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陨石研究揭示地球生命氨基酸左旋之谜

    氨基酸是生命的基本结构单位,它们也是一种手性分子。手性是两种分子在结构上像左右手一样呈镜像对称,却无论怎样旋转也不会重合。它们的化学性质完全相同,在微观上分子结构呈手性,在宏观上它们的结晶体也呈手性。已经发现的氨基酸有20多个种类,除了最简单的甘氨酸以外,所有的氨基酸都是手性的。通过偏振光检验,人们发现除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量的右旋氨基酸之外,组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸,而没有右旋版。

    “生物分子中存在着手性,左旋氨基酸右旋糖类,这是识别不同分子的一个重要性质,也是生命的先决条件。”美国国家航空航天局(NASA)戈达德中心天体生物学分析实验室的詹森·德沃金说,尽管右旋氨基酸的生命形式也有可能运转良好,但它们不能混合。“混合了左旋和右旋氨基酸的人工蛋白质,是无法运转的。”右旋分子是人体生命的克星!因为人是由左旋氨基酸组成的生命体,它不能很好地代谢右旋分子,所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担,甚至造成对生命体的损害。

    然而用一般人工方法合成的氨基酸,都会产生等量的左旋和右旋版。因此人们假设,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。但这种状态逐渐演变成了只产出一种手性的分子,生命(至少地球生命)的左旋化是怎样开始的?

    陨星碎片的答案

    2000年1月,一颗大号流星在加拿大英属哥伦比亚上空爆炸,碎片雨点般落在塔吉什湖冰面,许多人目睹了这些火球,并在几天内收集了陨星碎片,冰冻保存以避免受到地球生命的污染。最近,NASA的天文学家对这些陨星碎片进行了深入分析,发现其中额能蕴藏着解释生命手性起源的答案。

    “为何所有已知的生命都只用左旋氨基酸来构建蛋白质?”NASA戈达德航天飞行中心的丹尼尔·格莱温说,“我们对陨石内部的氨基酸进行了分析,发现了一个可能的解释。”他们的研究发表在最近出版的《陨星与行星科学》杂志上。论文提出了迄今最有力的证据,小行星内的液态水导致了陨石内某种普通的蛋白质氨基酸对左旋的偏爱超过右旋。但这一结果也使寻找地外生命的任务更加复杂。

    “随着研究逐渐深入,塔吉什湖陨星不断地揭示出越来越多关于早期太阳系的秘密。”论文合著者、加拿大亚伯达大学克里斯托弗·赫德说,他向研究小组提供了塔吉什湖陨星样本,“最新研究让我们看到了渗透在小行星中的水的作用,由于这些水的作用使构成地球生命的所有氨基酸呈现出左旋的特征。”

    研究小组将样本碾碎,将它们混入热水溶液中,然后用液体色谱质谱仪来识别其中的分子。“我们发现,样本中天冬氨酸的左旋版大约是右旋版的4倍,但丙氨酸的左旋版只比右旋版略多出8%。”格莱温说。天冬氨酸是人体每一种酶都含有的一种氨基酸,丙氨酸是构成生命必须的另一种氨基酸。

    太空形成的氨基酸

    “如果这些氨基酸来自地球生命的污染,那两种氨基酸的左旋版都应该大大超过右旋版。”格莱温说,“然而,只有其中一种左旋版大大超过右旋版,另一种却相差无几,这表明它们并非来自地球生命,而是由陨星内部所携带。”同位素分析也证明,这两种氨基酸很可能是在太空形成的。

    同位素是具有相同质子数不同中子数的元素,比如碳-13比普通的碳-12更重。构成生命的化学物质更喜欢使用较轻的元素,因此富含碳-13的氨基酸很可能是形成于太空。“我们在样本中发现,天冬氨酸和丙氨酸高度富含碳-13,这表明它们很可能原本就存在于小行星内,经由一种非生物过程而形成的。”负责进行同位素分析的NASA戈达德航天飞行中心的杰米·埃尔希拉说,富含碳-13,并且只有一种氨基酸出现了左旋过量,而另一种没有,这是最有力的证据,表明某些左旋蛋白基因氨基酸(生命用于制造蛋白质的物质)能在小行星上过量地形成。

    有人提出质疑,认为陨石中的左旋氨基酸超量,是由于暴露在太阳星云的偏振辐射中所致。对此研究人员解释说,在研究样本中,左旋天冬氨酸超过的数量非常大,单独用偏振辐射是无法解释的,必须还有其他的因素。

    而且只有天冬氨酸左旋超量,丙氨酸却没有,这给了研究小组一个关键提示:在地球生命起源之前,这些氨基酸在小行星内部是怎样被制造出来的?在此过程中怎样产生了左旋超量?

    结晶过程的秘密

    “我们发现了一个事实:丙氨酸和天冬氨酸形成晶体的方式不同。”论文合著者、NASA戈达德博士后成员亚伦·伯顿说。研究人员探索氨基酸分子的结晶过程,看它们会产生左旋还是右旋过量,发现天冬氨酸和丙氨酸形成了两种不同类型的结晶。

    研究小组认为,最初只有很少的左旋过量,这些左旋过量是通过结晶化和水溶解作用而被放大的。一些氨基酸,如天冬氨酸的形状让它们适合在一起形成纯晶体,即只有左旋或右旋分子构成。对于这些氨基酸而言,微小的左旋或右旋过量会逐渐放大,淘汰反向版的晶体;而丙氨酸在形状上更容易与其镜像版结合,所以这种晶体就由等量的左旋和右旋分子构成。随着这种“混合”晶体的生长,其中某个旋向也会有少量过量,但会逐渐消失。这两种过程都必需的一个条件是,氨基酸溶解于水中时能够改变其分子旋向。

    研究小组解释说,由此推测一个可能的情况是,在太阳星云辐射的条件下,比如偏振紫外线或附近恒星的辐射产生了左旋氨基酸,或破坏了右旋氨基酸,导致了最初一点微小的左旋过量。在小行星内,最初的左旋过量经一种类似于结晶化的过程而被放大。小行星和陨石碰撞将这些物质带到了地球,左旋氨基酸可能被并入正在出现的生命中,同样经由结晶化过程使得左旋氨基酸富集起来。在地球上河流、湖泊和海洋底部的古老沉积物中,都发现有这种类似的左旋富集。

    格莱温说,这一发现也让寻找地外生命变得更加复杂,比如人们假设火星地下可能存在有微生物,“但根据研究显示,非生物过程也能让某种氨基酸产生左旋过量,因此单独的左旋过量无法作为地球以外存在生命活动的证据”。

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