Jednym z najdziwniejszych aspektów życia na Ziemi - i być może życia gdzie indziej w kosmosie - jest funkcja, która zastanawia chemików, biologów i fizyków teoretycznych. Każdy z molekularnych elementów budujących życie (aminokwasy i cukry) ma bliźniaka - nie identyczny, ale lustrzane odbicie. Podobnie jak prawa ręka odzwierciedla lewą, ale nigdy nie będzie wygodnie pasować do rękawicy dla leworęcznych, aminokwasy i cukry występują zarówno w wersji prawej, jak i lewej. Zjawisko biologicznego wyboru kształtu nazywa się „chiralnością” - od greckiego ze względu na praktyczność.
Na Ziemi aminokwasy charakterystyczne dla życia mają kształt „leworęczny” i nie można ich wymienić na ich prawoskrętny doppelgänger. Tymczasem wszystkie cukry charakterystyczne dla życia na Ziemi są „praworęczne”. Przeciwne ręce dla aminokwasów i cukrów istnieją we wszechświecie, ale po prostu nie są wykorzystywane przez żadną znaną biologiczną formę życia. (Niektóre bakterie potrafią faktycznie przekształcić aminokwasy praworęczne w wersję leworęczną, ale nie mogą używać praworęcznych w obecnej postaci). Innymi słowy, zarówno cukry, jak i aminokwasy na Ziemi są homochiralne: jednoręczne .
Ponad 4 miliardy lat temu, kiedy nasza domowa planeta była w swojej ognistej i temperamentnej młodości, obecne były zarówno biologiczne budulce, jak i ich odbicia lustrzane. W rzeczywistości oba nadal współistnieją na Ziemi - po prostu nie w życiu, jakie znamy. Z pewnością, jeśli ugotujesz w laboratorium partię aminokwasów, cukrów lub ich cząsteczek-prekursorów, zawsze otrzymasz 50-50 mieszanki lewej i prawej. Ale w jakiś sposób, gdy życie pojawiło się w niezliczonych tysiącleciach, które nastąpiły po powstaniu Ziemi, wybrano tylko lewoskrętne aminokwasy i prawoskrętne cukry.
Cząsteczki chiralne znaleziono nawet w przestrzeni międzygwiezdnej. W przełomowym odkryciu ogłoszonym przez National Radio Astronomy Observatory w czerwcu tego roku naukowcy zidentyfikowali molekuły w centrum galaktyki, które można wykorzystać do budowy cukrów prawo- i leworęcznych. Mimo że nadal nie mają pojęcia, czy jest więcej niż jedna ręka, odkrycie przygotowuje grunt pod dalsze eksperymenty, które mogą lepiej wyjaśnić pochodzenie ręki.
Wciąż pozostają duże pytania: jak i dlaczego życie wybrało tylko jedno z dwóch lustrzanych odbić, aby skonstruować każde stworzenie w swojej menażerii? Czy życie wymaga homochiralności, aby zacząć, czy może istnieć formy życia, które wykorzystują zarówno ziemskie bloki konstrukcyjne, jak i ich alter ego? Czy nasiona homochiralności powstały w głębinach przestrzeni międzygwiezdnej, czy ewoluowały tutaj na Ziemi?
Obraz koncepcyjny OSIRIS-REx. (NASA / Goddard / University of Arizona) Jason Dworkin, który kieruje laboratorium astrochemicznym w NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt, Maryland mówi, że jednym z wyzwań dla naukowców próbujących odpowiedzieć na te pytania jest to, że „wczesna Ziemia zniknęła i mamy szereg bardzo, bardzo skąpych dowodów jak to było. ”Około czterech miliardów lat erupcji wulkanów, trzęsień ziemi, bombardowań meteorytów i, oczywiście, głębokiego geologicznego wpływu samego życia tak zmieniło planetę, że prawie niemożliwe jest, aby wiedzieć, jak wyglądała Ziemia, kiedy życie się zaczęło. Właśnie dlatego grupa badawcza Dworkina i wielu jego kolegów z NASA koncentruje się na meteorytach - pozostałościach kosmicznych śmieci, które trafiają na solidny grunt.
„To są kapsuły czasu sprzed 4, 5 miliarda lat”, mówi Dworkin. „To, co teraz zbieramy w meteorytach, jest bardzo podobne do tego, co wtedy padało na Ziemię”.
Dworkin jest także wiodącym naukowcem rządowym w misji OSIRIS-REx na asteroidzie pod ziemią, Bennu. Misja, która rozpocznie się we wrześniu, spędzi około roku na pomiarze asteroidy, aby lepiej zrozumieć, jak porusza się ona w naszym Układzie Słonecznym. Kiedy czas statku kosmicznego z Bennu dobiegnie końca, zbierze ostateczną nagrodę: próbkę z powierzchni asteroidy, którą przyniesie z powrotem na Ziemię w 2023 roku, aby naukowcy mogli zbadać jej skład chemiczny. „Wszystko, co robimy, pozwala uzyskać tę jedną próbkę”, mówi Dworkin.
Naukowcy wybrali Bennu częściowo ze względu na jego podobieństwo do specjalnego rodzaju meteorytu, który zapewnia intrygującą (choć nie rozstrzygającą) wskazówkę dotyczącą początków homochiralności. Wiele meteorytów zawiera cząsteczki na bazie węgla, w tym aminokwasy i cukry, które są odpowiednimi składnikami życia. Grupa Dworkina przeanalizowała skład tych „organicznych” związków w dziesiątkach meteorytów i doszła do zaskakującego wniosku. Często zarówno leworęczna, jak i praworęczna wersja, na przykład aminokwasu, znajdowano w równych ilościach - dokładnie tego można się spodziewać. Ale w wielu przypadkach znaleziono jedną lub więcej cząsteczek organicznych z nadmiarem jednej ręki, czasem bardzo dużym nadmiarem. W każdym z tych przypadków i we wszystkich meteorytach badanych do tej pory przez innych badaczy w tej dziedzinie, cząsteczką w nadmiarze był leworęczny aminokwas występujący wyłącznie w życiu na Ziemi.
Dworkin mówi, że próbka z Bennu może dostarczyć jeszcze silniejszych dowodów na to zjawisko. „W przeciwieństwie do meteorytów, które z jednej spadają na ziemię, a następnie ulegają skażeniu, a dwie są oddzielone od ciała macierzystego”, dzięki Bennu naukowcy będą dokładnie wiedzieć, skąd na asteroidzie pochodziła próbka. Podejmują „nadzwyczajne środki” potwierdzające, że nic z biologii Ziemi nie może zanieczyścić próbki. „Tak więc, kiedy otrzymamy (miejmy nadzieję) te nadmiary aminokwasów w próbce Bennu w 2023 roku, możemy być pewni, że nie jest to spowodowane zanieczyszczeniem”, mówi Dworkin.
Dotychczasowe dowody dotyczące meteorytów sugerują, że być może istnieje sposób na wytworzenie homochiralności bez życia. Jednak Dworkin mówi: „Nie wiemy, czy chemia prowadząca do homochiralności i życia pochodzi z meteorytów, z procesów na Ziemi, a może z obu.” Pozostaje również pytanie, w jaki sposób i dlaczego ten nadmiar rozwinął się w meteoryt lub jego macierzysty asteroid, lub przede wszystkim na wczesnej Ziemi.
Istnieje wiele hipotez. Na przykład światło spolaryzowane znajdujące się po naszej stronie galaktyki może zniszczyć prawą wersję wielu aminokwasów w niewielkiej, ale zauważalnej ilości. Niewielki nadmiar lewoskrętnego aminokwasu musiałby wówczas zostać radykalnie wzmocniony, aby osiągnąć poziomy występujące w żywych organizmach na Ziemi.
Właśnie ten proces amplifikacji intryguje Donnę Blackmond z Scripps Research Institute w La Jolla w Kalifornii. Blackmond bada potencjalne chemiczne pochodzenie homochiralności przez prawie całą karierę. „Myślę, że będzie to kombinacja procesów chemicznych i fizycznych”, mówi. Grupa Blackmonda próbuje obecnie odkryć, w jaki sposób reakcje chemiczne, które mogły mieć miejsce na wczesnej Ziemi, mogły zostać zachwiane w celu wytworzenia tylko cegiełek życia. W 2006 roku jej zespół wykazał, że mogą amplifikować tylko lewoskrętną formę aminokwasu, zaczynając od niewielkiego nadmiaru. W 2011 r. Wykazali, że amplifikowany aminokwas może następnie zostać wykorzystany do wytworzenia ogromnego nadmiaru prekursora RNA, który jest wytwarzany prawostronnie przez dołączony do niego cukier. (RNA jest uważany przez wielu naukowców za oryginalną cząsteczkę biologiczną.) Blackmond i wielu innych chemików poczyniło postępy w tego rodzaju chemii, ale nadal są daleko od możliwości modelowania wszystkich chemii i warunków, które mogą istnieć na asteroidzie lub młodej planecie.
Blackmond zauważa również, że nie jest jasne, że życie potrzebowało całkowitej homochiralności, aby zacząć. „Jedną z ekstremalnych rzeczy byłoby powiedzenie, że nic nie mogłoby się wydarzyć, dopóki nie uzyskamy całkowicie homochiralnej puli budulców, i myślę, że to chyba zbyt ekstremalne” - mówi. „Moglibyśmy zacząć wytwarzać polimery typu informacyjnego” - podobnie jak DNA i RNA - „być może zanim osiągniemy homochiralność”. Na razie wszyscy naukowcy mogą zadawać pytania o cząsteczki tutaj na Ziemi i na otaczających nas ciałach niebieskich. W nadziei na odblokowanie jeszcze jednego elementu tej łamigłówki badacze opracowują teraz nowe technologie w celu ustalenia, czy w przestrzeni międzygwiezdnej występują nadwyżki jednej ręki.
W międzyczasie życie na Ziemi będzie kontynuowane, tajemnicze i asymetryczne jak zawsze.
