Dlaczego życie na Ziemi jest chiralne?
Jedna z największych zagadek dotyczących powstania życia wiąże się z chiralnością wszystkich żywych organizmów. Chiralność to geometryczna cecha polegająca na tym, że cząsteczka i jej lustrzane odbicie są różne, podobnie jak lewa i prawa dłoń. Pisałem już o tym w tekście o lustrzanej biologii.
Wszystkie organizmy na Ziemi składają się z chiralnych cząsteczek: L-aminokwasów i D-cukrów. Ich lustrzanych odbić (czyli D-aminokwasów i L-cukrów) w zasadzie się nie spotyka. Życie można więc porównać do ruchu drogowego: jeździ się po prawej stronie (jak w kontynentalnej Europie) albo po lewej (jak w Wielkiej Brytanii), ale jednoczesny ruch po obu stronach nie jest możliwy.
Dlaczego tak jest? Czy życie zawsze było chiralne? Czy pierwsze organizmy od początku składały się tylko z L-aminokwasów i D-cukrów? I w jaki sposób w okresie przed powstaniem żywych organizmów (nazywanym okresem prebiotycznym) powstały chiralne aminokwasy i cukry? Jest na ten temat wiele hipotez, często z sobą sprzecznych, ale dopiero ostatnio powstała spójna i przekonująca teoria genezy chiralnych cząsteczek. Żeby ją wyjaśnić, trzeba cofnąć się do czasów prebiotycznych.
Ziemia 4 miliardy lat temu
W tych czasach atmosfera Ziemi była zupełnie inna niż dzisiaj. Nie było w niej w ogóle tlenu, a jej głównymi składnikami były azot, dwutlenek węgla i para wodna z domieszkami wodoru, amoniaku, tlenku węgla i cyjanowodoru. Brak warstwy ozonowej powodował, że na Ziemię docierało o wiele więcej promieniowania ultrafioletowego niż obecnie. Niebo nie było niebieskie, ale pomarańczowo-brązowe, a ciśnienie atmosferyczne było znacznie wyższe niż teraz. Słońce świeciło ok. 30% słabiej, ale dzięki efektowi cieplarnianemu powodowanemu przez dwutlenek węgla temperatura mogła być znacznie wyższa niż obecnie. W takich warunkach pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, wyładowań atmosferycznych, przypływów i odpływów morza spowodowanych obecnością Księżyca, a także upadków meteorytów i aktywności wulkanicznej zachodziły reakcje chemiczne. To one dały początek białkom, kwasom nukleinowym i lipidom, które dziś wchodzą w skład wszystkich żywych organizmów (Ryc. 1).
Ryc. 1. Czynniki wpływające na prebiotyczne reakcje na Ziemi 4 miliardy lat temu. Według: Vazquez-Salazar A, Life 2026, 16:240. Licencja CC BY 4.0.
Ale od jakiej cząsteczki wszystko się zaczęło? Większość badaczy sądzi, że była nią ryboza, czyli prosty cukier składający się z pięciu atomów węgla. Powstała w wyniku łączenia się cząsteczek formaldehydu w reakcji nazywanej formozową (od „formaldehyd” i „aldoza”, czyli cukier zawierający grupę aldehydową). Reakcja taka została po raz pierwszy zademonstrowana przez rosyjskiego chemika Aleksandra Butlerowa w r. 1878. Wiele argumentów przemawia za tym, że ryboza była czymś w rodzaju pramatki wszystkich cząsteczek, które wchodzą w skład żywych komórek. Jej pochodne, czyli rybonukleotydy, do dziś są podjednostkami RNA (DNA zawiera deoksyrybozę, czyli formę pozbawioną jednej grupy hydroksylowej). Ryboza wchodzi też w skład najważniejszych cząsteczek metabolizmu wszystkich żywych organizmów, takich jak ATP (przenośnik energii), NAD (transporter elektronów), czy koenzym A, który przenosi grupy acetylowe. Niektóre witaminy, jak ryboflawina (B2) oraz kobalamina (B12) też ją zawierają. Ryboza może być więc uważana za pozostałość z czasów, kiedy powstawało życie, czyli za coś w rodzaju „żywej skamieniałości”.
Z rybozą jako prekursorem życia są jednak dwa problemy. Po pierwsze, jest niestabilna w warunkach, które panowały wtedy na Ziemi. Po drugie, może występować w dwóch lustrzanych konfiguracjach D lub L nazywanych enancjomerami, podczas gdy w przyrodzie występuje tylko forma D (Ryc. 2).
Ryc. 2. D-ryboza i L-ryboza oraz L-aminokwas i D-aminokwas. Według: Mejdrova J et al., Chem Asian J 2025, 20: e202401074. Licencja CC BY 4.0.
Co spowodowało, że ryboza (a także jej „krewna” deoksyryboza) we wszystkich organizmach są obecne tylko w tej właśnie konfiguracji? Do niedawna było to zagadką. Ale ostatnio uczeni wpadli na trop przyczyny chiralności, przy okazji wyjaśniając, dlaczego ryboza przetrwała w warunkach prebiotycznych. Tą przyczyną jest CISS, czyli selektywność spinu indukowana chiralnością.
Selektywność spinu indukowana chiralnością (CISS, Chirality-Induced Spin Selectivity)
Zjawisko odkryte w 1999 r. przez Rona Naamana i współpracowników wiąże spin cząstki elementarnej z chiralnością ośrodka, przez który ta cząstka przenika. Czym jest spin? Każda cząstka elementarna ma swoją charakterystyczną cechę, nazywaną spinem, który można też uważać za wewnętrzny moment pędu tej cząstki. Fizyka rozróżnia dwa rodzaje cząstek: fermiony i bozony. Fermiony (np. elektrony, protony, neutrony i kwarki) mają spin niecałkowity, najczęściej 1/2, natomiast bozony mają spin całkowity. Do bozonów należą np. fotony odpowiedzialne za oddziaływania elektromagnetyczne (spin 1) oraz bozon Higgsa (spin 0). Zjawisko CISS polega na tym, że jeżeli cząstki o różnych spinach przenikają przez chiralną substancję (np. DNA o konfiguracji D), to ta substancja działa jak filtr, przepuszczając cząstki o jednym spinie, a rozpraszając cząstki o spinie przeciwnym. Dzieje się tak dlatego, że cząstki o danym spinie oddziałując z chiralną substancją generują lokalne pole magnetyczne, przyspieszając elektrony o jednym spinie, a hamując elektrony o przeciwnym spinie (Ryc. 3).
Ryc. 3. Selektywność spinu indukowana chiralnością (chiral-induced spin selectivity, CISS): elektrony przenikają przez chiralne cząsteczki (w tym przypadku D-DNA i L-DNA). Chiralność cząsteczki powoduje, że elektrony podlegają sile odśrodkowej prostopadłej do kierunku ruchu, co generuje lokalne pole magnetyczne (B). Pole to przyspiesza ruch elektronów o jednym spinie, a hamuje ruch elektronów o przeciwnym spinie. Jest to w pewnym sensie odpowiednik siły Lorentza, która działa na naładowaną cząstkę w polu magnetycznym. W rezultacie cząsteczka o chiralności D przyspiesza ruch elektronów o spinie +1/2 (na obrazku niebieskich, strzałka w dół), a cząsteczka o chiralności L – elektronów o spinie -1/2 (kremowych, strzałka w górę). Według: Gupta R et al., Chem. Sci., 2024, 15: 18751. Licencja CC BY 3.0.
Tak więc chiralność i magnetyzm są ze sobą powiązane. Wyjaśnia to zjawisko zaobserwowane przez Ludwika Pasteura, który w 1848 r. zaobserwował, że jeżeli spolaryzowane światło przenika przez roztwór chiralnej substancji (był to kwas D-winowy albo L-winowy), to jego płaszczyzna ulega skręceniu. Dzieje się tak dlatego, że światło to fala elektromagnetyczna, a polaryzacja polega na ujednoliceniu płaszczyzny drgań pola elektrycznego (płaszczyzna drgań pola magnetycznego jest do niej prostopadła). W ujęciu kwantowym polaryzacja odnosi się do stanu spinowego cząstek: spolaryzowana fala elektromagnetyczna składa się z cząstek o określonym spinie.
Czy spin cząstek może wpływać na reakcje chemiczne?
A co stanie się, jeżeli cząstki o określonym spinie będą przenikać przez mieszaninę reagentów, która może wytworzyć chiralne cząsteczki (czyli D albo L)? Furkan Öztürk w swojej pracy doktorskiej na Uniwersytecie Harvarda w 2022 r. wykazał, że jeżeli substancja o właściwościach ferromagnetycznych (czyli taka, która wykazuje spontaniczne namagnesowanie) jest naświetlana promieniami ultrafioletowymi (UV), to preferencyjnie emituje elektrony o określonym spinie. Zjawisko to, odkryte przez Johna Kerra w r. 1876 i nazywane magnetooptycznym efektem Kerra, polega na tym, że płaszczyzna polaryzacji światła odbitego od namagnesowanej próbki (np. wypolerowany rdzeń elektromagnesu) jest skręcona o pewien kąt w stosunku do płaszczyzny polaryzacji światła padającego na próbkę. Skręcenie światła w rozumieniu mechaniki kwantowej polega na emisji elektronów o przewadze jednego spinu nad drugim. W tym przypadku, magnetyczna substancja preferencyjnie emituje elektrony o określonym spinie.
Inaczej mówiąc, powierzchnia o właściwościach magnetycznych może działać jak chiralny filtr, przyspieszając cząstki o jednym spinie, a hamując o przeciwnym. Co może być taką substancją? Na przykład tlenek żelaza czyli Fe3O4, znany w geologii jako magnetyt. Złoża magnetytu często znajdują się na dnie jezior, gdzie przynoszą je rzeki spływające z gór. W polu magnetycznym Ziemi magnetyt ulega namagnesowaniu, co powoduje powstanie lokalnego pola magnetycznego. Jeżeli takie lokalne złoże magnetytu znajdzie się pod wpływem promieni ultrafioletowych ze Słońca, to będzie emitować elektrony o przewadze jednego spinu nad drugim. Takie elektrony mogą wpływać na syntezę chiralnych cząsteczek, niejako w ramach „odwróconego efektu CISS”, którego pełna nazwa to reakcja redukcji chemicznej wymuszana selektywnością spinu indukowaną chiralnością (chiral-induced spin selectivity–driven reduction chemistry, CDRC). Jeżeli w tym jeziorze były związki chemiczne, które pod wpływem tych elektronów mogą wytworzyć substancję chiralną, to mógł powstać chiralny produkt o przewadze jednej formy nad drugą (Ryc. 4).
Ryc. 4. Reakcja redukcji wymuszana selektywnością spinu indukowaną chiralnością (chiral-induced spin selectivity–driven reduction chemistry, CDRC): magnetyt (Fe3O4) zgromadzony na dnie prebiotycznego jeziora i namagnesowany przez pole magnetyczne Ziemi emituje elektrony o określonym spinie, które powodują syntezę cząsteczki o przewadze jednej chiralnej formy nad drugą. Według: Öztürk FS, Sasselow DD, PNAS USA 2022, 119: e2204765119. Licencja CC BY 4.0.
Skąd wzięła się D-ryboza?
Tak więc 4 miliardy lat temu na dnie prebiotycznego jeziora (lub płytkiego morza) zachodziły reakcje chemiczne, dając niewielką przewagę jednej chiralnej formy nad drugą. Jaka konkretnie substancja powstała w wyniku tych przemian? Uważa się, że była to pochodna rybozy o nazwie rybozo-aminooksazolina (RAO), która powstała z prostszych prekursorów takich jak aldehyd glikolowy i cyjanamid. To ona dała początek pierwszym rybonukleotydom, czyli podjednostkom RNA (Ryc. 5).
Ryc. 5. Powstanie 2-aminooksazoliny (2-AO), rybozo-aminooksazoliny (RAO) i prekursora rybonukleotydu, czyli cytydyno-rybozy. Według: Kim S.C. et al., J Am Chem Soc 2021, 143: 3267-3279. Licencja CC BY 4.0.
Uważny chemik zada pytanie, dlaczego spośród wszystkich rodzajów pentoz (czyli cukrów składających się z pięciu atomów węgla) akurat ryboza stała się prekursorem innych cząsteczek? Znamy cztery rodzaje pentoz: rybozę, arabinozę, ksylozę i liksozę, które są aldozami (czyli mają grupę aldehydową) oraz ich ketonowe analogi, takie jak rybuloza i ksyluloza. Wśród aminooksazolinowych pochodnych tych cukrów to właśnie RAO najsłabiej się rozpuszcza, a więc najłatwiej krystalizuje. Dzieje się tak dlatego, że grupy hydroksylowe rybozy najsłabiej oddziałują z sobą, dzięki czemu cząsteczki łatwo mogą układać w kryształy.
Wszystko zaczęło się więc od rybozo-aminooksazoliny. Ale dlaczego była to forma D (w skrócie D-RAO), a nie L? Furkan Öztürk wykazał, że kryształy RAO tworzą osobne konglomeraty składające się z form D i L, ale jeżeli powierzchnia, na której powstają, ma charakter magnetyczny, to formy D i L rybozo-aminooksazoliny mają tendencję do oddzielnej krystalizacji, przy czym łatwiej krystalizuje forma D. W pierwszym etapie kryształów formy D jest o 60% więcej niż L, a w następnym już 80%. Jeżeli na magnetycznej powierzchni zaczną się gromadzić kryształy D-RAO, to zaczynamy mieć do czynienia ze sprzężeniem zwrotnym: chiralna D-RAO wzmacnia elektrony o jednym spinie, a to z kolei zwiększa magnetyzację domen w złożu magnetytu. Pole magnetyczne staje się silniejsze, a to powoduje wzrost siły efektu CISS. W rezultacie przewaga formy D nad L w nowopowstającej rybozo-aminooksazolinie rośnie (Ryc. 6).
Ryc. 6. (A) Efekt CISS powoduje, że namagnesowane powierzchnie powodują chiralnie selektywną krystalizację RAO w ramach procesu kontrolowanego przez spin cząstek.
(B) Selektywne oddziaływanie chiralnych cząsteczek z cząstkami o określonym spinie wpływa na namagnesowanie powierzchni. Domeny o różnym stopniu namagnesowania ulegają jednolitemu namagnesowaniu w wyniku krystalizacji chiralnych cząsteczek. Siła magnetyczna rośnie.
(C) Chiralnie selektywna krystalizacja na magnetycznej powierzchni (A) i namagnesowanie indukowane chiralnością (B) tworzą sprzężenie zwrotne: niewielkie zwiększenia namagnesowania powstałe w wyniku działania pola magnetycznego Ziemi ulega wzmocnieniu w wyniku chiralnie selektywnej krystalizacji D-RAO, a to z kolei powoduje podwyższenie emisji elektronów o określonym spinie.
Według: Öztürk FS et al. J Chem Phys 2023: 159, 061102. Licencja CC BY 4.0.
Co było dalej?
Zgodnie z hipotezą Furkana Öztürka, po wielu milionach lat w prebiotycznym jeziorze główną chiralną cząsteczką była D-rybozo-aminooksazolina. To ona była prekursorem wszystkich chiralnych cząsteczek, które dziś wchodzą w skład żywych organizmów. Po przyłączeniu pirymidynowych i purynowych zasad, które nie są chiralne i powstały oddzielnie, powstały rybonukleotydy. Miały one zdolność do polimeryzacji i dały początek cząsteczkom D-RNA, z którego po wielu milionach lat powstały D-rybozymy, czyli cząsteczki RNA zdolne do katalizowania reakcji chemicznych. Niektóre z nich uzyskały zdolność do wiązania aminokwasów. Takie mini-RNA były przodkami dzisiejszych cząsteczek transportującego RNA (tRNA), czyli cząsteczek, które dostarczają aminokwasy do rybosomów w ramach translacji, czyli syntezy białek. Wykazano, że przyłączanie aminokwasów przez tRNA jest powiązane z ich chiralnością: D-tRNA przyłącza preferencyjnie aminokwasy w formie L. Takie L-aminokwasy połączone z t-RNA dały początek pierwszym białkowym enzymom, które składały się z L-aminokwasów i były zdolne do syntezy chiralnych cząsteczek. To było początkiem chiralnych szlaków metabolicznych, takich jak cykl Krebsa, który wtedy jeszcze działał w stronę przeciwną niż dzisiaj (czyli syntezował jednostki dwuwęglowe, ale ich nie rozkładał), bo w atmosferze nie było tlenu (Ryc. 7).
Ryc. 7. Jak D-rybozo-aminooksazolina dała początek cząsteczkom o charakterze chiralnym. Według: Öztürk FS, Sasselow DD, PNAS USA 2025, 122: e2505126122. Licencja CC BY 4.0.
Czy hipoteza Furkana Öztürka ma jakieś słabe strony? Na pewno tak. Wydaje się że zastosował on pole magnetyczne o wiele silniejsze niż to, które wytwarza Ziemia, a w związku z tym naturalne namagnesowanie złoża magnetytu w czasach prebiotycznych było prawdopodobnie o wiele mniejsze. Ale nawet słabe pole magnetyczne powinno wytworzyć przewagę jednej chiralnej formy nad drugą. Nie bardzo też wiadomo, jak z RAO powstały rybonukleotydy purynowe, czyli zawierające adeninę i guaninę (abiotyczna synteza rybonukleotydów pirymidynowych jest dobrze udokumentowana).
Na koniec pytanie z gatunku filozoficznych: wiadomo, że pole magnetyczne Ziemi jest generowane przez ruchy płynnego metalu (głównie żelaza) w jądrze Ziemi, które działają jak wielki elektromagnes. Wiadomo też, że bieguny magnetyczne Ziemi ulegają odwróceniu i jest to proces losowy, zdarzający się w odstępach od 10 000 do kilkudziesięciu milionów lat. Czy gdyby w czasach, gdy powstawała D-rybozo-aminooksazolina bieguny magnetyczne Ziemi były odwrócone, to powstałaby L-rybozo-aminooksazolina, a z niej L-cukry i D-aminokwasy? Czy czas między przebiegunowaniem Ziemi był wystarczająco był wystarczająco długi, aby biochemia życia utrwaliła się jako lustrzane odbicie dzisiejszej rzeczywistości biologicznej? Prawdopodobnie tak, ale nigdy nie dowiemy się, jak było naprawdę.
D-ryboza jako początek chiralnego życia
Na początku była więc ryboza, a ściśle jej oksazolinowa pochodna, i od razu była to forma D. To ona dała początek różnym cząsteczkom RNA (ten okres w historii Ziemi nazywa się „światem RNA”). Ok. 3,8 – 3,6 miliarda lat temu powstały L-białka, ok. 3,5 miliarda lat temu – D-DNA. Kiedy jeszcze pojawiły się pęcherzyki złożone z fosfolipidów (fosfolipidy też są chiralne) umożliwiające uniezależnienie się reakcji chemicznych od zmiennych warunków w prebiotycznym oceanie, droga do powstania żyjących organizmów była otwarta. Wszystkie te organizmy były i są chiralne. A wszystko zaczęło się prawdopodobnie gdzieś na złożu magnetytu 4 miliardy lat temu.
Literatura dodatkowa
Furkan Öztürk wyjaśnia pochodzenie chiralności:
https://gsas.harvard.edu/news/exploring-asymmetry-life
Öztürk FS, Sasselov DD: On the origins of life’s homochirality: Inducing enantiomeric excess with spin-polarized electrons. PNAS USA 2022: 119:e2204765119. DOI: 10.1073/pnas.2204765119
Öztürk FS et al.: Origin of biological homochirality by crystallization of an RNA precursor on a magnetic surface. Sci Adv 2023:9, eadg8274. DOI: 10.1126/sciadv.adg8274.
Öztürk FS, Sasselov DD: Life’s homochirality: Across a prebiotic network. PNAS 2025, 122: e2505126122. DOI: 10.1073/pnas.2505126122.
Gupta R et al., The chirality-induced spin selectivity effect in asymmetric spin transport: from solution to device applications. Chem Sci 2024, 15: 18751. DOI: 10.1039/d4sc05736h.
Autor
- chemik z wykształcenia, biolog molekularny z zawodu. Interesuje się glikobiologią i grupami krwi, a prywatnie fotografią. Miłośnik twórczości Stanisława Lema. X: @CzerwinsMarcin, Bluesky: @czerwinsmarcin.bsky.social.
Ostatnie wpisy
biochemia13 lipca 2026Dlaczego życie na Ziemi jest chiralne?- biologia18 maja 2026Układ grupowy krwi P1PK (3): krwawa biegunka i toksyny Shiga
biologia30 marca 2026Ludwik Fleck, mikrobiolog, immunolog i filozof. Czas na przypomnienie.- biologia23 lutego 2026Układ grupowy krwi P1PK (2): czy grupa krwi P(2) może nas chronić przed bąblowicą?
Lem to chyba inaczej wyjaśniał, zdaje się, że chodziło o kręcenie pogrzebaczem w zupie pierwotnej.
Czy nie jest prawdą, że w swoim czasie wylądował na martwej podówczas planecie Ziemi statek pod waszą flagą, któremu wskutek awarii lodówek popsuła się część zapasów? Czy nie jest prawdą, że na statku tym znajdowało się dwóch próżniarzy, skreślonych później ze wszystkich rejestrów za bezwstydne machinacje z rzęślami, i że ci dwaj łotrzy, te zawalidrogi mleczne, zwali się Bann i Pugg? Czy nie jest prawdą, że Bann i Pugg postanowili, po pijanemu, nie zadowolić się zwykłym zanieczyszczeniem bezbronnej, pustynnej planety, gdyż zachciało im się zaaranżować na niej, w sposób występny i karygodny, ewolucję biologiczną, jakiej świat dotąd nie widział? Czy nie jest prawdą, że obaj ci Tarrakanie rozmyślnie, z najwyższym napięciem złej woli obmyślili sposób stworzenia z Ziemi -wylęgami dziwolągów na skalę całej Galaktyki, cyrku kosmicznego, panopticum, gabinetu makabrycznych osobliwości, którego żywe eksponaty stałyby się, w swoim czasie, pośmiewiskiem najdalszych Mgławic?! Czy nie jest prawdą, że pozbawieni wszelkiego poczucia przystojności i hamulców etycznych, obaj ci bezecnicy wylali na skały martwej Ziemi sześć beczek zjełczałego kleju żelatynowego i dwie bańki nadpsutej pasty albuminowej, że dosypali do owej mazi – sfermentowanej rybozy, pentozy i lewulozy, a jakby mało było jeszcze tych paskudztw, polali je trzema dużymi konewkami roztworu zgliwiałych aminokwasów, po czym powstałą bryję bełtali łopatką od węgla, skrzywioną w lewo, oraz pogrzebaczem, także wykręconym w tę samą stronę, wskutek czego białka wszystkich przyszłych istot ziemskich stały się LEWO-skrętne?! Czy nie jest nareszcie prawdą, że Pugg,
cierpiący podówczas na silny katar, a podżegany do tego przez słaniającego się od nadużycia trunków Banna, w sposób rozmyślny nakichał do plazmatycznej zarodzi, a zakażając ją przez to złośliwymi wirusami, rechotał, iż dzięki temu tchnął “sakramenckiego ducha” w nieszczęsny zaczyn ewolucyjny?! Czy nie jest prawdą, że lewoskrętność owa i owa złośliwość przeszły następnie w ciała ziemskich organizmów i przetrwały w nich po dzisiaj, od czego cierpią teraz bezwinni przedstawiciele rasy Artefactum Abhorrens, którzy nazwali siebie mianem homo sapiens jedynie z prostaczej naiwności? Czy nie jest przeto prawdą, że Tarrakanie winni nie tylko zapłacić za Ziemian wpisowe, w wysokości biliona ton kruszcu, ale także muszą wypłacić nieszczęśliwym ofiarom planetarnego nierządu – KOSMICZNE ALIMENTY?!
Stanisław Lem, Dzienniki Gwiazdowe, Podróż Ósma
Pamiętam, że gdzieś, w którymś z artykułów na portalu wspomniano, że abiotycznie powstałe optycznie czynne związki organiczne w Układzie Słonecznym mają z nieznanych przyczyn przewagę jednej z chiralności, i to zgodną z ziemskim życiem.
Chyba tylko Mirosław Dworniczak pisał na naszym portalu o pozaziemskich związkach organicznych, które znaleziono na asteroidzie Bennu. Były tam zasady wchodzące w skład DNA i RNA (są niechiralne) oraz większość aminokwasów, z tym że te były w postaci D i L, tak więc nie było przewagi jednej formy nad drugą.