Симметрия и асимметрия

Кроме этого типы симметрии можно  выделить на основании операций, совершаемых  с телом. Переносы -- это перемещения вдоль прямой АВ на расстояние а. Такая операция применима лишь для объектов, вытянутых в одном особенном направлении АВ. Нульмерная симметрия присуща телам, бесконечно не вытянутым ни в одном особенном направлении. Очевидно, такова симметрия отдельной буквы А, листа растения, человека и т.п.

Одномерная симметрия присуща телам, во-первых, вытянутым в одном каком-либо особенном направлении, во-вторых, вытянутым в этом направлении благодаря монотонному повторению -- "размножению" одной и той же части. Такова, например, симметрия бесконечной линейной совокупности одних и тех же букв А: …АААААА… Из биологических объектов такую симметрию имеют наиболее важные для обмена веществ полимерные цепные молекулы белков, нуклеиновых кислот, целлюлозы, крахмала; вирусы табачной мозаики, побеги традесканции и т.д.

Двумерной симметрией обладают тела, во-первых, вытянутые в двух взаимно перпендикулярных направлениях, во-вторых, вытянутые в этих направлениях благодаря "размножению" одной и той же части. Такова, например, симметрия бесконечной двумерной совокупности букв А типа и бесконечного шахматного поля.

Трехмерная симметрия присуща телам, во-первых, вытянутым в трех взаимно перпендикулярных направлениях, во-вторых, вытянутым в этих трех направлениях благодаря монотонному повторению одной и той же части. Такова симметрия биологических кристаллов, построенных "бесконечным" повторением одних и тех же кристаллических ячеек.

4. Форма симметрии и образ жизни

Еще в XIX веке исследования в этой области привели к заключению, что симметрия природных форм в значительной степени зависит  от влияния сил земного тяготения, которое в каждой точке имеет симметрию конуса. В результате был найден следующий закон, которому подчиняются формы природных тел: "Все то, что растет или движется по вертикали, то есть вверх или вниз относительно земной поверхности, подчиняется радиально-лучевой симметрии. Все то, что растет и движется горизонтально или наклонно по отношению к земной поверхности, подчиняется билатеральной симметрии".

Значение формы симметрии  для животного легко понять, если поставить её в связь с образом жизни, экологическими условиями. Если окружающая животное среда со всех сторон более или менее однородна и животное равномерно соприкасается с нею всеми частями своей поверхности, то форма тела обычно шарообразна, а повторяющиеся части располагаются по радиальным направлениям. Лучевики - исключительно морские животные, ведущие планктонный образ жизни. Они "парят" в толще морской воды и идеально к этому приспособлены. Именно для этого "парения" служат иглы их скелета, увеличивающие площадь тела. Такой тип симметрии называют равноосным, так как он характеризуется наличием многих одинаковых осей симметрии. Равноосная симметрия должна превратиться в одноосную вместе с переходом к сидячему или мало подвижному донному образу жизни; если, например, шарообразное тело приобретает стебелёк для прикрепления к субстрату, то ось симметрии должна будет проходить через стебелёк и сделается, таким образом, единственной. Примерами такой симметрии могут служить сидячие солнечники, жгутиковые, сосущие инфузории, бокалообразные губки. Тот же результат может получиться и при отсутствии стебелька, если животное постоянно обращено одним полюсом к субстрату, а другим кверху. При активном плавании одной стороною тела вперёд эта сторона также может дифференцироваться в передний конец тела, и симметрия сложится одноосная (например, овальные или веретенообразные жгутиковые и инфузории).

Во всех этих случаях  соединяемые осью полюса тела находятся  в неодинаковых экологических условиях и функционируют по-разному. Присутствие  одной только оси симметрии не столь ещё характерно для данного типа (т.к. и в других типах симметрии, кроме равноосного, ось также одна), но весьма характерно, то, что через эту ось можно провести много плоскостей симметрии, из которых каждая разделит тело на две одинаковые половины; поэтому данный тип симметрии называют полисимметрическим.

Равноосный и полисимметрический типы встречаются среди низкоорганизованных  и малодифференцированных животных. Сидячие одноосные полисимметрические животные, усложняя свою организацию и приобретая различные органы, приобретают лучевую или радиальную симметрию тела, выражающуюся в том, что органы располагаются в радиальных (лучистых) направлениях вокруг одной главной продольной оси. От числа повторяющихся органов зависит порядок радиальной симметрии. Так как количество таких органов ограничено (часто 2,4,8 или кратное от 6), то и плоскостей симметрии можно провести всегда несколько, соответствующее количеству этих органов. Плоскости делят тело животного на одинаковые участки с повторяющимися органами. В этом заключается отличие радиальной симметрии от полисимметрического типа. Радиальная симметрия характерна для малоподвижных и прикрепленных форм. Экологическое значение лучевой симметрии легко понятно: сидячее животное окружено со всех боковых сторон одинаковой средою и должно вступать во взаимоотношения с этой средой при помощи одинаковых, повторяющихся в радиальных направлениях органов. Именно сидячий образ жизни способствует развитию лучистой симметрии.

Переход от лучевой или  радиальной к двусторонней или билатеральной симметрии связан с переходом от сидячего образа жизни к активному передвижению в среде (от сидячести к ползанию по субстрату). Для сидячих форм отношения со средой равноценны во всех направлениях: радиальная симметрия точно соответствует такому образу жизни. У активно перемещающихся животных передний конец тела становится биологически не равноценным остальной части туловища, происходит формирование головы, становятся различимы правая и левая сторона тела. Благодаря этому теряется радиальная симметрия, и через тело животного можно провести лишь одну плоскость симметрии, делящую тело на правую и левую стороны. Двусторонняя симметрия означает, что одна сторона тела животного представляет собой зеркальное отражение другой стороны. Впервые двусторонняя симметрия появляется у плоских червей.⁵

Упрощение условий жизни  может привести к нарушению двусторонней симметрии, и животные из двусторонне-симметричных становятся радиально-симметричными. Это относится к иглокожим (морские  звёзды, морские ежи). Все морские животные имеют радиальную симметрию, при которой части тела отходят по радиусам от центральной оси, подобно спицам колеса. Степень активности животных коррелирует с их типом симметрии. Радиально-симметричные иглокожие обычно мало подвижны, перемещаются медленно или же прикреплены к морскому дну.

Отметим, наконец, билатеральную  симметрию человеческого тела (речь идёт о внешнем облике и строении скелета). Эта симметрия всегда являлась и является основным источником нашего эстетического восхищения хорошо сложенным человеческим телом. Наша собственная зеркальная симметрия очень удобна для нас, она позволяет нам двигаться прямолинейно и с одинаковой лёгкостью поворачиваться вправо и влево. Столь же удобна зеркальная симметрия для птиц, рыб и других активно движущихся существ.

 

5. Дисимметрические объекты

Дисимметрическими называют объекты расстроенной симметрии. От всех остальных они отличаются, в  частности, очень своеобразным отношением к зеркальному отражению. Если тело речного рака, например, после зеркального отражения совсем не изменяет своей формы, то цветок анютиных глазок, асимметрическая винтовая раковина моллюска, кристалл кварца, асимметрическая молекула после зеркального отражения изменяют свою фигуру, приобретая ряд противоположных признаков. Так, винтовая раковина брюхоногого моллюска, расположенного перед зеркалом, закручена слева вверх направо, а зеркального -- справа-вверх-налево и т.д.

Дисимметрических объекты  могут существовать в двух разновидностях: в виде оригинала и зеркального отражения (руки человека, раковины моллюсков, венчики анютиных глазок, кристаллы кварца). ⁶

Обнаружение в живой  природе П- и Л-форм поставило  перед биологией ряд новых  и очень важных вопросов, многие из которых сейчас решаются сложными математическими и физико-химическими методами.

Первый -- это вопрос о  закономерностях формы и строения П- и Л-биологических объектов. Самое  главное достижение здесь -- создание теории строения П- и Л-биообъектов. На ее основе было предсказано много  совершенно новых типов и классов изомерии, предсказана и открыта советскими учеными биологическая изомерия. Изомерия -- это множество объектов различного строения, но при одном и том же наборе составляющих эти объекты частей. Один из примеров - это изомерия венчиков, предсказанная, а затем и обнаруженная на многих десятках тысяч экземпляров венчиков цветков около 60 видов растений. Здесь для каждого случая число лепестков одно и то же -- 5, различно лишь их взаимное расположение.

Второй вопрос: как  часто встречаются П- и Л-формы биообъектов? При изучении встречаемости биообъектов было установлено, что в одних случаях преобладают П-, в других Л-формы, в третьих они представлены одинаково часто. Многие объекты живой природы делятся на "правшей" и "левшей". Например, нарцисс, ячмень, рогоз и многие другие растения -- правши: их листья встречаются только в П-винтовой форме. Зато фасоль -- левша, листья первого яруса до 2,3 раза чаще бывают Л-формы. Задняя часть тела волков и собак при беге несколько заносится вбок, поэтому их разделяют на право- и левобегающих. Птицы-левши складывают крылья так, что левое крыло накладывается на правое, а правши -- наоборот. Некоторые голуби при полете предпочитают кружиться вправо, а другие -- влево. За это голубей издавна в народе делят на «правухов» и «левухов». Раковина моллюска фрутицикола лантци встречается главным образом в П-закрученной форме. Замечено, что при питании морковью преобладающие П-формы этого моллюска прекрасно растут, а их антиподы -- Л-моллюски резко теряют в весе.

Много интересных фактов может сообщить наука о симметрии и о человеке. У людей, как известно, сердце на левой стороне, печень -- на правой. Но на каждые 7-12 тыс. человек встречаются люди, у которых все или часть внутренних органов расположены зеркально, т. Е. наоборот. Но самое важное в этой области открытие было сделано на молекулярно-химическом уровне: Бешаном и Пастером (40-е гг. XIX в.), а в 30-х гг. ХХ в. Советским учёным Г. Ф. Гаузе и другими было показано, что клетки организмов построены только или преимущественно из Л-aминокислот, Л-белков, П-дезоксирибонуклеиновых кислот, П-сахаров, Л-алкалоидов и т. Д. Столь фундаментальная и характерная черта живых клеток, названная Пастером дисимметрией протоплазмы, обеспечивает клетке, как было установлено в ХХ в., более активный обмен веществ и поддерживается посредством сложных биологических и физико-химических механизмов, возникших в процессе эволюции.

Третий вопрос -- о свойствах  П- и Л-форм. Основное достижение здесь -- это открытие дисимметрии жизни (СССР). Оказывается, ряд свойств П- и Л-форм биообъектов качественно различаются. Вот некоторые примеры. Широкоизвестный антибиотик пенициллин вырабатывается грибком только в П-форме; искусственно приготовленная Л-форма его антибиотически неактивна. В аптеках продается антибиотик левомицетин, а не его антипод -- правомицетин, так как последний по своим лечебным свойствам значительно уступает первому. В табаке содержится алкалоид Л-никотин. Он в несколько раз более ядовит, чем искусственно приготовленный П-никотин. Чаще встречающиеся винтообразные Л-корнеплоды сахарной свеклы содержат на 0,5-1 % больше сахара, чем П-корнеплоды.⁷

Четвертый вопрос: в чем  причина именно таких, а не других свойств П- и Л-форм? Никакой теории, отвечающей на этот вопрос, пока не существует. Предложенные гипотезы исходят из молекулярно-химической обусловленности П- и Л-модификаций организмов и их органов. В частности, опыты говорят о том, что внешняя П- или Л-форма организмов зависит от обмена веществ и участвующих в этом обмене П- и Л-молекул.

Почему же эти формы  встречаются не в равных количествах? Как правило, бывает больше либо П-, либо Л-форм. Согласно одной очень  правдоподобной гипотезе, причинами  могут быть Дисимметрических элементарные частицы, а также правый свет, который  в небольшом избытке всегда присутствует в рассеянном солнечном свете и образуется при отражении обычного света от зеркальной поверхности морей и океанов. Все это могло привести к тому, что сначала стали встречаться в неодинаковых количествах правые и левые формы Дисимметрических органических молекул, а затем П- и Л-организмы и их части.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Симметрия является одним  из важнейших свойств природы. Ее изучением занимались еще пифагорейцы  в V в. до н.э., в рамках учения о гармонии. Более чем за два тысячелетия интерес к этой теме не угас - в 1961 году в учении о симметрии выделилось особое направление - биосимметрика.

Симметрия, или соразмерность  частей целого организма, имеет непосредственное отношение к характеру приспособленности  животных к условиям существования. Симметрия является жизненно важным признаком, который отражает особенности строения, образа жизни и поведения животного.

В природе существует множество форм и видов симметрии. В зависимости от геометрического  элемента, относительно которого симметричен объект, выделяют центральную (относительно центра симметрии), осевую и радиальную (относительно оси симметрии) и билатеральную (относительно плоскости симметрии). Согласно другой классификации существует вращательная поступательная и вращательно-поступательная, или спиральная, симметрия. Третья классификация выделяет нульмерную, одномерную, двумерную и трехмерную симметрию.

Тот или иной тип симметрии  непосредственно зависит от образа жизни, который ведет организм. Например, для млекопитающих характерна билатеральная симметрия, которая позволяет им с одинаковой легкостью двигаться и вправо, и влево. Нарушение симметрии в ряде случаев приводит к проблемам с двигательной активностью и координацией движений.

Асимметричные (или дисимметрические) объекты также привлекают интерес ученых из-за неоднозначности существования и свойств их П- и Л-форм. Впервые подобного рода явления начали изучаться в 50-70х ХХ века, и за это время был сделан ряд открытий, например, дисимметрия протоплазмы или дисимметрия жизни. Однако решены далеко не все загадки дисимметрических объектов, многое еще только предстоит открыть.

Разработка учения о  симметрии биообъектов позволит углубить представления как об их свойствах и функциях, так и  о происхождении и сущности жизни.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Симметрия (в биологии) // БСЭ. Доступ через <http://bse.sci-lib.com>.

2. Симметрия в живой  природе. Доступ через <http://sbiryukova.narod.ru>.

3. Что такое симметрия?  Доступ через <http://goldenmuseum.com>.

4. Хоменков А. С. Гармония живой природы и проблема происхождения мира. Доступ через <http://www.portal-slovo.ru>.