Порушення симетрії - причина існування і механізм еволюції світу.
«Те, що гусениця називає Кінцем Світу,
Учитель називає метеликом ».
(Річард Бах, «Ілюзії»)
Таким чином. хочемо ми цього чи ні, але симетрія це те, що «завжди з тобою». На відміну від дуже багатьох творінь людини, в природі ідеальної симетрії не існує. Спробуємо обговорити. як саме і в яких випадках порушується симетрія, і яку роль грали і грають ці порушення у виникненні і існуванні нашого світу.
Коротко про поняття симетрія
"Симетрія" - слово грецьке і перекладається як «відповідність», при цьому мається на увазі, що співмірність - частина гармонії, правильного поєднання елементів цілого. (Рис. 2) Більш академічна формулювання звучить так: симетрія є структурна инвариантность щодо заданих трансформацій об'єкта. Найбільш прості з типових трансформацій - повороти, переноси і відображення.
Існує дуже складна багаторівнева класифікація типів симетрій. Тут ми не будемо розглядати ці складності класифікації, відзначимо лише принципові положення і згадаємо найпростіші приклади. На самому верхньому рівні розрізняють три типи симетрії: структурну, динамічну і геометричну. Кожен з цих типів симетрії на наступному рівні ділиться на класичну і некласичні. Нижче розташовуються наступні ієрархічні рівні. Графічне зображення всіх рівнів підпорядкування дає розгалужену Дендрограмма. У побуті ми найчастіше стикаємося з так званої дзеркальної симетрією. Це така будова об'єктів, коли їх можна розділити на праву і ліву або верхню і нижню половини уявної віссю, званої віссю дзеркальної симетрії. При цьому половина, що знаходяться по різні боки осі - ідентичні один одному.
Прикладами інших типів симетрії є, наприклад, однорідність і ізотропності простору. 2 Такі типи симетрії передбачають, що властивості предмета або системи не змінюються, якщо їх перемістити в іншу точку простору і / або повернути в будь-яку сторону. На цих постуліруемих властивості простору (однорідність і ізотропності) заснована вся геометрія Евкліда: властивості геометричних фігур і достовірність теорем залишаються незмінними незалежно від розміру фігур і їх положення в просторі.
У ряді випадків це може бути віднесено до часу. Деякі предмети. системи і закони природи залишаються незмінними протягом певних проміжків часу. Одні і ті ж пісочний годинник тотожні собі і сьогодні, і в минулому році, і через п'ять років. Терема Піфагора і закон Архімеда залишаються незмінними протягом тисячоліть. Ці закономірності є наслідком однорідності часу.
Коротка історична довідка
Як давно люди стали замислюватися про симетрії, невідомо. До нас дійшли відомості про те, що в середині першого тисячоліття до нашої ери питань гармонії (симетрії) приділяли велику увагу Піфагор і піфагорійці. Вони бачили сутність гармонії світу в гармонії чисел. Ними вперше обговорювалися поняття «право» і «ліво». Трохи більше 100 років після смерті Піфагора співвідношення понять «право» - «ліво», «верх» - «низ», «перед» і «тил» намагався осмислити Аристотель. Він писав: «Тому не у всякому тілі слід шукати верх і низ, право і ліво, перед і тил, а тільки в тих, які містять причину свого руху в самих собі і одухотворені» (1). Він вважав небо одушевленим предметом, що містить в собі причину свого руху. До таких же предметів він відносив тварин і людини. Об'єкти, що оточують людину, неживі і ніякої причини в собі не містять, тому їх права і ліва сторони визначаються людською свідомістю. Тут, у Аристотеля вже проглядається натяк на порушення симетрії, так як він припускає відмінності в законах руху в залежності від присутності або відсутності якоїсь «причини свого руху». Симетрія присутній і в поглядах Платона на будову світу, який, за його твердженням, складається з правильних багатокутників, що володіють ідеальною симетрією.
Вважаючи внутрішню сутність речей непознаваемой, Іммануїл Кант стверджував, що ми не можемо осягнути відмінностей між однаковими, але незамещаемимі речами, такими, наприклад, як права рука і її відображення в дзеркалі, де вона представляється лівої. У цій неможливості заміщення Кант бачив прояв асиметрії. Оскільки відомо величезна кількість типів симетрій, можна вважати, що існує така ж кількість типів асиметрій, якщо прийняти, що будь-який тип симетрії може бути порушений і що будь-яке порушення симетрії є асиметрія.
Асиметрія на молекулярному рівні
Перші експериментальні докази існування асиметрії на молекулярному рівні належать Луї Пастера. Пастер відомий всьому світу як геніальний мікробіолог, засновник нової ери в розумінні природи мікроорганізмів. Однак він не був лікарем, а отримав хімічна освіта. Те, що він зробив за фахом, принесло б славу і визнання будь-якого хіміку. Ще студентом, в 1848 році Пастер виявив під мікроскопом відмінності в будові кристалів винної кислоти. Деякі з граней кристала були, як би, розділені його ребрами на частини, тому Пастер назвав такі кристали геміедріческімі. Половинки граней у деяких кристалів були звернені в різні боки, як у випадку дзеркального відображення. (Рис. 1).
Ці кристали були подібними, але не ідентичними, що не наложімимі один на одного. Така властивість було названо хиральностью, від давньогрецького слова χειρ (хеірус) - рука. Воно означає відсутність симетрії правого та лівого боків. (Наприклад, якщо відображення об'єкта в ідеальному плоскому дзеркалі відрізняється від самого об'єкта, то об'єкту притаманна хіральність.)
Розділивши кристали під мікроскопом, мабуть, за допомогою пінцета за типами спрямованості половинчастих заходів, Пастер приготував з них два варіанти розчинів і випробував отримані розчини на предмет їх здатності обертати площину поляризації світла. Виявилося, що один тип розчину обертав площину поляризації світла за годинниковою стрілкою, а інший - проти. Суміш розчинів не володіла активністю обертання. Для нас дуже важливим є те, що винна кислота, отримана при бродінні, на відміну від хімічно синтезованої, була оптично активна, тобто здатна до обертання площини поляризації. Тобто, біологічний продукт асиметричний, і містить молекули тільки одного типу (хіральні чисті), тоді як з'єднання небіологічного походження складаються як з правовращающих, так і левовращающіх молекул (D- і L- ізомери), що утворюються в рівних кількостях (Рис. 1, 2).
Хімія і біохімія, звичайно, тісно пов'язані з біологією. Тому розглянемо деякі факти біологічного значення в даному розділі.
Найголовніші молекули життя - нуклеїнові кислоти і білки також містять в своєму складі оптично активні ізомери. Так, цукру - дезоксирибоза і рибоза, що входять до складу нуклеїнових кислот, є D-ізомерами, а білки, синтезовані в рибосомах, містять тільки L-амінокислоти. (В разі хімічного синтезу D- і L-похідні утворюються в рівних кількостях). Однак незважаючи на те, що клітинні рибосоми синтезують білки, що складаються тільки з L-амінокислот, деякі бактерії містять білки, до складу яких входять і D-ізомери. D-амінокислоти виявляються також в плазмі крові вищих організмів. Частіше за інших в формі D-ізомерів виявляються аланин, аспарагін і серин. Таким чином. в кінцевому рахунку, біологічні продукти можуть і не бути хіральні чистими. Однак це не пов'язано з «нерозбірливістю» рибосом. Рацемізації і ізомеризація амінокислот відбувається вже після того, як білки були синтезовані, в процесі так званої посттрансляционной модифікації. Відзначено, що поява в білках D-амінокислот більш характерно для осіб похилого віку, а також при таких патологіях, як хвороби Альцгеймера і Паркінсона, а також при склеротичних змінах, катаракті та онкологічні хвороби (5).
Отже, продукт фундаментального молекулярно-генетичний процесу - синтезу білка в рибосомах - хіральні чистий, тобто асиметричний. Однак згодом ця асиметрія частково порушується.
Щось подібне можна знайти в рослинному і тваринному світі: по обидва боки екватора за рідкісним винятком домінують правоспіральние раковини, вправо закручуються і переважна більшість витких рослин 3. Іншими словами, ми спостерігаємо прояви порушення симетрії в біологічному світі. Причина цього явища досі невідома. Розглянемо деякі приклади з біологічного світу більш детально.
Колись Іммануїл Кант сказав: «Дві речі наповнюють душу завжди новим і все більш сильним благоговінням, чим частіше і триваліше я розмірковую про них, - це зоряне небо наді мною і моральний закон в мені» (6). Продовжуючи цю думку, можна додати, що людина, яка знає отримує таке ж благоговіння навіть у похмуру погоду, коли зірок не видно, просто дивлячись на навколишню природу. Будь-яка частинка живого, будь то лист, травинка або сонечко, є чудо, яким не можна не захоплюватися і якому не можна не дивуватися. Адже будь-яка з цих частинок життя незмірно складніше і досконаліше, ніж все створене людиною за тисячоліття його історії. Як же, за рахунок чого виник цей прекрасний, неможливий біологічний світ?
Народження будь-якого живого об'єкта, будь то звичні нам клітинні форми, або молекулярні паразити - віруси і бактеріофаги - починається з копіювання геномної нуклеїнової кислоти (НК) - реплікації. Реплікація - процес, який підпорядковується законам симетрії, оскільки утворюються дочірні ланцюга НК ідентичні один одному і своєї материнської матриці (Рис. 3).
У величезній більшості випадків при діленні клітин дочірні копії материнського геному, дійсно, нічим не відрізняються один від одного. Відповідно, і утворилися дочірні клітини абсолютно однакові.
Уявімо собі, що так і тільки так процес ділення йшов завжди, з самого початку, з освіти першої клітини або декількох небагатьох клітин. В цьому випадку зараз Землю населяли б численні нащадки, ідентичні первинної клітці або декільком клітинам. Все що спостерігається неймовірне (але існуюче) біологічне різноманіття було б неможливо. Ми знаємо, що це не так. Чому ж утворилися всі численні форми життя, з яких складається наш прекрасний світ. Вони утворилися в результаті порушення симетрії.
Реплицирующихся ДНК бактерій можна уявити собі таким чином. Процес реплікації йде постійно і в нормальних умовах не припиняється. ДНК тільки що утворилися клітин (бактерій) вже знаходиться в процесі подвоєння, в ній уже утворилися частини геномів майбутніх клітин. Тобто вже виникли фігури симетрії. З ймовірністю 10 -10 - 10 -3 в ДНК відбуваються зміни. Цими змінами можуть бути так звані точкові мутації - заміни букв генетичного тексту (аналогічно друкарські помилки при наборі літературного тексту), і великі геномні перебудови: випадання ділянок тексту - делеции, вставки сторонніх фрагментів, як це відбувається при горизонтальному перенесенні - инсерции, зміни орієнтації сегментів НК - інверсії, переміщення сегментів НК в інше місце - транслокації, подвоєння або інше збільшення кратності ділянок НК - дуплікації-ампліфікації (Рис. 4).
Всі перераховані події ми називаємо ушкодженнями НК. Без цих подій не можна собі уявити виникнення нової якості у майбутніх організмів-нащадків тієї клітини, в ДНК якої відбулася яка-небудь з цих подій. Тому такі події вважаються ще потенційно еволюційно-значущими. Але, якщо ми порівняємо структуру дочірніх ланцюгів ДНК, в одній з яких зміна відбулася, а інша залишилася интактной, то побачимо, що в кожному окремому випадку мало місце порушення симетрії. Дочірні ланцюга ДНК перестали бути ідентичними, перестали бути дзеркальними копіями. Ми прийшли до дуже важливого висновку про те, що еволюція немислима без порушення симетрії, а значить, все що спостерігається багатство і різноманітність біологічного світу виникло завдяки порушенню симетрії.
Для того щоб побачити симетрію в ДНК не обов'язково розглядати молекулу в момент її реплікації. Спочиваюча ДНК теж містять симетричні ділянки. Ми добре знаємо, що фігури симетрії у вигляді повторів нуклеотидних послідовностей присутні у всіх без винятку геномах. У величезній більшості це короткі що не кодують послідовності. Однак майже всі геноми містять повтори кодують послідовностей. Це продукти дуплікацій генів. Такі дупліціроваться копії зазвичай зберігають симетрію (ідентичність вихідної копії) дуже недовго. Завдяки мутаціям різних типів вони перетворюються в функціонуючі псевдогени. Тобто, симетрія порушується майже відразу.
Дуплікації і ампліфікації некодуючих послідовностей призводить до виникнення повторів в прямій або зворотній орієнтації. Такі повтори можуть бути суміжними або дисперговані і можуть бути організовані в певні генетичні структури (10, 11).
Поки копії повторів ідентичні один одному, симетрія не порушена, але зміни, що порушують симетрію, відбуваються і в цих копіях (Рис. 5).
Мал. 5. Рибосомная РНК.
Світло-зелені випинання і здуття - порушення симетрії інвертованих повторів.
У деяких випадках такі зміни не призводять до видимих фізіологічним або еволюційним наслідків. Але іноді зміна тексту однієї з копій повтору призводить до появи нової функції. В якості одного з прикладів можна привести структуру кінцевих повторів Tn5 (11).
Приблизно те ж саме може статися і з дупліціроваться геном, тобто відразу або в декілька етапів копія гена або більшої ділянки ДНК перетворюється не в псевдоген, а в новий ген. Якщо властивість, яке кодує цей новий ген, затребуване в даних умовах існування, то такий ген закріплюється відбором і зберігається в популяції. Акцент на еволюційної ролі порушень симетрії не випадковий. Видатний еволюціоніст і генетик 20-го століття, що народився в подільської губернії, згодом співробітник Т.Моргана, Феодосій Добржанський говорив: