Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

На эту мысль физиков навела гипотетическая зеркальная версия нашей Вселенной, где все левое стало правым, и наоборот (совсем как в “Алисе в Зазеркалье” Льюиса Кэрролла). Окажется ли там все то же самое, но только повернутое вокруг себя, или “зеркальность” неизбежно вызовет и другие изменения? Большинство ученых считает, что почти ничего не изменится, – это так называемая концепция сохранения четности. Однако в 1956 году два физика-теоретика Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг высказали противоположную точку зрения^[432]. В следующем году экспериментальный физик Цзяньсюн Ву подтвердила их предположение: четность сохраняется не всегда, и зеркальные миры должны быть разными^[433]. Она установила, что так называемые слабые ядерные взаимодействия (один из двух типов сил, действующих в ядре атома) не всегда подчиняются закону четности. В том же году Ли и Янг получили Нобелевскую премию по физике.

Прошло почти десять лет, прежде чем японский физик Юкио Ямагата предположил, что такое нарушение четности в ядрах атомов означает небольшое различие в энергии двух хиральных форм молекул^[434]. Данное различие, пускай едва заметное, способствовало бы образованию одной из двух форм. Эта “разница в энергии из-за нарушения четности” интересовала ученых несколько десятилетий, однако ее эффект представляется недостаточно сильным, меньше необходимого на многие порядки. В 1985 году Дилип Кондепуди и его коллега предположили, что эту небольшую разницу могут усиливать какие-то другие процессы. Именно поэтому смесь из абсолютно равного количества левовращающих и правовращающих молекул полностью превратилась бы в одну чистую форму соединения за 15 тысяч лет^[435]. Однако их предположение основано на множестве допущений, каждое из которых выглядит слишком оптимистично. Имеющаяся информация скорее говорит в пользу невозможности объяснения исходного дисбаланса форм нарушением четности^[436].

Однако в этом могут принимать участие и какие-то другие физические процессы. В эксперименте Пастера две формы тартрата возможно отличить благодаря разным формам их кристаллов. Из этого следует, что такие молекулы могут разделяться: имеющие одну хиральность образуют кристаллы с себе подобными – и тем же заняты в это время представители второй формы. Налицо готовый способ разделения двух разновидностей молекул: просто выпарив воду из раствора либо добавив в него больше вещества, чем может раствориться, мы получим разные молекулы в разных кристаллах. Впечатляющий пример этого продемонстрировали в 1990 году Кондепуди и его коллеги^[437]. Они использовали вещество с необычными свойствами – хлорат натрия. Будучи растворенным в воде, он не обладает хиральностью, но при кристаллизации образует две хиральные разновидности кристаллов. Если кристаллизация этого соединения происходит из раствора в состоянии покоя, то обе формы оседают в равных количествах. Но если такой раствор очень быстро перемешивать, то свыше 99 % всех кристаллов будут иметь одну хиральность. Кристалл, образующийся первым и называемый “кристалл Ева”, определяет форму всех последующих^[438]. Фокус в том, что при быстром перемешивании мешалка ударяет по кристаллу Еве и разбивает его на части. Образуется множество кристаллов с одной хиральностью, каждый из которых может стать зародышем кристаллизации. Это происходит до того, как успевает возникнуть второй кристалл Ева (он может иметь и другую хиральность).

Спустя 15 лет испанский химик Кристобаль Вьедма придумал еще один способ придать молекулам хлората определенную хиральность. Этот способ настолько ошеломил его коллег-химиков, что публикация результатов растянулась на целый год^[439]. Для начала Вьедма принялся растворять хлорат натрия, постоянно добавляя его, и делал так до тех пор, пока это было возможно. В итоге образовались кристаллы, обеих форм поровну. Вся система находилась в состоянии равновесия. Несмотря на то, что отдельные частицы постоянно оседали на кристаллах или покидали их, сами они сохраняли свои размеры почти без изменений. Примерно постоянным оставалось и соотношение хиральных форм.

Но ситуация изменилась после того, как Вьедма добавил в раствор стеклянные шарики и снова принялся его перемешивать. В результате шарики начали врезаться в кристаллы и дробить их на фрагменты – некоторые из них оказывались достаточно малы для того, чтобы раствориться. В какой-то момент хлората натрия в растворе оказывалось слишком много и молекулы начинали оседать на уже имеющихся кристаллах. Однако это происходило не как попало: частицы отдавали предпочтение кристаллам покрупнее. Если в силу случайности крупных кристаллов одной хиральности оказывалось больше, то они росли быстрее и вбирали в себя больше новых молекул. Таким образом, очень незначительное преимущество одной хиральной формы над другой быстро стало значительным.