氨基酸是構(gòu)成生命的基本物質(zhì)之一;奇怪的是,雖然從結(jié)構(gòu)上講,實(shí)驗(yàn)室制造出來(lái)的氨基酸可以是左旋的,也可以是右旋的,但組成地球生命的氨基酸幾乎全部是左旋的,而隕石研究揭示了地球生命氨基酸左旋之謎
氨基酸是生命的基本結(jié)構(gòu)單位,它們也是一種手性分子。手性是兩種分子在結(jié)構(gòu)上像左右手一樣呈鏡像對(duì)稱(chēng),卻無(wú)論怎樣旋轉(zhuǎn)也不會(huì)重合。它們的化學(xué)性質(zhì)完全相同,在微觀上分子結(jié)構(gòu)呈手性,在宏觀上它們的結(jié)晶體也呈手性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的氨基酸有20多個(gè)種類(lèi),除了最簡(jiǎn)單的甘氨酸以外,所有的氨基酸都是手性的。通過(guò)偏振光檢驗(yàn),人們發(fā)現(xiàn)除了少數(shù)動(dòng)物或昆蟲(chóng)的特定器官內(nèi)含有少量的右旋氨基酸之外,組成地球生命體的幾乎都是左旋氨基酸,而沒(méi)有右旋版。
“生物分子中存在著手性,左旋氨基酸右旋糖類(lèi),這是識(shí)別不同分子的一個(gè)重要性質(zhì),也是生命的先決條件?!泵绹?guó)國(guó)家航空航天局(NASA)戈達(dá)德中心天體生物學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室的詹森·德沃金說(shuō),盡管右旋氨基酸的生命形式也有可能運(yùn)轉(zhuǎn)良好,但它們不能混合。“混合了左旋和右旋氨基酸的人工蛋白質(zhì),是無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)的?!庇倚肿邮侨梭w生命的克星!因?yàn)槿耸怯勺笮被峤M成的生命體,它不能很好地代謝右旋分子,所以食用含有右旋分子的藥物就會(huì)成為負(fù)擔(dān),甚至造成對(duì)生命體的損害。
然而用一般人工方法合成的氨基酸,都會(huì)產(chǎn)生等量的左旋和右旋版。因此人們假設(shè),在地球生命起源以前,左手性分子和右手性分子是等量混合的。但這種狀態(tài)逐漸演變成了只產(chǎn)出一種手性的分子,生命(至少地球生命)的左旋化是怎樣開(kāi)始的?
隕星碎片的答案
2000年1月,一顆大號(hào)流星在加拿大英屬哥倫比亞上空爆炸,碎片雨點(diǎn)般落在塔吉什湖冰面,許多人目睹了這些火球,并在幾天內(nèi)收集了隕星碎片,冰凍保存以避免受到地球生命的污染。最近,NASA的天文學(xué)家對(duì)這些隕星碎片進(jìn)行了深入分析,發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)藏著解釋生命手性起源的答案。
“為何所有已知的生命都只用左旋氨基酸來(lái)構(gòu)建蛋白質(zhì)?”NASA戈達(dá)德航天飛行中心的丹尼爾·格萊溫說(shuō),“我們對(duì)隕石內(nèi)部的氨基酸進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能的解釋?!彼麄兊难芯堪l(fā)表在最近出版的《隕星與行星科學(xué)》雜志上。論文提出了迄今最有力的證據(jù),小行星內(nèi)的液態(tài)水導(dǎo)致了隕石內(nèi)某種普通的蛋白質(zhì)氨基酸對(duì)左旋的偏愛(ài)超過(guò)右旋。但這一結(jié)果也使尋找地外生命的任務(wù)更加復(fù)雜。
“隨著研究逐漸深入,塔吉什湖隕星不斷地揭示出越來(lái)越多關(guān)于早期太陽(yáng)系的秘密?!闭撐暮现摺⒓幽么髞啿_(dá)大學(xué)克里斯托弗·赫德說(shuō),他向研究小組提供了塔吉什湖隕星樣本,“最新研究讓我們看到了滲透在小行星中的水的作用,由于這些水的作用使構(gòu)成地球生命的所有氨基酸呈現(xiàn)出左旋的特征?!?br/> 研究小組將樣本碾碎,將它們混入熱水溶液中,然后用液體色譜質(zhì)譜儀來(lái)識(shí)別其中的分子?!拔覀儼l(fā)現(xiàn),樣本中天冬氨酸的左旋版大約是右旋版的4倍,但丙氨酸的左旋版只比右旋版略多出8%?!备袢R溫說(shuō)。天冬氨酸是人體每一種酶都含有的一種氨基酸,丙氨酸是構(gòu)成生命必須的另一種氨基酸。
太空形成的氨基酸
“如果這些氨基酸來(lái)自地球生命的污染,那兩種氨基酸的左旋版都應(yīng)該大大超過(guò)右旋版?!备袢R溫說(shuō),“然而,只有其中一種左旋版大大超過(guò)右旋版,另一種卻相差無(wú)幾,這表明它們并非來(lái)自地球生命,而是由隕星內(nèi)部所攜帶?!蓖凰胤治鲆沧C明,這兩種氨基酸很可能是在太空形成的。
同位素是具有相同質(zhì)子數(shù)不同中子數(shù)的元素,比如碳-13比普通的碳-12更重。構(gòu)成生命的化學(xué)物質(zhì)更喜歡使用較輕的元素,因此富含碳-13的氨基酸很可能是形成于太空?!拔覀?cè)跇颖局邪l(fā)現(xiàn),天冬氨酸和丙氨酸高度富含碳-13,這表明它們很可能原本就存在于小行星內(nèi),經(jīng)由一種非生物過(guò)程而形成的?!必?fù)責(zé)進(jìn)行同位素分析的NASA戈達(dá)德航天飛行中心的杰米·埃爾希拉說(shuō),富含碳-13,并且只有一種氨基酸出現(xiàn)了左旋過(guò)量,而另一種沒(méi)有,這是最有力的證據(jù),表明某些左旋蛋白基因氨基酸(生命用于制造蛋白質(zhì)的物質(zhì))能在小行星上過(guò)量地形成。
有人提出質(zhì)疑,認(rèn)為隕石中的左旋氨基酸超量,是由于暴露在太陽(yáng)星云的偏振輻射中所致。對(duì)此研究人員解釋說(shuō),在研究樣本中,左旋天冬氨酸超過(guò)的數(shù)量非常大,單獨(dú)用偏振輻射是無(wú)法解釋的,必須還有其他的因素。
而且只有天冬氨酸左旋超量,丙氨酸卻沒(méi)有,這給了研究小組一個(gè)關(guān)鍵提示:在地球生命起源之前,這些氨基酸在小行星內(nèi)部是怎樣被制造出來(lái)的?在此過(guò)程中怎樣產(chǎn)生了左旋超量?
結(jié)晶過(guò)程的秘密
“我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)事實(shí):丙氨酸和天冬氨酸形成晶體的方式不同?!闭撐暮现摺ASA戈達(dá)德博士后成員亞倫·伯頓說(shuō)。研究人員探索氨基酸分子的結(jié)晶過(guò)程,看它們會(huì)產(chǎn)生左旋還是右旋過(guò)量,發(fā)現(xiàn)天冬氨酸和丙氨酸形成了兩種不同類(lèi)型的結(jié)晶。
研究小組認(rèn)為,最初只有很少的左旋過(guò)量,這些左旋過(guò)量是通過(guò)結(jié)晶化和水溶解作用而被放大的。一些氨基酸,如天冬氨酸的形狀讓它們適合在一起形成純晶體,即只有左旋或右旋分子構(gòu)成。對(duì)于這些氨基酸而言,微小的左旋或右旋過(guò)量會(huì)逐漸放大,淘汰反向版的晶體;而丙氨酸在形狀上更容易與其鏡像版結(jié)合,所以這種晶體就由等量的左旋和右旋分子構(gòu)成。隨著這種“混合”晶體的生長(zhǎng),其中某個(gè)旋向也會(huì)有少量過(guò)量,但會(huì)逐漸消失。這兩種過(guò)程都必需的一個(gè)條件是,氨基酸溶解于水中時(shí)能夠改變其分子旋向。
研究小組解釋說(shuō),由此推測(cè)一個(gè)可能的情況是,在太陽(yáng)星云輻射的條件下,比如偏振紫外線或附近恒星的輻射產(chǎn)生了左旋氨基酸,或破壞了右旋氨基酸,導(dǎo)致了最初一點(diǎn)微小的左旋過(guò)量。在小行星內(nèi),最初的左旋過(guò)量經(jīng)一種類(lèi)似于結(jié)晶化的過(guò)程而被放大。小行星和隕石碰撞將這些物質(zhì)帶到了地球,左旋氨基酸可能被并入正在出現(xiàn)的生命中,同樣經(jīng)由結(jié)晶化過(guò)程使得左旋氨基酸富集起來(lái)。在地球上河流、湖泊和海洋底部的古老沉積物中,都發(fā)現(xiàn)有這種類(lèi)似的左旋富集。
格萊溫說(shuō),這一發(fā)現(xiàn)也讓尋找地外生命變得更加復(fù)雜,比如人們假設(shè)火星地下可能存在有微生物,“但根據(jù)研究顯示,非生物過(guò)程也能讓某種氨基酸產(chǎn)生左旋過(guò)量,因此單獨(dú)的左旋過(guò)量無(wú)法作為地球以外存在生命活動(dòng)的證據(jù)”。
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