Международная группа под руководством Йосси Пальтиэля из Еврейского университета в Иерусалиме и Рона Наамана из Института Вейцмана предложила физический механизм, который может объяснить, почему жизнь использует только одну «руку» молекул. Авторы показали, что различие между зеркальными формами аминокислот и сахаров может возникать не из-за разницы в их энергии, а из-за того, как через хиральные молекулы проходят электроны. Речь идёт о динамическом эффекте, который со временем способен дать одной форме статистическое преимущество.
Проблема гомохиральности считается одной из базовых в исследованиях происхождения жизни. Многие биомолекулы существуют в двух энантиомерах, то есть в зеркальных формах с одинаковым химическим составом. При этом в живых системах аминокислоты почти всегда встречаются в одной хиральности, а сахара в другой. Простого объяснения, почему одна из форм однажды «выиграла», у науки до сих пор не было.
В новой работе исследователи сосредоточились на спине электрона, его квантовом магнитном свойстве. По их расчётам и экспериментам, при движении через хиральную молекулу электрон взаимодействует с её структурой по-разному в зависимости от того, какая это зеркальная форма. Энергия у энантиомеров остаётся одинаковой, но процессы переноса заряда и взаимодействия с магнитной средой идут с небольшим расхождением. Именно такой перекос, по мысли авторов, мог накапливаться в ранних молекулярных системах.
Для химии происхождения жизни это важная деталь. Большинство прежних сценариев искали источник асимметрии либо в случайных флуктуациях, либо во внешнем воздействии, например в поляризованном ультрафиолете, минералах или слабом нарушении чётности в фундаментальной физике. Последний механизм давно обсуждается, но его эффект считается слишком малым, чтобы сам по себе объяснить почти полную однородность живой материи. Новая модель переносит фокус с редкого стартового события на повторяющийся физический процесс.
Работа опирается на направление, известное как CISS, chirality-induced spin selectivity, или спин-селективность, индуцированная хиральностью. Этот эффект группа Рона Наамана развивает больше двух десятилетий. Суть в том, что хиральные молекулы работают как своеобразный фильтр: они предпочитают электроны с определённой ориентацией спина. В последние годы CISS обсуждают уже не только в физике поверхностей, но и в биохимии, электрохимии и спинтронике.
Вопрос о происхождении гомохиральности давно выходит за рамки одной дисциплины. В 1990-х и 2000-х исследователи активно проверяли космические сценарии, в том числе образование асимметрии под действием круговой поляризации света в межзвёздной среде. Дополнительный аргумент в пользу внеземной предыстории дали метеориты: в ряде углеродистых хондритов находили избыток одной формы аминокислот, хотя и не такой, который автоматически объяснял бы биологический стандарт на Земле.
Параллельно рос интерес к земным механизмам усиления малой асимметрии. Автокаталитические реакции могут многократно увеличивать исходный перекос, если он уже появился. Проблема в том, что нужен был правдоподобный источник этого первого смещения. Авторы новой работы утверждают, что такую роль мог сыграть именно перенос электронов через хиральные структуры, особенно в среде, где были доступны поверхности минералов, магнитные поля и циклические химические процессы.
У гипотезы есть и прикладной слой. Если спин-зависимая динамика действительно различает энантиомеры, это важно не только для теорий абиогенеза. На мировом рынке до половины малых молекул в фармацевтике являются хиральными, а для многих препаратов нужный энантиомер определяет и эффективность, и профиль побочных эффектов. Поэтому любые методы, которые позволяют лучше разделять или селективно синтезировать зеркальные формы, интересны индустрии не меньше, чем фундаментальной науке.
Практический вывод из работы можно свести к нескольким пунктам:
Дальше многое будет зависеть от воспроизводимости эффекта в более «грязных» условиях, близких к добиологической среде. Главный вопрос состоит в том, можно ли показать не просто измеримое различие в переносе электронов, а устойчивое накопление одного энантиомера в длинной серии реакций. Если такие эксперименты удастся провести в ближайшие годы, спор о том, почему жизнь выбрала одну «руку», сместится из области философских моделей в область проверяемой физики.