В исследовании, проведённом под руководством профессора Йосси Пальтиэля (Yossi Paltiel, Еврейский университет в Иерусалиме) и профессора Рона Наамана (Ron Naaman, Институт Вейцмана), международная команда учёных обнаружила физический механизм, который может объяснить, почему живые организмы используют только одну из двух возможных зеркальных форм молекул.

Многие ключевые молекулы жизни, такие как аминокислоты и сахара, существуют в виде двух зеркальных форм — энантиомеров. Несмотря на химическую идентичность, живые системы используют только одну из них: аминокислоты — почти исключительно одну хиральность, сахара — противоположную. Это явление, называемое гомохиральностью, остаётся одной из главных загадок науки.

Авторы работы показали, что причина может быть не в самих молекулах, а в том, как через них проходят электроны. Когда электрон движется по хиральной молекуле, его спин (внутренний квантовый момент) взаимодействует со структурой молекулы несимметрично для зеркальных форм. Это приводит к тому, что динамические процессы — такие как транспорт электронов и взаимодействие с магнитной средой — протекают по-разному для двух энантиомеров, хотя их энергия одинакова.

Иллюстрация: Nano Banana

В ходе работы были проведены теоретические расчёты и эксперименты, показавшие, что спин-зависимые эффекты приводят к небольшим, но измеримым различиям в поведении зеркальных молекул. Эти различия проявляются только в динамике, а не в статических свойствах, и могут накапливаться со временем, приводя к доминированию одной формы в биологических системах.

Результаты исследования открывают новое направление для изучения происхождения жизни, показывая, что физические процессы — а не только химические — могли сыграть ключевую роль в выборе хиральности. Даже минимальное преимущество одной формы при взаимодействии с окружающей средой способно привести к глобальному преобладанию этой формы.

В более широком контексте работа демонстрирует, что симметрия в химии может нарушаться тоньше и проще, чем считалось ранее, а спиновые эффекты электронов — важный фактор в эволюции молекулярных систем.