Газета "Московский Университет"

Накануне Фестиваля науки в МГУ вышел красочный спецвыпуск, посвященный науке в нашем университете во всех ее проявлениях. Многих читателей очень заинтересовали опубликованные материалы. Мы рады этому и обещаем продолжить цикл статей по данной тематике.
Редакция «МУ»

Рис. 1

Представления о симметрии в человеческом сознании ассоциируются, в первую очередь, с эстетическими категориями или математикой, однако в неживой и живой природе мы встречаем изумительные по своей красоте фигуры, часто похожие друг на друга и возникшие в процессах самоорганизации.

Эволюционирующие открытые системы развиваются в потоке энергии, образуя регулярные структуры. Существует принципиальная разница между возникающими регулярными структурами в неживой и живой природе. В первом случае — это проявление стихийной самоорганизации в системе. Регулярность биологических систем является следствием биологической эволюции, закрепившим их эффективность при функционировании как биологическую целесообразность.

Рис. 2

Вот две подобные концентрические структуры (см рис. 1). На одной мы видим цветные кольца в агате, образовавшиеся в результате послойного выполнения минеральным веществом полостей в горной породе. А рядом — мальки рыб, собравшиеся вокруг капельки пищи. Фигуры похожи, а причины различны. Но обе они — следствие самоорганизации.

На рис. 2 мы видим концентрические волны, возникающие в ходе реакции Белоусова и распространяющиеся от пульсирующего в центре «водителя ритма». Волны, распространяясь от него, используют распределенную в пространстве химическую энергию реагентов, потом система восстанавливается. Тогда накатывает следующая волна. Похожий волновой режим проявляют лишайники на камне: за каждой волной поверхность должна снова накопить питательные вещества.

Рис. 3

Но химические и биологические волны могут быть также спиральными, причем спирали могут быть вложенными одна в другую. Их называют ревербераторами. На рис. 3 — та же химическая система Белоусова, а справа — на электронномикроскопической фотографии — спираль второго порядка, образованная микротрубочками в выростах на оболочке одноклеточного обитателя наших водоемов — солнечника. У спиральных структур появляется новое свойство — они могут быть «правыми» и «левыми». И это крайне важно для живых систем не только на уровне клеток, организмов и их сообществ, но и на молекулярном уровне.

Первым, кто научно доказал принципиальную важность асимметрии биологических молекул, был великий Луи Пастер, более известный миру как микробиолог. Чуть более столетия назад, в 1904 году, лорд Кельвин в своей лекции в Балтиморе, посвященной динамике молекул и волновой природе света, дал общее определение хиральных объектов («хиральность» — от греческого слова «рука»): вне зависимости от своей физической природы хиральным объектом считается тот, который не может быть совмещен со своим отображением в плоском зеркале — ни перемещениями, ни поворотами, ни изменениями масштаба.

Жизнь на Земле построена на основе углерода (других форм жизни не знаем). Углерод может образовывать четыре равноценные химические связи, направленные как бы из центра правильного тетраэдра к его вершинам. К хиральным веществам относятся соединения, включающие асимметричный атом углерода с четырьмя различными заместителями, имеющими с ним ковалентные связи. Они образуют зеркальные изомеры — энантиомеры, обладающие оптической активностью — способностью вращать плоскость поляризации света (L — влево, D — вправо). Обычный пример: L-аминокислоты (см. рис. 4) и D-сахара. Молекулярная асимметрия в биосфере однозначно реализуется на генетическом уровне и в биосинтезе. Появилось даже специальное понятие «хиральная чистота биосферы».

Рис. 4

Естественный вопрос, зачем нужна гомохиральность живым системам, имеет общий и вполне ясный ответ. Гетерохиральные неразветвленные биополимеры (нуклеиновые кислоты и белки) потеряют свою уникальную стереоспецифичность, если в них случайным образом будут входить мономеры-энантиомеры. Гетерохиральные (по дезоксирибозе) ДНК потеряют необходимое свойство комплементарного взаимодействия в двойной спирали. Белки-ферменты, рецепторы, переносчики также утратят свою уникальную пространственную конфигурацию, необходимую для специфического комплементарного узнавания своих субстратов и лигандов.

Рис. 5

Один из ключевых вопросов происхождения жизни на Земле состоит в том, где и каким образом в неживой природе 3,8 миллиарда лет назад возникла молекулярная хиральная асимметрия (дело в том, что L- и D-изомеры самопроизвольно переходят друг в друга, выравниваясь по концентрациям). На кафедре биофизики физического факультета было впервые установлено, что на неравновесной из-за испарения воды поверхности Мирового океана может происходить накопление «левых» аминокислот и «правых» сахаров. Там же возникали и заключенные в липидные оболочки предшественники живых клеток, характеризовавшиеся хиральной и ионной (клетки накапливают калий в обмен на натрий морской воды) асимметриями.

Но не только проблема возникновения жизни и биологической значимости хиральной асимметрии волнует ученых-биофизиков. Стало известно, что «стремление» левых и правых молекул уравняться в концентрациях свойственно не только неживой природе, но и всем организмам. Увы, с возрастом часть наших L-аминокислот переходит в D. Это случается и в ходе многих заболеваний.

Вот так близко вопросы симметрии смыкаются с насущной для нас проблемой здоровья и долголетия.

И последняя фотография (рис. 5), где мы видим только правые раковины — для размышления читателям.

В.А. Твердислов, профессор, зав. кафедрой биофизики физического факультета

Симметрия, самоорганизация, происхождение жизни

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5