Первые шаги к асимметрии: Перемешивание плюс температура
Одна из самых волнующих загадок современной науки связана с таким свойством аминокислот и сахаров, как хиральность, иначе говоря, асимметрия, или оптическая изомерия. Это как правая и левая рука: при одном и том же наборе пальцев они не совпадают, как не совпадают наши кисти, и вряд ли у вас получится натянуть перчатку, предназначенную для левой руки, на правую. При этом обе формы аминокислот (они называются L- и D-изомерами) с точки зрения химии равноправны и, к примеру, при обычном органическом синтезе получаются в равной смеси.
Но в природе все не так: все аминокислоты из которых построены белки всех живых организмов — от вируса до генерального директора — относятся к L-изомерам (исключения можно буквально пересчитать по пальцам), а сахара — к D-изомерам. Более того, свойства белков полностью определяются их пространственной структурой, и в условиях смеси аминокислот разной хиральности жизнь вообще не была бы возможна. Однозначного объяснения этой странности не существует.
Недавно на этот счет было высказано довольно интересное предположение: первоначальные «кирпичики жизни», занесенные на Землю на борту какого-нибудь астероида, долго путешествовали по космосу. Там они подвергались воздействию излучения, в том числе — и поляризованного, которое испускают нейтронные звезды. На него вещества разной хиральности отвечают по-разному, так что, когда «зародыши жизни» прибыли на нашу планету, они несли уже в себе «зародыши хиральности». Подробнее эту гипотезу мы разбирали в заметке «Влияние звезд». Однако стоит заметить, что она подразумевает тот факт, что жизнь была, все-таки, занесена из космоса.
А вот кубинские ученые во главе с Ф Л Фалконом (F L Falcon) недавно высказали другую идею, истоки которой лежат куда ближе к Земле. Они предложили рассмотреть сценарий, в котором смесь оптических изомеров аминокислоты растворена в воде с температурным градиентом — как, например, в геотермальных источниках.
Восходящие течения поднимают молекулы аминокислоты вверх, где они образуют кристаллы. Однако кристаллы разных оптических изомеров аминокислот (Фалкон рассматривал пример аланина) обладают слегка разными свойствами — L-аланин образует, в среднем, кристаллы чуть более крупные. Это, по мнению ученого, создавало большую площадь, на которую воздействовали восходящие потоки, и позволяло этим кристаллам подниматься выше, к еще более прохладной воде, вырастая еще крупнее.
В конце концов размеры кристаллов L-аланина становились такими, что течение уже не могло удерживать их в верхних слоях воды, и они опускались в более теплые глубины, снова растворяясь. Но, будучи более крупными, они растворялись медленней, чем кристаллы D-аланина, и снова вовлекались в процесс. Таким путем все большее количество L-аланина переходило во все более крупные кристаллы — этот механизм известен под названием переконденсации.
Все это приводило к тому, что содержание L-аланина в растворе падало, и в нем все больше доминировал D-аланин. Равновесие между изомерами оказывалось нарушенным, и часть молекул D-аланина в результате эпимеризации переходило в L-форму. Цикл возобновлялся, в конце концов приводя ко все более чистому L-аланину.
Несмотря на видимую сложность этой схемы, она достаточно проста, а главное — не требует никаких сложных условий, нейтронных звезд и так далее. Достаточно иметь воду с температурным градиентом и растворенную в ней в определенной пропорции смесь оптических изомеров аминокислот. А самое привлекательно, что это (пока чисто теоретическое) предположение легко проверить в любой лаборатории. Что наверняка будет сделано в скором времени — а о результатах мы вам обязательно расскажем, тем более что это вполне может стать настоящей сенсацией. Viva la Cuba!
По сообщению physics arXiv blog