Планеты и жизнь

В нашем рассказе о живых клетках до сих пор не говорилось ни слова еще об одном удивительном свойстве биоорганических молекул — об их оптической активности.

Пропустим луч солнечного света через кристалл исландского шпата — разновидность широко распространенного минерала кальцита. Луч расщепится на две части, два луча. В чем здесь дело?

Обычный белый свет — это набор электромагнитных волн, имеющих разную длину и колеблющихся в различных плоскостях. Даже если с помощью фильтров или специальных источников получить свет определенной длины волны — монохроматический свет, то и он будет состоять из волн, колебания которых происходят в различных плоскостях.

Кристалл исландского шпата имеет такое строение, что при прохождении через него световой волны образуются два световых луча — «обыкновенный» и «необыкновенный»; колеблющееся электрическое поле одного луча находится в плоскости, перпендикулярной плоскости другого луча.

Физики говорят, что эти лучи поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Если определенным образом разрезать, а потом склеить два кристалла исландского шпата, мы получим поляризатор света, который называется призмой Николя. Она пропускает только «необыкновенный» луч плоскополяризованного света.

Действие призмы Николя можно понять из следующей аналогии. Если попытаться вложить столовый нож, в закрытую книгу, это удастся сделать лишь при условии, что нож повернут в определенной плоскости. Книга — призма, нож — «необыкновенный» луч.

Явления, о которых мы сейчас говорили, были замечены учеными в самом начале XIX века.

Началось интенсивное исследование свойств плоскополяризованного света. В 1811 году французский физик Л. Араго обнаружил интересное явление. Он пропускал поляризованный свет через кристаллы кварца. Оказалось, что кристалл кварца способен поворачивать плоскость поляризации направленного на него светового луча.

Более того, Ж. Био, работавший вместе с Л. Араго, установил, что одни кристаллы вращают плоскость поляризации влево, а другие вправо. Такие кристаллы получили название энантиоморфных, то есть относящихся друг к другу как правая и левая руки, зеркально.

Но Био сделал еще одно важное открытие. В 1815 году он обнаружил оптическую активность (способность вращать плоскость поляризации света) у некоторых природных органических соединений. Он установил, что этим свойством обладают водный раствор тростникового сахара, скипидар, камфара.

Био прекрасно понимал разницу между оптической активностью кварца и органических соединений. Он подчеркивал, что оптическая активность кварца исчезает при разрушении его кристаллической структуры. Для этого вполне достаточно переплавить кристалл. Оптическую же активность жидкостей Био связывал со свойствами самих молекул жидкости.

В 1874 году молодые химики Я. Вант-Гофф и Ж. Ле-Бель установили основополагающее правило. Ни одна структура, ни одна молекула не может быть оптически активной, если ее атомы лежат в одной плоскости. Открытие этого правила положило начало стереохимии.

Необходимо подчеркнуть, что за 13 лет до открытия Вант-Гоффа и Ле-Беля выдающийся русский химик А. Бутлеров, впервые предложивший термин «химическое строение», писал, что важно знать, каким образом каждый атом в молекуле пространственно связан с другими атомами.

Нужно также сказать, что значительный вклад в изучение оптической активности внес великий Л. Пастер. В 1848 году ему впервые удалось разделить смесь двух оптически активных соединений. Естественно, что сама исходная смесь была оптически неактивной. Одна ее часть вращала плоскость поляризации света влево, а другая вправо. Это был раствор винной кислоты, состоящий из двух энантиомерных форм. Одна из них называется d-формой (от латинского слова dextro — правый), другая l-формой (levo — левый). Такие вещества, абсолютно одинаковые по своим химическим свойствам и отличающиеся только направлением вращения плоскости поляризации света, называются оптическими изомерами, или энантиомерами.

Пастер, тогда еще молодой человек, ему было всего 19 лет, представил свою работу во Французскую академию наук, Академия попросила Био дать рецензию на открытие Пастера. До этого Био исследовал образец виноградной кислоты и нашел его оптически неактивным.

Био предоставил Пастеру все требуемые реагенты, и в одной из лабораторий Коллеж де Франс начался знаменитый опыт. Через некоторое время Пастер передал Био кристаллы и сказал, что они будут вращать свет влево. Так оно и произошло. Маститый Био был потрясен.

Идеи Пастера и легли в основу теории Вант-Гоффа и Ле-Беля. За 14 лет до четкой формулировки основного положения стереохимии, в 1860 году Пастер писал: «Расположены ли атомы правой винной кислоты в направлении витков правой спирали… Или они образуют какую-то другую асимметричную группировку? Мы не можем ответить на эти вопросы. Однако нет никакого сомнения, что расположение атомов является асимметричным и не совместимым со своим зеркальным изображением. Не менее достоверно и то, что атомы l-формы кислоты обладают точно противоположным расположением».