Симметрия в живой природе

Растения и животные

Симметрия в живой природе 

Взгляните на лица окружающих вас людей: один глаз чуточку больше прищурен, другой меньше, одна бровь изогнута более, другая — менее; одно ухо выше, другое ниже. К сказан­ному добавим, что человек больше пользуется правым глазом, чем левым. Понаблюдайте-ка, например, за людьми, которые стреляют из ружья или лука.

Из приведенных примеров видно, что в строении тела человека, его привычках ясно выражено стремление резко выделить какое-либо направление — правое или левое. Это не случайность. Подобные явления можно отметить также и у растений, животных и микро­организмов.

Ученые давно обратили на это внимание. Еще в XVIII в. ученый и писатель Бернарден де Сен Пьер указывал, что все моря напол­нены одностворчатыми брюхоногими моллюска­ми бесчисленного множества видов, у которых все завитки направлены слева направо, подобно движению Земли, если поставить их отверстия­ми к северу и острыми концами к Земле.

Но прежде чем приступить к рассмотрению явлений подобной асимметрии, мы вы­ясним сначала, что такое симметрия.

Для того чтобы разобрать­ся хотя бы в главных резуль­татах, достигнутых при изу­чении симметрии организмов, нужно начать с основных по­нятий самой теории симметрии. Вспомните, какие тела в быту обычно считают равны­ми. Только такие, которые со­вершенно одинаковы или, точнее, которые при взаимном наложении совмещаются друг с другом во всех своих дета­лях, как, например, два верх­них лепестка на рисунке 1. Однако в теории симметрии, помимо совместимого равенства, выделяют еще два вида равенства — зеркаль­ное и совместимо-зеркальное. При зер­кальном равенстве левый ле­песток из среднего ряда рисунка 1 можно точно совместить с правым лепестком лишь после предварительного отражения в зеркале. А при совместимо-зеркальном равенстве двух тел их можно совместить друг с другом как до, так и после отражения в зеркале. Лепестки нижнего ряда на рисунке 1 равны друг другу и совмести­мо, и зеркально.

Из рисунка 2 видно, что наличия одних рав­ных частей в фигуре еще недостаточно, чтобы признать фигуру симметричной: слева они распо­ложены незакономерно и мы имеем несиммет­ричную фигуру, справа — однообразно и мы имеем симметричный венчик. Такое закономер­ное, однообразное расположение равных частей фигуры относительно друг друга и называют симметрией.

Равенство и одинаковость расположения частей фигуры выявляют посредством опе­раций симметрии. Операциями сим­метрии называют повороты, переносы, отра­жения.

Для нас наиболее важны здесь по­вороты и отражения. Под поворотами понимают обычные повороты вокруг оси на 360°, в результате которых равные части сим­метричной фигуры обмениваются местами, а фигура в целом совмещается с собой. При этом ось, вокруг которой происходит поворот, назы­вается простой осью симметрии. (Это название не случайно, так как в теории симметрии различают еще и различного рода сложные оси.) Число совмещений фигуры с самой собой при одном полном обороте вокруг оси называется порядком оси. Так, изображение морской звезды на рисунке 3 обладает одной простой осью пятого порядка, про­ходящей через его центр.

Это означает, что, поворачивая изображение звезды вокруг ее оси на 360°, мы сумеем наложить равные части ее фигуры друг на друга пять раз.

Под отражениями понимают любые зеркальные отражения — в точке, линии, пло­скости. Воображаемая плоскость, которая де­лит фигуры на две зеркально равные половины, называется плоскостью симметрии. Рассмотрим на рисунке 3 цветок с пятью лепе­стками. Он обладает пятью плоскостями симмет­рии, пересекающимися на оси пятого порядка. Симметрию этого цветка можно обозначить так: 5•m. Цифра 5 здесь означает одну ось симметрии пятого порядка, а m — плоскость, точка — знак пересечения пяти плоскостей на этой оси. Общая формула симметрии подобных фигур записывается в виде n•m, где n — сим­вол оси. Причем он может иметь значения от 1 до бесконечности (∞ ).

При изучении симметрии организмов было установлено, что в живой природе наиболее часто встречается симметрия вида n•m. Симме­трию этого вида биологи называют ради­альной (лучевой). Помимо показанных на рисунке 3 цветка и морской звезды, радиальная симметрия присуща медузам и полипам, попе­речным разрезам плодов яблок, лимонов, апельсинов, хурмы (рис. 3) и т. д.

С возникновением на нашей планете живой природы возникли и развились новые виды симметрии, которых до этого либо совсем не было, либо было немного. Это особенно хорошо видно на примере частного случая симметрии вида n•m, который характеризуется лишь од­ной плоскостью симметрии, делящей фигуру на две зеркально равные половины. В биоло­гии этот случай называется билате­ральной (двусторонней) симме­трией. В неживой природе этот вид сим­метрии не имеет преобладающего значения, но зато чрезвычайно богато представлен в жи­вой природе (рис. 4).

Он характерен для внеш­него строения тела человека, млекопитающих, птиц, пресмыкающихся, земноводных, рыб, многих моллюсков, ракообразных, насекомых, червей, а также многих растений, например цветков львиного зева.

Полагают, что такая симметрия связана с различиями движения организмов вверх— вниз, вперед — назад, тогда как их движения напра­во — налево совершенно одинаковы. Наруше­ние билатеральной симметрии неизбежно при­водит к торможению движения одной из сторон и изменению поступательного движения в кру­говое. Поэтому не случайно активно по­движные животные двусторонне симметричны.

Билатеральность же неподвижных организмов и их органов возникает вследствие неоди­наковости условий прикрепленной и свободной сторон. По-видимому, так обстоит дело у неко­торых листьев, цветков и лучей коралловых полипов.

Здесь уместно отметить, что среди организ­мов до сих пор не встречалась симметрия, кото­рая исчерпывается наличием только центра сим­метрии. В природе этот случай симметрии рас­пространен, пожалуй, только среди кристал­лов; сюда относятся, между прочем, и синие, великолепно вырастающие из раствора кри­сталлы медного купороса.

Другой основной вид симметрии характе­ризуется лишь одной осью симметрии n-го порядка и называется аксиальным или осевым (от греческого слова «аксон» — ось). До самого последнего времени организмы, форме которых присуща аксиальная симметрия (за исключением простейшего, частного слу­чая, когда n=1), биологам известны не были. Однако недавно обнаружено, что эта симметрия широко распространена в растительном мире. Она присуща венчикам всех тех растений (жас­мина, мальвы, флоксов, фуксии, хлопчат­ника, желтой горечавки, золототысячника, оле­андра и др.), края лепестков которых лежат друг на друге веерообразно по ходу часовой стрелки или против нее (рис. 5).

Эта симметрия присуща и некоторым животным, например медузе аурелиа инсулинда (рис. 6). Все эти фак­ты привели к установлению существования нового класса симметрии в живой природе.

Объекты аксиальной симметрии — это осо­бые случаи тел диссимметрической, т. е. расстроенной, симметрии. От всех остальных объектов они отличаются, в частности, своеобразным отношением к зер­кальному отражению. Если яйцо птицы и тело речного рака после зеркального отражения совсем не изменяют своей формы, то (рис. 7)

аксиальный цветок анютиных глазок (а), асим­метрическая винтовая раковина моллюска (б) и для сравнения часы (в), кристалл кварца (г), асимметричная молекула (д) после зер­кального отражения изменяют свою фигуру, приобретая ряд противоположных признаков. Стрелки действительных часов и зеркальных движутся в противоположных направлениях; строки на странице журнала написаны слева направо, а зеркальные — справа налево, все буквы как будто вывернуты наизнанку; сте­бель вьющегося растения и винтовая раковина брюхоногого моллюска перед зеркалом идут слева вверх направо, а зеркальных — справа  вверх налево и т. д.

Что касается простейшего, частного случая осевой симметрии (n=1),о котором упоминается выше, то биологам он известен давно и называет­ся асимметрическим. Для при­мера достаточно сослаться на картину внутрен­него строения подавляющего большинства ви­дов животных, включая и человека.

Уже из приведенных примеров нетрудно заметить, что диссимметрические объекты могут существовать в двух разновидностях: в виде оригинала и зеркального отражения (руки че­ловека, раковины моллюсков, венчики аню­тиных глазок, кристаллы кварца). При этом одна из форм (не важно, какая) называется правой П, а другая левой — Л. Здесь очень важно уяснить себе, что правыми и левыми могут называться и называются не только известные в этом отношении руки или ноги человека, но и любые диссимметрические тела — продукты производства людей (винты с правой и левой резьбой), организмы, нежи­вые тела.

Обнаружение и в живой природе П-Л-форм поставило перед биологией сразу ряд новых и очень глубоких вопросов, многие из которых сейчас решаются сложными матема­тическими и физико-химическими методами.

Первый вопрос — это вопрос о закономер­ностях формы и строения П- и Л-биологических объектов.

Совсем недавно ученые установили глубо­кое структурное единство диссимметрических объектов живой и неживой природы. Дело в том, что правизна-левизна свойство, одинаково присущее жи­вым и неживым телам. Общими для них оказа­лись и связанные с правизной-левизной раз­личные явления. Ука­жем лишь на одно такое явление — диссимметрическую изо­мерию. Она пока­зывает, что в мире су­ществует множество объ­ектов различного строе­ния, но при одном и том же наборе соста­вляющих эти объекты частей.

На рисунке 8 по­казаны предсказанные, а затем и обнаруженные 32 формы венчиков лютика. Здесь в каждом случае число частей (лепестков) одно и то же — по пяти; различно лишь их взаимное расположение. Стало быть, здесь перед нами пример диссимметрической изомерии венчиков.

В качестве другого примера могут служить объекты совершенно иной природы молекулы глюкозы. Их мы можем рассматривать наряду с венчиками лютика как раз из-за оди­наковости законов их строения. Состав глю­козы следующий: 6 атомов углерода, 12 атомов водорода, 6 атомов кислорода. Этот набор ато­мов может быть распределен в пространстве весьма различно. Ученые считают, что моле­кулы глюкозы могут существовать по крайней мере в 320 различных видах.

Второй вопрос: насколько часто встреча­ются в природе П- и Л-формы живых организ­мов?

Самое важное в этом отношении открытие было сделано при изучении молекулярного строения организмов. Оказалось, что прото­плазма всех растений, животных и микроорга­низмов усваивает в основном только П-сахара. Таким образом, каждый день мы питаемся пра­вым сахаром. Зато аминокислоты встречаются главным образом в Л-форме, а построенные из них белки — в основном в П-форме.

Возьмем для примера два белковых про­дукта: яичный белок и овечью шерсть. Оба они — «правши». Шерсть и яичный белок «лев­ши» в природе до сих пор не найдены. Если бы удалось каким-либо образом создать Л-шерсть, т. е. такую шерсть, аминокислоты в которой были бы расположены по стенкам вью­щегося влево винта, то проблема борьбы с молью была бы решена: моль может питаться только П-шерстью, точно так же, как люди усваивают только П-белок мяса, молока, яиц. И это нетрудно понять. Моль переваривает шерсть, а человек — мясо посредством особых белков — ферментов, по своей конфигурации тоже правых. И подобно тому как Л-винт нельзя ввернуть в гайки с П-резьбой, посредством П-ферментов невозможно переварить Л-шерсть и Л-мясо, если таковые были бы найдены.

Возможно, в этом же кроется загадка и болезни, известной под названием рака: есть сведения, что в ряде случаев раковые клетки строят себя не из правых, а из левых, не пере­вариваемых нашими ферментами белков.

Широко известный антибиотик пенициллин вырабатывается плесневым грибком только в П-форме; искусственно приготовленная Л-форма его антибиотически не активна. В аптеках продается антибиотик левомицетин, а не его антипод — правомицетин, так как последний по своим лечебным свойствам значительно усту­пает первому.

В табаке содержится Л-никотин. Он в не­сколько раз более ядовит, чем П-никотин.

Если рассматривать внешнее строение орга­низмов, то и здесь мы увидим то же самое. В подавляющем большинстве случаев целые организмы и их органы встречаются в П- или Л-форме. Задняя часть тела волков и собак при беге несколько заносится вбок, поэтому их разделяют на право- и левобегающих. Птицы-левши складывают крылья так, что левое крыло накладывается на правое, а правши — наоборот. Некоторые голуби при полете предпочитают кружиться вправо, а другие влево. За это голубей издавна в народе делят на «правухов» и «левухов». Раковина моллюска фрутицикола лантци встре­чается главным образом в П-закрученной фор­ме. Замечательно, что при питании морковью преобладающие П-формы этого моллюска пре­красно растут, а их антиподы — Л-моллюски — резко теряют в весе. Инфузория туфелька из-за спирального расположения на ее теле ресничек передвигается в капельке воды, как и многие другие простейшие, по лево завивающе­муся штопору. Инфузории, вбуравливающиеся в среду по правому штопору, встречаются ред­ко. Нарцисс, ячмень, рогоз и др.— правши: их листья встречаются только в П-винтовой форме (рис. 9). Зато фасоль — левша: листья первого яруса чаще бывают Л-формы. Заме­чательно, что по срав­нению с П-листьями Л-листья больше весят, имеют большую пло­щадь, объем, осмотиче­ское давление клеточ­ного сока, скорость роста.

Много интересных фактов может сообщить наука симметрии и о человеке. Как известно, в среднем на земном шаре примерно 3% лев­шей (99 млн.) и 97% правшей (3 млрд. 201 млн.). По некоторым сведениям, в США и на Африкан­ском континенте левшей значительно больше, чем, например, в СССР.

Интересно отметить, что центры речи в го­ловном мозгу у правшей расположены слева, а у левшей — справа (по другим данным —в обоих полушариях). Правая половина тела управляется левым, а левая — правым полу­шарием, и в большинстве случаев правая поло­вина тела и левое полушарие развиты лучше. У людей, как известно, сердце на левой сто­роне, печень — на правой. Но на каждые 7—12 тыс. человек встречаются люди, у кото­рых все или часть внутренних органов распо­ложены зеркально, т. е. наоборот.

Третий вопрос — это вопрос о свойствах П- и Л-форм. Уже приведенные примеры дают понять, что в живой природе целый ряд свойств у П- и Л-форм неодинаковы. Так, на примерах с моллюсками, фасолью и антибиотиками была показана разница в питании, скорости роста и антибиотической активности у их П- и Л-форм.

Такая черта П- и Л-форм живой природы имеет очень большое значение: она позволяет с совершенно новой стороны резко отличить живые организмы от всех тех П- и Л-тел нежи­вой природы, которые по своим свойствам так или иначе равны, например, от элементарных частиц.

В чем же причина всех этих особенностей диссимметрических тел живой природы?

Было установлено, что, выращивая микро­организмы бациллюс микоидес на агар-агаре с П- и Л-соединениями (сахарозой, винной кислотой, аминокислотами), Л-колонии его можно превратить в П-, а П- в Л-формы. В ряде случаев эти изменения носили длитель­ный, возможно, наследственный характер. Эти опыты говорят о том, что внешняя П- или Л-форма организмов зависит от обмена веществ и участвующих в этом обмене П- и Л-молекул.

Иногда превращения П- в Л-формы и наобо­рот происходят без вмешательства человека.

Академик В. И. Вернадский отмечает, что все раковины ископаемых моллюсков фузус антиквуус, найденные в Англии, левые, а совре­менные раковины правые. Очевидно, при­чины, вызывавшие такие перемены, менялись в течение геологических эпох.

Конечно, смена видов симметрии по мере эволюции жизни происходила не только у диссимметрических организмов. Так, некоторые иглокожие когда-то были двустороннесимметричными подвижными формами. Затем они пе­решли к сидячему образу жизни и у них выра­боталась радиальная симметрия (правда, ли­чинки их до сих пор сохранили двустороннюю симметрию). У части иглокожих, вторично перешедших к активному образу жизни, ра­диальная симметрия вновь заменилась билате­ральной (неправильные ежи, голотурии).

До сих пор мы говорили о причинах, опре­деляющих форму П- и Л-организмов и их орга­нов. А почему эти формы встречаются не в рав­ных количествах? Как правило, бывает боль­ше либо П-, либо Л-форм. Причины этого не известны. Согласно одной очень правдопо­добной гипотезе причинами могут быть диссимметрические элементарные частицы, например преобладающие в нашем мире правые нейтрино, а также правый свет, который в небольшом избытке всегда существует в рассеянном сол­нечном свете. Все это первоначально могло соз­дать неодинаковую встречаемость правых и ле­вых форм диссимметрических органических мо­лекул, а затем привести к неодинаковой встре­чаемости П- и Л-организмов и их частей.

Таковы лишь некоторые вопросы биосимметрики — науки о процессах сим­метризации и диссимметризации в живой природе.