1.3.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 нет.
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+CI- ,тоже не
действует на проходящий свет. Однако
кварц имеет более сложное строение, чем
хлорид натрия. Кварц — это диоксид кремния,
химическая формула которого Si02.
Кремний, как и углерод, находится в четвертой
группе периодической системы. А углерод
постоянно изображают со связями: =С=
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
водо-растворимых 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 правым 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 ощущаете 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.
В
книгах по химии часто можно
встретить обозначения L- и D-âèííàÿ
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 лево- сторонними.
Вант-Гофф,
впрочем, не пользовался такой
простой плоскостной моделью,
как мы. Он сразу рисовал ее
в объемном изображении, что
больше отвечает действительности.
Каждый из 4-ёх углеродных атомов
винной кислоты расположен в
вершине тетраэдра. К этим угловым
атомам углерода и привязаны
прочие атомы, кислородные и
водородные.
Вследствие
этого из одного совершенного
платонова тела (каким является
тетраэдр) возникают две 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.
Раньше
под рубриками вроде “В часы
досуга” порой встречались 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. 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.
Когда
Вант -Гофф опубликовал свою теорию
о правых и левых молекулах,
она была встречена в штыки.
Многие из его современников
никак не хотели согласиться с
тем, что атомы в молекуле должны располагаться
именно так, как их поместил Вант- Гофф.
Однако теория нидерландского профессора
давала 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.
1.4 .
Антисимметрия
Антисимметрией называется противоположная
симметрия, или симметрия противоположностей.
Она связана с переменой знака
фигуры: частицы – античастицы,
выпуклость – вогнутость, черное
– белое, растяжение – сжатие,
вперед – назад и т.д.
Это понятие можно объяснить
примером с двумя парами черно
– белых перчаток. Если из куска
кожи, две стороны которой окрашены
соответственно в белый и черный
цвета, сшить две пары черно-белых
перчаток, то их можно различать
по признаку правизны - левизны,
по цвету черноты и белизны,
иначе говоря , по признаку законинформатизма
и некоторому другому признаку.
Операция антисимметрии состоит
из необыкновенных операций симметрии,
сопровождаемых переменой второго
признака фигуры.
Симметрию и дисимметрию можно
рассматривать, по крайне мере,
в трех аспектах:
- как фундаментальные
(общеизвестные) объективные законы, в
соответствии с которыми должна протекать
материальная и духовная жизнь человечества;
- как особый
предмет исследования;
- как средство
познания.
В последнем качестве они могут
выступать сами по себе, а лишь
в результате адекватного отражения
их человеком – в виде соответствующих
научных и эстетических категорий.
1.5.
Дисимметрия
Дисимметрией
называется внутренняя, или расстроенная,
симметрия, т.е. отсутствие у объекта
некоторых элементов симметрии.
Например, у рек, текущих вдоль
земных меридианов, один берег выше
другого(в Северном полушарии правый
берег выше левого, а в Южном -наоборот).
По Пастеру дисимметричной является
та фигура, которая не совмещается
простым наложением своим зеркальным
отражением.
Величина
симметрии дисимметричного объекта
может быть сколь угодно высокой.
Дисимметрию в самом широком
смысле ее понимания можно было бы
определить как любую форму приближения
от бесконечного симметричного объекта
к бесконечно асимметричному.
2.Роль
симметрии и асимметрии
в познании живой и неживой
природы
Симметрией
обладают объекты и явления
живой природы. Она не только
радует глаз и вдохновляет
поэтов всех времен и народов,
а позволяет живым организмам
лучше приспособиться к среде
обитания и просто выжить.
В
живой природе огромное большинство
живых организмов обнаруживает
различные виды симметрий (формы,
подобия, относительного расположения).
Причем организмы разного анатомического
строения могут иметь один
и тот же тип внешней симметрии.
Внешняя
симметрия может выступить в
качестве основания классификации
организмов (сферическая, радиальная,
осевая и т.д.) Микроорганизмы, живущие
в условиях слабого воздействия
гравитации, имеют ярко выраженную
симметрию формы.
А
симметрия присутствует уже на
уровне элементарных частиц и
проявляется в абсолютном преобладании
в нашей Вселенной частиц над
античастицами. Известный физик
Ф. Дайсон писал: "Открытия последних
десятилетий в области физики
элементарных частиц заставляют
нас обратить особое внимание
на концепцию нарушения симметрии.
Развитие Вселенной с момента
ее зарождения выглядит как
непрерывная последовательность
нарушений симметрии.
В
момент своего возникновения
при грандиозном взрыве Вселенная
была симметрична и однородна.
По мере остывания в ней
нарушается одна симметрия за
другой, что создает возможности
для существования все большего
и большего разнообразия структур.
Феномен жизни естественно вписывается
в эту картину. Жизнь - это
тоже нарушение симметрии"
Молекулярная асимметрия открыта Л. Пастером,
который первым выделил "правые"
и "левые" молекулы винной кислоты:
правые молекулы похожи на правый винт,
а левые - на левый. Такие молекулы химики
называют стереоизомерами. Молекулы стереоизомеры
имеют одинаковый атомный состав, одинаковые
размеры, одинаковую структуру - в то же
время они различимы, поскольку являются
зеркально асимметричными, т.е. объект
оказывается нетождественным со своим
зеркальным двойником. Поэтому здесь понятия
"правый-левый" - условны.
В
настоящее время хорошо известно,
что молекулы органических веществ,
составляющие основу живой материи,
имеют асимметричный характер, т.е.
в состав живого вещества они
входят только либо как правые,
либо как левые молекулы. Таким
образом, каждое вещество может
входить в состав живой материи
только в том случае, если оно
обладает вполне определенным
типом симметрии. Например, молекулы
всех аминокислот в любом живом
организме могут быть только
левыми, сахара - только правыми.
Это
свойство живого вещества и
его продуктов жизнедеятельности
называют дисимметрией. Оно имеет
совершенно фундаментальный характер.
Хотя правые и левые молекулы
неразличимы по химическим свойствам,
живая материя их не только
различает, но и делает выбор.
Она отбраковывает и не использует
молекулы, не обладающие нужной
ей структурой. Как это происходит,
пока не ясно. Молекулы противоположной
симметрии для нее яд.
Если
бы живое существо оказалось
в условиях, когда вся пища
была бы составлена из молекул
противоположной симметрии, не
отвечающей дисимметрии этого
организма, то оно погибло бы
от голода. В неживом веществе
правых и левых молекул поровну.
Дисимметрия - единственное свойство,
благодаря которому мы можем
отличить вещество биогенного
происхождения от неживого вещества.
Мы не можем ответить на
вопрос, что такое жизнь, но
имеем способ отличить живое
от неживого.
Таким образом, асимметрию можно рассматривать
как разграничительную линию между живой
и неживой природой. Для неживой материи
характерно преобладание симметрии, при
переходе от неживой к живой материи уже
на микроуровне преобладает асимметрия.
Принцип
симметрии - утверждает, что если
пространство однородно, перенос
системы как целого в пространстве
не изменяет свойств системы.
Если все направления в пространстве
равнозначны, то принцип симметрии
разрешает поворот системы как
целого в пространстве. Принцип
симметрии соблюдается, если изменить
начало отсчета времени. В соответствии
с принципом, можно произвести
переход в другую систему отсчета,
движущейся относительно данной
системы с постоянной скоростью.
Неживой мир очень симметричен.
Нередко нарушения симметрии
в квантовой физике элементарных
частиц - это проявление еще более
глубокой симметрии. Ассиметрия
является структурообразующим и
созидающим принципом жизни. В
живых клетках функционально-значимые
биомолекулы асимметричны.: белки
состоят из левовращающих аминокислот
(L-форма) , а нуклеиновые кислоты
содержат в своем составе, помимо
гетероциклических оснований, правовращающие
углеводы - сахара (Д-форма) , кроме того
сама ДНК - основа наследственности
является правой двойной спиралью.