Хиральность жизни: почему все живое имеет одно зеркальное отражение

Жизнь на Земле состоит из молекул, которые имеют зеркальные отражения, но не совпадают друг с другом, как правая и левая руки. Такие молекулы называются хиральными, и их свойство — хиральность. Что удивительно, во всех живых организмах встречается только одна из двух возможных зеркальных форм биомолекул, таких как аминокислоты и сахара. Почему же природа выбрала одну хиральность, а не другую? Этот вопрос волновал многих ученых, от Пастера до Кюри, но до сих пор не получил окончательного ответа.

Одна из гипотез предполагает, что роль в этом процессе могли сыграть электрические и магнитные поля, которые могут влиять на взаимодействие хиральных молекул с различными поверхностями. Недавние эксперименты, проведенные исследователями из Швейцарии и Германии, показали, что это действительно так: в зависимости от направления магнитного поля, хиральные молекулы предпочитают связываться с одной или другой зеркальной формой металлической поверхности. Кроме того, оказалось, что магнитное поле также влияет на транспорт электронов через хиральные молекулы, отфильтровывая электроны с определенным направлением вращения, или спина. Эти результаты могут помочь понять, как могла возникнуть хиральность жизни в химических реакциях на ранней Земле.

Что такое хиральность и почему она важна?

Хиральность — это свойство объектов, которые не совпадают со своими зеркальными отражениями. Примерами хиральных объектов являются правая и левая руки, винтовые лестницы, спиральные галактики и многие молекулы. Хиральные молекулы имеют две зеркальные формы, которые называются энантиомерами. Они обозначаются как праворукие (R) и леворукие (S), или как D и L, или как (+) и (-). Энантиомеры имеют одинаковую химическую формулу и структуру, но различаются расположением атомов в пространстве.

Хиральность молекул имеет большое значение для жизни, так как разные энантиомеры могут иметь разные биологические эффекты. Например, аминокислоты — строительные блоки белков — в живых организмах встречаются только в L-форме, а сахара — источники энергии — только в D-форме. Если ввести в организм аминокислоту или сахар в другой форме, то это может привести к нарушению метаболизма, аллергическим реакциям или даже смерти. Также известно, что некоторые лекарства имеют разную активность в зависимости от их хиральности. Например, талидомид — препарат, который в 50-60-х годах использовался для лечения тошноты у беременных женщин — имеет два энантиомера: один обладает желаемым эффектом, а другой вызывает тяжелые врожденные пороки у плода. Поэтому важно уметь различать и контролировать хиральность молекул в химии, фармацевтике и биотехнологии.

Как магнитные поля влияют на хиральные молекулы?

Хотя хиральные молекулы имеют одинаковые физико-химические свойства, они могут взаимодействовать по-разному с внешними полями, такими как электрические и магнитные. Это связано с тем, что электроны в хиральных молекулах движутся по спирали, создавая токи и магнитные моменты. В зависимости от направления спирали, эти токи и магнитные моменты могут быть разными для разных энантиомеров. Таким образом, энантиомеры могут «чувствовать» разницу между различными комбинациями электрических и магнитных полей и реагировать на них по-разному.

Одним из способов изучить это явление является использование металлических поверхностей, которые обладают сильными электрическими и магнитными полями на коротких расстояниях. Такие поверхности могут быть получены путем нанесения тонких слоев магнитных металлов, таких как железо, кобальт или никель, на немагнитную подложку, например, медь. Направление магнитного поля в этих слоях может быть изменено с помощью специальных методов, таких как спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия. Это позволяет создавать различные сценарии взаимодействия между хиральными молекулами и металлическими поверхностями, в которых электрическое и магнитное поля могут быть параллельными, перпендикулярными или противоположными по направлению.

Какие результаты получили исследователи?

Исследователи из Эмпы и Исследовательского центра Юлих в Германии провели серию экспериментов, в которых они осаждали хиральные молекулы на такие металлические поверхности и изучали их взаимодействие с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Они использовали спиральные молекулы, называемые гептахелиценами, которые имеют два энантиомера: праворукий и леворукий. Они обнаружили, что в зависимости от направления магнитного поля, гептахелицены предпочитают связываться с одной или другой зеркальной формой кобальтовых островков, покрывающих медную поверхность. Более того, они показали, что количество право- и леворуких молекул на разных островках не равно, а зависит от направления магнитного поля. Это означает, что магнитное поле может вызвать энантиоселекцию — разделение зеркальных форм молекул.

Кроме того, исследователи измерили ток электронов, проходящих через гептахелицены, связанные с кобальтовыми островками. Они обнаружили, что ток также зависит от хиральности молекул и направления магнитного поля. Это свидетельствует о том, что гептахелицены действуют как спиновые фильтры, пропуская электроны с определенным спином, а блокируя другие. Этот эффект называется спиновой селективностью, вызванной хиральностью (CISS). Он был ранее обнаружен для ансамблей хиральных молекул, но не для отдельных молекул. Исследователи смогли доказать, что CISS существует и для индивидуальных гептахелиценов, но физический механизм этого явления пока не ясен.

Как это связано с хиральностью жизни?

Результаты этих экспериментов могут дать новый взгляд на проблему хиральности жизни, которая до сих пор остается одной из самых загадочных в науке. Существует много гипотез, пытающихся объяснить, как могла возникнуть хиральность жизни в химических реакциях на ранней Земле, но ни одна из них не имеет достаточных доказательств. Одна из возможностей заключается в том, что взаимодействие между хиральными молекулами и металлическими поверхностями, подверженными электрическим и магнитным полям, могло привести к постепенному накоплению одной из зеркальных форм биомолекул, которые затем стали основой жизни. Такие поверхности могли быть образованы метеоритами, вулканами или другими геологическими процессами, а электрические и магнитные поля могли быть созданы солнечным ветром, молниями или земным магнетизмом. Таким образом, хиральность жизни могла быть результатом случайного выбора, определяемого комбинацией этих факторов.

Конечно, эта гипотеза требует дальнейшего исследования и экспериментальной проверки, но она предлагает интересный и перспективный подход к пониманию одной из самых фундаментальных загадок природы. Возможно, в будущем мы сможем воссоздать условия, при которых могла возникнуть хиральность жизни, и наблюдать этот процесс в реальном времени. Это не только расширит наши знания о происхождении жизни на Земле, но и поможет нам искать жизнь на других планетах, которые могут иметь другую хиральность.