Изначальный магнетизм: скрытая сила, стоящая за происхождением жизни

Загадочный феномен гомохиральности в жизни, когда биомолекулы существуют только в одной из двух зеркальных форм, остается необъяснимым, несмотря на историческое внимание таких ученых, как Пастер, лорд Кельвин и Пьер Кюри. Недавние исследования показывают, что комбинация электрических и магнитных полей может влиять на это предпочтение с помощью экспериментов, показывающих энантиоселективные эффекты на хиральные молекулы, взаимодействующие с намагниченными поверхностями, предлагая косвенные доказательства для понимания этой тайны.

Явление, известное как гомохиральность жизни, которое относится к исключительному присутствию биомолекул в одной из двух возможных зеркальных конфигураций в живых организмах, заинтриговало нескольких выдающихся деятелей науки. К ним относятся Луи Пастер, который первым определил молекулярную хиральность, Уильям Томсон (также известный как лорд Кельвин) и Пьер Кюри, лауреат Нобелевской премии.

Окончательного объяснения до сих пор нет, так как обе формы имеют, например, одинаковую химическую стабильность и не отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам. Однако гипотеза о том, что взаимодействие между электрическим и магнитным полями может объяснить предпочтение той или иной зеркальной формы молекулы – так называемых энантиомеров – возникла рано.

Однако лишь несколько лет назад появились первые косвенные доказательства того, что различные комбинации этих силовых полей действительно могут «различать» два зеркальных отражения молекулы. Это было достигнуто путем изучения взаимодействия хиральных молекул с металлическими поверхностями, которые проявляют сильное электрическое поле на коротких расстояниях.

Если на поверхности кобальт-меди осаждаются только левосторонние спирали геликена, то они явно предпочитают кобальтовые островки с определенным направлением намагниченности. На изображении два треугольных кобальтовых острова имеют противоположную намагниченность; Левосторонние молекулы гелицена связываются почти исключительно с островом справа и избегают острова слева (за исключением нескольких молекул на краю острова). Фото: Институт Петера Грюнберга/Юлих

Таким образом, поверхности магнитных металлов, таких как железо, кобальт или никель, позволяют сочетать электрические и магнитные поля различными способами – направление намагниченности просто меняется на противоположное, от «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, правая или левая молекула «оседает» на поверхности.

Зеркальные отражения предпочитают противоположные магнитные поля

И это действительно так, как недавно сообщила в научном журнале Advanced Materials группа исследователей во главе с Карлом-Хайнцем Эрнстом (Karl-Heinz Ernst) из лаборатории Empa Surface Science and Coating Technologies и коллегами из Института Петера Грюнберга (Peter Grünberg Institute) в Исследовательском центре Юлиха в Германии. Команда покрыла (немагнитную) поверхность меди маленькими, ультратонкими «островками» магнитного кобальта и определила направление магнитного поля в них с помощью спин-поляризационной сканирующей туннельной микроскопии; Как упоминалось ранее, он может проходить в двух разных направлениях перпендикулярно металлической поверхности: на север вверх или на юг вверх. Затем они поместили спиралевидные хиральные молекулы – смесь лево- и правосторонних молекул гептагелицена в соотношении 1:1 – на эти кобальтовые острова в сверхвысоком вакууме.

Затем они «просто» подсчитали количество правых и левосторонних молекул гецена на по-разному намагниченных кобальтовых островах, в общей сложности почти 800 молекул, опять же с помощью сканирующей туннельной микроскопии. И о чудо: в зависимости от направления магнитного поля предпочтительно оседала та или иная форма спиралей гелицена (см. правую часть графика).

Так проявляется спиновая селективность, индуцированная хиральностью (эффект СНПЧ): электроны (e- или красные и зеленые сферы со стрелками, указывающими спин электрона, вверх или вниз) с «неправильным» направлением вращения (спином) задерживаются или отфильтровываются при туннелировании через спиральные молекулы, в зависимости от левосторонности спиралей (левосторонняя или правосторонняя), так что преобладает один тип спина электрона (электроны со стрелкой, направленной вниз с левой стороны). Электрическое поле металлической поверхности (E, направленное вверх, правая сторона) смещает электроны в связанных гептахелевых молекулах; Они немного скапливаются в нижней части молекулы у поверхности. В случае хиральных молекул электроны с разными спинами также смещаются по-разному в зависимости от направленности молекулы. Молекула становится «спин-поляризованной», т.е. еще и магнитной. Поэтому в зависимости от направления намагниченности металлической поверхности хиральные молекулы взаимодействуют с ней в разной степени. Таким образом, в этом примере фиолетовая спираль сильнее связывается с поверхностью, чем желтая, так как противоположные спины «притягиваются» друг к другу (красные и зеленые электроны с разными спинами сидят друг на друге). Источник: Empa

Более того, эксперименты показали, что отбор – предпочтение того или иного энантиомера – происходит не только во время связывания на кобальтовых островах, но и заблаговременно. Прежде чем молекулы займут свое окончательное (предпочтительное) положение на одном из кобальтовых островов, они мигрируют на большие расстояния по поверхности меди в значительно более слабо связанном состоянии-прекурсоре в «поиске» идеального положения. Они связаны с поверхностью только так называемыми силами Ван-дер-Ваальса. Они вызваны лишь флуктуациями в электронной оболочке атомов и молекул и поэтому являются относительно слабыми. О том, что даже на них влияет магнетизм, т.е. направление вращения (спина) электронов, до сих пор не было известно.

Электроны с «неправильным» спином отфильтровываются

Используя сканирующую туннельную микроскопию, исследователи также смогли разгадать еще одну загадку, о чем они сообщили в журнале Small в ноябре прошлого года. Перенос электронов, т.е. электрический ток, также зависит от сочетания молекулярной направленности и намагниченности поверхности. В зависимости от направленности связанной молекулы, электроны с одним направлением спина преимущественно проходят через молекулу, что означает, что электроны с «неправильным» спином отфильтровываются.

Эта спиновая селективность, индуцированная хиральностью (эффект СНПЧ, см. левую часть графика), 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 смогли показать, что отдельные молекулы гецена также проявляют эффект СНПЧ. «Но физика, стоящая за этим, до сих пор не понятна», — признает Эрнст.

Исследователь Empa также считает, что его выводы в конечном итоге не могут полностью ответить на вопрос о хиральности жизни. Иными словами, вопрос, который лауреат Нобелевской премии по химии и химик ETH Владимир Прелог в своей Нобелевской лекции 1975 года назвал «одной из первых проблем молекулярной теологии». Но Эрнст может себе представить, что в некоторых катализируемых на поверхности химических реакциях – таких, как те, которые могли происходить в химическом «первичном бульоне» на ранней Земле – определенная комбинация электрических и магнитных полей могла привести к устойчивому накоплению той или иной формы различных биомолекул – и, таким образом, в конечном счете, к гибели жизни.

#ПроисхождениеЖизни #Магнетизм #Хиральность #Биомолекулы #Энантиомеры #ЭлектрическиеПоля #МагнитныеПоля #НаучныеИсследования #Эмпа #ФизикаЧастиц #СпинЭлектронов #ХимияЖизни #МолекулярнаяБиология #ПримордиальныйСуп