Biologie is eigenlijk chemie. En chemie is eigenlijk natuurkunde. Dus eigenlijk is alles natuurkunde. Maar als alles natuurkunde is, hoe komt het dan dat ons DNA de ene kant op draait en niet de andere? De moleculaire structuur van het leven op onze planeet heeft wat bekend staat als een “chiraliteit”, wat betekent dat veel organische moleculen een bepaalde richting verkiezen of oriëntatie hebben. Maar hoe komt het dat deze chiraliteit zo uitgevallen is en niet anders? Het lijkt misschien een vraag waar we nooit een antwoord op kunnen geven, maar in de afgelopen maanden hebben wetenschappers daadwerkelijk enige vooruitgang geboekt. Laten we eens kijken.
De Driedimensionale Dans van Moleculen
We zijn gewend om moleculen te schrijven in vormen van de atomaire elementen die ze bevatten zoals H₂O, twee waterstoffen één zuurstof. Maar alle moleculen zijn driedimensionale schikkingen, en de interacties tussen de atomen leiden tot specifieke hoeken tussen hen. Uiteindelijk is welke hoeken de molecuul heeft natuurlijk helemaal een kwestie van kwantumnatuurkunde.
Het is nu zo dat voor veel moleculen er niet slechts één antigentisch ideale driedimensionale schikking is, er zijn er twee. Deze twee vormen zijn identiek, behalve voor hun chiraliteit. De twee vormen zijn spiegelbeelden van elkaar zoals twee handen, vandaar de naam, hoewel het technisch gezien “chiraliteit” genoemd wordt. Dit betekent dat je ze niet op elkaar kunt leggen door enige rotatie in de ruimte, je zou wel een reflectie in een denkbeeldige spiegel kunnen doen.
Het Mysterie van Chiraliteit
Het vreemde is nu dat wat natuurkunde betreft, deze twee chiraliteiten dezelfde waarschijnlijkheid zouden moeten hebben om gecreëerd te worden. Dus hoe kwam het leven op onze planeet uit op slechts één chiraliteit en niet de andere? Het is een interessante vraag niet alleen omdat het nieuwsgierig maakt, maar ook omdat, als het leven op andere planeten evolueerde, het goed zou zijn om te weten of het waarschijnlijk dezelfde chiraliteit zou hebben.
Het zou ook goed zijn om te weten hoe deze chiraliteit tot stand kwam om praktische redenen, namelijk dat als men moleculen in het laboratorium synthetiseert, men misschien slechts één chiraliteit wil hebben omdat de andere heel verschillende biologische effecten zou kunnen hebben.
Het beste voorbeeld van het belang van biologische chiraliteit is het tragische verhaal van thalidomide. Thalidomide is een medicijn dat in de jaren ’50 op de markt kwam en werd verkocht onder de merknaam Contergan. Het werd aanbevolen aan zwangere vrouwen tegen ochtendmisselijkheid. Geschat wordt dat later 10 tot 20 duizend baby’s geboren werden met geboorteafwijkingen veroorzaakt door het medicijn. Het bleek dat thalidomide echt twee verschillende moleculen bevatte, met dezelfde samenstelling maar van tegenovergestelde chiraliteit. Een van hen werd later in verband gebracht met de geboorteafwijkingen.
Linkse uitspraken 😉
De vraag waarom de biologie één oriëntatie heeft en niet een andere, speelt al sinds het midden van de 19e eeuw, en wetenschappers hebben hierin enige vooruitgang geboekt doordat ze de oorsprong van grotere moleculen zoals DNA en RNA hebben herleid naar die van kleinere moleculen en hebben uitgelegd hoe de een tot de ander heeft geleid. Maar dat verklaart nog steeds niet waarom, op een bepaald moment, één chiraliteit dominant werd in de organische chemie op de jonge aarde. De dominante chiraliteit wordt overigens meestal “links-handig” genoemd, hoewel ik denk dat dit geen politieke uitspraak is, maar gewoon een kwestie van terminologie.
De Oorsprong van Chiraliteit
Er zijn twee basismanieren waarop deze chiraliteit tot stand kan zijn gekomen. Een is puur toeval, of misschien kun je zeggen, chaos. Op een bepaald moment in de geschiedenis van onze planeet, vormde zich toevallig een cluster van links-handige moleculen, en dit bleef voorspoedig groeien, uiteindelijk alle rechts-handige moleculen overtreffend. Het is echter wel curieus dat in dit geval er niet eens enige zakken over zijn waarin we een paar rechts-handige moleculen hebben. Het is alsof, weet je, op een bepaald moment in het verleden de meeste landen standaard overgingen op het rijden aan de rechterkant van de weg, behalve een paar zakken waar ze blijven rijden aan de verkeerde kant.
Milieu-invloeden op Chiraliteit
De andere reden is dat de chiraliteit veroorzaakt werd door een of andere milieu-invloed, we weten alleen niet welke. De belangrijkste verdachte hiervoor is al lange tijd het magnetisch veld van de aarde. Maar er zijn enkele andere factoren die een verschil zouden kunnen hebben gemaakt.
Je vraagt je misschien af of bijvoorbeeld de rotatie van de aarde er iets mee te maken had. Of misschien heeft het te maken met een daadwerkelijke asymmetrie die we in de natuurkunde hebben, namelijk dat er heel weinig antimaterie in het universum is. Er zijn veel theorieën geweest. Maar wel, het onderzoek dat recentelijk naar voren is gekomen, ondersteunt enigszins verrassend het idee dat het toch het magnetisch veld van de aarde was. Dit is verrassend omdat eerder werk had aangetoond dat het magnetisch veld veel te zwak is om enig effect te hebben.
In recent werk toonden onderzoekers aan dat als je een magnetisch materiaal neemt en daar organische moleculen van beide chiraliteiten op strooit, dan is de ene chiraliteit 50% meer geneigd om te blijven plakken. Dit is zeer merkwaardig omdat de moleculen zelf niet magnetisch zijn. De onderzoekers zeggen dat het uiteindelijk te maken heeft met de spinstructuur van de elektronen in de schillen. Dus je ziet, het is allemaal natuurkunde. Hun idee is dat deze voorkeur accumulatie van één chiraliteit op sommige soorten rotsen het veel gemakkelijker zou hebben gemaakt voor complexe moleculen om daar gevormd te worden.
Het Magnetisch Mysterie Onderzocht
Echter, dit laat de vraag onbeantwoord wat de magnetisatie van de rots te maken heeft met het magnetisch veld van de aarde. Omdat het magnetisch veld van de aarde erg zwak is en dat geldt ook voor de natuurlijke magnetisatie van materialen die je in de natuur vindt.
Versterking door Magnetische Materialen
Welnu, een andere groep heeft betoogd dat de voorkeurshechting van sommige moleculen terugwerkt op het magnetische materiaal, waardoor het sterker magnetisch wordt. Ze zeggen dus in principe dat sommige magnetische materialen het magnetisch veld van de aarde versterken en dat zet het proces in gang.
De Draai Geeft de Doorslag?
De manier waarop ik het begrijp, is als volgt: het magnetisch veld van de aarde veroorzaakt een initiële magnetisatie, de voorkeurshechting versterkt dat en dat bevoordeelt één chiraliteit. Hoewel ik denk dat dit nog steeds niet verklaart waarom het niet één chiraliteit op de ene plaats is en de andere elders. Dus, ik betwijfel of dit de kwestie beslecht.
