氨基酸秘密 探索生命為何向左轉之謎

  氨基酸是生命的基本結構單位,它們也是一種手性分子。手性是兩種分子在結構上像左右手一樣呈鏡像對稱,卻無論怎樣旋轉也不會重合。它們的化學性質完全相同,在微觀上分子結構呈手性,在宏觀上它們的結晶體也呈手性。已經發現的氨基酸有20多個種類,除了最簡單的甘氨酸以外,所有的氨基酸都是手性的。通過偏振光檢驗,人們發現除了少數動物或昆蟲的特定器官內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,而沒有右旋版。

  “生物分子中存在著手性,左旋氨基酸右旋糖類,這是識別不同分子的一個重要性質,也是生命的先決條件。”美國國家航空航天局(NASA)戈達德中心天體生物學分析實驗室的詹森·德沃金說,儘管右旋氨基酸的生命形式也有可能運轉良好,但它們不能混合。“混合了左旋和右旋氨基酸的人工蛋白質,是無法運轉的。”右旋分子是人體生命的剋星!因為人是由左旋氨基酸組成的生命體,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成為負擔,甚至造成對生命體的損害。

  然而用一般人工方法合成的氨基酸,都會產生等量的左旋和右旋版。因此人們假設,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。但這種狀態逐漸演變成了只產出一種手性的分子,生命(至少地球生命)的左旋化是怎樣開始的?

  隕星碎片的答案
  2000年1月,一顆大號流星在加拿大英屬哥倫比亞上空爆炸,碎片雨點般落在塔吉什湖冰面,許多人目睹了這些火球,並在幾天內收集了隕星碎片,冰凍保存以避免受到地球生命的污染。最近,NASA的天文學家對這些隕星碎片進行了深入分析,發現其中額能蘊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構建蛋白質?”NASA戈達德航天飛行中心的丹尼爾·格萊溫說,“我們對隕石內部的氨基酸進行了分析,發現了一個可能的解釋。”他們的研究發表在最近出版的《隕星與行星科學》雜誌上。論文提出了迄今最有力的證據,小行星內的液態水導致了隕石內某種普通的蛋白質氨基酸對左旋的偏愛超過右旋。但這一結果也使尋找地外生命的任務更加複雜。

  “隨著研究逐漸深入,塔吉什湖隕星不斷地揭示出越來越多關於早期太陽系的秘密。”論文合著者、加拿大亞伯達大學克裡斯托弗·赫德說,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,由於這些水的作用使構成地球生命的所有氨基酸呈現出左旋的特徵。”

  研究小組將樣本碾碎,將它們混入熱水溶液中,然後用液體色譜質譜儀來識別其中的分子。“我們發現,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%。”格萊溫說。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

  “如果這些氨基酸來自地球生命的污染,那兩種氨基酸的左旋版都應該大大超過右旋版。”格萊溫說,“然而,只有其中一種左旋版大大超過右旋版,另一種卻相差無幾,這表明它們並非來自地球生命,而是由隕星內部所攜帶。”同位素分析也證明,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子數不同中子數的元素,比如碳-13比普通的碳-12更重。構成生命的化學物質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於太空。“我們在樣本中發現,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於小行星內,經由一種非生物過程而形成的。”負責進行同位素分析的NASA戈達德航天飛行中心的傑米·埃爾希拉說,富含碳-13,並且只有一種氨基酸出現了左旋過量,而另一種沒有,這是最有力的證據,表明某些左旋蛋白基因氨基酸(生命用於製造蛋白質的物質)能在小行星上過量地形成。

  有人提出質疑,認為隕石中的左旋氨基酸超量,是由於暴露在太陽星雲的偏振輻射中所致。對此研究人員解釋說,在研究樣本中,左旋天冬氨酸超過的數量非常大,單獨用偏振輻射是無法解釋的,必須還有其他的因素。

  而且只有天冬氨酸左旋超量,丙氨酸卻沒有,這給了研究小組一個關鍵提示:在地球生命起源之前,這些氨基酸在小行星內部是怎樣被製造出來的?在此過程中怎樣產生了左旋超量?

  結晶過程的秘密

  “我們發現了一個事實:丙氨酸和天冬氨酸形成晶體的方式不同。”論文合著者、NASA戈達德博士後成員亞倫·伯頓說。研究人員探索氨基酸分子的結晶過程,看它們會產生左旋還是右旋過量,發現天冬氨酸和丙氨酸形成了兩種不同類型的結晶。

  研究小組認為,最初只有很少的左旋過量,這些左旋過量是通過結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成。對於這些氨基酸而言,微小的左旋或右旋過量會逐漸放大,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合,所以這種晶體就由等量的左旋和右旋分子構成。隨著這種“混合”晶體的生長,其中某個旋向也會有少量過量,但會逐漸消失。這兩種過程都必需的一個條件是,氨基酸溶解於水中時能夠改變其分子旋向。

  研究小組解釋說,由此推測一個可能的情況是,在太陽星雲輻射的條件下,比如偏振紫外線或附近恆星的輻射產生了左旋氨基酸,或破壞了右旋氨基酸,導致了最初一點微小的左旋過量。在小行星內,最初的左旋過量經一種類似於結晶化的過程而被放大。小行星和隕石碰撞將這些物質帶到了地球,左旋氨基酸可能被併入正在出現的生命中,同樣經由結晶化過程使得左旋氨基酸富集起來。在地球上河流、湖泊和海洋底部的古老沉積物中,都發現有這種類似的左旋富集。

  格萊溫說,這一發現也讓尋找地外生命變得更加複雜,比如人們假設火星地下可能存在有微生物,“但根據研究顯示,非生物過程也能讓某種氨基酸產生左旋過量,因此單獨的左旋過量無法作為地球以外存在生命活動的證據”。





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