Хиральность, космические лучи и эволюция

Случайности неслучайны, по крайней мере, если более пристально рассмотреть законы природы, управляющие миром вокруг нас. Каждый элемент, каждая молекула подчиняются определенным правилам, нарушив которые они могут попросту перестать существовать. Вся структура мироздания, несмотря на видимый хаос, весьма упорядочена. Правда не всегда удается понять, почему все устроено именно так, и никак иначе. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Стэнфордского университета (США) выдвинули теорию о том, что один из основополагающих элементов нашего мира, хиральность, был сформирован посредством длительного влияния космических лучей. Что такое хиральность, как именно космические лучи повлияли на ее формирование и как это проверить? Ответы ждут в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Хиральность была впервые описана французским химиком Луи Пастером (1822-1895) в далеком 1848 году. Однако сам термин появился немного позже, в 1884 году его предложил другой не менее значимый человек в науке — Уильям Томсон (лорд Кельвин).

Луи Пастер (работа художника Альберта Эдельфельта, 1885 год).

По сути своей, хиральность это отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны чего-либо. Это явление присутствует и в химии, и в физике, и в биологии, и даже в математике. Другими словами, концепция хиральности весьма универсальна, но ее происхождение пока еще не имеет точного ответа.

При этом в биологических системах хиральность выглядит еще любопытнее — аминокислоты в белках имеют левую хиральность, а остаток сахара рибоза, входящий в молекулы ДНК и РНК, имеет правую хиральность. Эту невероятную организованность именую гомохиральностью или хиральной частотой, а присуща она всем живым организмам.

Авторы рассматриваемого нами сегодня труда считают, что это прародителем этого явления являются космические лучи, которые воздействуют на планету Земля с незапамятных времен, когда и жизни то на ней не было.

Ученые отмечают, что рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), отвечающие за репликацию и хранение генетической информации, состоят из линейных последовательностей строительных блоков с одинаковой протяженностью, называемых нуклеотидами, расположение которых не является ни периодическим, ни случайным и содержит генетическую информацию необходимую для поддержания жизни. А хиральность нуклеотидов придает спиральную структуру нуклеиновым кислотам.

Нуклеиновые кислоты являются очень большими молекулами, и углы вращения между хиральными единицами систематически изменяются, как показано на карте Рамачандрана*, который демонстрирует, что даже гибкий биополимер сохраняет хиральность.

Карта Рамачандрана* — способ визуализации двугранных углов аминокислот полипептидной основы (ψ и φ) в белках.

Поскольку РНК и ДНК состоят из D-сахаров (правосторонние), более стабильной конформацией является правосторонняя спираль.

Изображение №1

Гомохиральность сахаров имеет важные последствия для стабильности спирали и, следовательно, для верности* или контроля ошибок генетического кода.

Верность* — свойство активирующего аминокислоту фермента или полимеразы правильно заряжать тРНК или правильно размещать остаток в растущем полипептиде или полинуклеотиде.

А вот все 20 кодируемых аминокислот левосторонние. Иногда оба энантиомера одной и той же молекулы используются живыми организмами, но не в одном и том же количестве, и они выполняют разные задачи.

В то время как жизнь, основанная на ДНК/РНК, как наблюдалось до сих пор, явно выбрала одну функциональную хиральность, которую ученые именую «live», по отдельному синхронизированному пути мог развиваться и другой вариант (ученые назвали его «evil», что есть зеркальным по отношению к live). Однако точное равновесие между этими двумя вариантами представляется маловероятным, учитывая высокую скорость репликации. Другими словами, то, что мы наблюдаем сейчас (хиральность в ДНК/РНК), может быть лишь одним из вариантов развития событий в эволюции как таковой. Тем не менее, ввиду слишком быстрой репликации, ученые считают, что именно реализованный сейчас путь развития является единственным правильным для всех биологических систем, т.е. универсальным в масштабах Вселенной.

Авторы исследования напоминают, что уже довольно давно известно, что радиация в той или иной степени влияет на развитие биологической системы, привнося некие изменения (мутации). Ученые ссылаются к работе Мёллера, который еще в 1927 году установил, что частота мутаций пропорциональна дозе облучения, большая часть которой связана с ионизацией космическими лучами.

Мюонная* компонента доминирует в потоке частиц на земле при энергиях выше 100 МэВ, составляя 85% дозы излучения от космических лучей.

Мюон* — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1⁄2. Мюоны фиксируются на Земле в космических лучах. Когда в атмосферу попадают пионы (субатомные частицы), они распадаются на мюоны буквально за пару наносекунд.

Мюоны имеют энергию, достаточную для проникновения на значительные глубины, и они, в среднем, спин-поляризованы. А ионизация спин-поляризованным излучением может быть энантиоселективной (асимметричной). Следовательно, степень мутации организмов из категорий «live» и «evil» будет разной. А учитывая, что могут быть миллиарды или даже триллионы поколений самых ранних и самых простых форм жизни, небольшая разница в частоте мутаций может легко поддерживать один из двух ранних «хиральных» путей.

Авторы указывают на весьма любопытную ремарку Пастера, сделанную им во время открытия гомохиральности:

Если основа жизни диссимметрична из-за несимметричных космических сил, действующих в ее первоисточнике, это одна из связей между жизнью на Земле и Космосом.

Данное утверждение получило дополнительное подтверждение, когда сто лет спустя были обнаружены нарушения паритета в слабом взаимодействии*.

Слабое взаимодействие* — взаимодействие, отвечающее за процессы бета-распада атомных ядер, слабые распады элементарных частиц и за нарушения законов сохранения пространственной и комбинированной четности* в них.

Четность* — свойство физической величины сохранять или заменять на противоположный (+1 и -1) свой знак при определенных дискретных преобразованиях.

В аспекте хиральности это выглядит так: объект проявляет физическую хиральность, когда его зеркальное отображение не существует в природе, как следствие нарушения четности в слабом взаимодействии. Результатов четности по отношению к элементарному слабому процессу, такому как распад, в природе не существует, поскольку нейтрино являются хиральными частицами.

Ранее проведенные лабораторные эксперименты показали, что можно индуцировать энантиомерный избыток аминокислот путем облучения аналогов межзвездного льда ультрафиолетовым циркулярно-поляризованным светом.

Типы поляризации света: слева — левосторонняя круговая (циркулярная); по центру — линейная; справа — неполяризованный свет.

Однако в результате возникает еще парочка дополнительных проблем. Во-первых, круговой дихроизм также зависит от длины волны, pH и молекул. Трудно понять, как одно значение круговой поляризации может привести к последовательному хиральному смещению, учитывая большой диапазон сред, в которых находятся молекулы. Во-вторых, часто предполагается, что астрономические источники обеспечивают поляризацию. Тем не менее, оптическая поляриметрия внутри галактики не обнаружила постоянного значения круговой поляризации, а наблюдаемые степени поляризации в ультрафиолетовом диапазоне, как правило, довольно малы.

Что касается молекулярной хиральности, то стоит сначала рассмотреть маленькую хиральную молекулу, которая является частью спирального полимера (изображение №1).

В начале координат есть вершина или «цель» и три различимых атома или группы с векторами положения x₁, x₂, x₃. В этих четырех местах есть классическое электростатическое поле, связанное с точечными зарядами. При внедрении псевдоскалярной (изменяющей знак при отражении) «молекулярной хиральности» (ℳ), которая должна менять знак при отражении, первым очевидным выбором будет:
ℳ_tripod= x̂₁ х x̂₂ · x̂₃.

Вторая простая, полуклассическая модель имеет электрический заряд и ток, ограниченный поверхностью сферы, окружающей центральный заряд ядра, который аннулируется суммарным зарядом на сфере. Ток учитывает электромагнитную киральность с простейшим выражением ℳ_em = d̂ · m̂. Эти две модели подходят для небольших молекул или мономеров, которые являются составляющими естественных спиральных биополимеров.

Третья модель, предложенная в исследовании, включает в себя цилиндрический электростатический потенциал, Φ = R₀( r ) + R₁( r )cos(kz — mφ), где k > 0. В этом случае молекулярную хиральность ℳ можно выбрать как ℳ_helix= m = +1(-1) для «live» («evil») молекулы.

А теперь попробуем разобраться чуть подробнее с космическими лучами.

Заряженные протоны космических лучей с энергиями чуть выше порога образования пионов сталкиваются с ядрами азота и кислорода в верхних слоях атмосферы, создавая π⁺, π^—.

π⁺ распадается в течение нескольких метров на µ⁺ с периодом полураспада ∼2 мкс, который в свою очередь распадается на е⁺.

Поскольку пионы бесспиновые, а распад слабый, спиновые направления µ⁺ и е⁺ (Ŝ_{µ, е}) не выровнены относительно направления их движения v̂, чтобы сбалансировать антипараллельные спины сопровождающих нейтрино (схема ниже).

Изображение №2

π^— распадается на е^— с преимущественно выровненными спинами, но с магнитными моментами, также не выровненными с v̂. Чтобы выразить физическую хиральность космических лучей, ученые дополнительно вводят псевдоскалярную величину «lodacity» (L, от слова «lodestone», т.е. «магнетит»). Она определяется как:

L_i(T) = µˆ · v̂

L будет постепенно ухудшаться, поскольку космические лучи теряют энергию из-за рассеяния электронов. Кроме того, вторичные электроны будут в основном неполяризованными, что еще больше уменьшит L космических лучей, которые облучают молекулы.

На современном уровне моря большинство космических лучей представляют собой мюоны со средним потоком ~ 160 м^-2с^-1. Однако, это миллионы лет назад все могло быть иначе.

Обладая вышеописанным набором данных, можно попытаться установить связь между молекулярной хиральностью и космическими лучами. Сами ученые говорят, что их основная задача это найти эффект, пропорциональный произведению LM, который будет различать «live» и «evil» молекулы, подвергающиеся воздействию одного и того же потока космических лучей. Этот эффект называется хиральное смещение.

Этот эффект должен быть выражен в виде разницы в предельной частоте мутаций. Частица высокой энергии может возбуждать электрон локально. Как правило, снятие возбуждения происходит быстро и без излучения и включает колебательные и вращательные моды. Следовательно, это «внутреннее преобразование» может вызвать локальные структурные изменения в молекуле. Космическое излучение также вызывает ионизацию, которая вносит изменения в электронную структуру биомолекул и может привести к мутациям.

Предполагается, что сами космические лучи являются пространственно однородными и изотропно распределенными по отношению к молекулам. Также считается, что их усредненный по космическим лучам магнитный момент строго антипараллелен v, хотя процессы рассеяния или внешнего магнитного поля могут вводить угол между v и µ. Это важно, потому что хиральная часть электростатического взаимодействия включает в себя силу, определяемую v · µ х ∇E, которая исчезает, если скорость не возмущена.

Молекулярная модель «tripod» (тренога) и траектория космических лучей.

Первый вариант в модели взаимодействия молекул и космических лучей использует молекулярную модель «тренога», космический луч с зарядом qe, массой Mme, субрелятивистской скоростью v и вектором прицельного расстояния относительно цели в начале координат (b). Траектория будет линейно возмущена кулоновской силой из-за заряда Q₁e в точке x₁.

Это вызовет возмущение скорости δv₁, которое создает хиральную силу второго порядка в сочетании с электрическим полем от второго атома. Это приводит к смещению в мишени, а градиент смещения эквивалентен хиральному изменению потока частиц. Однако это изменение исчезает после того, как было выполнено усреднение по v̂. Подобное явление вполне ожидаемо, так как в модели было задействовано всего 2 атома. Чтобы получить среднюю хиральную разницу, необходимо перейти к возмущениям третьего порядка. Помимо этого, хиральное смещение исчезает, если две «ножки» молекулярной треноги имеют одинаковую длину.

Если вероятность мутации молекулы равна Р, а разница между этой вероятностью для «live» и «evil» молекул равна δP, то δlnP ～ ⍺⁷LM_tripodq²Q³M^-4(c/v)⁵, где α ∼ 0.0073 — постоянная тонкой структуры*.

Постоянная тонкой структуры* — постоянная, описывающая силу электромагнитного взаимодействия.

Далее была рассмотрена модель сферы с поверхностным зарядом и током (схема ниже).

«Evil» / «live» молекула и траектория космических лучей.

Простейший и самый большой хиральный эффект является электромагнитным и связан с сочетанием его электрических и магнитных дипольных моментов. В этом случае получится δlnP ～⍺⁴LM_emqM^-2(c/v)².

Электростатическая спиральная модель также является хиральной (схема ниже).

«Evil» молекула и «live» молекула с траекторией воздействия лучей.

Переменная k (mutability, т.е. изменчивость) представляет собой вероятность на единицу длины траектории космических лучей через молекулу, что приведет к значительной мутации. Ученые считают, что изменчивость имеет как радиальную, так и спиральную составляющую, такую ​​как электростатический потенциал. А хиральное смещение третьего порядка в таком случае включает в себя сумму слагаемых, которая содержит два спиральных фактора и один радиальный фактор.

Похоже, что исходные позитроны космических лучей, которые численно превосходят электроны, отклоняются радиально внутрь при встрече с «live» молекулой и наружу со «evil» молекулой. Это подразумевает, что взаимодействия с нуклеиновыми основаниями должны вызывать больше мутаций, чем мутации с главной цепью фосфатного сахара. Общее хиральное смещение определяется как:
δlnP ～ ⍺⁵LMqM^-3(c/v)³.

В заключение была рассмотрена электромагнитная спиральная модель, где, предположительно отдельные мономеры несут магнитные диполи, а также электрические диполи. Тогда, хоть магниты и не выстраиваются в линию, как в ферромагнетике, корреляции в ближнем соседстве может быть достаточно для электромагнитного хирального смещения.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Скелет гипотезы, покрытый всеми этими формулами и закрученными терминами, заключается в том, что в начале жизни на Земле космическое излучение повлияло на ее эволюцию. Ученые считают, что это воздействие было направлено на две зеркальные формы жизни, помогая в конечном итоге одной взять верх над другой.

Естественно, наблюдения, сделанные сейчас, не могут дать полной картины того, что происходило миллионы лет назад. Однако именно в этом и суть, поскольку в те времена мутации происходили чаще и быстрее, а сами молекулы были куда проще. Исследователи заявляют, что в таких условиях постоянное хиральное воздействие космических лучей могло на протяжении миллиардов поколений эволюции породить единственную биологическую систему, которая окружает нас сейчас.

В будущем ученые намерены проверить свою теорию, проведя практический опыт. Например, изучить, как бактерии реагируют на излучение с иной магнитной поляризацией.

Еще одной весьма важной уликой всего этого расследования стали бы органические образцы с астероидов или с Марса, по котором можно было бы увидеть, имеют ли они такое же хиральное смещение, как и образцы с Земли.

Конечно, при рассмотрении развития жизни на планете нельзя отбрасывать возможное влияние факторов, источник которых находится за ее пределами. Чему нас учит физика и химия, так это тому, что все вокруг нас так или иначе связано. Если мы не видим этой связи это не значит, что ее нет.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! 🙂

Немного рекламы 🙂

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?