Et av de merkeligste aspektene ved livet på jorden - og muligens av livet andre steder i kosmos - er et trekk som pusler på både kjemikere, biologer og teoretiske fysikere. Hver av livets molekylære byggesteiner (aminosyrer og sukker) har en tvilling - ikke en identisk, men et speilbilde. Akkurat som din høyre hånd speiler venstre side, men aldri kommer til å passe komfortabelt inn i en venstrehåndshanske, kommer aminosyrer og sukker i både høyre og venstre versjon. Dette fenomenet med biologisk formutvelgelse kalles "kiralitet" - fra den greske for håndethet.
På jorden er aminosyrene som er karakteristiske for livet, alle "venstrehendt" i form, og kan ikke byttes mot deres høyrehendte doppelgänger. I mellomtiden er alle sukkerarter som er karakteristiske for livet på jorden, "høyrehendt." De motsatte hendene for både aminosyrer og sukkerarter finnes i universet, men de blir ikke brukt av noen kjent biologisk livsform. (Noen bakterier kan faktisk konvertere høyrehendt aminosyrer til venstrehåndsversjonen, men de kan ikke bruke de høyrehendte som de er.) Med andre ord, både sukker og aminosyrer på jorden er homokirale: enhånds .
For mer enn 4 milliarder år siden, da hjemmeplaneten vår var i sin brennende og temperamentsfulle ungdom, var både de biologiske byggesteinene og speilrefleksjonene deres til stede. Faktisk eksisterer begge fortsatt på jorden i dag - bare ikke i livet slik vi kjenner det. Helt klart, hvis du koker opp en gruppe aminosyrer, sukkerarter eller forløpermolekylene deres på et laboratorium, vil du alltid få en 50-50 blanding av venstre og høyre. Men på en eller annen måte, da livet dukket opp i de utallige årtusenene som fulgte jordas dannelse, ble bare de venstrehendte aminosyrene og de høyrehendte sukkerene valgt.
Chirale molekyler er til og med funnet i det interstellare rom. I et landemerkefunn kunngjort av National Radio Astronomy Observatory i juni i år, identifiserte forskere molekyler i sentrum av galaksen som kan brukes til å konstruere enten høyre- og venstrehånds sukker. Selv om de fremdeles ikke har peiling på om det er mer av den ene hånden enn den andre, setter funnet funnet scenen for ytterligere eksperimenter som kan belyse mer om opprinnelsen til overlevering.
De store spørsmålene gjenstår fortsatt: Hvordan og hvorfor valgte livet bare en av to speilrefleksjoner for å konstruere hver eneste skapning i menageriet hennes? Krever livet homokiralitet for å komme i gang, eller kan det eksistere livsformer som bruker både de jordiske byggesteinene og deres alter egoer? Oppsto frøene til homokiralitet i dypet av det interstellare rommet, eller utviklet de seg her på jorden?
Konseptuelt bilde av OSIRIS-REx. (NASA / Goddard / University of Arizona) Jason Dworkin, som leder Astrochemistry Laboratory ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, sier at en utfordring for forskere som prøver å svare på disse spørsmålene er at “den tidlige jorden er borte, og vi har en streng veldig, veldig knapp bevis på hvordan det var. ”Fire eller så milliarder år med vulkanutbrudd, jordskjelv, meteorbombardement og selvfølgelig den dype geologiske påvirkningen av selve livet har forvandlet planeten slik at det nesten ikke er mulig å vite hvordan Jorden så ut da livet begynte. Det er grunnen til at Dworkins forskergruppe og mange av hans kolleger ved NASA fokuserer på meteoritter - restene av romrester som finner veien ned til fast grunn.
"Dette er tidskapsler fra for 4, 5 milliarder år siden, " sier Dworkin. "Så det vi samler inn i meteoritter nå, ligner veldig på det som regnet ned på jorden da."
Dworkin er også den ledende regjeringsforskeren på OSIRIS-REx-oppdraget til nærjorda-asteroiden, Bennu. Oppdraget, som lanseres i september, vil bruke rundt ett år på å måle asteroiden for bedre å forstå hvordan den beveger seg gjennom solsystemet vårt. Når romskipets tid med Bennu er oppe, vil den samle den ultimate prisen: en prøve fra overflaten av asteroiden, som den vil bringe den tilbake til jorden i år 2023 slik at forskere kan studere dens kjemiske sammensetning. "Alt vi gjør støtter å få den ene prøven, " sier Dworkin.
Forskerne valgte Bennu delvis på grunn av sin likhet med en spesiell type meteoritt som gir en spennende (men på ingen måte avgjørende) ledetråd til opprinnelsen til homokiralitet. Mange meteoritter inneholder karbonbaserte molekyler inkludert aminosyrer og sukker, som er de riktige ingrediensene for livet. Dworkins gruppe analyserte sammensetningen av disse "organiske" forbindelsene i dusinvis av meteoritter, og kom til en overraskende konklusjon. Ofte ble både venstre- og høyrehåndsversjonene av for eksempel en aminosyre funnet i like store mengder - nøyaktig hva som kan forventes. Men i mange tilfeller ble ett eller flere organiske molekyler funnet med et overskudd av en hånd, noen ganger et veldig stort overskudd. I hvert av disse tilfellene, og i hver meteoritt som hittil er undersøkt av andre forskere på området, var molekylet i overkant den venstrehendte aminosyren som utelukkende finnes i livet på jorden.
Dworkin sier at prøven fra Bennu kan gi enda sterkere bevis på dette fenomenet. "I motsetning til meteoritter, som den ene faller på bakken og deretter blir forurenset, og to, er atskilt fra foreldrekroppen, " med Bennu, vil forskerne vite nøyaktig hvor på asteroiden prøven kom fra. De tar ”ekstraordinære tiltak” for å bekrefte at ingenting fra jordens biologi kan forurense prøven. "Så når vi får disse (forhåpentligvis) overskudd av aminosyrer på Bennu-prøven i 2023, kan vi være sikre på at det ikke kommer fra forurensning, " sier Dworkin.
Bevisene så langt fra meteoritter innebærer at det kanskje er et middel til å produsere homokiralitet uten liv. Imidlertid sier Dworkin, "Vi vet ikke om kjemien som fører til homokiralitet og liv kom fra meteoritter, fra prosesser på jorden, eller kanskje fra begge deler." Det er fortsatt spørsmålet om hvordan og hvorfor det overskytende utviklet seg i meteoritten eller dens asteroidforelder eller på den første jorden i utgangspunktet.
Hypoteser florerer. For eksempel kan polarisert lys som finnes på vår side av galaksen ødelegge den høyrehendte versjonen av mange aminosyrer med en liten, men merkbar mengde. Det svake overskuddet av den venstrehendte aminosyren, må da forsterkes drastisk for å komme til nivåene som finnes i levende organismer på jorden.
Det er denne forsterkningsprosessen som fascinerer Donna Blackmond fra Scripps Research Institute i La Jolla, California. Blackmond har studert de potensielle kjemikalier av homokiralitet i nesten hele sin karriere. "Jeg tror det kommer til å være en kombinasjon av kjemiske og fysiske prosesser, " sier hun. Blackmonds gruppe prøver for tiden å oppdage hvordan kjemiske reaksjoner som kunne ha funnet sted på den tidlige jorden kan ha blitt svinget for å produsere bare livets byggesteiner. I 2006 viste teamet hennes at de bare kunne forsterke den venstrehendte formen av en aminosyre med utgangspunkt i et lite overskudd. I 2011 viste de at den forsterkede aminosyren da kunne brukes til å produsere et enormt overskudd av en forløper til RNA, som er laget med høyre hånd av et sukker som er festet til den. (RNA antas av mange forskere å være det opprinnelige biologiske molekylet.) Blackmond og mange andre kjemikere har gjort fremskritt i denne typen kjemi, men de er fremdeles langt fra å kunne modellere alle kjemier og forhold som kan eksistere på en asteroide eller en ung planet.
Blackmond bemerker også at det langt fra er klart at livet trengte total homokiralitet for å komme i gang. "Én ekte ekstrem ville være å si at ingenting kunne skje før vi har et helt homokiralt basseng med byggesteiner, og jeg tror det sannsynligvis er for ekstremt, " sier hun. "Vi kunne begynne å lage informasjonstype polymerer" - som DNA og RNA - "muligens før vi hadde homokiralitet." For nå kan alle forskere gjøre å fortsette å stille spørsmål om molekyler her på jorden og om himmellegemene som omgir oss. I håp om å låse opp enda et stykke av dette puslespillet, utvikler forskere nå nye teknologier for å avgjøre om det er overskudd av en hånd i det interstellare rommet.
I mellomtiden vil livet på jorden fortsette, mystisk og asymmetrisk som alltid.
