Причина времени - Аксенов Геннадий Петрович (читать хорошую книгу полностью txt) 📗
Решающий опыт Пастер сделал в 1848 году в работе над кристаллами паравинной кислоты (паратартратов). По своему химическому составу и свойством, как и внешнему виду кристаллы паратартратов были похожи во всем на кристаллы винной кислоты (тартраты), они имели сходную форму и одинаковый скос на одной из граней, что называется гемиэдрия. Различие состояло только в одном. Растворы паратартратов не вращали плоскость поляризации, иначе говоря, были оптически неактивны, а тартраты – отклоняли поляризованный луч, то есть были оптически активны. Работая над проблемой сходства и различия этих веществ, Пастер обнаружил под микроскопом, что кристаллы паратартратов есть, собственно говоря, смесь двух видов кристаллов. Они обладали гемиэдрией, то есть имели на одной грани скос, но на разных гранях. Кристаллы являлись как бы отражением друг друга в зеркале. Но для обнаружения этого порядка – зеркального расположения гемиэдрии нужен был нетривиальный, то есть творческий, акт, миг прозрения: между гемиэдрией и вращательной оптической способностью кристаллов существует какая-то связь! Вот как он описал момент открытия: “У меня возникла счастливая идея поместить мои кристаллы строго перпендикулярно... и тогда я увидел, что в этой беспорядочной массе кристаллов паратартратов имеются два вида по признаку расположения у них диссимметрических граней. У одних они были расположены вправо по отношению к моему телу, у других - влево от меня. Иными словами, паратартраты представляли собой смесь двух сортов кристаллов”. (Гутина и др., 1990, с. 48). Под словом “диссимметрический” здесь имеется ввиду гемиэдрический, поскольку скоро Пастер ввел этот новый термин – диссимметрия. Паратартраты оказались смесью кристаллов с разной гемиэдрией, и только двух видов – левой и правой.
Далее Пастер просто отделил (он не пишет – чем, но наверное, пинцетом?) кристаллы с правой гемиэдрией от кристаллов с левой гемиэдрией и по отдельности растворил их. И сразу же увидел яркую картину поляризации: правые вращали плоскость света вправо, левые – влево. Смешав снова кристаллы и растворив, Пастер получил раствор, который называется нейтральным, то есть не вращавшим плоскость поляризации никуда. Явление стало ясным, открытие произошло. (Пастер, 1960, с 24). Пастер начал выступать с публичными повторениями опыта и современники действительно оценили открытие Пастера как незабываемое.
Итак, выяснилось, что паратартраты были смесью кристаллического вещества с двумя разновидностями гемиэдрии – правой и левой, а тартраты состояли из одной разновидности. И потому первые были оптически нейтральными, а вторые давали яркую картину поляризации. Первая смесь получила название рацемической смеси или рацемата, вторую, дающую поляризацию, Пастер и назвал диссимметрической, а явление – диссимметрией. Термин означал, что вещество обладает как бы двойной несимметричностью, усугубленной асимметрией. Мало того, что сами по себе фигурки кристаллов асимметричны: у них нет элементов симметрии, но еще и возможный зеркальный двойник пропал и они стали дис - симметричными, то есть дважды “неправильными”. Исчез зеркальный двойник, от чего асимметрия удвоилась.
Фактически с химической или физической точки зрения происходило чудо. Всего лишь один признак: отсутствие двойника с одной скошенной гранью при полностью идентичном строении и одинаковом химическом составе давал разные свойства. Иначе говоря, различие зависело не от чего-то твердо обозначенного – состава и строения, а от пространства самого по себе, от пространственного направления, чего-то в высшей степени как бы эфемерного.
Но чем больше Пастер экспериментировал с диссимметрией и чем глубже размышлял о ней, тем загадочнее явление для него становилось. И в конце жизни он считал именно диссимметрию самым важным из всех своих многочисленных открытий, а об их всемирной известности не стоит и упоминать. И тем не менее любимым и самым загадочным своим открытием он полагал диссимметрию и до конца жизни мысленно к ней возвращался. Почему?
В диссимметрии сходились сразу все как будто без исключения науки: и кристаллография, и химия, и оптика, и даже (неожиданно!) биология, поскольку кристаллы принадлежали к органическим соединениям, продуктам винограда. “Выявление физических и химических сходств и различий, обусловленных этими молекулярными структурами, представляет особый интерес и подводит прочную основу под молекулярную механику. Последняя позволяет нам установить связь, с одной стороны, между физическими и химическими свойствами и строением молекулы, которое обусловливает, в свою очередь наличие этих свойств, и с другой, позволяет нам подняться от свойств вещества к их первопричине”. (Гутина и др., 1990, с 27).
Это был как раз такой период в науке, когда устанавливали связь между строением веществ и их свойствами. Берцелиус открыл изомерию – явление различных свойств у веществ одного и того же химического состава; Дюма прибавил в этому концепцию молекулярной изомерии; в кристаллографии развивалось понятие об изоморфизме, то есть о явлении, когда разный химический состав, наоборот, дает одни и те же свойства в силу одинакового строения и гемиэдрии. (23). Диссимметрия Пастера знаменовала собой нечто совершенно новое в этой области связи свойств и пространственного строения. Вещества органического происхождения обладали одинаковым химическим составом и гемиэдрией, но к ним прибавлялось одно непонятное отличительное свойство – вращать плоскость поляризации, тогда как остальные, чисто химические, свойства у них были схожи. В то же время они не обладали изоморфизмом, то есть имея разное строение, обладали одним и тем же химическим составом.
Явление было открыто, было сделано множество химических работ, но смысл его оставался непонятен и прежде всего самому Пастеру. Неясно было назначение диссимметрии. Она не относилась к чисто кристаллическому строению, поскольку свойство вращать плоскость поляризации сохранялось в растворах, то есть на молекулярном уровне. В то же время не являлось следствием химического, то есть именно молекулярного состава, поскольку один и тот же химический состав, то есть одни и те же одинаково уложенные молекулы давали разные оптические свойства у веществ левого и правого своего строения. Приходилось надеяться на отыскание именно “первопричины”, как говорил Пастер. К таким первопричинам он отнес то свойство, о котором ранее не известно как о влияющем на качество: пространственное строение. В лекции, озаглавленной “Низшие организмы и строение материи” он попытался просто разделить все вещества на два основных класса по этому признаку: те, зеркальные изображения которых можно по своему построению совместить с самим собой и другие, зеркальные изображения которых совместить с оригиналом невозможно. (Пастер, 1960, с. 32). И оказалось, что он фактически провел в мире границу между живым и неживым, потому что к первым относятся разнообразные создающиеся человеком, то есть искусственные тела и существующие в природе минеральные соединения. А ко вторым – вот что самое важное, – относились вещества, играющие основную роль в биологических тканях: клетчатка, крахмал, камедь, сахара, винная кислота, хинная, таниновая кислоты, морфин. Масса разнообразных веществ, которые мы получаем как продукт живых существ, обладают диссимметрией.
Причем, есть множество веществ, которые образовались именно из диссимметрических, но утеряли ее, превратились в нейтральные. Синтезируя в лаборатории кислоты, он получал их только как нейтральные вещества. То есть, обнаруживалось новое явление: в природе существовало кардинальное разделение между живыми телами и продуктами их жизнедеятельности и неживыми веществами по этому признаку: быть диссимметричным или быть рацемичным. Оказалось, что вещество вообще может быть – по пространственному свойству – четырех различных видов: 1) левым, 2) правым, 3) смесью их в какой-либо пропорции и 4) ни правое, ни левое и не смесь. “Каким образом возникает диссимметрия? – спрашивал себя Пастер. – Почему возникает определенная диссимметрия, а не противоположная ей?”. (Пастер, 1960, с. 44). Вот одна из великих загадок.
