Планеты и жизнь - Лев Мухин

Физики говорят, что эти лучи поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Если определенным образом разрезать, а потом склеить два кристалла исландского шпата, мы получим поляризатор света, который называется призмой Николя.

Она пропускает только «необыкновенный» луч плоскополяризованного света.

Действие призмы Николя можно понять из следующей аналогии. Если попытаться вложить столовый нож в закрытую книгу, это удастся сделать лишь при условии, что нож повернут в определенной плоскости. Книга — призма, нож — «необыкновенный» луч.

Явления, о которых мы сейчас говорили, были замечены учеными в самом начале XIX века.

Началось интенсивное исследование свойств плоскополяризованного света. В 1811 году французский физик Л. Араго обнаружил интересное явление. Он пропускал поляризованный свет через кристаллы кварца. Оказалось, что кристалл кварца способен поворачивать плоскость поляризации направленного на него светового луча.

Более того, Ж. Био, работавший вместе с Л. Араго, установил, что одни кристаллы вращают плоскость поляризации влево, а другие вправо. Такие кристаллы получили название энантиоморфных, то есть относящихся друг к другу как правая и левая руки, зеркально.

Но Био сделал еще одно важное открытие. В 1815 году он обнаружил оптическую активность (способность вращать плоскость поляризации света) у некоторых природных органических соединений. Он установил, что этим свойством обладают водный раствор тростникового сахара, скипидар, камфара.

Био прекрасно понимал разницу между оптической активностью кварца и органических соединений. Он подчеркивал, что оптическая активность кварца исчезает при разрушении его кристаллической структуры.

Для этого вполне достаточно переплавить кристалл.

Оптическую же активность жидкостей Био связывал со свойствами самих молекул жидкости.

В 1874 году молодые химики Я. Вант-Гофф и Ж — Ле-Бель установили основополагающее правило.

Ни одна структура, ни одна молекула не может быть оптически активной, если ее атомы лежат в одной плоскости. Открытие этого правила положило начало стереохимии.

Необходимо подчеркнуть, что за 13 лет до открытия Вант-Гоффа и Ле-Беля выдающийся русский химик А. Бутлеров, впервые предложивший термин «химическое строение», писал, что важно знать, каким образом каждый атом в молекуле пространственно связан с другими атомами.

Нужно также сказать, что значительный вклад в изучение оптической активности внес великий Л. Пастер.

В 1848 году ему впервые удалось разделить смесь двух оптически активных соединений. Естественно, что сама исходная смесь была оптически неактивной. Одна ее часть вращала плоскость поляризации света влево, а другая вправо. Это был раствор винной кислоты, состоящий из двух энантиомерных форм. Одна из них называется d-формой (от латинского слова dextro — правый), другая l-формой (levo — левый). Такие вещества, абсолютно одинаковые по своим химическим свойствам и отличающиеся только направлением вращения плоскости поляризации света, называются оптическими изомерами, или энантиомерами.

Пастер, тогда еще молодой человек, ему было всего 19 лет, представил свою работу во Французскую академию наук. Академия попросила Био дать рецензию на открытие Пастера. До этого Био исследовал образец виноградной кислоты и нашел его оптически неактивным.

Био предоставил Пастеру все требуемые реагенты, и в одной из лабораторий Коллеж де Франс начался знаменитый опыт. Через некоторое время Пастер передал Био кристаллы и сказал, что они будут вращать свет влево. Так оно и произошло. Маститый Био был потрясен.

Идеи Пастера и легли в основу теории Вант-Гоффа и Ле-Беля. За 14 лет до четкой формулировки основного положения стереохимии, в 1860 году Пастер писал: «Расположены ли атомы правой винной кислоты в направлении витков правой спирали… Или они образуют какую-то другую асимметричную группировку? Мы не можем ответить на эти вопросы. Однако нет никакого сомнения, что расположение атомов является асимметричным и не совместимым со своим зеркальным изображением.

Не менее достоверно и то, что атомы l-формы кислоты обладают точно противоположным расположением».

Великий ученый замечательно ясно и точно объяснил загадку оптической активности.

После работ Пастера, Вант-Гоффа и Ле-Беля биохимиками был установлен поразительный факт. Во всем мире живого, в органических молекулах любой клетки белки построены только из одного типа пространственных изомеров аминокислот, а именно из l-аминокислот.

Белки коровы, дерева, дрожжей и даже вирусов состоят из l-аминокислот.

Почему? Ведь правые и левые молекулы химически абсолютно одинаковы.

Они одинаковы, лишь когда дело касается взаимодействия с оптически неактивными веществами. Если же они реагируют с другими правыми и левыми молекулами, проявляются их стереохимические особенности.

Лауреат Нобелевской премии шведский физик X. Альвен развивает идею существования антимиров, где роль электрона выполняет позитрон, а вместо протона в ядре атома — антипротон. Такой мир, в терминах физики, являлся бы зеркальным отображением нашего мира.

При соприкосновении они были бы уничтожены, аннигилировали. А в мире живого?

Этот вопрос был поднят еще в XIX веке, но не физиками или биологами, а автором знаменитой «Алисы в Зазеркалье» Л. Кэрролом. Правда, он известен и как математик. «Может быть, зеркальное молоко не годится для питья», — рассуждает Алиса в знаменитой книге.

Кэррол прав. Если бы мы с вами были построены из белков, в состав которых входили бы не l-, а d-аминокислоты, внешне ничего бы не переменилось. Возможно, большинство людей писало бы левой рукой, а сердце билось бы справа. И животные и микроорганизмы дышали бы так же, как и сейчас. Но если бы l-человек стал бы есть d-белки, он очень скоро умер бы от голода, так как d-аминокислоты не сумели бы включиться в состав l-белкового мира.

Итак, почему у нас l-, а не d-мир? Почему и как в результате эволюции произошел отбор только одной формы изомеров молекул?

В живых системах всегда присутствует только один оптический изомер, в то время как в процессах небиологического синтеза при прочих равных условиях (без использования оптически активных матриц) образуется рацемическая смесь молекул, то есть смесь, состоящая поровну из l- и d-форм и не вращающая плоскость поляризации, в процессах биосинтеза синтезируются оптически активные соединения. По этому поводу существует целый ряд предположений, и мы остановимся на обзоре лишь некоторых гипотез, представляющих, на наш взгляд, наибольший интерес.

Лауреат Нобелевской премии известный химик Д. Уолд подчеркивает различие формы у энантиомеров как весьма важное качество для ряда биохимических реакций и обосновывает предположение, что оптическая активность возникла в результате естественного отбора молекул из начальной рацемической смеси.

Целесообразно, однако, указать сначала на природные источники оптической асимметрии, которые могли бы играть определенную роль в отборе молекул. Так, еще в 1896 году было обнаружено, что оптические изомеры отличаются коэффициентами поглощения поляризованного света. Это явление могло бы в принципе служить механизмом отбора, так как на поверхность Земли попадает некоторое количество поляризованного излучения.

Однако результирующий эффект, по-видимому, слишком мал, чтобы играть заметную роль в возникновении столь явно выраженного отбора энантиомера одного типа.

В качестве возможной причины появления оптической активности рассматривались кристаллы кварца, которые могут разделять оптические изомеры с различной адсорбцией и играть определенную роль в ассиметрическом синтезе (небиологическом) на поверхности. Но для этого одна форма кварца должна быть преимущественной. Если же правые и левые кристаллы кварца встречаются одинаково часто в природе, то остается надежда лишь на локальные флуктуации какой-либо из этих форм.

Правда, известный геохимик В. Гольдшмит сообщил в свое время о преимущественном распространении правых кристаллов кварца. Он полагал, что правых кристаллов в 10 раз больше, чем левых. Другие геологи не сумели подтвердить численные данные Гольдшмита. Однако нельзя исключить того обстоятельства, что правых кристаллов действительно несколько больше, чем левых.

Тем не менее кристаллы кварца не могли играть скольлибо серьезной роли в возникновении биологической оптической активности, так как экспериментально была доказана равная эффективность правых и левых кристаллов кварца в отношении поверхностной ориентации аминокислот.

Уолд видит объяснение эволюционного пути этого явления в постепенной селекции молекул. Для обоснования своей идеи он рассматривает полипептиды и белки, с одной стороны, и полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты — с другой.