Израильские физики объяснили, почему природа отдает предпочтение одной "руке" перед другой

Ученые из Еврейского университета Иерусалима обнаружили физический механизм, объясняющий, почему живая природа предпочитает только одну форму молекул из двух зеркальных химически одинаковых копий.

Многие важные для жизни молекулы, такие как аминокислоты или сахара, существуют в двух зеркальных формах, которые химически почти идентичны, но биологические системы последовательно используют только один из двух возможных вариантов. Если бы такой выбор был случайным, "левых" и "правых" молекул было бы примерно поровну, но это не так: почти все аминокислоты – "левые". Этот вопрос, известный как проблема хиральности, интересует ученых уже целое столетие.

Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что причина такого предпочтения живой природы заключается в квантовом свойстве электрона – спине. Ученые показали, что при движении через хиральные молекулы спин электронов взаимодействует со структурой таким образом, что поведение зеркальных копий начинает различаться: электроны с определенным спином проходят через "левые" молекулы легче, чем через "правые".

Эксперименты и расчеты подтвердили, что в динамике – например, при транспорте электронов или в ходе химических реакций – одна из зеркальных форм оказывается эффективнее другой. Это фундаментальное различие возникает из-за того, как спин электрона выравнивается внутри молекулярной структуры. Даже минимальное преимущество одной формы в определенных условиях могло накапливаться в течение эпох, что в конечном итоге и привело к полному доминированию в живых системах одной "руки" над другой.

Это открытие меняет взгляд на ранние этапы развития жизни, указывая на то, что физические процессы и квантовые эффекты играли не меньшую роль, чем чистая химия.

Как отмечает один из ведущих авторов работы, профессор Йоси Палтиэль: "Наше исследование показывает, что взаимодействие между спином электрона и хиральностью молекул может быть тем самым недостающим звеном, которое объясняет возникновение единой хиральности в биологических системах". Новый подход важен не только в биологии, но и при создании материалов, использующих квантовые свойства молекул.