8. Симметрия в природе.

1. Определение симметрии.

Слово "симметрия" имеет греческое происхождение и переводится как "соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей".

Симметрия предполагает неизменность какого-либо объекта (или его свойств) по отношению к тем или иным преобразованиям, которые выполняются над объектом.

Так, например, бабочка симметрична по отношению к отражению в воображаемом зеркале, разделяющем бабочку пополам вдоль ее туловища. Равносторонний треугольник симметричен по отношению к повороту на 120 градусов вокруг оси, проходящей через его центр масс (точка пересечения медиан) и перпендикулярной к плоскости треугольника. Такие объекты, как, например, полимерные цепные молекулы белков (объекты, вытянутые вдоль какого-либо направления), симметричны по отношению к переносу (смещению) вдоль него на некоторое расстояние.

Здесь мы встречаемся с основными типами преобразований симметрии. В первом случае говорят о зеркальной, во втором - поворотной и в третьем о переносной (трансляционной) симметрии.

В общем случае то или иное преобразование симметрии сводится к трем данным преобразованиям или их комбинациям.

2. Симметрия в природе

Такие объекты живой природы, как бабочка, лист растения, рак обладают зеркальной симметрией относительно плоскости, делящей их на две зеркально равные части. Такой вид симметрии носит название двусторонней или билатеральной. Двусторонняя симметрия в неживой природе не имеет преобладающего значения, но зато очень богато представлена в живой природе. Она характерна для внешнего строения тела человека, млекопитающих, птиц, пресмыкающихся, земноводных, рыб, насекомых, а также многих растений.

Если некоторый объект нельзя совместить с его зеркальным двойником (отражением) с помощью каких-либо перемещений и поворотов, то такие объекты называют стереоизомерами. Примерами стереоизомеров являются: рука человека, кристаллы кварца, винты с правой и левой нарезкой. О стереоизомерах говорят, что они зеркально-асимметричны. Объекты-стереоизомры имеют одинаковую форму, размеры и в то же время различны, т.к. не совпадают со своим зеркальным образом.

Одну из двух форм стереоизомера (произвольно какую) называют правой- П, зеркально-отраженную форму - левой- Л.

Одним из достижений в изучении П- и Л-форм является открытие того факта, что ряд свойств П- и Л-форм биообъектов качественно различаются друг от друга (дисимметрия жизни). Так антибиотик пенициллин вырабатывается грибком только в П-форме; искусственно приготовленная Л-форма его антибиотически неактивна. Обычно в природе П- и Л-формы встречаются не в равных количествах. Как правило преобладает либо П-, либо Л-форма, а в живых организмах зеркально-асимметрические молекулы встречаются только в виде какой-либо одной форме. Согласно одной из существующих гипотез, причинами неравноправия П- и Л-форм могут быть дисимметрические элементарные частицы, а также правополяризуемый свет, который в небольшом избытке всегда присутствует в рассеянном солнечном свете и образуется при отражении обычного света от зеркальной поверхности морей и океанов.

На преобладание в живых организмах зеркально-асимметричных молекул в виде только одной формы (П или Л) впервые обратил внимание Луи Пастер (1822-1895). Пастер и позднее В.И. Вернадский полагали, что именно здесь проходит граница между живой и неживой природой.

М. Гарднер писал: "Одна из наиболее замечательных черт жизни - это способность организма извлекать из окружающей среды химические соединения, молекулярная структура которых по большей части симметрична, и изготовлять из них правые или левые асимметрические соединения углерода. Растения, например, используют симметричные неорганические соединения вроде воды и углекислого газа и превращают их в асимметричные молекулы крахмала и сахара... Тела всех живых существ насыщены асимметричными молекулами, а также асимметричными спиралями белков и нуклеиновых кислот".

С вопросами зеркальной симметрии тесно связана и проблема возникновения жизни на Земле, появление которой связывают с нарушением существовавшей до того зеркальной симметрией в неживой природе. Согласно одной из гипотез (Л.Л. Морозов) переход о мира зеркально-симметричных молекул к чисто П- или Л-формам произошел не в процессе длительной эволюции, а скачком - "Большой биологический взрыв", в результате акта самоорганизации материи.