SZERVES KÉMIA

---

MARKÓ LÁSZÓ

Elõzõ rész

Már a földkérget kialakító nagy bombázás tárgyalása során említettem, hogy a kondritos aszteroidák és meteoritok, valamint az üstökösök jelentõs mennyiségben tartalmaznak szerves vegyületeket. Ez az állítás csak nem régóta tekinthetõ tudományosan megalapozottnak, mert az ausztráliai Murchison mellett 1969-ben lehullott, több nagyobb darabra szétrobbant kondritos meteorit volt az elsõ, amelyet már viszonylag friss állapotában (tehát nem sokkal a Földre hullása után) tudtak korszerû analitikai módszerekkel megvizsgálni. Nem ok nélkül kell hangsúlyozni a friss állapotot és a korszerû analitikai módszereket. Egyrészt, minél hosszabb ideig van kitéve a meteorit a földi környezeti hatásoknak, annál nagyobb mértékben “szennyezõdhet” biológiai eredetû anyagokkal és ezért annál kevésbé valószínû, hogy az eredeti, világûrbeli összetételét meg tudjuk állapítani. Másrészt, a szerves anyag összetétele igen bonyolult és ennek folytán az egyedi vegyületek mennyisége rendkívül csekély, tehát nagyon érzékeny módszerekre van szükség.

  A Murchison meteoritban már 1970-ben ki tudtak mutatni számos aminosavat (egyedileg néhány mg/g koncentrációban) valamint nagy molekulájú szénhidrogének bonyolult összetételû elegyét (együttesen néhányszor tíz mg/g koncentrációban). Az eredményeket közlõ kutatók az aminosavak között a bioszférában ismeretlen aminosavakat is találtak és a Földön gyakori aminosavak egymás közötti aránya is erõsen különbözött az ujjlenyomatokra visszavezethetõ szennyezõdéseknél ismert arányoktól (vagyis nem a meteoritdarabok fogdosása révén kerültek a megelemzett mintákba). Mindebbõl arra a következtetésre jutottak, hogy az általuk a meteoritban kimutatott aminosavaknak – legalábbis egy része – nem földi, hanem kozmikus eredetû.

  Ezt követõen több, mint tíz éven át folyt a szakmai vita arról, hogy a Murchison meteoritban kimutatható szerves anyagok – mindenekelõtt az aminosavak – nem földi eredetû szennyezések-e. Ez a vita mára eldõlt a kozmikus eredet javára, amiben az egyre gondosabb mintavételek és egyre érzékenyebb analitikai módszerek mellett döntõ szerepe volt és van a szénizotóp (valamint nitrogén- és hidrogénizotóp) arányok meghatározásának. A meteoritban kimutatott aminosavak ezen izotóparányai ugyanis jelentõsen eltérnek a bioszférából eredõ aminosavak megfelelõ értékeitõl, amint azt az 1. táblázat mutatja.

  Az élõ anyag negatív d¹³C értékének magyarázatával már foglalkoztunk. A meteoritban talált és a földi adatoktól erõsen eltérõ d¹⁵N és d²H értékek pedig azért igen érdekesek, mert azokhoz az értékekhez állnak közel, amelyek a csillagközi tér molekuláira (pl. HCN, CH₂O) jellemzõek.

  További erõs érv a Murchison-meteoritban található aminosavak nem földi eredete mellett ma már az is, hogy eddig több, mint 70 (!) különbözõ aminosavat sikerült azonosítani és ezek többsége – jelenlegi ismereteink szerint – nem fordul elõ a bioszférában.

  Ezek az adatok, valamint számos további, itt most nem részletezhetõ egyéb mérési eredmény is azt igazolja tehát, hogy a Murchison-meteoritban talált aminosavak (és az egyéb szerves vegyületek is) kozmikus eredetûek. Ez a tény – ha nem is mondhatjuk azt, hogy triviális, de – mai csillagászati ismereteink alapján könnyen elfogadható, hiszen spektroszkópiai módszerekkel a csillagközi térben is sikerült már igen sok szerves vegyületet kimutatni.

  Az igazán váratlan eredményt azonban azok a vizsgálatok szolgáltatták, amelyeket ezen aminosavak enantiomer-összetételére vonatkozóan végeztek. Kiderült, hogy ezek az aminosavak nem mind racém elegyek, hanem számos aminosav esetében az L-enantiomer csekély feleslegben van jelen.

  Ezeket az eredményeket – érthetõ módon – sokszor fogadták és fogadják még ma is kétkedéssel. Egyrészt mindig fennáll a földi szennyezõdés veszélye, ami szükségszerûen vezet az L-enantiomer feldúsulásához, másrészt az enantiomer-összetétel meghatározása is jóval nehezebb a biokémiában megszokottnál annak következtében, hogy sokkal többféle aminosav van jelen a Murchison-meteoritban, mint a biológiai eredetû anyagokban. Mára azonban igen sok olyan adat gyûlt össze, amely ennek az L-enantiomer-feleslegnek nem földi eredetét látszik alátámasztani. Meg kell tehát barátkoznunk azzal a gondolattal is, hogy az élettelen égitestek anyagában elõforduló aminosavak – ha nem is mindenhol a kozmoszban, de legalábbis a Naprendszerben – nem minden esetben racém elegyek, hanem esetenként az L-enantiomerben dúsabbak. A talán legmeggyõzõbb adatsort a 2. táblázatban öszszefoglalt mérési eredmények szolgáltatják (az A, B, C, D és E aminosavak szerkezeti képletét a 2. ábra mutatja, a csillagok az aszimmetrikus szénatomokat jelölik).
 

2. ábra. Aminosavak

 

2. táblázat. Aminosavak
aminosav	konfiguráció#	L-, vagy S-enantiomer feleslege, %
A	2S,3S / 2R,3S B 2S,3R / 2R,3RB	7,6; 7,6; 5,8## 7,6; 9,2; 10,4##
B	S / R	8,4
C	S / R	2,8
D	L / D	0,4
E	L / D	0,4
#Az A, B és C aminosavaknál az L és D jelölések a 2. helyzetû szénatom konfigurációjának definiálására nem alkalmazhatók, mert ahhoz a szénatomhoz  nem kapcsolódik hidrogénatom. Ezeknél az  S vagy 2S-konfiguráció felel meg a biológiai  aminosavak L-konfigurációjának. ##3–3 párhuzamos mérés. Ez az aminosav  két aszimmetrikus szénatomot tartalmaz, ezért  négy konfigurációja lehetséges.

Ezek az adatok három ok miatt különösen meggyõzõek:

  – az A, B és C aminosavak a bioszférában nem fordulnak elõ;
  – ez a három aminosav, mivel a királis, 2. sz. szénatomhoz nem kapcsolódik hidrogén, gyakorlatilag nem tud racemizálódni, vagyis szerkezetében megõrizhette eredeti, kozmikus állapotát;
  – a D és E aminosavak, amelyek a bioszférában is elõfordulnak, gyakorlatilag racém elegyeknek bizonyultak, ami a mérések során esetleg mégis bekövetkezett földi szennyezõdést kizárja.

  Nagy tehát a valószínûsége annak, hogy a nagy bombázás alatt a Földre érkezett aminosavak nem voltak minden esetben racém elegyek, hanem némi L-enantiomer-felesleggel rendelkeztek. Ezek szerint elképzelhetõ, hogy a paritássértõ gyenge semleges áram mellett még egy másik, méghozzá kozmikus eredetû külsõ hatás is az L-aminosav alapú élet kialakulásának kedvezett?

  Ezzel lehet ugyan, hogy kaptunk még egy lehetséges választ eredeti kérdésünkre, de óhatatlanul felmerül most már az az újabb kérdés, hogy miért nem racém elegyek a világûrbõl a Földre érkezõ aminosavak? Erre persze még nehezebb lesz egyértelmû választ találni, hiszen az ok a még távolabbi múltban keresendõ, de két érdekes és lehetséges magyarázattal ezzel kapcsolatban mégis érdemes megismerkednünk.

Az említett két lehetséges magyarázat a következõ:

  1. Ma már tudjuk azt, hogy a csillagok fejlõdése során a vasnál nagyobb rendszámú elemek, mint pl. a réz, ezüst, arany, ólom, ón, arzén, bróm, jód stb. csak szupernóvarobbanások során keletkezhetnek.

  Itt most nem tudunk annak a folyamatnak a részleteivel foglalkozni, hogy a szupernóvarobbanásnak a következtében a világûrbe szétszórt “hulladéknak” hogyan alakult a sorsa. Témánk szempontjából lényeges viszont az a tény, hogy bizonyos, ún. II. típusú szupernóvarobbanásoknál a felrobbant csillag maradványa egy pulzár, amely egy igen gyorsan forgó, roppant erõs mágneses térrel rendelkezõ, kb. 10 km átmérõjû neutroncsillag. A pulzár körül pedig relativisztikus (azaz közel fénysebességgel mozgó) elektronok keringenek, amelyek erõs szinkrotronsugárzást bocsátanak ki.

  A szinkrotronsugárzás polarizált elektromágneses sugárzás, mégpedig az elektronok keringési síkjában kibocsátott része ennek a sugárzásnak síkban polarizált, attól eltérõ irányban pedig (az eltérés nagyságától függõen) részben cirkulárisan polarizált. A cirkuláris polarizáció iránya az elektronok keringési síkja felett, illetve alatt, ellentétes irányú (azaz jobbos, vagy balos). Ebbõl az következik, hogy ha a Naprendszer bolygóinak anyaga egy II. típusú szupernóvarobbanás terméke, akkor ez az anyag cirkulárisan polarizált elektromágneses sugárzásnak is ki lehetett téve, ami – mint azt az egyik elõzõ fejezetben már tárgyaltuk – enantioszelektív kémiai folyamatokat indíthatott el. Ezzel tehát magyarázható lenne a Murchison-meteoritban kimutatott aminosavak nem-racém összetétele.

  Hasonlóan az összes eddigihez azonban ez a magyarázat sem támadhatatlan. Az egyik nehézség az, hogy a szinkrotronsugárzás igen széles hullámhossz-tartományt ölel fel (az infravöröstõl a röntgensugárzásig), vagyis valóban “fehér”, és ezért – mint már arról szó volt – elvben enantioszelektív hatással nem rendelkezhet. Lehetséges persze, hogy mire ez a sugárzás elérte a kozmikus porban lévõ királis molekulákat, addigra már egyes részei elnyelõdtek és így nem volt teljesen fehér.

  A másik nehézség, hogy csillagászati megfigyelések szerint a pulzárok által kibocsátott szinkrotronsugárzás cirkulárisan polarizált jellege igen csekély. Így pl. az 1054-ben megfigyelt szupernóvarobbanás helyén kialakult Rák-köd belsejében lévõ pulzárról érkezõ sugárzásban kevesebb, mint 0,2% cirkulárisan polarizált komponenst tudtak kimutatni. Ez annak lehet a következménye, hogy a pulzárok nem olyan tökéletes szinkrotronok, mint a földi berendezések, azaz az elektronok keringése nem szinkronizált, és ennek folytán az általuk kibocsátott egyedi sugárnyalábok egymás hatását lerontják.

  2. Legújabb mérések szerint vannak a Tejútrendszernek részei, ahonnan olyan sugárzás érkezik, amelynek számottevõ cirkulárisan polarizált komponense van. Ilyennek találták az Orion-ködnek azt a tartományát, amelyben jelenleg intenzív csillagképzõdés folyik. Itt találtak olyan helyet, ahonnan olyan infravörös sugárzás érkezik, amely 17%-ban cirkulárisan polarizált jellegû. Ezt a polarizációt a “ködöt” alkotó por fényszórása okozza. Sajnos ugyanez a por kiszûri ennek a sugárzásnak ultraibolya részét és ezért az utóbbinak cirkulárisan polarizált mértéke nem mérhetõ, de feltételezhetõ, hogy a köd belsejében, ahol még nem nyelõdött el, hasonló mértékû. Ez azért fontos, mert kémiai átalakulást, tehát enantioszelektív bontást, az infravörös fény nem tud kiváltani, ahhoz az ultraibolya tartomány energiája szükséges.

  Ez igen értékes eredmény, hiszen kísérletileg bizonyítja, hogy a világûrben ma is lejátszódhatnak enantioszelektív kémiai folyamatok. Akkor pedig ilyenek a Föld kialakulását megelõzõen is lejátszódhattak és racionális magyarázatát adhatják a meteoritokban található aminosavak nem-racém összetételének.

Mint láthattuk, a biomolekulák homokiralitásához vezetõ fejlõdés legvitatottabb részletkérdése a “kezdeti lökés” természete, vagyis hogy mi lehetett az a hatás, amely a királis molekulák (mindenekelõtt az aminosavak) egyik enantiomerjének ugyan csekély, de mégis a további események szempontjából döntõ túlsúlyához vezethetett. Itt több alternatíva is felmerült, ami világosan jelzi a válaszok bizonytalanságát.

  A helyes válasz megtalálását az eddig elmondottakhoz képest is még tovább nehezíti egy olyan körülmény, amelyrõl eddig nem szóltam. Az ugyanis, hogy bár pl. az aminosavakat mai környezeti körülményeink között és hétköznapi idõléptékeink mellett stabilis szerkezetû vegyületeknek ismerjük, ez a stabilitás a geológiai események idõskáláján már viszonylagos. Konkrétan arról van szó, hogy a biológiailag fontos aminosavak enantiomerjei vizes oldatban racemizálódni tudnak, azaz egymásba átalakulhatnak. Ez a folyamat emberi fogalmaink szerint ugyan igen lassú, de megfelelõen hosszú idõ alatt mégis lejátszódik és a végeredmény az 50–50%-os racém elegy. Az ehhez szükséges idõ mindenekelõtt az oldat hõmérsékletétõl függ. Laboratóriumi mérések alapján tudjuk, hogy a teljes racemizálódáshoz (tehát mire az egyik enantiomer feleslege olyan kicsi lesz, hogy gyakorlatilag megegyezik a két enantiomer közötti egyensúly dinamikus jellegébõl következõ “véletlenszerû” termikus ingadozásokkal) 20 ^oC-on néhány százezer év kell, de 100 ^oC-on már néhányszor tíz év is elegendõ. Vagyis míg a most zajló életfolyamatok szempontjából ez a folyamat teljesen jelentéktelen, addig az Õsföld feltehetõen forró klímájában igen fontos szerepet játszhatott. Elsõ ránézésre azt is mondhatjuk, hogy lehetetlenné kellett, hogy tegyen minden királis szelekciót!

  Talán mégsem volt olyan meleg az óceán, amikor kialakult az élet? Ez is lehet, habár az alacsonyabb hõmérséklet a kiralitás növekedéséhez vezetõ szelekciós mechanizmusokat is arányosan lassítja, így ez a feltételezés nem jelent igazán megoldást. Hol van akkor mégis kiút ebbõl a látszólagos zsákutcából?

  A paritássértõ gyenge semleges áram – igaz, hogy csak igen csekély mértékû, de – állandó felesleget biztosított az L-aminosav-enantiomerekbõl. Ez, hozzáadódva a racém elegy összetételének termikus ingadozása révén megjelenõ “véletlen” effektusokhoz, elõbb-utóbb mégis elindíthatta az L-enantiomer kiválasztódását. Ha pedig a kiralitásfokozó mechanizmus (amilyen pl. a januári füzetben megjelent elsõ rész 6. lapján ismertetett elméleti reakciósorozat) hatékonyabb volt, mint a racemizálódás, akkor a homokiralitás ki tudott alakulni.

  A biomolekulák homokiralitása eredetének megválaszolására tehát nem elegendõ az “indító lökés” kvalitatív ismerete, hanem még azt is tudnunk kellene, hogy az ennek folytán kialakult kisfokú kiralitást fokozó mechanizmusok milyen gyorsak voltak, mert fel kellett venniük a versenyt a molekulák spontán racemizálódási hajlamával is. Igen fontos volna ezért, ha nemcsak elméletben, hanem valóságosan is ismernénk enantiomer-tisztaságot növelõ autokatalitikus folyamatokat. Ezeket kísérletileg is vizsgálhatnánk és így sebességi adatokat is nyerhetnénk.

  Természetesen csökken a probléma súlya akkor, ha az indító lökés erõsebb, mint ami a paritássértésbõl következik, azaz az induló L-enantiomer-felesleg nagyobb. Elképzelhetõ ez? Mi “segíthetett be” az indulásba?

  Ezzel kapcsolatban befejezésként megemlítenék egy érdekes lehetõséget. A nagy bombázás vége felé lehetett egy olyan idõszak, amikor egyrészt az Õsföld viszonyai már lehetõvé tették a bonyolultabb szerves molekulák kialakulását (már volt folyékony víz), de ugyanakkor még elég sûrûn érkeztek a világûrbõl a becsapódó aszteroidákkal további aminosavak. Láttuk, hogy ezek az aminosavak valószínûleg nem voltak tökéletesen racém elegyek, hanem több volt bennük az L-enantiomer, így ezekbõl a földi L-aminosav-készlet állandóan újabb utánpótlást kaphatott. Ez azt eredményezhette, hogy egy-egy becsapódás után a gyors racemizálódás ellenére is újra meg újra a paritássértés által biztosítottnál is nagyobb feleslegben volt jelen az L-enantiomer és a homokiralitáshoz vezetõ kiválasztódás egy ilyen “pillanatban” tudott hatékonyan elindulni. (Költõi hasonlattal élve: a becsapódó aszteroidák és meteoritok mintegy “megtermékenyítették Földanyánkat”.) Ez a magyarázat nem irreális, mert összhangban van azzal, hogy az élet nyomai már közvetlenül a nagy bombázás utáni idõszakban is kimutathatók.

“Végleges” válaszunk tehát egyelõre nincs, sõt az a benyomása támadhat a kutatónak, hogy minél többet és alaposabban foglakozunk a kérdéssel és találunk ennek során részleges válaszokat, annál több új kérdés merül fel. De baj ez? Egyáltalán nem, hiszen a természettudományos kutatás szépsége legalább annyira rejlik az egyre újabb és újabb kérdések feltevésének lehetõségében, mint a válaszok megtalálásában.

  A kutató ahhoz a kincskeresõhöz hasonlítható, aki nagy nehezen felküzdi magát a csúcsra, amelyen tudomása szerint egy ládikában van a keresett nagy aranyrög. Mikor felér, valóban meg is találja a ládikát, de a nagy aranyrög helyett csak egy kis aranymorzsát és egy cédulát talál benne, amin a következõ szöveget olvassa:

  “A nagy aranyrögöt a következõ csúcson lévõ ládikában fogod megtalálni.”

  Mit tehet ezek után a kincskeresõ? Nekiindul a következõ hegynek, ami persze magasabb és meredekebb, mint az elõzõ volt. De azért nekiindul, most már nem is csak az aranyrögért, hanem talán még inkább a hegy legyõzésének öröméért.

  Biztosak lehetünk abban, hogy sokan fognak nekiindulni ezen a vidéken az újabb hegycsúcsoknak és sok szép és érdekes eredmény fog születni a közeljövõben a tudománynak ezen a területén.