CC BY
20
УДК 523.07
РЕЗУЛЬТАТЫ ВТОРОГО ЭТАПА ИССЛЕДОВАНИЙ РАДИАЦИОННОГО МЕХАНИЗМА КИРАЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ (ЭКСПЕРИМЕНТ РАМБАС-2)
Г. А. Гусев, Жанг Гаобин1, К. Кобаяши2, Ксю Джианхуа3, Э. В. Моисеенко4, Н. Г. Полухина, Т. Саито5, Тао Е3, В. А. Царев, Ян Хуанг3
Представлены результаты второго этапа эксперимента "РАМБАС" (РАдиационный Механизм Биомолекулярной АСимметрии) по исследованию радиационного механизма воздействия на киральные молекулы. Проведено сравнение оптической активности образцов, содержащих рацемические смеси комплексов аминокислот с тяжелыми металлами, до и после их облучения потоком электронов от радиоактивного источника. Показано, что облучение приводит к асимметричному разложению комплексов аминокислот и самих аминокислот и возникновению киральной асимметрии образцов. Эти результаты подтверждают выводы, полученные на первом этапе эксперимента РАМБАС и могут оказаться существенными для решения проблемы происхождения жизни и возникновения киральной асимметрии биосферы.
Происхождение гомокиральности биосферы является одной из ключевых проблем, без решения которой невозможно построение теории происхождения жизни [1-6]. Для
1 Университет Науки и Технологии Китая, Хефей, КНР.
2Иокогамский Национальный Университет, Иокогама, Япония.
3Институт Физики Высоких Энергий, Пекин, КНР.
4Российский Федеральный Ядерный Центр, Снежинск.
5Институт Передовых Исследований, Токио, Япония.
объяснения гомокиральности жизни на Земле было предложено множество различных моделей и теорий. Однако ни одна из них не стала общепринятой. К числу наиболее популярных относится гипотеза о связи биологической гомокиральности с нарушением четности в слабых взаимодействиях. В качестве наиболее эффективного механизма, который мог бы реализовать эту связь, предполагается асимметричный радиолиз предбиологических молекул продольно поляризованными электронами, возникающими в бета-распадах ("радиационный механизм") [7-9].
За последние годы было сделано много попыток экспериментальной проверки эффективности радиационного механизма, однако ситуация до недавнего времени оставалась полностью неопределенной [4].
Недавно международное сотрудничество РАМБАС ("Радиационный Механизм Биомолекулярной Асимметрии"), включающее ряд институтов России, Японии и Китая, представило результаты новых исследований радиационного механизма кирального воздействия [10]. Это исследование отличается от проведенных ранее работ рядом особенностей. До сих пор ни в одном из известных исследований этого механизма не использовались одновременно техника кругового дихроизма, источники синхротронно-го излучения, а также комплексы аминокислот и тяжелых металлов. Сочетание этих факторов дает возможность обеспечить значительно более высокую чувствительность измерений малых ожидаемых киральных эффектов. В результате проведенных исследований было найдено, что облучение потоком электронов от радиоактивного источника смеси простых акиральных веществ инициирует синтез простейших аминокислот, а в рацемической смеси комплексов аминокислот и металлов приводит к асимметричному разложению и возникновению киральной асимметрии. Полученные результаты можно рассматривать как свидетельство в пользу важной роли, которую может играть облучение потоками заряженных частиц, как для синтеза важнейших биоорганических соединений, так и для возникновения (при облучении поляризованными частицами) киральной асимметрии биоорганических веществ. Последний вывод, несомненно, может иметь важнейшее значение для решения проблемы происхождения жизни и возникновения киральной асимметрии биосферы, как в земном, так и в космическом сценариях происхождения жизни.
Вместе с тем, полученные на первой стадии эксперимента РАМБАС данные о ки-ральном воздействии потоков поляризованных электронов авторы склонны рассматривать как предварительные, требующие дальнейшей проверки и уточнения. В частности, в силу некоторых организационных и технических причин, не были проведены
измерения оптической активности образцов до их облучения электронами. Поэтому, в принципе, существовала опасность, что приготовленные образцы не являются чисто рацемическими, и небольшая киральная асимметрия могла бы привести к наблюдаемому эффекту, маскируя эффект облучения. Для получения более обоснованных выводов на втором этапе нами были проведены дополнительные измерения, прежде всего с целью сравнения оптической активности исходных и облученных образцов и проверки полученных ранее данных. Ниже представлены результаты этих измерений.
4
1.2
1.0
0.8
106
« 0.4 О
О 0.2 О -0.2 -0.4
-0.06
180 200 220 240 260 160 180 200 220 240 280
Wavelength, nm Wavelength, ran
Рис. 1. Результаты измерения кругового дихроизма (КД) контрольного образца L-серина различной концентрации (сверху вниз: 0.6%; 0.3%; 0.15%;0.1%;0.075%) после вычитания фона.
Рис. 2. Сравнение сигналов КД для контрольного образца L-серина 0.075% концентрации после вычитания фона (кривая 1 ) и образца карбоната никеля с аланином после вычитания фона (кривая 2).
Вторая серия оптических измерений на пучке синхротронного излучения 4В8 BSRF (Beijing Synchrotron Radiation Facility) Института физики высоких энергий Китая (ИФ-ВЭ, Пекин) была проведена в период с 18 по 30 марта 2008. Техника и методика измерений были аналогичны тем, которые использовались в первой серии и описаны в [10], за исключением более высокой интенсивности пучка синхротрона, что позволяло несколько сократить длительность экспозиции при нахождении спектров кругового дихроизма (КД). Для исследования во второй серии были приготовлены 8 пар образцов, содержащих рацемические комплексы аминокислот с тяжелыми металлами. Один из образцов каждой пары не облучался, второй - подвергался облучению (в виде раствора) в Российском федеральном ядерном центре в течение 43 суток. Как и на первом этапе, облучение
0.16-
-0.20 - j
0.10
0
-0.08
180 200 220 240 260
Wavelength, run
180 200 220 240 260 Wavelength, nm
Рис. 3. Сравнение сигналов КД для контрольного образца Ь-серина 0.075% концентрации после вычитания фона (кривая 1) и облученного образца ацетата кобальта с серином после вычитания фона (кривая 2).
Рис. 4. Сигнал КД для необлученного образца ацетата кобальта с серином после вычитания фона.
проводилось десятью источниками типа БИС-20 с общей активностью 50 Ки. Излучающим элементом служила смесь радионуклидов 90 5т +90 У, нанесенная тонким слоем на подложку источника. Измеренные значения внешнего /^-излучения источника в угол 2ж составляли 10.7 • 109 с-1. Примерно 80% этой величины приходится на долю излучения радионуклида иттрий-90, а 20% на долю излучения стронция-90, которое практически полностью поглощается в стенках контейнера образца. При этом средняя величина энергии, внесенной в образцы за одни сутки облучения, равнялась примерно Ю20 эВ. Водные растворы образцов были получены растворением 1.5 мМ аминокислот и 0.25 мМ солей тяжелых металлов с последующим нагреванием до 120°С. Для получения би-ядерного комплекса (палладий и кобальт) растворялось по 0.125 мМ соли каждого из металлов. Содержание воды было таким, что объем полученного раствора составлял 3 мл. Твердые образцы получались выпариванием воды из соответствующих растворов. Состав образцов: (1) ацетат кобальта с серином; (2) ацетат меди с серином; (3) ацетат кобальта и палладия с серином; (4) карбонат никеля с серином; (5) карбонат меди с ги-стидином; (6) ацетат кобальта с серином (1.25/7.5-2мл НгО); (7) ацетат меди с серином (2.5/15-2мл Н2О), (8) карбонат меди с серином (облучался в твердой фазе). Кроме этого, были проведены измерения одиночных образцов, облучавшихся 43 суток в твердой фазе: (а) карбонат меди с серином; (б) ацетат меди с аланином; (в) ацетат кобальта с гисти-
дином; (г) карбонат никеля с аланином; (д) карбонат никеля с гистидином. Наконец, последний образец (е) карбонат никеля с аланином облучался 2 года.
Результаты обработки данных измерений КД исследованных образцов представлены на рис. 1-8. На всех рисунках сигнал КД определен как СБ = ДА = А£ — Ар,, где А - оптическая плотность или поглощающая способность А = \ogw(Io/1), /о - интенсивность света, входящего в образец, I - интенсивность света, выходящего из образца, и индексы Ь и Я соответствуют лево- и право-циркулярно поляризованному свету, соответственно. Соответствующую величину поворота плоскости поляризации в мград можно получить, умножив значение по оси у на фактор 16.
Рис. 5. Сравнение сигнала КД для контрольного образца Ь-серина 0.075% концентрации после вычитания фона (кривая 1) и разности КД сигналов для образца ацетата кобальта и палладия с серином после облучения и до облучения (кривая 2).
Рис. 6. Сравнение сигнала КД для контрольного образца Ь-серина 0.075% концентрации после вычитания фона (кривая 1) с сигналом КД для образца карбоната никеля с серином после вычитания фона (кривая 2) и с разностью КД сигналов для того же образца после и до облучения (кривая 3).
Основные выводы.
1. Для всех "парных" образцов, за исключением образцов (2) и (8), обнаружено (а) наличие оптической активности у облученных образцов и (б) отсутствие оптической активности для необлученных (исходных) образцов. Тем самым, достигнута главная цель второго этапа эксперимента РАМБАС - показано, что киральная асимметрия действительно возникает в результате облучения образцов потоком поляризованных электронов и не является артефактом, связанным с нерацемичностью исходного материала.
Рис. 7. Сравнение сигнала КД для контрольного образца Ь-серина 0.075% концентрации после вычитания фона (кривая 1) с сигналом КД для облученного образца карбоната меди с гистидином после вычитания фона (кривая 2) и с разностью сигналов КД для того же образца после и до облучения (кривая 3).
Рис. 8. Сравнение сигнала КД для контрольного образца Ь-серина 0.075% концентрации после вычитания фона (кривая 1) с разностью сигналов КД для образца ацетата меди с серином (2.5/15 — 2 мл Н20) после и до облучения (кривая 2).
2. Оптическая активность обнаружена также у "одиночных" образцов карбоната никеля с аланином и гистидином, облученных в твердой фазе, и не исследовавшихся в предыдущем эксперименте [10].
3. Сравнение обнаруженного сигнала для образцов этой группы с сигналами от контрольных образцов ¿-серина различной концентрации показало, что оптическая активность исследуемых образцов может быть объяснена радиационно-индуцированной ки-ральной асимметрией, соответствующей избытку левого серина на уровне порядка Ю-4, что согласуется с результатами предыдущих измерений [10].
4. Во всех случаях, когда наблюдается отличная от нуля оптическая активность, сигнал КД имеет положительный знак, что соответствует избытку в исследуемом образце молекул //-киральности. Этот результат представляется достаточно естественным. В самом деле, радиолиз можно рассматривать как выбивание молекулярного электрона. Как следует из вычислений в модели "связанного спирального электрона" [7-9], наибольшие по абсолютной величине значения асимметрии а = [а(Ь) — а(0)]/[а(Ь) + сг(О)} при рассеянии поляризованных /3-электронах на киральных молекулах соответствуют малым энергиям налетающих электронов (Ер < 0.1 — 0.2 МэВ); при этом величина а является отрицательной. Это означает, что в рассматриваемых условиях радиолизу под
действием (левых) электронов (от распадов радиоактивного источника) в большей степени подвергаются D-молекулы и, следовательно, в изначально рацемическом образце появляется избыток молекул L-киральности.
Авторы благодарят администрацию BSRF (Пекин) за предоставленную возможность проведения измерений в пучках синхротронного излучения.
Работа была поддержана Фондами фундаментальных исследований РАН и НАНК, грант ГФЕН-РФФИ 05-02-390020.
ЛИТЕРАТУРА
[1] L. Keszthelyi, BioSystems 20, 15 (1987).
[2] S. F. Mason, BioSystems 20, 27 (1987).
[3] В. И. Гольданский, В. В. Кузьмин, УФН 157, 3 (1989).
[4] W. A. Bonner, Origin of Life and Evol. Biosphere 21, 59 (1991).
[5] A. J. MacDermott, Origin of Life and Evol. Biosphere 25, 191 (1995).
[6] В. А. Аветисов, В. И. Гольданский, УФН 166, 873 (1996).
[7] Т. L. V. Ulbrich and F. Vester, Tetrahadron 18, 628 (1962).
[8] R. A. Hegstrom, Nature 297, 643 (1982).
[9] W. J. Meiring, Nature 329, 712 (1987).
[10] V. I. Burkov, L. A. Goncharova, G. A. Gusev et al., Orig. Life Evol Biosph. 38(2), 155 (2008).
[11] В. И. Бурков, JI. А. Гончарова, Г. А. Гусев, и др, Краткие сообщения по физике ФИАН, N 2, 27 (2008).
Поступила в редакцию 20 мая 2008 г.
