Симметрия в биологии

Мир биологического многообразия представляет собой удивительный факт природы и, безусловно, в этом мире должны иметь место более многообразные симметрии. Самой распространенной является билатеральная симметрия, выражающая соразмерность левой и правой частей тела. Замечательным фактом природы является замыкание билатеральной симметрии на асимметрию направления “вперед-назад”, выражающую собой устремленность к движению и включающую в себя элементы эстетики, а, следовательно, и симметрии.

Известно, что в мире минералов запрещена пятерная симметрия, как несовместимая с трансляционной. Вместе с тем, такая симметрия является характерной для цветов (груша, яблоня, земляника и др.), некоторых обитателей моря (звезды, морские ежи и др.) и части вирусов.

Пентагональная симметрия тесно связана с пропорцией золотого сечения, т.к. . Эта симметрия как бы выражает индивидуальность живого, его строение может отличаться от мира косной материи.

Неожиданным выражением симметрии выступает филлотаксис – ботаническое явление, заключающееся в том, что винтовое расположение листьев стебельных растений подчинено строгой закономерности.

В ботанике принято характеризовать винтовое расположение листьев на стебле с помощью дроби, числитель которой отражает число оборотов в цикле, а знаменатель - число листьев в этом цикле. Так расположение листьев у злаковых отображается дробью 1/2, такое же у березы; 1/3 у осоки, тюльпана, ольхи; 2/5 у груши, смородины, сливы; 3/3 у капусты, редьки, льна; 5/13 у ели, жасмина и т.д.

Любопытно, что числа, отображающие указанные соотношения принадлежат к семейству чисел Фибоначчи, образуемому по правилу:

.

Интересно, что . Отдельные симметрии в биологии отображаются рядами чисел Э.Люка: g₀ =2, g₁ =1, g_к+g_к+1=g _к+2. И в этом случае .

Явление филлотаксиса рассматривается как одна из интереснейших загадок природы. Интересным предметом симметрии является симметрия логарифмической спирали, она встречается как в мире живого, так и в мире неживого. Что скрыто за этой общностью? Ответить на этот вопрос непросто.

Рассмотрим идеи симметрии—асимметрии применительно к проблемам объектов живой и неживой природы. Если рассмотреть пример зеркального изображения двух молекул неорганического вещества воды и органического, но «неживого» вещества — бутилового спирта (рис. 15.1), то принципиальное различие проявляется в том, что молекула Н₂O зеркально симметрична, а молекула спирта зеркально асимметрична. «Левая» и «правая» молекулы не совпадают,

Рис. 15.1. Зеркальная симметрия молекул воды (а) и бутилового спирта (б)

как левая и правая руки человека. Асимметричные молекулы в химии называют стереоизомерами, а само свойство зеркальной асимметрии носит название киральности или хиральности (от греческого слова «кир» — рука). Так вот, выяснилось, что в природе хиральностью обладают и «живые», и «неживые» молекулы, но «живые» всегда только хиральны, причем «неживые» хиральные молекулы равновероятно встречаем и в левом, и в правом варианте, а «живые» — только или в левом, или в правом. В этом смысле молекулы живых организмов хирально чисты. Так, ориентация ДНК-спирали всегда правая. В свое время Л. Пастер, а затем и В. И. Вернадский предлагали на этом принципиальном различии провести раздел между живой и неживой природой.

Предполагают, что основополагающим признаком возникновения и развития жизни и является способность живых организмов извлекать и конструировать из симметричных и хирально нечистых молекул окружающей среды хирально чистые молекулы, необходимые для живого организма. Примером могут служить извлечение растениями из симметричных молекул воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза асимметричных молекул крахмала и сахара. Наряду с другими питательными веществами эти молекулы поступают в пищу живых организмов, и из них образуются уже хирально чистые молекулы. Если хиральность молекул веществ пищи изменится на противоположную, то эти вещества окажутся для живого организма биологическим ядом, они отторгаются организмом, ведут его к гибели. Это достаточно характерный пример того, как из физических представлений симметрии можно объяснить происхождение живой материи и даже дать рекомендации практической медицине.

В общем смысле мы можем считать, что и возникновение жизни в целом связано со спонтанным нарушением имевшейся до того в природе зеркальной симметрии. Предполагают, что возникаемая асимметрия произошла скачком в результате Большого Биологического Взрыва по аналогии с БВ, в результате которого образовалась Вселенная, под действием радиации, температуры, полей и т.д. и нашла свое отражение в генах живых организмов. Этот процесс, по существу, также является процессом самоорганизации. В какой-то точке бифуркации произошел и самоорганизующий акт возникновения разума уже живой материи.