Один из самых странных аспектов жизни на Земле - и, возможно, жизни в других местах в космосе - это особенность, которая озадачивает как химиков, так и биологов и физиков-теоретиков. Каждый из молекулярных строительных блоков жизни (аминокислоты и сахара) имеет двойника - не идентичного, а зеркальное отражение. Так же, как ваша правая рука отражает вашу левую, но никогда не будет удобно вписываться в левую перчатку, аминокислоты и сахара бывают в правой и левой версиях. Этот феномен выбора биологической формы называется «хиральностью» - от греческого за ручность.
На Земле все аминокислоты, характерные для жизни, имеют «левую» форму и не могут быть обменены на их правостороннего двойника. Между тем, все сахара, характерные для жизни на Земле, являются «правшами». Противоположные руки для аминокислот и сахаров существуют во вселенной, но они просто не используются какой-либо известной биологической формой жизни. (Некоторые бактерии могут фактически превращать правосторонние аминокислоты в левостороннюю версию, но они не могут использовать правосторонние аминокислоты как есть.) Другими словами, и сахара, и аминокислоты на Земле гомохиральны: одноручные,
Более 4 миллиардов лет назад, когда наша родная планета была в пламенной и темпераментной молодости, присутствовали как биологические строительные блоки, так и их зеркальные отражения. На самом деле, сегодня они все еще сосуществуют на Земле - просто не в жизни, как мы ее знаем. Конечно, если вы приготовите партию аминокислот, сахаров или их молекул-предшественников в лаборатории, вы всегда получите смесь 50-50 слева и справа. Но каким-то образом, поскольку жизнь возникла в течение бесчисленных тысячелетий, последовавших за образованием Земли, были отобраны только левосторонние аминокислоты и правосторонние сахара.
Киральные молекулы были даже обнаружены в межзвездном пространстве. В историческом открытии, объявленном Национальной радиоастрономической обсерваторией в июне этого года, ученые определили молекулы в центре галактики, которые можно использовать для создания правого и левого сахара. Несмотря на то, что они до сих пор не имеют ни малейшего представления о том, есть ли больше одной руки, чем другой, это открытие создает почву для дальнейших экспериментов, которые могут пролить свет на происхождение руки.
Большие вопросы все еще остаются: как и почему жизнь выбрала только одно из двух зеркальных отражений, чтобы построить каждое существо в своем зверинце? Требует ли жизнь гомохиральности, чтобы начать свое существование, или могут существовать формы жизни, которые используют как земные строительные блоки, так и их альтернативные эго? Возникли ли семена гомохиральности в глубинах межзвездного пространства или они эволюционировали здесь, на Земле?
Концептуальный образ OSIRIS-REx. (НАСА / Годдард / Университет Аризоны) Джейсон Дворкин, который возглавляет Астрохимическую лабораторию в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, говорит, что одной из проблем, стоящих перед учеными, пытающимися ответить на эти вопросы, является то, что «ранняя Земля ушла, и у нас есть ряд очень и очень скудных свидетельств на что это было похоже ». Четыре с половиной миллиарда лет извержений вулканов, землетрясений, метеорных бомбардировок и, конечно же, глубокого геологического влияния самой жизни настолько изменили планету, что почти невозможно понять, как Земля выглядела, когда жизнь началась. Вот почему исследовательская группа Дворкина и многие его коллеги из НАСА сосредоточились на метеоритах - остатках космического мусора, которые попадают в твердую почву.
«Это капсулы времени от 4, 5 миллиардов лет назад», - говорит Дворкин. «То, что мы собираем в метеоритах сейчас, очень похоже на то, что тогда шло на Землю».
Дворкин также является ведущим правительственным ученым в миссии OSIRIS-REx на околоземном астероиде Бенну. Миссия, которая стартует в сентябре этого года, потратит около года на измерения астероида, чтобы лучше понять, как он движется через нашу солнечную систему. Когда время космического корабля с Бенну истечет, он получит главный приз: образец с поверхности астероида, который он вернет на Землю в 2023 году, чтобы ученые могли изучить его химический состав. «Все, что мы делаем, способствует получению этого образца», - говорит Дворкин.
Ученые выбрали Бенну отчасти из-за его сходства с особым типом метеорита, который обеспечивает интригующую (хотя и не окончательную) подсказку о происхождении гомохиральности. Многие метеориты содержат молекулы на основе углерода, в том числе аминокислоты и сахара, которые являются правильными ингредиентами для жизни. Группа Дворкина проанализировала состав этих «органических» соединений в десятках метеоритов и пришла к удивительному выводу. Часто как левую, так и правую версии, например, аминокислоты, находили в равных количествах - именно то, что можно было ожидать. Но во многих случаях одна или несколько органических молекул были обнаружены с избытком одной руки, иногда с очень большим избытком. В каждом из этих случаев и в каждом метеорите, изученном до сих пор другими исследователями в этой области, избыточной молекулой была левосторонняя аминокислота, которая встречается исключительно в жизни на Земле.
Дворкин говорит, что образец из Бенну может предоставить еще более убедительные доказательства этого явления. «В отличие от метеоритов, которые падают на землю, а затем загрязняются, а две отделяются от своего родительского тела», - с Бенну, ученые будут точно знать, откуда взялся образец астероида. Они принимают «чрезвычайные меры», подтверждая, что ничто из биологии Земли не может загрязнить образец. «Поэтому, когда мы получим (надеюсь) избыток аминокислот в образце Бенну в 2023 году, мы можем быть уверены, что это не от загрязнения», - говорит Дворкин.
Доказательства, столь далекие от метеоритов, указывают на то, что, возможно, есть средство создания гомохиральности без жизни. Тем не менее, Дворкин говорит: «Мы не знаем, произошла ли химия, которая приводит к гомохиральности и жизни, от метеоритов, от процессов на Земле или, возможно, от обоих». Существует также вопрос, как и почему этот избыток развивался в метеорит или его родитель астероидов или на ранней Земле в первую очередь.
Гипотезы предостаточно. Например, поляризованный свет, обнаруженный на нашей стороне галактики, может разрушить правую версию многих аминокислот небольшим, но заметным количеством. Небольшой избыток аминокислоты для левой руки должен был бы затем резко усилиться, чтобы достичь уровней, обнаруженных в живых организмах на Земле.
Именно этот процесс усиления интригует Донну Блэкмонд из Исследовательского института Скриппса в Ла-Холье, Калифорния. Блэкмонд изучал потенциальные химические происхождение гомохиральности почти всю свою карьеру. «Я думаю, что это будет некая комбинация химических и физических процессов», - говорит она. В настоящее время группа Блэкмонда пытается выяснить, каким образом химические реакции, которые могли иметь место на ранней Земле, могли повлиять на производство только строительных блоков жизни. В 2006 году ее команда показала, что они могут усиливать только левую форму аминокислоты, начиная с небольшого избытка. В 2011 году они показали, что амплифицированная аминокислота может быть использована для производства огромного избытка предшественника РНК, который превращается в правую руку с помощью сахара, который к ней присоединен. (Многие ученые считают РНК исходной биологической молекулой.) Блэкмонд и многие другие химики достигли успехов в этом типе химии, но они еще далеки от того, чтобы смоделировать все химические процессы и условия, которые могут существовать. на астероиде или юношеской планете.
Блэкмонд также отмечает, что далеко не ясно, что жизнь нуждается в полной гомохиральности, чтобы начать. «Одна настоящая крайность - сказать, что ничего не может произойти, пока у нас не будет абсолютно гомохирального пула строительных блоков, и я думаю, что это, вероятно, слишком экстремально», - говорит она. «Мы могли бы начать создавать полимеры информационного типа», такие как ДНК и РНК, «возможно, до того, как у нас появится гомохиральность». Пока все, что могут сделать ученые, - это продолжать задавать вопросы о молекулах здесь, на Земле и на небесных телах, которые нас окружают. В надежде открыть еще одну часть этой головоломки, исследователи в настоящее время разрабатывают новые технологии, чтобы определить, есть ли перегибы одной руки в межзвездном пространстве.
Тем временем жизнь на Земле будет продолжаться, таинственной и асимметричной, как всегда.
