Физики нашли квантовый фильтр для зарождения жизни
NewsMakerУченые показали, что направление магнитного поля меняет поведение аминокислот с разными изотопами.
Направление магнитного поля может менять поведение молекул, из которых строится жизнь. К такому выводу пришли исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме и Института Вейцмана. Работа, опубликованная в журнале Chem, связывает сразу несколько вещей, которые обычно кажутся далекими друг от друга: аминокислоты, изотопы, магнитные поверхности и квантовое свойство электронов, известное как спин.
В центре эксперимента оказалась L-метионин, одна из аминокислот, входящих в состав белков. Как и многие биологические молекулы, метионин обладает хиральностью, то есть существует в форме, которая не совпадает со своим зеркальным отражением. Живая природа почти всегда использует одну «руку» таких молекул, и ученые давно пытаются понять, почему химия жизни пошла именно по такому пути.
Группа профессора Йоси Палтиэля из Еврейского университета и профессора Михаль Шарон из Института Вейцмана проверила , может ли магнитная среда влиять на поведение разных вариантов одной и той же молекулы. Для эксперимента исследователи пропускали раствор метионина через фильтр с микроскопическими магнитными частицами. Часть молекул содержала обычный углерод ¹²C, часть была чуть тяжелее из-за редкого изотопа ¹³C.
Фильтр повел себя не как обычная лабораторная преграда. При одном направлении намагниченности более тяжелые молекулы задерживались сильнее, а более легкие проходили быстрее. Позже картина менялась на обратную: будто молекулы сначала временно захватывались поверхностью, а затем высвобождались. Поведение повторялось и зависело именно от ориентации магнитного поля, а не от случайных колебаний в растворе.
Исследователи связывают эффект со спином электронов и ядер. Спин нельзя представить как обычное вращение шарика, но для простоты частицы часто описывают как крошечные волчки с определенным направлением. У хиральных молекул форма влияет на взаимодействие с электронным спином. Такой механизм называют хирально-индуцированной спиновой селективностью, или CISS. Новая работа показывает, что похожий механизм способен затрагивать и изотопы, то есть атомы одного элемента с разной массой и, в некоторых случаях, разными спиновыми свойствами ядра.
На первый взгляд разница между молекулами с ¹²C и ¹³C выглядит слишком тонкой для большой истории о жизни. Но изотопы служат для науки химическими отпечатками, по которым исследователи восстанавливают происхождение веществ, древние реакции и следы биологических процессов. Если магнитные поверхности действительно могли менять соотношение изотопов и поведение хиральных молекул, ранняя Земля могла создавать разные химические условия в зависимости от локальной магнитной среды.
Авторы осторожно предполагают, что спин мог сыграть роль в изотопной химии и в формировании тех путей, по которым развивалась предбиологическая химия. Работа не объясняет происхождение жизни полностью и не закрывает вопрос, почему биология выбрала одну молекулярную «руку». Но исследование добавляет к старой загадке новый физический механизм: направление магнитного поля способно менять, какие молекулы задерживаются, проходят дальше и вступают в следующие реакции.
Практическая сторона открытия тоже может оказаться заметной. Более глубокое понимание связи между спином, хиральностью и изотопами пригодится для разделения изотопов, разработки новых материалов, аналитической химии и квантовой биологии, где ученые изучают влияние квантовых эффектов на живые системы. Малейшая разница в массе атома и ориентации магнитного поля в таком масштабе уже не выглядит мелочью. На уровне молекул направление действительно имеет значение.
Направление магнитного поля может менять поведение молекул, из которых строится жизнь. К такому выводу пришли исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме и Института Вейцмана. Работа, опубликованная в журнале Chem, связывает сразу несколько вещей, которые обычно кажутся далекими друг от друга: аминокислоты, изотопы, магнитные поверхности и квантовое свойство электронов, известное как спин.
В центре эксперимента оказалась L-метионин, одна из аминокислот, входящих в состав белков. Как и многие биологические молекулы, метионин обладает хиральностью, то есть существует в форме, которая не совпадает со своим зеркальным отражением. Живая природа почти всегда использует одну «руку» таких молекул, и ученые давно пытаются понять, почему химия жизни пошла именно по такому пути.
Группа профессора Йоси Палтиэля из Еврейского университета и профессора Михаль Шарон из Института Вейцмана проверила , может ли магнитная среда влиять на поведение разных вариантов одной и той же молекулы. Для эксперимента исследователи пропускали раствор метионина через фильтр с микроскопическими магнитными частицами. Часть молекул содержала обычный углерод ¹²C, часть была чуть тяжелее из-за редкого изотопа ¹³C.
Фильтр повел себя не как обычная лабораторная преграда. При одном направлении намагниченности более тяжелые молекулы задерживались сильнее, а более легкие проходили быстрее. Позже картина менялась на обратную: будто молекулы сначала временно захватывались поверхностью, а затем высвобождались. Поведение повторялось и зависело именно от ориентации магнитного поля, а не от случайных колебаний в растворе.
Исследователи связывают эффект со спином электронов и ядер. Спин нельзя представить как обычное вращение шарика, но для простоты частицы часто описывают как крошечные волчки с определенным направлением. У хиральных молекул форма влияет на взаимодействие с электронным спином. Такой механизм называют хирально-индуцированной спиновой селективностью, или CISS. Новая работа показывает, что похожий механизм способен затрагивать и изотопы, то есть атомы одного элемента с разной массой и, в некоторых случаях, разными спиновыми свойствами ядра.
На первый взгляд разница между молекулами с ¹²C и ¹³C выглядит слишком тонкой для большой истории о жизни. Но изотопы служат для науки химическими отпечатками, по которым исследователи восстанавливают происхождение веществ, древние реакции и следы биологических процессов. Если магнитные поверхности действительно могли менять соотношение изотопов и поведение хиральных молекул, ранняя Земля могла создавать разные химические условия в зависимости от локальной магнитной среды.
Авторы осторожно предполагают, что спин мог сыграть роль в изотопной химии и в формировании тех путей, по которым развивалась предбиологическая химия. Работа не объясняет происхождение жизни полностью и не закрывает вопрос, почему биология выбрала одну молекулярную «руку». Но исследование добавляет к старой загадке новый физический механизм: направление магнитного поля способно менять, какие молекулы задерживаются, проходят дальше и вступают в следующие реакции.
Практическая сторона открытия тоже может оказаться заметной. Более глубокое понимание связи между спином, хиральностью и изотопами пригодится для разделения изотопов, разработки новых материалов, аналитической химии и квантовой биологии, где ученые изучают влияние квантовых эффектов на живые системы. Малейшая разница в массе атома и ориентации магнитного поля в таком масштабе уже не выглядит мелочью. На уровне молекул направление действительно имеет значение.