Физиците предполагат, че влиянието на космическите лъчи върху ранния живот на Земята може да обясни защо важните биологични молекули са ориентирани по един и същи начин.

Преди да има животни, бактерии или дори ДНК на Земята, самовъзпроизвеждащите се молекули бавно еволюират по пътя си от неживата материя до жива под постоянния поток от енергийни космически частици.

В нова статия учени от Станфорд предполагат, че това взаимодействие между древните протоорганизми и космическите лъчи може да има решаваща роля в ориентацията на структурата на биологичните молекули.

Всички живи организми на Земята обаче използват само една от тези форми - само L-аминокиселини и само D-захари. 

Ако молекулата в биологичната система се замени с огледалната й версия, системата често ще функционира неправилно или ще спре да функционира изобщо. В случая на ДНК, една захар с грешна ориентация би нарушила стабилната спирална структура на молекулата.

Може да се различават L и D молекулите по тяхното взаимодействие със светлината. Когато чист изомер преминава през разтвор, равнината на поляризираната светлина се завърта по посока на часовниковата стрелка или обратно. И още откривателят на  тази биологична хомохиралност, Луи Пастьор, предполага, че не химическите, а физичните свойства на оптичните изомери са довели до това, че някои от тях доминират в биосферата. 

От откриването на това свойство на живота през 1848 г. и досега то остава една от основните загадки на биологията-  учените се питат дали хомохиралността на живота се е появила случайно или заради някакъв неизвестен фактор.

Магнитна поляризация от космоса

„Предполагаме, че биологичната хомохиралност, на която сме свидетели сега на Земята, се дължи на еволюцията под влиянието на магнитно поляризираното лъчение, където малка разлика в скоростта на мутациите може да е стимулирала еволюцията на живота, базиран на ДНК, а не на огледалния й образ“, заяви Ноеми Глобус (Noémie Globus), водещ автор на статията от Института за астрофизика и космология на частиците Кавли (KIPAC).

В своята статия, публикувана на 20 май в Astrophysical Journal Letters, Глобус и Роджър Бландфорд (Roger Blandford) от Станфордския университет излагат своята хипотеза, че хомохиралността е възникнала в условия на постоянно бомбардиране от космически лъчи още на първите етапи от възникването на живота, по време на химическата еволюция на молекулите-предшественици.

Те също така обсъждат потенциални експерименти, за да тестват своята хипотеза.

Такива високоенергийни частици идват при нас както от Слънцето, така и от по-далечни звезди и галактики. За щастие те почти не достигат земната повърхност, сблъсквайки се с молекули в атмосферата и генерирайки потоци от вторични частици, като мюони.

Мюоните са нестабилни частици, съществуващи само за 2 милиона секунди, но като вземе предвид скоростта им, която е почти колкото тази на светлината, те успяват да проникнат много по-ниско до повърхността - тези частици може да се открият на дълбочина от 700 метра под земната повърхност.

Те също са магнитно поляризирани, което означава, че средно мюоните имат една и съща магнитна ориентация. Когато мюоните най-накрая се разпаднат, те произвеждат електрони с една и съща магнитна поляризация. Изследователите смятат, че проникващата способност на мюоните позволява на тях и произведените от тях електрони потенциално да повлияят на хиралните молекули на Земята и навсякъде другаде във Вселената.

Сблъсквайки се с биологични полимери на аминокиселините (протеини) и захари (които влизат в състава на РНК и ДНК), високоенергийните мюони причиняват техните мутации.

Хипотезата на изследователите е, че в началото на живота на Земята тази постоянна и последователна радиация повлиява на еволюцията на двете огледални форми на живот по различни начини, като помага на едната в крайна сметка да надделее над другата.

Тези малки разлики в скоростта на мутациите вероятноса били най-значителни, когато животът започва и участващите молекули са много прости и по-крехки. При тези обстоятелства малкото, но упорито хирално влияние от космическите лъчи би могло да наложи за милиарди поколения еволюция една единствена биологична хиралност, която виждаме днес, като направи някои изомери по-стабилни и естественият отбор фиксира тази характеристика на живота.

Любопитно е, че подобни процеси трябва да се развият на други планети, подходящи за появата на живота. Следователно е възможно една и съща хиралност да е характерна за организмите, които са се развили не само на Земята.

„Това малко прилича на рулетка във Вегас, в която е заложено леко предпочитание към червените клетки, за разлика от черните“, обяснява професор Бландфорд, водещ автор на статията. „Ако изиграете няколко игри, нищо няма да забележите. Но ако играете с тази рулетка в продължение на много години, тези, които залагат обичайно на червено, ще печелят пари, а тези, които залагат на черно, ще загубят и ще си отидат".

Готови за изненада

Глобус и Бландфорд предлагат експерименти, които биха могли да докажат или опровергаят хипотезата им за космическите лъчи. Например те биха искали да тестват как бактериите реагират на радиация с различна магнитна поляризация.

„Експерименти като този никога не са правени и съм развълнувана да видя какво ще ни покажат. Има неизбежно изненадите, когато се работи по интердисциплинарни теми “, коментира Глобус.

Изследователите също очакват органични проби от комети, астероиди или Марс, за да проверят дали и там ще преобладават определени изомери.

„Тази идея свързва фундаменталната физика и произхода на живота“, отбелязва Бландфорд. „Независимо дали е правилно или не, премостването на тези много различни области е вълнуващо и един успешен експеримент трябва да бъде интересен“.

Ако идеята им е вярна, това означава, че целият живот във Вселената би могъл да споделя еднакви хирални предпочитания.

Справка: The Chiral Puzzle of Life. Noemie Globus and Roger D. Blandford, Published 2020 May 20 • © 2020. The Astrophysical Journal Letters, Volume 895, Number 1, DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab8dc6

Източник:

Cosmic rays may have left indelible imprint on early life, Stanford physicist says, Stanford University Communications