Симметрия в природе
Обсудив возможности применения законов сохранения для объяснения явлений природы, немного отдохнём. Посидим у вечернего костра, полюбуемся сонными деревьями. Зубчатые ели, величавые сосны. Даже в темноте их не спутаешь. У каждой породы деревьев своя конфигурация, своя симметрия.
Но если присмотреться, то можно указать и общую симметрию для всех деревьев. Это симметрия конуса. Кто из вас читал книгу Л. В. Тарасова «Этот удивительно симметричный мир», тот, наверное, помнит иллюстрации, подтверждающие эту мысль. В книге приводится много примеров проявления симметрии в природе. Да и сами вы их можете найти сколько угодно. Двусторонней, или зеркальной, симметрией обычно обладают листья растений — удивительно симметричны листья дуба, вербы, клёна. Сорвите лист крапивы и посчитайте зубчики с его левой и правой стороны. Вы убедитесь, что растение ни разу не сбилось — сколько бы листьев вы не сорвали, на всех с одной и с другой стороны одинаковое число зубцов.
Присмотритесь к цветкам растений — я не говорю о тех, которыми мы любуемся — о васильках, гвоздиках, сон-траве. Даже у самых невзрачных цветков, например, у горечавки, идеально симметричные лепестки и они идеально симметрично расположены — большинство цветков обладают поворотной симметрией. Почему симметрия цветков вызывает чувство какого-то успокоения, красоты? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придётся снова возвратиться к разговору о законах природы. Симметрия структуры живых организмов, о которой мы говорили, есть проявление глубинных взаимосвязей в природе. Но давайте по порядку.
Если вы читали книгу о симметрии, то помните, какое в ней даётся определение симметрии: «Симметричным называют такой объект, который можно как-то изменять, получая в результате то же самое, с чего начали». И ещё: «Симметрия означает соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей». Остановимся пока на последнем определении и задумаемся, как в процессе эволюции могла возникнуть симметрия в расположении частей живых организмов.
По данным современной науки, простейшие организмы появились в водах Мирового океана. Какой могла быть форма у первых сгустков живого вещества? Они были взвешены в воде, любое направление для них было безразличным. Поэтому можно допустить, что они принимали форму шара. Такую форму имеют капельки жира, взвешенные в воде. По мере развития и усложнения под действием силы тяжести организмы приспособились различать «верх» и «низ» и потеряли симметрию шара. Одни из них (преимущественно те живые организмы, которые ведут «оседлый» образ жизни) приобрели поворотную симметрию (медузы, морские звёзды и др.). Те животные, которые передвигаются в каком-то избранном направлении, приобрели двустороннюю (зеркальную) симметрию. Для этих животных свойственно симметричное расположение одноимённых частей тела, что помогает им сохранять равновесие при передвижении, а значит, добывать себе пищу и таким образом существовать. Следовательно, симметрия у живых организмов служит не для красоты, а точнее, не только для красоты. Она прежде всего связана с приспособлением их к окружающему миру, с их жизнестойкостью.
Обсудив возможности применения законов сохранения для объяснения явлений природы, немного отдохнём. Посидим у вечернего костра, полюбуемся сонными деревьями. Зубчатые ели, величавые сосны. Даже в темноте их не спутаешь. У каждой породы деревьев своя конфигурация, своя симметрия.
К чему же приходилось приспосабливаться организмам на протяжении их эволюции? Ответ на этот вопрос короткий — к проявлению действия законов природы.
Обратим внимание на расположение ветвей у ели. Ствол её чаще всего прям и ветви равномерно расположены относительно ствола, так что отвесная прямая, проходящая через её центр тяжести, пересекает основание ствола ели. Так дерево, развиваясь в условиях действия силы тяжести, достигает устойчивого положения.
К вершине дерева ветви его становятся меньше в размерах — оно приобретает форму конуса. Это нам тоже понятно: ведь на нижние ветви, как и на верхние, должен попадать свет. Кроме того, центр тяжести должен быть как можно ниже — от этого зависит устойчивость дерева.
Таким образом, закон естественного отбора, закон всемирного тяготения способствовали тому, что мы видим ель такой прекрасной, что она не может не поразить наше воображение. Закон всемирного тяготения действует на Земле, на Солнце, в каждой точке Вселенной. Этот закон действовал в далёком прошлом, действует сейчас и будет действовать в будущем. Его действие от времени не зависит.
То же самое можно сказать и о других законах природы. Все они симметричны по отношению к переносу в пространстве и времени. Симметрия живых организмов связана с симметрией законов природы.
Это нам понятно, ведь мы знаем, что полученные вследствие действия каких-то факторов полезные изменения организмов закрепляются в процессе развития вида.
Они передаются из поколения в поколение матричным путём посредством молекул ДНК. Их можно представить в виде цепочки атомов, соединённых определёнными химическими связями…
Обратите внимание: «определёнными химическими связями». Такими, которые не разрушаются под действием ударов частиц в результате их теплового движения; которые не разрушаются под действием теплового излучения самого организма и излучения, которым пронизана биосфера. Энергия связи этих химических соединений остаётся постоянной, и поэтому указанные факторы не могут привести к их разрушению, благодаря чему наследственные признаки передаются из поколения в поколение. А почему энергия связи атомов в молекулах, например атомов кислорода и водорода в молекуле воды, сейчас такая же, как была несколько миллионов лет назад? Потому что действие закона сохранения энергии не зависит от времени…
Время само по себе не способно изменить энергию какой-либо системы. Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени. Закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства. Как видим, наиболее общие законы природы, характеризующие движение материи, связаны с симметрией пространства и времени. Можно сказать, что на симметрии держится мир. Когда мы видим проявление симметрии в форме тел живой и неживой природы, невольно испытываем чувство удовлетворения тем всеобщим порядком, который царит в природе.
Нарушение симметрии воспринимается нами как проявление беспорядка и вызывает чувство неудовлетворённости. Мы с жалостью смотрим на птицу с одним крылом, в недоумении останавливаемся перед искривлённым деревом («как такое случилось!»). Мы знаем, как не должно быть, — симметрия вносит упорядоченность в многообразие структур, ограничивает его.
Симметрия формы — проявление симметрии законов природы, которые мы можем объяснить общими законами — законами сохранения, последние в свою очередь связаны с симметрией пространства — времени. Законы сохранения запрещают для замкнутой системы исчезновение энергии, массы вещества, импульса, момента импульса, изменение алгебраической суммы электрического заряда и др. Системы могут вести себя как угодно, но законы сохранения не могут быть нарушены, не может измениться в мире порядок вещей. Таким образом, законы сохранения вносят упорядоченность в поведение физических систем. За упорядоченностью форм, структур стоит более глубокий порядок, на котором основана вечность и несотворимость мира…
Догорел наш костёр, сквозь пепел, как драгоценные камни заколдованного клада, вспыхивают угольки… А ведь с древних времён драгоценным камням приписывали сверхъестественную силу. Например, в сравнительно нестаром лечебнике XVIII в. сказано: «Если воин на левой стороне носит алмаз, то не будет убит». И в этом виновата та же симметрия. Представьте себе, что человек, живший в XVIII в., когда ещё не было современных представлений о строении вещества, нашёл в земле драгоценный камень. Правильный многогранник с идеально правильными углами, прямыми рёбрами, гладкими гранями. Человеку, незнакомому с кристаллографией и далёкому от науки, трудно поверить, что это симметричное тело образовалось само собой, его никто не шлифовал, над ним никто не трудился. Возникновение драгоценных камней связывали с таинственной силой и самим камням также приписывали таинственную силу.
А вот фальшивые бриллианты такими свойствами не наделялись. Наверное потому, что они не обладают «внутренним содержанием» настоящих. Уменьшимся мысленно до размеров атомов и проникнем в кристалл. Мы увидим потрясающую правильность расположения частиц, точно отмеренные расстояния между ними. Порядок, периодическая повторяемость в расположении частиц в пространстве — вот что характерно для кристаллического состояния вещества, вот в чём «волшебство» алмаза. Стекло не станет таким, какую бы внешнюю форму ему ни придавали. Какой же «волшебник» строит такие идеально правильные сооружения? Принцип минимума энергии и законы сохранения. Пока энергия, заряд, масса каждой частицы кристалла неизменны, кристалл сохраняет свою внешнюю и внутреннюю симметрию.
У каждого типа кристаллов своя закономерность в расположении частиц, своё строение, по которому его безошибочно можно отличить от других кристаллов. Внутреннее строение кристаллов можно увидеть на снимках, полученных с помощью рентгеновских лучей, — это рентгенограммы кристаллов. Мысль получить дифракцию рентгеновских лучей на кристаллической решётке впервые пришла немецкому учёному М. Лауэ в 1912 г. Она показалась настолько оригинальной, что друзья восприняли её иронически и заключили с Лауэ пари, что ему не удастся получить рентгенограмму кристалла. И проиграли…
Первым трудом по кристаллографии, по-видимому, можно считать книгу Иоганна Кеплера «Новогодний подарок, или размышления о шестиугольном снеге», в которой содержится множество гениальных догадок о строении кристаллов. В ней были поставлены вопросы, ответы на которые удалось получить спустя много лет.
Обратите внимание на структуру снежинок. Наверное, она была бы совсем другой, если бы молекулы воды не обладали определённой симметрией.
Симметрия кристаллов связана с симметрией частиц, которые его образуют. Симметрия в мире атомов и молекул — очень распространённое явление. Например, молекулы воды H2O, оксида углерода (IV) CO2 обладают зеркальной симметрией, молекула метана CH4 — поворотной симметрией. Ещё Дж. Дальтон считал, что атомы в химическом соединении должны располагаться симметрично. И многие другие учёные полагали, что одинаковые по своим свойствам части химических молекул одинаково симметрично расположены. Эти взгляды нашли отражение в способе написания формул, особенно формул органических соединений. Вспомните, например, структурную формулу этилена и посмотрите на модель молекулы этилена (рис. а).
Исследования в области симметрии молекул прочно связаны с работами французского учёного Луи Пастера. Изучая оптические свойства органических веществ при помощи поляризации света, Пастер обнаружил, что молекулы солей винной и виноградной кислоты существуют в различных модификациях. Одна даёт в растворе правое вращение плоскости поляризации света, другая — левое. Такие вещества называют стереоизомерами. Молекулы их являются зеркальным отражением друг друга, они асимметричны (рис. б). К стереоизомерам относятся аспаргин, никотин, адреналин и др. Аминокислоты, углеводы, нуклеиновые кислоты также асимметричны. Но вот что интересно. Мы знаем, что из пищи, поступающей в организм, выделяются аминокислоты и строятся новые белки. Оказывается, строятся они из левовращающих аминокислот.
Симметрия и асимметрия в окружающем мире рядом. Но симметрия — общее свойство объектов окружающего мира, асимметрия же отражает индивидуальные свойства объектов. Мы же ставили перед собой задачу «сведения множества к единому» и пришли к выводу, что симметрия в основе всего, она — первооснова Красоты…
Светлеет грусть, когда цветут цветы,
Когда брожу я первоцветным лугом
Один или с хорошим давним другом,
Который сам не любит суеты.
За нами шум и пыльные хвосты —
Всё улеглось! Одно осталось ясно,
Что мир устроен грозно и прекрасно,
Что легче там, где поле и цветы.
Н. Рубцов