Правое и левое в природе

Правое и левое
в природе
К.ф.-м.н. Ксения Козловская
Физический факультет МГУ
1К.А. Козловская “Правое и левое в природе”. Фестиваль науки - 2016

Хиральность - это отсутствие
зеркальной симметрии.
Энантиомеры (оптические изомеры)
это объекты являющиеся друг для
друга зеркальным отражением.
Симметричные объекты в этой
лекции - любые объекты обладающие
зеркальной симметрией.
2
Что такое хиральность?
(с) http://physicsworld.com/
К.А. Козловская “Правое и левое в природе”. Фестиваль науки - 2016

1. Что такое хиральность?
2. Энантиомеры вокруг нас.
3. Правое и левое в математике.
4. Правый и левый свет.
5. Астрономические правши и левши.
6. Правые и левые молекулы.
7. Хиральность и силы природы.
8. Биология и хиральность.
9. Правые и левые кристаллы.
10.Правши и левши в мире элементарных
частиц.
11.Хиральность и происхождение жизни
План

4
2. Примеры хиральных и симметричных объектов
Где у сферы плоскость зеркальной симметрии?

Где у вращающейся сферы плоскость зеркальной симметрии?

Где у пирамиды плоскость зеркальной симметрии?

Пикачу хиральный или симметричный покемон?

Правая и левая стороны Пикачу одинаковы, т.е. У него есть плоскость
зеркальной симметрии, а значит он не хиральный а симметричный.

Президент Обама хиральный или симметричный?

Правая и левая стороны президента Обамы отличаются, значит, он хиральный,
как и все мы.

11
Наши две руки, два уха и пары ботинок - энантиомеры.

12
Простой узел может быть левым и правым.

13
Архитекторы любят
строить здания-
энантиомеры.

14
Что будет энантиомером этого автомобиля?

15
В некотором смысле праворульные и леворульные
автомобили - энантиомеры, т.е. зеркальные отражения
друг друга.

Волчок - симметричный объект. Вращающийся волчок -
хиральный объект с точки зрения неподвижного
наблюдателя.
16

Для наблюдателя, сидящего на волчке, волчок
симметричен.
Но его траектория - спираль - хиральна.
17

Лопасти вентилятора вырезаны из спиральной поверхности.
Что случится, если заменить лопасти их зеркальными
отражениями?
18

Лопасти вентилятора гонят воздух вперед.
Зеркально отраженные лопасти стануть гнать воздух
назад.
19

частиц.
План

21
3. Правое и левое в математике
В двумерном мире два вектора разной длины не
совпадают со своим зеркальным отражением.

22
Если в пространстве размерности n два объекта -
энантиомеры, то в пространстве размерности n+1 эти
объекты становятся одинаковы.
3. Правое и левое в математике

23
3. Хиральность в
математике и
литературе
Готфрид Платтнер попадает в мир
четырех пространственных
измерений, а вернувшись
обнаруживает, что стал левшой и
все его внутренние органы
превратились в свои зеркальные
отражения.

24
математике. Спирали
Если какой-то объект
существует в математике, то с
большой вероятностью он
встретится и где-то в
реальном мире.

25
математике и в
природе
Природа любит спирали.
Улитки, как и люди, могут быть
левшами или правшами.

26
3. Хиральность в математике. Спирали 3d
© http://blog.atlasrfidstore.com/
Такие спирали описывают право- и левополяризованный
свет.

Гарднер “Этот правый, левый мир”
(1967)
Научно - популярная
литература на русском
языке

частиц.
План

При взаимодействии света с веществом основную роль играет
электрический вектор, поэтому его называют световым вектором.
4. Что такое свет?
Свет - это
электромагнитная
волна.

Линейно поляризованный свет. Демонстрация
4. Поляризация света

4. REAL 3D
Камера снимает двумя объективами,
расположенными на таком же
расстоянии, как правый и левый глаз.
Проектор в кинотеатре попеременно
проецирует кадры для каждого глаза.

4. REAL 3D
Свет от проектора поляризован по-разному для правого и для левого
глаза, а очки позволяют каждому глазу видеть только предназначенную
ему картинку.
© http://district196.org/

4. Круговая поляризация
Если вдоль одного
направления
распространяются две
волны одной длины,
то в результате их
сложения эллиптически
поляризованная волна.

34
4. Левый и правый свет
© http://blog.atlasrfidstore.com/
Такие спирали описывают право- и левополяризованный
свет.

35
4. Левый и правый свет
Жук скарабей покрыт
хиральными частицами и по
разному отражает право- и
левополяризованный свет,
а значит по-разному выглядит
если смотреть через
поляризационные фильтры.

частиц.
План

37
5. Галактики
Есть ли у галактики
плоскость зеркальной
симметрии?

Солнце - это сфера, а сфера
симметрична.
Но Солнце вращается, и все равно
симметрично.
Однако у Солнца есть магнитный
момент, и мы можем обозначить
северный и южный полюса, и
получим хиральность.
Иногда магнитные полюса Земли
меняются местами, и Солнце
превращается в собственный
энантиомер.
N
S
38
5. Солнце

Форма Земли называется
Геоид. У Геоида нет
плоскости зеркальной
симметрии,
Земля хиральна!
5. Земля

частиц.
План

6. История открытия хиральных молекул
В 1812 столетия Жан Батист
Био, французский физик и химик,
обнаружил, что кристаллы
кварца могут вращать плоскость
поляризации света.

42
Зеркальные изомеры
поворачивают
плоскость
поляризации в
противоположных
направлениях.

43
Био обнаружил, что растворы сахара и винной
кислоты, также являются оптически
активными.
Следовательно, вращение плоскости
поляризации должно обусловливаться каким-
то типом асимметрии в строении каждой
отдельной молекулы.

● В 1848 году, изучая кристаллы винной кислоты под
микроскопом, Луи Пастер выделил два их типа,
являющихся зеркальным отражением друг друга.
● При растворении кристаллов одного типа раствор
поворачивал плоскость поляризации по часовой
стрелке, а другого — против.
● Раствор из смеси двух типов кристаллов в
соотношении 1:1 не обладал оптической активностью.

Пастер заметил, что грибковая плесень Penicillum glaucum, растущая на
разбавленных растворах виноградной кислоты или ее солей, «поедает» только
правый изомер, оставляя левый без изменения.

6. Хиральность в химии
46
Многие химики говорят, что
жизнь - это способ
существования углеродных
соединений.
Все потому, что углерод
может образовывать сразу 4
связи, и в результате
соединения углерода
складываются в сложные
соединения и цепи.

6. Зеркально симметричная молекула
Рассмотрим пример углеродного соединения в форме тетраэдра.
Метан обладает множеством плоскостей симметрии. 3D

Methane СH4 Methanol СН3ОН Ethanol С2Н5ОН Amyl C5H11OH
48
6. Зеркальная симметрия соединений
углерода

Углерод, соединенный с четырьмя
разными группами атомомв
асимметричен.
Но есть и исключения.
49
6. Зеркальная симметрия
соединений углерода

Люди “договорились” какую руку
назвать левой, а какую правой.
Но как определить, какая молекула
правша, а какая левша?
50
6. Правое и левое в химии

51
Зеркальные изомеры поворачивают
плоскость поляризации в
противоположных направлениях.

Договорились так:
Правые молекулы поворачивают
плоскость поляризации по
часовой стрелке.
Левые молекулы вращают
плоскость поляризации против
часовой стрелки.
52

частиц.
План

Хиральные химические соединения:
- Имеют одинаковый удельный вес;
- Плавятся и замерзают при одинаковых
температурах,
т.к. силы действующие на них (гравитация,
теплота) не отличают правое от левого.
54
7. Хиральность и силы природы

Электромагнитное, сильное и гравитационное взаимодействия симметричны
относительно зеркальной инверсии.
Слабое взаимодействие единственное обладает хиральностью.
55
7. Хиральность и силы природы

Большинство сухопутных животных
обладают право-левой зеркальной
симметрией, потому что действующая на
них среда не отличают правое от левого.
Инопланетяне в фантастике так же
симметричны - фантасты тоже не изобрели
среду по разному действующую на левое и
правое.
56
7. Хиральность и
силы природы

57
7. Хиральность и обитатели моря
Гравитация не слишком
интересует рыб в воде,
поэтому у них почти
симметричны не только
правая и левая сторона,
но и верх и низ.

58
7. Хиральность и камбала
Мальки камбалы рождаются зеркально симметричными, но с возрастом
теряют симметрию и становятся хиральными.

59
7. Хиральность и камбала

частиц.
План

Большинство биологических молекул
хиральны.
При этом большинство аминокислот -
левые, а большинство сахаров - правые.
Теоретически, где-то во вселенной
может существовать жизнь с правыми
аминокислотами и левыми сахарами.
61© http://www.astrochem.org/ К.А. Козловская “Правое и левое в природе”. Фестиваль науки - 2016
8. Хиральность в биологии

Живое вещество хирально чистое, т. е. состоит из
оптических изомеров определенного типа.
Если взять левые и правые изомеры в равных
долях, то сделанные из такой смеси цепочки белков
и РНК будут иметь имеют беспорядочную укладку и
не смогут выполнять никакие биологические
функции.
62

Волокна сухожилий образованы из трех
спиралей, свитых в одну тройную пружину.
Большие спирали снова скручиваются между
собой.
Процесс повторяется, пока не образуются
крупные спиральные волокна, различимые в
микроскоп.
63

Вы можете понюхать хиральность:
за запахи апельсина и лимона
отвечают молекулы-энантиомеры.
64
Запахи мяты и тмина тоже
энантиомеры.
Наши обонятельные рецепторы –
это белки, построенные из левых
изомеров аминокислот.
8. Правые и левые запахи

Правовращающая молекула Аскорбиновой
кислоты - это витамин С, левовращающая не
имеет физиологической активности.
Левоадреналин вызывает сжатие кровеносных
сосудов в 12 раз сильнее, чем правый
адреналин.
65
8. Правые и левые вещества
Аскорбиновая кислота
Адреналин

Молекула спирта симметрична.
Аромат вина определяют соединения
углерода - сложные эфиры, а они в массе
асимметричны.
66
8. Хиральность и алкоголь
Этанол C2H5OH

8. Хиральность и фармацевтика

— Ну, как, Китти, хочешь жить в
Зеркальном доме? Интересно, дадут
тебе там молока? Впрочем, не знаю,
можно ли пить зазеркальное
молоко? Не повредит ли оно тебе,
Китти…
© Льюис Кэррол “Алиса в
Зазеркалье”
Зазеркальному коту точно не
повредит.
68
8. Зазеркальное молоко

частиц.
План

Кристаллы -
твёрдые тела, в которых атомы
расположены закономерно,
образуя трёхмерно-
периодическую
пространственную укладку —
кристаллическую решётку.
70
9. Правые и левые кристаллы

9. Правые и левые
кристаллы
Симметрия всех существующих
кристаллов описывается с
помощью 230 пространственных
групп. 77 (33%) групп порождает
хиральные кристаллы.

Иногда в кристаллах с зеркальной
симметрией в решетке может
присутствовать магнитная
хиральность.
72
(с) Dr Andrew S. Wills
9. Правые и левые
магнитные кристаллы

Магнитные скирмионы - крошечные,
магнитно-спиновые вихри, которые
могут возникать в магнитных
материалах.
Благодаря нано-размерам их можно
использовать в спинтронике,
создавая устройства для хранения
информации.
9. Правые и левые магнитные кристаллы
A new class of chiral materials hosting
magnetic skyrmions beyond room
temperature Y. Tokunaga et al., Nature
Communications 6, 7638 (2015).

74
9. Магнитная хиральность
Различные масштабы магнитной
хиральности:
1) атомные;
2) нано- (скермион);
3) мезо- (намагниченность тонких
пленок и дисков);
4) магнитные макроскопические
спирали.
© О.Коплак

10.Правши и левши в мире
элементарных частиц.
План

76
10. Хиральность частиц. Спин
Общеизвестные свойства
элементарных частиц:
Масса и заряд.
Есть еще квантовые свойства, нас
сегодня интересует спин:
1) Спин частицы имеет
фиксированное значение,
зависящее только от типа частицы.
2) Спин имеет знак + или -.
3) Спин определяет магнитные
свойства частиц.

77
10. Хиральность элементарных частиц
Можно представить спин как
вращение частицы.
Тогда вращающаяся частица
при движении описывает
спираль.
В зависимости от направления
спина частицы могут быть
левыми или правыми.

10. Хиральные частицы в магнитном
поле
78
Под действием магнитного поля правые частицы
движутся в направлении поля, а левые против
направления поля.
Если правых и левых частиц поровну, ток не
возникает.
Если одних больше, чем других, возникает ток. Это
явление называется хирально-магнитный эффект.
© Dmitri E. Kharzeev

10. Прохождение частицы через
потенциальный барьер
79
В классической механике частица
может перескочить через барьер,
только если у нее достаточно
энергии.
В квантовой механике, существует
вероятность, что частица
просочится сквозь барьер, даже
если ее энергия меньше высоты
барьера.
© techforspace.com

10. Прохождение частицы через потенциальный
барьер
80
Хиральной безмассовой частице, чтобы отразиться от барьера, пришлось бы изменить
хиральность с правой на левую, а она этого сделать не может.
Из-за сохранения хиральности, частица вынуждена проходить сквозь барьер.

10. Хирально-
магнитный
эффект (CME)
Трехмерные дираковские полуметаллы - ток в них ведет себя
подобно току в сверхпроводниках, носители - киральные
безмассовые квазичастицы.
A three dimensional
Dirac Semimetal BiO2
© Charles L. Kane, Andrew M.
Rappe and Eugene J. Mele
Как создать систему частиц заданной
хиральности?
“Заузленное поле” (топологически
завязанное в узелки) передает
частицам хиральность.

Кирально-магнитный (CME) эффект

частиц.
План

11. Хиральность и происхождение жизни
Живое вещество, в отличие от неживого, обладает
хиральной чистотой: все белки состоят из левых
аминокислот, а ДНК и РНК построены на правой
рибозе.
В экспериментах по искусственному созданию
сложной органики левые и правые изомеры сахаров
и аминокислот образуются в равных пропорциях
(рацемат).
Какие-то механизмы на этапе зарождения жизни
которые могли отделить левые изомеры от правых?

11. Мерчисонский метеорит
Упал в Австралии, в 1969 году
Мерчисонский метеорит оказался
чрезвычайно богат различными
органическими соединениями, в том
числе и аминокислотами.
Исследования показали, что
аминокислоты Мерчисонского метеорита
состоят из атомов, которые ранее были
частью межзвездных газопылевых
облаков.

11. Мерчисонский метеорит
Среди аминокислот
метеорита левых молекул
оказалось на 5% больше,
чем правых.
Что в космосе могло
привести к преобладанию
одних изомеров над
другими?

11. Разрушение зеркальных изомеров
поляризованным светом
Жесткое ультрафиолетовое излучение
разрушает аминокислоты.
Ультрафиолет с круговой поляризацией
разрушает один из изомеров заметно лучше,
чем другой.
В зависимости от направления поляризации
освещения (лево– или правоспиральная)
можно получить избыток либо левых, либо
правых аминокислот.

11. Поляризованное
излучение в
газопылевых облаках
В газопылевых облаках, где происходит
образование новых звезд, астрономы
обнаружили мощное ультрафиолетовое
излучение с круговой поляризацией.
Уровень поляризации достигает:
17 % в туманности Orion (OMC-1)
23 % – в NGC 6334V (Chrysostomou et
al., 2000).

Интенсивность поляризованного света
вполне достаточна, чтобы за десятки
тысяч лет в космической пыли
образовался заметный избыток одного
из изомеров аминокислот.
11. Поляризованное излучение в
газопылевых облаках

Поляризация света в этих облаках вызвана
рассеиванием на частицах пыли, причем
пылинки должны быть вытянутой формы и
ориентированы длинной осью в одну сторону.
Такая ориентация требует достаточно сильного
межзвездного магнитного поля.
The texture indicates the orientation of interstellar magnetic fields; these
influence how elongated dust particles align themselves, and hence the
alignment of polarized microwaves that the particles emit. Courtesy ESA /
Planck Collaboration.
излучение в газопылевых
облаках

Области туманности, где преобладает
ультрафиолет с одной поляризацией примерно
в четыре раза больше, чем размер Солнечной
системы.
В среднем по Галактике из них будет
образовываться примерно поровну звездных
систем, обогащенных правыми и левыми
аминокислотами.
По этой гипотезе жизнь во Вселенной должна
быть представлена примерно поровну лево– и
правоаминокислотными формами.
.
излучение газопылевых
облаков

Электромагнитное, сильное и гравитационное взаимодействия симметричны
относительно зеркальной инверсии.
Слабое взаимодействие единственное обладает хиральностью.
92
11. Хиральность бета- распада

11. Асимметрия бета- распада
В β−-распаде слабое
взаимодействие превращает
нейтрон в протон, при этом
испускаются электрон и
электронное антинейтрино:
Ядро испускает электроны с
левой спиральной
поляризацией.

11. Асимметрия
бета- распада
© nagualdesign/CC-SA
За бета-распада отвечет слабое
взаимодействие – одно из четырех
фундаментальных взаимодействий.
В слабом взаимодействии для получения
зеркального отражения системе
необходимо заменить частицы на их
античастицы.

Существует гипотеза (Вестера –
Ульбрихта), согласно которой
хиральная асимметрия живой
материи происходит от асимметрии
слабого взаимодействия.
Асимметрия слабого взаимодействия
одинакова во всей Вселенной, и
если она определила исходную
хиральность космической органики,
то жизнь на всех планетах должна
использовать левые аминокислоты.

Электроны бета- распада обладают огромной
энергией и разрушают любые органические
молекулы.
Но при распаде выбиваются вторичные электроны
с той же поляризацией.
Эксперименты с поляризованными электронами
небольших энергий показали, что они
избирательно разрушают один из оптических
изомеров.

Михаил Никитин
Происхождение жизни. От туманности до
клетки (2016)
Научно - популярная
литература на русском
языке

11. Органика на комете Чурюмова-Герасименко

11. Хиральные молекулы в центре галактики

Заключение
Существование правого и левого -
такое же фундаментальное свойство
физических объектов, как размер, вес
или электрический заряд.
Когда Алиса задумывается над своим
отражением в зеркале, она
заглядывает в законы Вселенной.

Правое и левое в природе

Recommended

Recommended

More Related Content

Featured

Featured (20)

Правое и левое в природе