Силы природы подарили жизни ассиметрию

Физики обнаружили намеки на то, что асимметрия жизненных форм – тот факт, что большинство биохимических молекул являются «правшами» или «левшами» – могла быть вызвана электронами ядерного распада в первые дни эволюции. Благодаря эксперименту, на выполнение которого ушло 13 лет, исследователи обнаружили, что эти электроны стремятся уничтожить определенные органические молекулы намного чаще, чем их зеркальные отражения.

Множество органических молекул, включая глюкозу и большинство биологических аминокислот, хиральные. Это означает, что они отличаются от своих зеркальных отражений, так же как левая и правая перчатки. Более того, в таких случаях жизненные формы используют лишь один из возможных вариантов. Например, двойная спираль ДНК всегда закручивается в правую сторону. Однако причина этого долгое время была не ясна.

Многие ученые полагают, что это лишь случайность. Возможно, в одном из маленьких теплых водоемов, наполненных органическими реагентами, в результате случайности образовался небольшой дисбаланс в пропорциях двух версий одного и того же вещества. И с течением времени он все увеличивался.

Однако асимметрия в законах природы заставила других ученых задуматься: а не было ли тому причиной какое-нибудь физическое явление, сдвинувшее баланс на ранних стадиях зарождения жизни? Слабые ядерные силы, связанные с ядерным распадом, единственная известная сила природы, имеющая направленность: электроны, созданные в субатомном процессе, известном как Бета-распад, всегда «левонаправленные». Это означает, что их спин – квантовое свойство, аналог намагниченности магнитного бруска, – всегда противоположен движению электронов.

В 1967 году, биохимик Фредерик Вестер (Frederic Vester) и ученый-эколог Тило Ульбрихт (Tilo Ulbricht) предположили, что фотоны, сгенерированные так называемыми спин-поляризованными электронами (образовавшимися при распаде радиоактивных материалов или частиц космического излучения в атмосфере) могли разрушить больше одних молекул, чем других, таким образом, создавая дисбаланс. С тех пор многие физики предполагали, что электроны сами по себе могут быть источником асимметрии.

Однако попытки выявить химический процесс, во время которого электроны или фотоны уничтожали бы преимущественно одну из зеркальных версий молекул, не увенчались успехом. Множество заявлений оказалось невозможно проверить. «Те немногие эксперименты, в которых направленность электронов создавала хиральный дисбаланс, не помогали определить происходящий химический процесс. Точное определение химической реакции позволит ученым исключить некоторые версии процесса и лучше понять физические процессы, стоящие за этим», - говорит химический физик из университета Небраски в Линкольне (США) и соавтор последнего исследования Тимоти Гай (Timothy Gay).

Гай и Джоан Драйлинг (Joan Dreiling) (физик из университета Небраски в Линкольне) обстреляли газ бромкамфор (органическое соединение, используемое в некоторых странах как успокоительное средство) слабоэнергетическими, спин-поляризованными электронами. В результате реакции некоторые электроны были пойманы молекулами, приведенными в возбужденное состояние. Затем эти молекулы отделились, образовав ионы бромида и другие чрезвычайно реакционно-способные молекулы. Измерив получившийся поток ионов, исследователи смогли увидеть, как часто происходила реакция с каждым из направленных электронов.

Исследователи выяснили, что левонаправленный бромкамфор лишь немногим чаще реагировал с правонаправленными электронами, чем с левонаправленными. Обратная ситуация наблюдалась при использовании правонаправленного бромкамфора. При самых низких энергиях направление спина переворачивается, в результате чего возникает противоположная асимметрия.

Во всех этих случаях асимметрия была крошечной, но вполне заметной. «Как если бы мы 20000 раз подбросили монетку, и в результате 10003 раза выпал бы орел и 9997 решка», - поясняет Драйлинг.

«Низкая скорость электронов – вот что позволило успешно закончить эксперимент после стольких лет. Взаимодействие происходит дольше, и я думаю, именно это привело нас к успеху», - говорит Драйлинг.

«Эксперимент дает объяснение тому, как происходит хиральный избыток, по крайней мере, в теории», - говорит Гай. Исследование было опубликовано в Physical Review Letters 12 сентября.

«Идея о том, что спин-поляризованые электроны могут передавать свою асимметрию органическим молекулам довольно привлекательна», - говорит химик-аналитик из университета Ниццы — Софии Антиполис (Франция) Уве Майергайнрих (Uwe Meierhenrich). Тот малый эффект, который наблюдали Гай и Драйлинг, должен быть адаптирован для химии всех живых существ, однако существую известные механизмы для таких расширений. С моей точки зрения, основной вопрос касается не процессов распространения, а первой хиральной симметрии», - говорит он.

Майергайнрих говорит, что он бы хотел взглянуть на повторный эксперимент с хиральными молекулами, схожими с теми, от которых зародилась жизнь, такие как аминокислоты, чтобы увидеть дадут ли левосторонние электроны такой же эффект.

Даже если спин-поляризованные электроны заставили все живое стать хирально селективным, до сих пор неясно, как возникли эти самые электроны. Источники бета частиц включают фосфор-32, распадающийся на серу-32, или мюоны – элементарные частицы, образующиеся в результате цепи распадов, которая начинается, когда частицы космических лучей попадают в атмосферу. В обоих случаях электроны двигались бы с гораздо большей скоростью, чем в эксперименте Гая, однако, по его словам, электроны могут замедляться, не теряя своей хиральности.

«Двигающиеся медленнее, левонаправленные электроны появились не благодаря бета-распаду», - говорит химик из Аргоннской национальной лаборатории (США) Ричард Розенберг (Richard Rosenberg). В 2008 году он и его команда доказали, что облучение слоя намагниченного железа с помощью рентгеновского излучения также может вызвать хиральность. Таким образом, хиральность могла возникнуть также в молекулах, прилипших к намагниченным частицам в пылевом облаке или комете.

Гай и его коллеги планируют изучить схожие реакции с другими молекулами камфор, чтобы понять, как спин электрона определяет, какая из двух хиральностей предпочтительней.

Влияние левонаправленных электронов на органические молекулы это не единственное потенциальное объяснение хиральной асимметрии жизни. По мнению Майергайнриха существует и альтернативное: циркулярно поляризованный свет, получаемый путем рассеивания света в атмосфере и нейтронных звездах. В 2011 году Майергайнрих и его коллеги показали, что такой свет мог передать свою направленность аминокислотам.

«Однако даже демонстрация того, как простое физическое явление содействовало появлению левонаправленных аминокислот, а не правонаправленных, не значит, что именно так появилась жизнь», - говорит химик из университета Глазго (Великобритания) Лоуренс Баррон (Laurence Barron).

По материалам Nature.

01-10-2014г.

Архив новостей

Архив сообщений о новых публикациях