Een van de vreemdste aspecten van het leven op aarde - en mogelijk van het leven elders in de kosmos - is een kenmerk dat zowel chemici, biologen als theoretische fysici in verwarring brengt. Elk van de moleculaire bouwstenen van het leven (aminozuren en suikers) heeft een tweeling - geen identieke, maar een spiegelbeeld. Net zoals uw rechterhand uw linkerzijde weerspiegelt, maar nooit comfortabel in een linkshandige handschoen past, zijn aminozuren en suikers verkrijgbaar in zowel de rechter- als de linkerversie. Dit fenomeen van biologische vormselectie wordt "chiraliteit" genoemd - uit het Grieks voor handigheid.
Op aarde zijn de aminozuren die kenmerkend zijn voor het leven allemaal 'linkshandig' van vorm en kunnen niet worden ingewisseld voor hun rechtshandige doppelgänger. Ondertussen zijn alle suikers die kenmerkend zijn voor het leven op aarde "rechtshandig". De tegenovergestelde handen voor zowel aminozuren als suikers bestaan in het universum, maar ze worden gewoon niet gebruikt door een bekende biologische levensvorm. (Sommige bacteriën kunnen rechtshandige aminozuren omzetten in de linkshandige versie, maar ze kunnen de rechtshandige niet gebruiken zoals het is.) Met andere woorden, zowel suikers als aminozuren op aarde zijn homochiraal: met één hand .
Meer dan 4 miljard jaar geleden, toen onze thuisplaneet in zijn vurige en temperamentvolle jeugd verkeerde, waren zowel de biologische bouwstenen als hun spiegelreflecties aanwezig. In feite bestaan beide vandaag nog steeds naast elkaar op aarde - alleen niet in het leven zoals wij het kennen. Zeker, als je in een laboratorium een partij aminozuren, suikers of hun precursormoleculen kookt, krijg je altijd een 50-50 mengsel van links en rechts. Maar op de een of andere manier, toen het leven ontstond in de talloze millennia die volgden op de vorming van de aarde, werden alleen de linkshandige aminozuren en de rechtshandige suikers geselecteerd.
Chirale moleculen zijn zelfs gevonden in de interstellaire ruimte. In een historische ontdekking aangekondigd door de National Radio Astronomy Observatory in juni, identificeerden wetenschappers moleculen in het centrum van de melkweg die konden worden gebruikt om de rechts- en linkshandige suikers te construeren. Hoewel ze nog steeds geen idee hebben of er meer van de ene hand is dan de andere, vormt de bevinding het toneel voor verdere experimenten die meer zouden kunnen ophelderen over de oorsprong van handigheid.
De grote vragen blijven nog steeds: hoe en waarom koos het leven voor één van de twee spiegelreflecties om elk wezen in haar menagerie te construeren? Vereist het leven homochiraliteit om van start te gaan, of kunnen er levensvormen bestaan die zowel de aardse bouwstenen als hun alter ego's gebruiken? Zijn de zaden van homochiraliteit ontstaan in de diepten van de interstellaire ruimte, of evolueerden ze hier op aarde?
Conceptueel beeld van OSIRIS-REx. (NASA / Goddard / Universiteit van Arizona) Jason Dworkin, hoofd van het Astrochemie-laboratorium in het Goddard Space Flight Center van de NASA in Greenbelt, zegt dat een uitdaging voor wetenschappers die deze vragen proberen te beantwoorden, is: "de vroege aarde is verdwenen en we hebben een reeks zeer, zeer weinig bewijs van hoe het was. ”Vier of zo miljard jaar vulkaanuitbarstingen, aardbevingen, meteoorbombardementen en, natuurlijk, de diepgaande geologische invloed van het leven zelf hebben de planeet zo getransformeerd dat het bijna onmogelijk is om te weten hoe de aarde eruitzag toen het leven begon. Dat is de reden waarom de onderzoeksgroep van Dworkin en veel van zijn collega's bij NASA zich richten op meteorieten - de overblijfselen van ruimtepuin die hun weg naar vaste grond vinden.
"Dit zijn tijdcapsules van 4, 5 miljard jaar geleden", zegt Dworkin. "Dus wat we nu in meteorieten verzamelen, lijkt erg op wat toen op de aarde regende."
Dworkin is ook de leidende overheidswetenschapper op de OSIRIS-REx-missie naar de bijna-aarde asteroïde, Bennu. De missie, die in september van start gaat, zal ongeveer een jaar duren om de asteroïde te meten om beter te begrijpen hoe deze door ons zonnestelsel beweegt. Wanneer de tijd van het ruimtevaartuig met Bennu voorbij is, zal het de ultieme prijs verzamelen: een monster van het oppervlak van de asteroïde, dat het in 2023 terug naar de aarde zal brengen zodat wetenschappers zijn chemische samenstelling kunnen bestuderen. "Alles wat we doen ondersteunt het krijgen van dat ene monster, " zegt Dworkin.
De wetenschappers kozen Bennu gedeeltelijk vanwege de gelijkenis met een speciaal type meteoriet dat een intrigerende (hoewel geenszins sluitende) aanwijzing geeft voor de oorsprong van homochiraliteit. Veel meteorieten bevatten op koolstof gebaseerde moleculen, waaronder aminozuren en suikers, die precies de juiste ingrediënten voor het leven zijn. De groep van Dworkin analyseerde de samenstelling van deze "organische" verbindingen in tientallen meteorieten en kwam tot een verrassende conclusie. Vaak werden zowel de linkshandige als de rechtshandige versie van bijvoorbeeld een aminozuur in gelijke hoeveelheden gevonden - precies wat men zou verwachten. Maar in veel gevallen werd een of meer organische moleculen gevonden met een overmaat van één hand, soms een zeer grote overmaat. In elk van die gevallen, en in elke meteoriet die tot nu toe door andere onderzoekers in het veld is bestudeerd, was het overtollige molecuul het linkshandige aminozuur dat uitsluitend in het leven op aarde wordt aangetroffen.
Dworkin zegt dat de steekproef van Bennu nog sterker bewijs van dit fenomeen kan bieden. "In tegenstelling tot meteorieten, die op de grond vallen en vervolgens besmet raken en twee gescheiden zijn van hun ouderlichaam", zullen de wetenschappers met Bennu precies weten waar het monster vandaan kwam. Ze nemen "buitengewone maatregelen" en bevestigen dat niets uit de biologie van de aarde het monster kan besmetten. "Dus wanneer we deze (hopelijk) overmaat aminozuren op het Bennu-monster in 2023 krijgen, kunnen we erop vertrouwen dat het niet door besmetting is", zegt Dworkin.
Het bewijs tot dusverre van meteorieten impliceert dat er misschien een manier is om homochiraliteit te produceren zonder leven. Dworkin zegt echter: "We weten niet of de chemie die tot homochiraliteit en leven leidt, afkomstig was van meteorieten, van processen op aarde of misschien van beide." Er is ook nog de vraag hoe en waarom dat teveel zich ontwikkelde in de meteoriet of zijn asteroïde ouder of op de vroege aarde in de eerste plaats.
Hypothesen zijn er in overvloed. Gepolariseerd licht aan onze kant van de Melkweg kan bijvoorbeeld de rechtshandige versie van veel aminozuren met een kleine, maar merkbare hoeveelheid vernietigen. De geringe overmaat van het linkshandige aminozuur zou dan drastisch moeten worden versterkt om de niveaus te bereiken die in levende organismen op aarde worden gevonden.
Het is dit versterkingsproces dat Donna Blackmond van het Scripps Research Institute in La Jolla, Californië intrigeert. Blackmond bestudeert al bijna haar hele carrière de potentiële chemische oorsprong van homochiraliteit. "Ik denk dat het een combinatie van chemische en fysische processen wordt", zegt ze. De groep van Blackmond probeert momenteel te ontdekken hoe chemische reacties die op de vroege aarde hadden kunnen hebben plaatsgevonden, mogelijk zijn overgehaald om alleen bouwstenen van het leven te produceren. In 2006 toonde haar team aan dat ze alleen de linkshandige vorm van een aminozuur konden versterken, beginnend met een kleine overmaat. In 2011 toonden ze aan dat het geamplificeerde aminozuur vervolgens kon worden gebruikt om een enorme overmaat van een voorloper van RNA te produceren, die rechtshandig wordt gemaakt door een suiker die eraan is bevestigd. (RNA wordt door veel wetenschappers beschouwd als het oorspronkelijke biologische molecuul.) Blackmond en vele andere scheikundigen hebben vooruitgang geboekt in dit soort chemie, maar ze zijn nog lang niet in staat om alle mogelijke chemie en aandoeningen te modelleren op een asteroïde of een jonge planeet.
Blackmond merkt ook op dat het verre van duidelijk is dat het leven totale homochiraliteit nodig had om van start te gaan. "Een heel extreem zou zijn om te zeggen dat er nooit iets zou kunnen gebeuren totdat we een volledig homochirale pool van bouwstenen hebben, en ik denk dat dat waarschijnlijk te extreem is", zegt ze. "We kunnen beginnen met het maken van polymeren van het informatietype" - zoals DNA en RNA - "mogelijk voordat we homochiraliteit hadden." Voorlopig kunnen alle wetenschappers vragen blijven stellen over moleculen hier op aarde en op de hemellichamen die ons omringen. In de hoop nog een stukje van deze puzzel te ontgrendelen, ontwikkelen onderzoekers nu nieuwe technologieën om te bepalen of er overschotten zijn van één hand in de interstellaire ruimte.
Ondertussen zal het leven op aarde doorgaan, mysterieus en asymmetrisch als altijd.
