И вот он разделил кристаллы с левым и правым скосом и получил, что
знак оптической активности одних кристаллов Ц левый, других Ц правый.
Вот так состоялось это открытие. Что оно означает?
Оно означает принципиальную возможность спонтанного нарушения симмет
рии. То есть на уровне монокристаллов это возможно. Вот что доказал Пасте
р.
В том же самом 1848 году он демонстрировал этот эксперимент своему учителю
Био, который тщательно своими руками проверял оптическую активность, фо
рму кристаллов, чтобы убедиться в том, что это не ошибка. И доложил об этом
успехе на заседании французской Академии наук, которая в то время тщател
ьно следила за всё новыми находками.
Удивительно, что в том же самом году, в той же самой Франции, в Париже, матем
атик Браве, который ничего не знал об экспериментах Пастера, путём чисто
го математического расчёта обнаружил строгое количество возможных кри
сталлических решёток. Решётки Браве существуют до сих пор в кристаллогр
афии.
И завершил теорию кристаллографии наш русский учёный Фёдоров. В 1890-м году
он открыл, что существует 230 и только 230 способов идеального заполнения про
странства.
В.А. Здесь имеется в виду плотная упаковка Ц «идеальное запол
нение пространства».
Р.К. Он вывел это чисто теоретически. Что есть только 230, как он на
зывал, способов создания пространства. И среди этих 230 групп Ц 65 хиральных.

В.А. А что значит «хиральные группы»? Это не вполне понятно.
Р.К. То есть этот кристалл строится только из молекул одной хир
альности.
В.А. То есть сам кристалл обладает свойством зеркальной дисси
мметрии, существует две формы кристалла, несовместимые одна с другой, ле
вая форма и правая. По-видимому, это то, что наблюдал Пастер в своём экспер
именте, когда он разделил на левое и правое.
Р.К. То есть независимо, чисто теоретически, математика пришла
к неизбежности такого фундаментального явления. Таким образом заверши
лось абсолютное доказательство возможности спонтанного нарушения сим
метрии Ц предопределённое, просто предопределённое. Таким образом, воз
никновение жизни уже предопределено.
А.Г. Но всё-таки хотелось бы понять, каковы должны быть условия
для этого спонтанного разделения.
Р.К. Вещество должно кристаллизоваться в одной из этих 65-ти хир
альных пространственных групп. Поначалу считалось, что случай, который н
аблюдал Пастер Ц это исключительный случай, редкий случай. Но к 1994 году сп
исок таких соединений насчитывал уже 250. И в нашей лаборатории только за 5 л
ет было открыто ещё 50 таких соединений.
В.А. Взрывное развитие.
Р.К. Я вижу в массе работ, которые публикуют, почти в каждом журн
але, новое соединение, которое может подвергаться спонтанному разделен
ию. То есть образовывать так называемый конгломерат, смесь гомохиральны
х кристаллов.
В.А. Вот что самое главное. Не нарушается симметрия спонтанно.
То есть на самом деле происходит, конечно, распад симметричной смеси в ре
зультате кристаллизации на кристаллы левые и правые. Но это по-прежнему
симметричная смесь кристаллов, то есть они присутствуют в равном количе
стве. Поэтому кристаллизация сама по себе (то есть спонтанное нарушение
симметрии в целом, в больших объёмах) не приводит к нарушению симметрии. Д
а, происходит разделение фаз, но к нарушению симметрии это не приводит. Ло
кально, если вы возьмёте маленький объемчик кристалла, конечно, в нём про
исходит некое, как вы можете сказать, нарушение симметрии. Но реально по м
ножеству кристаллов симметрия у вас сохраняется.
Так что здесь электромагнитное взаимодействие продолжает оставаться с
имметричным. И нет никакого нарушения. Но вот есть же эксперименты, где вы
ращивается один кристалл?
Р.К. Владик, извините. Но вот ровно к 150-летию открытия Пастера я п
осмотрел на соль Пастера и пришёл к очень простому следствию. Сама винна
я кислота кристаллизуется как рацемат, то есть в кристалл входит левая и
правая молекула. Её натриевая соль Ц то же самое, аммониевая соль Ц то же
самое. Но натрий-аммониевая соль, которая кристаллизуется в виде тетраг
идрата, образует конгломерат, то есть гомохиральный кристалл.
Я просто назвал эти натрий-аммоний ионы и четыре молекулы воды конгломе
раторами. То есть они определяют способность кристаллизоваться в виде к
онгломерата. И это был алгоритм. Отсюда сразу следовало: если я возьму нед
остаток конгломератора, то это не будет приводить (после того как первый
кристалл образовался) к перенасыщению маточного раствора по второму эн
антиомеру. И я действительно получаю весь оптически активный осадок так
им простым способом.
В.А. Это так, как сделал Хавинга?
Р.К. Стоп. Хавинга сделал ещё похлеще. Это тоже следствие откры
тия Пастера. Если соединение кристаллизуется в виде гомохирального кри
сталла, а образование полностью рацемического осадка, о котором вы говор
или, связано с перенасыщением по второму энантиомеру. Он говорит: а если я
найду способ рацемизации соединения в растворе…
В.А. То есть превращение левого в правого.
Р.К. Чтобы не было перенасыщения по противоположному энантио
меру, я могу осуществить полный переход рацемата в один энантиамер…
В.А. То есть вырастить один кристалл.
Р.К. И он это сделал. В 39 году написаны его первые работы Ц в редк
ом голландском журнале, на голландском языке, и были поэтому недоступны.
Потом началась Вторая мировая война, она перебила все его эксперименты.
В 54 году только он издал их на английском языке.
В.А. То есть удивительно вот что. Вообще получается так, что есл
и, скажем, выпадение левых и правых кристаллов Ц это локальное нарушени
е симметрии, но симметрия при этом в целом остаётся, потому что у нас равно
е количество левых и правых изомеров, то, ничего не делая специально и не в
ыходя за пределы химии, я могу сделать так, что у меня в колбе или в каком-то
объёме вырастет полностью только один кристалл. А как же так? А как же эле
ктромагнитное взаимодействие? А как же симметрия?
А.Г. Куда денется та его часть, которой нет?
В.А. Да, её же уже нет. Мы же уже превратили весь объём. А как же с э
лектромагнитным взаимодействием?
Р.К. Дело в том, что, повторяя эксперимент, я с такой же вероятнос
тью получу противоположный результат.
В.А. Вот. Если теперь я буду повторять эксперимент, то с точно та
кой же вероятностью у меня будет вырастать либо большой правый кристалл
, либо левый кристалл. И так далее. Так что симметрия по-прежнему сохраняе
тся.
Р.К. И эти эксперименты неоднократно проводились. Проводилис
ь на нескольких тысячах измерениях оптической активности нескольких т
ысяч кристаллов. И получалось примерно равновероятно. Но, если это прове
сти на миллиарде измерений, может быть, мы найдём статистически достовер
ную разницу. Но длительность такого эксперимента, пусть даже только мину
та тратится на измерение, это несколько веков, это слишком длинный экспе
римент.
А.Г. Давайте считать, что мы ответили на первый вопрос, и будем д
вигаться дальше. То есть, возможны в определённом объёме спонтанные обра
зования гомохиральных соединений.
В.А. Да, я хотел бы только здесь отметить ещё один цикл работ, кот
орый обозначил эту же проблему о спонтанном нарушении симметрии немнож
ко по-другому. Об этом нужно сказать обязательно. Потому что кристаллиза
ция Ц это всё-таки некоторый специальный процесс. Представить себе, что
кристаллизация явилась, в действительности, тем самым процессом, которы
й решил проблему нарушения симметрии на ранних стадиях предбиологичес
кой эволюции Ц это представляется несколько легкомысленным.
А.Г. То есть это просто модель…
В.А. Это модель процесса. А каков процесс? А процесс на самом дел
е связан с нелинейными химическими процессами. То есть теперь уже речь м
ожет идти об огромных ареалах (геохимических, например) разного масштаба
, в которых естественным образом может возникать и эволюционировать гло
бальная химическая среда. И различные процессы, протекающие в таких масш
табах, процессы превращения, образования хиральных органических соеди
нений, они могут подчиняться таким уравнениям, которые приводят к неусто
йчивости рацемического или симметричного состояния. И тогда симметрия
нарушается уже во всём этом ареале глобально, именно так, как это происхо
дило в эксперименте Хавинга, не в смысле кристаллизации, а в смысле некое
го образа кристалла.
Здесь, конечно, нужно обязательно сказать о том, что эти работы были сдела
ны нашими учёными Ц Леонидом Морозовым и Владимиром Кузьминым. И очень
долгое время эти работы опекал и вёл Виталий Иосифович Гольданский. Это
целая эпоха в этом направлении, которая занимала время примерно с середи
ны 70-х годов и практически до 90-х годов.
И вот теперь я хотел бы вернуться к нашей схеме, к нашей эволюционной моде
ли. Кажется вполне естественным, что с первым вопросом мы как-то разобрал
ись. Мы теперь можем считать, что этого вопроса, вообще говоря, нет. Мы пред
ставим на суд множество разных экспериментов, подтверждающих то, как сим
метрия может нарушаться в маленьких или в больших ареалах.
И теперь второй вопрос. Можем ли мы теперь от асимметричной среды перейт
и к достаточно сложным структурам? Для того чтобы теперь попробовать отв
етить на второй вопрос, а именно: можем ли мы создать гомохиральные после
довательности, гомохиральные полимерные цепи, уже имея среду с нарушенн
ой симметрией? Для этого, конечно, нужно каким-то образом предложить прос
тые критерии перехода. Мы же что-то должны сохранить в этом переходе. Мы д
олжны в этом переходе следовать какому-то признаку. Ну, например, признак
у репликации. Давайте попробуем понять, можем ли мы каким-то образом эвол
юционировать от асимметричной среды к сложным структурам, во-первых, со
здав такие системы, которые могли бы реплицироваться. А во-вторых, создав
условия для эволюции таких систем.
Р.К. Вадик, извините. Такие системы созданы уже. Простейшие мол
екулярные системы, способные к саморепликации уже есть, это работы…
В.А. Типичный взгляд химика Ц «проблем нет, химия всё может». Э
то работы Ребека?
Р.К. Да, работы Джулиуса Ребека.
В.А. Да я прекрасно знаю об этих работах. Это вообще остроумней
шая вещь. Ребек, как бы комментируя дискуссию о том, что репликация Ц это
свойство исключительно биологических систем… Ну, это вообще блестящий
химик, разумеется. Химия сейчас Ц это вообще архитектура молекулярного
уровня. Он построил систему, которая действует как «инь» и «янь». Она вооб
ще выглядит как «инь» и «янь», как этот знаменитый знак Ц две запятые, вло
женные одна в другую. И он сделал две такие молекулы, причём «янь» собирал
ась на «инь», а уже потом они распадались, и на каждой из этих двух половин
ок собиралась соответствующая комплементарная половинка. Обратите вни
мание, здесь он использовал один принцип, который взял из биологии Ц при
нцип комплементарного соответствия, как это происходит, например, в двой
ной спирали ДНК.
Р.К. Кстати, использовал аналоги. Вот он, этот аналог нуклеотид
а.
В.А. И более того, нужно сказать, что у него-то вообще процесс ре
пликации шёл только тогда, когда все нужные компоненты способны собират
ься таким инь-яновским способом Ц все компоненты были хирально чистые,
в среде не было никакой грязи. А среда была оптически активной.
Но что он показал? Он показал, что молекулярные структуры могут быть дост
аточно простыми, и, тем не менее, они могут обладать свойством репликации.
Миф о том, что репликация есть свойство исключительно биологии, был неме
дленно разрушен.
Р.К. Но их же можно сколь угодно долго усложнять.
В.А. Конечно. Сколь угодно много, и сколь угодно сильно. Ну что, м
ы решили проблему возникновения жизни? Давайте всё-таки посмотрим на эт
о аккуратнее.
Следующий шаг (на самом деле, всё это примерно совпадало по времени) был сд
елан Оргелом и Джейсом Ц американскими учёными, которые, вообще говоря,
сделали довольно хитрую и тонкую вещь. Они в точности использовали принц
ип копирования двойных спиралей РНК, комплементарного спаривания, но по
казали, что этот процесс сборки репличной нити на подложке типа РНК или Д
НК может идти без ферментов, что было чрезвычайно важно. Потому что, конеч
но, когда у вас есть и ферменты (то есть белки), когда есть у вас РНК и ДНК, и вс
ё это ещё собрано в клетки, и всё это функционирует, тогда, конечно, это буд
ет реплицироваться, мы и так это знаем. А всё дело вот в чём: а как же сделать
такие системы, где нет ферментов, где нет белков, но, тем не менее, могут воз
никнуть сложные структуры? Вот в чём проблема. И Оргел и Джейс показали, чт
о на такой гребёнке за счёт комплементарного спаривания образуется вто
рая нитка. Прекрасно. Но опять у них выходило одно жёсткое условие: то, из ч
его они должны были собирать, то есть среда, в которой плавали все нужные к
омпоненты для сборки этой второй нити, она должна была быть оптически чи
стой, она должна быть абсолютно хирально чистой. Любое появление грязи, т
о есть энантиамерного антипода противоположного знака немедленно блок
ировало самосборку такой цепи. Казалось бы, тупик.
Но спустя некоторое время, буквально спустя годы, Эшенмоузер Ц швейцарс
кий химик Ц сделал ещё одну очень интересную работу, в которой показал, ч
то, используя комплементарность, «степ бай степ», то есть путём такого сп
аривания Ц «это сюда, а это сюда, а это сюда», и так далее, Ц можно собират
ь достаточно длинные цепочки. И это уже было сенсацией. Мало того, он показ
ал, что сборка идёт столь селективно, что, вообще говоря, и не требуется ус
ловие сильного нарушения асимметрии. Достаточно, чтобы были нужные элем
енты…
Р.К. И небольшое обогащение.
В.А. Да, маленькое обогащение, вполне способное проявиться за с
чёт каких-то естественных процессов.
Р.К. И о которых как раз вы говорили, что их не хватает.
В.А. Да. Хорошо. Так что же получается? Всё, опять проблема решена
? Теперь мы выстраиваем таким образом достаточно длинные цепочки, они ск
ладываются в такие специальные структуры, РНК или ДНК (остановимся, напр
имер, на концепции эволюции РНК-мира) Ц и всё. Дальше мы попадаем в област
ь эволюции совершенно других структур и других правил. Мы проскочили бар
ьер от неживой химии к живой.
Но нет. И тут возникает проблема. А какая проблема? А проблема возникает во
т какая. Эшенмоузер собрал примерно 18 звеньев и сказал, что «я могу собира
ть так сколь угодно много». На самом деле нет. Оказалось, по теоретическим
оценкам, что критической является длина порядка 30 единиц.
А.Г. Что недостаточно.
В.А. Явно недостаточно. Из этих 30 единиц мы никакие специфическ
ие Ц в функциональном смысле Ц структуры не создадим. А почему критиче
ским оказывается длина порядка 30 единиц? По одной простой причине. По той
причине, которая называется «катастрофой ошибок». И вот эта катастрофа о
шибок связана со сложностью структур. Мы уже как-то говорили и о парадокс
е Левинталя, и о катастрофе ошибок. А всё дело тут вот в чём.
Ведь что такое построить гомохиральную цепочку? Это построить определё
нную последовательность, например, только из левых молекул. Из очень бол
ьшого числа всевозможных последовательностей левых и правых молекул, к
оторые можно представить. Оказывается, когда это число становится слишк
ом большим, у вас есть два варианта. Вы должны либо очень точно собирать, л
ибо отказаться от сборки.
Чтобы точно собирать, нужно иметь очень специальные процессы, которые мо
гут обеспечить только такие специфические структуры, как белки, то есть
такие процессы, какие мы наблюдаем в биологии. Но если у вас их нет, то тогд
а у вас только один способ: вы должны держать настолько чистой среду, чтоб
ы в этой среде у вас были только, скажем, левые изомеры, из которых вы строи
те. А правых было бы исчезающе мало, настолько мало, чтобы вероятность поя
вления неправильного звена была бы очень маленькой. То есть вы специфичн
ость функций заменяете специфичным состоянием среды.
А.Г. От чего Ц не легче.
В.А. От чего, конечно, не легче, но, может быть, всё-таки можно сдел
ать это в химии? Посмотрим на все процессы спонтанного нарушения симметр
ии на уровне химии, то есть зададимся таким вопросом: а можем ли мы такую с
реду создать на уровне химической эволюции или на каких-то чуть более по
здних стадиях эволюции? И выясняется, что нет. Даже механизм спонтанного
нарушения симметрии (который приводит к асимметрическому состоянию) тр
ебует столь специфичного распознавания левых и правых молекул для созд
ания очень сильной асимметрии, которое возможно только на биологическо
м уровне.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24