Диалоги (май 2003 г.)

Гордон Александр Гарриевич

И завершил теорию кристаллографии наш русский учёный Фёдоров. В 1890-м году он открыл, что существует 230 и только 230 способов идеального заполнения пространства.

В.А. Здесь имеется в виду плотная упаковка – «идеальное заполнение пространства».

Р.К. Он вывел это чисто теоретически. Что есть только 230, как он называл, способов создания пространства. И среди этих 230 групп – 65 хиральных.

В.А. А что значит «хиральные группы»? Это не вполне понятно.

Р.К. То есть этот кристалл строится только

из молекул одной хиральности.

В.А. То есть сам кристалл обладает свойством зеркальной диссимметрии, существует две формы кристалла, несовместимые одна с другой, левая форма и правая. По-видимому, это то, что наблюдал Пастер в своём эксперименте, когда он разделил на левое и правое.

Р.К. То есть независимо, чисто теоретически, математика пришла к неизбежности такого фундаментального явления. Таким образом завершилось абсолютное доказательство возможности спонтанного нарушения симметрии – предопределённое, просто предопределённое. Таким образом, возникновение жизни уже предопределено.

А.Г. Но всё-таки хотелось бы понять, каковы должны быть условия для этого спонтанного разделения.

Р.К. Вещество должно кристаллизоваться в одной из этих 65-ти хиральных пространственных групп. Поначалу считалось, что случай, который наблюдал Пастер – это исключительный случай, редкий случай. Но к 1994 году список таких соединений насчитывал уже 250. И в нашей лаборатории только за 5 лет было открыто ещё 50 таких соединений.

В.А. Взрывное развитие.

Р.К. Я вижу в массе работ, которые публикуют, почти в каждом журнале, новое соединение, которое может подвергаться спонтанному разделению. То есть образовывать так называемый конгломерат, смесь гомохиральных кристаллов.

В.А. Вот что самое главное. Не нарушается симметрия спонтанно. То есть на самом деле происходит, конечно, распад симметричной смеси в результате кристаллизации на кристаллы левые и правые. Но это по-прежнему симметричная смесь кристаллов, то есть они присутствуют в равном количестве. Поэтому кристаллизация сама по себе (то есть спонтанное нарушение симметрии в целом, в больших объёмах) не приводит к нарушению симметрии. Да, происходит разделение фаз, но к нарушению симметрии это не приводит. Локально, если вы возьмёте маленький объемчик кристалла, конечно, в нём происходит некое, как вы можете сказать, нарушение симметрии. Но реально по множеству кристаллов симметрия у вас сохраняется.

Так что здесь электромагнитное взаимодействие продолжает оставаться симметричным. И нет никакого нарушения. Но вот есть же эксперименты, где выращивается один кристалл?

Р.К. Владик, извините. Но вот ровно к 150-летию открытия Пастера я посмотрел на соль Пастера и пришёл к очень простому следствию. Сама винная кислота кристаллизуется как рацемат, то есть в кристалл входит левая и правая молекула. Её натриевая соль – то же самое, аммониевая соль – то же самое. Но натрий-аммониевая соль, которая кристаллизуется в виде тетрагидрата, образует конгломерат, то есть гомохиральный кристалл.

Я просто назвал эти натрий-аммоний ионы

и четыре молекулы воды конгломераторами. То есть они определяют способность кристаллизоваться в виде конгломерата. И это был алгоритм. Отсюда сразу следовало: если я возьму недостаток конгломератора, то это не будет приводить (после того как первый кристалл образовался) к перенасыщению маточного раствора по второму энантиомеру. И я действительно получаю весь оптически активный осадок таким простым способом.

В.А. Это так, как сделал Хавинга?

Р.К. Стоп. Хавинга сделал ещё похлеще. Это тоже следствие открытия Пастера. Если соединение кристаллизуется в виде гомохирального кристалла, а образование полностью рацемического осадка, о котором вы говорили, связано с перенасыщением по второму энантиомеру. Он говорит: а если я найду способ рацемизации соединения в растворе…

В.А. То есть превращение левого в правого.

Р.К. Чтобы не было перенасыщения по противоположному энантиомеру, я могу осуществить полный переход рацемата в один энантиамер…

В.А. То есть вырастить один кристалл.

Р.К. И он это сделал. В 39 году написаны его первые работы – в редком голландском журнале, на голландском языке, и были поэтому недоступны. Потом началась Вторая мировая война, она перебила все его эксперименты. В 54 году только он издал их на английском языке.

В.А. То есть удивительно вот что. Вообще получается так, что если, скажем, выпадение левых и правых кристаллов – это локальное нарушение симметрии, но симметрия при этом в целом остаётся, потому что у нас равное количество левых и правых изомеров, то, ничего не делая специально и не выходя за пределы химии, я могу сделать так, что у меня в колбе или в каком-то объёме вырастет полностью только один кристалл. А как же так? А как же электромагнитное взаимодействие? А как же симметрия?

А.Г. Куда денется та его часть, которой нет?

В.А. Да, её же уже нет. Мы же уже превратили весь объём. А как же с электромагнитным взаимодействием?

Р.К. Дело в том, что, повторяя эксперимент, я с такой же вероятностью получу противоположный результат.

В.А. Вот. Если теперь я буду повторять эксперимент, то с точно такой же вероятностью у меня будет вырастать либо большой правый кристалл, либо левый кристалл. И так далее. Так что симметрия по-прежнему сохраняется.

Р.К. И эти эксперименты неоднократно проводились. Проводились на нескольких тысячах измерениях оптической активности нескольких тысяч кристаллов. И получалось примерно равновероятно. Но, если это провести на миллиарде измерений, может быть, мы найдём статистически достоверную разницу. Но длительность такого эксперимента, пусть даже только минута тратится на измерение, это несколько веков, это слишком длинный эксперимент.

А.Г. Давайте считать, что мы ответили на первый вопрос, и будем двигаться дальше. То есть, возможны в определённом объёме спонтанные образования гомохиральных соединений.