Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира - Крис Макманус

class="p1">Хотя D-аминокислоты, конечно, можно встретить в самых разных существах, от бактерий до пауков, от моллюсков до жаб, лягушек и человеческого мозга, их редкость только подчеркивает главный вопрос: почему все живое на Земле состоит почти исключительно из L-аминокислот и D-углеводов. В нем прячутся еще два вопроса, простой и сложный. Простой – почему хиральность аминокислот и углеводов одинакова? То есть почему все аминокислоты – именно L-аминокислоты, а все углеводы – именно D-углеводы? Причина проста – легче что-то строить из одинаковых кирпичиков, даже асимметричных, чем из разнотипных. Хорошими примерами могут быть ДНК и РНК, состоящие из нуклеотидов, содержащих углеводы (рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК). Как и все остальные углеводы, это D-рибоза и D-дезоксирибоза. Легко построить зеркальную форму ДНК, включающую L-дезоксирибозу, и она так же хорошо бы функционировала. Однако почти невозможно построить стабильную молекулу, содержащую смесь D- и L-углеводов. Для функционирования ДНК стабильность имеет ключевое значение, а потому ключевое значение имеет и гомохиральность – однонаправленность всех ее компонентов. Те же соображения верны и для аминокислот, формирующих белковые цепочки, которые более стабильны, если полностью состоят из аминокислот одного типа. Но это был легкий вопрос. Куда сложнее ответить, почему жизнь основана на D-углеводах и L-аминокислотах, а не наоборот[195].

Одна из распространенных теорий, объясняющих преобладание L-аминокислот и D-углеводов, сводится к тому, что объяснять здесь нечего: это результат случайности и только случайности. Генетик Джон Холдейн, биохимик Лесли Оргел и физик Мюррей Гелл-Манн предполагали, что первый живой организм на Земле сложился из L-аминокислот только по воле случая, и все вполне могло обернуться иначе. Но с того момента, как это произошло, использование L-аминокислот сделалось постоянной, произвольной, но полностью неизменной характеристикой живого – замороженная случайность, навсегда закрепившаяся во всех потомках первых форм жизни. Представьте, что вы бросаете монету – кому из двух игроков ходить первым во всей серии игр. Возможны два равно вероятных исхода. Однако множество мелких факторов ведут к тому, что монета падает определенным образом, скажем, орлом, и результат этот определяет весь ход дальнейшего состязания. Не было никаких специальных факторов, ведущих к тому, что монета выпала орлом, и другая монета в другой день легко могла выпасть решкой, но как только первое решение было принято, оно предопределило все последующее. Разница между игрой и жизнью в том, что жизнь на Земле разыгрывается лишь один раз, и игра все еще продолжается. Хотя свести все только к случайности – идея приятная и привлекательная, множится число ученых, считающих ее недостаточной для объяснения преобладания на Земле L-аминокислот, и, как мы увидим, в основе этого мнения лежат свидетельства, обнаруженные за много миллионов миль от нашей планеты[196].

Жизнь на Земле возникла в условиях, совершенно отличных от тех, что мы наблюдаем сегодня. Есть искушение вообразить себе благоприятную среду, в которой нежные, хрупкие конгломераты нуклеиновых кислот, углеводов, аминокислот и мембран робко искали бы способ самовоспроизведения – то, что Дарвин называл «теплым мелким водоемом, полным всех видов азотных и фосфорных соединений, в присутствии света, тепла, электричества и т. д.». На протяжении XX века ученым виделись все более суровые условия: Джон Холдейн рисовал более жаркий мир, с проливными дождями, смывающими химические вещества в моря, «достигавшими консистенции горячего бульона», а в 1950-х биохимик Стэнли Миллер пропускал электрические разряды сквозь смесь метана, аммиака, водорода и водяного пара, предположительно преобладавших в атмосфере ранней Земли. Но, возможно, и эти условия были слишком благоприятными. Химик Уильям Боннер пишет, что «в течение первых примерно 700 миллионов лет первичная Земля подвергалась интенсивной бомбардировке бесчисленных комет и астероидов, размером не менее и даже более кометы Галлея, и энергии, выделявшейся при некоторых ударах, хватало, чтобы испарить океаны, сформировать атмосферу из испарившихся горных пород и стерилизовать поверхность Земли до глубины в несколько десятков метров». Едва ли это было похоже на идеальное место для тонких химических и биологических экспериментов, представлявшееся теплым, ласкаемым волнами пляжем. Тем не менее каким-то образом сложные организмы начали развиваться в этом мире, и они использовали генетический код, основанный на ДНК, состоящей из D-углеводов и сложных ферментов, составленных из L-аминокислот[197].

Если преобладание L-аминокислот или, в данном случае, D-углеводов не объясняется всего лишь случайностью, то что-то должно было дать небольшое преимущество жизни, основанной на L-аминокислотах, перед жизнью на D-аминокислотах. И снова возникают два отдельных вопроса – каким образом L-аминокислоты получили преимущество над D-аминокислотами и как получилось, что это небольшое преимущество усилилось настолько, что D-аминокислоты практически не встречаются в живых организмах. В основном суждения касаются преимущества L-аминокислот над D-аминокислотами, сочетаясь со смутными надеждами на то, что и все остальное как-нибудь утрясется сообразно этой теории. Дьявол, однако, в деталях: не ясно, сколь велик должен был быть избыток L-аминокислот. Если бы он был слишком мал (а обычно он чрезвычайно мал), то он был бы поглощен, в буквальном смысле смыт в хаосе первобытной Земли. Многие теории говорили о некоторой асимметрии самой Земли, возможно, ее магнитного поля или кристаллов кварца, или гравитационных полей, но в конечном счете все они оказались неудачными теоретически, эмпирически или с обеих сторон. Поэтому любое возможное объяснение должно отойти от собственно самой планеты и обратиться или вглубь, к работе атома, или вовне, в глубины космоса[198].

Физики называют симметрию левого и правого «четностью», и они всегда исходили из того, что Вселенная симметрична – или, говоря их языком, в ней сохраняется четность. С точки зрения физики «положительная четность» означает, что отражение в зеркале ничего не меняет, а «отрицательная четность» зеркальна. У штопора четность отрицательная, и левый штопор, отраженный в зеркале, выглядит правым, но у винных бокалов четность положительна, зеркальное отражение ничего в них не меняет. По словам лорда Блэкетта, сохранение четности означает, что «в лавке Природы всегда в наличии одинаковое количество левых и правых штопоров». Представьте, что вы смотрите на игру в бильярд – непосредственно или в зеркале. Невозможно только по движению шаров определить, где реальность, а где зеркальное отражение, потому что законы физики, определяющие движение шаров, одинаковы и в реальности, и в зеркале. Однако это не так применительно ко многим ситуациям обыденной жизни. Допустим, ваш друг-правша открывает бутылку вина, наполняет бокал и садится почитать «Таймс». Множество деталей подскажут, какой вариант зеркален: штопор окажется закручен влево, и вращать его будут против часовой стрелки, вино будут наливать левой рукой, а текст в газете будет зеркальным. В повседневной жизни четность не сохраняется, в лавках у людей количество левых и правых штопоров не совпадает, и присущая людям сильная лево-правая асимметрия