Consilience

當一個科學家強到一個程度時，就會開始試著解決科學最基本的問題，這些問題往往困擾了人類好幾個世紀，譬如: 生命的起源為何? 第一個生物分子是怎麼來的?

有機界神仙級的人物，哥倫比亞大學的 Ronald Breslow 也不例外 (他其中一個學生是2005年諾貝爾獎得主 Robert Grubbs，就知道這個人有多牛了)。他最近來我們化學系演講，題目是 "The Origin of Homochirality on Prebiotic Earth"，大家無不興致盎然，果然到了那天，整個演講廳連個可以站的地方都沒有。聽完演講果真沒令人失望，除了佩服他這麼老了還對科學充滿熱忱，也不得不讚嘆，當一個人化學強到某種等級時，是如何使用最簡單的化學原理來解決困擾科學家多時的基本問題。

他最近試著解決的問題就是: 分子的手性從何而來? 為什麼所有組成蛋白質的胺基酸都是 L form，而組成DNA的核糖都是 D form?

關於生命的起源有許多學說，目前較多人支持的就是"自然發生說"跟"星體起源說": 

"自然發生說"是如何解釋胺基酸的由來呢? 最有名的實驗莫過於 Miller-Urey experiment，就是我們小時候在自然課本看到有一個人在玻璃圓球裡面裝一些地球原始的氣體，然後電一電就會產生胺基酸的那個實驗:

方程式: 2 CH₄ + NH₃ + 2 H₂O  ↔ H₂N.CH₂.COOH + 5 H₂

小時候看到這樣的實驗覺得很炫，但是現在看起來，這樣的實驗並沒辦法解釋胺基酸手性的原因。

而 Ronald Breslow的研究，似乎為"星體起源說" 提供了有力的證據。故事一開始，都是偶然。Ronald Breslow實驗室本來試著找出能取代Transaminase這種酵素的分子，生物體內 Transaminase的作用如下:

後來他們找到一種polyamine可以模擬Transaminase的功能，然而跟酵素不同的是，他們無法使反應反向進行，不過他們發現，只要加了α-methyl amino acid去進行 decarboxylative transamination，就可以使反應從頭:

他們就很好奇在自然界 α-methyl amino acid 是否存在，結果他們找到了一個有趣的文獻。多年前亞歷桑納大學的Sandra Pizzarello教授曾經分析過一顆稱為Murchison 隕石的內部成分，根據推測，這顆 Murchison 隕石可能來自於火星及木星中間的小行星帶。

他們除了發現少數的消旋amino acids，還發現了α-methyl amino acid，而且這個隕石內部的 α-methyl amino acid並不是消旋化合物 (racemic mixture, 等量的D跟L)，而是 L form多出了一點點。

至於在太空中是怎麼形成胺基酸的呢? 推測應該是經由 Strecker reaction產生的:

α-methyl amino acid應該也是這樣產生的:

因此地球上第一個胺基酸可能就是隕石帶來的。當地球一片混沌的時候，有許多像 Murchison 這樣的隕石掉到地球上，隕石裡面除了一些胺基酸外，其中的成分 α-methyl amino acid 會跟 α-keto acid 進行 decarboxylative transamination 反應，並且在銅 (隕石內是有銅的) 的催化下，產生了 L form 的胺基酸，他們也用實驗證明了這個反應:

至於上述反應的 α-keto acid 是怎麼來的呢? 根據他們推測，由於隕石內有α-amino acids 和 α-hydroxy acids，他們來到地球後就被地球上的氧化鐵給氧化成 α-keto acid 了 (因為那時候地球是沒有氧氣的)。

令人好奇的是，假如 α-methyl amino acid 是經由 Strecker reaction 產生的話， 應該會產生消旋化合物才對，然而他們卻發現 L form多出一點點 (3-15 % ee)，有人說這是由於中子星所發出的偏極光破壞了 D-amino acids (@@ 聽起來很玄)，Anyway，這個多出來的微量 L form可能就是造成地球上生物分子具有手性的原因。

然而根據實驗，3%過量的 L α-methyl amino acids 只能產生1%過量的 L-amino acids，那現在生物界L-amino acids幾乎百分之百的比例是怎麼被放大的?

其實原理很簡單，很早以前就有人知道把 D 跟 L 的消旋化合物放在一起，由於排列較緊密的關係所以很容易結晶出來。如果溶劑內有過量的 L form，這時候慢慢將溶劑蒸發，大部分的 D form都跟 L form形成結晶而先析出，溶在溶劑裡的 L form比例就會增加。1969年Morowitz 就以此提出了 Morowitz equation:

S(L) is the solubility of L, SP(DL) is the solubility product of DL, and [L]/[D] is the ratio when both L and DL are saturated in solution together.

因此在初期的海洋裏，假如一開始 L form就過量的話，海洋因為受熱而蒸發，溶在水裡的 L form比例就會慢慢增加。他們就用 Phenylalanine 來測試這個想法，果然在DL的混合物中，一開始只需要一點過量的 L form，慢慢地將水蒸發，單純地利用結晶速度的不同，就能將 L-form在水裡面的比例放大到約 90% ee，他們把結果發表於PNAS (PNAS 2006, 12979)。  

至於構成核苷酸的核糖是怎麼產生的，他們也提出猜想。假設外太空或地球剛開始有甲醛這種簡單分子，一開始兩個甲醛聚合形成 Glycoaldehyde，然後 Glycolaldehyde再跟一個甲醛形成 Glyceraldehyde，而 Glyceraldehyde是具有手性的:

就在前幾天新出爐的 PNAS，他們發表了一篇文章，指出 L-amino acids可以催化這個反應，產生較多的 D-Glyceraldehyde (www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1001639107)，他們試了不同的 L-amino acids，發現除了 L-Proline之外，大部分的 L-amino acids都可以使 D-Glyceraldehyde的產物比例增加:

之後 D-glyceraldehyde 再與一個 glycolaldehyde反應便形成核糖 (D-ribose)了，這個反應稱為 formose reaction。

然而根據實驗，D跟L混合的核糖，結晶效果並不好，不過核苷酸 (核糖+鹼基) 卻有上述的現象，一開始也是利用一點過量的 D-核苷酸，將水慢慢蒸發，最後可以將比例放大到約 90% ee，他們在2009年也把這個結果發表了 (PNAS 2009, 9144)。

因此，L form的胺基酸跟 D form的核苷酸在海洋裏的含量越來越多，第一個原始生物就以這兩種原料為組合在海洋裏出現了。 

以上種種證據都可以很有道理地解釋世界上第一個手性生物分子的由來，讓我們對於探索生命起源有更深一層的了解。

 Ref: Orig Life Evol Biosph (2010) 40:11–26