Земная асимметрия из космического сепаратора

Земная асимметрия из космического сепаратора

Судьба органических молекул в космосе сильно зависит от их ориентации

На первый взгляд, нет ничего ближе к действительности, чем ее зеркальное отражение. Вероятно, именно поэтому так интересно изучать ту непроходимую пропасть, которая отделяет первое от второго! Фото (Creative Commons license): David Oliva

В одном своем довольно известном произведении священник Павел Флоренский (1882–1937) предложил неожиданную и оригинальную трактовку путешествия Данте по загробному миру. Как известно, Данте (Dante Alighieri, 1265–1321) описал в «Божественной комедии» сначала спуск в Ад, а потом постепенный подъем от самой середины ада через Чистилище к высшим сферам Рая, к Эмпирею. Именно там, у самого божественного престола, произошла желанная встреча с Беатриче. Но зачем же было нужно столь долгое путешествие?

В книге «Мнимости в геометрии», вышедшей в 1921 году, Флоренский утверждает, что у всякой геометрической поверхности есть свой мнимый двойник. В случае обычной плоскости, этот двойник — просто ее изнаночная сторона. В случае реального земного мира, двойник с мнимыми координатами образует загробный мир. Данте спускался по подземной воронке Ада до самого расположенного у его дна «властителя тьмы», Люцифера, и близ его чресл пересек «невидимую грань», после чего его голова оказалась там, «где раньше были ноги». Так, он вывернулся наизнанку, для него правое стало левым, а сам он смог путешествовать по той стороне мира, где мнимые координаты.

Превращения, связанные с отражениями, присутствуют, по мнению известного математика, члена-корреспондента РАН Алексея Николаевича Паршина, более или менее в любом фольклоре. Когда Иван-царевич, ударяясь оземь, превращается в серого волка, происходит примерно то же самое: он выворачивается наизнанку, меняя свою сущность. Вполне вероятно, что за этими странностями, связанными с превращениями при отражении, стоит довольно давнее понимание человека, что он сам совсем не тождественен своему отражению в зеркале. Все черты лица и особенности физиологического устройства у того, кто по ту сторону, вроде бы и такие же, и все же иные, и даже сердце не с той стороны!

Весьма образно та же тема была разыграна Георгием Гамовым (George Gamow, 1904–1968) и Мартинасом Ичасом (Martynas Yčas) в их научно-популярной книге «Мистер Томпкинс внутри самого себя» (Mr. Tompkins Inside Himself, 1967). Герою книги — интересующемуся наукой банковскому служащему мистеру Томпкинсу — снится сон о том, как его сын, молодой математик Уилфред Томпкинс находит в дельте Амазонки «трехмерную воронку Мёбиуса». Там с ним происходит примерно то же, что и с Данте в центре мира: он выворачивается наизнанку. Только мистера Томпкинса интересует не загробный мир, а пространственные структуры его организма.

Иллюстрация Джованни Страдано (Giovanni Stradano, Jan van der Straet, 1503–1605) к последней 34-й главе первой кантики «Божественной комедии». Тут изображен тот самый драматический момент в повествовании, когда, по словам Данте, его охватил трепет, непонятный «черни» (la gente grossa il pensi), поскольку ей неведомо, что за «точку» он миновал (quel punto ch’io avea passato). Эта точка расположена близ «чресл» (dove la coscia si volge) Люцифера.

Превратившись в свое зеркальное отражение, организм Уилфреда утратил способность перерабатывать белки — ведь его аминокислоты стали теперь «правыми», а белки в обычной земной пище состояли, естественно, из «левых» аминокислот. Ему оставалось питаться водкой и, к примеру, сыром. Как он считал, спасти его жизнь могло только возвращение к воронке Мёбиуса. Но сопровождавший его в путешествии проводник погиб (по-видимому, его организм тоже пострадал в результате обхода воронки), и положение представлялось ему безвыходным. На этом месте своего исполненного драматизма сна мистер Томпсон проснулся и увидел своего сына живым и невредимым.

Неинвариантность человеческого тела относительно отражений стала тем более удивительна, когда выяснилось, что молекулы ДНК в любом живом организме закручены в одну и ту же сторону. И еще спустя некоторое время обнаружилось, что и вся наша Вселенная, если бы могла посмотреть на себя в зеркало, то, вероятно, себя бы и не узнала. При отражении все ее частицы становятся античастицами, а частицы и античастицы в нашем мире ведут себя немного по-разному.

Сейчас для такой двойственности придумано подходящее слово — хиральность (или киральность), от греческого χειρ, рука, поскольку самый простой способ обнаружить различие правого и левого — это попытаться надеть левую перчатку на правую руку.

Левая, правая где сторона?

Хиральность — одно из наиболее загадочных свойств живой материи. Хиральными называют объекты, которые являются зеркальным отражением друг друга. Впервые о хиральности живой материи заговорил французский естествоиспытатель Луи Пастер (Louis Pasteur, 1822–1895) в середине XIX века. Правда, он не употреблял такого слова.

Проведенные Пастером эксперименты показали, что некоторые вещества, описываемые одинаковыми химическими формулами, могут иметь разные свойства. Например, при растворении в воде они обладают оптической активностью — то есть вращают плоскость поляризации падающего на раствор света. Но может такое случиться, что одно и то же вещество в каких-то случаях вращает плоскость по часовой стрелке, а в каких-то — против.

Голландский химик Вант-Гофф (Jacobus Henricus van 't Hoff, 1852–1911) доказал, что такое различие обусловлено разным пространственным расположением атомов в молекуле вещества. При обычном химическом синтезе «правые» и «левые» молекулы (энантиомеры) образуются в одинаковых количествах, и соответствующее вещество оказывается оптически неактивным. В случае же живых организмов образуются асимметричные соединения: аминокислоты и сахариды встречаются в природе только в какой-то одной из двух зеркально симметричных форм. Антиаминокислоты и антисахариды в природе так же редки, как и античастицы. Так, большинство аминокислот, из которых построены белки человеческого организма, являются «левыми» формами. В некоторых редких случаях оказывается возможным отличить правые вещества от левых по вкусовым ощущениям. К примеру, у аминокислоты лейцин правовращающая разновидность сладкая, а левовращающая — горькая.

В результате сделанного Пастером открытия проблема происхождения жизни вышла на молекулярный уровень. Необходимо было понять, по какой причине появившиеся на Земле живые организмы оказались связанными только с одним из двух абсолютно равнозначных способов взаимного расположения атомов в пространстве. На этот вопрос — о причине хиральности живой материи — естествознание ищет ответа уже более столетия.

Кристаллы лево- и правовращающей форм винной кислоты. Если в растворе они присутствуют в равных концентрациях, раствор не обладает оптической активностью. Иллюстрация: Brighterorange

Космическая жизнь

Сам Пастер считал, что источником хиральности является Космос, и был убежден в космическом характере «дисимметрических сил» (forces dissymétriques naturelles). Действуя на неживую (косную) материю, такие силы могли сообщить ее молекулам асимметричные свойства. Пастер предполагал, что их источником могут быть геомагнитные колебания, вращение Земли вокруг Солнца или нечто подобное. Однако его попытки обнаружить такие силы экспериментально не принесли результатов.

В нашей стране активным сторонником идей Пастера стал знаменитый российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863–1945). В 1931 году он выступил на заседании Ленинградского общества естествоиспытателей с докладом «Об условиях появления жизни на Земле», в котором он объявил дисимметричность пространственной структуры молекул фундаментальным признаком живой материи:

В соединениях, связанных с жизнью, преобладает или исключительно существует один антипод.

Как и Пастер, Вернадский считал, что это свойство живого вещества «наведено» на него факторами космического порядка. Однако ни Пастер, ни Вернадский так и не смогли привести каких-либо доказательств своих теорий.

Вполне естественно, что относительно недавние достижения в космических исследованиях дали сторонникам новых теорий «космического» происхождения молекулярной хиральности основания для новых гипотез. Так, профессор Рональд Бреслоу (Ronald Breslow) из Колумбийского университета (Columbia University) представил на проходившей в апреле 2008 года в Нью-Орлеане конференции Американского химического общества результаты выполненных под его руководством исследований. По мнению Бреслоу и его коллег, изначально присутствовавшие в метеоритах правые формы аминокислот были разрушены электромагнитным излучением круговой поляризации, которое исходило от заряженных частиц, ускоренно движущихся в окрестности нейтронных звезд.

Группа Бреслоу показала, что сформировавшийся таким образом дисбаланс аминокислот в пользу «левых» форм — после того как попавшие на Землю метеориты «передали» его Земле — может увеличиваться в ходе процессов автокатализа. Отметим, что в упавших на Землю метеоритах наблюдается избыток «левых» аминокислот в пределах от 2% до 18%, и при этом ни разу не был зафиксирован избыток «правых».

Метеорит, упавший 28 сентября 1969 года на австралийскую деревню Мурчисон. Изначально на нем были обнаружены как известные, так и не встречающиеся на земле аминокислоты. И уже в начале XXI века обнаружился избыток левовращающих форм над правовращающими. Фото: Department of Energy

Происхождение найденных в метеоритах аминокислот нередко становится, однако, предметом отдельной дискуссии. Действительно, мы не можем исключить, что эти аминокислоты оказались на поверхности метеорита не в глубоком Космосе, а в результате его контактов с земной атмосферой и с земной поверхностью. По этому поводу Бреслоу замечает, что аминокислоты, которые изучала его группа, содержат значительное количество тяжелых изотопов водорода, углерода и кислорода и что это обстоятельство как раз и указывает на их внеземное происхождение.

Восходы на полях вокруг сверхновых

Гипотеза Бреслоу о ключевой роли в отборе левых аминокислот, которая принадлежит поляризованному по кругу электромагнитному излучению, возникла не на пустом месте. Еще в 1998 году группа астрономов под руководством Джереми Бейли (Jeremy Bailey) из университета Нового Южного Уэльса в Сиднее (University of New South Wales in Sydney) изучала туманность Ориона и обнаружила, что некоторые участки туманности, находящиеся на расстоянии 1300 световых лет от Земли, буквально залиты поляризованным по кругу электромагнитным излучением инфракрасного диапазона. Статью о своем открытии астрономы опубликовали в журнале Science. При этом вполне допустимо предположить, что так же поляризована и ультрафиолетовая часть спектра, просто земные телескопы регистрируют только его ИК-составляющую.

Взаимодействуя с атомами, поляризованное по кругу излучение может их разрушить. В зависимости от направления поляризации — вправо или влево, оно разрушает либо «правые», либо «левые» молекулы. Соответственно, в тех участках туманности Ориона, которые исследовали Бейли и его коллеги, будет преобладать только один вид аминокислот: либо «левые», либо «правые». Точно такая же ситуация могла сложиться в той области космического пространства, в которой происходило формирование солнечной системы. В этом случае асимметрия молекул живого вещества на Земле получает вполне адекватное объяснение.

Активно обсуждается в последние годы и другая гипотеза космического происхождения хиральности живого. Ее авторы — Ричард Бойд (Richard Boyd) из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory) вместе с Кадзино Тоситака (Toshitaka Kajino) и Онака Такаси (Takashi Onaka) из Токийского университета (University of Tokyo) — считают, что изначальное превышение «левых» аминокислот над «правыми» было связано с комбинированным воздействием на аминокислоты: и со стороны магнитного поля, и потоков частиц высоких энергий, возникающих при взрывах сверхновых звезд.

Поляризационная камера SIRPOL, установленная на инфракрасном телескопе IRSF в Южной Африке, позволила проанализировать различия в поляризации излучения от Туманности Ориона. Области, излучающие свет правой поляризации (вектор электрической напряженности вращается по часовой стрелке), обозначены красным, области, излучающие свет левой поляризации — желтым. Площадь первых в 400 раз превосходит площадь Солнечной системы и в 4 раза площадь вторых. Фото: National Astronomical Observatory of Japan

Напомним, что сверхсильные магнитные поля возникают в ходе формирования нейтронных звезд — очень плотного и относительно холодного остатка на месте взрыва сверхновой. Аминокислота «чувствует» магнитное поле из-за того, что ядра атомов изотопа азота ¹⁴N обладают спиновым магнитным моментом. В 2004 году в журнале «Chemical Physics Letters» была опубликована статья химика Буккингема (Buckingham) из Кембриджского университета (University of Cambridge) показавшего, что на включение магнитного поля «правые» и «левые» молекулы реагируют по-разному. Ричард Бойд указывает, что в итоге аминокислоты одного вида будут двигаться по направлению магнитных силовых линий (то есть от северного магнитного полюса звезды к южному). Аминокислоты другого вида будут двигаться в противоположном направлении.

На заключительном этапе своего существования сверхновая является источником летящих по всем направлениям потоков нейтрино и антинейтрино. При взаимодействии антинейтрино с ядром азота ¹⁴N образуются атом углерода ¹⁴С и позитрон. Вероятность реакции ядер этих атомов с нейтрино намного ниже, но она тоже возможна — в итоге образуется ядро изотопа кислорода ¹⁴O и электрон. В результате обеих реакций молекулы аминокислот разрушаются. Но разрушаются по-разному.

Спиральное неравенство

Согласно выполненным Бойдом расчетам, причина хиральности кроется в различии реакций, в которых участвуют нейтрино и антинейтрино. Определяющим фактором тут служит численное значение констант связи, определяющих, как взаимодействуют между собой магнитные моменты микрочастиц. Как правило, вместо магнитного момента удобнее рассматривать специфическое квантовое число, которое называется спин.

Например, спин ядра атома азота ¹⁴N равен единице, а у ядра изотопа углерода ¹⁴С или у ядра изотопа кислорода ¹⁴O — спин нулевой. У электронов и позитронов, у нейтрино и антинейтрино спин равен ½. Но кроме спина есть еще один важный параметр, который называется спиральностью. Это проекция спина на направление движения частицы, то есть на направление ее импульса. У фотонов спиральность может быть равна +1, это правоспиральные фотоны, или -1, это левоспиральные фотоны. И хотя собственное значение спина у нейтрино и антинейтрино одно и то же, спиральность у них разная: спин антинейтрино всегда направлен вдоль импульса, то есть оно правоспиральное, спин нейтрино направлен навстречу импульсу, то есть оно левоспиральное.

Соответственно, разными окажутся и константы связи нейтрино и антинейтрино с ядрами азота. Максимальному ее значению, а значит и максимальной вероятности реакции, соответствуют противоположные направления спина ядра атома азота и спина разрушающей его частицы. Отсюда следует, что вблизи, к примеру, северного магнитного полюса умирающей сверхновой аминокислоты одного вида (движущиеся к звезде) будут разрушаться реакциями с участием антинейтрино, а вблизи южного магнитного полюса аминокислоты другого вида (движущиеся от звезды) будут разрушаться из-за реакций с участием уже нейтрино.

Как уже говорилось, реакции с участием нейтрино менее вероятны. В итоге в окрестностях сверхновой возникнет дисбаланс между «правыми» и «левыми» аминокислотами. По мере распространения по пространству Вселенной вещества из окрестностей сверхновой этот дисбаланс станет ощутимым и в том «строительном материале», из которого впоследствии образовалась наша Солнечная система. Изначально он колебался в пределах 1–5%, однако в дальнейшем, как показывают расчеты Уве Мейерхенрих (Uwe Meierhenrich) из университета Ниццы (Nice — Sophia Antipolis Université), дисбаланс усиливается за счет химического автокатализа. Для этого, естественно, необходима уже жидкая среда, так что наблюдаемая сейчас хиральность — это результат процессов, проходивших уже в условиях ранней Земли.

Льюис Кэрролл отправил свою любимую героиню Алису в Зазеркалье вовсе не для того, чтобы исследовать различия «правозакрученной» жизни и «левозакрученной». Об этом он еще ничего не знал. Но уже хорошо понимал, как мир по ту сторону зеркала не похож на мир по эту.

При всем том с повестки дня не сходит и более глобальный вопрос: не иллюзорна ли вообще проблема хиральности? Действительно ли молекулы с зеркальным расположением атомов полностью идентичны друг другу? К примеру, утверждение о равенстве энергий таких молекул основывается на расчетах, учитывающих только электромагнитное взаимодействие. В то же время некоторые физики — теоретики в своих расчетах — об этом пишет журнал New Scientist — пытаются учесть также и эффекты, связанные со слабым взаимодействием. Согласно их численным оценкам, энергии «левых» и «правых» молекул все же отличаются — хотя и на крайне незначительную величину.

Расчеты расчетами, но необходимы и непосредственные данные наблюдений. Еще в 1997 году по заданию Европейского космического агентства (ESA) Мейерхенрих начал исследования, связанные с подготовкой проекта Розетта (Rosetta mission). Такое название получил космический зонд, запущенный в марте 2004 года и предназначенный для высадки в 2014-м на комете Чурюмова–Герасименко и отбора фрагментов ее ледяного ядра. Полученные при этом образцы кометного материала уже невозможно будет заподозрить в загрязнении земной атмосферой (как в случае с метеоритами), и в итоге мы будем располагать фрагментами вещества из солнечной системы эпохи ее «молодости».

Если в образцах будут обнаружены аминокислоты, и при этом все они окажутся «левыми», то это станет сильным аргументом в пользу позиции тех, кто связывает асимметрию с фактором сверхновой. Если же кометный эксперимент покажет преобладание левых аминокислот над правыми, это можно будет воспринимать как аргумент «за» фактор поляризованного по кругу света. Мейерхенрих, однако, не исключает и совершенно другого результата. И если вдруг все аминокислоты, обнаруженные в веществе кометы, окажутся «правыми», то все упомянутые выше гипотезы в одночасье окажутся абсолютно непригодными. Впрочем, как не раз нам демонстрировала история, опровержение исходных гипотез еще не означает неминуемой гибели построенных на них теорий.

Борис Булюбаш,