Почему жизнь использует молекулы только одной «руки»?

Вопрос

Многие молекулы существуют в двух формах, которые являются зеркальными отражениями друг друга, как левая и правая рука: те же атомы, те же связи, но совместить их нельзя. Химики называют такие молекулы хиральными. Две формы могут по-разному действовать на организм: одна форма молекулы карвона пахнет мятой, её зеркальное отражение — тмином.

В 1848 году Луи Пастер, вручную перебирая крошечные кристаллы натрий-аммониевой соли рацемической (виноградной) винной кислоты, разделил их на левые и правые и показал, что их растворы поворачивают поляризованный свет в противоположные стороны. Позже он заметил нечто более странное: живые организмы производят только одну из двух форм.

Это оказалось всеобщим правилом. Белки всех известных организмов построены из левых аминокислот, а сахара в ДНК и РНК — правые. Между тем обычная химия без участия жизни даёт обе формы поровну. Как же жизнь пришла к одной «руке» и почему именно к этой?

Что известно

Гомохиральность — необходимость, а не курьёз. Белки сворачиваются в точные формы, а ДНК образует правильную двойную спираль, только если все их строительные блоки одной «руки». Смесь не работала бы.
Законы химии почти идеально симметричны относительно двух форм. Единственное известное исключение — слабое ядерное взаимодействие, которое чуть-чуть предпочитает одну «руку», но рассчитанная разница энергий между зеркальными молекулами слишком мала, чтобы иметь прямое значение.
Небольшой перевес можно усилить. В 1953 году Чарльз Франк теоретически показал, что реакция, в которой молекула ускоряет собственное образование и подавляет своё зеркальное отражение, может превратить крошечный избыток в полное господство. В 1995 году Кэнсо Соай с коллегами нашли настоящую реакцию, которая так работает.
То же умеют кристаллы. В 2005 году Кристобаль Вьедма показал, что если перетирать в растворе смесь левых и правых кристаллов, вся смесь может перейти к одной «руке».
В некоторых метеоритах аминокислоты содержат небольшой избыток левой формы: в 1997 году в метеорите Мурчисон нашли избытки в несколько процентов у аминокислот, редких в живой природе, что делает земное загрязнение маловероятным. Свет с круговой поляризацией, наблюдаемый в областях звездообразования, может разрушать одну форму чуть быстрее другой и, возможно, служит одним из источников таких избытков.
Образцы астероида Бенну, доставленные миссией NASA OSIRIS-REx и не соприкасавшиеся с земной биосферой, в 2025 году дали другую картину: все их хиральные аминокислоты, которые жизнь не использует, включая изовалин, у которого в Мурчисоне есть «левый» избыток, оказались смесью обеих форм поровну в пределах погрешности. В образцах астероида Рюгу избытков тоже не нашли. Авторы делают вывод, что «левизна» жизни, возможно, не связана с перекосом в молекулах, принесённых из космоса.
В 2023 году исследователи показали, что предшественник РНК, кристаллизуясь на магнетите — распространённом магнитном минерале, — приобретает избыток одной формы около 60%, потому что электроны с определённым спином по-разному взаимодействуют с двумя зеркальными формами; повторная кристаллизация затем дала кристаллы только одной формы.

Основные гипотезы

Случайный старт и усиление

Первый избыток был случайным — статистическое колебание, один кристалл, — а автокатализ или кристаллизация его усилили. Тогда жизнь с тем же успехом могла бы быть зеркальной, и на другой планете она такой и может оказаться.

Физическая предрасположенность

Избыток возник по физической причине, которая во всей области предпочитает одну «руку»: поляризованный свет в космосе, магнитные минералы или, в конечном счёте, слабое взаимодействие. Тогда тот же выбор мог бы происходить везде, где появляется жизнь, по крайней мере в нашей части Галактики.

Выбор биологии, а не химии

Возможно, ранняя жизнь или предшествующие ей системы начинались со смешанной химии, а гомохиральность возникла позже, когда самокопирующиеся системы одной «руки» вытеснили смешанные. Тогда выбор сделал отбор, а не химия.

Где заканчивается понимание

Мы знаем несколько способов создать небольшой перевес и несколько способов его усилить. Мы не знаем, какой из них действительно работал на ранней Земле и может ли хоть один из них действовать в реалистичных, «грязных» условиях, а не в тщательно поставленном эксперименте.

Есть и загадка согласованности. Жизни нужны одновременно левые аминокислоты и правые сахара. Механизм, объясняющий одно, не обязательно объясняет другое — и то, почему эти два выбора связаны именно так.

А имея лишь один пример жизни, мы не можем сказать, был ли выбор вынужденным или случайным. Этот вопрос связан с более глубоким — о том, как возникла жизнь: пока мы не понимаем пути от химии к биологии, момент, когда победила одна «рука», останется скрытым.

Что могло бы дать ответ

Правдоподобный добиологический путь, который из смеси даёт почти чистые строительные блоки и белков, и РНК, используя только условия ранней Земли.
Объяснение того, почему в некоторых метеоритах есть хиральные избытки, а в образцах астероидов Бенну и Рюгу их нет, — и могли ли такие избытки вообще попасть на раннюю Землю в заметных количествах.
Жизнь или её следы, найденные в другом месте, — и ответ на вопрос, какую «руку» она использует.