Mokslininkų komanda nustatė naują fizinį mechanizmą, kuris galėtų padėti paaiškinti vieną iš labiausiai neatskleistų mokslo paslapčių: kodėl gyvybė nuolat naudoja vieną simetriją, kairinę arba dešininę, turinčią savo molekulių versiją, o ne kitą. Naujame tyrime, kuriam vadovauja Hebrajų universiteto Nanomokslų ir nanotechnologijų centro prof. Yossi Paltiel ir Weizmanno instituto prof. Ron Naaman, tyrėjai rodo, kad elektronų sukinys, pagrindinė kvantinė savybė, gali sukelti veidrodinio atspindžio molekulių skirtingą elgesį dinaminių procesų metu, net jei jos kitaip yra identiškos. Darbas paskelbtas žurnale „Science Advances“.
Kodėl molekulių simetrijų santykis yra svarbus
Daugelis gyvybei būtinų molekulių yra dviejų veidrodinio atspindžio formų, vadinamų enantiomerais. Chemiškai šios formos beveik nesiskiria. Vis dėlto gyvosiose sistemose paprastai naudojama tik viena versija: aminorūgštys beveik išimtinai yra vieno tipo, o cukrūs laikosi priešingo modelio.
Šis reiškinys, žinomas kaip homochiralumas, mokslininkus glumina daugiau nei šimtmetį. Esami paaiškinimai sunkiai paaiškino, kodėl visame pasaulyje buvo pasirinkta viena konkreti versija.
Elektronų sukinys kaip nauja užuomina
Naujas tyrimas rodo, kad atsakymas gali slypėti ne pačiose molekulėse, o tame, kaip jos elgiasi, kai elektronai juda per jas. Tyrėjai nustatė, kad kai elektronai praeina pro chiralines molekules, jų sukinys sąveikauja su molekuline struktūra tokiu būdu, kuris nėra visiškai simetriškas tarp veidrodinių atspindžių.
Dėl to:
- Abi formos gali sukelti skirtingus sukinio poliarizacijos lygius
- Šie skirtumai gali turėti įtakos tam, kaip efektyviai kiekviena forma dalyvauja fiziniuose ir cheminiuose procesuose
- Tai pažeidžia ilgalaikę prielaidą, kad veidrodinio atspindžio molekulės turėtų elgtis identiškai pagal dydį, skirdamosi tik ženklu.
Tyrime derinama teorinė analizė, eksperimentai ir pažangūs skaičiavimai, siekiant parodyti, kad ši asimetrija atsiranda dėl to, kaip elektronų sukinys išsilygina kiekvienoje molekulinėje struktūroje.
Dinaminė asimetrija tarp veidrodinių molekulių
Nors du enantiomerai turi tą pačią energiją, jų su sukiniu susijusios savybės judėjimo metu nėra tikslūs veidrodiniai atspindžiai, todėl atsiranda išmatuojamų elgesio skirtumų. Svarbu tai, kad šie skirtumai pasireiškia dinaminiuose procesuose, tokiuose kaip elektronų pernaša ir sąveika su magnetine aplinka, o ne statinėse savybėse.
Šie atradimai suteikia galimą kelią suprasti, kaip viena molekulinė „ranka“ ėmė dominuoti biologijoje. Jei vienas enantiomeras nuolat efektyviau sąveikauja su savo aplinka nuo sukinio priklausančiomis sąlygomis, net ir nedideli skirtumai laikui bėgant galėtų kauptis, o tai lemtų visuotinį prioritetą. Tai suteikia naują požiūrį į tai, kaip fiziniai procesai, o ne grynai cheminiai, galėjo paveikti ankstyviausius biologinio vystymosi etapus.
Implikacijos ir ateities kryptys
Žvelgiant į ateitį, šis darbas atveria naujas tyrimų kryptis fizikos, chemijos ir biologijos sankirtoje:
Tirti, kaip nuo sukinio priklausantys efektai veikia chemines reakcijas
Kurti medžiagas, kurios išnaudoja chiralumą ir elektronų sukinį
Tirti, kaip kvantinės savybės formuoja biologines sistemas
Plačiau kalbant, tyrimas rodo, kad simetrija chemijoje gali būti subtilesnė ir lengviau pažeidžiama, nei manyta anksčiau.
Yossi Paltiel et al, Dynamic Breaking of Mirror Symmetry in Spin-Dependent Electron Transport through Chiral Media Causes Enantiomeric Excesses, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aec9325. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec9325
Journal information:Science Advances
Kodėl viso ląstelės ciklo modeliavimas užtruko kelis metus ir šešias dienas vienam modeliavimui
Mokslininkai galbūt rado kvantinių skaičiavimų šventąjį gralį