Симметрия — это красиво. Мы видим её повсюду: в архитектуре, фильмах, даже выбирая красивого человека. Она может быть привычной, пугающей и даже смертельной. Однажды симметрия чуть не уничтожила всю материю во Вселенной. Симметрия и асимметрия влияют на нашу жизнь и жизнь всего на Земле, а также на то, как Вселенная разделилась на «право» и «лево».
Улитка Джереми и проблема хиральности
Начнём с необычной истории улитки Джереми. У большинства улиток раковина закручена вправо, но у Джереми — влево (шанс один к миллиону). Из-за этого он не мог найти себе пару, поскольку половые органы у улиток расположены зеркально. Однако благодаря флешмобу в Твиттере Джереми всё же нашёл любовь, и у них родились детки с обычными, правозакрученными раковинами. Этот случай наглядно демонстрирует, почему мир делится на «право» и «лево», и почему это так важно.
Симметрия и её виды
Если объект не меняет своего внешнего вида при повороте или отражении в зеркале, он симметричен. Двухмерную и трёхмерную симметрию легко представить, но как насчёт симметрии 57-мерного объекта? Её можно увидеть только в проекциях на плоскость. Удивительно, но симметрия существует в 248 измерениях! Для математиков это не проблема, а в реальной жизни похожую симметрию демонстрируют электроны в кристалле кобальта. Люди внешне симметричны (по крайней мере, стараются быть такими). Но существуют организмы с более интересной симметрией. Одноклеточные обладают совершенной сферической симметрией. Более крупные организмы переходят на радиальную симметрию (морские звёзды, гидры, медузы). Для передвижения и охоты развивается билатеральная симметрия (симметрия левой и правой половины тела).
Симметрия в развитии и выборе партнёра
Билатеральная симметрия нашего тела формируется в зародыше благодаря сложному механизму, который объяснил Алан Тьюринг. Взаимодействие двух веществ в живой ткани создаёт уникальные узоры, определяющие, например, количество пальцев на руках. Иногда этот механизм даёт сбой. Многие виды, включая человека, выбирают наиболее симметричных партнёров, поскольку у них меньше генетических отклонений. Исследования показывают, что женщины чаще испытывают оргазм с более симметричными мужчинами.
Симметрия в живой и неживой природе
Некоторые симметрии недоступны живым существам. Кристаллы алмазов и пирита, а также вирусы демонстрируют высокую степень симметрии. Вирусы, не являющиеся полностью живыми организмами, решают чисто математическую задачу экономии ресурсов, принимая причудливые формы (спирали, икосаэдры). Растения подчиняются закону фракталов — фигурам, форма которых подобна форме их частей. Фрактальная асимметрия позволяет растениям эффективно доставлять ресурсы в отдалённые участки. Поразительно, что фракталы в растениях и кровеносных сосудах настолько похожи, что учёные смогли пересадить сердечную ткань, используя кровеносные сосуды как основу.
Происхождение асимметрии: от молекул до Вселенной
Симметрия и асимметрия работают по одним и тем же законам, от растений до электрических разрядов в атмосфере. Но почему мир не полностью симметричен? Почему существует «право» и «лево»? Изначально у эмбриона два симметричных сердца, но через 22 дня они сливаются в одно, смещаясь влево. В редких случаях (1 к 20 000) происходит зеркальное расположение органов. Право и лево на уровне частиц определяются хиральностью — свойством объектов, не совпадающих со своим зеркальным отображением. Молекулы аминокислот, из которых состоят белки, также могут быть хиральными. Левые и правые молекулы имеют разные свойства: одна может быть лекарством, другая — ядом. Мы можем ощущать разницу между правыми и левыми молекулами по запаху и вкусу. В метеоритах преобладают левые аминокислоты. Это может быть связано с поляризованным ультрафиолетом. Возможно, где-то во Вселенной жизнь построена на правых аминокислотах. Другая теория связывает асимметрию с квантовой физикой. При радиоактивном бета-распаде электроны выбирают левое направление, что может влиять на формирование аминокислот. Благодаря асимметрии существует материя. В вакууме космоса постоянно образуется материя и антиматерия, которые взаимно уничтожают друг друга, излучая свет. Небольшое превосходство материи над антиматерией после Большого взрыва привело к образованию звёзд, планет и всего, что мы знаем. Если бы Вселенная была бы абсолютно симметрична, ничего бы не существовало.
Симметрия и асимметрия — взаимосвязанные силы, управляющие всем, от образования кристаллов до формирования живых организмов, от расположения наших органов до самого существования Вселенной. Их взаимодействие создало всё, что мы видим вокруг.