Тот факт, что растворы оптически активных веществ вращаютплоскость 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 врастворах, обладающих этим свойством, присутствуют молекулы. Кристаллы,построенные — подобно металлам — из одних только атомов, оптически неактивны(кроме того, они непрозрачны!) Высокоупорядоченный кристалл, состоящий изионов Na+CI- ,тоже недействует на проходящий свет. Однако кварц имеет более сложное строение, чемхлорид натрия. Кварц — это диоксид кремния, химическая формула которого Si02.Кремний, как и углерод, находится в четвертой группе периодической системы. Ауглерод 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 издлинных цепей, построенных в форме винтовых лестниц. Разумеется, винтовыелестницы полностью асимметричны. Однако они бывают лево- и правосторонними,как изображение и его зеркальное отражение. Связанные между собой асимметричныецепи образуют либо левый, либо правый кристалл. Соответственно они оказываютоптическое влияние на свет.
У водо-растворимых кристаллов органических соединенийзеркальная симметрия молекул прослеживается как в твердом, так и врастворенном состоянии. Известный пример — винная кислота. Она встречается ввиде левых и правых кристаллов. Соответственно ведет себя и ее раствор. Подправым направлением здесь всегда понимается направление по часовой стрелке.Таким образом, левая винная кислота вращает плоскость поляризации противчасовой стрелки. Нидерландский физикохимик ЯкобХендрик Вант-Гофф (1852—1911) объяснил такое поведение винной кислоты, исходяиз строения ее молекулы. При одном и том же химическом составе можно написатьтри разные структурные формулы винной кислоты. Каждый из двух центральныхатомов углерода в любом случае связан с группой СООН. В органической химии этагруппа — отличительный признак кислоты. Проглотив таблетку аспирина илипопробовав на язык уксус, вы ощущаете кисловатый вкус, он обусловлен именноприсутствием группы СООН. Для нас, однако, важнее правая и левая связи атомовуглерода. Они связывают либо атом водорода, либо группу ОН. Именно здеськроется возможность возникновения двух зеркально-симметричных вариантов ихвзаимного расположения и, помимо того, третьего варианта, который симметриченсам по себе.
В книгах по химии часто можно встретить обозначения
Вант-Гофф, впрочем, не пользовался такой простойплоскостной моделью, как мы. Он сразу рисовал ее вобъемном изображении, что больше отвечаетдействительности. Каждый из 4-ёх углеродных атомов винной кислоты расположен в
Вследствие этого из одного совершенного
Раньше под рубриками вроде «В часы досуга» порой встречалисьзадачи, где предлагается разложить одну плоскуюфигуру, скажем шестиугольник и образовать из неедругую плоскую фигуру, например квадрат. В данном случае две высокосимметричныеплоские фигуры составляются из одинаковых асимметричных элементов. В свое времяведущим умельцем в такого рода разложениях и сложениях слыл австралиец ГарриЛиндгрен. Чтобы еще больше затруднить решение подобных задач, ставитсядополнительное условие: обойтись возможно меньшим числом составных элементов.Линдгрен и другие любители, увлекавшиеся разложением фигур, отваживалисьразлагать даже узоры кафеля. В качестве иллюстрации позаимствуем разложениеузора из восьмиугольников с маленькими квадратами в мотив из квадратов той жеплощади, что и восьмиугольники, причем малые квадраты в новом узоресохраняются, но в несколько смещенном положении.
Когда Вант-Гофф опубликовал свою теорию о правых илевых молекулах, она была встречена в штыки. Многие из его современников никакне хотели согласиться с тем, что атомы в молекуле должны располагаться именнотак, как их поместил Вант-Гофф. Однако теория нидерландского профессора давалаединственно удовлетворительное объяснение вращению поляризованного света,поэтому она все же получила признание. Тем временем химики разработали методыпрямого определения формы молекул. И мы теперь знаем, что Вант-Гофф был прав.
АСИММЕТРИЯ ЛЮБОЙ ЦЕНОЙ
Природа всегда отбирает среди множества вариантов те,которые проще и надежнее всего обеспечивают жизнь и ее продолжение.Естественно, ее действия отличны от действий человека, отыскивающего нужноеслово в словаре или решение задачи в учебнике. Она просто вслепую воспроизводитвсе решения, как верные, так и ложные, полагаясь на то, что наилучшее из нихпробьет себе дорогу, выживет в процессе эволюции, на протяжении сотен тысячили миллионов лет. Подобно тому как это происходит и в технике (здесь уж,конечно, не без помощи человека), в живой природе побеждает то, что наиболеепросто и надежно.
Одна из важнейших предпосылок жизни —наследственность. Потомками лошадей снова и снова должны быть лошади. И в своихосновных чертах они должны походить на родителей.
Австрийский естествоиспытатель Грегор И. Мендель(1822— 1884) в 1860г. на основании своих знаменитых опытов по гибридизациисортов гороха (!) пришел к выводу, что дети половину наследственных факторовполучают от одного из родителей, а половину — от другого. Благодаря успехамсовременной микробиологии мы довольно отчетливо представляем себе, как это осуществляетсяс помощью носителей наследственности — генов.
Мы вернулись к модели генной спирали, построеннойУотсоном и Криком. При оплодотворении женского яйца наследственность можетпередаваться только в материальной форме. При этом однозначно должноуказываться, какие именно признаки наследуются. Здесь сразу же намечаются двавозможных пути осуществления этой задачи.
Первый путь — это образование определенных химическихсоединений, каждое из которых соответствует наследуемому свойству. Однако онсодержит много недостатков. И прежде всего он сопряжен с использованиемогромного количества различных соединений для передачи всего наборанаследуемых свойств. Вполне вероятно, что для передачи свойства «длинные ноги»лошади потребуется совсем иное химическое соединение, чем для передачи того жесвойства блохе или слону. Кроме того, некоторые соединения неоднозначны:достаточно вспомнить о левой и правой винной кислоте. Более простым являетсядругой путь кодирования информации, основанный на том же принципе, что и работателеграфного аппарата системы Морзе или телетайпа. Телеграф «знает» ииспользует только три «структурных элемента»: тире, точку и пробел. Ноинформация, записанная с помощью азбуки Морзе, может содержать ошибки (а припередаче наследственности это недопустимо). Так, увидев на телеграфной лентебессмысленное слово «зергало», телеграфист, надо думать, поймет из контекста,что имеется в виду зеркало. В случае особых сомнений он может запроситьпередающую станцию. Однако во избежание подобных недоразумений, чтобы исключитьискажения, лучше подстраховаться. Наиболее простой способ — при передачекаждая буква дублируется: «ззееррккааллоо». Вероятность дважды заменить буквугораздо меньше, чем совершить ошибку один раз. К тому же при таком способекодирования всегда известно, где начало, а где конец сообщения. Если мыпрочитали на ней «топор», то однозначно заключаем, что это никак на «ропот». Всилу всех этих преимуществ в природе в ходе естественного отбора для передачинаследственной информации победил принцип «азбуки Морзе». Лента, несущая этуинформацию, состоит из молекул сахара и фосфата, построенных в два ряда. Вкаждом ряду они чередуются через одну: сахар — фосфат — сахар — фосфат. Впределах обоих рядов напротив каждой молекулы сахара располагается тожемолекула сахара, а против каждой молекулы фосфата — молекула фосфата.Промежутки между парами сахар — сахар (но не фосфат — фосфат) заполнены ещечетырьмя видами химических соединений, которые получили следующие названия:аденин (А), цитозин (Z), гуанин(G) и тимин (Т). Запомним лишьобозначающие их буквы A, Z ,G и Т. А всегда связано с Т, a Z—с G. Одна из этих групп всякий раз связывает пары сахар—сахар обоих рядов. В наглядном изображении получается полоса, напоминающаялестницу, поручни которой состоят из сахара и фосфата, перекладины (ступеньки)— из групп А—Т или Z—G. Для ступенеквозможны комбинации Т—А и А—Т наряду c Z—G и G—Z. Кроме того, последовательность перекладинможет быть произвольной: скажем, комбинации Z — G могут следовать подряднесколько раз. Но пока такая лестница, подобно лестнице, которой пользуетсяэлектрик, остается прямой, она все еще сохраняет возможность оказатьсясимметричной. Последствия этого могли бы стать катастрофическими для любогоживого существа. Но, к счастью, концы «лестницы» спирально закручены. Такаяабсолютная асимметрия исключает всякую генетическую ошибку.