Глава 9 Открытие Пастера

Верх, низ, право, лево – таковы не только в отношении нас: ведь для нас они не всегда тождественны, а становятся тем или иным, смотря по положению, как мы повернемся (поэтому одно и то же бывает справа и слева, вверху и внизу, спереди и сзади), но в самой природе каждое из этих направлений определено особо.

Аристотель. Физика.

Кант, как мы помним, утверждал, что пространство и время являются формами нашей чувственности, формами нашего созерцания предметов внешнего мира до всякого опытного соприкосновения с ними, причем важно учитывать, что опытом он называет операции научные, основанные на данных механического естествознания его века, то есть точное, а не всякое мышление о действительности. К ньютоновским доказательствам существования абсолютного пространства Кант добавил тогда еще одно доказательство, а может быть, более точно выражаясь, догадку, которой, как теперь выяснилось, было суждено и еще предстоит необыкновенное, захватывающее будущее.

В работе “О первом основании различия сторон в пространстве” он присоединяется к Аристотелю: пространство и его свойства оказываются не простой условностью, связанной с самим человеком. В то же время в соответствие со своим основным принципом априорности (который соответствует абсолютности времени у Ньютона), Кант полагает, что свойства пространства не являются свойствами вещей “самих по себе”. Нам только кажется, что пространство определяется положением одной вещи по отношению к другой, на самом деле оно детерминируется отношением “системы этих положений к абсолютному мировому пространству”. (Кант, 1964, с. 372). Различение сторон, то есть направление пространства, так же как и направление времени, не заключено в самих вещах, не может быть из них выведено. Всякое протяжение есть часть абсолютного пространства, а не относительного. “Абсолютное пространство обладает собственной реальностью независимо от существования всякой материи и даже в качестве первого основания возможности ее сложения””. (Кант, 1964, с. 372). Первым основанием Кант называет отношение сторон пространства к положению нашего тела. Так, правое и левое, которое кажется нам связано с нашим телом, может быть отличено только по отношению к абсолютному пространству.

Вот наша правая рука. Кажется, что она называется так только по отношению к левой руке. На самом деле это иллюзия. Наши две руки нельзя совместить никакими их поворотами. Нельзя правую руку сделать левой и наоборот, левую превратить в правую. Получается, что это не антиподы одного и того же органа, а два разных органа, потому что неуловимо чем-то они сильно отличаются. Они и равны, и полностью подобны у одного человека по размерам и строению, но не взаимозаменяемы, хотя зеркально абсолютно как бы идентичны. Иначе говоря, это новый вид пространства, относящийся к человеческому измерению, к трехмерным объемам и, следовательно, говорит Кант, есть проявление таинственного внутреннего, а не внешнего свойства пространства. Оно связано не с взаимоотношением тел и их частей, а с их отношением к абсолютному пространству. “Вот почему понятие пространства, взятое в том значении, как его мыслит геометр, вдумчивый читатель не станет рассматривать как чистый плод воображения, хотя нет недостатка в трудностях, связанных с этим понятием, когда его реальность, ясно созерцаемую внутренним чувством, хотят постигнуть посредством понятий разума”. (Кант, 1964, с. 378 – 379).

Свойство геометрических фигур, говорит Кант, обладать равенством и подобием, но не совместимостью, можно увидеть не только у человека, но и в других областях природы. В “Пролегоменах” он предлагает тем, кто все еще считает пространство и время свойствами вещей самих по себе, следующий парадокс. Две равные и подобные плоские геометрические фигуры могут быть заменены, поставлены одна на место другой, то есть полностью симметричны (хотя Кант слово “симметрия” здесь не употребляет). Но фигуры на сфере, например, изображенные на обоих полушариях глобуса треугольники, имеющие общим основанием ту или иную дугу экватора, могут быть совершенно равны и сторонами, и углами, и тем не менее их нельзя подставить один на место другого. Есть внутреннее различие, говорит Кант, которое никаким рассудком нельзя показать как внутреннее, хотя оно проявляется для нас как внешнее.

И далее Кант здесь довольно сложно (своим универсальным способом – через знаменитое “Ding an sich”) пытается объяснить это необычное явление: “Эти предметы не представлены в вещах, каковы они сами по себе, и какими бы их познавал чистый рассудок, а чувственное созерцание, т.е. явления, возможность которых основывается на отношении некоторых самих по себе неизвестных вещей к чему-то другому, а именно к нашей чувственности. Что касается нашей чувственности, то пространство есть форма внешнего созерцания, а внутреннее определение всякого пространства возможно только благодаря определению [его] внешнего отношения ко всему (абсолютному – Г.А.) пространству, частью которого будет каждое отдельное пространство (частью отношения к внешнему чувству), т.е. часть возможна только благодаря целому, а это имеет место только у одних явлений, а никак не у вещей самих по себе как предметов чистого рассудка””. (Кант, 1994А, с. 41-42).

Поэтому, говорит он, нельзя объяснить различие подобных и равных, но не конгруэнтных вещей, улиток, например.

Своим умозрительным исследованием Кант заложил мину замедленного действия. Она еще не взорвалась, хотя бикфордов шнур подожжен давно, через сто лет после него и все еще горит. Явление, к которому прикоснулся Кант, не объяснено и до сих пор, но после него открыто уже не в философии и не в геометрии, но в положительных научных дисциплинах. Он попытался понять такое явление, которое в течение всех двухсот лет после него все росло и росло в своем значении и в своей неразрешимости и в настоящее время превратилась не просто в одну из научных проблем, а в одну из серьезных загадок всего естествознания в целом.

Загадка касается, если ее выразить совсем просто, в том, почему наши руки несовместимы, будучи зеркально идентичны. Такие трехмерные фигуры можно совместить, только если вывернуть их наизнанку. Так, перчатку с одной руки можно, вывернув, надеть на другую, то есть полностью совместить. Но рука-то не перчатка.

Если это явление выразить в общем виде, оно касается особенностей симметрии. Симметрия любых – плоских и трехмерных – фигур основана на существовании у них определенных элементов поворота, которые позволяют совмещение. У большинства симметричных тел обязательно должны быть вместе или по отдельности такие элементы симметрии как центр, или ось, или плоскость симметрии. Самая совершенная в смысле симметрии фигура есть идеальный шар, у него есть и центр, и ось и плоскости симметрии. Все остальные фигуры обладают какими-нибудь отдельными ее элементами. Но некоторые фигуры и тела не имеют никаких элементов поворота и совмещения, у них нет ни центра, ни оси, ни плоскости симметрии. Тогда они симметричны целиком, но странным образом: если их вывернуть наизнанку. Такие фигуры и называются энантиоморфными, то есть рукоподобными. Каждая из таких во всем одинаково построенных, подобных, но не совместимых тел может быть только двух видов – или левой или правой. Других не бывает. Они называются изомерами.

Их изучение и описание шло постепенно и, следовательно, кантовская проблема возникала отдельными всплесками, чаще всего неузнаваемо, в разных науках. Например, в первой половине XIX века она появилась в чистой, по кантовской терминологии, математике, перешедшей к новым, неэвклидовым разновидностям геометрий. Однако наиболее продвинута проблема оказалась в науке, изучающей затвердевшую форму вещества, то есть в кристаллографии. Проблема энантиоморфности пространства здесь возникла как проблема внутреннего строения вещества. Было замечено, что при пропускании поляризованного света через некоторые вещества плоскость его вращалась в какую-либо сторону – влево или вправо, а в других веществах этого не происходило. Явление само по себе открыто в 1808 году французским ученым Малю. (Пастер, 1960, с 9).

Раскрыл загадку поляризации Луи Пастер, к которому мы теперь и переходим, но при этом обнаружил ту самую мирового масштаба проблему, на которую впервые указал Кант. Пастер был не просто химиком, но ученым широкого кругозора, он счастливо сочетал в себе и химика, и кристаллографа, и оптика, и физика. Совсем молодым человеком Пастер работал в химической лаборатории своего учителя Био, который открыл множество веществ, обладавших оптической поляризацией, но природа ее оставалась неясной.

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.

Пастер обнаружил, что дрожжи, например питаются винной кислотой только правого типа, оставляя ту же кислоту левую без внимания. Он наливал в сосуд с дрожжами нейтральную винную кислоту и начиналось брожение. Потом оно прекращалось и оказывалось, что дрожжи переработали только правую кислоту, ее не было и следа, и оставалась целиком только левая, на которую дрожжевые грибки совершенно не обращали внимания. И бывшая нейтральная право-левая кислота начинает вращать плоскость поляризации влево. Он обнаружил также, что одно органическое вещество синтезируется организмами только в левом виде, например, кислоты, другое – только в правом, к последним относятся различные сахара. Причем и правые кислоты, и левый сахар ничуть не отличаются по своим лабораторным свойствам ни от своих естественно созданных антиподов, ни от их смеси. Зачем растениям и бактериям диссимметричный продукт? Нет никаких химических резонов, так сказать, для избирательности. И тем не менее растения или бактерии предпочитают только левые или только правые вещества, и никакие не их смеси. Они питаются одним изомером или только его и производят. Упорство в распознавании и употреблении или в синтезе диссимметрического вещества было стопроцентным, абсолютным. Дрожжи или бактерии никогда не ошибались.

Факт оставался фактом, но он вызывал у Пастера, как человека широко мыслящего, недоумение. Загадка состояла в том, что по идее диссимметрия существовать не может. Как может быть левое без правого, верх без низа? Все эти свойства существуют не сами по себе, а только в оппозиции. Случаются однорукие люди, но они воспринимаются как уроды, в рассуждении, что однорукость есть недостаток, неправильность и неполноценность, но нормой является наличие обеих рук. И в целом в природе действие должно иметь противодействие. Но вот для живых организмов нормой является диссимметрия, невозможное и даже по здравому суждению – невыносимое для природы в целом состояние. Нормальное состояние для всей природы рацемичность, равновесие левого и правого в одном месте.

Все эти необычные факты позволили Пастеру сделать очень далеко идущий вывод: что при всем химическом разнообразии мира диссимметрия есть “единственное, отчетливо выраженное различие, которое мы можем обнаружить между химией неживой природы и химией живой природы”. (Пастер, 1960, с. 47).

Мы называем правое и левое по отношению к собственному телесному строению. Но оказалось, как и предупреждали Аристотель и Кант, что это условность, или по терминологии Ньютона – относительное пространство. Но существует до всякого опыта и рассуждения, в нашей собственной природе различение правого и левого. А вместе с нами и дрожжи и все остальные, по-видимому, существа живущие, столь же хорошо, как и человек, различают правое или левое, несмотря на отсутствие рук. И невозможно заставить их употребить левое, если они питаются правым и наоборот. Значит, это явление не случайное. Действительно, по всем остальным признакам – химическим, физическим, энергетическим есть плавные переходы от неживого к живому, здесь же налицо резкий разрыв. Иначе говоря, у Пастера было ощущение, что он обнаружил в мире какую-то очень реальную, четко выраженную, но не имеющую в науке определений границу. Какова же причина диссимметрии? Имеется ли она в самом организме или за его пределам? “Не является необходимым и достаточным предположение, что в момент образования в растительном организме различных соединений в наличии имеется диссимметрическая сила”. (Пастер, 1960, с. 45).

Вот единственное, что можно сказать и Пастер предлагает в той же статье различные гипотезы, даже не гипотезы, а вскользь брошенные фразы о влиянии космических причин, разумеется, без всякой мистики. Может быть, вызывающая диссимметрию сила находится в самом геометрическом характере пространства космоса, сквозь которое пролетает Земля? Или в свойствах солнечного света, который тоже может быть диссимметрическим? Или в магнитных, в электрических влияниях на живое? Но его вопросы остались без ответа. Скажем в скобках, что и до сих пор, хотя исследования расширились.

Второй шаг в описании диссимметрии сделал Пьер Кюри. В его биографии, написанной Марией Кюри, есть упоминание о том значении, которое Пьер Кюри придавал общему понятию о симметрии. Он назвал ее хорошим термином “состояние пространства” и относил к тем “первопричинам”, о которых пытался догадаться Пастер. Иначе говоря, диссимметрия, как и все разновидности симметрии, идут впереди всех остальных качеств вещей, являясь их основанием: “Две среды, обладающие одинаковой диссимметрией, связаны между собой особым образом и отсюда можно вывести некоторые физические следствия”.( Кюри, 1966, с. 96).

Пьер Кюри выдвинул несколько теоретических абстрактных обобщений, которые определяли отношения диссимметрических объектов или фигур при их генетической связи. Одно из них гласит: “Когда некоторые причины производят некоторые действия, элементы симметрии причины должны обнаруживаться в этих произведенных действиях. Когда некоторые действия проявляют некоторую диссимметрию, то эта диссимметрия должна обнаруживаться и в причинах, их порождающих”. (Кюри, 1966, с. 102).

Нельзя сказать, что в науке забылось открытие Пастера и его теоретическая интерпретация Пьером Кюри. Оно исследовалось, но только как биохимическое явление, не выходя на уровень причин и следствий. К нему не относились как к явлению пространственному. И потому В. И. Вернадский имел право заявить в 1931 году так, как он заявил: путь, открытый Пастером и Кюри, зарастает травою забвения. За четверть века, прошедших после смерти Кюри в1906 году, вопросы теоретического уровня в решении проблемы диссимметрии возникли снова только в трудах В.И.Вернадского, который придавал им огромное, мировоззренческое значение. О его разработке данной проблемы мы будем говорить в следующем разделе. И уже после него, совсем в близкие времена она возникнет снова в физической химии. Все это впереди, а пока нам нужно продолжить историю выяснения причины времени и пространства, как она складывалась в описательном естествознании и в обобщающих философских трудах в девятнадцатом веке.

В наибольшей степени эти факты сумел обобщить, на мой взгляд, французский биолог и философ Анри Бергсон. Он создал новые понятия – реальное время или реальная длительность и реальное пространство. Он изобрел термин “дление” – то есть “изготовление длительности”.