Защо животът на Земята е асиметричен? Как въртенето на електроните предопределя структурата на нашата ДНК

В продължение на 150 години науката не можеше да обясни напълно феномена на биологичната хирална чистота. Всички аминокиселини, от които са изградени протеините на живите организми, имат лявостранна пространствена конфигурация, докато молекулите на захарите и нуклеиновите киселини, които образуват рамката на ДНК и РНК, имат единствено дясна пространствена конфигурация.

От гледна точка на класическата физика и химия тази селективност изглежда странна и дори невероятна. Основните закони на термодинамиката гласят, че лявата и дясната форма на една и съща молекула имат абсолютно идентична вътрешна енергия. Ако синтезирате такива съединения в лабораторията от основни химични елементи, резултатът винаги ще бъде рацемична смес – т.е. състав, в който лявата и дясната форма присъстват в съотношение 50/50. Дълго време научната общност приемаше, че абсолютните стойности на всички физични ефекти и взаимодействия също ще бъдат абсолютно еднакви за двата енантиомера. Предполагаше се, че разликата е само в знака на тези взаимодействия, но не и в тяхната сила.

Група изследователи публикуваха в научното списание Science Advances резултатите от своята научна работа, които опровергават това предположение. Учените теоретично обосноваха и експериментално доказаха, че на квантово ниво, в условията на динамични процеси, строгата симетрия между левите и десните молекули се нарушава.

Ефектът на спиновата селективност и старата парадигма

Преди около двадесет години физиците откриха ефекта на хирално-индуцираната спинова селективност. Оказа се, че молекулите с хирална пространствена структура са в състояние да действат като филтри за електроните, като ги сортират според спиновото им състояние.

Спинът е вътрешният ъглов момент на електрона, който прави частицата подобна на микроскопичен магнит с две възможни посоки: условно „нагоре“ или „надолу“. Когато електрически ток преминава през една хирална молекула, електроните с една посока на спина преминават безпрепятствено през структурата, докато електроните с противоположен спин се блокират или разсейват.

Преди публикуването на новото изследване физиците бяха сигурни, че този процес е напълно симетричен. Смяташе се, че ако молекула с лява конфигурация пропуска електроните със спин „нагоре“ с ефективност например от 80%, то идентична с нея молекула с дясна конфигурация трябва да пропуска електроните със спин „надолу“ с абсолютно същата ефективност от 80%. Това означава, че се променя само посоката на филтрация, но не и нейната абсолютна стойност. Това правило се основава на закона за запазване на енергията в статичните системи.

Динамичното нарушаване на симетрията

Новата работа показа, че равенството на енантиомерите се запазва само докато молекулата е в покой. Веднага щом започне кинетичен процес – някой електрон започне да се движи в структурата, молекулата поглъща светлина или взаимодейства с някаква повърхност – симетрията се нарушава. Лявата и дясната форма на молекулата започват да проявяват различни абсолютни индекси на спинова поляризация.

В основата на това явление е процес, наречен спин-орбитално взаимодействие. Когато един електрон се движи в молекулата, неговият собствен спинов магнитен момент взаимодейства с магнитното поле, което е резултат от движението на електрона спрямо електрическото поле на атомните ядра. В хиралните системи това взаимодействие е изключително сложно.

Авторите на изследването са провели математическо моделиране и са установили, че геометричната структура на молекулата влияе върху фазата на спин-орбиталното взаимодействие. Векторът на общия ъглов момент е подреден по различен начин спрямо молекулната рамка в левия и десния енантиомер. В резултат на това скаларното произведение на спина и диполния момент на молекулата дава различни стойности в динамиката. Това означава, че лявата и дясната форма на молекулата поляризират електронния спин с различна сила.

Експерименталните доказателства

За да потвърдят теоретичните изводи, инженерите и физиците провеждат серия от независими експерименти, използвайки аномалния ефект на Хол. Във физиката на твърдото тяло този ефект позволява да се измери спиновата поляризация, като се улови електрическото напрежение, което се появява перпендикулярно на протичащия ток в отсъствието на външно магнитно поле.

Изследователите създават няколко вида микроскопични устройства. В единия случай те са използвали процес на електроотлагане, за да създадат филми от хирално злато и хирално сребро. В друг случай те адсорбират органични хирални молекули върху немагнитна подложка. През тези системи е протичал електрически ток, а специални сензори са регистрирали полученото напрежение.

Получените данни показват значително отклонение от симетрията. За лявата и дясната форма на хиралното злато разликата в наклона на сигнала на Хол е 28%. При експерименти с полиаланинови молекули, фиксирани върху златната подложка, разликата между енантиомерите достигнала 34%. В системите с добавяне на оксиден слой асиметрията намалява до 12%, но все още е статистически значима.

За физични процеси, които в продължение на десетилетия се смятаха за абсолютно симетрични, разликата от 30% е необичайно голяма. Експериментите недвусмислено потвърдиха: една от пространствените конфигурации на молекулата поляризира електроните обективно по-ефективно от своя огледален двойник.

Произходът на живота и магнитните масиви

Това откритие предоставя директен механизъм, който обяснява как точно е възникнала биологичната хирална чистота при зараждането на живота.

Най-обоснованите съвременни модели на пребиотичната еволюция разглеждат взаимодействието на ранните химически предшественици на РНК с магнитните минерали. Един такъв прекурсор е молекулата рибозоаминооксазолин, която може да е кристализирала на повърхността на магнетита – минерал, широко разпространен на ранната Земя.

Предишните версии на тази теория се сблъскаха със сериозен логически проблем. Смяташе се, че изборът между фиксирането на лявата или дясната форма на молекулата зависи единствено от посоката на магнитното поле в определена точка на планетата. Ако намагнитването на скалата е насочено „нагоре“, повърхността привлича едната форма на молекулата, а ако е „надолу“ – другата. Този модел предполага, че образуването на хиралната чистота е резултат от локална случайност и е било необходимо невероятно стечение на обстоятелствата, за да се разпространи в цялата биосфера.

Новото изследване драстично променя разбирането за този механизъм. В процеса на приближаване и адсорбиране на дадена молекула върху магнитна повърхност се извършва преразпределение на заряда в молекулата. Това преразпределение, според ефекта на спиновата селективност, се съпровожда от краткотрайна спинова поляризация. Натрупаният спин взаимодейства със спинове в структурата на самия магнитен минерал (спин-обменно взаимодействие).

Тъй като динамичната симетрия е нарушена, една от формите на пребиотичната молекула е в състояние да предизвика много по-силна спинова поляризация при взаимодействие с подложката, отколкото нейното ляво копие. По-силната поляризация означава по-силно магнитно взаимодействие с минерала. Молекулите с форма D се закрепват по-здраво към повърхността на магнетита и едновременно с това увеличават магнетизацията на самата скала.

Възниква детерминистична обратна връзка. Намагнетизираната повърхност привлича нови молекули с точно същата дясна конфигурация с повишена ефективност. Процесът престава да зависи от случайните локални магнитни полета на планетата. Разликата в квантовомеханичните характеристики на левия и десния енантиомер превръща избора на конкретната конфигурация в неизбежно физическо следствие.

По този начин откритието показва, че архитектурата на молекулите, лежащи в основата на целия живот на Земята, не е резултат от статистическа случайност в химическия бульон. Биологичната селективност е макроскопична проява на фундаменталната асиметрия на спин-зависимия електронен транспорт. Животът е еволюирал по строго определен структурен път, тъй като основните електродинамични взаимодействия първоначално са притежавали различна степен на ефективност за леви и десни молекулни конфигурации.

Защо това е важно?

Разбирането на този механизъм има огромно значение не само за фундаменталната наука, но и за практическата фармакология. Много лекарства са хирални молекули, при които едната форма лекува, а огледалната може да бъде токсична.

Освен това, ако хиралността на живота е продиктувана от универсални физични закони, това променя очакванията ни за екзобиологията. Ако открием живот на други планети, има голяма вероятност той да следва същата „огледална логика“, тъй като законите на електромагнетизма и квантовата физика са еднакви в цялата Вселена.

Това откритие запълва празнината между неживата природа и първите самовъзпроизвеждащи се системи, показвайки, че „чертежът“ на живота е бил начертан от въртенето на електроните още преди милиарди години.