Некоторое время назад мы рассказывали вам о возможности скорого открытия новой элементарной частицы на Большом адронном коллайдере. Примерно в это же время появились сообщения о том, что ученым, возможно, удалось зарегистрировать признаки существования еще одной невиданной доселе элементарной частицы, которая теоретически могла бы восстановить во Вселенной симметрию правого и левого.

Правое и левое в биологии

На самом деле двусторонняя симметрия между правой и левой половиной человека обманчива. Внутренние органы человека, как мы знаем, не расположены симметрично – сердце слева, печень справа и так далее. Бывают, конечно, и исключения – например, люди с двумя сердцами, но все же они встречаются крайне редко. Кроме этого, в людях, как и во всех живых существах, есть еще один уровень асимметрии, гораздо более глубокий, нежели этот.

Если посмотреть на человеческое тело через микроскоп, мы увидим, что его клетки преимущественно состоят из белков и нуклеиновых кислот. Белки, в свою очередь, состоят из аминокислот – соединений на основе углерода, аминогруппы и карбоксильной группы. Нуклеиновые кислоты также включают в себя углерод в составе сахара, плюс к этому содержат фосфатную группу и азотистое основание.

Из-за присутствия в этих соединениях атома углерода они приобретают свойство хиральности, так как сам атом углерода имеет хиральное, то есть асимметричное, строение. В результате этого молекулы абсолютного большинства ответственных за жизнь аминокислот (а именно – 19 из 20 аминокислот) могут существовать в двух состояниях, когда они имеют одинаковый состав, но разное пространственное расположение атомов. Две такие молекулы как бы являются зеркальным отражением друг друга. Чисто условно мы можем сказать, что одна из этих молекул "закручена" вправо, а другая – влево, хотя названия направлений были выбраны абсолютно условно.

То же самое касается сахаров – они также бывают "правые" и "левые". Если мы будем синтезировать такие сахара или аминокислоты химическим способом, то мы всегда будем получать в результате реакции совершенно равное количество "правых" и "левых" молекул. Такая смесь называется рацемической, а зеркальные молекулы – энантиомерами.

Хиральность живой природы

Однако в живой материи дела обстоят совершенно не так. За очень редким исключением, все белки в живых организмах на нашей планете построены исключительно на "левых" аминокислотах (или L-аминокислотах). А все нуклеотиды, из которых состоят цепи ДНК и РНК, – на D-углеводах (то есть "правых").

Это удивительное свойство хиральности живой материи обнаружил еще Луи Пастер. Хиральность играет чрезвычайно важную роль для живых существ. Разные изомеры веществ ("правые" и "левые") совершенно по-разному могут воздействовать на человеческий организм. К примеру, известное всем лекарство ибупрофен является D-энантиомером вещества, "левый" аналог которого вовсе не действует на человека.

Еще один пример: в 60-х годах на Западе беременным женщинам стали прописывать новое лекарство от тошноты и плохого самочувствия. Лекарство работало, но, как оказалось позднее, совершенно губительно воздействовало на плод. Оказалось, что лекарство это представляло собой рацемическую смесь "правого" и "левого" изомеров вещества. И пока левый энантиомер действовал как лекарство, правый наносил непоправимый вред. Сегодня все подобные лекарства тщательно очищаются от своих вредных "зеркальных отражений", которые неминуемо образуются в результате химического синтеза.

Почему живой природе присуща такая асимметрия уже на молекулярном и атомном уровне? У биологов пока нет точного ответа на этот вопрос. Когда-то в прошлом должен был существовать механизм, отобравший для жизни исключительно один из двух видов аминокислот и углеводов. Но что это за механизм – пока не известно. Правда, на эту роль есть один очень интересный кандидат, о котором мы уже говорили выше.

Связь физики и биологии

Речь идет о слабом взаимодействии. Гипотеза напрашивается сама собой: если единственное фундаментальное взаимодействие, обладающее лево-правой асимметрией, – это слабое ядерное взаимодействие, почему бы ему не быть ответственным за такую же асимметрию на уровне молекул, составляющих все живое на свете?

Красота этой гипотезы несколько портится количественными характеристиками. Слабые ядерные взаимодействия в действительности настолько слабы, что прямое их воздействие на преимущество одних хиральных молекул над другими попросту невозможно. Если такая зависимость и имеет место, речь здесь идет о некоем многоступенчатом механизме.

К примеру, именно слабое взаимодействие ответственно за такой тип ядерной реакции, как бета-распад. Он характеризуется испусканием из ядра электрона и антинейтрино (или же позитрона и нейтрино). Такие процессы вовсю происходят в атмосфере Земли – атомы веществ сталкиваются с космическими лучами высоких энергий, теряют электроны, превращаясь в ионы, а затем испытывают распад.

При этом из-за несимметричности слабого взаимодействия испускаемый ядром электрон обычно оказывается в случае бета-распада с левой поляризацией. А такой электрон уже может по-разному влиять на "правые" и "левые" молекулы какой-либо рацемической смеси. Буквально в прошлом году учеными был получен результат, согласно которому медленные электроны по-разному влияют на "правые" и "левые" изомеры бромкамфоры – вещества с химической формулой C10H15BrO.

Если когда-нибудь гипотеза связи право-левой асимметрии слабого взаимодействия с хиральностью жизни подтвердится, то это будет одно из самых удивительных открытий на стыке фундаментальной физики и биологии, которое установит прямую связь между устройством нашей Вселенной и происхождением в ней жизни, том числе – и нас с вами.

Детский планшет

Мини-флешка для iPhone