Жизнь, Вселенная и космические лучи

Хиральная загадка жизни — IOPscience Биологические молекулы выбрали одну из двух структурно хиральных систем, связанных отражением в зеркале.Предполагается, что этот выбор был сделан причинно космическими лучами, которые, как известно, играют важную роль в мутагенезе. Показано, что магнитополяризованные космические лучи, доминирующие на…

Это захватывающее время для изучения происхождения жизни. Так же, как это произошло около тридцати лет назад при изучении происхождения Вселенной, существует множество жизнеспособных идей и механизмов, и мы можем быть на пороге понимания того, какие из них актуальны. Возможно, вскоре мы сможем простым языком объяснить, как живые организмы впервые появились на Земле и как они начали развиваться. Была ли это чрезвычайно редкая авария, которую вряд ли можно повторить где-либо еще, которую мы можем наблюдать, или, наоборот, являемся ли мы незначительной частью обширной галактической экосистемы с множеством живых существ, обмениваемых межзвездными планетами, астероидами, кометами и т. д. катапультироваться из переполненных кварталов? Говоря языком космологии, должны ли мы стремиться определить «стандартную модель» нашего генезиса, или более интересные вопросы касаются «мультивселенной» жизненных мест (ансамбля сосуществующих биологических миров, управляемых различными процессами)? Большинство исследователей неявно выбрали средний курс. Жизнь действительно зародилась автономно на Земле и в других местах, возможно, в том числе в Солнечной системе. Если это по существу правильно, то результаты, вероятно, будут такими же разнообразными, как и окружающая среда. Однако, несмотря на риск геошовинизма, можно выделить пять общих шагов на этом пути: Шаг 1: соответствующие органические молекулы, строительные блоки жизни, должны быть собраны из более простых ингредиентов, таких как вода, кислород, углекислый газ, обычные минералы и так далее. Этому, несомненно, способствуют, а могут и потребоваться тепло, свет, космические лучи. Шаг 2: эти маленькие пребиотические единицы должны собираться в более крупные полимеры.Это может включать циклы испарения-регидратации, механизм, экспериментально исследованный Дэвидом Димером и его сотрудниками, и, похоже, он работает. Шаг 3: после долгих случайных исследований механизмы, основанные на молекулярном распознавании, позволяют полимерам копировать себя быстрее, чем они могут самособираться. Копирование будет подвержено ошибкам, и в последовательности единиц не будет закодированного сигнала — это далеко от эффективной машины, которой является ДНК. Шаг 4: возникает генетическая информация, которая обеспечивает некоторые дополнительные функции, такие как создание различных молекул. Мы считаем, что энантиоселективные мутации в последовательностях азотистых оснований привели к возникновению гомохиральности, и именно эту идею мы исследовали в нашей статье. Шаг 5: эволюция работает, и устанавливаются все более сложные пути, ведущие к белкам, вирусам, клеткам и не только. Здесь также космическое излучение действует как фактор давления отбора, определяя, какие организмы наиболее способны адаптироваться. Что такое жизнь? Знаменитый вопрос Эрвина Шредингера от 1943 года до сих пор не имеет хорошего ответа, и, возможно, нам придется довольствоваться тем, что мы его узнаем, когда увидим. Одной из безошибочных черт жизни является то, что, как впервые признал Луи Пастер, биологические молекулы делают один выбор из двух чувств хиральности, которые они могут принимать как трехмерные структуры. ДНК, как известно, закручивается вправо. Поскольку они должны работать вместе, получается одна хиральная система, и иногда одна и та же молекула может иметь противоположные формы при разных функциях. В принципе, две киральные системы могут сосуществовать, но на практике они будут конкурировать за ресурсы, и вполне разумно, что преобладает один из вариантов. Действительно, эта черта настолько распространена, что «гомохиральность» можно использовать как признак жизни.Но какая хиральность выбрана? Хотя многие исследователи утверждают, что выбор является идиосинкразическим и случайным, существует долгая история, восходящая к Абдусу Саламу, которая связывает его со слабым взаимодействием — единственной силой фундаментальной физики, выражающей хиральность. Однако это взаимодействие называют «слабым» по какой-то причине, и трудно понять, почему биология должна заботиться об этом. Итак, научная задача состоит в том, чтобы связать некоторую физику, которую мы довольно хорошо понимаем, со всей современной биологией в то время и в том месте, где у нас есть лишь самое поверхностное представление о том, что происходило. Многие исследователи утверждают, что гомохиральность навязывается на втором, пребиотическом этапе перед сборкой длинных биомолекул. Другие видят в нем продукт биологической эволюции на пятой стадии и следствие не фундаментальной физики, а локального магнитного поля или источника света с круговой поляризацией. Наш собственный опыт связан с физикой космических лучей, и наш вклад в эту длинную и интересную дискуссию состоит в том, чтобы предположить, что именно космические лучи, в основном релятивистские протоны, бомбардирующие Землю, создают хиральность посредством слабого взаимодействия. Известно, что космические лучи важны с биологической точки зрения и ответственны за генетические мутации. На низких уровнях они полезны и позволяют происходить эволюции. Однако облучение на высоких уровнях, при аварии реактора или на поверхности Марса во время солнечной вспышки, может быть вредным или даже смертельным. Вторичные частицы, которые производят космические лучи, особенно мюоны, обладают чрезвычайной проникающей способностью и достигают практически всех мест, где могла зародиться жизнь. Они создают электроны и позитроны, которые могут нести крошечные магнитные моменты, преимущественно направленные в направлении, противоположном их скорости. Эти «поляризованные» электроны могут напрямую взаимодействовать с биологическими молекулами и высвобождать или ионизовать из них электроны, что в итоге может привести к мутациям.Скорость, с которой это происходит на третьем и четвертом шагах, имеет лишь небольшое смещение, предпочтя одну хиральную систему другой. Сама по себе эта предвзятость несущественна, но если мы объединим ее с миллиардами или даже триллионами поколений «живых» биомолекул, она может усилиться, так что останется только один выбор. Сейчас интересно то, что мы готовы узнать гораздо больше с помощью наблюдений, экспериментов и теории. В течение следующих нескольких лет мы получим данные о внеземных образцах. Если бы они свидетельствовали о существовании форм жизни с альтернативной хиральностью, тогда идеи, которые мы набросали, безусловно, ошибочны. Точно так же в настоящее время гораздо больше интереса вызывает облучение органических молекул, а также простых организмов поляризованными лучами поляризованного излучения высокой энергии и проверка наличия смещения. В нашей статье мы показываем, что на траектории электронов (или мюонов) в биологической молекуле влияет направление их магнитных моментов, и это может влиять на скорость мутации. Эффект очень мал, но разница в скорости мутаций между жизнью на основе ДНК и жизнью на основе зеркальной ДНК может привести к гомохирализации по прошествии эволюционного времени. Наконец, квантово-механические взаимодействия поляризованных электронов (и мюонов) со сложными молекулами — очень многообещающая область изучения теоретической химии, которая может помочь биологам лучше понять, как происходят мутации и когда модифицируется генетическая информация. Уже есть интересные результаты, например спин-селективный эффект в биологии, называемый «хирально-индуцированной спиновой селективностью», о котором в 1999 году сообщил Нааман и его сотрудники и который приписывается спин-орбитальному взаимодействию. Вопрос «происхождения жизни» является междисциплинарным исследованием, включающим фундаментальную физику, современную химию, астрофизику и биологию.Если выяснится, что гомохиральность причинно связана со слабым взаимодействием и опосредована космическим излучением на уровне мутаций, тогда будет прямая и привлекательная связь между зарождением жизни и самой ранней Вселенной, где предпочтение отдавалось материи антиматерии. был основан. Следующие несколько лет должны быть полны сюрпризов! Ноэми Глобус и Роджер Бландфорд