Eлектроните са виновни за асиметрията в природата

Цялата природа е асиметрична. Сега учените са намерили потвърждение на това, че дисбалансът между лявостранните и дясностранните биохимични молекули може да е бил предизвикан от електроните, възникващи в хода на ядрения разпад в първите дни на еволюцията.

Експеримент, провеждан в продължение на 13 години, показал, че едни електрони се стремят да разрушат едни органични молекули много по-често, отколкото огледалните им копия.

Много органични молекули, включително глюкозата и повечето биологични аминокиселини, се явяват хирални. Тоест съществуват лявостранни и дясностранни модификации с абсолютно еднакви по отношение на състава молекули, които се явяват огледални двойници една на друга. Грубо казано, молекулите се отличават една от друга също както дланите на ръцете.

Всичко живо се стреми постоянно да използва един от възможните варианти, например двойната спирала ДНК в своята стандартна конфигурация винаги е завъртяна дясностранно. Но причината за такава ориентация дълго време оставаше загадка за учените.

Много учени смятат, че този феномен е само воля на случая. Възможно е статистически в първичния „бульон“ от първите молекули дясностранните вещества да са превъзхождали своите огледални копия, поради което този дисбаланс се е съхранил в процеса на еволюция и се е засилил с течение на времето.

Асиметрията в законите на природата се наблюдава и във физичните явления, които вероятно са и нарушили баланса на началните етапи на еволюцията на живота.

Така слабото ядрено взаимодействие се явява единствената сила на природата, която има „предпочитания“ по ориентацията: електроните, създадени в субатомния процес, известен като β-разпад, винаги се явяват лявостранни.

Това означава, че техният спин, квантовият момент на импулса на елементарните частици, винаги ще бъде противоположен на посоката на движение на електрона.

През 1967 година биохимикът Фредерик Вестер и екологът Тило Улбрихт установили, че фотоните, генерирани от така наречените спин-поляризирани електрони, биха могли да разрушават повече едни молекули, отколкото други, създавайки по този начин дисбаланс. Междувременно някои групи физици твърдели, че самите електрони могат да бъдат източник на биохимична асиметрия.

И все пак хипотезата на Вестер и Улбрихт не била доказана експериментално. Напротив, всички резултати от експерименти демонстрирали пълен баланс с изключение на явните статистически грешки, съобщава съавторът на новото изследване Тимъти Гай, химик от университета на Линкълн в Небраска.

„Възможността успешно да се проведе химична реакция по разрушаване на органичните молекули на спин-поляризираните електрони би ни помогнала да изключим някои от теориите, обясняващи дисбаланса на частиците. Също ние много искахме да погледнем физиката на процеса“, разказва Гай.

Заедно със своите колеги Гай решил да проведе лабораторен експеримент. Физиците изстрелвали слабоенергетични спин-поляризирани електрони по газообразен камфорен бромид – органично съединение, използвано като успокоително средство. В резултат някои електрони се оказали захванати от молекулите на газа, след което преминали във възбудено състояние.

След това молекулите се разпадали, генерирайки бромидни йони и други високоактивни съединения. Измервайки потока на образуващите се йони, изследователите успели да определят колко често протичала всяка реакция за всеки отделен спин-поляризиран електрон.

Изследователите открили, че лявоориентираните молекули на бромкамфора по-често встъпвали в реакция с дясноориентираните електрони, отколкото с огледалните им копия. Обратното също се оказало вярно и за дясноориентираните молекули газ. При най-ниски енергии посоката на спина се преобръща, в резултат на което възниква противоположна асиметрия.

„Асиметрията се оказа малка, но напълно забележима. Това е като 20 000 пъти да хвърлиш монета и 10 003 пъти да се падне ези и 9997 пъти – тура“, пояснява Гай.

Главен свой успех екипът учени нарича провеждането на експеримента при ниски скорости и енергии. След толкова години неуспехи резултатите накрая били получени и химиците могат да направят първи изводи за сега вече доказаната хипотеза на Вестер и Уилбрихт.

Критиците на тази теория и на експеримента на Гай и колегите му съобщават, че няма никаква умишлена природна асиметрия. Експериментът, според тях, само доказва хиралната симетрия и наличието в нея на грешки, предизвикани от фоновите явления.

И все пак, според изследователите, възникването на спин-поляризирани електрони е накарало всичко живо да стане хирално селективно. Но досега няма отговор на въпроса, как са възникнали най-първите спин-поляризирани електрони.

За първоизточник се смятат β-частиците, които могат да породят фосфор-32, разпадащ се на сяра-32 и на мюони – елементарни частици, образуващи се в края на веригата разпади, когато частиците от космическите лъчи попадат в атмосферата.

В двата случая електроните трябва да летят доста по-бързо, отколкото в експеримента на Гай, но той твърди, че електроните могат значително да се забавят, без да губят своята хиралност. Впрочем ученият тепърва предстои да уточни действително ли спин-поляризираните електрони се образуват в резултат на β-разпад, а не на каквито и да било други физико-химични процеси.

Учените отбелязват също, че взаимодействието на лявостранните електрони с органичните молекули не се явява единственото от възможните обяснения на хиралната асиметрия на живота.

Експериментално е доказано, че светлина с кръгова поляризация, която възниква в резултат на разсейването на светлината в атмосферата на Земята и неутронните звезди, също е способна да предава своята ориентация на аминокиселините.

В бъдеще Гай и колегите му планират да проведат повече експерименти и с други молекули газ, за да запишат повече статистически данни за възникването на асиметрията.

Резултатите от изследването са публикувани в сп. Physical Review Letters.