Учёные нашли возможный ответ на вековую загадку – почему жизнь выбрала "левые" молекулы

Команда исследователей предложила новое физическое объяснение одной из самых стойких загадок науки – почему живые организмы используют только одну зеркальную версию ключевых молекул, игнорируя другую.

Многие молекулы, необходимые для жизни, существуют в двух зеркальных формах, известных как энантиомеры. С точки зрения химии эти формы практически неразличимы, но живые системы упорно выбирают только одну. Аминокислоты используются почти исключительно в одной конфигурации, сахара – строго в противоположной.

Этот феномен называют гомохиральностью, и он остаётся без полного объяснения уже более ста лет. Существующие гипотезы не могли убедительно ответить, почему природа в глобальном масштабе остановилась именно на одном варианте.

Исследователи предположили в новой работе, что разгадку стоит искать не в самих молекулах, а в поведении электронов внутри них.

Спин электрона, фундаментальное квантовое свойство, при движении сквозь хиральную молекулу взаимодействует с её структурой не вполне симметрично для двух зеркальных форм.

В результате эксперимента и расчётов исследователи зафиксировали два эффекта. Две зеркальные формы могут давать разный уровень спиновой поляризации. Эти различия влияют на то, насколько эффективно каждая форма участвует в физических и химических процессах.

Открытие нарушает многолетнее допущение о том, что зеркальные молекулы должны вести себя одинаково по величине эффекта и отличаться лишь знаком. Работа объединяет теоретический анализ, эксперименты и продвинутые вычисления, показывая, что асимметрия возникает из-за того, как спин электрона выстраивается внутри молекулярной структуры.

Энергия двух энантиомеров одинакова, однако их связанные со спином свойства во время движения не образуют точного зеркального отражения. Различия проявляются именно в динамических процессах – переносе электронов и взаимодействии с магнитным окружением, а не в статических характеристиках.

Эти данные открывают возможный путь к пониманию того, как одна молекулярная "рука" получила доминирующее положение в биологии. Если один из энантиомеров стабильно эффективнее взаимодействует с окружением в спин-зависимых условиях, даже минимальные различия могли накапливаться со временем и привести к глобальному предпочтению. Получается, что физические процессы, а не только химические, могли повлиять на самые ранние этапы биологического развития.

Дальнейшие направления исследований лежат на стыке физики, химии и биологии. Учёные намерены изучить, как спин-зависимые эффекты влияют на химические реакции, разработать материалы, использующие хиральность и спин электрона, а также рассмотреть, как квантовые свойства формируют биологические системы.

В более широком смысле работа намекает на то, что симметрия в химии устроена тоньше, чем считалось ранее, и нарушить её проще, чем казалось.