為什麼地球上的生物使用左旋的氨基酸和右旋的糖分子？

地球上的生物都是以碳元素為基礎的。碳原子是「四價」的，可以用四根化學鍵和其它的原子相連，形成生命所需要的各種複雜分子，其中碳原子彼此以單鍵或雙鍵相連形成鏈狀或環狀的化合物，上面再連上各種功能基團。可以說，沒有碳就沒有地球上的生命。

　　碳原子的四根化學鍵不僅使得複雜生命分子的產生成為可能，也帶來了另一個複雜性，那就是有些以碳為骨架的分子，特別是氨基酸和糖類分子，具有不對稱性，也叫做「手性」（chirality）。Chirality這個詞來自希臘文χειρ （Kheir），意思就是「手」。人的手是不對稱的。如果以中指為軸，食指和無名指就不對稱，拇指和小指也不對稱。但是人的左手和右手卻有一個對稱面，彼此為對方的鏡像。如果物體自身是不對稱的，鏡面內外的兩個物體就不能通過轉動而彼此重合，例如左手和右手就不能彼此重合。左手的手套，右手就戴不進去。這就是「手性」，是對兩個不對稱物體互為鏡像這種情況的描述。分子也一樣，分子的手性是指具有同樣結構的分子（其中組成分子的原子和它們的連接順序都相同，所以它們具有同樣的分子式），卻有兩種空間形式，彼此成為鏡像而無法通過旋轉而重合。那麼分子的手性是怎麼產生的呢？

　　這是因為碳原子與其它原子相連的四根化學鍵不是在一個平面上，而是在空間中向四個方向伸出，就像正四面體的中心與四個頂角的連線。如果與碳原子相連的四個原子或原子團彼此不同（例如下圖中的a、b、c、d），就會形成兩種空間形式：

　　                    a                                 a 

　　                    |                                  | 

　　             c >  C  < d                   d>  C  < c 

　　                    |                                  | 

　　                    b                                b       

　　想像碳原子（C）與a和b相連的化學鍵是指向遠離讀者的方向的（即a和b離讀者的距離比中心的碳原子C遠），而與原子或原子團c和d相連的化學鍵是指向讀者方向的（即c和d離讀者的距離把你中心碳原子近）。雖然在左右兩種情況下，與碳原子相連的四種原子或原子團相同（都是a、b、c、d），但是上圖中的兩種分子卻無法重合，而是彼此互為鏡像。如果b相當於手腕，a相當於中指，d相當於大拇指，c相當於小拇指，上圖就對應於人的左手和右手。 以a-b為軸，c和d不對稱（不同的原子或原子團）。反過來，以c-d為軸，a和b也不對稱（也是不同的原子或原子團）。這就是分子手性的由來，這樣的碳原子被稱為「手性碳原子」。由於這樣的碳原子能夠形成空間結構不同的兩種化合物，它也被稱為「不對稱碳原子」，即含有它的分子具有方向性。

　　互為鏡像的兩種分子不僅空間結構不同，它們還有一個特殊的性質，就是都能夠使平面偏振光（光波的振動方向在一個平面上）振動的方向旋轉，只是旋轉的方向相反，所以它們又被稱為「旋光異構體」。使偏振光的偏振方向向右旋轉的叫做「右旋異構體」（D型，D是前綴dextro- 的第一個字母，表示「右旋的」），向左旋轉的則叫「左旋異構體」（L型，L是前綴levo- 的第一個字母,表示「左旋的」）。旋光異構現象是法國科學家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895）於1894年首先認識到的。他發現從釀酒容器中得到的酒石酸（2,3-二羥基丁二酸）可以使偏振光的偏振方向旋轉，但是其它來源的酒石酸鹽卻沒有這種能力。進一步的研究發現，沒有旋光能力的酒石酸可以形成兩種晶體，形狀也彼此為鏡像。如果把這兩種晶體分開，它們就都獲得了旋光性，只是旋光方向相反。之所以釀酒容器中的酒石酸鹽具有旋光性，是因為這些酒石酸是生物來源的，只含有一種異構體。而化學合成的酒石酸兩種異構體都有，它們的旋光效果彼此抵消，所以顯示不出旋光能力來，這兩種異構體的混合物就是「消旋」的。

　　既然生物來源的酒石酸只含有一種旋光異構體，生物來源的其它有機分子是不是也只含有一種旋光異構體，因而具有旋光性呢？從碳原子是許多生物分子骨架來看，含有多個彼此相連碳原子的分子就有可能含有不對稱碳原子。如果生物產生的這些分子只含有其中一種異構體，它就會具有旋光性。例如組成蛋白質的氨基酸，除甘氨酸外，就含有一個不對稱碳原子，叫 a 碳原子。它與氨基、羧基、氫原子及一個「側鏈」相連（甘氨酸的「側鏈」是另一個氫原子，所以這個碳原子和兩個氫原子相連，就不是非對稱碳原子），因而可以形成兩種旋光異構體。但是除了少數的例外，所有生物來源的氨基酸都是「左旋」的。在上圖中，如果a代表羧基，b代表側鏈，c代表氨基，d代表氫原子，則左邊的構型是左旋的（氨基在左邊），右邊的結構是右旋的（氨基在右邊）。

　　糖類的情況比較複雜，因為許多糖類（例如葡萄糖和核糖）都含有不止一個不對稱碳原子。我們從最簡單的含有不對稱碳原子的糖類分子甘油醛談起。甘油醛就是甘油的一個羥基變成了醛基。它含有三個碳原子，一個在醛基中，另一個與兩個氫原子相連，所以它們都不是不對稱碳原子。而中間的那個碳原子分別和醛基（-CHO）、甲羥基團（-CH2OH）、羥基（-OH）、以及一個氫原子（H）相連，所以是不對稱碳原子。如果用a代表醛基，用b代表甲羥基，用c代表羥基，用d代表氫原子，那麼左邊的結構是左旋的（羥基在左邊），右邊的結構是右旋的（羥基在右邊）。由於甘油醛含有一個醛基，它也被稱為「醛糖」。

　　葡萄糖是6碳糖，其「骨架」是線性相連的6個碳原子。核糖是5碳糖，含有線性相連的5個碳原子。位於兩端的兩個碳原子中，像甘油醛一樣，一個以雙鍵與一個氧原子相連形成醛基，另一個與兩個氫原子相連，所以都不是不對稱碳原子。葡萄糖和核糖都是「醛糖」。醛糖中間的碳原子除了與兩個碳原子相連外，還與一個氫原子和一個羥基相連，類似於甘油醛中間的碳原子。不僅如此，與中間的碳原子相連的兩個碳原子又分別連有不同的基團，所以他們雖然都是碳原子，但是彼此不同，可以看成是不同基團的組成部分，就像甘油醛中間的碳原子與醛基和甲羥基團相連，所以葡萄糖和核糖分子中間的每個碳原子都是不對稱碳原子。由於每個不對稱碳原子都可以有兩種構型（羥基在左邊或是在右邊），就可以形成不同的糖。例如6碳的醛糖就可以有24種（即16種）構型，分為8對，每一對互為鏡像，所以共有8種6碳醛糖，分別是阿洛糖、阿卓糖、葡萄糖、甘露糖、古樂糖、艾杜糖、半乳糖、和塔羅糖。同理，5碳醛糖有23種（即8種）構型，分為4對，彼此互為鏡像，所以有4種5碳醛糖，分別是核糖、阿拉伯糖、木糖、和來蘇糖。

　　這些糖分子都含有多個不對稱碳原子，它們的旋光形式又如何定義呢？ 這就要看離醛基（碳原子1）最遠的那個不對稱碳原子的構型，這在葡萄糖中是碳原子5，在核糖中是碳原子4。如果它們的構型和甘油的右旋型相同，那就是右旋（D）型的。反之則是左旋（L）型的。研究發現，所有生物來源的糖類都是D型，即右旋的。生物體所使用的核糖（包括其變種2-脫氧核糖）和葡萄糖，都是右旋的。

　　生物分子由左旋（L）型的氨基酸和右旋（D）型的糖類分子構成這個事實使人感覺有點難以理解，因為氨基酸當初由非生物途徑被生成時，是兩種旋光異構體都有的。太空中發現的有機化合物，如果含有不對稱碳原子，也都有左旋和右旋兩種類型，說明它們是非生物來源的。這兩種旋光異構體的化學性質相同，按理說兩種旋光異構體都可以形成生命分子。為什麼地球上沒有使用右旋氨基酸、左旋葡萄糖和左旋核糖的生物呢？

地球上的生命形成時，左旋氨基酸可能就比右旋氨基酸多

 　　一個可能性是，生物形成前，地球上的左旋氨基酸就比右旋氨基酸多，所以形成的生物使用左旋氨基酸的可能性就比較大。對隕石中氨基酸的分析似乎證實也證實了這種想法。對墨其森隕石（Murchison meteorite）和墨瑞隕石（Murray meteorite）中氨基酸的分析表明，雖然氨基酸的兩種旋光異構體都存在，但是左旋的異纈氨酸就比右旋的異纈氨酸多達44%。對另一個隕石奧奎爾（Orqueil）上氨基酸的分析也得到了類似的結果：左旋異纈氨酸比右旋異纈氨酸多約39%。迄今為止，還沒有在隕石中發現右旋氨基酸多於左旋氨基酸的例子。這說明宇宙中天然形成的氨基酸左旋佔優勢很可能是一個普遍現象。這種不平衡的一個可能的原因，就是自然界中存在某些機制選擇性地摧毀其中一種異構體。

　　科學家想到了宇宙中的紫外圓偏振光（ultraviolet circularly polarized light，其中光有兩個互相垂直的振動面，並且兩個方向上的振動有固定的相位差）。例如在離地球5500光年的貓掌星雲（天蠍座方向）發出的光線中，大約有22%是圓偏振光。不同的旋光異構體使光線的偏振面旋轉的方向不同。反過來，對於紫外圓偏振光，左旋和右旋的異構體吸收的程度也不同，因而受這種紫外線摧毀的程度也不同。這就可能導致一種異構體多於另一種異構體。在實驗室中模擬太空中的條件，發現紫外圓偏振光的確有這種選擇性摧毀的效果，不過程度比較小，只有約1-2%，不足以說明隕石中左旋氨基酸明顯多於右旋氨基酸的情形。隕石和星際塵埃表面的結構性質很可能也起了作用。對墨其森隕石不同的碎塊進行的分析表明，左旋異纈氨酸多於右旋異構體的程度與隕石表面矽酸鹽的水化程度有關，即與矽酸鹽在水存在時發生的變化有關。水化程度越高，左旋異纈氨酸的多出右旋纈氨酸的程度越高。這說明矽酸鹽的水化過程對氨基酸異構體的形成有差別化的作用。這種差別化作用也許是在紫外圓偏振光的存在下發生的。

　　氨基酸被隕石帶到地球上以後，地球上的一些過程還能放大左旋和右旋氨基酸之間的差別。例如美國科學家Breslow 和Levine讓L型只比D型多1%的苯丙氨酸的水溶液緩慢蒸發，當多數苯丙氨酸都結晶出來以後，溶液里留下的苯丙氨酸70%為左旋，30%為右旋。當把這個比例的苯丙氨酸溶液再進行蒸發，又有一些氨基酸結晶，留在溶液中的苯丙氨酸有95%是左旋的。當然地球早期有機物的溶液不會是某種氨基酸的純溶液，而是含有各式各樣的化合物。但是如果其中含有左旋和右旋不平衡的化合物，就有可能在溶液由於蒸發濃集而發生沉澱或結晶時，有選擇性地使某種旋光異構體沉澱，或留在溶液中。

　　科學家還提出其它可能的機制使左旋氨基酸富集。例如方解石（Calcite）可以生成兩種旋光性的晶體，能夠選擇性地吸附氨基酸中一種旋光異構體，使另一種異構體在溶液中的比例增加。氨基酸在通過毛細作用沿着多孔的岩石上升時，岩石對兩種旋光異構體吸附能力的差異相當於對兩種異構體進行層析分離。例如天冬氨酸和穀氨酸通常會形成消旋的晶體（即兩種旋光異構體共同形成結晶）。但是如果讓這兩種氨基酸的溶液通過半浸泡在溶液中的磚塊上升並且蒸發時，兩種異構體會分開，各自形成具有旋光性的晶體。

　　這些結果說明，雖然在理論上左旋和右旋的氨基酸有相同的生成幾率，但是太空中和地球上的條件（有偏振的紫外光，隕石和星際塵埃表面的性質，早期地球上的吸附和蒸發作用等）下，兩種旋光異構體的數量有可能發生差異或者彼此分離，在局部條件下形成主要含左旋氨基酸的環境。從太空中的左旋氨基酸明顯多於右旋氨基酸的情況來看，這種情況是非常可能的。

左旋氨基酸選擇性地結合右旋的糖類分子

 　　左旋氨基酸被選擇的問題有解釋了，那麼右旋糖分子被選擇又該如何解釋呢？由於氨基酸和糖分子都是不對稱分子，它們的異構體之間的相互作用就不會是一樣的。這有點像手和門把之間的關係。開門用的門把就是不對稱的，有左右兩個方向。如果門把的方向是向右的（即門是從左邊開的），用右手開門就比較方便，而用左手就很彆扭。同理，氨基酸的某種異構體也應該更容易地結合糖分子的其中一種異構體（形狀更加相配）。事實也真的是這樣，即左旋氨基酸更容易與右旋的甘油醛結合，反之亦然。例如由纈氨酸組成的二肽可以催化甘油醛生成4碳糖。而左旋的纈氨酸二肽選擇性地結合右旋的甘油醛，生成右旋的4碳糖。

　　反過來，一旦右旋的核糖在RNA分子中出現，轉移RNA（tRNA）就會選擇性地結合左旋的氨基酸。例如使用大腸桿菌丙氨酸tRNA中結合氨基酸的片段時，它結合左旋丙氨酸的效率就是結合右旋丙氨酸的4倍。反過來，如果tRNA中的核糖從正常的右旋核糖換成左旋核糖，對氨基酸的選擇就反過來了，tRNA結合左旋丙氨酸的效率就只有結合右旋丙氨酸的4分之1。這說明蛋白質合成時對氨基酸旋光異構體的選擇是在tRNA階段就開始了，是tRNA中右旋核糖決定了左旋氨基酸被優先使用。而右旋核糖又是由左旋的二肽催化合成的。這樣，地球上的生物使用左旋的氨基酸和右旋核糖和葡萄糖就不是偶然的選擇，而是左旋氨基酸和右旋糖分子互相選擇和配合的結果。出於同樣的理由，右旋氨基酸也會選擇性地結合左旋的糖分子。但是由於左旋氨基酸在地球上生物形成的初期佔優勢地位，最後導致了對左旋氨基酸和右旋糖類的選擇。

RNA和蛋白質的立體催化本身就是帶有方向性的

 　　地球上的生物對左旋氨基酸和右旋糖分子的選擇，還有一個更高的調控層次，這就是生物催化本身就是帶有方向性的。酸鹼都可以催化化學反應，但是由於氫離子和氫氧根離子非常小，本身也沒有方向性，所以它們對於旋光異構體的水解效率是相同的。如果有左旋的澱粉，它被酸水解的速度應該和右旋澱粉的水解速度相同。金屬離子催化對旋光異構體也沒有選擇性。而RNA和蛋白質是由有旋光性的單位組成的。而且是由核酸鏈和肽鏈捲成的複雜三維結構，催化的反應中心由鏈不同的區域彼此靠近組成。這樣的催化中心就必然會有方向性，對兩種旋光異構體的催化效率就不可能相同。

　　在生命形成的初期，RNA分子可以由非酶過程合成，會同時含有左旋和右旋的核糖，由這樣的RNA鏈催化形成的肽鏈也可能同時含有左旋和右旋的氨基酸。由於左旋的氨基酸佔優勢，肽鏈中左旋氨基酸的比例就會比較高，催化合成更多的右旋糖分子。右旋核糖又會反過來選擇左旋的氨基酸合成肽鏈。這樣反覆地相互選擇，左旋氨基酸和右旋糖分子就會佔越來越大的優勢。而一旦RNA由蛋白質（不再是短的肽鏈）催化合成，由於蛋白質催化的高度方向性，就只能選擇核苷酸旋光異構體中的一種了。在右旋核糖佔優勢的情況下，RNA分子逐漸都只含有右旋核糖。而只含右旋核糖的RNA（包括tRNA和實際催化肽鏈形成的核糖體RNA）就只能使用左旋的氨基酸。

　　在一些情況下，生物也可以使用右旋氨基酸。細菌的細胞壁含有「肽聚糖」。它是糖鏈被3-5個氨基酸組成的短肽橫向相連形成的網狀物質。例如大腸桿菌的短肽鏈就由左旋丙氨酸-右旋穀氨酰胺-左旋賴氨酸-右旋丙氨酸這四個氨基酸組成。細菌用右旋氨基酸來構建細胞壁也許是為了抵抗蛋白酶的攻擊。這些含有右旋氨基酸的短肽鏈不是由核糖體中的RNA催化形成的，而是由蛋白質的酶催化的，是「蛋白質合成蛋白質」。在這裏酶中的左旋氨基酸和肽聚糖中的右旋氨基酸之間並無空間對應關係，而是通過酶的三維結構實現右旋氨基酸的組入，就像由蛋白質組成的酶催化其它非蛋白分子的反應一樣。但是對於「正常」蛋白質的合成，核糖體中的RNA對於氨基酸的旋光性還是高度特異的。

　　細胞中的化學反應不是單一的，而是形成反應鏈。一種化學反應的產物又需要下一步的催化。這樣，一種化學反應的旋光性產物就會對下一步反應的酶提出旋光性的要求。例如葡萄糖的徹底氧化就需要很多步驟，而直到三碳分子為止，每一步的產物仍然是右旋的，這就需要所有這些步驟的酶都能夠對右旋的糖分子產物進行加工，最後擴展到整個反應鏈都只對一種旋光異構體進行加工。由於細胞中的反應鏈是互相連接的，這樣擴展的結果就是細胞只使用一種旋光異構體。

　　當然這是一個複雜而且緩慢的過程。不能排除在生命形成的初期，也出現過使用左旋核糖的RNA和右旋氨基酸的生物，但是這些生物後來在競爭中被淘汰了，只有使用左旋氨基酸和右旋糖分子的生物存留下來。由於現在地球上所有的生物都來自同一個祖先，他們也就都使用左旋氨基酸和右旋糖分子。