Симметрия (в биологии)

Симметрия (далее С) в биологии (биосимметрия). На явление С (в биологии) в живой природе обратили внимание еще в Древней Греции пифагорейцы (5 в. до н. э.) в связи с развитием ими учения о гармонии. В 19 в. появились единичные работы, посвященные С (в биологии) растений (французские ученые О. П. Декандоль, О. Браво), животных (немецкий - Э. Геккель), биогенных молекул (французские - А. Вешан, Л. Пастер и др.). В 20 в. биообъекты изучали с позиций общей теории С (в биологии) (советские ученые Ю. В. Вульф, В. Н. Беклемишев, Б. К. Вайнштейн, голландский физикохимик Ф. М. Егер, английский во главе с Дж. Берналом) и учения о правизне и левизне (советские ученые В. И. Вернадский, В. В. Алпатов, Г. Ф. Гаузе и др.; немецкий ученый В. Людвиг). Эти работы привели к выделению в 1961 особого направления в учении о С (в биологии) - биосимметрики.

Наиболее интенсивно изучалась структурная С (в биологии) биообъектов. Исследование С (в биологии) биоструктур - молекулярных и надмолекулярных - с позиций структурной С (в биологии) позволяет заранее выявить возможные для них виды С (в биологии), а тем самым число и вид возможных модификаций, строго описывать внешнюю форму и внутреннее строение любых пространственных биообъектов. Это привело к широкому использованию представлений структурной С (в биологии) в зоологии, ботанике, молекулярной биологии. Структурная С (в биологии) проявляется прежде всего в виде того или иного закономерного повторения. В классической теории структурной С (в биологии), развитой немецким ученым И. Ф. Гесселем, Е. С (в биологии) Федоровым и другими, вид С (в биологии) объекта может быть описан совокупностью элементов его С (в биологии), т. е. таких геометрических элементов (точек, линий, плоскостей), относительно которых упорядочены одинаковые части объекта (см. С в математике). Например, вид С (в биологии) цветка флокса (рис. 1, в) - одна ось 5-го порядка, проходящая через центр цветка; производимые посредством ее операции - 5 поворотов (на 72, 144, 216, 288 и 360°), при каждом из которых цветок совпадает с самим собой. Вид С (в биологии) фигуры бабочки (рис. 2, б) - одна плоскость, делящая ее на 2 половины - левую и правую; производимая посредством плоскости операция - зеркальное отражение, "делающее" левую половинку правой, правую - левой, а фигуру бабочки совмещающей с самой собой. Вид С (в биологии) радиолярии Lithocubus geometricus (рис. 3, б), помимо осей вращения и плоскостей отражения содержит еще и центр С (в биологии) Любая проведенная через такую единственную точку внутри радиолярии прямая по обе стороны от нее и на равных расстояниях встречает одинаковые (соответственные) точки фигуры. Операции, производимые посредством центра С (в биологии), - отражения в точке, после которых фигура радиолярии также совмещается сама с собой.

В живой природе (как и в неживой) из-за различных ограничений обычно встречается значительно меньшее число видов С (в биологии), чем возможно теоретически. Например, на низших этапах развития живой природы встречаются представители всех классов точечной С (в биологии) - вплоть до организмов, характеризующихся С (в биологии) правильных многогранников и шара (см. рис. 3). Однако на более высоких ступенях эволюции встречаются растения и животные в основном т. н. аксиальной (вида n) и актиноморфной (вида n (m) С. (в обоих случаях n может принимать значения от 1 до ¥). Биообъекты с аксиальной С (в биологии) (см. рис. 1) характеризуются лишь осью С (в биологии) порядка n. Биообъекты сактиноморфной С (в биологии) (см. рис. 2) характеризуются одной осью порядка n и пересекающимися по этой оси плоскостями m. В живой природе наиболее распространены С (в биологии) вида n = 1 и 1×m = m, называется соответственно асимметрией и двусторонней, или билатеральной, С (в биологии) Асимметрия характерна для листьев большинства видов растений, двусторонняя С (в биологии) - до известной степени для внешней формы тела человека, позвоночных животных и многих беспозвоночных. У подвижных организмов такая С (в биологии), по-видимому, связана с различиями их движении вверх-вниз и вперед-назад, тогда как их движения направо-налево одинаковы. Нарушение у них билатеральной С (в биологии) неизбежно привело бы к торможению движения одной из сторон и превращению поступательного движения в круговое. В 50-70-х гг. 20 в. интенсивному изучению (прежде всего в СССР) подверглись т. н. диссимметрические биообъекты (рис. 4). Последние могут существовать по крайней мере в двух модификациях - в форме оригинала и его зеркального отражения (антипода). При этом одна из этих форм (неважно какая) называется правой или D (от лат. dextro), другая - левой или L (от лат. laevo). При изучении формы и строения D- и L-биообъектов была развита теория диссимметризующих факторов, доказывающая возможность для любого D- или L-объекта двух и более (до бесконечного числа) модификаций (см. также рис. 5); одновременно в ней содержались и формулы для определения числа и вида последних. Эта теория привела к открытию т. н. биологической изомерии (разных биообъектов одного состава; на рис. 5 изображены 16 изомеров листа липы).

При изучении встречаемости биообъектов было установлено, что в одних случаях преобладают D-, в других L-формы, в третьих они представлены одинаково часто. Бешаном и Пастером (40-е гг. 19 в.), а в 30-х гг. 20 в. советским ученым Г. Ф. Гаузе и другими было показано, что клетки организмов построены только или преимущественно из L-amинокислот, L- D-дезоксирибонуклеиновых кислот, D- L-алкалоидов, D- и L-терпенов и т. д. Столь фундаментальная и характерная черта живых клеток, названная Пастером диссимметрией протоплазмы, обеспечивает клетке, как было установлено в 20 в., более активный обмен веществ и поддерживается посредством сложных биологических и физико- механизмов, возникших в процессе эволюции. Сов. ученый В. В. Алпатов в 1952 на 204 видах сосудистых растений установил, что 93,2% видов растений относятся к типу с L-, 1,5% - с D-ходом винтообразных утолщений стенок сосудов, 5,3% видов - к типу рацемическому (число D-сосудов примерно равно числу L-сосудов).

При изучении D- и L-биообъектов было установлено, что равноправие между D-и L-формами в ряде случаев нарушено из-за различия их физиологических, биохимических и др. свойств. Подобная особенность живой природы была названа диссимметрией жизни. Так, возбуждающее влияние L-amинокислот на движение плазмы в растительных клетках в десятки и сотни раз превосходит такое же действие их D-форм. Многие антибиотики (пенициллин, грамицидин и др.), содержащие D-amинокислоты, обладают большей бактерицидностью, чем их формы c L-amинокислотами. Чаще встречающиеся винтообразные L-kopнеплоды свеклы на 8-44% (в зависимости от сорта) тяжелее и содержат на 0,5-1% больше чем D-kopнеплоды.

Изучение наследования признаков у D- и L-форм показало, что их правизна или левизна может быть наследственной, ненаследственной или имеет характер длительной модификации. Это означает, что по крайней мере в ряде случаев правизну-левизну организмов и их частей можно изменить действием мутагенных или немутагенных соединений. В частности, D-штаммы (по морфологии колоний) микроорганизма Bacillus mycoides при выращивании их на агаре с D- L-днгитонином, D-винной кислотой можно превратить в L-штаммы, а L-штаммы можно превратить в D-штаммы, выращивая их на агаре с L-винной кислотой и D-аминокислотами. В природе взаимопревращения D- и L-форм могут происходить и без вмешательства человека. При этом смена видов С (в биологии) в эволюции происходила не только у диссимметрических организмов. В результате возникли многочисленные эволюционные ряды С (в биологии), специфичные для тех или иных ветвей древа жизни.

Структурная С (в биологии) биосистем изучается также с точки зрения более общих типов С (в биологии) - цветной С (в биологии), С (в биологии) подобия, антисимметрии и др.

Разработка учения о С (в биологии) биообъектов позволит углубить представления как об их свойствах и функциях, так и о происхождении и сущности жизни.

Лит.: Гаузе Г. Ф., Асимметрия протоплазмы, М. - Л., 1940; Вайнштейн Б. К., Дифракция рентгеновых лучей на цепных молекулах, М., 1963; Беклемишев В. Н., Основы сравнительной анатомии беспозвоночных, 3 изд., т. 1-2, М., 1964; Урманцев Ю. А., С природы и природа симметрии, М., 1974; Ludwig ., Das Rechts-Links-Problem im Tierreich und beim Menschen..., . - Hdib. - . ., 1970; Bentley R., Molecular asymmetry in biology, v. 1-2, . ., 1969-70.

Ю. А. Урманцев.

Рис. 3. Биообъекты с совершенной точечной симметрией. Радиолярии: а - шарообразная Ethmosphaera polysyphonia, содержащая бесконечное число осей бесконечного порядка + бесконечное число плоскостей симметрии + центр симметрии; б - кубические Hexastylus marginatus и Lithocubus geometricus, характеризующиеся симметрией куба; в - додекаэдрическая Circorhegma dodecahedra, характеризующаяся симметрией правильных многогранников - додекаэдра и икосаэдра.

Рис. 5. Лист липы, иллюстрирующий возможность существования диссимметрических объектов более чем в двух (в данном случае в 16) модификациях. Для листа липы диссфакторы - это 4 морфологических признака: преимущественные ширина (ш) и длина (д), асимметричные жилкование (ж) и загиб главной жилки (г). Так как каждый из диссфакторов может проявляться двояко - в (+)- или ( - )-формах - и соответственно приводить к D- или L-мoдификациям, то число возможных модификаций будет 24 = 16, а не две.

		Новости 23.12.2024 00:07:53

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.