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

К примеру, она работала с Джоном Брауном из Оксфордского университета, и вместе им удалось доказать, что два алканола одной хиральности могут образовывать пары и что именно эта “двойная” молекула делает реакцию возможной^[431]. Пары алканолов различной хиральности этого не умели, и такие молекулы не участвовали в процессе.

Реакция Соаи послужила принципиальным доказательством того, что соединения определенной хиральности могут образоваться самопроизвольно из смеси обеих форм, – если у них исходно имеется небольшое численное преимущество. Подобная неравномерность – не такая уж фантастика: на худой конец, если количество молекул нечетное, то уже на этом основании одна форма имеет какое-то преимущество.

Но тут была некая сложность: использованный Соаи алканол – это довольно необычная молекула, и описанная реакция является для него специфичной. К тому же этот алканол имеет мало общего с биологическими молекулами вроде аминокислот или нуклеотидов. Поначалу исследователи надеялись описать похожий процесс с участием каких-то других веществ, но за двадцать лет никому так и не удалось заставить одну из форм аминокислоты или нуклеотида катализировать образование самой себя, в то же время подавляя образование второй формы. Во всяком случае – не удалось полностью. Может оказаться, что реакция Соаи не происходит с участием биологических молекул.

Вторая сложность была связана с тем, что реакция Соаи требует небольшого избытка одной из хиральных форм. Эта реакция прекрасно справляется с увеличением исходного дисбаланса двух форм, но она не может создать его сама. Видимо, проблему хиральности следует решать в два этапа: сперва создавать небольшой дисбаланс в ходе одного процесса, а затем усиливать его за счет второго.

Начиная с 1960-х годов, некоторые исследователи пытались добиться исходного дисбаланса, используя фундаментальную физику. Они полагали, что природа могла отдавать некоторые преимущества левосторонним или правосторонним версиям хиральных молекул из-за небольших различий в структуре ядер их атомов.

На эту мысль физиков навела гипотетическая зеркальная версия нашей Вселенной, где все левое стало правым, и наоборот (совсем как в “Алисе в Зазеркалье” Льюиса Кэрролла). Окажется ли там все то же самое, но только повернутое вокруг себя, или “зеркальность” неизбежно вызовет и другие изменения? Большинство ученых считает, что почти ничего не изменится, – это так называемая концепция сохранения четности. Однако в 1956 году два физика-теоретика Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг высказали противоположную точку зрения^[432]. В следующем году экспериментальный физик Цзяньсюн Ву подтвердила их предположение: четность сохраняется не всегда, и зеркальные миры должны быть разными^[433]. Она установила, что так называемые слабые ядерные взаимодействия (один из двух типов сил, действующих в ядре атома) не всегда подчиняются закону четности. В том же году Ли и Янг получили Нобелевскую премию по физике.

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.