Почему жизнь на Земле асимметрична? Как вращение электрона предопределило структуру нашей ДНК

На протяжении 150 лет наука не может до конца объяснить феномен биологической хиральная чистоты. Все аминокислоты, из которых строятся белки живых организмов, имеют левую пространственную конфигурацию, а молекулы сахаров и нуклеиновых кислот, образующие каркас ДНК и РНК, — исключительно правую.

С точки зрения классической физики и химии эта избирательность выглядит странновато. Базовые законы термодинамики утверждают, что левая и правая формы одной и той же молекулы обладают абсолютно идентичной внутренней энергией. Если синтезировать такие соединения в лабораторных условиях из базовых химических элементов, результатом всегда будет рацемическая смесь — то есть состав, в котором левые и правые формы присутствуют в пропорции 50 на 50. Долгое время научное сообщество исходило из предположения, что абсолютные значения любых физических эффектов и взаимодействий также будут совершенно одинаковыми для обоих энантиомеров. Разница должна была заключаться лишь в знаке этих взаимодействий, но не в их силе.

Группа исследователей опубликовала в научном журнале Science Advances результаты работы, которые опровергли это допущение. Ученые теоретически обосновали и экспериментально доказали, что на квантовом уровне, в условиях динамических процессов, строгая симметрия между левыми и правыми молекулами нарушается.

Эффект спиновой селективности и старая парадигма

Около двадцати лет назад физики открыли эффект хирально-индуцированной спиновой селективности. Выяснилось, что молекулы со спиралевидной пространственной структурой способны выступать в роли фильтров для электронов, сортируя их по состоянию спина.

Спин — это собственный угловой момент электрона, который делает частицу похожей на микроскопический магнит с двумя возможными направлениями: условно «вверх» или «вниз». Когда электрический ток проходит через хиральную молекулу, электроны с одним направлением спина проходят сквозь структуру беспрепятственно, в то время как электроны с противоположным спином блокируются или рассеиваются.

До публикации нового исследования физики были уверены в абсолютной симметричности этого процесса. Считалось, что если молекула левой конфигурации пропускает электроны со спином «вверх» с эффективностью, например, в 80%, то идентичная ей молекула правой конфигурации обязана пропускать электроны со спином «вниз» с точно такой же эффективностью в 80%. То есть, меняется только направление фильтрации, но не ее абсолютное значение. Данное правило базировалось на законе сохранения энергии в статичных системах.

Динамическое нарушение симметрии

Новая работа показала, что равенство энантиомеров сохраняется только до тех пор, пока молекула находится в состоянии покоя. Как только инициируется кинетический процесс — электрон начинает двигаться через структуру, молекула поглощает свет или вступает во взаимодействие с поверхностью — симметрия разрушается. Левая и правая формы молекулы начинают демонстрировать разные абсолютные показатели спиновой поляризации.

В основе этого явления лежит процесс, называемый спин-орбитальным взаимодействием. Когда электрон движется внутри молекулы, его собственный спиновый магнитный момент взаимодействует с магнитным полем, которое возникает из-за движения электрона относительно электрического поля атомных ядер. В хиральных системах это взаимодействие носит крайне сложный характер.

Авторы исследования провели математическое моделирование и установили, что геометрическая структура молекулы влияет на фазу спин-орбитального взаимодействия. Полный вектор углового момента выравнивается по-разному относительно молекулярного каркаса в левом и правом энантиомерах. В результате скалярное произведение спина и дипольного момента молекулы в динамике дает разные величины. Это означает, что левая и правая формы молекулы поляризуют спин электрона с разной силой.

Экспериментальные доказательства

Для подтверждения теоретических выкладок инженеры и физики провели серию независимых экспериментов, используя аномальный эффект Холла. В физике твердого тела этот эффект позволяет измерять спиновую поляризацию путем фиксации электрического напряжения, возникающего перпендикулярно проходящему току в отсутствие внешнего магнитного поля.

Исследователи создали несколько типов микроскопических устройств. В одном случае они использовали процесс электроосаждения для создания пленок из хирального золота и хирального серебра. В другом — адсорбировали на немагнитной подложке органические хиральные молекулы. Через эти системы пропускался электрический ток, а специальные датчики фиксировали возникающее напряжение.

Полученные данные показали существенное отклонение от симметрии. Для левой и правой форм хирального золота разница в наклоне сигнала Холла составила 28%. В экспериментах с молекулами полиаланина, закрепленными на золотой подложке, разница между энантиомерами достигла 34%. В системах с добавлением оксидного слоя асимметрия снизилась до 12%, но все равно осталась статистически значимой.

Для физических процессов, которые десятилетиями считались абсолютно симметричными, расхождение в 30% это аномально много. Эксперименты однозначно подтвердили: одна из пространственных конфигураций молекулы поляризует электроны объективно эффективнее, чем ее зеркальный двойник.

Происхождение жизни и магнитные породы

Это открытие предоставляет прямой механизм для объяснения того, как именно возникла биологическая хиральная чистота на этапе зарождения жизни.

Наиболее обоснованные современные модели пребиотической эволюции рассматривают взаимодействие ранних химических предшественников РНК с магнитными минералами. Одним из таких предшественников является молекула рибозоаминооксазолина, которая могла кристаллизоваться на поверхности магнетита — минерала, широко распространенного на ранней Земле.

Предыдущие версии этой теории сталкивались с серьезной логической проблемой. Считалось, что выбор между закреплением левой или правой формы молекулы зависел исключительно от направления магнитного поля в конкретной точке планеты. Если намагниченность породы была направлена «вверх», поверхность притягивала одну форму молекулы, если «вниз» — другую. Такая модель подразумевала, что формирование хиральной чистоты было результатом локальной случайности, и для ее распространения на всю биосферу потребовалось невероятное стечение обстоятельств.

Новое исследование кардинально меняет понимание этого механизма. В процессе приближения и адсорбции молекулы на магнитной поверхности происходит перераспределение заряда внутри молекулы. Это перераспределение, согласно эффекту спиновой селективности, сопровождается кратковременной спиновой поляризацией. Накопленный спин взаимодействует со спинами в структуре самого магнитного минерала (спин-обменное взаимодействие).

Поскольку динамическая симметрия нарушена, одна из форм пребиотической молекулы способна индуцировать значительно более сильную спиновую поляризацию при взаимодействии с подложкой, чем ее левая копия. Более сильная поляризация означает более мощное магнитное взаимодействие с минералом. Молекулы D-формы прочнее закрепляются на поверхности магнетита и одновременно усиливают намагниченность самой породы.

Возникает детерминированная петля обратной связи. Намагниченная поверхность с повышенной эффективностью притягивает новые молекулы точно такой же правой конфигурации. Процесс перестает быть зависимым от случайных локальных магнитных полей планеты. Разница в квантово-механических характеристиках левых и правых энантиомеров делает выбор конкретной конфигурации неизбежным физическим следствием.

Так открытие показало, что архитектура молекул, лежащих в основе всего живого на Земле, не является результатом статистической случайности в химическом бульоне. Биологическая избирательность представляет собой макроскопическое проявление фундаментальной асимметрии спин-зависимого транспорта электронов. Жизнь развивалась по строго определенному структурному пути, потому что базовые электродинамические взаимодействия изначально обладали разной степенью эффективности для левых и правых молекулярных конфигураций.

Источник: Science Advances