Другое название молекул-энантиомеров — «правовращающие» и «левовращающие» — происходит от их способности вращать плоскость поляризации света в различных направлениях. Если линейно поляризованный свет пропустить через раствор таких молекул, происходит поворот плоскости его поляризации: по часовой стрелке, если молекулы в растворе правые, и против — если левые. А в смеси одинаковых количеств D- и L-форм (она называется «рацемат») свет сохранит первоначальную линейную поляризацию. Это оптическое свойство хиральных молекул впервые было обнаружено Луи Пастером в 1848 году.
Любопытно, что почти все природные белки состоят только из левых аминокислот. Этот факт тем более удивляет, что при синтезе аминокислот в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число правых и левых молекул. Оказывается, этой особенностью обладают не только аминокислоты, но и многие другие важные для живых систем вещества, причем каждое имеет строго определенный знак зеркальной симметрии во всей биосфере. Например, сахара, входящие в состав многих нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот ДНК и РНК, представлены в организме исключительно правыми D-молекулами. Хотя физические и химические свойства «зеркальных антиподов» совпадают, их физиологическая активность в организмах различна: L-caxaра не усваиваются, L-фенилаланин в отличие от безвредных его D-молекул вызывает психические заболевания и т. д.
Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор органическими молекулами определенного типа зеркальной симметрии послужил главной предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и почему произошел эволюционный отбор того или иного зеркального антипода, — до сих пор остается одной из самых больших загадок науки.
Хиральные молекулы, имея одинаковый химический состав, так же отличаются по своей пространственной структуре, как правая и левая перчатки.
В 1920—1930-х годах ученые обнаружили, что освещение раствора аминокислоты циркулярно поляризованным светом приводит к полному или частичному разрушению одного из двух зеркальных антиподов. Оказалось, что свет, поляризованный по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), губительно воздействует на D-молекулы, а поляризованный против часовой стрелки, наоборот, разрушает только L-аминокислоты. Так был найден простой способ отбора молекул с определенным типом зеркальной симметрии. Одновременно этот эксперимент заставил некоторых исследователей задуматься: а не могло ли что-то подобное произойти в масштабах всей планеты на этапе возникновения жизни? Облучение Земли светом, имеющим строго определенную — правую или левую — круговую поляризацию, должно было бы привести к выживанию молекул одного типа зеркальной симметрии и вымиранию другого. Но откуда на Земле мог взяться такой источник света?
В 1983 году химик Эдвард Рубинштейн и трое его коллег из Стенфордского университета предложили искать ответ в космосе: по их мнению, только там мог найтись достаточно мощный источник поляризованного излучения. Кроме того, идею о космическом происхождении асимметрии структуры аминокислот подтверждали исследования метеорита, упавшего около австралийского поселка Мерчисон (Murchison) в 1969 году. Мерчисонский метеорит оказался чрезвычайно богат различными органическими соединениями, в том числе и аминокислотами, причем среди них, как и на Земле, левых молекул было значительно больше, чем правых. Впрочем, некоторые ученые сразу же подвергли сомнению результаты этих исследований, заявив, что преобладание левых аминокислот — всего лишь следствие загрязнения метеорита земной породой.
Дебаты вокруг Мерчисонского метеорита длились 27 лет — до тех пор, пока Майкл Энгель из университета Оклахомы и Стефан Марко из университета Вирджинии не провели решающий эксперимент. Ученые исследовали извлеченные из породы метеорита аминокислоты аланин и глютамин на содержание в них различных изотопов азота. Оказалось, что соотношение атомов азота с массами 14 и 15 отличается от характерного для всех земных объектов: в метеорите тяжелых изотопов было значительно больше. Стало быть, загрязнение земной породой здесь ни при чем. Кстати, те же образцы содержали в два раза больше L-аланина и в три раза больше L-глютамина, чем соответствующих D-молекул.
Итак, не только на Земле, но, возможно, и во всей Солнечной системе левые аминокислоты преобладают над правыми. Чтобы понять, где и каким образом впервые зародилась эта асимметрия, исследований одного только метеорита явно недостаточно. Однако эксперименты Энгеля и Марко дают важную подсказку: измеренное ими соотношение изотопов азота совпало со значениями, полученными астрономами в ходе спектроскопических исследований межзвездного вещества. Похоже, что аминокислоты Мерчисонского метеорита состоят из атомов, которые ранее были частью межзвездных газопылевых облаков. Но если аминокислоты с зеркальной асимметрией впервые образовались именно в межзвездном веществе, то как же они попали на Землю?
Примерно половина межзвездного вещества нашей галактики диффузно рассеяна в космическом пространстве. Другая половина, напротив, сконцентрирована в гигантских молекулярных облаках. Млечный Путь содержит несколько тысяч таких скоплений, поперечные размеры которых достигают 250 световых лет. Молекулярные облака состоят главным образом из водорода (около 75 %) и гелия (около 23 %). На оставшиеся 2 процента приходятся все остальные химические элементы. Несмотря на очень низкую температуру открытого космоса, водород и гелий пребывают в газообразном состоянии, а углерод, кислород, азот, неон, сера, магний, аргон, кремний, железо и другие элементы образуют твердые частицы космической пыли. Столкновения движущихся частиц могут приводить к химическим реакциям на их поверхности и, следовательно, к образованию новых, более сложных соединений. При этом за счет энергии столкновения некоторые молекулы отрываются от поверхности пылинки и становятся частью межзвездного газа. С помощью радиотелескопов астрономам уже удалось обнаружить в гигантских молекулярных облаках монооксид углерода, этанол, цианотетрацетилен и другие вещества (правда, аминокислоты в молекулярных облаках пока не найдены).
Казалось бы, сложные молекулы, свободно дрейфующие в открытом космосе, неминуемо должны быть разрушены ультрафиолетовым излучением ближайших звезд. Однако пыль гигантских молекулярных облаков служит им защитным экраном, рассеивая и поглощая лучи ультрафиолета. Эффективность такой экранировки определяется как плотностью пылевых частиц, так и длиной волны излучения. Зависимость поглощающей способности вещества от длины волны света помогает астрономам исследовать молекулярные облака: практически непроницаемые для ультрафиолета, они легко пропускают свет в инфракрасном и радиодиапазонах.
Газопылевые облака привлекают астрономов в первую очередь потому, что именно там зарождаются звезды. Когда газ в одном из облаков начинает концентрироваться, он увлекает за собой и окружающие частицы пыли, в результате чего рождающаяся звезда оказывается «обернутой» в пылевой кокон. Поскольку этот газопылевой шар постоянно вращается вокруг своей оси, то по мере сжатия ему приходится крутиться все быстрее и быстрее в силу закона сохранения момента импульса. Вращение приводит к тому, что пылевая оболочка постепенно вытягивается и образует толстый диск, напоминающий огромный пирог, в центре которого в конце концов и формируется новая звезда. Типичный пылевой диск имеет диаметр порядка 1000 астрономических единиц (а.е.) и толщину примерно несколько сотен а.е. (одна астрономическая единица равна расстоянию от Земли до Солнца, приблизительно 150 миллионам километров). С помощью космического телескопа «Хаббл» были получены впечатляющие изображения пылевых дисков в виде темных силуэтов на фоне ярко пылающего газа.