生命是怎样起源的,原来与手性分子密切

生活是怎样开始的？可能没有比这更大的问题。要了解我们起源的秘密，就意味着要追溯到最早的生物生命形式，过去简单的细菌，以及早期形成的化学成分。

大多数人都听说过DNA的双螺旋被描述为生命的蓝图，但是它的单链相对RNA也是传递遗传信息的关键。这两种基因都存在于所有生物体的细胞中，许多科学家怀疑RNA是原始的遗传物质，在DNA出现之前的四十亿年前，科学家称之为“RNA世界”。但是，为了构建RNA世界，RNA和其他生物分子必须首先聚集在一起。它们的组成部分有一种独特的化学性质，称为手性，这与它们的原子排列方式有关。关于生命的手性如何开始的争论已经爆发：它是早期地球化学环境的产物，还是生命从太空继承了它的手性？

对于一些科学家来说，追溯一个遗传物质链是如何结合起来开始陆地生命的，现在却需要远离地球。一个想法是探索天体生物学是一些益生元的有机分子可能已被送到地球的陨石或尘埃。最近星际空间的发现可能为这一点提供了一些支持。，美国宇航局公布的陨石表明它们含有核酸的研究，化学物质是DNA和RNA的成分。因此，一个重要的生命起始物质可能已经从太空被播种到早期的地球。一年后，哥本哈根大学的一个研究小组报告说，在星际空间中发现了一种糖分子，它可以被化学转化成核糖核糖核酸中的“R”。去年，同一研究小组在距地球光年远的恒星形成区发现了一种更复杂的分子（甲基异氰酸酯）。

年，两个博士后研究人员，BrettMcGuire（国家无线电天文台，Virginia）和BrandonCarroll（加州理工大学），在澳大利亚的帕克斯天文台工作，麦奎尔和卡罗尔发现了一种称为环氧丙烷分子（分子式：液体），从距离地球光年的一个恒星形成区域，在我们的银河系被称为射手座，这种氧化丙烯熊专门与地球生活有关的。环氧丙烷是一种被称为“手性”分子（发音为KYRAL，来自希腊字手手），这意味着它有两种形式：右手和左手。手性分子具有相同的化学式，它们的结构几乎相同，除了附着在三维分子的不同侧面上的某些原子。在环氧丙烷为例，它的甲基（CH3），可以连接到一个碳原子，如下图所示。

手分子的两种形式不能在水平面上相互叠加，就像当你把一只手放在另一只手上时，一只拇指伸出在另一端，手是彼此的镜像。法国微生物学家路易·巴斯德发现了这一现象。他没有意识到的是，他发现了有机物的一个基本特征：分子变得越来越复杂，手性几乎得到了保证。虽然它不能改变分子中原子的数目或类型，但这些原子如何相互作用会影响分子的功能。一个例子是一个关键组成部分的柠檬，柑橘类水果的香味。右手版的味道像柠檬，左手的像桔子。对于分子香芹酮同上：香菜种子，左手版本结合到神经元，线鼻子，发出一个信号，你的大脑告诉它，它闻到黑麦面包基受体；右侧大脑香芹酮信号已经闻到薄荷。

除了气味和味道外，手性决定了我们大型生物结构的形状。著名的双螺旋DNA链扭曲，连同糖组成的主干；蛋白质中的氨基酸扭转。尽管这些分子在两个方向都自然发生，但地球上所有的生物体似乎都有DNA，它是在其蓝图上扭曲的，也许是来自古RNA世界中一个右旋扭转的DNA。帮助我们身体利用氨基酸和DNA碱基的酶起作用，因为它们能识别这些分子的特定形状。具有不同手性的氨基酸会有不同的形状，保持这些酶与它相互作用。如果你吃的是含有右旋氨基酸的蛋白质汉堡，你的身体就不能把它分解。

这种深深的偏见渗透到所有的生活中，麦奎尔和卡罗尔认为，他们的发现手性环氧丙烷和甲基异氰酸酯和早些时候的发现表明空间可能在生命的起源有一个“手”。“这是第一个手性分子在外层空间的检测，”麦奎尔说。检测表明，一对手性形成偏见并不局限于生活在地球，以前一直以为，提供的证据的想法，材料在太阳系的其它地方，可能包括一些比地球甚至我们的太阳系的种子可以最早的化学品必须形成我们星球上的生命。当然，手性并不是你要解决的唯一问题，我们在太空中看到的手性分子比大多数生物分子要复杂得多。

自从沃森和克里克发现DNA结构以来，科学家们一直想了解简单的原子是如何组合形成双螺旋的。无数的实验，从上世纪50年代开始，MillerUrey的著名实验表明，加热气体，可能在早期的地球，如甲烷、氨和氢，创建一个“原始汤”，包括氨基酸、蛋白质的基石。后续和相关实验表明，在相似条件下也可以形成核苷酸（DNA和RNA的碱基对）。结合后来发现RNA可以催化化学反应，这为生命起源的化学理论铺平了道路：RNA世界。基础化学可以使RNA前体形成并可能结合生成RNA。一旦RNA形成，生物分子能够催化自我复制反应使更多的自己。随着时间的推移，更复杂的化学反应可能来自自我复制的RNA分子池。

这听起来合乎逻辑，但当科学家们开始考虑这些碎片是如何组合在一起的时候，它遇到了一些障碍。事实证明，如果不解决手性，也无法解决化学问题。GeraldJoyce，谁是目前在索尔克研究所生物科学学院教授，曾在上世纪80年代一个年轻的生物化学家，当他开始调查他的博士研究如何能走到一起，形成复杂的核酸分子。在年发表的一篇自然论文中，他描述了他如何试图让简单的化学分子凝聚成更大的生物复合体。复制了年代的实验，他发现正确的催化剂允许他的原始汤（碳、氮、氧和含氢分子）产生RNA碱基腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。

这些都是手性分子，右手和左手的两个版本在“汤”中的比例相等，当它们聚集在一起形成一个RNA分子时，没有任何机制可以确定它们在右、左、右等等的连接方式上的一致性。这种随机的分类意味着在分子糖主链上存在着不同的手性核苷酸，乔伊斯发现添加更多的核苷酸是非常低效的。其他建立数学模型的科学家表明，增加错误的手性核苷酸阻止链延伸，证实了乔伊斯的研究。所以从核苷酸的右和右两种（称为对映体）开始不允许复杂的RNA分子形成。“没有手性我们不会有复杂的生物结构，”DonnaBlackmond说，一名斯克里普斯研究院的生物化学家。

Blackmond认为，手性分子的两个版本存在于古地球，但在一些指向一个形成的偏见已经蔓延，创造什么被称为对映体过量。“对称性被打破，我们不得不在益生元反应可能开始有一些显著的对映体过量，”她告诉Ars。她怀疑过一对映体的另一个可能，随着时间的推移，剔除不需要的对映体和建立“手性”（只有一种对映异构体）的某些关键分子。即使你有一个极小的对映体，实验室实验已经表明，它可以导致更高的过剩，这源于上世纪50年代末的第一次实验。KensoSoia在日本发现的对映体有利于自己的生产。如果左右两个版本都是独立复制的，那么这两种类型的数量就会增长。Soia表明，对映体往往对同一类型和不同类型的单位，而不以相等的速率复制。当右手的形式与左撇子配对时，他们变得不活跃，停止复制。

通过这个过程，一个过量的一个对映体可以变成一个更大的盈余。最近的数学模型都支持Soia的观点。随着时间的推移，放大过程可能会导致一种手性的优势，最终可能导致少数人消失。当生物分子从所形成的混合物中形成时，它们会凝聚成绝大多数的具有单一手性的部分。自我复制可以建立一个单一的手性种群，这使得RNA链的构建更有效率。LaurenceBarron，在格拉斯哥大学的化学家，说如果你开始用不同的手性形式的量不均匀，需要有某种放大过程允许少数一对映体成长为一个更大的利润空间。这已被证明在实验室通过自催化。

但是关于过量的一个对映体如何生长以及它可能发生在哪里的细节存在分歧。麦奎尔和卡罗尔说，大多数科学家都认为，“手性不发生在太空，是生命的标志，，因此必须在地球有它的起源，但他们推测一个可能的选择：“手性空间可以动工在地球。”他们认为太空可以通过光提供最初的动力。作为光的传播，其振荡的电场和磁场可以追踪一个开瓶器，称为圆极化。偏振光与不同的对映体相互作用不同。Barron解释说，圆偏振紫外光（UV–称CPL）将分解的对映体旋转一样的光，至少在实验室结果丰富具有相反的手性分子。因此，如果空间中含有右手和左手分子的气体云遇到了偏振光，那么混合物最终可能拥有大多数的一个对映体。

时机是灵活的。Barron指出，虽然有些人可能认为的对映体富集将在年轻的地球冷却过程中发生，也可以发生在几十亿年前。年这一些证据来自陨石被发现在澳大利亚。我们不知道陨石的确切起源，它们被认为是在太阳系历史早期形成的。让他们回到地球就像是一个时间胶囊，可以让我们了解当时存在的化学。如果流星有对映体过量，它将支持这一想法，通过手性分子从空间抵达地球。默奇森陨石表明氨基酸有10%剩余的左旋对映体样品。虽然不是一个强大的过剩，很明显，空间可以有一种类型的手性富集。麦奎尔说：“这是一个很小的影响，但是随着时间的推移，它会增加。”。

格拉斯哥大学的巴伦说，“在宇宙中uv-cpl并不常见，但它已经被发现，特别是在恒星形成的区域。”StefanieMilam，美国宇航局的天体化学家，说太空中的手性环氧丙烷的发现是令人兴奋的因为它支持“偏见的发生独立的生物过程的可能性。“空间能给地球的开端。她说：“如果一颗陨石用水和手性分子种出一颗行星，那么你就开始了复杂的化学反应。”。一位专家对恒星形成区在环氧丙烷被发现，被称为人马座B2，米拉姆说是从地球光年，位于我们银河系的中间。这是一个恒星仍在形成的区域，非常像我们的太阳系附近46亿年前的样子。看着人马座B2是“像回头看时间，在早期地球看起来也一样，”卡罗尔补充说。

“看起来”可能有点乐观，虽然。科学家们不能真正“看到”如环氧丙烷或其他分子发现的分子，如羟乙醛或甲基异氰酸酯（由哥本哈根队报道）。阿尔玛（阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列）在智利（由哥本哈根团队使用）和绿色银行望远镜在西弗吉尼亚，麦奎尔是一个博士后，是高度敏感的射电望远镜。他们没有像哈勃那样获得遥远星系的彩色图像；这些望远镜以分子发出或吸收的频率拾取光子，告诉我们它们是什么。“环氧丙烷是我们能找到的最简单的手性分子之一，”麦奎尔解释道。“有可能在空间中有更多的手性分子，但它必须等待我们解决它们存在的能力。

这一级的细节可能要等到实际分子从空间中检索出来并进行分析。最有希望的可能性来自计划中的NASA太空探测器，它们将依附于彗星之类的物体上。对外层空间分子的检查是最近的罗塞塔任务的一部分。罗塞塔跟着67P彗星（GG），这被认为是46亿岁的年龄。罗塞塔发回质谱数据显示，最简单的氨基酸甘氨酸存在于彗星上。虽然甘氨酸不是手性的，但其他探针可能会发现更复杂的分子。OsirisRex是由于在检索来自小行星Bennu样品材料。

美国国家航空航天局（NASA）的研究陨石（尚未到达地球大气层的陨石，因此没有被地球物质污染）的JasonDworkin说，在过去的十年中，技术已经改善了很多，我们可以相信我们发现的任何手性分子都是真正来自太空的。我们银河系的其他地区正在积极形成新的恒星，并为早期太阳系提供模型。这些包括IRAS-，恒星光年的地方，从地球着甲基异氰酸酯进行检测，和人马座B2，一个恒星形成区域光年，我们上面提到的。除了被发现的环氧丙烷分子外，它含有数十亿公升的酒精。

麦奎尔和卡罗尔希望未来几年能让我们从外层空间获得更多的化学物质，比如能够提供更多关于生命起源的信息的氨基酸。我们希望，这只会更清楚如何发展甚至改变我们同手性的陆地起源的概念。