Однажды в 1848 году ученый Луи Пастер рассматривал в микроскоп кристаллы винной кислоты и заметил странное: некоторые кристаллы были темными, а другие – светлыми. Химически эти кристаллы состояли из одинаковых молекул, но в темных кристаллах молекулы закручивались в пространстве в одну сторону, не пропуская свет, а в светлых – в противоположную и пропускали свет. Это явление изменения направления называется хиральностью. Хиральность оказались очень важным фактором в живых организмах и никто не знает почему. Живые организмы производят и используют молекулы, которые вращают свет влево. Химически идентичные молекулы, но закрученные вправо, живые организмы не могут потребить. В ходе химических реакций» левые «и» правые » молекулы должны появляться в одинаковом количестве, но живые организмы каким-то образом продуцируют только левые молекулы. NASA планирует решить эту странную загадку живой природы.
Хиральность живых организмов
Хиральность-это существование зеркального отражения объекта. Простой пример хиральности-человеческие руки. Наши руки имеют одинаковое строение, но левая и правая рука зеркальны друг к другу.
Некоторые молекулы, особенно самые важные в живых организмах, могут иметь свои зеркальные копии. Научно зеркальные вариации молекулы называются L-изомер и D-изомер.
Хиральные молекулы имеют химически идентичную структуру. L-изомер и D-изомер имеют одинаковое количество атомов и их расположение. Однако L-изомер и D-изомер могут изменять поляризацию света, поворачивая его вправо или влево. Для наблюдателя это выглядит как светлая или темная молекула.
В обычных химических реакциях соотношение закрученных влево и закрученных вправо молекул примерно одинаково, поскольку это случайный процесс. У науки нет простого способа получить только закрученные влево или только закрученные вправо молекулы. Пастеру в своих опытах с винной кислотой приходилось вручную отделять кристаллы различной хиральности с помощью пинцета.
Все живые организмы нашей планеты основаны на семействе молекул, известных как аминокислоты. Аминокислоты являются строительными блоками для другого семейства молекул, известных как белки. Белки отвечают почти за все в биологическом теле. Например, ваши мышцы-это молекулы из семейства белков.
Произведенные живыми организмами аминокислоты всегда имеют левую поляризацию света. Хотя есть редкие исключения, например, D-аминокислоты в клеточных стенках бактерий. Продуцируемые живыми организмами молекулы семейства сахаров, которые частично составляют костяк молекулы ДНК, всегда правосторонние, придавая двойной спирали ДНК характерный поворот вправо.
Большой вопрос о происхождении жизни на Земле заключается в том, почему живые организмы основаны исключительно на «левосторонних» аминокислотах.
НАСА хочет разгадать хиральность
Когда НАСА запустило космический корабль к астероиду Бенну, Дэнни Главин, старший научный сотрудник по отбору проб, хотел разгадать безжалостную тайну хиральности.
Главин и группа исследователей исследовали песчинки из Бенну, богатого углеродом астероида, состоящего из неплотно связанных валунов.
То, что они обнаружили, шокировало их. Вместо того, чтобы поддержать одну из ведущих гипотез о том, что ранняя Солнечная система предпочитала леворукость молекул и приносила эти ингредиенты на первоначальную Землю, ученые вообще не обнаружили фаворитизма.
«Должен признать, я был немного разочарован», — сказал Главин. «Я чувствовал, что это перечеркнуло 20 лет исследований в нашей лаборатории и мою карьеру».
С практической точки зрения, если бы все биологические молекулы приняли обратную форму, они работали бы так же. Итак, если жизнь могла пойти другим путем, почему она этого не сделала? Почему жизни пришлось повернуть налево? Начался ли перекос в сторону левосторонних аминокислот в космосе, или это произошло позже на НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ?
«Фундаментальный вопрос для нас заключается в том, должна ли жизнь быть такой, какая она есть», — сказала Ирен Чен, профессор химической и биомолекулярной инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которая не участвовала в исследовании астероида. «Склонна ли вселенная к нашему виду жизни, или наша биология — результат случайностей?»
Ученые с самого начала знали, что они будут использовать материал, собранный миссией OSIRIS-Rex стоимостью 800 миллионов долларов, для анализа отдельных аминокислот. Минеральные фрагменты Бенну могут быть старше Солнечной системы, которой 4,6 миллиарда лет. Эти крупинки звездной пыли могли образоваться от умирающих звезд или сверхновых, которые в конечном итоге привели к созданию солнца и планет.
Для проведения своего исследования ученые заварили разновидность «чая Бенну» — прокипятить небольшое количество камней и пыли в воде и кислотах для извлечения органических соединений. Затем они использовали методы масс-спектрометрии для идентификации органических молекул, включая 14 из 20 аминокислот, используемых живыми организмами для построения белков. Некоторые из последних результатов были опубликованы в журнале Nature Astronomy.
За последние несколько десятилетий исследователи обнаружили, что в метеоритах, которые путешествовали по космосу и аварийно приземлились на Землю, концентрация левосторонних аминокислот была выше, чем правосторонних, примерно на 60 процентов. Возможно, космические породы доставили соединения, которые затем подверглись химическим реакциям вблизи глубоководных жерл Земли, сформировав первые клетки. Возможно, другое-эволюция.
Эти результаты в сочетании со знанием того, что космические камни бомбардировали планету на протяжении тысячелетий, привели ученых к мысли, что древние астероиды, капсулы времени Солнечной системы, также обнаружат больше левосторонних аминокислот.
Если в Солнечной системе действительно больше левшей, возможно, виной всему поляризованный свет в космосе. Небольшое преимущество в окружающей среде со временем может перерасти в большую неравномерность.
Но исследователи Бенну обнаружили, что лево-и правозакрученные молекулы примерно одинаковы. Теперь Главин задается вопросом, являются ли предыдущие исследования метеоритов недействительными, возможно, они были загрязнены земными белками при падении на землю.
Джейсон Дворкин, научный сотрудник проекта Миссия OSIRIS-Rex, считает, что у Бенну может быть другая причина, по которой он не демонстрирует больше левосторонних молекул.
«Бенну-пример одного из типов метеоритов будущего, который очень хрупок, чтобы пережить приземление на Землю, и поэтому на самом деле его нет в наших коллекциях», — сказал Дворкин.
Возможно, реальность такова, что базовое строение живых организмов определялось случайным образом. Как только был установлен успешный шаблон, этот шаблон продолжил эволюцию.
Белки и ферменты, крошечные молекулы внутри клеток, складываются вместе, как пазл. Если бы жизнь возникла с левосторонними аминокислотами, то более поздний переход на правосторонние аминокислоты мог бы привести к остановке всей работы.
Единообразие имеет огромные преимущества для жизни. Если бы люди основывались на правосторонних аминокислотах, а растения – на левосторонних аминокислотах, люди не смогли бы переваривать растения.
Созданные в лаборатории зеркальные версии биологических белков с правосторонним аминокислотами функционируют как нужно. Но их гораздо труднее разложить ферментам-другим биологическим молекулам, которые ускоряют медленные химические реакции. Именно благодаря ферментам вы быстро получаете энергию после обеда, ведь ферменты быстро разлагают белки из пищи.
Некоторые ученые выразили обеспокоенность по поводу исследований хиральных молекул в лабораториях. Это может породить живые организмы, которые имеют другую основу. Иммунная система, например, человека окажется беззащитной перед зеркальными бактериями. Инструменты нашей иммунной системы предназначены для обнаружения и разрушения левозакрученных молекул, тогда как с зеркальными правозакрученными она не сможет что-то сделать. Группа биологов недавно написала обширный документ о рисках, о чем сообщает New York Times.
И, возможно, нет худа без добра: некоторые астробиологи предложили использовать количество лево-и правозакрученных молекул в качестве биосигнала. Одинаковое количество молекул обоих типов во внеземном образце может указывать на то, что молекулы были созданы в ходе химических реакций без участия живых существ. Но избыток одного типа может быть намеком на существование инопланетной жизни.
По материалам: Mashable
