Правое и левое в природе

Правое и левое в природе

К.ф.-м.н. Ксения КозловскаяФизический 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

2. Энантиомеры вокруг нас.

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






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

3. Хиральность в математике. Спирали

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


25

3. Хиральность в математике и в природеПрирода 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




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.





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




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.

6. История открытия хиральных молекул● 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 молекулаРассмотрим 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






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



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



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




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





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 кристаллыСимметрия 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).

http://www.nature.com/ncomms/2015/150702/ncomms8638/full/ncomms8638.html




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

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

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





План

11. Хиральность и происхождение жизниЖивое 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 метеоритУпал 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 метеоритСреди 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.



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.


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.

.


11. Поляризованное 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- распадаВ β−-распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и электронное антинейтрино:

Ядро испускает электроны с левой спиральной поляризацией.


https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BB%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D0%B5_%D0%B2%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BD

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D0%B9%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%BD%D0%BE

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.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wu_experiment.jpg

11. Асимметрия бета- распадаСуществует 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.К.А. Козловская “Правое и левое в природе”. Фестиваль науки - 2016

11. Асимметрия бета- распада

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 НикитинПроисхождение жизни. От туманности до клетки (2016)


Научно - популярная литература на русском языке

11. Органика на комете Чурюмова-Герасименко



11. Хиральные молекулы в центре галактики

ЗаключениеСуществование 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.


Science

Правое и левое в природе