|
Магнитные эффекты в зарождении жизни
|
|
|
|
Биомолекулы, такие как аминокислоты и сахара, встречаются в двух зеркальных формах, однако во всех живых организмах встречается только одна. Почему это так, до сих пор неясно. Исследователи из Empa и Forschungszentrum Julich в Германии теперь нашли доказательства того, что взаимодействие между электрическими и магнитными полями может быть причиной этого явления. Так называемая гомохиральность жизни – тот факт, что все биомолекулы в живых организмах существуют только в одной из двух зеркальных форм – озадачила многих научных светил, от первооткрывателя молекулярной хиральности Луи Пастера до Уильяма Томсона ( Лорд Кельвин) и лауреат Нобелевской премии Пьер Кюри. Убедительного объяснения пока нет, поскольку обе формы обладают, например, одинаковой химической стабильностью и не отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам. Гипотеза, однако, о том, что взаимодействие между электрическим и магнитным полями может объяснить предпочтение той или иной зеркальной формы молекулы — так называемых энантиомеров — возникла довольно рано.
|
|
|
|
Однако всего несколько лет назад появились первые косвенные доказательства того, что различные комбинации этих силовых полей действительно могут «различить» два зеркальных изображения молекулы. Это было достигнуто путем изучения взаимодействия хиральных молекул с металлическими поверхностями, которые проявляют сильное электрическое поле на коротких расстояниях. Таким образом, поверхности магнитных металлов, таких как железо, кобальт или никель, позволяют комбинировать электрические и магнитные поля различными способами — направление намагничивания просто меняется на противоположное: с «Север вверх — Юг вниз» на «Юг вверх — Север вниз». Если взаимодействие между магнетизмом и электрическими полями действительно вызывает «энантиоселективные» эффекты, то сила взаимодействия между хиральными молекулами и магнитными поверхностями также должна различаться, например, в зависимости от того, «оседает» ли правая или левая молекула на поверхности. поверхность.
|
 |
|
|
|
И это действительно так, как сообщила в журнале Advanced Materials группа исследователей под руководством Карла-Хайнца Эрнста из лаборатории исследований поверхности и технологий нанесения покрытий Empa и коллег из Института Питера Грюнберга в Исследовательском центре Юлиха в Германии. Команда покрыла (немагнитную) медную поверхность небольшими ультратонкими «островками» магнитного кобальта и определила направление магнитного поля в них с помощью спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии; как упоминалось ранее, он может проходить в двух разных направлениях, перпендикулярных металлической поверхности: север вверх или юг вверх. Затем они поместили хиральные молекулы спиралевидной формы — смесь левых и правых молекул гептагелицена в соотношении 1:1 — на эти островки кобальта в сверхвысоком вакууме. Затем они «просто» подсчитали количество право- и левосторонних молекул гелицена на разно намагниченных островах кобальта, всего почти 800 молекул, опять же с помощью сканирующей туннельной микроскопии. И о чудо: в зависимости от направления магнитного поля преимущественно располагалась та или иная форма гелиценовых спиралей.
|
|
|
|
Более того, эксперименты показали, что отбор — предпочтение того или иного энантиомера — происходит не только во время связывания на островах кобальта, но уже заранее. Прежде чем молекулы займут свое окончательное (предпочтительное) положение на одном из островов кобальта, они мигрируют на большие расстояния по поверхности меди в значительно более слабом связанном состоянии-предшественнике в «поиске» идеального положения. Они связаны с поверхностью только так называемыми силами Ван-дер-Ваальса. Они вызваны просто флуктуациями электронной оболочки атомов и молекул и поэтому относительно слабы. Тот факт, что даже на них влияет магнетизм, то есть направление вращения (спина) электронов, до сих пор не был известен. Используя сканирующую туннельную микроскопию, исследователи также смогли разгадать еще одну загадку, о чем они сообщили в журнале Small в ноябре 2023 года. Электронный транспорт, т.е. электрический ток - также зависит от комбинации молекулярной направленности и намагниченности поверхности.
|
|
|
|
В зависимости от направленности связанной молекулы, электроны с одним направлением спина преимущественно текут — или «туннельно» — через молекулу, а это означает, что электроны с «неправильным» спином отфильтровываются. Подобная спиновая селективность, вызванная киративностью, уже наблюдалась в более ранних исследованиях, но оставалось неясным, необходим ли для этого ансамбль молекул или отдельные молекулы также проявляют этот эффект. Эрнст и его коллеги теперь смогли показать, что отдельные молекулы гелицена также проявляют эффект CISS. «Но физика, стоящая за этим, до сих пор не понятна», — признает Эрнст. Исследователь Эмпы также считает, что его открытия в конечном итоге не смогут полностью ответить на вопрос о киральности жизни. Другими словами, вопрос, который лауреат Нобелевской премии по химии и химик ETH Владимир Прелог назвал «одной из первых проблем молекулярной теологии» в своей Нобелевской лекции в 1975 году. Но Эрнст может представить, что в некоторых химических реакциях, катализируемых поверхностью, — например, тех, которые могли происходить в химическом «первичном супе» на ранней Земле — определенная комбинация электрического и магнитного полей могла привести к устойчивому накоплению одного из них. той или иной форме различных биомолекул — и, таким образом, в конечном итоге к направленности жизни.
|
|
|
|
Источник
|
