Асимметрии молекул жизни нашли объяснение в квантовой физике

Давняя научная загадка гомохиральности жизни нашла наконец объяснение в квантовой физике — она может быть обусловлена спином электрона.

Многие молекулы, необходимые для жизни, представлены в двух зеркальных формах, называемых энантиомерами. Химические и физические свойства этих изомеров почти идентичны, однако в живых организмах прослеживается очевидная асимметрия: почти все аминокислоты закручены влево, сахара и нуклеиновые кислоты — вправо.

Это явление — гомохиральность — озадачивает ученых уже более ста лет. До сих пор не было внятного объяснения, почему так различаются биологические свойства зеркальных форм одних и тех же веществ и почему природа «выбрала» это направление оптической изомерии, а не обратное.

Эксперименты с полипептидами показали, что ответ кроется не в строении молекул, а в их поведении при движении электронов через них. Статья об открытии вышла в журнале Science Advances.

Исследователи обнаружили, что при прохождении электронов через хиральные молекулы их спин взаимодействует с молекулярной структурой так, что это взаимодействие заметно различается для зеркальных отражений. В результате:

• две формы могут создавать разные уровни спиновой поляризации,
• эти различия могут влиять на то, насколько эффективно каждая форма участвует в физических и химических процессах.

Это опровергает давнее допущение, что зеркально симметричные молекулы должны вести себя одинаково «по модулю», отличаясь лишь знаком.

В опытах измеряли аномальный эффект Холла (отклонение электронов без внешнего магнитного поля) в трех веществах. Разница между энантиомерами составила:

• хиральное золото — 28%,
• хиральное серебро — 12%,
• полиаланин на золоте — 34%.

Таким образом, выявлены измеримые различия, причем проявляются они только в динамических процессах — статические свойства зеркальных отражений остаются одинаковыми.

Если один энантиомер при спин-зависимых условиях последовательно взаимодействует со своим окружением эффективнее другого, то даже небольшие различия могут постепенно накапливаться, приводя к глобальному перевесу.

Работа открывает новые направления исследований на стыке физики, химии и биологии:

• изучение влияния спин-зависимых эффектов на химические реакции;
• создание материалов, использующих хиральность и спин электрона;
• исследование влияния квантовых свойств на формирование биологических системы

В более широком смысле, эксперименты продемонстрировали, что симметрия в химии может быть более тонкой и легко нарушаемой, чем считалось ранее.