромолекул нужно писать специально — эта их замечательная способность определяет свойства каучуков и пластмасс. Ограничимся здесь упоминанием о том, что гибкие полимерные цепи способны изменять свою форму при различных воздействиях. Когда молекула белкового катализатора — фермента взаимодействует с катализируемыми ею веществами, она меняет свою форму (конформацию, как сейчас принято говорить). Оптическая активность асимметричной цепи при этом также изменяется. Следовательно, имеется возможность исследовать конформационные превращения белков и других природных соединений, изучая их оптическую активность. Работы в этом направлении широко развернулись в последние годы и у нас, и за рубежом. Они обещают многое — раскрытие строения биологических полимеров, раскрытие природы важнейших биохимических процессов.
При этом наука встречается с весьма сложными теоретическими проблемами. Еще не создана строгая теория, позволяющая точно рассчитывать оптическую активность молекулы известного строения и, наоборот, однозначно определять строение молекулы по ее вращающей способности. Однако имеются приближенные методы расчета, с помощью которых удается получать очень ценные сведения. Дальнейшее развитие теории оптической активности — важная задача.
Изучение строения и свойств природных соединений преследует в сущности две цели. Во-первых — познание биологических процессов на молекулярном уровне. Во- вторых— моделирование и воспроизведение этих процессов. Химия учится у живой природы. Мечта химиков — создание синтетических полимерных катализаторов, подобных ферментам. Ведь ферменты работают гораздо более эффективно, чем любые катализаторы, применяемые сегодня в химической технологии. Очень важно поэтому синтезировать асимметричные полимерные молекулы, моделирующие белки. Это существенно и в другом отношении. Введение в полимер оптически активных групп дает «метку», которая позволяет изучать основные конформационные свойства макромолекул по их оптической активности. Работы в этом направлении также начаты в последние годы.
Старая проблема асимметрии приобрела в наши дни новое богатое содержание. Физическая химия, биохимия, молекулярная биология, физика и химия полимеров — все эти ветви современного естествознания так или иначе соприкасаются с вопросами асимметрии молекул.
Доктор физико-математических наук М. В. ВОЛЬКЕНШТЕЙН