Симметрия и асимметрия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Слово «симметрия» (греч. «ухммефсЯб») имеет греческое происхождение и означает «соразмерность». В повседневном языке под симметрией чаще всего понимают упорядоченность, гармонию, устойчивость, соразмерность и пропорциональность между отдельными частями целого.

Научное определение симметрии принадлежит крупному немецкому математику Герману Вейлю (1885-1955 гг.) Согласно Вейлю, под симметрией следует понимать инвариантность - неизменность какого-либо объекта при преобразованиях определенного рода Можно сказать, что симметрия есть совокупность неизменных свойств объекта.

Противоположным понятием является понятие асимметрии, которое отражает существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между отдельными частями целого, связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой. Уже отсюда следует, что асимметрия может рассматриваться как источник развития, движения, эволюции, образования нового.

Симметрия и асимметрия позволяют провести разграничение живой и неживой материи. Симметрия характерна для объектов неживой природы, для живой же материи в значительной степени преобладает асимметрия. Можно сказать, что принцип симметрии является, пожалуй, единственным надежным инструментом, с помощью которого возможно отличить объект биогенного происхождения от объекта неживого. Известный американский физик Фримен Дайсон сказал: «Жизнь - это тоже нарушение симметрии».

Различают геометрическую и динамическую формы симметрии (и, соответственно, асимметрии).К геометрической форме симметрии (внешние симметрии) относятся свойства пространства - времени, такие как однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и т.д.

Однородность пространства и времени означает, что все точки пространства равноправны, поэтому любой рассматриваемый эксперимент не зависит от выбора точки отсчета.

Изотропность пространства означает, что все направления равноправны, т.е если поворот системы отсчета на произвольный угол не приводит к изменению результатов измерений.

Анизотропность - в противоположность изотропии-это свойство пространства, где не все направления движения одинаковы.

Инвариантность -- неизменность какой либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям

Динамическая симметрия характеризует свойства физических взаимодействий, а также симметрию физических явлений и законов природы. Например, симметрии электрического заряда, симметрии спина.

Динамические асимметрии проявляются в различиях между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие между частицами и античастицами

Калибровочные симметрии. Важным понятием в современной физике является понятие калибровочной симметрии. Калибровочные симметрии связаны с инвариантностью относительно масштабных преобразований. Сам термин «калибровка» происходит из жаргона железнодорожников, где он означает переход с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, таким образом, первоначально понималось именно изменение уровня или масштаба

Было обнаружено, что существует глубокая связь между симметрией и законами сохранения. симметрия живая материя природный

С пространственной симметрией связаны два закона сохранения физических величин.

Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила в 1918 году немецкий математик Эмми Нетер (1882 - 1935)

Теорема Нетер:

каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения:

- следствием однородности пространства является закон сохранения импульса

- следствием изотропности пространства является закон сохранения момента импульса

- следствием однородности времени является закон сохранения энергии.

Благодаря нарушению первично симметричной Вселенной стало возможным появление жизни.

Симметрия в живой природе

Наглядно и многообразно проявление симметрии в живой природе. В самых разнообразных объектах живой природы наблюдается такие виды симметрии, как повороты, переносы, отражения и их комбинации. Под поворотами понимают обычные повороты вокруг оси на 360°, в результате которых равные части симметричной фигуры обмениваются местами, а фигура совмещается с собой. Это например медуза или химическое соединение.

Объекты, которые имеют лишь одну простую ось симметрии называются осевой или аксиальной.

Под отражениями понимают любые зеркальные отражения - в точке, линии или плоскости. Т.е, объекты способные к отражению обладают лишь одной плоскостью симметрии, которая делит их на две зеркально равные части. Это-рак, бабочка, лист растения. Такой вид симметрии называют двусторонней или билатеральной.

Двусторонняя симметрия в неживой природе не имеет преобладающего значения, но зато чрезвычайно богато представлена в живой природе. Она характерна для внешнего строения тела человека, млекопитающих, птиц, пресмыкающихся, земноводных, рыб, многих моллюсков, ракообразных, насекомых, червей, а также многих растений, например цветков львиного зева.

Тела, обладающие уже не одной, а четырьмя плоскостями симметрии, пересекающимися на оси четвертого порядка, называются радиальной симметрией. Билатеральная симметрия является частным случаем радиальной.

Переносы - это перемещения вдоль прямой АВ на расстояние а. Такая операция применима лишь для объектов, вытянутых в одном особенном направлении АВ.

Телам, не вытянутым бесконечно ни водном особенном направлении присуща нульмерная симметрия. Такова симметрия отдельного атома углерода С, листа растения, моллюска, человека, молекулы углекислого газа СО2, воды Н2О, Земли, Солнечной системы.

Телам, вытянутым в одном особенном направлении, - одномерная симметрия, в двух - двумерная симметрия, в трех - трехмерная симметрия.

Одномерная симметрия присуща наиболее важным для обмена веществ полимерным цепным молекулам белков, нуклеиновых кислот, целлюлозы, крахмала; вирусам табачной мозаики, побегам традесканции и т.д. Нужно заметим, что симметрия молекулы ДНК, вируса табачной мозаики обусловлена переносом + поворотом. Поэтому их симметрия и содержит винтовую ось соответствующего вида

Двумерной симметрией обладают плоские орнаменты граней кристаллов ферментов, чешуи рыб, клеток в биологических срезах, мозаичного взаиморасположения листьев, «электронных картин» поперечного среза мышечной фибриллы, однородных сообществ организмов, складчатых слоев полипептидных цепей

Трехмерная симметрия присуща биологическим кристаллам, построенным «бесконечным» повторением одних и тех же кристаллических ячеек - в длину, ширину и высоту

Асимметричность движения живой материи выражается в необратимости времени.

Факторы асимметрии и имеют значение для изучения мозга. Головной мозг асимметричен в пространстве и во времени. Весь организм контролируют оба полушария, но в то же время имеет место доминирование одного из них. Головной мозг в нормальных условиях работает как единое целое, полушария взаимосвязаны и взаимодо-полняют друг друга. Если левому полушарию больше свойственно рациональное, логически-последовательное мышление, то правое полушарие мыслит художественно, эмоционально, конкретно. Уменьшение функциональной асимметрии мозга ведет к снижению интеллектуальных способностей

Хиральность молекул была открыта Л. Пастером в 1848 году.

Хиральными принято называть объекты, которые являются зеркальным отражением друг друга и при этом их невозможно совместить никакими перемещениями в пространстве. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве

К примеру, большинство аминокислот, из которых построены белки человеческого организма, являются «левыми» формами.

В XX веке усилиями российских учёных - В Беклемишева, В. Вернадского, В Алпатова, Г. Гаузе - было создано новое направление в учении о симметрии - биосимметрика, которое, исследуя симметрии биоструктур на молекулярном и надмолекулярном уровнях, позволяет заранее определить возможные варианты симметрии в биообъектах, строго описывать внешнюю форму и внутреннее строение любых организмов

Объекты, симметрия которых исчерпывается лишь простыми (круговыми), или/и переносными (трансляционными), или/и винтовыми осями симметрии, называются диссимметрическими

К таким объектам относятся и тела аксиальной симметрии. От всех остальных объектов диссимметрические отличаются, в частности, очень своеобразным отношением к зеркальному отражению

Диссимметрические объекты могут существовать в двух разновидностях: в виде оригинала и зеркального отражения (руки человека, раковины моллюсков, венчики анютиных глазок, кристаллы кварца). При этом одна из форм (неважно какая) называется правой - П, а другая левой - Л

Обнаружение и 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 (биообъектов). 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.

Второй вопрос: как часто встречаются П- и Л-формы биообъектов? Найдено, что частота встречаемости этих форм (Е) подчиняется следующей общей для всей живой природы закономерности: либо ЕП = ЕЛ, либо ЕП > ЕЛ, либо ЕП < ЕЛ форм - соответственно для одних, других, третьих биообъектов

Интересно отметить, что центры речи в головном мозгу у правшей расположены слева, а у левшей - справа (по другим данным - в обоих полушариях). Правая половина тела управляется левым, а левая - правым полушарием, и в большинстве случаев правая половина тела и левое полушарие развиты лучше. У людей, как известно, сердце на левой стороне, печень - на правой. Но на каждые 7--12 тыс. человек встречаются индивиды, у которых все или часть внутренних органов расположены зеркально

Но самое важное в этой области открытие было сделано на молекулярно-химическом уровне. Знаменитый французский ученый Л. Пастер и многие другие ученые обнаружили, что клетки организмов состоят в основном только или преимущественно из Л- аминокислот, Л-белков, П-нуклеиновых кислот, П-сахаров. Такую особенность протоплазмы Л. Пастер назвал диссимметрией протоплазмы.

Третий вопрос - о свойствах П- и Л-форм. Основное достижение здесь - это открытие диссимметрии жизни. 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

Размещено на Allbest.ru