|
Электроны оказались повинны в асимметрии природы
|
|
|
|
Вся природа асимметрична. Теперь учёные нашли подтверждение того, что дисбаланс между левосторонними и правосторонними биохимическими молекулами может быть вызван электронами, возникшими в ходе ядерного распада в первые дни эволюции. Эксперимент, который проводился на протяжении 13 лет, показал, что одни электроны стремятся разрушить одни органические молекулы несколько чаще, чем их зеркальные копии.
|
|
|
|
Многие органические молекулы, в том числе глюкоза и большинство биологических аминокислот, являются хиральными. То есть существуют левосторонние и правосторонние модификации абсолютно одинаковых в отношении состава молекул, которые являются зеркальными двойниками друг друга. Грубо говоря, молекулы отличаются друг от друга так же как и ладони рук, вроде бы одинаковые, но всё же не абсолютные близнецы.
|
 |
|
Всё живое стремится постоянно использовать один из возможных вариантов, например, двойная спираль ДНК в своей стандартной конфигурации всегда закручена правосторонне. Однако причина такой ориентации долгое время оставалась загадкой для учёных.
|
|
|
|
Многие учёные полагают, что этот феномен — всего лишь воля случая. Возможно, статистически в первичном "бульоне" из первых молекул правосторонние вещества превалировали над своими зеркальными копиями, в силу чего этот дисбаланс сохранился в процессе эволюции и усилился с течением времени.
|
|
|
|
Асимметрия в законах природы наблюдается и в физических явлениях, которые, вероятно, и нарушили баланс на начальных этапах эволюции жизни. Так, слабое ядерное взаимодействие является единственной силой природы, которая имеет "предпочтения" по ориентации: электроны, созданные в субатомном процессе, известном как ?-распад, всегда являются левосторонними. Это означает, что их спин, квантовый момент импульса элементарных частиц, всегда будет противоположен направлению движения электрона.
|
|
|
|
В 1967 году биохимик Фредерик Вестер (Frederic Vester) и учёный-эколог Тило Ульбрихт (Tilo Ulbricht) предположили, что фотоны, генерируемые так называемыми спин-поляризованными электронами, могли бы разрушить больше одних молекул, чем других, создавая тем самым дисбаланс. Тем временем некоторые группы физиков утверждали, что сами электроны могут быть источником биохимической асимметрии.
|
|
|
|
Тем не менее, доказать экспериментально гипотезу Вестера и Ульбрихта не удалось. Напротив, все результаты экспериментов демонстрировали полный баланс за исключением явных статистических погрешностей, сообщает соавтор нового исследования Тимоти Гай (Timothy Gay), химик из университета Небраски-Линкольна.
|
|
|
|
"Возможность удачно провести химическую реакцию по разрушению органических молекул спин-поляризованными электронами помогла бы нам исключить некоторые из теорий, объясняющие дисбаланс частиц. Также мы очень хотели взглянуть на физику процесса", — рассказывает Гай.
|
|
|
|
Вместе со своими коллегами Гай решил провести лабораторный эксперимент. Физики выстреливали слабоэнергетическими спин-поляризованными электронами по газобразной камфоре бромистой — органическому соединению, используемому порой как успокоительное средство. В результате некоторые электроны оказались захвачены молекулами газа, после чего они перешли в возбуждённое состояние.
|
|
|
|
Вследствие этого молекулы затем распадались, генерируя ионы метила и другие высокоактивные соединения. Измеряя поток образующихся ионов, исследователи смогли определить, как часто протекала каждая реакция для каждого отдельного спин-поляризованного электрона.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что левоориентированные молекулы бромкамфоры несколько чаще вступали в реакцию с правоориентированными электронами, чем с их зеркальными копиями. Обратное также оказалось верным и для правоориентированных молекул газа. При самых низких энергиях направление спина переворачивается, в результате чего возникает противоположная асимметрия.
|
|
|
|
"Асимметрия оказалась крошечной, но вполне заметной. Это как если бы мы 20 тысяч раз подбросили монетку, и 10003 раза нам бы выпал орёл и 9997 решка", — поясняет Гай.
|
|
|
|
Главным своим успехом команда учёных называет проведение эксперимента при низких скоростях и энергиях. После стольких лет неудач, результаты наконец были получены, и химики могут сделать первые выводы о теперь уже доказанной гипотезе Вестера и Ульбрихта. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
Критики этой теории и эксперимента Гая и его коллег сообщают, что нет никакой намеренной природной асимметрии. Эксперимент, по их мнению, лишь доказывает хиральную симметрию и наличие в ней погрешностей, вызванных фоновыми явлениями.
|
|
|
|
Тем не менее, по мнению исследователей, возникновение спин-поляризованных электронов заставило всё живое стать хирально селективным. Однако до сих пор нет ответа на вопрос, как возникли самые первые спин-поляризованные электроны?
|
|
|
|
Первоисточником считаются ?-частицы, которые может породить фосфор-32, распадающийся на серу-32, и на мюоны, элементарные частицы, образующиеся в конце цепочки распадов, когда частицы космических лучей попадают в атмосферу. В обоих случаях электроны должны были лететь гораздо быстрее, чем в эксперименте Гая, но он говорит, что электроны могут значительно замедлиться, не теряя своей хиральности. Впрочем, учёным ещё предстоит уточнить, действительно ли спин-поляризованные электроны образуются в результате ?-распада, а не каких-либо иных физико-химических процессов.
|
|
|
|
Учёные также отмечают, что взаимодействие левосторонних электронов с органическими молекулами не является единственным из возможных объяснений хиральной асимметрии жизни. Экспериментально доказано, что свет с круговой поляризацией, который возникает в результате рассеяния света в атмосфере Земли и в нейтронных звёздах, также способен передавать свою ориентацию аминокислотам.
|
|
|
|
В будущем Гай и его коллеги планируют провести больше экспериментов и с другими молекулами газов, чтобы записать больше статистических данных о возникающей асимметрии.
|
|
|
|
http://www.vesti.ru/doc.html?id=2000121
|
