Недавно международная группа исследователей обнаружила еще одну любопытную связь биологии с астрономией. Оказывается, асимметрия в структуре молекул аминокислот, входящих в состав живых организмов, может быть непосредственно связана с особенностями звездного излучения на ранних этапах зарождения жизни на Земле.
МОЛЕКУЛЫ ЛЕВЫЕ И ПРАВЫЕ
Как известно, все живые организмы состоят из белков, а они, в свою очередь, - из аминокислот. Соединяясь друг с другом в разнообразной последовательности, аминокислоты образуют длинные пептидные цепи, которые самопроизвольно "закручиваются" в сложные белковые молекулы. Подобно многим другим органическим соединениям, аминокислоты обладают хиральной симметрией (от греч. хирос - рука), то есть могут существовать в двух зеркально симметричных формах, называемых "энантиомеры". Такие молекулы похожи одна на другую, как левая и правая рука, поэтому их называют D- и L-молекулами (от лат. dexter, laevus - правый и левый).
Другое название молекул-энантиомеров - "правовращающие" и "левовращающие" - происходит от их способности вращать плоскость поляризации света в различных направлениях. Если линейно поляризованный свет пропустить через раствор таких молекул, происходит поворот плоскости его поляризации: по часовой стрелке, если молекулы в растворе правые, и против - если левые. А в смеси одинаковых количеств D-и L-форм (она называется "рацемат") свет сохранит первоначальную линейную поляризацию. Это оптическое свойство хиральных молекул впервые было обнаружено Луи Пастером в 1848 году.
Любопытно, что почти все природные белки состоят только из левых аминокислот. Этот факт тем более удивляет, что при синтезе аминокислот в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число правых и левых молекул. Оказывается, этой особенностью обладают не только аминокислоты, но и многие другие важные для живых систем вещества, причем каждое имеет строго определенный знак зеркальной симметрии во всей биосфере. Например, сахара, входящие в состав многих нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот ДНК и РНК, представлены в организме исключительно правыми D-молекулами. Хотя физические и химические свойства "зеркальных антиподов" совпадают, их физиологическая активность в организмах различна: L-caxaра не усваиваются, L-фенилаланин в отличие от безвредных его D-молекул вызывает психические заболевания и т. д.
Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор органическими молекулами определенного типа зеркальной симметрии послужил главной предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и почему произошел эволюционный отбор того или иного зеркального антипода, - до сих пор остается одной из самых больших загадок науки.
МОЛЕКУЛЫ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ
В 1920-1930-х годах ученые обнаружили, что освещение раствора аминокислоты циркулярно поляризованным светом приводит к полному или частичному разрушению одного из двух зеркальных антиподов. Оказалось, что свет, поляризованный по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), губительно воздействует на D-молекулы, а поляризованный против часовой стрелки, наоборот, разрушает только L-аминокислоты. Так был найден простой способ отбора молекул с определенным типом зеркальной симметрии. Одновременно этот эксперимент заставил некоторых исследователей задуматься: а не могло ли что-то подобное произойти в масштабах всей планеты на этапе возникновения жизни? Облучение Земли светом, имеющим строго определенную - правую или левую - круговую поляризацию, должно было бы привести к выживанию молекул одного типа зеркальной симметрии и вымиранию другого. Но откуда на Земле мог взяться такой источник света?
ЗАГАДКА МЕРЧИСОНСКОГО МЕТЕОРИТА
В 1983 году химик Эдвард Рубинштейн и трое его коллег из Стенфордского университета предложили искать ответ в космосе: по их мнению, только там мог найтись достаточно мощный источник поляризованного излучения. Кроме того, идею о космическом происхождении асимметрии структуры аминокислот подтверждали исследования метеорита, упавшего около австралийского поселка Мерчисон (Murchison) в 1969 году. Мерчисонский метеорит оказался чрезвычайно богат различными органическими соединениями, в том числе и аминокислотами, причем среди них, как и на Земле, левых молекул было значительно больше, чем правых. Впрочем, некоторые ученые сразу же подвергли сомнению результаты этих исследований, заявив, что преобладание левых аминокислот - всего лишь следствие загрязнения метеорита земной породой.
Дебаты вокруг Мерчисонского метеорита длились 27 лет - до тех пор, пока Майкл Энгель из университета Оклахомы и Стефан Марко из университета Вирджинии не провели решающий эксперимент. Ученые исследовали извлеченные из породы метеорита аминокислоты аланин и глютамин на содержание в них различных изотопов азота. Оказалось, что соотношение атомов азота с массами 14 и 15 отличается от характерного для всех земных объектов: в метеорите тяжелых изотопов было значительно больше. Стало быть, загрязнение земной породой здесь ни при чем. Кстати, те же образцы содержали в два раза больше L-аланина и в три раза больше L-глютамина, чем соответствующих D-молекул.
Итак, не только на Земле, но, возможно, и во всей Солнечной системе левые аминокислоты преобладают над правыми. Чтобы понять, где и каким образом впервые зародилась эта асимметрия, исследований одного только метеорита явно недостаточно. Однако эксперименты Энгеля и Марко дают важную подсказку: измеренное ими соотношение изотопов азота совпало со значениями, полученными астрономами в ходе спектроскопических исследований межзвездного вещества. Похоже, что аминокислоты Мерчисонского метеорита состоят из атомов, которые ранее были частью межзвездных газопылевых облаков. Но если аминокислоты с зеркальной асимметрией впервые образовались именно в межзвездном веществе, то как же они попали на Землю?
ГАЗОПЫЛЕВЫЕ ОБЛАКА - "КОЛЫБЕЛЬ" ЗВЕЗД
Примерно половина межзвездного вещества нашей галактики диффузно рассеяна в космическом пространстве. Другая половина, напротив, сконцентрирована в гигантских молекулярных облаках. Млечный Путь содержит несколько тысяч таких скоплений, поперечные размеры которых достигают 250 световых лет. Молекулярные облака состоят главным образом из водорода (около 75%) и гелия (около 23%). На оставшиеся 2 процента приходятся все остальные химические элементы. Несмотря на очень низкую температуру открытого космоса, водород и гелий пребывают в газообразном состоянии, а углерод, кислород, азот, неон, сера, магний, аргон, кремний, железо и другие элементы образуют твердые частицы космической пыли. Столкновения движущихся частиц могут приводить к химическим реакциям на их поверхности и, следовательно, к образованию новых, более сложных соединений. При этом за счет энергии столкновения некоторые молекулы отрываются от поверхности пылинки и становятся частью межзвездного газа. С помощью радиотелескопов астрономам уже удалось обнаружить в гигантских молекулярных облаках монооксид углерода, этанол, циано-тетрацетилен и другие вещества (правда, аминокислоты в молекулярных облаках пока не найдены).
Казалось бы, сложные молекулы, свободно дрейфующие в открытом космосе, неминуемо должны быть разрушены ультрафиолетовым излучением ближайших звезд. Однако пыль гигантских молекулярных облаков служит им защитным экраном, рассеивая и поглощая лучи ультрафиолета. Эффективность такой экранировки определяется как плотностью пылевых частиц, так и длиной волны излучения. Зависимость поглощающей способности вещества от длины волны света помогает астрономам исследовать молекулярные облака: практически непроницаемые для ультрафиолета, они легко пропускают свет в инфракрасном и радиодиапазонах.
Газопылевые облака привлекают астрономов в первую очередь потому, что именно там зарождаются звезды. Когда газ в одном из облаков начинает концентрироваться, он увлекает за собой и окружающие частицы пыли, в результате чего рождающаяся звезда оказывается "обернутой" в пылевой кокон. Поскольку этот газопылевой шар постоянно вращается вокруг своей оси, то по мере сжатия ему приходится крутиться все быстрее и быстрее в силу закона сохранения момента импульса. Вращение приводит к тому, что пылевая оболочка постепенно вытягивается и образует толстый диск, напоминающий огромный пирог, в центре которого в конце концов и формируется новая звезда. Типичный пылевой диск имеет диаметр порядка 1000 астрономических единиц (а.е.) и толщину примерно несколько сотен а.е. (одна астрономическая единица равна расстоянию от Земли до Солнца, приблизительно 150 миллионам километров). С помощью космического телескопа "Хаббл" были получены впечатляющие изображения пылевых дисков в виде темных силуэтов на фоне ярко пылающего газа.
Согласно теории, лишь часть вещества, собранного изначально в газопылевой кокон, остается внутри звезды либо превращается в движущиеся вокруг нее планеты. Большая же часть диффузной материи выбрасывается наружу под действием сил, природа которых еще до конца не выяснена. Потоки газа движутся в противоположных направлениях вдоль оси вращения гигантского пылевого диска, унося с собою огромное количество пыли, окружающей юную звезду. Так лучи новой звезды впервые устремляются в удаленные уголки космоса. Однако этот свет распространяется лишь в двух направлениях перпендикулярно диску. В плоскости же диска на пути света по-прежнему остается толстый слой пыли. Но даже если пыль делает звезду невидимой с Земли, астрономы все равно узнают о ее рождении по ярко освещенным облакам - так называемым отражательным туманностям, - которые образуются с двух сторон от пылевого диска за счет рассеяния части излучаемого звездой света на частицах пыли, уносимых потоком материи.
ЦИРКУЛЯРНО ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ ЗВЕЗДНЫЙ СВЕТ
Определить точное местоположение молодой звезды, имеющей отражательную туманность, нетрудно - достаточно измерить поляризацию излучения в различных точках туманности и ее окрестностях. Хотя свет, первоначально испускаемый звездой, неполяризирован, после рассеяния на частицах пыли он приобретает линейную поляризацию, плоскость которой легко определить с помощью поляриметра (см. "Наука и жизнь" № 7, 1999 г.). Результаты измерений наносят на изображение туманности в виде небольших штрихов, ориентированных вдоль направления поляризации излучения в соответствующем участке пространства. Если нанести много таких штрихов, они расположатся по концентрическим окружностям, в центре которых и "прячется" молодая звезда.
Конечно, в реальности все несколько сложнее, поскольку на ориентацию плоскости поляризации могут влиять различные факторы. Например, внутри одной туманности может находиться несколько источников излучения, а на пути к Земле свет может встретить скопления удлиненных частиц пыли, которые изменят его поляризацию. Чтобы учесть все подобные факторы, приходится строить сложные теоретические модели и применять компьютерное моделирование.
В середине 90-х годов Стюарт Кларк и его коллеги из университета в Хертфордшире (Великобритания), занимавшиеся компьютерным моделированием рассеяния света в отражательных туманностях, решили проверить экспериментально некоторые результаты своих вычислений. Проведенный ими теоретический расчет показывал, что в толстом слое пыли вблизи звезды свет может рассеиваться не один, а несколько раз, в результате чего небольшая часть фотонов должна приобрести сначала линейную, а потом циркулярную поляризацию. Эксперимент по обнаружению циркулярно поляризованного излучения решено было провести на телескопе Англо-австралийской обсерватории в Новом Южном Уэльсе (Австралия) с применением инфракрасной камеры и специально сконструированного циркулярного поляриметра. Стоит отметить, что в то время исследователи еще ничего не знали ни о Мерчисонском метеорите, ни о гипотезе влияния поляризованного света на формирование жизни на Земле.
Измерения начались в мае 1995 года. Несмотря на неблагоприятные погодные условия, ученым удалось исследовать излучение GSS30 - молодой звезды, окруженной облаком пыли. Оказалось, что примерно два процента света, рассеиваемого отражательной туманностью, имеет циркулярную поляризацию. Это совпадало с тем, что предсказывал компьютерный расчет. Регистрируемое излучение содержало в себе как правую, так и левую компоненту циркулярно поляризованного света, однако, к удивлению исследователей, эти компоненты были пространственно разделены и, казалось, исходили из разных участков туманности.
При исследовании Кассиопеи и ряда других туманностей Кларк и его коллеги либо вовсе не обнаружили циркулярно поляризованного света, либо его доля в общем излучении по-прежнему не превышала одного-двух процентов. Однако в созвездии Ориона ученых ждал настоящий сюрприз!
Туманность Ориона - один из наиболее известных объектов на ночном небе. Это ближайшее к Земле место, где рождаются звезды-гиганты. По сути, туманность Ориона - это маленькая замочная скважина, позволяющая астрономам с помощью инфракрасного излучения наблюдать за тайной жизнью огромного молекулярного облака. Коллега Кларка Антонио Крисостому исследовал с помощью поляриметра окрестность молодой звезды IRc2 и обнаружил, что в двух отдельных участках ее отражательной туманности доля циркулярно поляризованного излучения достигает почти 20 процентов! Такой результат просто ошеломил ученых. Однако вскоре похожие значения были получены еще одним коллегой Кларка, Франсуа Менардом из университета в Гренобле, исследовавшим участок неба NGC6334V, где также рождаются звезды.
Неожиданные экспериментальные результаты требовали тщательной проверки теоретической модели и компьютерного расчета. Однако повторные вычисления убедительно показали, что при рассеянии света на частицах сферической формы доля циркулярно поляризованного излучения должна быть значительно ниже той, что наблюдается в эксперименте. Так в чем же дело?
Исследователи пребывали в некотором замешательстве до тех пор, пока Алан Маккол не выдвинул одну, в общем-то не новую, идею: а что если свет рассеивается не сферическими, а слегка удлиненными частицами пыли, ориентированными вблизи звезды ее магнитным полем? При такой конфигурации рассеивающей среды доля циркулярно поляризованного света действительно будет большой, даже если перед этим свет не обладал линейной поляризацией.
СВЕТ И ЖИЗНЬ
Переломным моментом в работе астрономов стала неожиданная догадка сотрудника англо-австралийской обсерватории Джереми Бейли, что открытие циркулярно поляризованного звездного излучения может существенным образом повлиять на представления о происхождении жизни на Земле. Хотя все исследования проводились в инфракрасных лучах, Бейли теоретически доказал, что в ультрафиолетовом и даже видимом диапазонах звездный свет также может приобретать круговую поляризацию после рассеяния на частицах пыли. При этом если право- и левополяризованная компоненты ультрафиолетового излучения окажутся пространственно разделены, то в соответствующих участках молекулярного облака будут разрушаться молекулы аминокислот одного определенного типа зеркальной симметрии. Это приведет к тому, что в межзвездном пространстве образуются огромные области, в которых сохранятся только либо правые, либо левые молекулы. Очевидно, что такая пространственная асимметрия может в итоге сказаться на развитии молодых планетных систем, населяющих молекулярное облако: одни планеты окажутся заселены преимущественно D-, а другие - преимущественно L-аминокислотами.
Но в действительности все не так просто. Взаимодействие циркулярно поляризованного ультрафиолета с хиральными молекулами сложнее, чем это кажется на первый взгляд. Оказывается, правополяризованный свет не всегда разрушает правые молекулы, а левополяризованный - левые. На самом деле эффект может быть прямо противоположным: все зависит от того, к какой полосе частот принадлежит излучение. Таким образом, если свет излучается в достаточно широкой полосе частот, никакого избирательного эффекта мы не получим: число правых и левых молекул будет примерно одинаковым. Однако Кларку и его коллегам удалось показать теоретически, что в данном случае диапазон излучения звезд достаточно узок для того, чтобы свет той или иной круговой поляризации разрушал только один определенный тип энантиомеров.
Чем определяются границы этого диапазона? С одной стороны, для того чтобы энергии света хватило на разрушение связей в органических молекулах, его длина волны должна быть меньше 230 нанометров. С другой стороны, основная часть излучения звезд имеет длину волны, превышающую 200 нанометров. На меньших длинах волн звезды излучают сравнительно мало: интенсивность светового потока с длиной волны 150 нанометров падает на два порядка по сравнению с излучением на 220 нанометрах. Следовательно, основной вклад в излучение дает свет в узком диапазоне от 200 до 230 нанометров. Лабораторные эксперименты подтвердили, что оно действительно обладает избирательным воздействием на молекулы. Следовательно, подобный механизм должен действовать и в космосе.
Возможно, избыток тех или иных энантиомеров впервые появился на нашей планете примерно 5 миллиардов лет назад, когда ее поверхность подверглась мощной бомбардировке кометами и астероидами. По мнению геохимиков, именно в этот период на Землю попали вода, газы и большая часть летучих соединений, в результате чего образовалась атмосфера. Вероятно, тогда же на Землю из космоса были занесены и органические молекулы с преобладанием тех или иных зеркальных антиподов: L-аминокислоты, D-caxap? и т.д. Хотя органические молекулы могли появиться на Земле и на более ранних этапах ее формирования, однако в отсутствии атмосферы большая часть из них должна была бы погибнуть. Казалось бы, в ходе мощных столкновений метеоритов с поверхностью Земли хрупкие органические молекулы также должны были бы разрушиться, но обилие органических соединений, найденное в Мерчисонском метеорите, свидетельствует об обратном.
Гипотезу о космическом происхождении земной жизни можно будет подтвердить (или опровергнуть), получив пробы грунта с других планет. Не исключено, что в глубинных слоях почвы Марса, Луны или спутников Юпитера сохраняется какая-то органика, защищенная от губительных излучений толщей грунта.
И тут возникает еще один вопрос: обязательно ли циркулярная поляризация звездного света должна приводить к появлению L-аминокислот земного типа? Быть может, в других галактиках проживают наши углеводородные зеркальные двойники, белки которых состоят из правых аминокислот, а сахара там - левые.
По материалам журнала "American Scientist" и Интернета.
• ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
ЧТО ТАКОЕ ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Журнал уже рассказывал о том, что такое поляризованный свет, чем он отличается от природного и как его можно получить (см. "Наука и жизнь" № 7, 1999 г.). Напомним основные его свойства.
Свет представляет собой совокупность электромагнитных волн. Волны эти поперечные - поле волны колеблется перпендикулярно направлению ее распространения. В естественном свете направление колебаний быстро и беспорядочно меняется - свет деполяризован. Если природный свет пропустить сквозь поляризатор или отразить его от поверхности диэлектрика (скажем, стекла), из хаотической смеси колебаний будут вырезаны волны, которые колеблются в одной плоскости. Возникнет плоско-, или линейно-поляризованный, свет. Еще более сложный случай - циркулярная или круговая поляризация, когда направление колебаний описывает круг (если при этом меняется еще и амплитуда, поляризация называется эллиптической). Циркулярную поляризацию можно представить себе как результат сложения двух линейно-поляризованных волн, перпендикулярных одна другой. Наглядно представить себе результат такого сложения можно при помощи несложной модели.
Пусть на вертикальной оси вращается планка, на конце которой укреплена спица с шариком. Если осветить ее двумя перпендикулярными пучками света, тени от шарика станут совершать правильные, гармонические колебания. Круговое вращение оказалось разложенным на два колебания. А поскольку физические явления такого рода обратимы, то и сумма двух гармонических колебаний даст круговое движение.
