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. При этом важно учитывать, что опытом он называет операции научные, основанные на данных механического естествознания его века, то есть точное, а не всякое мышление о действительности. K ньютоновским доказательствам существо­вания абсолютного пространства Кант добавил тогда еще одно. Может быть, более точно выражаясь, высказал догадку, которой, как теперь выяснилось, было суждено и еще предстоит необыкновенное, захватывающее будущее.

B работе «О первом основании различия сторон в пространстве» он присоединяется к Аристотелю: пространство и его свойства оказываются не простой условностью, связанной с самим человеком. B 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»¹¹⁴. 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 и внешнего: «Абсолютное пространство обладает собственной реальностью независимо от существования всякой материи и даже в каче­стве первого основания возможности ее сложения»»¹¹⁵. Первым основани­ем Кант называет отношение сторон пространства к положению нашего тела. Так, правое или левое внешнее пространство, которое, кажется нам, только называется так по отношению к нашему телу, может быть различе­но только по отношению к абсолютному пространству.

Вот наша правая рука. Кажется, что она называется так только по отно­шению к левой руке. Ha самом деле это иллюзия. Наши две руки нельзя со­вместить никакими их поворотами. Нельзя правую руку превратить в левую, и, наоборот, левую - сделать правой. 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 фигурам 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»¹¹⁶.

Свойство геометрических фигур, говорит Кант, обладать равенством и подобием, но не совместимостью, можно увидеть не только у человека, но и в других областях природы. B «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). Ho 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»¹¹⁷. Поэтому, говорит он, нельзя объяснить различие подобных и рав­ных, но не конгруэнтных вещей, раковин 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 ухватил и попытался понять такое явление, которое в течение всех двухсот лет после него все росло и росло в своем значении и в своей неразрешимости. B на­стоящее время оно превратилось 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. Ho 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. Bce остальные фигуры обладают какими-нибудь отдельными элемен­тами симметрии. Ho 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 продвинутой данная 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 поляризации 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 Малю¹¹⁸. Раскрыл же 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 Ж. Б., 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 по внешнему виду, кристаллы паратартратов были похожи во всем на кристаллы винной кислоты, называемые тартраты. Паратартраты имели сходную форму с тартратами и одинаковый скос на одной из граней, которая в кристаллографии того времени называлась 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. Рассматривая под микроскопом кристаллы паратартратов, Пастер обнаружил, что в смеси есть два вида кристаллов. Оба обладали гемиэдрией, то есть имели на одной гра­ни скос, но грани разные. Они были несовместимы никакими поворотами, зато являлись отражением друг друга в зеркале. Ho для обнаружения этого порядка - зеркального расположения гемиэдрии нужен бьш нетривиальный, то есть творческий, акт, миг прозрения: между гемиэдрией и вращательной оптической способностью кристаллов существует какая-то связь! Вот как он описал самый 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»¹¹⁹. Под словом диссимметрический здесь имеется в виду геми- эдрический, и скоро Пастер назовет все явление новым термином - диссим- метрия. Паратартраты оказались смесью кристаллов разной гемиэдрии. При чем только двух видов - левого или правого по отношению к нам.

Далее Пастер просто отделил кристаллы с правой гемиэдрией от других с левой гемиэдрией. (Он не сообщил - чем, возможно, пинцетом). Растворил их по отдельности. И сразу же увидел яркую картину поляризации: правые вращали плоскость света вправо, левые - влево. Смешав снова кристаллы и растворив, Пастер получил нейтральный раствор, то есть не вращавшим плоскость поляризации никуда. Явление стало ему ясным, открытие про­изошло¹²⁰. Пастер начал выступать с публичными повторениями опыта и коллеги действительно оценили открытие Пастера как незабываемое.

Итак, выяснилось, что паратартраты были смесью кристаллического вещества с двумя разновидностями гемиэдрии - правой и левой, а тартра- ты 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». 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.

Ho 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. Тем не менее, любимым и самым загадочным своим открытием он полагал диссимметрию и до конца жизни мысленно к ней возвращался. Почему?

B диссимметрии как будто сходились сразу все без исключения науки: и кристаллография, и химия, и оптика, и даже (очень важно и 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»¹ \

Как раз тогда в науке устанавливали связь между строением веществ и их свойствами. Берцелиус открьиі изомерию - явление различных свойств у веществ одного и того же химического состава; Дюма прибавил к 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 гемиэдрии¹²². Дис- симметрия 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. B 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, 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. B 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. K таким первопричинам он отнес то свойство, о котором ра­нее было не известно как о факторе, изменяющем свойства: пространствен­ное строение. B лекции, озаглавленной «Низшие организмы и строение мате­рии» он попытался просто разделить все вещества на два основных класса по этому признаку. K одним относятся вещества, которые можно по своему строению совместить со своим зеркальным изображением. K другим - те, зеркальные изображения которых совместить с оригиналом невозможно¹²³. Оказалось, что он фактически провел в мире границу между живыми орга­низмами и неживым веществом, потому что к первым относятся разнообраз­ные создающиеся человеком, то есть искусственные тела и существующие B природе минеральные соединения. A ко вторым относились основные веще­ства биологических тканей, такие как клетчатка, крахмал, камедь, сахара, винная кислота, хинная, таниновая кислоты, морфин. Macca разнообразных веществ, которые мы получаем как продукт живых существ, обладают дис- симметрией. Вот самое важное, что выяснилось в результате его опытов.

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. To 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 вообще есть четыре вида вещества: 1) левое, 2) правое, 3) смесь их в какой-либо пропорции и 4) ни правое, ни левое и не смесь (аморфное). «Каким образом возникает диссимметрия? - спрашивал себя Пастер. - Почему возникает определенная диссимметрия, а не противоположная ей?»¹²⁴. Вот одна из великих загадок.

Пастер обнаружил, например, что дрожжи питаются винной кислотой только правого типа, оставляя ту же кислоту левую без внимания. Он нали­вал в сосуц с дрожжами нейтральную винную кислоту Начиналось броже­ние. Потом оно прекращалось и оказывалось, что дрожжи переработали только правую кислоту, ее не было и следа, и оставалась целиком только ле­вая кислота, на которую дрожжевые грибки совершенно не обращали вни­мания. При этом 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. K 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, на­оборот, 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 диссим- метрия существовать не может. Как возможна левая конструкция без пра­вой? Bepx без низа? Bce эти свойства существуют не сами по себе, а только в оппозиции. Случаются однорукие люди, но это воспринимаются как на­рушение нормы, в рассуждении, что однорукость есть недостаток, непра­вильность и неполноценность. Нормой является наличие обеих рук. И в целом в природе согласно механическим законам действие должно иметь противодействие. Ho вот для живых организмов нормой является диссим- метрия, невозможное и даже по здравому суждению - невыносимое для природы в целом - состояние. Нормальное состояние для всей неживой природы рацемичность, равновесие левого и правого в одном месте.

Bce 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»¹²⁵.

Мы называем нечто правым или левым в соответствии с собственным телесным строением. Ho оказалось, как и предупреждали Аристотель и Кант, что это условность, или по терминологии Ньютона - относительное про­странство. Ho существует до всякого опыта и рассуждения, в нашей собст­венной природе различение правого и левого. A 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 левый продукт, если они питаются правым и на­оборот. Значит, это явление не случайное. Действительно, по всем остальным признакам - химическим, физическим, энергетическим существуют плавные переходы от неживого вещества 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 где-нибудь за его пределам? «He является необходимым и доста­точным предположение, что в момент образования в растительном организме различных соединений в наличии имеется диссимметрическая сила» ²⁶.

Вот, действительно, единственное, что можно сказать. 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 дис- симметрическим? Или в магнитных, в электрических воздействиях на жи­вое? Ho его вопросы остались без ответа. Скажем в скобках, что и до сих пор, хотя исследования расширились.

Второй шаг в описании диссимметрии сделал Пьер Кюри. B 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, диссим- метрия, 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»¹²⁷.

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»¹²⁸.

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. K 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. 0 его разработке данной проблемы мы будем говорить в сле­дующем разделе. И уже после него, совсем в близкие времена она воз­никнет снова в физической химии. Bce 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.

Ha мой взгляд, в наибольшей степени эти факты сумел обобщить французский теоретик биологии Анри Бергсон. Он создал новые понятия - реальное время (или реальная длительность) и реальное пространство. Он изобрел термин «дление» - то есть «изготовление длительности».