Хирален стерилитет на биосферата

Хиралността (от древногръцки χειρ - ръка, а не това, което мислите) е химичен термин за изомери на вещество. Както знаете, много доста сложни вещества имат молекули с една и съща химична формула, състоящи се от едни и същи атоми, но пространствената конфигурация на тези молекули е различна. Тези молекули (или изомери) имат хиралност или някакъв вид симетрия. Пример за огледална симетрия са две рамена. Лявата ръкавица не може да се сложи на дясната ръка и обратно. Но в огледалото дясната ръка изглежда като лявата, а лявата изглежда като дясната. По същия начин изомерите на молекулите на едно вещество (те се наричат цис и транс изомери) не могат да бъдат пространствено насложени, а се получават един от друг чрез огледално отражение. В допълнение към огледалната симетрия може да има и други видове симетрия, например централна симетрия, аксиална симетрия.

Изомерите на веществата имат различни свойства. Например, при кристализация на натриев амониев тартрат, цис и транс изомерите образуват съответно десен и ляв кристал. Ако семето съдържа само цис изомера, тогава кристалът ще расте само с дясна ръка. Всички транс изомери ще останат в разтвор. Между другото, това свойство е в основата на индустриалното разделяне на изомерите в химията (при пречистването на лекарства).

За първи път великият Луи Пастьор се сблъсква с феномена хиралност. Той даде името на това явление.

Оптична активност.

За първи път способността на веществата да въртят равнината на поляризация е забелязана от Доминик Араго през 1811 година. Малко по-късно Био и Зеебек установяват, че терпентинът също е способен да върти равнината на поляризация и то не само в течност, но и в газообразна форма. Така стана ясно, че оптичната активност е присъща именно на молекулите на веществата.

През 1828 г. Уилям Никол проектира поляриметъра - устройство, използвано и до днес, за измерване на ъгъла на въртене на равнината на поляризация. Състои се от два кристала исландски шпат, които пропускат поляризирана светлина през тях. Между тях, на оптичната ос на устройството, се намира изследваното вещество.

Ако излеете разтвор с ляв (или десен) изомер в поляриметровата кювета, можете да видите, че равнината на поляризация на светлината, преминала през кюветата, се е обърнала.

И тук е хирална стерилност?

Често цис и транс изомерите имат различни химични и биологични свойства. Например, всички живи същества на Земята са съставени от лево-въртящи се аминокиселини и право-въртеливи захари.

Ако разтвор с аминокиселина, получена от жив организъм, се излее в кюветата на поляриметъра на Никола, тогава равнината на поляризация на светлината ще се обърне наляво.

Смес от левия и десния изомер, естествено, никъде не завърта равнината. И двата изомера взаимно компенсират оптичната активност един на друг. По този начин експериментаторите получават много прост метод, който им позволява да открият за няколко секунди кой изомер (или смес от изомери) е получен в резултат на химическа реакция.

Интересно е, че реакционните продукти, получени в експеримента на Милър-Юри, не въртят равнината на поляризация. Следователно аминокиселините в този експеримент са съставени от смес от изомери. По този начин биологичните аминокиселини все още се различават от аминокиселините, получени чрез химична реакция. Това е най-мощният аргумент на противниците за приложимостта на резултатите от експеримента на Стенли Милър към загадката на абиогенезата.

Освен това експериментите показват, че различните изомери са биологично активни по различни начини. Например, левият изомер на антибиотика пенициламин има, както би трябвало, антимикробно действие. Правилният изомер е ужасна отрова, убиваща всичко - както микробите, от които се лекува тялото, така и самото тяло. В най-малките концентрации води до слепота.

Загадката на хиралната стерилност

Биосферата на Земята е хирално стерилна. В литературата все още можете да намерите термините "хирална асиметрична", "хирална хомогенна" и т.н. Без живо изключение, всички живи същества, от амеби до слонове, са съставени от едни и същи левовъртящи се аминокиселини и дясно въртящи се захари.

Всъщност, защо биосферата е хирално хомогенна? Хипотезите на абиогенезата обикновено обясняват това с факта, че ВСИЧКО биосферата еволюира от една-лява РНК молекула. И двата изомера присъстваха в първичния бульон, но в резултат на пребиологични мутации (виж теорията на хиперциклите) една молекула спечели предимство. Например, при което поради успешна мутация скоростта на катализираните реакции се е увеличила. Тази молекула предава своя наследствен код на потомците, които „поглъщат“ цялата органична материя без собственици. Случайно тази успешно мутирала молекула е лявата РНК.

Това обяснение всъщност е само половината от обяснението. Вероятността от 0,5 е статистически много висока, за да се направи такова заключение.

Модели, обясняващи хиралната хетерогенност на биосферата

Тази глава няма да се фокусира върху утвърдени теории, които се приемат от по-голямата част от научния свят, а само върху хипотези. Затова ви препоръчвам да се отнасяте много внимателно към моделите в тази глава и да не се позовавате на тях като на истината. Също така трябва да се помни, че повечето от тези модели работят вътре неравновесна термодинамика.

- Модели на В. И. Голдански „студена предистория на живота“ (1986) и „спонтанно нарушаване на симетрията“ (1988). Опишете разрушаването на огледалната симетрия и изместването на равновесието между изомерите към левовъртящи се аминокиселини на пребиологичния етап.
- Моделът на хиперциклите на М. Айген. В момента този модел е най-успешно разработен и продължава да се развива. Това е комбинация от автокаталитични реакции, всяка от които е цикъл. Ако начертаем диаграма на хиперцикъл, ще видим един вид сачмен лагер. По-долу има рисунка от книга на К.Ю. Ескова "Популярна палеонтология":

Типичен пример за хиперцикъл е размножаването на РНК-съдържащ вирус в жива клетка.

Наскоро се появи работа, показваща селективно разрушаване на един от изомерите на цитозин рибонуклеотид чрез действието на поляризирано ултравиолетово лъчение. Авторите изказват предположението, че по този начин може да възникне асиметрията на изомерите, образувани в материята на кометата. Най-общо казано, вече са натрупани доста факти, които показват, че в материята на комети може да се образува доста сложна органична материя. Хипотезата гарантира, че комета с такава асиметрична РНК е паднала на Земята, предизвиквайки по-нататъшен процес на абиогенеза. Хипотезата обаче не казва нищо за това откъде в космоса е дошла поляризираната ултравиолетова светлина. Както знаете, лъчението на нашето Слънце в широк диапазон (инфрачервена светлина, видимо лъчение, ултравиолетово) се подчинява на законите на Болцман и Виена, тоест излъчва като абсолютно черно тяло, загрято до 5778 градуса по Келвин. Излъчването на такова тяло е неполяризирано.

По този начин загадката все още не е разгадана. Да се надяваме, че развитието на науката ще даде по-задоволителен отговор.

Необходима ли е хирална асиметрия?

Досега се смяташе, че хиралната асиметрия е незаменим атрибут на живота. Тоест, мълчаливо се постулира, че в началото някои (досега неизвестни за нас) процеси разделят десния и левия изомери и едва след това от левите изомери се формира живот.

Този постулат изглежда толкова очевиден за биохимиците, че дори не поражда съмнения у никого. И все пак десните изомери, въведени в разтвора, са ефективни инхибитори. Тоест, те блокират работата на левите си колеги. С други думи, те са отровни за всичко живо. Следователно огромен брой научни екипи по света упорито търсят тези непознати процеси на разделяне.

Но научното мислене е, че всичко, дори на пръв поглед очевидни неща, се поставя под въпрос. И ето ви: двама американци, Джонатан Т. Щепански и Джералд Ф. Джойс, изглежда са оставили останалата част от биологичната общност с нос. Те поставиха под съмнение постулата, че „в началото имаше хирално разделяне“. И те не само разпитваха, но и експериментално доказаха, че левият и десният изомер могат лесно да "живеят" в едно решение. Не само без да се намесваме, а, напротив, да си помагаме. В този експеримент рибозим (кръстосано-хирална полимераза) създава точно и бързо огледалното си дясно копие. Дясното копие също толкова точно и бързо създава лявото.
Как е получена тази полимераза е отделна история, която сама по себе си вече дърпа Нобелова награда. Но какво прави тази молекула. това е просто феерично!

В допълнение, заключенията, които могат да се направят от резултатите от този експеримент, са очарователни. Накратко, тези констатации са:

1. Хиралната асиметрия не е незаменим атрибут на живота. Човек може да си представи произхода на живота от рацемична смес, получена от експеримента на Милър-Юри. Това елиминира необходимостта от търсене на някакъв процес на разделяне. Пътят до произхода на живота е в пъти по-лесен и кратък.

2. Хиралната асиметрия изглежда не е причина, а последица от биологичната еволюция. Напълно възможно е да си представим, че в резултат на мутация левите полимерази са спечелили предимство в скоростта пред десните. Както знаете, природата никога не започва отначало - „работи“ с материала, който има в момента. Придобили предимство, левичарите полимерази започнаха да търсят начин да се „отърват“ от дясната половина. Очевидно са го открили, тъй като десните изомери са напълно изместени.

Така Щепански и Джойс не само показаха на света, че предишният път е крив, изкривен и труден и евентуално погрешен. Те ни показаха, че има и друг начин, по-кратък и по-лесен. Научният свят все още е зашеметен от новото евангелие от двама пионери. Надяваме се, че скоро откритията ще паднат като рог на изобилието.