Самоорганизация и неравновесные
процессы в физике, химии и биологии
 Мысли | Доклады | Самоорганизация 
  на первую страницу НОВОСТИ | ССЫЛКИ   

В.И. Вернадский. Состояния пространства (симметрия), отвечающие живому веществу
от 25.07.05
  
Мысли


Исходя из эмпирического материала, характеризующего явления правизны и левизны живого вещества, поскольку они проявляются в явлениях симметрии, т.е. в явлениях геометрических, приходится допустить, что в этом пространстве должны существовать оси симметрии пятого порядка и оси симметрии седьмого и выше порядков

Состояния пространства (симметрия), отвечающие живому веществу биосферы. Резкое отличие симметрии косных тел биосферы от симметрии ее живого вещества (§132,133). Четырехмерное Эвклидово пространство- время, в котором время является четвертым измерением, и пространство-время Эйнштейна не имеют проявления в конкретных явлениях симметрии (§134). В живом веществе мы видим проявления не пространства только, но особого пространства-времени, отражающегося на их симметрии и выражающегося в смене поколений и в старении. Вирусы (§135). Эволюционный процесс как проявление пространства-времени. Персистенты (§136). Принцип Д. Дана (§137). Связь между живым и косным. Биогенная миграция атомов (§138). Только изучение симметрии природных тел и явлений может выявить в природе проявление разных геометрий (§139). Молекулярная диссимметрия Пастера и поправка А. Скакни. В основных соединениях организма - в белках, в углеводах и в жирах - наблюдаются только стерически левые изомеры, оптически чистые (§140-142). Правизна и левизна морфологических форм брюхоногих моллюсков и правых и левых спиралей колоний бактерий не зависят от характера энзимов (§143). Характер пространства-времени тела живого вещества (§ 144)
***
132. В окружающей нас природе, на нашей планете, мы нигде не имеем дела с идеальным геометрическим пространством. В наиболее чистой геометрической форме мы представляли себе его проявления в посленьютоновом космическом трехмерном Эвклидовом пространстве, занимаемом световым эфиром - в пространстве небесной механики, где Солнце и звезды являлись нам в виде точек разной массы (т.е. разной силы всемирного тяготения). От этого представления мы давно отошли, отбросив в XX в. идею о световом эфире (§119). На нашей точке - Земле абстрактное пространство геометрии нам нигде не проявляется.
Пространство (его состояние) нами воспринимается в виде материальных физико-химических пространств, характеризующихся симметрией. Мы имеем здесь дело со сложными атомными структурами, в которых атомы нам представляются неподвижными, по отношению друг к другу, для нас резко обособленными, главным образом кристаллическими пространствами (§127), которые как монокристаллы в виде минералов и как кристаллические многогранники и молекулы в живом веществе и в обиходе человека составляют большую часть твердого вещества нашей планеты. Они создаются человеческим трудом и мыслью в биосфере, в технике и в лабораториях, в крупных и мелких обособленных телах нашего окружения, непрерывно создаются и разрушаются. В виде горных пород, однородных и неоднородных, они строят окружающую нас твердую часть биосферы и идут на сотню километров в глубь планеты, далеко за ее пределы. Везде здесь мы имеем дело с пространствами, заполненными материей, т.е, в чистом виде с атомными структурами - с физико-химическими пространствами (§121-122). Нигде мы не видим в природных процессах вакуума, заполненного только проявлениями энергии.
В физико-химических пространствах, всегда ограниченных размерами, в материальных природных телах в наш век научного атомизма мы нигде не встречаемся с идеально геометрическим непрерывным континуумом - ньютоновым пространством. Кристаллические пространства, о которых говорилось в предыдущих параграфах, материально отвечают разнообразным закономерным распределениям атомов, очень разнородных по своему характеру и по своему строению. Учитывая изотопы, количество разнородных атомов достигает тысяч различных видов и далеко не все из них нам известны. Число их увеличивается по мере хода научного знания.
Нет никаких оснований сомневаться, что и для всех других косных природных тел: жидкостей, газов, мезоморфных и аморфных состояний пространства мы из приближения к идеальным геометрическим пространствам Эвклидовой геометрии не выйдем. Мы не встретились до сих пор ни с какими указаниями, что в явлениях симметрии были какие бы то ни было для этого данные.
Живые вещества, однако, в своих молекулах, как указано раньше (§126), обладают элементами симметрии, которые невозможны в твердых кристаллических пространствах и их аналогах. Такой их характер отвечает вполне тому обстоятельству, что между живыми и косными телами в биосфере существует, как это видно из всего изложения моей книги, коренное материально-энергетическое различие. Природная связь между ними поддерживается только биогенной миграцией атомов (§138). Они являются в окружающей нас природе замкнутыми системами.
Характерно сверх того, что кристаллы и молекулы в живом веществе, строящие его тело, т.е. протоплазму, характеризующиеся отсутствием центра и плоскостей симметрии, - все их белки, жиры и углеводы, не подчиняются законам симметрии косных тел, в том смысле, что все они являются стерически левыми и при появлении стерически правых организмы гибнут (раковые опухоли) (Это утверждение еще требует подтверждения, но, по-видимому, правильно (§142)).
133. Эмпирическим фактом является, хотя он, к сожалению, не обращает на себя должного внимания и так мало изучен и не дает пока возможности сделать бесспорные из него выводы, что симметрия тела живых организмов резко отличается от симметрии земных косных природных тел.
Какая для этого может быть причина? В 1938г. я выставил научную рабочую гипотезу, что причина может быть связана с тем, что тело живого организма в своем геометрическом пространственном состоянии приближается не к Эвклидовой геометрии, а к геометрии другой. При обсуждении этого вопроса в Биогеохимической лаборатории с геометрами, биологами, геохимиками и физиками выяснилось в 1938-1939гг. (по замечанию проф. Б.Н. Делонэ и проф. С.П. Финикова), что мыслима одна из Римановских геометрий, из тех, которые намечались французским геометром Картаном, например, характеризующиеся точкой и зачатком вектора, посолонного или противусолонного. Такая геометрия не построена и не изучена и должна быть выведена.
Надо иметь в виду, что и в этом случае, как и в случае Эвклидовой геометрии, в природных явлениях мы будем иметь дело только с приближенным сходством, с картановской геометрией, так как мы имеем дело не с идеальным построением нашего ума, а с реальным физико-химическим пространством тела организма, с особым физико-химическим его состоянием.
В этой геометрии должны проявляться следующие особенности:
1) геометрия эта должна быть замкнутая, идеальным примером ее является шар;
2) прямые линии и плоскости - прямые поверхности - должны отсутствовать;
3) в этой геометрии не могут одинаково образовываться в ее пространстве стерически правые и левые молекулы химических соединений (и соответственно правые и левые твердые состояния кристаллических многогранников).
Если в действительности могут в природе встречаться такие пространства, которые отвечают неэвклидовой геометрии, то мы можем встретиться с ними только при изучении симметрии и с этим должны в нашей дальнейшей научной работе считаться.
Исходя из эмпирического материала, характеризующего явления правизны и левизны живого вещества, поскольку они проявляются в явлениях симметрии, т.е. в явлениях геометрических, приходится допустить, что в этом пространстве должны существовать оси симметрии пятого порядка и оси симметрии седьмого и выше порядков (см. §126), которые невозможны для материальных структур кристаллических пространств, т.е. для Эвклидова физико-химического пространства трех измерений. К сожалению, как указано, симметрия живого вещества не изучена достаточно, и ее изучение есть одна из основных задач биолога. Сейчас собран, но не обработан огромный эмпирический материал, все растущий, который ждет своего исследования.
Так как в живом веществе могут быть правые и левые молекулы (§140-142), и в то же время молекулы основных первичных соединений всегда стерически левые, то должна быть в геометрическом строении пространства какая-то разница для основных соединений, определяющих протоплазму, которая определяет их устойчивость для левых атомных спиралей и неустойчивость для правых. К сожалению, геометрическое значение правизны и левизны до сих пор геометрами не разработано.
Совершенно ясно, что это геометрическое свойство и Эвклидова и, мне кажется, всякого пространства. Это - постулат, пропущенный Эвклидом.
Надо прежде всего построить ту геометрию, которая может соответствовать состоянию пространства живого вещества (Я всюду говорю не о полном совпадении, а только о приближении к идеальным геометрическим построениям). При этом просто становится понятной обособленность живого вещества в окружающей его косной среде и принцип Реди, что живое всегда происходит из живого и что нет абиогенеза.
134. Возвращаясь в 1942г. к этому вопросу, я должен считаться с одним явлением, которое в 1938г. мы не принимали во внимание. В начале XX столетия вошло и все больше входит в жизнь благодаря физикам и философам новое понятие или в данном случае новое явление - понятие пространства-времени, отличное от пространства просто и от времени просто. Мы имеем здесь два течения мысли.
С одной стороны, чисто геометрическая, абстрактная, корни которой идут в XVIII в. (например, Даламбер), которая рассматривает время как четвертое измерение трехмерного Эвклидова пространства, в том числе и заполненного световым эфиром. В XX в. такие геометры, как Минковский и Палладж (1859-1924), пытались ввести его в жизнь, но, насколько я могу судить, возможность существования такого пространства не проявляется в симметрии. И мы можем поэтому оставить эти искания пока без рассмотрения.
С другой стороны, Эйнштейново пространство-время, принятое физиками в XX в. по логическим предпосылкам, в него вложенным, едва ли может приниматься в конкретных фактах на нашей планете в геологических явлениях, так как наша планета проявляется в нем в качестве геометрической точки, в которой плотность ее, в отличие от других точек, равна 5,52 (отнесенная к воде при 0° и 760 мм давления: среди планет плотность Земли самая большая).
Кроме того, то реальное обособленное пространство, в котором находится эта точка - галаксия Млечного пути, своеобразие которого не может не отражаться на пространственных геометрических свойствах этой точки, не принимается во внимание в Эйнштейновом пространстве. Эйнштейн говорит о совершенно ином пространстве, чем то, которое мы начинаем изучать в галаксии.
Отсюда ясно, что поскольку мы в симметрии изучаем пространственные свойства нашей планеты, мы можем не принимать во внимание построение Эйнштейна.
135. Опираясь исключительно на эмпирический материал биолога и геолога, мы видим своеобразное реальное проявление пространства-времени, отличного от пространства и от времени в земной природе - только в живом веществе. Это пространство-время не отвечает раньше рассмотренным его случаям и проявляется в основных жизненных процессах прежде всего в смене поколений. Для тела живого организма отделить время от пространства невозможно. Смерть организма, не существующая в косных телах биосферы, и есть такое отделение.
Необходимо несколько остановиться на этом утверждении. Насколько я могу судить, утверждение, что смерть в природе имеется только в живых организмах, а не в других косных телах природы, не отвечает общему ее пониманию. Смерть связана с организованностью, с организмом. Никакое косное природное тело не может считаться организмом и только недавно, в ближайшие годы мы встретились со случаем в вирусах, в котором натуралист может сомневаться, является ли вирус живым или косным телом. Вопрос не может считаться решенным еще до сих пор, но, мне кажется, это связано с тем, что в вирусах мы имеем дело с проявлением мезоморфного состояния химических соединений, чрезвычайно малоизученного (гл. XX).
Очевидно, дальнейшее исследование в ближайшие годы выяснит нам это окончательно, так как только в этом году это физическое состояние получило опытную опору взамен тех представлений о вирусах, которые связывались с кристаллизацией и с кристаллами. Надо ждать дальнейшего развертывания этой путеводной нити для выявления характера вирусов. Для вирусов смены поколений мы не видим.
Для всех остальных косных тел: минералов, горных пород, почв и т.п. - мы имеем дело с разрушением от внешних причин или изменением внешних условий, но не с явлением, которое отвечает смерти живого организма, где оно связано с его организованностью. И хотя очень часто смерть связана с внешними причинами, она, как мы видели для одноклеточных организмов, для отдельных индивидов может отсутствовать. А для многоклеточных организмов она связана с неуклонно идущим процессом старения, которое связано с внутренним закономерным изменением той причины, которая связана с биогенной миграцией атомов. Натуралист только сейчас подходит к изучению этих явлений.
Помимо тех явлений, которые мы наблюдаем, например, в разрушении косных тел от внешних причин, какими является, например, так называемое выветривание, которое мы наблюдаем в горных породах или в косных памятниках, где идет внешнее разрушение, к которому косное тело относится инертно, мы в живом естественном теле встречаемся с организмом. Организм представляет собой нечто целое, самодовлеющее, целесообразно борющееся с таким внешним разрушением (§138).
Изучать живой организм только как пространственное тело, не учитывая в нем одновременного проявления времени, натуралист не имеет возможности, к сожалению, сознательно он это не подчеркивает. В случае всякого живого вещества, будь то многоклеточное живое вещество - секвоя или слон, или одноклеточный невидимый глазом мельчайший организм - бактерия, инфузория или гриб, натуралист имеет дело в действительности всегда, поскольку он имеет дело с его телом или с совокупностью его тел, не с пространством, а с пространством-временем.
Это пространство - время не есть то пространство-время, которое характеризуется временем как четвертым измерением трехмерного Эвклидова пространства-времени. Оно не отвечает и Эйнштейнову пространству четырех измерений.
Это реальное пространство-время, которое выявляется симметрией живого вещества, резко отличной от симметрии косных природных тел. Это есть единственный случай, когда натуралист в окружающей его природе реально сталкивается с пространством-временем, а не с пространством только. Выражается в живой природе это в том, что во всех организмах мы сталкиваемся со сменой поколений, причем для одноклеточных организмов можно поднимать реально вопрос об их бессмертии, т.е. они могут погибнуть только от случая, а в природных условиях клетка может сохраняться неопределенно долгое время, так как одна клетка, дробясь, не имеет конца. Эти организмы не имеют возраста, не стареют.
Физически совершенно ясно, что время, выражающееся в биогеохимии сменой поколений, входит в свойства живого вещества в такой степени, в какой оно не входит ни в какое другое явление на нашей планете (Кроме радиоактивных явлений, которые связаны с пространством атомов в мгновении (см.; В.И. Вернадский. Изучение явлений жизни и новая физика. Изв. АН СССР, 7 серия. ОМЕН, 1931(3)).
Для живого организма, всякого без исключения, мы не можем говорить только о пространстве, но всегда должны говорить о пространстве-времени. Для многоклеточных организмов оно проявляется в действительности всегда в смерти, в старении и в смене поколений.
Чрезвычайно характерно то основное различие, которое проявляется в живых организмах, одноклеточных и многоклеточных. Здесь резко проявляется то физическое их различие, которое указывалось раньше и которое связано (§120) с проявлением в их жизни всемирного тяготения. Бактерия или инфузория живет в мире, где наряду с тяготением, иногда противоречиво ему, проявляются молекулярные силы или поверхностные натяжения. Благодаря этому мы подходим к научному парадоксу, что для них тяготение иногда может играть второстепенную роль и даже в предельных случаях молекулярные силы определяют все условия их жизни. Это проявляется, между прочим, в том, что явление смерти для отдельных их индивидуумов может и для некоторого их числа должно отсутствовать. Размножение делением заменяет старение, и пределы жизни отдельной клетки чрезвычайно колеблются. Мыслимо сейчас, что существуют живые одноклеточные организмы, которые для данного индивидуума случайно имеют непрерывное существование тысячи и миллионы лет (Мне кажется, мы можем здесь утверждать, что согласно теории вероятности эти реальные случаи должны существовать, так как мы имеем дело с огромным числом неделимых и с огромным числом лет. Это есть проявление закона больших чисел. Если этого явления нет, должно быть что-то, нам неизвестное в структуре природы).
136. Время не только проявляется в старении и в смерти отдельного индивидуума и в смене поколений, но в течение геологического времени оно проявляется в эволюционном процессе, в морфологическом изменении живых организмов, в переходе старых видов и родов в новые виды и роды. Процесс этот тянется не менее двух миллиардов лет, но мы можем конкретно точно проследить его только на протяжении больше чем последние пятьсот миллионов лет.
При этом выявляется, что существуют организмы, названные Вильзером (1931) персистентами, которые морфологически не изменились в течение всего этого времени, т.е. для которых в течение этого времени не было заметного эволюционного процесса. Вильзер, может быть, правильно высказал научную гипотезу, что весьма вероятно, что среда их жизни иногда, как, например, для Lingula не менее полмиллиарда лет в данном месте не менялась. Возможно также, как это думает и Вильзер, что основной причиной являются излучения. Он говорит об излучениях фотонов, но мы не можем забывать еще более мощных и непрерывных космических излучений.
137. Есть еще одно явление, которое было установлено около 90 лет тому назад, в 1851г., американским минералогом, биологом и геологом Д.Д. Дана. Это указание его на так называемый энцефалоз (цефализация), как он назвал эту подмеченную им закономерность, на определенную направленность эволюционного процесса (см. §199), в ходе геологического времени.
Я выражаю это эмпирическое обобщение современным языком, так как Дана (1813-1895), по-видимому, не был эволюционистом и в конце жизни не возвращался к этому вопросу. Это эмпирическое обобщение, которое не может возбуждать никакого сомнения, до такой степени оно ясно, и может быть проверено по любой книжке палеонтологии. Не могу не остановиться на том странном явлении, что оно осталось совершенно неизвестным натуралистам и не вошло в науку.
Мне кажется, одной из причин этого является то, что в биологических работах гипотезы и философские искания играли и играют и теперь основную роль, когда вопрос идет о крупных обобщениях, что, может быть, объясняется тем, что они касаются самого близкого и нас интересующего - человека.
Когда в 1916-1924гг. я подошел к вопросу биогеохимии и углубился в нее, перечитал огромную биологическую литературу, я был поражен тем значением, которое имели в ней философские и абстрактные гипотезы и построения, страстностью научных споров, которая царит в этой области знания.
Думаю впрочем, что это очень редкий случай, на который я натолкнулся с Дана. Обобщение Дана, выраженное опять-таки современным языком, заключается в следующем: в эволюционном процессе мы имеем в ходе геологического времени направленность. В течение всего эволюционного процесса, начиная с кембрия, т.е. в течение пятисот миллионов лет, мы видим, что от времени до времени, с большими промежутками остановок до десятков и сотен лет идет увеличение сложности и совершенства строения центральной нервной системы, т.е. центрального мозга. В хронологическом выражении геологических периодов мы непрерывно можем проследить это явление от мозга моллюсков, ракообразных и рыб до мозга человека. Нет ни одного случая, чтобы появлялся перерыв и чтобы существовало время, когда добытые этим процессом сложность и сила центральной нервной системы были потеряны и появлялся геологический период, геологическая система с меньшим, чем в предыдущем периоде, совершенством центральной нервной системы (см. §199). Во всем дальнейшем изложении я буду называть это эмпирическое обобщение принципом Д.Д. Дана.
Мы видели (§114-115), что геологически, в течение больше двух миллиардов лет, на нашей планете существовала жизнь, и человек явился на ней только в последние миллионы лет. Смена поколений в его отдаленных предках шла более быстрым темпом. И, по-видимому, длительность отдельного индивидуума увеличивается. Мы подходим здесь к пределу нашего современного знания и на этом пока можем здесь остановиться.
138. Чрезвычайно характерно, что смена поколений идет разно в микроскопическом и макроскопическом проявлении живого вещества. Биогеохимический эффект живого вещества на нашей планете наиболее велик (гл. XX) для одноклеточных микроскопических организмов, нашему глазу не видных и видных только в больших скоплениях. Они создают планетную атмосферу, играют первостепенную роль в других геологических процессах планетного характера, резко меняя всю химию биосферы, а через нее и химию планеты (гл. XIX). Только в ноосфере многоклеточный организм человека начинает входить как заметная геологическая сила, и пока его геологический эффект начинает сказываться только в течение одной трехтысячной времени существования научно познаваемой жизни планеты. В действительности геологическое значение человека стало сказываться только-только в последние два-три столетия, и в истории Земли пока все-таки теряется. Живое и косное вещество резко обособлены друг от друга. Живое вещество является замкнутым от окружающей среды, неделимым, индивидом, которое, однако, непрерывно теснейшим образом поддерживает связь с окружающими его косными или живыми естественными телами.
Эта связь проявляется в дыхании и питании. Мне кажется, впервые значение этого явления как планетного было указано замечательным ученым, работавшим в нашей стране, отдавшим ей свою жизнь, русским академиком К. Вольфом (1734-1794) в 1782-1789гг.
Он пытался связать ее с всемирным тяготением, рассматривая питание и дыхание организмов как космический процесс.
Та же мысль была теоретически развита его младшим современником польским ученым Е. Снядецким (1768-1838) в 1792-1804гг. Е. Снядецкий указал, что рост массы живого вещества путем смены поколений - и питанием и дыханием идет обратно пропорционально массе организма, в отличие от всемирного тяготения.
В начале XIX в. (1808 г.) связал ее с картезианскими идеями о вихрях французский ученый Ж. Кювье (1769-1832), говоря о живом организме как о центре вихревых движений молекул из окружающей среды в организм и из организма в окружающую среду. Это были отголоски идей Декарта, еще живых в его время. Кювье говорит: Пока это движение существует, тело, в котором оно имеет место, живо, оно живет. Когда оно останавливается, тело умирает -. Здесь мы видим проявление другой основной идеи биологии, примата в явлениях жизни формы.
Наконец, в 1926г. эти явления введены мной как биогенная миграция атомов в условиях, указанных Снядецким (гл. XIX).
139. До сих пор мы не выходили из приближения к пространствам Эвклидовой геометрии трех измерений, но вынуждены были выделить кристаллические пространства (§127), которые отличаются от обычного Эвклидова пространства тем, что эти состояния пространства не изотропны, хотя и однородны: они векториальны. В окружающей нас природе на нашей планете таких состояний пространства будет бесчисленное множество, прежде всего резко отграниченных, в виде природных твердых тел - монокристаллов, окруженных или атмосферой, т.е. газовой средой, приближающейся по своей геометрии к изотропному Эвклидову пространству трех измерений, или находящихся в жидкостях, в которых они нерастворимы, в растворах, которые геометрически отвечают тоже другому изотропному Эвклидову пространству, или находящихся в тесном контакте с другими твердыми телами, образуя в природе разнородные твердые горные породы, в которых физико-химическое пространство гетерогенно зернисто и состоит или из монокристаллов разного состава или из так называемых аморфных тел (§131).
Мы основывались для этих выводов на эмпирическом характере симметрии природных тел. Симметрия есть одно из самых глубоких эмпирических обобщений, которые мы имеем. Она легко выражается в математических символах, что отвечает ее природе. То новое, что вносится в моем изложении, - это представление о симметрии как о геометрическом проявлении природных (в данном случае земных) состояний пространства (§122). Проверка этого положения для косных природных тел вполне подтвердилась.
Наши кристаллографы и геометры показали, что число различных кристаллических пространств, т.е. кристаллических состояний Эвклидова пространства трех измерений для молекул и монокристаллов, для природных тел минералогии и стереохимии равно 229. Но в действительности число их индивидуальных проявлений бесконечно, вероятно, должно считаться многими миллионами миллионов, столько же, сколько может быть определенных твердых природных химических соединений или их твердых растворов.
Найдено в природе большинство этих 229 типов кристаллических состояний пространства, много больше половины (около 200) и, что может быть еще важнее, это то, что ни одного типа, сюда не подходящего, не найдено. Наиболее резко пространственные соотношения проявляются в материальных телах твердых, хотя бы таких, какими являются минералы, кристаллы, организмы и т.д. Прежде, чем идти дальше, я позволю себе несколько замечаний по поводу геометрических правильностей в природе, имея в виду главным образом те, которые могут проявляться резко в симметрии.
Мы знаем, что разных геометрий, т.е. разных пространственных особенностей, может быть бесчисленное множество.
К трем ветвям таких геометрий - к геометриям Эвклида, Лобачевского, Римана могут приближаться все геометрические проявления окружающей нас природы. В каждой ветви теоретически может быть бесчисленное или почти бесчисленное множество геометрий. Две ветви - геометрия Эвклида и геометрия Лобачевского пространственно не ограничены. В геометрии Римана есть ее проявления, которые всегда ограничены.
Сейчас в математике идет огромная работа научной мысли, которая, по-видимому, позволит свести все геометрии в единое целое, вывести все их, исходя из единых общих положений. Едва ли можно сомневаться в положительном результате этой работы. Но этот результат лежит вне поля интересов натуралиста. Мы только должны его не забывать для понимания, с какими явлениями мы имеем дело, когда мы говорим о симметрии.
Натуралист, наблюдая конкретную природу, в сущности всегда видит, что он изучает частный случай. И всегда он приходит к заключению, если область достаточно научно изучена, что природные явления, особенно планетные, являются незначительным числом из бесконечного количества мировых возможностей. Мы изучаем одну нашу планету - Землю, и, очевидно, она не может дать нам понятие о своей природе, и чем больше мы углубляемся, тем больше мы видим, что мы изучаем небольшой частный случай.
В эмпирическом материале, который дает нам изучение явлений симметрии, мы можем ждать эмпирических проявлений разных геометрий, если они на нашей планете могут проявляться. Это нельзя решить a priori и можно только увидеть, изучая фактически эмпирический материал. Эмпирический материал симметрии, как мы видели (§125), идет на необычную для нас глубину нашего прошлого.
Натуралист имеет дело не с абстрактным аморфным пространством геометра, которое является отвлечением от реальности. Он имеет дело с реальными физико-химическими состояниями пространства, которые приближаются к идеальным пространствам геометрий. Они открываются ему в виде законов симметрии. Как глубоко идут законы симметрии, мы не знаем. Ясно, что эти законы не могут отвечать только Эвклидовой геометрии. Только изучая симметрию, без всякой предвзятой мысли, как природное земное явление мы можем решить вопрос, существует или не существует в каких-нибудь отдельных случаях в окружающей нас природе эмпирическая база для геометрий не Эвклида. Особенно с этой точки зрения должны обращать на себя внимание натуралиста формы Римановских геометрий, так как они замкнуты и могут давать бесчисленные разности (§133), Другого пути убедиться в их существовании, как изучение симметрии, мы не имеем.
Перейдем к эмпирической базе с этой точки зрения.
140. В 1848г., почти сто лет тому назад, Л. Пастер открыл кристаллографическое явление, которое он назвал диссимметрией и которое он связал с химическим составом живого вещества. Это явление в 1860г., когда он вновь к нему вернулся, в двух лекциях в Химическом обществе в Париже, он назвал молекулярной диссимметрией.
Явление, им открытое, заключается в следующем. Он нашел, что все основные необходимые для жизни органические соединения - белки, жиры и углеводы - те тела, которые преобладают в яйцах и в семенах прежде всего в форме молекул и кристаллов, резко отличаются от обычных соединений нашего земного вещества. В них всегда можно отличить два изомера: стерически правый и левый. Из них в живом существе может существовать только стерически левый, т.е. в котором атомы в стереохимической формуле расположены по левым спиралям То, что правизна и левизна есть свойство молекул, видно из того, что жидкие растворы этих кристаллов могут вращать плоскость поляризации света: левые - влево, а правые - вправо на тот же самый угол для одного и того же соединения. При смешении правых и левых кристаллов одного и того же соединения в равных количествах и концентрациях получаются растворы, которые не вращают плоскости поляризации света и получаются кристаллы, которые как бы состоят по форме из правого и левого кристалла, которые были названы Пастером рацемическими разностями. Пастер понимал это явление рацемизации просто и неправильно. Так как в рацемических кристаллах находились всегда в комбинациях одного и того же кристалла правые и левые формы, то он думал, что при рацемизации происходит компенсация чисто механического характера.
Правые и левые кристаллы (и молекулы в стереохимических формулах) никогда не имеют центров симметрии и осей сложной симметрии, т.е. имеют только так называемую зеркальную симметрию. Пастер, между прочим, работал над виноградной кислотой и над правыми и левыми изомерами винных кислот и их подробно изучил. При смешении правых и левых винных кислот получается рацемическая виноградная кислота.
Уже в 1868г., через 8 лет, А. Скакки в Неаполе доказал, что более тщательное кристаллографическое исследование виноградной кислоты убеждает, что она кристаллизуется в другой кристаллической системе, чем винные кислоты,- в голоэдрии триклинической системы и кристаллы ее коренным образом кристаллографически отличны от моноклинических кристаллов правых и левых винных кислот, что они принадлежат к разным кристаллическим классам. Кристаллы виноградной кислоты только похожи на кристаллы винных кислот, их кристаллическая ячейка совсем другая.
Сейчас можно обобщить открытие А. Скакки. Это - общее явление. Легко убедиться, хотя бы по справочникам, что все рацемические соединения дают кристаллы, которые могут быть получены из правых и левых изомеров даже простым смешением их растворов, но они всегда кристаллизуются в другом классе и даже иногда в другой кристаллической системе, как это имеет место по отношению к случаю Пастера, чем их оптические изомеры. Они обладают центром симметрии и плоскостями симметрии, кристаллографически и химически от оптических изомеров резко отличны, имеют другой удельный вес, показатели преломления и т.п. Это различные химические тела.
Таким образом, при рацемизации получаются новые химические соединения. Это ярко проявляется в термохимическом эффекте. При рацемизации выделяется энергия - тепло, при обратном процессе распадения на изомеры поглощается тепло.
К сожалению, еще до сих пор в химии недостаточно учтены эти результаты точного кристаллографического исследования, и мы имеем постоянно целый ряд построений, которые повторяются в научных работах и запутывают эти явления.
Основное открытие Пастера заключалось в том, что в живых организмах основные необходимые для жизни соединения всегда стерически, как мы теперь говорим, левые, а стерически правые изомеры не существуют в живом веществе для этих основных соединений протоплазмы. По законам кристаллографии можно было бы ждать, что в молекулах тела живых организмов существуют оба изомера - правый и левый, которые легко получаются синтетически. Причина отсутствия этого явления должна лежать в организме.
В 1894г. Эмиль Фишер неудачно пытался уточнить это явление и назвал молекулярную диссимметрию Пастера асимметрией. В 1898г. за ним последовал английский химик Ф. Джепп. К сожалению, в 1940г. Г.Ф. Гаузе принял поправку Э. Фишера.
Мне кажется, правильнее вернуться к ходу мысли Пастера и сохранить понятие молекулярной диссимметрии, или, что то же по-русски, диссимметрии молекул, для характеристики жизненно важных соединений живого вещества. Ничего подобного мы в косных природных телах не наблюдаем. Это действительно характерное физико-химическое отличие живого вещества от косного.
Понятие асимметрия лучше оставить, так как оно, по-видимому, реально не существует, ибо Э. Фишер, мне кажется, скрытым образом предположил при его создании, что в живом организме реально идет смешение правых и левых изомеров, в нем будто бы действительно всегда существующих, причем всегда преобладают левые изомеры. Асимметрия (т.е. отсутствие симметрии) это и выражает. Существование оптической чистоты (§142), значение которой подчеркнуто Гаузе, противоречит асимметрии.
Конечно, смешивая в лаборатории правые и левые изомеры в неравном количестве, мы получим оптически левый или правый раствор, в зависимости от того, какой изомер преобладает, но при кристаллизации этих же растворов мы должны бы в этом случае получать, кроме кристаллов рацемических форм, правые или левые их изомеры. Оптической чистоты не должно быть. В действительности этого нет. В протоплазме мы имеем дело (§142) с оптически чистыми соединениями, т.е. с такими, которые состоят только из молекул стерически левых. В оптически чистом растворе нет ни правых, ни рацемических молекул. В протоплазме мы имеем дело только с молекулярной диссимметрией (что признает и Гаузе), т.е. только с молекулами стерически левыми (см. §142).
141. Диссимметрия Пастера заключалась в том, что самые основные строящие организмы соединения - белки, углеводы и жиры - в наших лабораториях могут быть получены в правых и левых изомерах, но в природе в живом веществе, во всех растениях, животных и микробах, существует только один из изомеров - стерически левый. Уже после Пастера создалась новая область химии - стереохимия, которая позволяет нам точно выражать распределение атомов данного соединения в трехмерном кристаллическом пространстве. Трехмерное Эвклидово пространство - более простое выражение твердого состояния материи, т.е. твердых определенных химических соединений и их твердых растворов.
Развитие кристаллографии и стереохимии после Пастера позволило с помощью рентгеновского света или электронных пучков точно проверять стерео-химические формулы химиков. Почти все природные соединения, входящие в состав живого вещества, в большинстве состоят из легких атомов С, Н, О, N (атомный вес 1-18).
Рентгенограммы здесь недостаточно чувствительны и в сложных формулах биологических соединений играют неизбежно второстепенную роль. Благодаря точности химической работы органической химии это не так ярко чувствуется. Должна быть широко поставлена проверка формул химиков и кристаллографов. Формулы их должны совпадать. Для природных соединений я такой проверки не знаю, и она основывается только на химической научной работе. До сих пор нет ни одного случая, где бы в природных соединениях в живых веществах наблюдались стерически правые изомеры основных соединений протоплазмы. Как мы увидим ниже, среди этих стерически левых тел многие являются правовращающими, но химическая структура их не возбуждает, по-видимому, сомнения. Но все-таки нужна проверка электронограммами.
142. Пользуясь прекрасной сводкой проф. Г.Ф. Гаузе, мы можем дать сейчас вкратце обзор нашего современного знания в этой области. Как правильно указывает проф. Г.Ф. Гаузе, можно считать сейчас молекулярную диссимметрию живых систем одним из самых значительных обобщений экспериментальной биологии Это обобщение прочно основано на большом числе наблюдений, собранных в течение почти ста лет после пионерской работы Пастера.
Молекулярная диссимметрия составных частей протоплазмы прямо связана с ролью, какую играют эти соединения в метаболических процессах.
Все соединения, о которых будет идти речь и которые отвечают молекулярной диссимметрии Пастера, в живых организмах наблюдаются в протоплазме. Но они, несомненно, проникают и в скелетные части живых организмов, как это видно, например, для белков в раковинах брюхоногих моллюсков (конхиолин). Уже Пастер знал, что все белки, входящие в протоплазму, являются стерически левыми, выражаясь современным языком. Экспериментально первый пытался доказать это для аминокислот Э. Фишер в 1907г.. Неполное совпадение результатов опыта с теоретическим выводом он правильно объяснил рацемизацией при очищении аминокислот.
В своей сводке наших современных знаний Гаузе пришел к заключению: Можно в настоящее время утверждать как установленный факт, что все аминокислоты, входящие в состав протоплазматических белков, являются оптически чистыми. Ни одного исключения не известно.
Жиры или лецитины, которые содержат азот или фосфор и которые рассматриваются как интегральные составные части основных единиц протоплазмы, тоже являются оптически чистыми, как это было установлено Майером в 1906г.
В результате своего обзора Гаузе указывает, что среди основных первичных (Primare) веществ все аминокислоты, лецитины и большинство важных сахаров, таких как глюкоза (Левовращающая глюкоза не встречается в живых организмах. Она практически не ферментируется, не бродит и не употребляется в пищу ни растениями, ни животными), фруктоза и многие другие, находятся в протоплазме всегда в оптически чистом состоянии. Оптически чистым состоянием называется такое состояние, когда в протоплазме находится только один стерически левый изомер.
Как только мы переходим от первичных к вторичным веществам, оптическая чистота теряет свой обязательный характер. Это особенно ясно для органических кислот, которые являются промежуточным продуктом метаболизма. Их происхождение и их значение являются до сих пор источником споров, особенно для растений. Для них до сих пор не ясно, связано ли в конце концов образование органических кислот с метаболизмом аминокислот или же они представляют стадию в цикле углеводов. Когда органические кислоты начинают появляться, то они еще оптически чисты, как бы еще носят в себе отпечаток своего происхождения из первичных веществ. Но как только они отделяются от первичных асимметрических систем, может быть, начиная играть роль запасного вещества, они начинают принимать характер рацемических соединений.
Основные соединения, выделяемые из тканей животных и растений, их строющих, всегда стерически левые. Так, для аминокислот нет ни одного исключения. Так, выделяется только правовращающий аланин, левовращающий лейцин, правовращающий валин, левовращающий гистидин, левовращающая аспартовая кислота и т.д., все эти аминокислоты стерически левые. Кажущиеся исключения из этого правила связаны с рацемизацией при их очищении.
Для менее важных составных частей в разных растениях (и животных) могут встречаться разные изомеры, стерически правые и левые, например в алкалоидах, в терпенах и т.д.
Для аминокислот мы можем говорить, таким образом, о биологических изомерах, которые по существу имеют одно и то же спиральное распределение атомов, но могут вращать плоскость поляризации света вправо или влево.
Хлорофилл является стерически левым веществом. В тканях растений и животных нет - в основной их массе - стерических правых изомеров. Эмпирическое обобщение Пастера может считаться научно установленным и может быть принято за исходное для дальнейшей научной работы.
Все аминокислоты растительного и животного происхождения оказываются оптически чистыми, т.е. существует только один их изомер стерически левый, другой же совершенно отсутствует. Не известно ни одного исключения из этого эмпирического обобщения.
143. Проф. А.Р. Кизелем и его учениками в биохимической лаборатории Московского университета в контакте с Биогеохимической лабораторией Академии наук СССР были впервые изучены белки моллюсков из гастропод Fruticicola Lautzi с правыми и левыми завитками раковин, которые нередко встречаются в природе в отдельных чистых разностях правых и левых в массовых выделениях (§123), что для других моллюсков не является обычным. Число случаев неделимых с правыми завитками обычно значительно больше числа индивидов с левыми завитками. Для ряда моллюсков они совсем не известны. Для конхиологов они всегда являлись чем-то загадочным.
Причина правизны и левизны спиральных раковин нам не известна, но можно было думать, что она связана с очень глубокими свойствами организма. Высказывались предположения о связи ее с направлением вращения нашей планеты вокруг своей оси (Bernardin de St. Pierre). И можно было ждать, что это связано с веществом тела этих животных и, по-видимому, это верно, но лежит глубже тех соединений - белков, жиров и углеводов, которые выдвигались Пастером. Белки, сахара и жиры этих моллюсков оказались очень мало изученными. Для исследования были взяты белки как самая основная часть протоплазмы.
Белки эти двоякого рода. Во-первых, такие, как конхиолин, которые входят в скелетную часть организма, в раковину, и считаются физиологическим отбросом и которые используются организмом для постройки своих скелетных частей. И во-вторых, белки тела животных, мускулов. И те и другие оказались для Fruticicola Lautzi и других стерически левыми одинаково в правых и левых завитках раковин.
Неправильно думать, однако, как это часто приходится слышать и читать, что дело тут заключается в энергетических проявлениях, как это думал Пастер, который видел это проявление свойства живого вещества в левом вращении белков и т.п. Среди основных тел, этим свойством в живом веществе обладающих, находится глюкоза, которая вращает плоскость поляризации света вправо, хотя она, а не отвечающий ей изомер - левулеза, которая вращает плоскость поляризации на тот же угол влево характерна для живого вещества.
Но исследования, сделанные Э. Фишером и его школой, показали, что глюкоза по своей стереохимической структуре дает формулы, в которых атомы расположены по левым спиралям (см. §134).
По белкам одновременно с проф. Кизелем проф. Г.Ф. Гаузе в Московском университете, также в контакте с Биогеохимической лабораторией Академии наук СССР, делал опыты над спиральными колониями бактерий - Bacyllus mycoides.
Этот организм, подобно моллюскам, дает правые и левые формы, в природе обычны левые формы. Правые получены впервые Герсбахом в 1922г., а затем они были изучены в лаборатории Микробиологического института Академии наук в Москве проф. Г.Ф. Гаузе, причем правая форма была встречена всего три раза; правизна и левизна их наследственна. И правые, и левые формы лучше растут на естественных, т.е. на стерически левых аминокислотах, чем на неестественных, т.е. стерически правых. Правые формы вообще физиологически слабее. Новые работы Г.Ф. Гаузе показали, что энзимы из левых и правых разностей различны. Из правых бацилл он мог выделить правый энзим, а из левых бацилл - левый. Энзимы, как теперь выясняется, представляют из себя сложные системы из белка (протеина) и простатической группы небелкового строения. Одновременно их нахождение вызывает реакции, свойственные энзимам. В отдельности белок и простетическая группа этих реакций не вызывают.
Они встречаются в небольших количествах во всех организмах и по современным воззрениям биохимиков играют в жизненных процессах первостепенную роль, являются в них ведущими соединениями. Это открытие Г.Ф. Гаузе имеет большое значение, так как открывает нам путь для решения вопроса. Необходимо теперь изучить левые и правые энзимы гастропод. Если окажется, что в правых гастроподах будут энзимы правые, а в левых - левые, как это Гаузе показал для бактерий, то причина явления будет ясна. Эта работа остановлена войной и при первой возможности будет восстановлена.
144. Новое понятие пространства-времени создалось вне эмпирической работы натуралиста, в связи с углублением нашего понимания реальности Эйнштейном и раньше его математиками в XVIII в., когда они рассматривали время как новую четвертую координату пространства, чрезвычайно отвлеченно от реальности (§134).
В смене поколений живого вещества мы имеем дело не со временем и не с пространством, но с неразделимым друг от друга пространством-временем в смене поколений, которая явно не имеет никакого отношения к координатам пространства, но является физико-химическим проявлением пространства- времени; это как будто бы координата времени.
Это пространство-время в явлениях симметрии, т.е. геометрически, резко отличается от других природных земных пространств, как мы видели (§135 и сл.). То пространство-время, с которым встретился натуралист, исходя из явлений симметрии, ничего не имеет общего с этими пространствами-временами.
Для него логически правильно построить новую научную гипотезу, что для живого вещества на планете Земля речь идет не о новой геометрии, не об одной из геометрий Римана, а об особом природном явлении, свойственном пока только живому веществу, о явлении пространства-времени, геометрически не совпадающем с пространством, в котором время проявляется не в виде четвертой координаты, а в виде смены поколений. Это может быть проверено только опытом и наблюдением.
Это выражается в том, как я уже указал, что мы нигде не наблюдаем в природе абиогенеза - образования живого организма прямо из косной среды, что связь живого вещества с окружающей его косной средой проявляется только в биогенном токе атомов. Организмы размножаются поколениями, рождаются. Это процесс, как мы теперь знаем, длится миллиарды лет, и мы не знаем нигде на Земле следов времени, где бы живого вещества не было (§114-116).
Таким образом, организм сам создает свое вещество и резко отграничен от эвклидова-ньютоновского или эйнштейновского понимания его окружения. И так длится миллиарды лет. Я не буду здесь останавливаться на дальнейшем рассмотрении этой проблемы, которая пока находится только в стадии эмпирического созидания и исследования. Пока она является как изложение эмпирического факта (§135). Если бы мы попытались количественно выразить преобладание левых атомных спиралей в теле живого вещества, то можно для этого воспользоваться тем, что есть живые медузы, состав которых на 99,7% по весу, а может быть, и больше, состоит из жидкой воды (§163). Можно сказать, что для этих медуз стерически левые тела равносильны 99,7% их другого вещества.
В.И. Вернадский. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. §132-144 из гл.16. Состояния пространства, отвечающие живому веществу. Из-ие 2-е. М.: Наука, 1987, с.175-189
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/V/VERNADSKIY_Vladimir_Ivanovich/_Vernadskiy_V.I..html

  


СТАТИСТИКА