АСИММЕТРИЯ

АСИММЕТРИЯ (от лат. asymmetria — несоразмерность) — характеристика системы, изменяющей свое исходное состояние (положение) в зависимости от пространственного переноса, поворота; а также систем, в которых проводится различение правого и левого. В асимметричной системе одна сторона может функционально доминировать по отношению к другой; такую систему называют еще киральной или хиральной (от греч. ) ( e i p — ручной, т. е. отличающий правое от левого и путающий их).         Первые утверждения, что в мире есть «правое и левое», исходили от пифагорейцев. Аристотель в трактате «О Небе» (кн. 2, гл. 2) связал правую и левую стороны — наряду с «верхом и низом», «передом и тылом» — с темой возвращения Вселенной к исходному равновесию и гармонии. Это разделение в полной мере присуще только Универсуму, а также тем вещам, которые «содержат причину в самих себе». За основу Аристотель взял движение звезд, или «вращение Неба». Так, если «правильно» сориентироваться между «верхней» и «нижней» частями Вселенной, то правой будет сторона, где восходят звезды, а левой — где звезды заходят. Движение звезд, по Аристотелю, представляется восстановлением нарушенного равновесия Космоса, поэтому левая сторона имеет «более высокое достоинство», чем правая, так как указывает направление движения к некоторой фиксированной точке — «естественному месту» во Вселенной. Однако отдельные вещи, находящиеся в окружении человека, не имеют внутреннего, присущего звездам различения сторон. В этом случае правое и левое устанавливаются путем соотнесения с представлениями людей.         И. Кант анализировал А. на примере невозможности взаимного замещения двух «вполне одинаковых» предметов, напр., правой руки и ее зеркального отображения, которое представляется как левая рука («Пролегомены...». §13). По Канту, мы не можем осуществить какое-то внутреннее различение этих не замещаемых друг другом одинаковых предметов, так как истинный коррелят в вещах самих по себе не может быть познан. Поэтому А. рассматривается им как явление, возможность которого вытекает из соединения априорных форм чувственности с непосредственным созерцанием. Таким образом, в аристотелевской телеологии А. представляется онтологически — как нарушенная гармония Универсума, и гносеологически — как разделение сторон предметов по усмотрению самого человека. В кантовском трансцендентальном идеализме А. рассматривается как парадокс, возникающий в отношении неизвестных самих по себе вещей и априорных форм нашего чувственного восприятия.         А. часто противопоставляется симметрии, а сама оппозиция «симметрия—асимметрия» рассматривается в качестве одного из эпистемологических принципов. Выявление тождественных отношений среди различных объектов здесь выступает как идеализированная цель познания, интуитивно связанная со стремлением к порядку и гармонии. Если принять за симметрию теоретической системы ее тождественность себе и инвариантность по отношению к описываемым объектам и явлениям, то развитие научного знания представляется как движение от А. к симметрии в познании. Такой подход воплощал в себе идеалы классического естествознания. Он широко представлен в различных каузально-детерминистских моделях знания конца 19 — середины 20 вв.         Эпистемологическая трактовка А. распространяется на широкий спектр понятий, категорий, явлений и объектов. Рассматриваются различные виды А.: сторон противоречий, добра и зла, доказательства и опровержения, тендерных отношений, полушарий головного мозга и др. На эмпирическом уровне отмечают функциональную А. левых и правых конечностей у человека. Установлено, к напр., что доминирование правшей примерно одинаково у всех народов и не зависит от культурного уровня. Нечто подобное обнаруживается в растительном и животном мире: по обе стороны экватора за редким исключением доминируют правоспиральные раковины, все вьющиеся растения (за исключением жимолости) закручиваются как правый винт. Спиральная структура живых организмов обнаружена и на уровне бактерий.         Примерно с 20-х гг. 20 в. А. стала рассматриваться учеными как данность в каждой конкретной области науки. По мере развития научного знания все четче очерчивался ее онтологический статус. А. обнаруживается в молекулярных структурах основных носителей жизни, в химических реакциях, в атомных и ядерных взаимодействиях.         А. живого. В 1848 Луи Пастер исследовал под микроскопом одну из солей винной кислоты. Он разделил два типа кристаллов, растворил их в воде и, пропустив через растворы луч света, обнаружил, что в одном растворе плоскость поляризации вращалась по часовой стрелке, в другом — в обратном направлении. Позже, в 1857, он установил, что оптически нейтральный (не вращающий плоскость поляризации) «неживой» раствор становится оптически активным после того, как в нем вырастает плесень. Был сделан вывод, что химические процессы в живых организмах асимметричны: в них доминируют оптические L- или D изомеры (от лат. Levo — левый и Dextro—правый). В современной литературе для обозначения асимметричности правого и левого используется термин «зеркальная асимметрия», а для L- и D-изомеров — «левые» «правые» молекулы.         В 20 в. было установлено, что оптические изомеры имеют практически все молекулы основных носителей жизни — белков и нуклеиновых кислот. Так, белки построены из L-аминокислот и только в редких случаях содержат D-аминокислоты, которым отводится особая биологическая роль. Молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК включают только оптический D-изомер сахара. Оказалось, что от выстроенных таким образом пространственных структур зависят каталитические способности ферментов всего живого. Свойства киральности белков и нуклеиновых кислот (L-аминокислот и D-сахаров) тесно связаны друг с другом в процессе репликации (воспроизведения) всего живого и составляют самую эффективную из возможных комбинаций. Известно также, что химические процессы в живом организме вследствие киральности основных биомолекул очень чувствительны к оптической изометрии синтезированных компонентов лекарств и продуктов. Вместе с тем вопросы, почему в составе белков обнаруживаются только L-аминокислоты, а в нуклепротеидах — D-caxapa, и как это произошло, остаются до сих пор без убедительного ответа.         А. на субъядерном и атомарном уровнях. Известно, что электромагнитные взаимодействия сохраняют четность, когда с одинаковой вероятностью происходят прямые процессы и их зеркальные отображения. В 1950-х было обнаружено, что слабые ядерные взаимодействия четность не сохраняют. Оказалось, что процесс испускания бета-частиц при радиоактивном распаде зеркально асимметричен: левые электроны намного превосходят правые по числу (электроны квалифицированы как левые или правые в зависимости от движения: вдоль направления спина или против него). При бета-распаде также обнаружена зеркальная А. электрически нейтральных частиц — нейтрино и антинейтрино. Во Вселенной пока не найдены правые нейтрино и левые антинейтрино. Разработанная в 1970-х теория объединения электромагнитного и слабого взаимодействий (С. Вайнберг, А. Салам, Ш. Глешоу) позволила выдвинуть гипотезу, согласно которой атомы и молекулы, которые прежде считались зеркально симметричными, могут приобретать киральность. В последующем эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение.         Исследования 1980-х (С. Мейсон и Дж. Трантер) были направлены на установление влияния А., вызванной слабыми взаимодействиями, на энергии молекул, когда энергия одного из оптических изомеров возрастает, а другого — уменьшается. Этот расчет позволил выдвинуть аргумент в пользу обоснования на субатомном уровне количественного превосходства L-аминокислот. Однако установленное экспериментально количественное превосходство L- над D-изомерами очень мало и соответствует примерно 1:1010. Такое ничтожно малое различие оставляет открытым вопрос о влиянии слабых ядерных взаимодействий на установившийся на Земле тип ки-ральности живых организмов.         А. и вопрос происхождения жизни на Земле. Одной из аксиом современной биологии следует считать утверждение: любая научная гипотеза, объясняющая происхождение жизни, должна включать в себя объяснение условий, при которых из первоначально симметричной системы возникла кирально чистая система. Когда и как произошел переход к киральной чистоте биомолекул, определившей существующую форму жизни?         На вопрос «когда?» дается три варианта ответов. Согласно первому, А. возникла уже на стадии химической эволюции от неживого к живому, согласно второму — на промежуточном уровне сложности между химическим и биологическим, согласно третьему — киральность появилась позже, на стадии биологической эволюции. Каждый из подходов имеет специфические проблемы обоснования. Так, если А. возникла на уровне химических реакций, то является ли она необходимым условием появления жизни? И почему тогда природой выбран именно этот вариант и отсутствуют его антиподы? Гипотеза о возникновении А. на биологической стадии эволюции также требует ответа на вопрос: каким образом киральная жизнь стала артефактом процессов жизнедеятельности?         Большинство ученых отмечают чрезвычайно малую вероятность первого варианта — перехода к А. на уровне химических реакций. Второй, промежуточный, вариант, разрабатываемый Д.С. Чернавским, основан на гипотезе, что кирально чистые гиперциклы обеих форм возникли, когда ДНК не выполняли еще полноценно биологическую функцию (кодирование), но уже выполняли химическую функцию (гетерогенный катализ), обладающую свойством биологической специфичности. Третий вариант указывает на решающую роль биологического цикла и строится на двух основных предположениях: 1) первая клетка в «первичном бульоне» полностью состояла из L-аминокислот, либо в ней случайно возник их небольшой избыток, а эволюционный отбор благоприятствовал этой форме жизни; 2) спонтанное нарушение симметрии, которое привело к существующей киральной однородности, произошло во многих местах зарождения жизни. Согласно последней позиции, которой придерживаются Р. Хегстрем и Д. Кондепуди, жизнь возникла как в L -, так и в D-формах. D-форма «вымерла» в итоге межвидовой борьбы за существование.         Общей для всех вариантов проблемой является установление причин нарушения симметрии. Теоретические модели, реконструирующие процесс нарушения симметрии (отвечающие на вопрос «как?»), строятся либо на основании представлений о спонтанной самоорганизации, либо на принятии в расчет влияния внешних несимметричных воздействий, либо на суммирующем эффекте того и другого. Одним из первых проблему спонтанного нарушения симметрии сформулировал в 1970-х Л.Л. Морозов. В дальнейшем на основе теории самоорганизации е е разработка осуществлялась В. И. Гольданским, В. А. Аветистовым, В. В. Кузьминым, Д.С. Чернавским и др. Состояние симметрии между двумя видами молекул неустойчиво для открытых систем. Вследствие этого могла возникнуть как химическая, так и биологическая А., т. е. неравное количество L- и D-форм. И как только численность одних превысила численность других, система самопроизвольно эволюционировала в сторону асимметричного состояния. Предпочтение одной формы жизни перед другой в этом случае определяется случайной статистической флуктуацией.         Нарушение симметрии могли также вызвать внешние несимметричные воздействия. Это — влияние киральных минералов (напр., кварца) и циркулярно поляризованного света. Особое место в рамках этой гипотезы отводится потокам нейтрино, возникающим при взрыве сверхновых звезд. Не сохраняющие четность слабые взаимодействия могли благоприятствовать киральности биомолекул. Хотя многие ученые считают, что столь слабым влиянием можно пренебречь, выдвигаются и доводы, что малое внешнее воздействие может запускать спонтанный процесс и тем самым определять выбор конечного состояния.         Прогресс в познании роли А. на всех уровнях реальности позволяет рассматривать как великое научное предвидение слова Пастера: «Жизнь, открытая нам, есть продолжение асимметрии мира и ее следствий... Я даже думаю, что все виды жизни в изначальной своей структуре, в своих внутренних формах являются порождением космической асимметрии».         Е.Н. Ивахненко         Лит.: Аристотель. Гарднер М. Этот правый, левый мир. М, 1967; О Небе // Соч.: В 4 т. Т. 3. М., 1981; Бушья М.-А., Потье Л. Несохранение четности в атомных системах // В мире науки. 1984. № 8; Морозов ЯЛ. Поможет ли физика понять, как возникла жизнь ? // Природа. 1984. № 12; Хегстрем Р., Кондепуди Д. Зеркальная асимметрия Вселенной // В мире науки. 1990. № 3; Аветистов В.А., Гольданский В.И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 8; Чернавский Д.С. Проблема происхождения жизни с точки зрения современной физики // Успехи физических наук. 2000. Т. 170. №2.