Иерусалим, 23 апреля 2026 г. (TPS-IL) — Тайна того, почему жизнь предпочитает одну молекулярную «руку» ее зеркальному отражению, может быть ближе к объяснению, основанному на квантовой физике, что в конечном итоге может повлиять на все — от фармацевтики до электроники следующего поколения.
Новое израильское исследование предполагает, что крошечное квантовое свойство электронов, известное как «спин», может помочь объяснить, почему биология последовательно использует только одну версию многих молекул вместо их зеркальных аналогов.
Многие биологические молекулы существуют в двух зеркальных формах, называемых энантиомерами. В стандартной химии обе формы должны вести себя одинаково и присутствовать в равных количествах. Но в живых системах это не так. Жизнь почти всегда использует только одну версию: аминокислоты обычно левовращающие, а сахара — правовращающие. Эта закономерность, известная как гомохиральность, озадачивает ученых более века.
Команда израильских исследователей под руководством профессора Йоси Палтиеля из Еврейского университета в Иерусалиме обнаружила, что ответ может заключаться в том, как электроны проходят через эти молекулы. Электроны обладают свойством, называемым спином, которое влияет на их взаимодействие с веществом. Исследование показало, что при прохождении электронов через хиральные молекулы их спин ведет себя по-разному в зависимости от того, с какой зеркальной формой они сталкиваются.
Результаты были опубликованы в рецензируемом журнале Science Advances.
«Жизнь гомохиральна. Это нетривиально, поскольку в стандартной химии получение обеих зеркальных молекул имеет равные шансы», — сказал Палтиель The Press Service of Israel. «Наше исследование ставит вопрос, почему природа хиральна и как нарушается симметрия. Текущая статья предполагает, что спиновые взаимодействия электронов могут объяснить оба эффекта».
Крошечные различия в спине имеют значение
Хотя две версии молекулы имеют одинаковую энергию в статичных условиях, они ведут себя не идентично во время динамических процессов, таких как электронный транспорт и химические реакции. Результаты показывают, что эти различия могут влиять на эффективность участия каждой формы в реакциях с участием электронов. В течение длительного времени даже очень небольшие различия в эффективности могут иметь значение. Исследователи предполагают, что если одна молекулярная форма последовательно показывает немного лучшие результаты в этих условиях, она может постепенно стать доминирующей. Это может помочь объяснить, как биология в конечном итоге отдала предпочтение одной «руке» молекул во всей известной жизни.
Результаты объединяют теоретическую работу, экспериментальные данные и расчеты поведения электронов в хиральных системах. Они указывают на ранее недооцененную роль квантовых эффектов в процессах, фундаментальных для биологии.
Палтиель сообщил TPS-IL, что исследование «имеет применение на рынке лекарств, в области зеленой энергетики и улучшения проводников для индустрии чипов».
В фармацевтике открытие может помочь улучшить разработку и производство лекарств. Многие лекарства существуют в двух зеркальных формах, но обычно только одна из них эффективна в организме человека. Если спин электронов может влиять на то, какая молекулярная форма становится доминирующей, может стать возможным более эффективно и с большей точностью производить правильную версию.
В области электроники и полупроводниковых технологий результаты могут помочь решить одну из растущих проблем отрасли: управление тепловыделением в постоянно уменьшающихся и более мощных чипах. Исследование предполагает, что материалы, разработанные с «хиральными» свойствами, на которые влияет спин электронов, могут улучшить контроль над теплом и электрическими сигналами. Палтиель сообщил TPS-IL, что эта идея уже изучается коммерчески, заявив, что стартап, связанный с исследованием, работает над «хиральными покрытиями и хиральными металлами, которые решают проблемы управления тепловыделением в полупроводниковой промышленности».
В области энергетики и материаловедения этот механизм может привести к новым способам разработки более эффективных материалов для химических реакций и передачи энергии. Поскольку эффект связан с тем, как электроны перемещаются через вещество, он может помочь улучшить катализаторы и проводящие материалы, используемые в ряде технологий, включая системы зеленой энергетики. В более широком смысле это предполагает сдвиг в подходе, когда ученые могут разрабатывать материалы не только на основе химической структуры, но и на основе того, как спин электронов взаимодействует с молекулярной формой.
