Syyllisenä elektronien spin

Tiedemiesryhmä on tunnistanut uuden fyysisen mekanismin, joka voisi auttaa selittämään yhden tieteen sitkeimmistä mysteereistä: miksi elämä käyttää johdonmukaisesti vain yhden käden versiota molekyyleistään eikä toista.

Tutkimus, jota johtivat professori Yossi Paltielin Hebrew Universitysta ja professori Ron Naaman Weizmann-instituutista osoittaa, että elektronin spin, perustavanlaatuinen kvanttiominaisuus, voi saada peilikuvamolekyylit käyttäytymään eri tavalla dynaamisissa prosesseissa, vaikka ne ovat muuten identtisiä.

Monet elämälle välttämättömät molekyylit esiintyvät kahdessa peilikuvamuodossa, jotka tunnetaan enantiomeereinä. Kemiallisesti nämä muodot ovat lähes erottamattomia. Silti elävissä järjestelmissä käytetään tyypillisesti vain yhtä versiota: aminohapot ovat lähes yksinomaan yhtä tyyppiä, kun taas sokerit noudattavat päinvastaista kaavaa.

Tämä homokiraliteettina tunnettu ilmiö on askarruttanut tiedemiehiä yli vuosisadan ajan. Olemassa olevat selitykset ovat kamppailleet sen selvittämiseksi, miksi yksi tietty versio valittiin maailmanlaajuisesti.

Elektronin spin uutena vihjeenä

Uusi tutkimus viittaa siihen, että vastaus ei ehkä olekaan molekyyleissä itsessään, vaan siinä, miten ne käyttäytyvät elektronien kulkiessa niiden läpi. Tutkijat havaitsivat, että kun elektronit kulkevat kiraalisten molekyylien läpi, niiden spin vuorovaikuttaa molekyylirakenteen kanssa tavalla, joka ei ole täysin symmetrinen peilikuvien välillä.

Seurauksena on, että nämä kaksi muotoa voivat tuottaa erilaisia spin-polarisaatiotasoja ja nämä erot voivat vaikuttaa siihen, kuinka tehokkaasti kukin muoto osallistuu fysikaalisiin ja kemiallisiin prosesseihin.

Tämä rikkoo pitkäaikaisen oletuksen, jonka mukaan peilikuvamolekyylien tulisi käyttäytyä identtisesti suuruudeltaan ja erottua vain merkissä.

Tutkimus yhdistää teoreettisen analyysin, kokeet ja edistyneet laskelmat osoittaakseen, että tämä epäsymmetria johtuu siitä, miten elektronien spin asettuu kunkin molekyylirakenteen sisällä.

Vaikka kahdella enantiomeerillä on sama energia, niiden spiniin liittyvät ominaisuudet liikkeen aikana eivät ole tarkkoja peilikuvia, mikä johtaa mitattavissa oleviin eroihin käyttäytymisessä. On tärkeää huomata, että nämä erot näkyvät dynaamisissa prosesseissa, kuten elektronien kuljetuksessa ja vuorovaikutuksessa magneettisten ympäristöjen kanssa, eivätkä niinkään staattisissa ominaisuuksissa.

Nämä löydökset tarjoavat mahdollisen keinon ymmärtää, miten yksi molekyylinen "käsi" tuli hallitsevaksi biologiassa. Jos yksi enantiomeeri vuorovaikuttaa johdonmukaisesti tehokkaammin ympäristönsä kanssa spin-riippuvaisissa olosuhteissa, pienetkin erot voisivat kasaantua ajan myötä, mikä johtaisi globaaliin mieltymykseen. Tämä tarjoaa uuden näkökulman siihen, miten fyysiset prosessit, puhtaasti kemiallisten sijaan, ovat saattaneet vaikuttaa biologisen kehityksen varhaisimpiin vaiheisiin.

Tulevaisuutta ajatellen työ avaa uusia tutkimussuuntia fysiikan, kemian ja biologian yhtymäkohdissa:

Laajemmin ottaen tutkimus viittaa siihen, että kemian symmetria voi olla hienovaraisempaa – ja helpommin rikkoutuvaa – kuin aiemmin on ajateltu kerrotaan aiheen tiedotteessa.