Этот правый, левый мир

Глава 16. Происхождение асимметрии

Многие верующие, движимые самыми искренними побуждениями, приходят в ужас от современных теорий, пытающихся перебросить мост между живым и неживым, объяснить происхождение жизни как результат совместного действия слепого случая и законов природы. Это даже забавно, забавно в том отношении, что в истории развития жизни на Земле было много препятствий — пропастей, переправиться через которые было потруднее, чем «построить мост», упомянутый выше. Необходимо было, например, создать хлорофилл — вещество, с помощью которого живые растительные клетки могут использовать солнечную энергию для производства крахмала и жиров. Одноклеточные животные должны были научиться поедать растения. А многоклеточным организмам пришлось «изобрести» половые различия и даже смерть после наступления старости, когда они уже не могут полноценно сотрудничать в клеточной колонии. Животные должны были догадаться, как им пожирать других животных. И кроме всего прочего, в результате эволюции появилось разумное существо, настолько разумное, что оно нашло путь к тому, чтобы уничтожить земной шар и завершить тем самым процесс эволюции. Для внеземного наблюдателя некоторые из этих шагов могли бы показаться куда более невероятными, чем начальный переход от неживой материи к живой.

Как был бы взволнован и доволен Пастер, если бы узнал о знаменитом эксперименте Миллера! Хотя сам Пастер и верил в бога, он был убежден, что жизнь на Земле должна была возникнуть именно в результате взаимодействия химических веществ, сил природы и законов случая. Он признавал также, как мы уже видели, что органические соединения живых существ оптически активны, то есть обладают внутренней асимметрией, которая способна вращать плоскость поляризации падающего света. На него произвело огромное впечатление то, что вне живых организмов все асимметричные соединения встречаются только в рацемической форме — в виде смеси правых и левых молекул. Только в живых тканях встречаются молекулы одной ориентации.

Пастер верил, что если бы ему удалось открыть способ, которым природа сумела ввести асимметрию в органические соединения, то он был бы близок к раскрытию тайны жизни. Ему казалось вероятным в тот период, что вся среда на Земле характеризовалась какой-то асимметрией. В результате этого асимметричные силы должны были действовать на первые элементы жизни и нарушить их симметрию. «Жизнь, открытая нам, — писал он, — есть порождение асимметрии мира и ее следствий... Я даже думаю, что все виды жизни в изначальной своей структуре, в своих внутренних формах являются порождением космической асимметрии».

Пастер был убежден, что блестящим примером естественной асимметрии в природе является магнетизм. Если вы поместите магнитную стрелку над проволокой, по которой прямо от вас течет ток, то стрелка повернется перпендикулярно проволоке. Своим северным концом стрелка все время будет поворачиваться только влево, а не случайно в любую сторону. В действительности это явление только кажется асимметричным (об этом вы узнаете из гл. 19); но во времена Пастера в магнетизме разбирались плохо и думали, что он обладает фундаментальной асимметрией в отличие от симметричных сил тяготения и инерции. Действуя в соответствии с этим убеждением, Пастер поставил несколько фантастических экспериментов. Он, например, выращивал кристаллы между полюсами мощного магнита в надежде, что при этом большинство кристаллов образуется в какой-нибудь определенной асимметричной форме, и был обескуражен своей полной неудачей вызвать асимметрию в кристаллах или соединениях о помощью магнитных сил.

Другой возможностью с точки зрения Пастера было то, что солнце движется по небу всегда с востока на запад, вызывая тем самым асимметрию в разных веществах. Он полагал, что, поскольку у Земли имеются Северный и Южный магнитные полюса, комбинация земного магнетизма с движением солнца может образовывать асимметрию. Используя хитроумное приспособление из зеркал и часового механизма, он мог выращивать растения при условиях, когда солнечный свет двигался с запада на восток, в направлении, обратном обычному. Пастер надеялся, что это вынудит растение создать оптически активные вещества с направлением вращения плоскости поляризации, противоположным тому, которое встречается в обычных условиях. И снова результаты были безнадежно отрицательными.

Сегодня никто не знает, каким образом первая полуживая молекула (или молекулы) получилась асимметричной. Как мы видели, все аминокислоты в живых тканях левые. Этого достаточно, чтобы определить постоянное направление закручивания всех белковых спиралей. То же самое относится к нуклеотидам, которые свою левую закрученность передают спиралям нуклеиновых кислот. Если первая молекула, способная к самовоспроизводству, чисто случайно оказалась левой, а не правой, то, конечно, левыми стали и все ее копии. Этим можно объяснить постоянную «левизну» аминокислот и нуклеотидов. Асимметрия порождает асимметрию. Молекула «Адам» смогла бы соединяться только с белками того же знака асимметрии, а потом в процессе копирования этот знак передавался бы из поколения в поколение. Обладай первая размножающаяся молекула обратной асимметрией, вся жизнь «получилась бы не так».

Возможно также, что в «горячем бульоне» первобытных океанов миллионами возникали простейшие полуживые, способные к частичному воспроизведению молекулы и что какие-то асимметричные черты окружающей среды сделали их или большинство из них левыми. Со времен Пастера было выдвинуто множество теорий подобного рода. Высказывалось предположение, что жизнь зародилась в одном полушарии, где асимметрию необходимого знака создали каким-то образом кориолисовы силы. Если бы жизнь зародилась в другом полушарии, то, согласно этой теории, все аминокислоты были бы правыми, а не левыми. Однако эта теория не получила широкого признания.

Более разумным кажется предположение, что эллиптически поляризованный свет (поляризация такого типа возникает при отражении от поверхностей) совместно с магнитным полем Земли мог привести к левому закручиванию. В результате лабораторных экспериментов с эллиптически поляризованным светом в магнитных полях были получены асимметричные соединения. Свет, отраженный от поверхности первобытного океана, мог быть поляризованным, однако большинство биохимиков не верят в то, что этот эффект был достаточно сильным, чтобы все первобытные органические молекулы на Земле получили выраженную левую асимметрию.

В 1931 году русский ученый В. И. Вернадский высказал блестящее предположение: «Некоторые астрономы считают, что Луна была некогда частью Земли». «В момент отделения Луны от Земли, — рассуждал Вернадский, — произошел, возможно, какой-то колоссальный толчок, асимметричный по своей природе, который и закрутил влево первые земные органические молекулы, образованные в то время».

Еще одну гипотезу выдвинул в 1962 году физик Джон Раш в своей превосходной книге «The Dawn of life» («Заря жизни»). Может быть, в первобытном «бульоне» существовали самовоспроизводящие молекулы обоих типов асимметрии. Каждая из них могла питаться только молекулами своей асимметрии. Потом мутация одной левой молекулы позволила ей в дальнейшем питаться как левыми, так и правыми соединениями, возможно, даже ее правыми соперниками. Ее размножающиеся потомки получили большое преимущество перед соперниками, способными питаться только молекулами своего типа. В конце концов выжили только эти наиболее приспособленные мутанты, которые и передали, конечно, асимметрию всему своему потомству.

Не исключено, что даже без такой мутации молекулы определенной асимметрии способны в конце концов вытеснить своих зеркальных двойников. Если подбросить монетку сто раз, то весьма маловероятно, что точно пятьдесят раз выпадет орел, а пятьдесят раз — решка. Точно так же невероятно, что при образовании молекул асимметричных соединений в больших количествах число правых молекул окажется точно равным числу левых. Какая бы из двух разновидностей не доминировала, превосходящая численность уже является ее преимуществом. Например, внезапное изменение внешних условий может привести к массовой гибели молекул обоих типов, и более распространенная разновидность будет иметь больше шансов на выживание.

Все эти теории в высшей степени гипотетичны. Никто не может сказать, что знает, как земная жизнь приобрела именно этот тип асимметрии. Что бы ни произошло несколько миллиардов лет назад, теперь, по убеждению большинства биологов, этого больше не происходит. Во-первых, как уже отмечалось, новоиспеченные полуживые молекулы на поверхности моря будут быстро поглощены микроорганизмами. Во-вторых, условия на Земле уже не те, что были в отдаленные геологические эпохи. Растения наполнили атмосферу кислородом. Это позволяет задержать большую часть мощного ультрафиолетового излучения солнца, которое могло быть важным источником энергии при образовании первых цепных органических молекул. Что могло происходить несколько миллиардов лет назад, теперь уже не может повториться.

Пастер отдавал предпочтение точке зрения, отстаивающей, что асимметрия молекул получилась под воздействием какого-то внешнего фактора, действующего, может быть, и по сей день. Пастер делал все, что мог, в этой абсолютно никому неведомой области. Острое противоречие между асимметрией жизни и симметрией живой природы будоражило его воображение. Он полагал, что фундаментальная асимметрия заложена в самом центре мироздания. «Вселенная, — писал он, — асимметрична». Пастер ошибался, думая, что магнетизм является отражением универсальной космической асимметрии. Тем не менее мы увидим из следующей главы, что его предположение еще может оказаться верным, причем доказано это будет, по всей вероятности, способом, непостижимым во времена Пастера. Рассмотрим теперь вкратце с философской точки зрения асимметрию и четвертое измерение, это должно помочь нам понять физику макро- и микромира, изложенную в последних главах книги.