Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Прошло почти десять лет, прежде чем японский физик Юкио Ямагата предположил, что такое нарушение четности в ядрах атомов означает небольшое различие в энергии двух хиральных форм молекул[434]. Данное различие, пускай едва заметное, способствовало бы образованию одной из двух форм. Эта “разница в энергии из-за нарушения четности” интересовала ученых несколько десятилетий, однако ее эффект представляется недостаточно сильным, меньше необходимого на многие порядки. В 1985 году Дилип Кондепуди и его коллега предположили, что эту небольшую разницу могут усиливать какие-то другие процессы. Именно поэтому смесь из абсолютно равного количества левовращающих и правовращающих молекул полностью превратилась бы в одну чистую форму соединения за 15 тысяч лет[435]. Однако их предположение основано на множестве допущений, каждое из которых выглядит слишком оптимистично. Имеющаяся информация скорее говорит в пользу невозможности объяснения исходного дисбаланса форм нарушением четности[436].
Однако в этом могут принимать участие и какие-то другие физические процессы. В эксперименте Пастера две формы тартрата возможно отличить благодаря разным формам их кристаллов. Из этого следует, что такие молекулы могут разделяться: имеющие одну хиральность образуют кристаллы с себе подобными – и тем же заняты в это время представители второй формы. Налицо готовый способ разделения двух разновидностей молекул: просто выпарив воду из раствора либо добавив в него больше вещества, чем может раствориться, мы получим разные молекулы в разных кристаллах. Впечатляющий пример этого продемонстрировали в 1990 году Кондепуди и его коллеги[437]. Они использовали вещество с необычными свойствами – хлорат натрия. Будучи растворенным в воде, он не обладает хиральностью, но при кристаллизации образует две хиральные разновидности кристаллов. Если кристаллизация этого соединения происходит из раствора в состоянии покоя, то обе формы оседают в равных количествах. Но если такой раствор очень быстро перемешивать, то свыше 99 % всех кристаллов будут иметь одну хиральность. Кристалл, образующийся первым и называемый “кристалл Ева”, определяет форму всех последующих[438]. Фокус в том, что при быстром перемешивании мешалка ударяет по кристаллу Еве и разбивает его на части. Образуется множество кристаллов с одной хиральностью, каждый из которых может стать зародышем кристаллизации. Это происходит до того, как успевает возникнуть второй кристалл Ева (он может иметь и другую хиральность).
Спустя 15 лет испанский химик Кристобаль Вьедма придумал еще один способ придать молекулам хлората определенную хиральность. Этот способ настолько ошеломил его коллег-химиков, что публикация результатов растянулась на целый год[439]. Для начала Вьедма принялся растворять хлорат натрия, постоянно добавляя его, и делал так до тех пор, пока это было возможно. В итоге образовались кристаллы, обеих форм поровну. Вся система находилась в состоянии равновесия. Несмотря на то, что отдельные частицы постоянно оседали на кристаллах или покидали их, сами они сохраняли свои размеры почти без изменений. Примерно постоянным оставалось и соотношение хиральных форм.
Но ситуация изменилась после того, как Вьедма добавил в раствор стеклянные шарики и снова принялся его перемешивать. В результате шарики начали врезаться в кристаллы и дробить их на фрагменты – некоторые из них оказывались достаточно малы для того, чтобы раствориться. В какой-то момент хлората натрия в растворе оказывалось слишком много и молекулы начинали оседать на уже имеющихся кристаллах. Однако это происходило не как попало: частицы отдавали предпочтение кристаллам покрупнее. Если в силу случайности крупных кристаллов одной хиральности оказывалось больше, то они росли быстрее и вбирали в себя больше новых молекул. Таким образом, очень незначительное преимущество одной хиральной формы над другой быстро стало значительным.
Все эти эксперименты, разумеется, прекрасны, но хлорат натрия, без сомнения, бесконечно далек от биологических молекул. И тем не менее в 2008 году Блэкмонд объединила свои усилия с одной голландской исследовательской группой, чтобы продемонстрировать возможность того же химического процесса с участием вещества, представляющего собой измененную аминокислоту[440]. В том же году ей и Вьедме удалось, работая вместе, повторить этот эксперимент уже с “нормальной” аминокислотой[441]. Одну из самых значимых биологических молекул заставили “сменить хиральность”.
 
Это опять же замечательно, да только среди всех хиральных молекул лишь 10 % могут образовывать “чистые” кристаллы из одной формы в растворе с обеими. Все остальное образует “смешанные” кристаллы, в которых хиральные формы представлены поровну. Как быть с такими веществами?
Свое решение этой проблемы в 1969 году предложил Гарольд Моровиц[442]. Он обратил внимание на разную скорость растворения в воде кристаллов, образованных разными формами[443]. Предположим, что кристаллы из левовращающих молекул растворяются легче, чем кристаллы “смешанные” (то есть содержащие обе формы). Это приведет к накоплению в растворе левовращающих молекул. В 2006 году команда Блэкмонд продемонстрировала это для аминокислот[444]. Особенно впечатлил всех растворенный серин, оказавшийся левовращающим на 99 %.
Все эти открытия последовали в начале XXI века одно за другим. После десятилетий медленного продвижения во тьме и на ощупь у занятых проблемой хиральности химиков появилось сразу несколько реалистичных сценариев, с которыми можно было работать. Научный писатель Филипп Болл коротко заметил по этому поводу: “избалованы выбором”[445].
И поток новых идей все не иссякает. Относительно недавно физик Рон Нааман продемонстрировал, что лево- и правовращающие молекулы по-разному ведут себя в магнитном поле. В 2019-м его исследовательская группа смогла разделить три аминокислоты на две хиральные формы с помощью магнитов. Пока первая из них образовывала кристаллы на одном полюсе магнита, вторая занималась тем же на противоположном[446]. Разумеется, сильные магниты в природе являются редкостью, однако слабым магнитным полем обладают многие минералы.
В итоге Блэкмонд сейчас считает, что миллиарды лет назад свою роль могли сыграть сразу несколько механизмов. Вместе они подтолкнули первые биологические молекулы к потере состояния равновесия хиральных форм и преобладанию одной из них.
Если природа действительно может заставить хиральные молекулы выбрать только одну из своих форм, мы должны наблюдать нечто подобное даже там, где никакой жизни нет. Иными словами, если соединения вроде аминокислот образуются где-то за пределами Земли, они должны оказаться смесью с разным количеством хиральных форм.
Первое серьезное свидетельство в пользу этого появилось в 1997 году, и связано оно с именем астрохимика Сандры Пиццарелло[447]. Пиццарелло и ее коллега Джон Кронин исследовали образцы метеорита, упавшего на Землю близ небольшого городка Мерчинсон в Австралии. Этот камень содержал очень маленькое количество необычной аминокислоты, которая не встречается в живых организмах. Оказалось, что ее левовращающей формы в образце значительно больше. Позднее ученые выяснили, что в случае других аминокислот перевес достигает 18 %[448]. Очевидно, что по меньшей мере один подобный механизм неплохо работает в метеоритах.
Однако остается неясным, может ли что-то в космосе заставить свободно летающие там органические молекулы потерять равновесие хиральных форм. Большинство находящихся в космосе веществ имеют простую структуру и потому не могут быть хиральными. В 2016 году стало известно о первом исключении: астрономы заметили являющееся хиральным соединение пропиленоксид, что содержится в пылевых облаках на расстоянии многих световых лет от нас[449]. Пока нам неизвестно, каково в нем соотношение хиральных форм: уже само его обнаружение представляется чудом. Вполне может оказаться, что нарушение пропорции возникает только при взаимодействии с камнями и другими соединениями. В этом случае такой хиральный дисбаланс будет наблюдаться исключительно на планетах и других твердых объектах.