Луи Пастьор през XIX в. първи обърнал внимание на това, че в неживата природа молекулите или са огледално симетрични (H₂O, CO₂), или еднакво често се срещат и десните им и левите им стереоизомери.

Животът като разделяне на ляво и дясно

Работа е в това, че много органични съединения са смес от два т. н. оптически изомери – вещества, имащи съвършено еднакви химически свойства, но по различен начин отклоняват лъч поляризирана светлина, минаваща през техни кристали или разтвори и съответно ги делят на дясно (D) – или ляво (L) – ориентирани.

Ако при наблюдение срещу посоката на разпространение на светлината завъртането на равнината на поляризация става по часовата стрелка, са дясноориентирани и обратно.

Молекулите, от които са построени живите организми са огледално асиметрични. Това свойство е наречено хиралност Коренът на думата е от гръцки произход и звучи и във хиромантията и хирургията. Хира на гръцки означава ръка.

Сега е известно, че всички белтъци на нашата планета са изградени само от лявоориентирани аминокиселини, глюкозата има D – форма, а фруктозата е лявоориентирана. Молекулата ДНК има дясноориентирана спирала.

Схема: dic.academic.ru, преведена и обработена: bgchaos

Смес от 50/50 леви и десни форми се наричат рацемична смес (racemic) и е оптически неактивна. Рацематните полипептиди не могат да формират специфични вериги, необходими за ензимите, защото биха се образували странични вериги. ДНК не би била стабилна спирала даже ако само един-единствен огледален мономер присъства. Обикновената химия произвежда рацемати и оптически неактивни реагенти дават оптически неактивни продукти, което както твърдят е следствие на Законите на Термодинамиката.

Схема: The Chirality Problem.

На ляв болт – лява гайка

Това, което определя живата природа е хиралната чистота на молекулите. Човекът като жив организъм е изграден от молекули с определена хиралност и употребяваната от него органична храна също е построена от молекули с определена хиралност, т.е. те се съгласуват подобно десните гайки с десните винтове.

А какво би станало, ако хиралността на молекулите на храната се промени? Такава храна ще е или негодна или вредна.
От рацемична захарна смес микроорганизмите усвояват само D-захарите, а L-формите остават в разтвора. Добавянето в храната на човек на някои изкуствено полученни “огледални” стереоизомери, например фенилаланин, водят до рязко нарушение в обмяната на веществата и умствено разстройство.

Схема: bgchaos

Друга аналогия е мозайката от плочки, имащи неправилна геометрична форма. Те прилягат плътно една с друга, но в тези структури е невъзможно да се сложи плочка, представляваща огледално отражение на основната (аналог на молекулите). По този начин, веднъж направили определен избор, трябва да го следваме до края. Има и аналогия с превеса на разпространението дясноориентираните охлюви (Посоката на спиралите), обяснено с трудности при чифтосването им с лявоориентирани.

При опитите си Милер получил от аминокиселините аланин (вляво) и глицин (вдясно) в ляво и дясноориентиран вариант в приблизително равни пропорции.

И така, един от главните проблеми при експерименталните абиогенен синтез е, че се образуват дясно- или лявоориентирани аминокиселини в приблизително равни количества като остава дълго неразрешим проблемът как ще се отделят аминокиселините с необходимата ориентация.

Това е и един от най-тежките аргументи на креационистите срещу абиогенезата.

Отговорът на астрономите

Международна група от астрономи може би са открили защо животът на планетата Земя е лявоориентиран. Някои учени първоначално предполагали, че излъчване от неутронни звезди е подходящ източник на необходимата UV циклична поляризирана светлина, но тя се оказва много ниска.

Използвайки австралийския телескоп Англо (Anglo-Australian) за да изучават местата, където се зараждат звездите, учените открили в района на Голямата мъглявина M42 в Орион и NGC 6334 високо поляризирана инфрачервена светлина.

Наблюдава се само светлина с инфрачервена дължина на вълните, защото само тя може да проникне през дебелите облаци прах, но вероятно там присътстват и вълни от ултравиолетвия спектър.
Снимка: Chirality and the Origin of Life

Значението на това откритие е това, че такава светлина със сигурност би унищожила един от типовете огледални молекули, а наблюдавания район е подобен на района, в който нашата собствена слънчева система се формирала, според проф. James Hough от Университета Hertfordshire в Англия.

Източник: High Circular Polarization in the Star Forming Region NGC 6334

Уве Майерхенрих и колегите му от Университета в Ница смятат, че изборът на хиралност е започнал дълго преди да се оформи нашето Слънце от обширeн облак от газ и прах. Кометите, снежни топки от скали, прах и замръзнали газове, били формирани в същия родил Слънцето ни облак. Лявоориентираните молекули били включени в тези комети и разбивайки се в младата ни планета са осигурили им излишъка на L-аминокиселини.

Майерхенрих се надява експерименталн да потвърди теорията си използвайки ускорителя на частици от трето поколение, синхротрон, който ще започне да действа край Париж 2006-та. Но истинското изпитание ще бъде 2014, когато Европейската космическа сонда Розета (Rosetta) ще кацне на кометата 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Източник: BBC Online Thursday 30 July 1998 (Dr Whitehouse is the BBC science editor)

Калцитът е сортирал аминокиселините

Изследователите от Вашингтон Робърт M. Хазен и Тимоти Филей съобщават, че кристали калцит могат да адсорбират с предимство лявоориентирани аминокиселини на някоя от кристалните си повърхности и десни аминокиселини на други страни.

Макс Бернщайн от Научно-изследователския център и SETI Института, Калифорния казва: “Тези резултати осигуряват правдоподобен сценарий, при който аминокиселини биха могли да се разделят на огледалните си варианти, като решава един от основните проблеми на пребиотичната химия.”

Учените подчертават, че калцитът е бил широко разпространен на ранната Земя и често заедно с биологични единици като скелети и черупки. Изследователите поставили четири кристала калцит разтвор 50/50% на L- и D аминокиселината аспартик. Два от кристалите имали супергладки повърхности, а два имали микроскопични стъпаловидни наслоения Учените открили, че тези кристали имали 10 %-тов излишък на десни аминокиселини на единия тип повърхност и аналогичен излишък на лявоориентирани аминокиселини на друга. Робърт Хазен предполага, че преди милиарди години, аминокиселините биха могли на се подреждат на миниатюрни тераси по стените на кристалите, където биха могли да се обединят всички леви аминокиселини в къси белтъчни сегменти.

От колекцията на P. Gillot, снимка: Kevin Ward

Източник: Hazen, R.M., T.R. Filley, and G.A. Goodfriend. 2001. Selective adsorption of L- and D-amino acids on calcite: Implications for biochemical homochirality. Proceedings of the National Academy of Sciences 98(May 8):5487.

Не може да е другояче

Още Л.Пастьор, първоткривателят на оптичната активност на веществата на живите организми, изказал предположението, че огледалната асиметрия на живота е следствие на някаква асиметрия на Вселената.

Съществуването на живи системи с огледално симетрични на нашите макромолекули в наблюдаемата Вселена е принципно невъзможно. По този начин въпросът за това, защо в живите системи присъстват молекули с такава хиралност е еквивалентен на въпроса: защо нашия свят се състои от частици, а не от античастици.

Източник:

ПРИНЦИПЫ САМООРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ , Гусев В.А.

Нелинейната динамика може да реши проблема

Преходът към живот, разглеждан като самоорганизация на веществото, може да стане при условия, когато откритата система, предшестваща биосферата, се намира в крайно неравновесно, критично състояние. Присъщата на биосферата хиралност потвърждава, че именно такова е било състоянието на прехода. Преходът от рацемат към хиралност не може да стане с еволюционно, плавно развитие, тук е станал скок, фазов преход, бифуркация с всички характерни черти на самоорганизацията на веществото.

В последнo времe eкспериментално e доказано, че такова разделяне се наблюдава при нелинейната динамика при автокаталитични химични реакции от рода на реакцията на Белоусов-Жаботински. Това означава, че такъв преход от симетричните молекули на неживата природа към асиметрични биомолекули на живата може да се е случил и на предбиологичния етап на химическата еволюция като акт на самоорганизация на материята.

Огледалният свят

Нека да отбележим, че животът извън Земята можеше да се развитие и по друг път. Може да съществува “огледален свят“, т.е. свят, състоящ се от D-аминокиселини и L-нуклеотиди. Още повече, че тези съединения не са абсолюна екзотика даже на Земята. D-аминокиселините влизат в състава на неуропептидите и опиоидните пептиди на някои висши организми, а в низшите организми те влизат в състав на клетъчната стена.

Още едно определение за живот и причината за хиралността

Възникването на живота е спонтанен преход от безпорядък, където хаотично са разбъркани в оптически неактивна смес (рацемическа) от леви и десни енантиомери от неорганични и органични молекули, към подредено хирално чисто състояние на органичните молекули: само десни или само леви молекули.

Причината за хиралността на живата материя е в същността на самия жизнен процес като антиентропиен процес. Намаляването на ентропията на един обект е свързано с намаляване на неговата хомогенност по всички направления (пространство и време), с намаляване на неговата симетрия.

Източник:

Роль асимметрии в возникновении живого, Горбачев В.В., Концепции современного естествознания
The Chirality Problem. Enantiopure compounds and chiral separations
Selective adsorption of l- and d-amino acids on calcite: Implications for biochemical homochirality, Robert M. Hazen, Timothy R. Filley, and Glenn A. Goodfriend
ПРИНЦИПЫ САМООРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ , Гусев В.А, Спецкурс “Информационная Биология” Лекция 13-ая
NYU Chirality Switch, Jeffrey Soreff
Mars Organic and Oxidant Detector Searching for Signs of Life on Mars ESA Pasteur/ExoMars Mission, Astrobiology: Projects
Chirality, Mike Brown
Chirality and the Origin of Life
Homochirality
On the physical origin of the homochirality of life, David B. Cline
The first oligopeptide derivative of 1-aminoferrocene-1-carboxylic acid shows helical chirality with antiparallel strands, Lidija Barisic, Maja Dropucic
Променлива хиралност на молекулите

Вероятность невероятного: наука против предрассудков, Р.Ш. Кунафин
Воссоздан самый первый этап эволюции жизни на Земле, Ангелина Федорова
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭКЗОТИКА (ВЫСОЦКИЙ В. И. , 1998)