Диалоги (май 2003 г.) - Гордон Александр. Страница 22

Полипептиды с правыми аминокислотами есть, например, нейропептиды и так далее, но это не функциональные белки. То есть организмы используют противоположную аминокислоту для строения, для разных функций. Но белки собраны только из левых аминокислот. Поразительным является ещё тот факт, что РНК и ДНК собраны только из правых сахаров. При этом надо заметить, что левые аминокислоты и правые сахара – это не есть зеркальные антиподы. Так просто сложилось, что одни стали называть левыми, а другие стали называть правыми, вот, собственно, и всё.

Таким образом, получается, что, во-первых, у нас эти цепочки самых важных молекул в жизни – белков и аминокислот – собраны только из кирпичиков одного типа хиральности. Это называется свойством гомохиральности, гомохиральные полимеры. И, во-вторых, мы нигде не встречали каких-либо признаков жизни с противоположным строением. То есть, мы нигде не встречали белки, пусть гомохиральные, но собранные из правых аминокислот. Или РНК, или ДНК, тоже пусть гомохиральные, но собранные из левых сахаров.

Почему это должно поражать наше воображение? Потому что есть всё-таки какие-то фундаментальные законы и фундаментальные представления, которыми мы пользуемся в обычной жизни. А эти представления говорят буквально о следующем. Что ответственным за все химические превращения является электромагнитное взаимодействие. А электромагнитное взаимодействие сохраняет зеркальную симметрию. Именно поэтому зеркальные антиподы – левая и правая молекула – в химических реакциях проявляет себя одинаково. Спрашивается, каким же образом в мире, который управляется симметричными силами или симметричными взаимодействиями, могло возникнуть полное нарушение симметрии? Вот это и есть та загадка, над которой бьётся уже, по крайней мере, 150 лет множество учёных.

Конечно, для того чтобы поговорить об этом, о том, каковы взгляды на эту проблему, мы должны перейти (если мы говорим об эволюционном аспекте этой проблемы) к некоему эволюционному сценарию. На самом деле, сейчас не так важно для нас, каков конкретный сценарий. Мы понимаем, что как бы мы ни рассматривали эволюцию Вселенной или эволюцию на Земле, у нас, безусловно, возникает некий химический мир. А раз возникает химический мир, то он должен быть симметричным. Предположим, что у нас есть некий этап, на котором возник симметричный химический мир. Пусть далее в результате каких-то причин этот симметричный мир оказался асимметричным, то есть произошло нарушение симметрии. И возник какой-то асимметричный, но тоже химический мир. И пусть далее в этом уже асимметричном химическом мире каким-то образом (каким, пока мы не знаем) возникли сложные структуры, похожие на белки РНК и ДНК, и зародилась жизнь. Тогда, если мы представляем себе такую логику развития событий, мы должны задать, по крайней мере, два вопроса. Вопрос первый: а возможно ли нарушение зеркальной симметрии в ходе естественных природных процессов? И вопрос второй: а возможна ли сборка сложных структур, пусть даже в асимметричном хиральном мире? Вот об этих двух вопросах – с точки зрения хиральной упорядоченности и хиральной специфики живого материала – мы и поговорим.

Первый вопрос, понятно, это вопрос о химии. И поэтому, я думаю, здесь никто лучше Рэма Костяновского этот вопрос не прокомментирует. Какова история развития этого вопроса?

Р.К. Он восходит к Пастеру. Луи Пастер, будучи молодым учёным, 25 лет от роду, сделал фундаментальное открытие, о котором я сейчас расскажу. Но, прежде всего, надо взглянуть на то состояние духа во Франции, в котором он воспитывался, жил и учился.

На знамёнах французской науки в то время были написаны яркие слова. Первое, что кристаллография – это наука всех наук. И интенсивно развивались идеи геометризма. То есть, что по форме кристалла можно определить форму молекул, входящих в него. Эти две идеи были впитаны им и, естественно, привели к тем открытиям, которые он сделал. Он интенсивно изучал форму оптически активных кристаллов, энантиамерно чистых веществ и рацематов, то есть эквивалентной смеси энантиамеров или антиподов, изучал свойства этих кристаллов.

Одним из объектов была винная кислота – продукт, образующийся при сбраживании виноградного сока. Соль именно этой кислоты выпадает в чанах и бочках в процессе виноделия и носит название «тартар». «Тартарик эйсид», то есть «винная кислота» происходит именно от этого слова.

В.А. То есть решалась совершенно банальная проблема виноделия – как сделать бочки чистыми.

Р.К. Великий шведский химик Шееле установил строение этого соединения – это хиральное соединение. Тогда имели лишь одну оптически активную форму. И случай способствовал тому, что на одной из маленьких винодельческих фабрик рабочий перегрел этот осадок и получил совершенно новое вещество, по составу тождественное той самой тартарной кислоте, но не обладающее характерной для неё оптической активностью. То есть это был уже рацемат («рацемус» – «виноград», отсюда «виноградная кислота»), эта рацемическая винная кислота состоит из равного количества левых и правых молекул.

И уже прямо перед Пастером немецкий кристаллограф Митчерлих сообщил о сенсационном открытии, о том, что он обнаружил абсолютное сходство кристаллов рацемической винной кислоты и оптически активной, природной. И их одинаковую плотность. Это сразу было обсуждено на заседании французской Академии наук, и Пастер буквально зажёгся целью выяснить, в чём тут дело. Он исследовал снова эти кристаллы. И ему удалось обнаружить скошенную грань на кристаллах рацемической соли, натрий-аммониевой соли. И это зеркально противоположная скошенная грань наблюдалась и на других кристаллах.

И вот тут его осенила догадка – это смесь оптически активных кристаллов той самой природной винной кислоты и её антипода, и их надо было просто разделить. И вот он разделил кристаллы с левым и правым скосом и получил, что знак оптической активности одних кристаллов – левый, других – правый. Вот так состоялось это открытие. Что оно означает?

Оно означает принципиальную возможность спонтанного нарушения симметрии. То есть на уровне монокристаллов это возможно. Вот что доказал Пастер.

В том же самом 1848 году он демонстрировал этот эксперимент своему учителю Био, который тщательно своими руками проверял оптическую активность, форму кристаллов, чтобы убедиться в том, что это не ошибка. И доложил об этом успехе на заседании французской Академии наук, которая в то время тщательно следила за всё новыми находками.

Удивительно, что в том же самом году, в той же самой Франции, в Париже, математик Браве, который ничего не знал об экспериментах Пастера, путём чистого математического расчёта обнаружил строгое количество возможных кристаллических решёток. Решётки Браве существуют до сих пор в кристаллографии.

И завершил теорию кристаллографии наш русский учёный Фёдоров. В 1890-м году он открыл, что существует 230 и только 230 способов идеального заполнения пространства.

В.А. Здесь имеется в виду плотная упаковка – «идеальное заполнение пространства».

Р.К. Он вывел это чисто теоретически. Что есть только 230, как он называл, способов создания пространства. И среди этих 230 групп – 65 хиральных.

В.А. А что значит «хиральные группы»? Это не вполне понятно.

Р.К. То есть этот кристалл строится только из молекул одной хиральности.

В.А. То есть сам кристалл обладает свойством зеркальной диссимметрии, существует две формы кристалла, несовместимые одна с другой, левая форма и правая. По-видимому, это то, что наблюдал Пастер в своём эксперименте, когда он разделил на левое и правое.

Р.К. То есть независимо, чисто теоретически, математика пришла к неизбежности такого фундаментального явления. Таким образом завершилось абсолютное доказательство возможности спонтанного нарушения симметрии – предопределённое, просто предопределённое. Таким образом, возникновение жизни уже предопределено.

А.Г. Но всё-таки хотелось бы понять, каковы должны быть условия для этого спонтанного разделения.