Жизнь возможна из-за асимметрий, таких как дисбаланс между материей и антиматерией и «хиральность» молекул.
Ключевые выводы
- Жизнь на Земле принципиально асимметрична.
- Как обнаружил Луи Пастер в середине 1800-х годов, аминокислоты и сахара, из которых состоит живая материя, демонстрируют фундаментальную асимметрию: жизнь предпочитает «левые» аминокислоты и «правые» сахара.
- Разгадка этой загадки будет иметь важное значение для понимания происхождения жизни здесь и в других частях Вселенной.
На прошлой неделе мы обсуждали фундаментальную космическую асимметрию между материей и антиматерией и почему нам так важно быть здесь. Напомним основной урок: если бы материя и антиматерия существовали во Вселенной в равных количествах, они в основном аннигилировали бы, сталкиваясь друг с другом, оставляя после себя Вселенную, заполненную в основном излучением - скучными фотонами, текущими по космосу. Никаких звезд, никаких галактик и, конечно же, никаких планет или жизни. Существует красивая линия, соединяющая это несовершенство в наименьших возможных масштабах - элементарных частиц материи - с самой жизнью.
Эта связь заставляет переосмыслить взаимодополняющую роль симметрии и асимметрии во Вселенной. Они оба необходимы. Принятие эстетики Природы как ограниченной совершенством - или, вспоминая Китса, связывание красоты с истиной - ведет к предвзятому и неполному взгляду на реальность существования.
Асимметрия жизни
Сегодня мы продолжаем наше предыдущее обсуждение асимметрии в физике элементарных частиц с асимметрией в жизни. Происхождение жизни - сложный, многогранный вопрос. Несовершенства сыграли центральную роль в этой истории, истории, которая заслуживает нескольких эссе. Здесь мы сосредоточимся только на молекулярной асимметрии жизни.
Во-первых, отметим, что жизнь - это дисбаланс, который воссоздает сам себя. На самом фундаментальном уровне жизнь представляет собой сложную сеть биохимических реакций, способных метаболизировать энергию и воспроизводиться в соответствии с дарвиновской эволюцией. Реакции - это механизм достижения системой определенного уровня баланса или равновесия. Дисбаланс ведет к изменению, которое ведет обратно к равновесию. На генетическом уровне мутации необходимы для разнообразия. Невероятное разнообразие живых существ в конечном итоге возникает из-за несовершенства репродуктивного уровня.
Асимметрия жизни начинается на молекулярном уровне. За это мы можем поблагодарить Луи Пастера (известного тем, что он открыл, что брожение, происходящее, например, при производстве вина и пива, является биологическим процессом из-за присутствия микроорганизмов). В 1849 году 26-летний Пастер работал над докторской диссертацией в Высшей нормальной школе в Париже, стремясь оставить свой след среди французских химиков.
Его исследования касались свойств винной кислоты, кристаллической органической кислоты, присутствующей в незрелом винограде. Винная кислота также может быть получена в лаборатории путем химического синтеза. Пастер знал, что кислота, извлеченная из винограда, и кислота, произведенная в лаборатории, обладают разными оптическими свойствами, то есть по-разному взаимодействуют со светом. В этом факте скрыто замечательное свойство жизни, может быть, ключ к самой жизни. Чтобы полностью понять это, необходим краткий урок физики о свете.
Пастер прозревает
Обычно световые волны распространяются в виде перпендикулярных электрических и магнитных полей, которые вращаются подобно лопастям пропеллера. Поляризованный свет не вращается; вместо этого его электромагнитные поля ограничены одним направлением колебаний. Это похоже на пропеллер, который не вращается. Используя эту аналогию, «вращение плоскополяризованного света» (см. изображение) просто означает поворот «лопастей» влево или вправо на определенный угол.
В 1815 году французский физик и химик Жан-Батист Био обнаружил, что когда свет проходит через жидкие растворы, состоящие из нескольких встречающихся в природе органических продуктов, это влияет на его поляризацию. В аналогии с «пропеллером» эти вещества могли поворачивать лопасти пропеллера (направление поляризации света) либо влево, либо вправо.
Опираясь на исследования Био, Пастер установил, что при прохождении линейно поляризованного света через синтезированный в лаборатории раствор винной кислоты ничего не происходит: синтетический раствор оптически неактивен. Но когда поляризованный свет проходил через раствор, содержащий кислоту, извлеченную из винограда, а значит, и из живого существа, направление его поляризации менялось (то есть немного поворачивались лопасти пропеллера). Пастер понял, что, поскольку оба вещества имеют одинаковые химические свойства, их молекулы имеют одинаковые типы атомов. Что же тогда могло вызвать такое загадочное асимметричное оптическое поведение? Могут ли молекулы живой и неживой материи, даже внешне идентичные, иметь разные свойства?
Пастер исследовал кристаллы обоих веществ под микроскопом. Он отметил, что в то время как кислота, синтезированная в лаборатории, имеет два вида кристаллов, кислота из винограда - только один. С огромным терпением он разделил образцы обоих кристаллов с помощью пинцета. Пропустив свет через два раствора, приготовленных с каждым из двух типов, он продемонстрировал, что разные кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях, один влево, а другой вправо. Таким образом, он обнаружил, что встречающиеся в природе биомолекулы имеют только один тип кристалла и, следовательно, вращают свет только в одном направлении. Созданные в лаборатории биомолекулы содержали оба типа кристаллов и, следовательно, вращали свет в обоих направлениях. Но конечным результатом этого является полное отсутствие вращения.
Хиральность: зеркальные молекулы
Пастер предположил, что в природе существует два вида молекул: те, которые, подобно воде, существуют только в одной пространственной конформации, и те, которые, подобно винной кислоте, могут встречаться в двух, таких как что одно является зеркальным отражением другого. Технический термин - «хиральность» от греческого слова «хейр» («рука»). На самом деле наши руки - отличный пример киральной асимметрии. Просто положите одну поверх другой. Они не совпадают, поэтому вам не нужны две перчатки для левшей.
Пастер расширил свое исследование, включив в него несколько типов органического вещества, и пришел к выводу, что в биомолекулах, извлеченных из живого вещества, существует фундаментальная асимметрия, всегда вращающая поляризацию света в одном и том же направлении. Как известно, он заявил: L’Univers est dissymétrique! Вселенная асимметрична! Теперь мы знаем, что в то время как аминокислоты, ингредиенты, образующие белки, являются «левосторонними», молекулы сахара «правосторонними».
Почему? Никто не знает, хотя есть предположения, что раскол как-то связан с ранним биохимическим развитием жизни. Для нас удивительным фактом является существование и сохранение асимметрии в основных компонентах всех живых систем.
Почему хиральность? Три гипотезы
Хотя мы до сих пор не знаем, как развивалась биохиральность в раннем возрасте, есть три интересных возможности. Во-первых, это был несчастный случай. По мере того, как первичный ил, ставший первой жизнью, развивался на молодой Земле, жизнь репетировала множество различных сценариев, случайным образом меняя хиральность. В статье с тогдашними аспирантами Сарой Уокер и Джоэлом Тораринсоном мы разработали модель под названием «Прерывистая хиральность», в которой хиральное направление менялось с течением времени, пока все не стабилизировалось в одном направлении.(Бесплатную версию можно найти здесь.) В этом сценарии леворукость аминокислот была случайной случайностью. В других мирах, где есть жизнь, могут быть правосторонние аминокислоты - гипотеза, которую мы надеемся подтвердить довольно скоро.
Другая возможность заключается в том, что на хиральность влияет ультрафиолетовое излучение с круговой поляризацией в областях звездообразования. В лабораторных экспериментах было показано, что ультрафиолетовый свет искажает хиральность. Планеты, формирующиеся вокруг этих звезд, будут излучаться, и жизнь будет направлена в определенном направлении. В этом случае все планеты, на которых есть жизнь в этом регионе, будут иметь одинаковую хиральность. В других регионах галактики хиральность может быть противоположной.
Наконец, третья возможность состоит в том, что киральность может быть связана с фундаментальной асимметрией, которую мы обнаруживаем в материи, с леворукостью нейтрино (или, точнее, с существованием слабых нейтральных токов, нарушающих четность).. Сложные расчеты действительно показывают небольшое хиральное смещение, которое, как утверждают критики, слишком мало, чтобы действовать в гораздо больших биомолекулярных масштабах. Однако может существовать еще неизвестный механизм усиления, который будет работать в больших масштабах. В этом случае биохиральность будет одинаковой во всей Вселенной, так что все аминокислоты будут «левосторонними», а все сахара «правосторонними».
Каким бы ни было решение этой загадки, урок состоит в том, что асимметрия играет существенную роль в живой материи. Почему это так, остается открытым вопросом, который, как мы предполагаем, тесно связан с происхождением самой жизни.