И уже прямо перед Пастером немецкий кристаллограф Митчерлих сообщил о сенсационном открытии, о том, что он обнаружил абсолютное сходство кристаллов рацемической винной кислоты и оптически активной, природной. И их одинаковую плотность. Это сразу было обсуждено на заседании французской Академии наук, и Пастер буквально зажёгся целью выяснить, в чём тут дело. Он исследовал снова эти кристаллы. И ему удалось обнаружить скошенную грань на кристаллах рацемической соли, натрий-аммониевой соли. И это зеркально противоположная скошенная грань наблюдалась и на других кристаллах.
И вот тут его осенила догадка – это смесь оптически активных кристаллов той самой природной винной кислоты и её антипода, и их надо было просто разделить. И вот он разделил кристаллы с левым и правым скосом и получил, что знак оптической активности одних кристаллов – левый, других – правый. Вот так состоялось это открытие. Что оно означает?
Оно означает принципиальную возможность спонтанного нарушения симметрии. То есть на уровне монокристаллов это возможно. Вот что доказал Пастер.
В том же самом 1848 году он демонстрировал этот эксперимент своему учителю Био, который тщательно своими руками проверял оптическую активность, форму кристаллов, чтобы убедиться в том, что это не ошибка. И доложил об этом успехе на заседании французской Академии наук, которая в то время тщательно следила за всё новыми находками.
Удивительно, что в том же самом году, в той же самой Франции, в Париже, математик Браве, который ничего не знал об экспериментах Пастера, путём чистого математического расчёта обнаружил строгое количество возможных кристаллических решёток. Решётки Браве существуют до сих пор в кристаллографии.
И завершил теорию кристаллографии наш русский учёный Фёдоров. В 1890-м году он открыл, что существует 230 и только 230 способов идеального заполнения пространства.
В.А. Здесь имеется в виду плотная упаковка – «идеальное заполнение пространства».
Р.К. Он вывел это чисто теоретически. Что есть только 230, как он называл, способов создания пространства. И среди этих 230 групп – 65 хиральных.
В.А. А что значит «хиральные группы»? Это не вполне понятно.
Р.К. То есть этот кристалл строится только из молекул одной хиральности.
В.А. То есть сам кристалл обладает свойством зеркальной диссимметрии, существует две формы кристалла, несовместимые одна с другой, левая форма и правая. По-видимому, это то, что наблюдал Пастер в своём эксперименте, когда он разделил на левое и правое.
Р.К. То есть независимо, чисто теоретически, математика пришла к неизбежности такого фундаментального явления. Таким образом завершилось абсолютное доказательство возможности спонтанного нарушения симметрии – предопределённое, просто предопределённое. Таким образом, возникновение 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 хиральных пространственных групп. Поначалу считалось, что случай, который наблюдал Пастер – это исключительный случай, редкий случай. Но к 1994 году список таких соединений насчитывал уже 250. И в нашей лаборатории только за 5 лет было открыто ещё 50 таких соединений.
В.А. Взрывное развитие.
Р.К. Я вижу в массе работ, которые публикуют, почти в каждом журнале, новое соединение, которое может подвергаться спонтанному разделению. То есть образовывать так называемый конгломерат, смесь гомохиральных кристаллов.
В.А. Вот что самое главное. Не нарушается симметрия спонтанно. То есть на самом деле происходит, конечно, распад симметричной смеси в результате кристаллизации на кристаллы левые и правые. Но это по-прежнему симметричная смесь кристаллов, то есть они присутствуют в равном количестве. Поэтому кристаллизация сама по себе (то есть спонтанное нарушение симметрии в целом, в больших объёмах) не приводит к нарушению симметрии. Да, происходит разделение фаз, но к нарушению симметрии это не приводит. Локально, если вы возьмёте маленький объемчик кристалла, конечно, в нём происходит некое, как вы можете сказать, нарушение симметрии. Но реально по множеству кристаллов симметрия у вас сохраняется.
Так что здесь электромагнитное взаимодействие продолжает оставаться симметричным. И нет никакого нарушения. Но вот есть же эксперименты, где выращивается один кристалл?
Р.К. Владик, извините. Но вот ровно к 150-летию открытия Пастера я посмотрел на соль Пастера и пришёл к очень простому следствию. Сама винная кислота кристаллизуется как рацемат, то есть в кристалл входит левая и правая молекула. Её натриевая соль – то же самое, аммониевая соль – то же самое. Но натрий-аммониевая соль, которая кристаллизуется в виде тетрагидрата, образует конгломерат, то есть гомохиральный кристалл.
Я просто назвал эти натрий-аммоний ионы и четыре молекулы воды конгломераторами. То есть они определяют способность кристаллизоваться в виде конгломерата. И это был алгоритм. Отсюда сразу следовало: если я возьму недостаток конгломератора, то это не будет приводить (после того как первый кристалл образовался) к перенасыщению маточного раствора по второму энантиомеру. И я действительно получаю весь оптически активный осадок таким простым способом.
В.А. Это так, как сделал Хавинга?
Р.К. Стоп. Хавинга сделал ещё похлеще. Это тоже следствие открытия Пастера. Если соединение кристаллизуется в виде гомохирального кристалла, а образование полностью рацемического осадка, о котором вы говорили, 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 энантиомеру, 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 – в редком 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 если, скажем, выпадение левых и правых кристаллов – это локальное нарушение симметрии, но симметрия при этом в целом остаётся, потому что у нас равное количество левых и правых изомеров, то, ничего не делая специально и не выходя 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 электромагнитное 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 электромагнитным взаимодействием?
Р.К. Дело в том, что, повторяя эксперимент, я с такой же вероятностью получу противоположный результат.
В.А. Вот. Если теперь я буду повторять эксперимент, то с точно такой же вероятностью у меня будет вырастать либо большой правый кристалл, либо левый кристалл. И так далее. Так что симметрия по-прежнему сохраняется.
Р.К. И эти эксперименты неоднократно проводились. Проводились на нескольких тысячах измерениях оптической активности нескольких тысяч кристаллов. И получалось примерно равновероятно. Но, если это провести на миллиарде измерений, может быть, мы найдём статистически достоверную разницу. Но длительность такого эксперимента, пусть даже только минута тратится на измерение, это несколько веков, это слишком длинный эксперимент.
А.Г. Давайте считать, что мы ответили на первый вопрос, и будем двигаться дальше. То есть, возможны в определённом объёме спонтанные образования гомохиральных соединений.
В.А. Да, я хотел бы только здесь отметить ещё один цикл работ, который обозначил эту же проблему о спонтанном нарушении симметрии немножко по-другому. Об этом нужно сказать обязательно. Потому что кристаллизация – это всё-таки некоторый специальный процесс. Представить себе, что кристаллизация явилась, в действительности, тем самым процессом, который решил проблему нарушения симметрии на ранних стадиях предбиологической эволюции – это представляется несколько легкомысленным.
А.Г. То есть это просто модель…
В.А. Это модель процесса. А каков процесс? А процесс на самом деле связан с нелинейными химическими процессами. То есть теперь уже речь может идти об огромных ареалах (геохимических, например) разного масштаба, в которых естественным образом может возникать и эволюционировать глобальная химическая среда. И различные процессы, протекающие в таких масштабах, процессы превращения, образования хиральных органических соединений, они могут подчиняться таким уравнениям, которые приводят к неустойчивости рацемического или симметричного состояния. И тогда симметрия нарушается уже во всём этом ареале глобально, именно так, как это происходило в эксперименте Хавинга, не в смысле кристаллизации, а в смысле некоего образа кристалла.
Здесь, конечно, нужно обязательно сказать о том, что эти работы были сделаны нашими учёными – 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 середины 70-х годов и практически до 90-х годов.
И вот теперь я хотел бы вернуться к нашей схеме, к нашей эволюционной модели. Кажется вполне естественным, что с первым вопросом мы как-то разобрались. Мы теперь можем считать, что этого вопроса, вообще говоря, нет. Мы представим на суд множество разных экспериментов, подтверждающих то, как симметрия может нарушаться в маленьких или в больших ареалах.
И теперь второй вопрос. Можем ли мы теперь от асимметричной среды перейти к достаточно сложным структурам? Для того чтобы теперь попробовать ответить на второй вопрос, а именно: можем ли мы создать гомохиральные последовательности, гомохиральные полимерные цепи, уже имея среду с нарушенной симметрией? Для этого, конечно, нужно каким-то образом предложить простые критерии перехода. Мы же что-то должны сохранить в этом переходе. Мы должны в этом переходе следовать какому-то признаку. Ну, например, признаку репликации. Давайте попробуем понять, можем ли мы каким-то образом эволюционировать от асимметричной среды к сложным структурам, во-первых, создав такие системы, которые могли бы реплицироваться. А во-вторых, создав условия для эволюции таких систем.
Р.К. Вадик, извините. Такие системы созданы уже. Простейшие молекулярные системы, способные к саморепликации уже есть, это работы…
В.А. Типичный взгляд химика – «проблем нет, химия всё может». Это работы Ребека?
Р.К. Да, работы Джулиуса Ребека.
В.А. Да я прекрасно знаю об этих работах. Это вообще остроумнейшая вещь. Ребек, как бы комментируя дискуссию о том, что репликация – это свойство исключительно биологических систем… Ну, это вообще блестящий химик, разумеется. Химия сейчас – это вообще архитектура молекулярного уровня. Он построил систему, которая действует как «инь» и «янь». Она вообще выглядит как «инь» и «янь», как этот знаменитый знак – две запятые, вложенные одна в другую. И он сделал две такие молекулы, причём «янь» собиралась на «инь», а уже потом они распадались, и на каждой из этих двух половинок собиралась соответствующая комплементарная половинка. Обратите внимание, здесь он использовал один принцип, который взял из биологии – принцип комплементарного соответствия, как это происходит, например, в двойной спирали ДНК.
Р.К. Кстати, использовал аналоги. Вот он, этот аналог нуклеотида.
В.А. И более того, нужно сказать, что у него-то вообще процесс репликации шёл только тогда, когда все нужные компоненты способны собираться таким инь-яновским способом – 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 достаточно простыми, и, тем не менее, они могут обладать свойством репликации. Миф о том, что репликация есть свойство исключительно биологии, был немедленно разрушен.
Р.К. Но их же можно сколь угодно долго усложнять.
В.А. Конечно. Сколь угодно много, и сколь угодно сильно. Ну что, мы решили проблему возникновения жизни? Давайте всё-таки посмотрим на это аккуратнее.
Следующий шаг (на самом деле, всё это примерно совпадало по времени) был сделан Оргелом и Джейсом – американскими учёными, которые, вообще говоря, сделали довольно хитрую и тонкую вещь. Они в точности использовали принцип копирования двойных спиралей РНК, комплементарного спаривания, но показали, что этот процесс сборки репличной нити на подложке типа РНК или ДНК может идти без ферментов, что было чрезвычайно важно. Потому что, конечно, когда у вас есть и ферменты (то есть белки), когда есть у вас РНК и ДНК, и всё это ещё собрано в клетки, и всё это функционирует, тогда, конечно, это будет 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 возникнуть сложные структуры? Вот в чём проблема. И Оргел и Джейс показали, что на такой гребёнке за счёт комплементарного спаривания образуется вторая нитка. Прекрасно. Но опять у них выходило одно жёсткое условие: то, из чего они должны были собирать, то есть среда, в которой плавали все нужные компоненты для сборки этой второй нити, она должна была быть оптически чистой, она должна быть абсолютно хирально чистой. Любое появление грязи, то есть энантиамерного антипода противоположного знака немедленно блокировало самосборку такой цепи. Казалось бы, тупик.
Но спустя некоторое время, буквально спустя годы, Эшенмоузер – швейцарский химик – сделал ещё одну очень интересную работу, в которой показал, что, используя комплементарность, «степ бай степ», то есть путём такого спаривания – «это сюда, а это сюда, а это сюда», и так далее, – можно собирать достаточно длинные цепочки. И это уже было сенсацией. Мало того, он показал, что сборка идёт столь селективно, что, вообще говоря, и не требуется условие сильного нарушения асимметрии. Достаточно, чтобы были нужные элементы…
Р.К. И небольшое обогащение.
В.А. Да, маленькое обогащение, вполне способное проявиться за счёт 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 складываются в такие специальные структуры, РНК или ДНК (остановимся, например, на концепции эволюции РНК-мира) – и всё. Дальше мы попадаем в область эволюции совершенно других структур и других правил. Мы проскочили барьер от неживой химии к живой.
Но нет. И тут возникает проблема. А какая проблема? А проблема возникает вот какая. Эшенмоузер собрал примерно 18 звеньев и сказал, что «я могу собирать 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 специфические – в функциональном смысле – структуры не создадим. А почему критическим оказывается длина порядка 30 единиц? По одной простой причине. По той причине, которая называется «катастрофой ошибок». И вот эта катастрофа ошибок связана со сложностью структур. Мы уже как-то говорили и о парадоксе Левинталя, и о катастрофе ошибок. А всё дело тут вот в чём.
Ведь что такое построить гомохиральную цепочку? Это построить определённую последовательность, например, только из левых молекул. Из очень большого числа всевозможных последовательностей левых и правых молекул, которые можно представить. Оказывается, когда это число становится слишком большим, у вас есть два варианта. Вы должны либо очень точно собирать, либо отказаться от сборки.
Чтобы точно собирать, нужно иметь очень специальные процессы, которые могут обеспечить только такие специфические структуры, как белки, то есть такие процессы, какие мы наблюдаем в биологии. Но если у вас их нет, то тогда у вас только один способ: вы должны держать настолько чистой среду, чтобы в этой среде у вас были только, скажем, левые изомеры, из которых вы строите. А правых было бы исчезающе мало, настолько мало, чтобы вероятность появления неправильного звена была бы очень маленькой. То есть вы специфичность функций заменяете специфичным состоянием среды.
А.Г. От чего – не легче.
В.А. От чего, конечно, не легче, но, может быть, всё-таки можно сделать это в химии? Посмотрим на все процессы спонтанного нарушения симметрии на уровне химии, то есть зададимся таким вопросом: а можем ли мы такую среду создать на уровне химической эволюции или на каких-то чуть более поздних стадиях эволюции? И выясняется, что нет. Даже механизм спонтанного нарушения симметрии (который приводит к асимметрическому состоянию) требует столь специфичного распознавания левых и правых молекул для создания очень сильной асимметрии, которое возможно только на биологическом уровне.
И вот тут появляется замкнутый круг. С одной стороны, получается, что требование, чтобы у нас возникло нарушение зеркальной симметрии на стадии предбиологии, не помогает нам перейти к строительству сложных структур – мы не можем построить гомохиральные структуры, потому что мы не можем создать такую чистую среду, в которой такие сложные структуры могли бы строиться.
С другой стороны, если, тем не менее, мы найдём какой-то способ, как пройти катастрофу ошибок, как перейти этот барьер, то тогда, как показывают теоретические оценки, нам не важно, в какой среде мы стартуем: в симметричной или в асимметричной. В этом смысле сценарий асимметричной среды для возникновения гомохиральных полимеров вовсе и не нужен. Основная проблема в вопросе возникновения гомохиральных последовательностей, это проблема катастрофы ошибок. И она вообще является проблемой, общей для всей эволюционной концепции, – как пройти катастрофу ошибок.
Но тут, конечно, ещё есть вопрос о том, каков выбор знака. Мы же знаем всё-таки, что мы состоим из левых аминокислот и правых сахаров. Но мы не знаем, как это получилось. Потому что, чтобы ответить на этот вопрос, нам надо построить теорию предбиологической эволюции. Мы не можем построить эту теорию, потому что мы пока не знаем, как решить проблему катастрофы ошибок.
Р.К. Владик, извините, всё-таки жизнь-то произошла.
В.А. Ну, это да.
Р.К. Мы ещё не оговорили массу возможных усилительных элементов – и в повышении хиральной чистоты, и возможности появления простых асимметрических катализаторов, которые бы повышали оптическую чистоту среды в узком регионе. Но давайте всё-таки немножко пофантазируем.
Человеческая фантазия, которая проникла, казалось бы, повсюду, остановилась вдруг перед дверью хиральности. Я долго искал в искусстве, в живописи, в скульптуре какие-то элементы хиральности. И нашёл только два примера. Это картина Тишбайна в галерее во Франкфурте-на-Майне, где Гёте нарисован в двух левых ботинках, картина второй половины XVIII века. И 3260 лет назад построенная в Долине Цариц гробница царственной жены Рамсеса II Нифертари, у которой, как вы видите, две левые руки.
В.А. Обратите внимание: у одной – левая и правая рука, а у другой – только левые.
Р.К. У богини Изиды левая и правая руки, а у Нифертари – только левые. Что это, что это такое? Давай всё-таки пофантазируем. Что могло определить…
В.А. Есть захватывающая история, которая развивалась, по крайней мере, в последние 50 лет в науке в связи с выбором и не случайностью выбора именно левых аминокислот и правых сахаров. Я могу вкратце рассказать об этой истории. Вкратце.
А.Г. А я сейчас подумал, что, вообще, любой орнамент – это гомохиральное соединение.
В.А. То есть повторять и повторять, это как кристалл.
А.Г. Да, да, да. Мало того, часто используется приём как раз разделения гомохиральности – на левую и на правую.
В.А. У Эшера этот приём используется очень активно.
А.Г. Да в любом орнаменте, по сути.
В.А. И в любом орнаменте тоже.
А.Г. Интересно. Да, продолжайте, извините.
Р.К. Ещё мы должны призвать молодых, в возрасте Пастера, заняться этими захватывающими вопросами, которых очень много, чтобы всё-таки решить проблему возникновения жизни.
В.А. Конечно, проблема возникновения жизни является фундаментальной проблемой. И мне представляется, что она является фундаментальной не столько потому, что есть вызов образованной части человечества, а потому что она постоянно генерирует такие вопросы, которые очень часто приводят науку в замешательство. Именно науку. И наука ищет ответы, внимательно и пристально изучая тот базис, на котором она стоит. Вот это чрезвычайно важно и чрезвычайно интересно.
Р.К. И полезно. Способ разделения, спонтанного разделения – это способ получения хиральных лекарств. Это важно, вся мировая фармация перешла на хирально чистые лекарства. Это было инициировано именно той трагедией, с которой я начал.
А.Г. Так какова история?
В.А. История такова. В 56-м, по-моему, году Миллер и Юри показывают, что органические соединения могут синтезироваться естественным образом. Вообще, с биологией связано очень много мифов. Обратите внимание, 56-й год, это всего 50 лет назад. Доказывалось, что органические соединения могут быть синтезированы естественным образом, что они не являются исключительно продуктами жизнедеятельности. Доказали. Как теперь с асимметрией быть? Происходит открытие: несохранение чётности в бета-распаде. Слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие является одним из четырех фундаментальных взаимодействий. Это 4 слона, на котором покоится наша Вселенная.
Р.К. Но это слишком слабо.
В.А. Тем не менее. Из всех четырех взаимодействий только слабое взаимодействие…
Р.К. 10 в минус 17-й степени!
В.А. Тем не менее.
Р.К. Ну что это такое?!
В.А. Тем не менее, только слабое взаимодействие обладает нарушенной зеркальной симметрией. Ну, невозможно, чтобы не появилась гипотеза, которая бы попыталась связать нарушенную зеркальную симметрию слабого взаимодействия с асимметрией живой природы. Катастрофа – там очень слабое взаимодействие. Немедленно встал вопрос: может ли слабое взаимодействие проявить себя на химическом уровне? Оценки показали, что для того чтобы слабое взаимодействие проявило себя на химическом уровне, нужно усилить, условно говоря, величину 10 в минус 17-й степени (это единица, делённая на единицу с 17-ти нулями) нужно увеличить до единицы. Как это сделать?
Р.К. И как измерить?
В.А. Как измерить? Кстати, первые оценки были сделаны Летоховым. Потом оценки сделал Зельдович. Даже Зельдович занимался проблемой возникновения зеркальной асимметрии.
Р.К. Кстати, ещё Пастер ведь писал о «диссимметризующих силах», прямо имея в виду Вселенную.
В.А. Имея в виду, что есть космические силы, которые, так сказать, диссимметризуют живую природу.
Р.К. Ну, так что может быть усилителем слабого взаимодействия?
В.А. Идёт дискуссия: что может быть усилителем? Ульбрихт предлагает уже в 56-м году простой эксперимент: поляризованный электрон разменивается на циркулярно поляризованное тормозное излучение, а раз оно циркулярно поляризованное, то оно уже будет по-разному взаимодействовать с левыми и правыми молекулами. Это то же самое, как если бы вы левую перчатку, скажем, попытаетесь надеть на две руки: на правую и левую. А она по-разному будет надеваться.
Поставлен был один эксперимент – нулевой результат. Второй эксперимент – нулевой результат. Третий – нулевой результат. Серия экспериментов – нулевые результаты. В некоторых случаях было заявлено, что наблюдали эффект. Перепроверили – не наблюдается эффекта.
Проявляется или не проявляется? Сложилось, конечно, огромное поле самых различных спекуляций – теоретических, в хорошем смысле спекуляций. То есть оценок, догадок и так далее.
В конце концов, остановились на том, что если у вас действительно имеется процесс типа спонтанного нарушения симметрии (это может быть не только кристаллизация, а могут быть нелинейные реакции с критическим поведением, с неустойчивостью симметричного состояния), то тогда вблизи критических условий, то есть там, где зарождается нарушение симметрии, вот в этот момент зарождения нарушения симметрии (то есть потери устойчивости симметричного состояния) оказывается, что слабое взаимодействие становится очень сильным. Само-то оно не становится сильным…
А.Г. Понятно, поскольку система выходит из равновесия, достаточно чуть-чуть толкнуть, чтобы…
В.А. То есть, это своеобразный фазовый переход в критической точке. Оценки должны были показать – а какая всё-таки нужна система, чтобы это прошло? Выяснилось, что система нужна вполне даже геохимическая. То есть, это море, 10 км на 100 км и глубиной, предположим, 300 метров. Прекрасно.
И вот тут его осенила догадка – это смесь оптически активных кристаллов той самой природной винной кислоты и её антипода, и их надо было просто разделить. И вот он разделил кристаллы с левым и правым скосом и получил, что знак оптической активности одних кристаллов – левый, других – правый. Вот так состоялось это открытие. Что оно означает?
Оно означает принципиальную возможность спонтанного нарушения симметрии. То есть на уровне монокристаллов это возможно. Вот что доказал Пастер.
В том же самом 1848 году он демонстрировал этот эксперимент своему учителю Био, который тщательно своими руками проверял оптическую активность, форму кристаллов, чтобы убедиться в том, что это не ошибка. И доложил об этом успехе на заседании французской Академии наук, которая в то время тщательно следила за всё новыми находками.
Удивительно, что в том же самом году, в той же самой Франции, в Париже, математик Браве, который ничего не знал об экспериментах Пастера, путём чистого математического расчёта обнаружил строгое количество возможных кристаллических решёток. Решётки Браве существуют до сих пор в кристаллографии.
И завершил теорию кристаллографии наш русский учёный Фёдоров. В 1890-м году он открыл, что существует 230 и только 230 способов идеального заполнения пространства.
В.А. Здесь имеется в виду плотная упаковка – «идеальное заполнение пространства».
Р.К. Он вывел это чисто теоретически. Что есть только 230, как он называл, способов создания пространства. И среди этих 230 групп – 65 хиральных.
В.А. А что значит «хиральные группы»? Это не вполне понятно.
Р.К. То есть этот кристалл строится только из молекул одной хиральности.
В.А. То есть сам кристалл обладает свойством зеркальной диссимметрии, существует две формы кристалла, несовместимые одна с другой, левая форма и правая. По-видимому, это то, что наблюдал Пастер в своём эксперименте, когда он разделил на левое и правое.
Р.К. То есть независимо, чисто теоретически, математика пришла к неизбежности такого фундаментального явления. Таким образом завершилось абсолютное доказательство возможности спонтанного нарушения симметрии – предопределённое, просто предопределённое. Таким образом, возникновение 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 хиральных пространственных групп. Поначалу считалось, что случай, который наблюдал Пастер – это исключительный случай, редкий случай. Но к 1994 году список таких соединений насчитывал уже 250. И в нашей лаборатории только за 5 лет было открыто ещё 50 таких соединений.
В.А. Взрывное развитие.
Р.К. Я вижу в массе работ, которые публикуют, почти в каждом журнале, новое соединение, которое может подвергаться спонтанному разделению. То есть образовывать так называемый конгломерат, смесь гомохиральных кристаллов.
В.А. Вот что самое главное. Не нарушается симметрия спонтанно. То есть на самом деле происходит, конечно, распад симметричной смеси в результате кристаллизации на кристаллы левые и правые. Но это по-прежнему симметричная смесь кристаллов, то есть они присутствуют в равном количестве. Поэтому кристаллизация сама по себе (то есть спонтанное нарушение симметрии в целом, в больших объёмах) не приводит к нарушению симметрии. Да, происходит разделение фаз, но к нарушению симметрии это не приводит. Локально, если вы возьмёте маленький объемчик кристалла, конечно, в нём происходит некое, как вы можете сказать, нарушение симметрии. Но реально по множеству кристаллов симметрия у вас сохраняется.
Так что здесь электромагнитное взаимодействие продолжает оставаться симметричным. И нет никакого нарушения. Но вот есть же эксперименты, где выращивается один кристалл?
Р.К. Владик, извините. Но вот ровно к 150-летию открытия Пастера я посмотрел на соль Пастера и пришёл к очень простому следствию. Сама винная кислота кристаллизуется как рацемат, то есть в кристалл входит левая и правая молекула. Её натриевая соль – то же самое, аммониевая соль – то же самое. Но натрий-аммониевая соль, которая кристаллизуется в виде тетрагидрата, образует конгломерат, то есть гомохиральный кристалл.
Я просто назвал эти натрий-аммоний ионы и четыре молекулы воды конгломераторами. То есть они определяют способность кристаллизоваться в виде конгломерата. И это был алгоритм. Отсюда сразу следовало: если я возьму недостаток конгломератора, то это не будет приводить (после того как первый кристалл образовался) к перенасыщению маточного раствора по второму энантиомеру. И я действительно получаю весь оптически активный осадок таким простым способом.
В.А. Это так, как сделал Хавинга?
Р.К. Стоп. Хавинга сделал ещё похлеще. Это тоже следствие открытия Пастера. Если соединение кристаллизуется в виде гомохирального кристалла, а образование полностью рацемического осадка, о котором вы говорили, 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 энантиомеру, 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 – в редком 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 если, скажем, выпадение левых и правых кристаллов – это локальное нарушение симметрии, но симметрия при этом в целом остаётся, потому что у нас равное количество левых и правых изомеров, то, ничего не делая специально и не выходя 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 электромагнитное 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 электромагнитным взаимодействием?
Р.К. Дело в том, что, повторяя эксперимент, я с такой же вероятностью получу противоположный результат.
В.А. Вот. Если теперь я буду повторять эксперимент, то с точно такой же вероятностью у меня будет вырастать либо большой правый кристалл, либо левый кристалл. И так далее. Так что симметрия по-прежнему сохраняется.
Р.К. И эти эксперименты неоднократно проводились. Проводились на нескольких тысячах измерениях оптической активности нескольких тысяч кристаллов. И получалось примерно равновероятно. Но, если это провести на миллиарде измерений, может быть, мы найдём статистически достоверную разницу. Но длительность такого эксперимента, пусть даже только минута тратится на измерение, это несколько веков, это слишком длинный эксперимент.
А.Г. Давайте считать, что мы ответили на первый вопрос, и будем двигаться дальше. То есть, возможны в определённом объёме спонтанные образования гомохиральных соединений.
В.А. Да, я хотел бы только здесь отметить ещё один цикл работ, который обозначил эту же проблему о спонтанном нарушении симметрии немножко по-другому. Об этом нужно сказать обязательно. Потому что кристаллизация – это всё-таки некоторый специальный процесс. Представить себе, что кристаллизация явилась, в действительности, тем самым процессом, который решил проблему нарушения симметрии на ранних стадиях предбиологической эволюции – это представляется несколько легкомысленным.
А.Г. То есть это просто модель…
В.А. Это модель процесса. А каков процесс? А процесс на самом деле связан с нелинейными химическими процессами. То есть теперь уже речь может идти об огромных ареалах (геохимических, например) разного масштаба, в которых естественным образом может возникать и эволюционировать глобальная химическая среда. И различные процессы, протекающие в таких масштабах, процессы превращения, образования хиральных органических соединений, они могут подчиняться таким уравнениям, которые приводят к неустойчивости рацемического или симметричного состояния. И тогда симметрия нарушается уже во всём этом ареале глобально, именно так, как это происходило в эксперименте Хавинга, не в смысле кристаллизации, а в смысле некоего образа кристалла.
Здесь, конечно, нужно обязательно сказать о том, что эти работы были сделаны нашими учёными – 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 середины 70-х годов и практически до 90-х годов.
И вот теперь я хотел бы вернуться к нашей схеме, к нашей эволюционной модели. Кажется вполне естественным, что с первым вопросом мы как-то разобрались. Мы теперь можем считать, что этого вопроса, вообще говоря, нет. Мы представим на суд множество разных экспериментов, подтверждающих то, как симметрия может нарушаться в маленьких или в больших ареалах.
И теперь второй вопрос. Можем ли мы теперь от асимметричной среды перейти к достаточно сложным структурам? Для того чтобы теперь попробовать ответить на второй вопрос, а именно: можем ли мы создать гомохиральные последовательности, гомохиральные полимерные цепи, уже имея среду с нарушенной симметрией? Для этого, конечно, нужно каким-то образом предложить простые критерии перехода. Мы же что-то должны сохранить в этом переходе. Мы должны в этом переходе следовать какому-то признаку. Ну, например, признаку репликации. Давайте попробуем понять, можем ли мы каким-то образом эволюционировать от асимметричной среды к сложным структурам, во-первых, создав такие системы, которые могли бы реплицироваться. А во-вторых, создав условия для эволюции таких систем.
Р.К. Вадик, извините. Такие системы созданы уже. Простейшие молекулярные системы, способные к саморепликации уже есть, это работы…
В.А. Типичный взгляд химика – «проблем нет, химия всё может». Это работы Ребека?
Р.К. Да, работы Джулиуса Ребека.
В.А. Да я прекрасно знаю об этих работах. Это вообще остроумнейшая вещь. Ребек, как бы комментируя дискуссию о том, что репликация – это свойство исключительно биологических систем… Ну, это вообще блестящий химик, разумеется. Химия сейчас – это вообще архитектура молекулярного уровня. Он построил систему, которая действует как «инь» и «янь». Она вообще выглядит как «инь» и «янь», как этот знаменитый знак – две запятые, вложенные одна в другую. И он сделал две такие молекулы, причём «янь» собиралась на «инь», а уже потом они распадались, и на каждой из этих двух половинок собиралась соответствующая комплементарная половинка. Обратите внимание, здесь он использовал один принцип, который взял из биологии – принцип комплементарного соответствия, как это происходит, например, в двойной спирали ДНК.
Р.К. Кстати, использовал аналоги. Вот он, этот аналог нуклеотида.
В.А. И более того, нужно сказать, что у него-то вообще процесс репликации шёл только тогда, когда все нужные компоненты способны собираться таким инь-яновским способом – 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 достаточно простыми, и, тем не менее, они могут обладать свойством репликации. Миф о том, что репликация есть свойство исключительно биологии, был немедленно разрушен.
Р.К. Но их же можно сколь угодно долго усложнять.
В.А. Конечно. Сколь угодно много, и сколь угодно сильно. Ну что, мы решили проблему возникновения жизни? Давайте всё-таки посмотрим на это аккуратнее.
Следующий шаг (на самом деле, всё это примерно совпадало по времени) был сделан Оргелом и Джейсом – американскими учёными, которые, вообще говоря, сделали довольно хитрую и тонкую вещь. Они в точности использовали принцип копирования двойных спиралей РНК, комплементарного спаривания, но показали, что этот процесс сборки репличной нити на подложке типа РНК или ДНК может идти без ферментов, что было чрезвычайно важно. Потому что, конечно, когда у вас есть и ферменты (то есть белки), когда есть у вас РНК и ДНК, и всё это ещё собрано в клетки, и всё это функционирует, тогда, конечно, это будет 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 возникнуть сложные структуры? Вот в чём проблема. И Оргел и Джейс показали, что на такой гребёнке за счёт комплементарного спаривания образуется вторая нитка. Прекрасно. Но опять у них выходило одно жёсткое условие: то, из чего они должны были собирать, то есть среда, в которой плавали все нужные компоненты для сборки этой второй нити, она должна была быть оптически чистой, она должна быть абсолютно хирально чистой. Любое появление грязи, то есть энантиамерного антипода противоположного знака немедленно блокировало самосборку такой цепи. Казалось бы, тупик.
Но спустя некоторое время, буквально спустя годы, Эшенмоузер – швейцарский химик – сделал ещё одну очень интересную работу, в которой показал, что, используя комплементарность, «степ бай степ», то есть путём такого спаривания – «это сюда, а это сюда, а это сюда», и так далее, – можно собирать достаточно длинные цепочки. И это уже было сенсацией. Мало того, он показал, что сборка идёт столь селективно, что, вообще говоря, и не требуется условие сильного нарушения асимметрии. Достаточно, чтобы были нужные элементы…
Р.К. И небольшое обогащение.
В.А. Да, маленькое обогащение, вполне способное проявиться за счёт 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 складываются в такие специальные структуры, РНК или ДНК (остановимся, например, на концепции эволюции РНК-мира) – и всё. Дальше мы попадаем в область эволюции совершенно других структур и других правил. Мы проскочили барьер от неживой химии к живой.
Но нет. И тут возникает проблема. А какая проблема? А проблема возникает вот какая. Эшенмоузер собрал примерно 18 звеньев и сказал, что «я могу собирать 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 специфические – в функциональном смысле – структуры не создадим. А почему критическим оказывается длина порядка 30 единиц? По одной простой причине. По той причине, которая называется «катастрофой ошибок». И вот эта катастрофа ошибок связана со сложностью структур. Мы уже как-то говорили и о парадоксе Левинталя, и о катастрофе ошибок. А всё дело тут вот в чём.
Ведь что такое построить гомохиральную цепочку? Это построить определённую последовательность, например, только из левых молекул. Из очень большого числа всевозможных последовательностей левых и правых молекул, которые можно представить. Оказывается, когда это число становится слишком большим, у вас есть два варианта. Вы должны либо очень точно собирать, либо отказаться от сборки.
Чтобы точно собирать, нужно иметь очень специальные процессы, которые могут обеспечить только такие специфические структуры, как белки, то есть такие процессы, какие мы наблюдаем в биологии. Но если у вас их нет, то тогда у вас только один способ: вы должны держать настолько чистой среду, чтобы в этой среде у вас были только, скажем, левые изомеры, из которых вы строите. А правых было бы исчезающе мало, настолько мало, чтобы вероятность появления неправильного звена была бы очень маленькой. То есть вы специфичность функций заменяете специфичным состоянием среды.
А.Г. От чего – не легче.
В.А. От чего, конечно, не легче, но, может быть, всё-таки можно сделать это в химии? Посмотрим на все процессы спонтанного нарушения симметрии на уровне химии, то есть зададимся таким вопросом: а можем ли мы такую среду создать на уровне химической эволюции или на каких-то чуть более поздних стадиях эволюции? И выясняется, что нет. Даже механизм спонтанного нарушения симметрии (который приводит к асимметрическому состоянию) требует столь специфичного распознавания левых и правых молекул для создания очень сильной асимметрии, которое возможно только на биологическом уровне.
И вот тут появляется замкнутый круг. С одной стороны, получается, что требование, чтобы у нас возникло нарушение зеркальной симметрии на стадии предбиологии, не помогает нам перейти к строительству сложных структур – мы не можем построить гомохиральные структуры, потому что мы не можем создать такую чистую среду, в которой такие сложные структуры могли бы строиться.
С другой стороны, если, тем не менее, мы найдём какой-то способ, как пройти катастрофу ошибок, как перейти этот барьер, то тогда, как показывают теоретические оценки, нам не важно, в какой среде мы стартуем: в симметричной или в асимметричной. В этом смысле сценарий асимметричной среды для возникновения гомохиральных полимеров вовсе и не нужен. Основная проблема в вопросе возникновения гомохиральных последовательностей, это проблема катастрофы ошибок. И она вообще является проблемой, общей для всей эволюционной концепции, – как пройти катастрофу ошибок.
Но тут, конечно, ещё есть вопрос о том, каков выбор знака. Мы же знаем всё-таки, что мы состоим из левых аминокислот и правых сахаров. Но мы не знаем, как это получилось. Потому что, чтобы ответить на этот вопрос, нам надо построить теорию предбиологической эволюции. Мы не можем построить эту теорию, потому что мы пока не знаем, как решить проблему катастрофы ошибок.
Р.К. Владик, извините, всё-таки жизнь-то произошла.
В.А. Ну, это да.
Р.К. Мы ещё не оговорили массу возможных усилительных элементов – и в повышении хиральной чистоты, и возможности появления простых асимметрических катализаторов, которые бы повышали оптическую чистоту среды в узком регионе. Но давайте всё-таки немножко пофантазируем.
Человеческая фантазия, которая проникла, казалось бы, повсюду, остановилась вдруг перед дверью хиральности. Я долго искал в искусстве, в живописи, в скульптуре какие-то элементы хиральности. И нашёл только два примера. Это картина Тишбайна в галерее во Франкфурте-на-Майне, где Гёте нарисован в двух левых ботинках, картина второй половины XVIII века. И 3260 лет назад построенная в Долине Цариц гробница царственной жены Рамсеса II Нифертари, у которой, как вы видите, две левые руки.
В.А. Обратите внимание: у одной – левая и правая рука, а у другой – только левые.
Р.К. У богини Изиды левая и правая руки, а у Нифертари – только левые. Что это, что это такое? Давай всё-таки пофантазируем. Что могло определить…
В.А. Есть захватывающая история, которая развивалась, по крайней мере, в последние 50 лет в науке в связи с выбором и не случайностью выбора именно левых аминокислот и правых сахаров. Я могу вкратце рассказать об этой истории. Вкратце.
А.Г. А я сейчас подумал, что, вообще, любой орнамент – это гомохиральное соединение.
В.А. То есть повторять и повторять, это как кристалл.
А.Г. Да, да, да. Мало того, часто используется приём как раз разделения гомохиральности – на левую и на правую.
В.А. У Эшера этот приём используется очень активно.
А.Г. Да в любом орнаменте, по сути.
В.А. И в любом орнаменте тоже.
А.Г. Интересно. Да, продолжайте, извините.
Р.К. Ещё мы должны призвать молодых, в возрасте Пастера, заняться этими захватывающими вопросами, которых очень много, чтобы всё-таки решить проблему возникновения жизни.
В.А. Конечно, проблема возникновения жизни является фундаментальной проблемой. И мне представляется, что она является фундаментальной не столько потому, что есть вызов образованной части человечества, а потому что она постоянно генерирует такие вопросы, которые очень часто приводят науку в замешательство. Именно науку. И наука ищет ответы, внимательно и пристально изучая тот базис, на котором она стоит. Вот это чрезвычайно важно и чрезвычайно интересно.
Р.К. И полезно. Способ разделения, спонтанного разделения – это способ получения хиральных лекарств. Это важно, вся мировая фармация перешла на хирально чистые лекарства. Это было инициировано именно той трагедией, с которой я начал.
А.Г. Так какова история?
В.А. История такова. В 56-м, по-моему, году Миллер и Юри показывают, что органические соединения могут синтезироваться естественным образом. Вообще, с биологией связано очень много мифов. Обратите внимание, 56-й год, это всего 50 лет назад. Доказывалось, что органические соединения могут быть синтезированы естественным образом, что они не являются исключительно продуктами жизнедеятельности. Доказали. Как теперь с асимметрией быть? Происходит открытие: несохранение чётности в бета-распаде. Слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие является одним из четырех фундаментальных взаимодействий. Это 4 слона, на котором покоится наша Вселенная.
Р.К. Но это слишком слабо.
В.А. Тем не менее. Из всех четырех взаимодействий только слабое взаимодействие…
Р.К. 10 в минус 17-й степени!
В.А. Тем не менее.
Р.К. Ну что это такое?!
В.А. Тем не менее, только слабое взаимодействие обладает нарушенной зеркальной симметрией. Ну, невозможно, чтобы не появилась гипотеза, которая бы попыталась связать нарушенную зеркальную симметрию слабого взаимодействия с асимметрией живой природы. Катастрофа – там очень слабое взаимодействие. Немедленно встал вопрос: может ли слабое взаимодействие проявить себя на химическом уровне? Оценки показали, что для того чтобы слабое взаимодействие проявило себя на химическом уровне, нужно усилить, условно говоря, величину 10 в минус 17-й степени (это единица, делённая на единицу с 17-ти нулями) нужно увеличить до единицы. Как это сделать?
Р.К. И как измерить?
В.А. Как измерить? Кстати, первые оценки были сделаны Летоховым. Потом оценки сделал Зельдович. Даже Зельдович занимался проблемой возникновения зеркальной асимметрии.
Р.К. Кстати, ещё Пастер ведь писал о «диссимметризующих силах», прямо имея в виду Вселенную.
В.А. Имея в виду, что есть космические силы, которые, так сказать, диссимметризуют живую природу.
Р.К. Ну, так что может быть усилителем слабого взаимодействия?
В.А. Идёт дискуссия: что может быть усилителем? Ульбрихт предлагает уже в 56-м году простой эксперимент: поляризованный электрон разменивается на циркулярно поляризованное тормозное излучение, а раз оно циркулярно поляризованное, то оно уже будет по-разному взаимодействовать с левыми и правыми молекулами. Это то же самое, как если бы вы левую перчатку, скажем, попытаетесь надеть на две руки: на правую и левую. А она по-разному будет надеваться.
Поставлен был один эксперимент – нулевой результат. Второй эксперимент – нулевой результат. Третий – нулевой результат. Серия экспериментов – нулевые результаты. В некоторых случаях было заявлено, что наблюдали эффект. Перепроверили – не наблюдается эффекта.
Проявляется или не проявляется? Сложилось, конечно, огромное поле самых различных спекуляций – теоретических, в хорошем смысле спекуляций. То есть оценок, догадок и так далее.
В конце концов, остановились на том, что если у вас действительно имеется процесс типа спонтанного нарушения симметрии (это может быть не только кристаллизация, а могут быть нелинейные реакции с критическим поведением, с неустойчивостью симметричного состояния), то тогда вблизи критических условий, то есть там, где зарождается нарушение симметрии, вот в этот момент зарождения нарушения симметрии (то есть потери устойчивости симметричного состояния) оказывается, что слабое взаимодействие становится очень сильным. Само-то оно не становится сильным…
А.Г. Понятно, поскольку система выходит из равновесия, достаточно чуть-чуть толкнуть, чтобы…
В.А. То есть, это своеобразный фазовый переход в критической точке. Оценки должны были показать – а какая всё-таки нужна система, чтобы это прошло? Выяснилось, что система нужна вполне даже геохимическая. То есть, это море, 10 км на 100 км и глубиной, предположим, 300 метров. Прекрасно.