Lewa i prawa dłoń mają po pięć palców ułożonych w tej samej kolejności, od kciuka do małego palca, a mimo to nie są takie same. Gdy położymy jedną na drugiej, obie wnętrzem w dół, kciuki wskażą przeciwne strony. Z tego samego powodu lewa rękawiczka nie pasuje na prawą dłoń. Każda dłoń jest lustrzanym odbiciem drugiej. Żadnym obrotem nie da się sprawić, żeby się pokryły. W chemii podobne lustrzane pary tworzy wiele cząsteczek, w tym aminokwasy, z których powstają białka. Chemik, który wytwarza aminokwasy w kolbie zwykłymi metodami, dostaje obie wersje w równych ilościach, tymczasem w białkach naszych komórek jest tylko jedna z nich, a druga trafia się w przyrodzie rzadko.

Ta jednostronność, którą chemicy nazywają homochiralnością, od dawna nie daje im spokoju. Skoro proste reakcje dzielą formy po równo, na drodze do pierwszych organizmów zapewne zadziałał proces, który drobną przewagę jednej strony zamienił w ogromną. Tegoroczną Nagrodę Nobla z chemii otrzymali dwaj badacze, którzy pokazali w laboratorium, że taki proces jest chemicznie możliwy. Ich wyniki nie rozstrzygają jednak, czy właśnie on działał na młodej Ziemi. O tej granicy trzeba pamiętać przez cały tekst.

W skrócie

Dwie lustrzane formy tej samej cząsteczki chemicy nazywają enancjomerami. Gdy nic w reakcji nie wyróżnia żadnej z nich, powstaje mieszanina pół na pół. Szalę można przechylić katalizatorem, czyli substancją, która przyspiesza reakcję, sama się przy tym nie zużywając. O kierunku decyduje zwykle jeden ze składników katalizatora, cząsteczka zwana ligandem, która ma dwie lustrzane formy. Ligand sam bywa mieszaniną obu form z przewagą jednej z nich i długo uważano, że produkt reakcji nie może mieć większej przewagi jednej formy niż ma sam ligand. W 1986 r. zespół Henriego Kagana z podparyskiego Université Paris-Sud wykazał, że jednak może. Dziewięć lat później Kenso Soai z Tokyo University of Science opisał reakcję, której produkt przyspiesza powstawanie kolejnych porcji samego siebie. Przy okazji wzmacnia on przewagę swojej formy. W 2003 r. odmiana tej reakcji, prowadzona bez żadnej podpowiedzi z zewnątrz, dawała w kolejnych próbach wyraźną przewagę raz jednej, raz drugiej formy. Decydował o tym przypadek. Teoretyczny przepis na takie zjawisko podał już w 1953 r. brytyjski fizyk Charles Frank. Jak zaznaczyliśmy na wstępie, nie rozstrzyga to historii Ziemi: Komitet Noblowski zastrzega, że reakcja Soaia nie odtwarza drogi, którą rzeczywiście powstała jednostronność chemii życia.

Nagroda za lustrzaną zagadkę

Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła werdykt 7 października 2026 r. Henri B. Kagan i Kenso Soai zostali nagrodzeni za odkrycie efektów nieliniowych i autokatalizy w asymetrycznej syntezie organicznej, czyli w reakcjach, które z dwóch lustrzanych form produktu wytwarzają więcej jednej. Podzielą się po połowie kwotą 12 mln koron szwedzkich. Pozostałe pojęcia z uzasadnienia objaśniamy w dalszej części tekstu. W komunikacie Akademii przewodniczący Komitetu Noblowskiego dla chemii Heiner Linke mówi o rozwiązaniu zagadki sprzed ponad stu lat, czyli pytania, jak jednostronność może pojawić się samorzutnie.

Kagan w dniu ogłoszenia miał 95 lat. Akademia przedstawia go jako emerytowanego profesora „ówczesnego” Université Paris-Sud, bo w 2020 r. uczelnia ta weszła w skład Université Paris-Saclay. Soai urodził się w 1950 r. w Hiroszimie i jest emerytowanym profesorem Tokyo University of Science. Wiadomość o nagrodzie zastała go na zakupach. Gdy połączono go telefonicznie z konferencją prasową w Sztokholmie, powiedział, że to najbardziej ekscytujący dzień w jego życiu i że cieszy się, dzieląc nagrodę z profesorem Kaganem.

Co odbija się w chemicznym lustrze

Chemicy nazywają cząsteczkę chiralną, gdy żadnym obrotem ani przesunięciem nie da się jej nałożyć na jej własne lustrzane odbicie. Nazwa pochodzi od greckiego słowa oznaczającego rękę. Obie formy takiej cząsteczki to właśnie enancjomery. Mają identyczny skład i te same atomy połączone w tej samej kolejności. Różnią się tylko ułożeniem w przestrzeni. Typowy przypadek to atom węgla połączony z czterema różnymi grupami atomów. Wzór sumaryczny podaje tylko, ile atomów każdego pierwiastka zawiera cząsteczka. Dla obu form wygląda więc identycznie.

Większość cech fizycznych enancjomerów, na przykład temperatura wrzenia, jest jednakowa. Różni je natomiast zachowanie wobec światła spolaryzowanego, czyli takiego, którego drgania odbywają się w jednej płaszczyźnie. Roztwór jednej formy skręca tę płaszczyznę w prawo, roztwór drugiej w lewo. Kierunek skręcania mierzy się przyrządem zwanym polarymetrem i oznacza znakiem (+) albo (−).

Zabytkowy polarymetr z poziomą tubą optyczną i okrągłą skalą pomiarową.
Polarymetr ze zbiorów Muzeum Nauki i Techniki w Belgradzie. Takie przyrządy służą do pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła przez substancje optycznie czynne.
Zdjęcie: Miloš Jurišić / Muzeum Nauki i Techniki w Belgradzie / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0.

Taki znak mówi jednak tylko o wyniku pomiaru. O samym ułożeniu atomów, czyli o konfiguracji cząsteczki, mówią litery. Dla aminokwasów i cukrów od dawna używa się liter L i D. Przypisuje się je, porównując budowę cząsteczki ze wzorcem, którym jest prosty cukier zwany aldehydem glicerynowym. Litery R i S należą do szerszego systemu, w którym konfigurację odczytuje się wprost z ułożenia czterech grup wokół atomu węgla według ustalonych reguł, bez porównywania ze wzorcem. Oba systemy opisują więc tę samą cechę, tylko według innych zasad. W aminokwasach budujących białka forma L prawie zawsze odpowiada formie S. Głównym wyjątkiem jest cysteina, aminokwas z atomem siarki.

Żadna z tych liter nie mówi natomiast, w którą stronę substancja skręci światło. Zapis L nie oznacza więc skręcania w lewo. L-alanina skręca je w prawo, L-seryna w lewo, choć obie mają konfigurację L. Dlatego w nazwach zgodnych z zaleceniami Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) znak skręcalności, jeśli chce się go podać, dopisuje się osobno, w nawiasie przed literą, jak w nazwie kwasu (+)-L-glutaminowego.

Mieszaninę obu form w równych ilościach nazywa się racematem. Przewagę jednej formy chemicy mierzą nadmiarem enancjomerycznym, w skrócie ee (od angielskiego enantiomeric excess), który liczy się jako różnicę udziałów obu form podzieloną przez ich sumę i wyrażoną w procentach. Racemat ma ee równe zeru, a czysta jedna forma 100 procent. Dla umownej mieszaniny 51 do 49 rachunek wygląda tak: (51 − 49) / (51 + 49) = 2/100, czyli 2 procent. To przykład szkolny, niezwiązany z żadnym konkretnym doświadczeniem. Wysokie ee mówi przy tym tylko o proporcji form w produkcie. O tym, ile produktu w ogóle powstało, mówi inna miara, wydajność reakcji.

Mięta, kminek i receptor w nosie

Dobry przykład tego, jak organizm odróżnia lustrzane formy, można znaleźć w kuchennej szafce: to karwon, główny składnik olejków z nasion kminku i kopru oraz z mięty zielonej. Jego forma R pachnie miętą, a forma S kminkiem. Przy okazji karwon dowodzi, że także litery R i S nie wskazują kierunku skręcania światła, bo forma R skręca je w lewo, a forma S w prawo.

Ludzie bez trudu odróżniają te dwa zapachy. Mniej więcej 8 procent populacji w ogóle nie czuje jednak formy miętowej, a tak wybiórcza niewrażliwość sugeruje, że w nosie działają receptory czułe na przestrzenny kształt cząsteczki. Niemieccy badacze sprawdzili, jak obie formy karwonu pobudzają jeden z ludzkich receptorów węchowych i jego odpowiednik u szympansa. Oba białka różnią się zaledwie w trzech miejscach łańcucha aminokwasów, a to wystarcza, by receptor szympansa przestał odróżniać formy karwonu.

Receptory węchowe same są białkami złożonymi z aminokwasów jednej formy, więc również są chiralne, a cząsteczka zapachowa i jej odbicie pasują do nich inaczej, trochę jak lewa i prawa dłoń do jednej rękawiczki. Podobnie bywa z lekami. Wiele z nich ma dwie lustrzane formy, z których jedna leczy, a druga bywa zbędna albo wręcz szkodliwa. Wrócimy do tego przy historii talidomidu.

Budulce życia po jednej stronie

Chiralne aminokwasy w białkach żywych organizmów występują w formie L, a cukry w szkielecie DNA i RNA w formie D, przy czym Komitet Noblowski podkreśla, że bez tej jednolitości życie w obecnej postaci nie mogłoby istnieć. Białka budują struktury komórki i prowadzą w niej reakcje chemiczne, a kwasy nukleinowe, czyli DNA i RNA, przechowują i przekazują informację genetyczną. Obie te role opierają się na cegiełkach o tej samej skrętności.

Obraz jednej ręki ma jednak swoje granice. Glicyna, najprostszy aminokwas białkowy, w ogóle nie jest chiralna. Jej łańcuch boczny, czyli część odróżniająca aminokwasy od siebie, to pojedynczy atom wodoru. Centralny atom węgla nie ma więc u niej czterech różnych grup. Bakterie wbudowują z kolei D-alaninę i kwas D-glutaminowy w sprężystą sieć, która wzmacnia ich ścianę komórkową. Same też wytwarzają te formy z odmian L. W mózgu człowieka D-seryna pomaga pobudzać jeden z rodzajów receptorów w komórkach nerwowych. Mówiąc o jednostronności życia, mamy więc na myśli przede wszystkim budulce białek i kwasów nukleinowych, nie każdą cząsteczkę w organizmie.

Kryształy z winiarskiego osadu

Historia tej wiedzy zaczyna się od winiarskiego osadu. W 1847 r. Louis Pasteur przedstawił dwie rozprawy doktorskie, z chemii i z fizyki, a potem kontynuował rozpoczęte w paryskiej École normale supérieure, uczelni kształcącej naukowców i nauczycieli, badania nad kryształami soli kwasu winowego. Sole te powstają przy fermentacji i są obecne w winie. Uwagę Pasteura przyciągnęły dwie odmiany soli tego kwasu, zwane winianem i parawinianem. Miały ten sam skład i kryształy o tych samych kątach, a jednak roztwór winianu skręcał światło spolaryzowane, a roztwór parawinianu nie.

Dwa modele kryształów na podstawkach, z oznaczeniami ilustrującymi ich odmienne właściwości optyczne.
Kopie modeli kryształów używanych przez Louisa Pasteura w badaniach nad związkiem między formą krystaliczną a skręcaniem płaszczyzny polaryzacji światła. Fotografia z 1954 r.
Zdjęcie: Wellcome Collection / CC BY 4.0.

Pasteur obejrzał te kryształy dokładniej niż jego poprzednicy. Zauważył, że na jednych kryształach parawinianu drobne ścianki są zwrócone w jedną stronę, a na innych w drugą. Posortował je pęsetą na dwie kupki i każdą rozpuścił osobno, a wtedy jeden roztwór skręcał światło w prawo, drugi w lewo, po zmieszaniu zaś efekt znikał. W artykule opublikowanym w 1848 r. Pasteur zanotował, że zobaczył to „z zaskoczeniem i przyjemnością”. Wywnioskował, że parawinian, który nie skręca światła, łączy dwie odmiany skręcające je w przeciwne strony, a ponieważ są one swoimi lustrzanymi odbiciami, ich wpływ na światło się znosi.

Dwie lustrzane formy kryształów winianu; odpowiadające sobie drobne ścianki zaznaczono na czerwono.
Lustrzane formy kryształów winianu. Czerwone ścianki ułatwiają dostrzeżenie różnicy, dzięki której Pasteur mógł ręcznie rozdzielić kryształy na dwie grupy.
Rysunek: Tom Murphy VII (Brighterorange) / Wikimedia Commons / domena publiczna.

Kwas, z którego pochodził parawinian, nazywano też racemicznym, od łacińskiego racemus, czyli grona winogron. Od tej nazwy pochodzi dzisiejsze słowo racemat. Ręczny rozdział, jakiego dokonał Pasteur, jest zresztą możliwy tylko dla części substancji, bo według szacunków mniej więcej jedna dziesiąta racematów krystalizuje w postaci osobnych kryształów każdej formy.

W 1857 r. Pasteur dostrzegł coś równie ważnego. W roztworze kwasu racemicznego, w którym rozwinęła się pleśń, po pewnym czasie zostawała wyłącznie odmiana lewoskrętna, bo prawoskrętną, czyli tę, którą zawierają winogrona, drobnoustrój rozłożył. Żywy organizm odróżniał więc lustrzane odmiany tej samej substancji. W tych samych latach Pasteur badał fermentację alkoholową i wyjaśnił rolę drożdży w powstawaniu wina, o czym wspominaliśmy w krótkim przewodniku po winach.

Wszystkie te obserwacje dotyczyły jednak form, które już istniały. Sterowanie samym ich powstawaniem było zadaniem innego rodzaju i na pierwsze udane próby trzeba było czekać ponad pół wieku.

Pół na pół i pierwsze przechylenie szali

Synteza aminokwasów prowadzona bez chiralnego czynnika z zewnątrz zawsze daje racemat. Podobnie jest z cukrami. Chemicy, którzy zaczynali badać reakcje tworzące cząsteczki chiralne, przez długi czas otrzymywali więc w probówkach mieszaniny pół na pół. Przyczyną jest symetria. Jeśli w substancjach wyjściowych i w warunkach reakcji nic nie wyróżnia żadnej strony, droga do jednej formy jest lustrzaną kopią drogi do drugiej i obie przebiegają równie łatwo.

Żeby przechylić szalę, potrzebny jest czynnik, który sam jest chiralny, a najczęściej jest nim katalizator, czyli substancja przyspieszająca reakcję, która sama się przy tym nie zużywa. Chiralny katalizator obniża próg energii, który trzeba pokonać na drodze do jednej formy, bardziej niż na drodze do drugiej, więc ta pierwsza powstaje szybciej. Niektórzy chemicy byli przekonani, że tak wybiórczą chemię potrafią uprawiać wyłącznie organizmy żywe. W 1904 r. niemiecki chemik Willy Marckwald opisał jednak reakcję, w której chiralna substancja pomocnicza dała niewielką nadwyżkę jednej z dwóch form. Twórców znacznie późniejszych i dużo skuteczniejszych reakcji asymetrycznych, czyli dających przewagę jednej formy, uhonorowano Nagrodami Nobla w 2001 i 2021 r.

W latach osiemdziesiątych XX wieku typowy katalizator asymetryczny składał się z dwóch części: atomu metalu, który napędzał reakcję, oraz chiralnej cząsteczki organicznej zwanej ligandem, która nadawała jej kierunek. Celem były produkty jak najczystsze, czyli o możliwie wysokim ee. Dlatego do katalizatorów brano jak najczystsze ligandy. Zakładano przy tym, że ee produktu jest wprost proporcjonalne do ee liganda.

Najłatwiej pokazać to na umownym przykładzie. Katalizator z czystym ligandem, o ee 100 procent, nie musi dawać czystego produktu, bo próg energii na drodze do drugiej formy także obniża, tylko w mniejszym stopniu. Przyjmijmy, że daje produkt o ee 90 procent. Gdyby założenie było słuszne, ligand o ee 50 procent dałby produkt o ee 45 procent, czyli o połowę niższym. Ligand racemiczny, o ee zero, dałby produkt racemiczny. Na wykresie, na którym ee liganda odkłada się na osi poziomej, a ee produktu na pionowej, wszystkie takie wyniki układają się na prostej, która zaczyna się w zerze i dochodzi do 90 procent przy czystym ligandzie.

Henri Kagan i pytanie o proporcje

Henri Kagan urodził się 15 grudnia 1930 r. w rodzinie żydowskiej, która przetrwała II wojnę światową, ukrywając się pod przybranymi nazwiskami w wiosce na południu Francji. Ukończył Sorbonę i paryską szkołę chemii École nationale supérieure de chimie de Paris. W 1960 r. obronił w Collège de France doktorat z chemii steroidów i stereochemii, czyli nauki o przestrzennej budowie cząsteczek. Potem pracował u chemika Alaina Horeau. W 1968 r. założył własne laboratorium w Orsay pod Paryżem.

Na początku lat siedemdziesiątych jego zespół opracował DIOP, chiralny ligand z dwoma atomami fosforu. W połączeniu z rodem, metalem z grupy platynowców, katalizował on asymetryczne uwodornienie, czyli przyłączanie wodoru, i dał początek całej rodzinie podobnych ligandów, używanych później w praktyce. Od 1994 r. Kagan jest też członkiem zagranicznym Polskiej Akademii Nauk, w jej Wydziale III Nauk Ścisłych i Nauk o Ziemi.

Henri Kagan, po prawej, rozmawia z uczestniczką spotkania naukowego w École Polytechnique.
Henri Kagan podczas spotkania JCO 2013 w École Polytechnique w Palaiseau, zorganizowanego na jego cześć przez francuskie środowisko chemików organicznych.
Zdjęcie: Collections École Polytechnique / Flickr / CC BY-SA 2.0.

Rok 2001 przyniósł katalizie asymetrycznej dwie różne nagrody. W styczniu izraelska Fundacja Wolfa, która co roku wyróżnia naukowców i artystów, ogłosiła, że Nagrodę Wolfa w dziedzinie chemii dzielą Kagan, japoński chemik Ryōji Noyori i Amerykanin Barry Sharpless. Uzasadnienie mówiło o pionierskim rozwijaniu katalizy asymetrycznej w syntezie cząsteczek chiralnych. W październiku Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała Nagrodę Nobla z chemii. Jedną jej połowę otrzymali Amerykanin William Knowles i Noyori za reakcje uwodornienia z udziałem chiralnych katalizatorów, drugą Sharpless za tak samo katalizowane reakcje utleniania. Dwaj laureaci Nagrody Wolfa zostali więc noblistami, natomiast Kagan, którego DIOP służył właśnie do uwodornienia, znalazł się poza tą trójką. Część francuskich naukowców protestowała. Ówczesny francuski minister ds. badań naukowych Roger-Gérard Schwartzenberg uznał nawet, że Kagan jako pionier dziedziny również zasługiwał na wyróżnienie. Nagrodę Nobla można jednak podzielić najwyżej między trzy osoby.

Pytanie o proporcje miało swoją prehistorię. Już w 1969 r. Alain Horeau opisał kwas, którego skręcalność nie rosła proporcjonalnie do nadmiaru enancjomerycznego. Tłumaczono to tym, że cząsteczki łączą się w roztworze w skupiska jednorodne, złożone z jednej formy, i mieszane, zawierające obie. Skupiska te różnią się właściwościami. Siedem lat później holenderscy chemicy Hans Wynberg i jego współpracownik Ben Feringa, przyszły laureat Nagrody Nobla z chemii z 2016 r., zwrócili uwagę, że podobne zjawiska mogą wpływać także na przebieg reakcji.

Kagan przyjrzał się samemu katalizatorowi. Proporcja powinna się zgadzać, gdy na jeden atom metalu przypada jedna cząsteczka liganda. Atom metalu często wiąże jednak kilka takich cząsteczek naraz. Jeśli trzyma dwie, a ligand nie jest czysty, powstają trzy rodzaje kompleksów. Kompleks to połączenie metalu z ligandami. Dwa z tych kompleksów są jednorodne, bo oba ligandy mają w nich tę samą skrętność, a trzeci jest mieszany i zawiera ligand każdej formy. Kompleksy jednorodne prowadzą do produktów będących swoimi odbiciami, mieszany zaś działa we własnym tempie. Komitet Noblowski zaznacza, że Kagan rozważał taką możliwość już pod koniec lat sześćdziesiątych.

Krzywa zamiast prostej

Rozstrzygnięcie przyniósł artykuł z 1986 r. w Journal of the American Chemical Society, czasopiśmie Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, podpisany przez sześcioro autorów z Kaganem na końcu listy. Zespół zbadał trzy reakcje, w których, jak sądzono, w decydującym etapie bierze udział więcej niż jedna cząsteczka liganda. W żadnej z nich czystość produktu nie zmieniała się liniowo z czystością liganda. Wyniki nie układały się na prostej.

Mniej czysty, niż przewidywała prosta, był produkt utleniania siarczku, czyli przyłączania atomu tlenu do atomu siarki. Podobnie wypadła reakcja Hajosa i Parrisha, w której aminokwas L-prolina pomaga połączyć ze sobą dwa atomy węgla. Takie odchylenie w dół chemicy nazywają ujemnym efektem nieliniowym. W epoksydacji Sharplessa było odwrotnie. Reakcja ta wbudowuje atom tlenu w podwójne wiązanie alkoholu zwanego geraniolem, a jej produkt okazał się czystszy, niż wynikało z prostej. Odchylenie w górę to dodatni efekt nieliniowy. Chiralnym składnikiem epoksydacji Sharplessa jest winian dietylu, związek pochodny kwasu winowego, więc pochodna kwasu, którego sole Pasteur sortował pęsetą, wróciła po 138 latach w zupełnie nowej roli.

Mechanizm dodatniego efektu da się wyjaśnić bez wzorów. W reakcji Sharplessa kompleks mieszany działał znacznie wolniej niż kompleksy jednorodne, a gdy liganda jednej formy jest więcej, rzadsza forma łączy się najczęściej właśnie z nią i trafia do tych ospałych kompleksów mieszanych. Reakcję prowadzą więc głównie kompleksy jednorodne zbudowane z formy liczniejszej, a produkt ma większą przewagę, niż wynikałoby z proporcji. Gdyby kompleks mieszany był szybszy od jednorodnych, efekt byłby odwrotny i czystość produktu spadłaby poniżej prostej.

Bardzo silne wzmocnienie zaobserwował zespół Ryōjiego Noyoriego w reakcji, w której dietylocynk, związek cynku z dwiema małymi grupami węglowodorowymi, przekazuje jedną z nich benzaldehydowi. To prosty aldehyd o zapachu gorzkich migdałów. Kierunek nadaje reakcji chiralny aminoalkohol o nazwie DAIB. Ligand o ee zaledwie 15 procent dawał produkt o ee 98 procent. Mechanizm był tu nieco inny. Cząsteczki katalizatora łączą się w pary. Para mieszana jest trwalsza od par jednorodnych, więc zamyka w sobie rzadszą formę liganda jak w magazynie. Reakcję katalizują pojedyncze cząsteczki odrywające się od par, przede wszystkim cząsteczki formy liczniejszej. Kagan uwzględnił potem to zjawisko w swoim ogólnym modelu jako tak zwany efekt rezerwuaru.

Od tamtej pory efekty nieliniowe pomagają chemikom sprawdzać, co dzieje się w reakcji. Jeśli czystość produktu nie rośnie liniowo z czystością katalizatora, jest to sygnał, że w decydującym etapie pracuje kilka cząsteczek liganda naraz albo że część katalizatora wypada z gry. Może zostać zamknięta w nieaktywnych skupiskach albo wytrącić się z roztworu. To drugie wykazała chemiczka Donna Blackmond w reakcjach katalizowanych proliną. Od 1986 r. opisano wiele kolejnych przykładów, co świadczy, że zjawisko jest powszechne.

Przepis Franka z 1953 roku

Już w 1953 r., trzydzieści trzy lata przed pracą Kagana, fizyk teoretyk z Uniwersytetu w Bristolu Frederick Charles Frank ujął w model matematyczny pomysł, jak drobna przewaga może sama się wzmacniać. Jego artykuł nosił tytuł On spontaneous asymmetric synthesis („O samorzutnej syntezie asymetrycznej”). We wstępie Frank wspomniał, że kolega zwrócił mu uwagę na kłopot chemików, którzy wciąż nie potrafią wyjaśnić asymetrii życia, i podsunął, że pomóc mogłoby rozwiązanie matematyczne. Frank uznał to zadanie, przynajmniej od strony teorii, za proste.

Jego model zakłada istnienie substancji, która katalizuje własne powstawanie, a przy tym hamuje powstawanie swojego lustrzanego odbicia. Sprowadza się to do trzech warunków: autokatalizy, katalizy asymetrycznej i wzajemnego hamowania się obu form, które Frank nazwał antagonizmem. Autokatalizą chemicy nazywają sytuację, w której produkt reakcji sam ją przyspiesza. Dobrze znanym przykładem jest kwas octowy. Przyspiesza on rozkład octanu etylu, rozpuszczalnika obecnego w niektórych zmywaczach do paznokci, a zarazem sam w tym rozkładzie powstaje. Gdy spełnione są wszystkie trzy warunki, nawet drobna, przypadkowa nierównowaga w mieszaninie racemicznej może przechylić szalę niemal całkowicie na jedną stronę. Frank zamknął artykuł zdaniem, że laboratoryjny pokaz takiego zjawiska „może nie być niemożliwy”.

Przez kolejne dekady model pozostawał ćwiczeniem z teorii, chętnie omawianym na wykładach. Choć Kagan pokazał w 1986 r. wzajemne hamowanie się form w katalizie, nadal brakowało reakcji asymetrycznej, której produkt byłby jej własnym katalizatorem.

Kenso Soai i cząsteczka, która powiela samą siebie

Brakujące ogniwo znalazł Kenso Soai. Doktorat z syntezy organicznej przygotował na Uniwersytecie Tokijskim pod kierunkiem chemika Teruakiego Mukaiyamy i obronił go w 1979 r. Staż podoktorski odbył w Stanach Zjednoczonych u Ernesta Eliela z University of North Carolina, współautora znanego podręcznika stereochemii. W 1981 r. został wykładowcą prywatnej uczelni Tokyo University of Science, występującej dawniej po angielsku jako Science University of Tokyo, a w 1991 r. jej profesorem.

Soai badał reakcje, w których związki cynku z dwiema grupami węglowodorowymi, takie jak dietylocynk z badań Noyoriego, przyłączają się do aldehydów w obecności chiralnych aminoalkoholi. W tej rodzinie reakcji zespół Noyoriego opisał efekt rezerwuaru, a inni badacze obserwowali silne dodatnie efekty nieliniowe. Hans Wynberg spekulował nawet, że przy dobrze dobranej substancji wyjściowej taka reakcja mogłaby stać się autokatalityczna. Soai zwrócił uwagę, że katalizator i produkt mają podobną budowę, i stąd wziął się pomysł reakcji, w której produkt sam pełni rolę katalizatora.

W 1990 r. Soai opisał pierwszą asymetryczną autokatalizę. Diizopropylocynk, kolejny związek cynku z dwiema grupami węglowodorowymi, przekazywał jedną z nich aldehydowi z pierścieniem pirydyny. Pierścień ten przypomina benzenowy, tylko jeden z jego atomów węgla zastępuje atom azotu. Powstający alkohol, związany z cynkiem w postaci alkoholanu, sam katalizował tę reakcję i dawał cząsteczki tej samej formy co on. Przewaga jednak przy tym topniała. Katalizator o ee 86 procent dawał produkt o ee zaledwie 35 procent. Spełnione były dwa warunki Franka, autokataliza i kataliza asymetryczna, ale brakowało trzeciego.

Przełom przyszedł pięć lat później. Soai sięgnął wtedy po aldehyd z pierścieniem pirymidyny. Pierścień ten tworzy sześć atomów: cztery atomy węgla i dwa atomy azotu. Ten sam pierścień jest szkieletem cytozyny, tyminy i uracylu, zasad pełniących w DNA i RNA rolę liter zapisu genetycznego. Produktem reakcji był alkohol z takim pierścieniem. Doświadczenie zaczynało się od próbki tego alkoholu o ee zaledwie 2 procent, a produkt każdej rundy służył jako katalizator w następnej. Tym razem przewaga rosła. Według danych samego Soaia nadmiar zwiększał się w kolejnych rundach do 10, 57, 81 i wreszcie 88 procent. Reakcję trzeba prowadzić bez dostępu wody i powietrza. Diizopropylocynk gwałtownie reaguje z wodą i nie może stykać się z powietrzem. Wyniki ukazały się w 1995 r. w brytyjskim tygodniku naukowym „Nature” i od tej pory chemicy mówią o reakcji Soaia.

Dlaczego przewaga rośnie zamiast topnieć

Wynik z 1990 r. dobrze tłumaczy, dlaczego sama autokataliza nie wystarcza. Wróćmy do umownego katalizatora z czystym ligandem, którego produkt ma ee 90 procent, i użyjmy tego produktu jako katalizatora następnej porcji: da on 81 procent, a w kolejnym kroku około 73. Każdy cykl kopiuje przewagę z pewną stratą, więc przewaga stopniowo się kurczy, co Donna Blackmond ujęła w 2004 r. krótko: „sama autokataliza nie wystarczy”.

W reakcji Soaia spełniony jest także trzeci warunek Franka. Forma liczniejsza utrudnia w niej pracę rzadszej. Komitet Noblowski nazywa tę reakcję najsilniejszym znanym przejawem dodatniego efektu nieliniowego. Alkoholany cynku łączą się w niej w większe skupiska, a w 2015 r. zespół Soaia otrzymał ich kryształy i zbadał je promieniami rentgenowskimi. Okazało się, że cztery jednostki alkoholanu tworzą pierścień, w wersji jednorodnej albo mieszanej. Według modelu zespołu chemika Scotta Denmarka z 2020 r. cząsteczka aldehydu dobrze mieści się w skupisku jednorodnym, a w mieszanym przeszkadza jej kształt całego układu. Rzadsza forma trafia więc głównie do słabo działających skupisk mieszanych, a liczniejsza tworzy aktywne skupiska jednorodne, dzięki czemu przybywa jej szybciej i proporcja z każdym cyklem przesuwa się dalej.

Nie wszyscy zgadzają się z tym obrazem. Zespół chemika Olivera Trappa zaproponował mechanizm, w którym kluczową rolę grają nietrwałe połączenia cynku z cząsteczką powstającą ze złączenia produktu z aldehydem. Wzmocnienie wynikałoby wtedy z tempa przemian w układzie utrzymywanym z dala od równowagi chemicznej. Komitet Noblowski wymienia oba modele i zauważa, że mogą one opisywać różne odmiany reakcji, bo obie grupy badały inne substancje wyjściowe, ale ponad trzydzieści lat po odkryciu szczegóły mechanizmu wciąż są przedmiotem sporu.

Pierwszy impuls, przypadek albo podpowiedź

Myśląc o początkach jednostronności, trzeba rozdzielić dwa pytania: skąd bierze się pierwsza, choćby minimalna, przewaga i co ją potem wzmacnia. Reakcja Soaia odpowiada przede wszystkim na to drugie, ale okazała się też niezwykle czułym wykrywaczem pierwszej przewagi.

Jak bardzo czułym, pokazały próby z 2003 r. Zespół Soaia użył w nich odmiany alkoholu z dodatkowym fragmentem, w którym dwa atomy węgla łączy potrójne wiązanie. Punktem wyjścia była próbka o ee około 0,00005 procent, czyli mniej więcej jedna nadliczbowa cząsteczka jednej formy na dwa miliony cząsteczek. Po trzech kolejnych rundach produkt miał ee powyżej 99,5 procent, czyli na co najmniej 399 cząsteczek jednej formy przypadała najwyżej jedna cząsteczka drugiej.

Tak czuły wzmacniacz pozwala sprawdzać, czy różne czynniki naturalne mogły dać pierwszy impuls, a jednym z kandydatów jest światło spolaryzowane kołowo, którego drgania zataczają spiralę w prawo albo w lewo. Pod wpływem prawoskrętnego światła tego rodzaju racemiczna leucyna, jeden z aminokwasów białkowych, rozkłada się nierówno i zostaje w niej nadmiar formy L, nie większy niż 2 procent. Zespół Soaia sprawdził, że leucyna o podobnie niewielkim nadmiarze wystarcza, by reakcja dała alkohol o wysokim ee i formie zgodnej z tym impulsem. Podobnie działa proszek kwarcu, minerału tworzącego kryształy prawo- i lewoskrętne, bo kwarc jednej odmiany prowadzi do jednej formy alkoholu, kwarc drugiej do drugiej, za każdym razem z bardzo wysokim nadmiarem. Zadziałały też kryształy niektórych związków organicznych oraz cząsteczki, których chiralność wynika wyłącznie z zastąpienia jednego atomu jego cięższą odmianą, czyli izotopem.

Zupełnie inną wymowę ma próba bez żadnej podpowiedzi. W 2003 r. Soai opisał serię 37 reakcji prowadzonych bez jakiegokolwiek chiralnego dodatku, z których w osiemnastu przewagę zdobyła forma R, w dziewiętnastu forma S, a nadmiar w produktach wahał się od 15 do 91 procent. O tym, która forma wygra, decydował przypadek. Podobny wynik uzyskał niezależnie amerykański chemik Daniel Singleton. Taką syntezę nazywa się absolutną syntezą asymetryczną. Tłumaczy się ją przypadkowymi wahaniami składu. W mieszaninie, która jako całość jest racematem, w danej chwili jednej formy może być odrobinę więcej. Chemik Kurt Mislow nazwał to zjawisko kryptochiralnością, czyli chiralnością ukrytą. Reakcja Soaia jest na tyle czuła, że wychwytuje takie chwilowe wahanie i wzmacnia je do poziomu widocznego w pomiarze.

Fizycy nazywają spontanicznym łamaniem symetrii sytuację, w której prawa rządzące układem nie wyróżniają żadnej strony, ale układ i tak jedną z nich wybiera. W tekście o kryształach czasu opisywaliśmy, że w podobny sposób łamie symetrię zwykły kryształ, którego atomy same układają się w regularną sieć, choć nie zmusza ich do tego żadna siła zewnętrzna.

Granice laboratoryjnego dowodu

Kusi, by uznać, że skoro reakcja w kolbie potrafi sama wybrać stronę, tak samo stało się na młodej Ziemi. Komitet Noblowski wprost przed tym przestrzega. Model Franka jest tylko jedną z kilku możliwych odpowiedzi na pytanie o pochodzenie biologicznej jednostronności. Zdarzenie, o które chodzi, rozegrało się około 3,5 do 4 miliardów lat temu. Według Komitetu ostatecznej odpowiedzi zapewne nigdy nie poznamy.

Reakcja Soaia jest dowodem koncepcji, czyli pokazem, że dany mechanizm w ogóle może działać, ale według Komitetu dla powstania jednostronności w środowisku wodnym nie ma ona znaczenia. Trudno się temu dziwić, skoro jej kluczowy odczynnik, diizopropylocynk, gwałtownie reaguje z wodą.

Dominujący dziś pogląd zakłada, że jednostronność narastała stopniowo, być może w powiązaniu z chemiczną ewolucją sprzed powstania życia, i ostatecznie dała przewagę cukrom D oraz aminokwasom L. Taki scenariusz wymaga dwóch rzeczy: początkowej nierównowagi i mechanizmu, który ją wzmocni. Współczesne prace skupiają się na sieciach powiązanych ze sobą reakcji i na rozdziale kinetycznym, w którym jedna forma przybywa szybciej albo ubywa wolniej niż druga. Gdy pojawiły się pierwsze układy zdolne do dziedziczenia, dalsze zmiany przejęła ewolucja biologiczna, o której pisaliśmy w tekście o teorii ewolucji, a pytanie o jednostronność dotyczy etapu wcześniejszego, chemii sprzed narodzin życia.

Meteoryty, magnetyt i peptydy

Kandydatów na pierwszy impuls i na wzmacniacz jest wielu. Kilka przykładów uczy, jak ostrożnie trzeba czytać wyniki. Meteoryt Murchison, który spadł w 1969 r. w australijskim stanie Wiktoria i uchodzi za fragment planetoidy, oraz meteoryt Orgueil, uważany za pozostałość wygasłej komety, zawierają nadwyżkę L-izowaliny. To aminokwas, który w biologii prawie się nie pojawia. Dzięki swojej budowie zapewne dobrze zachowuje pierwotny stosunek form. Daniel Glavin i Jason Dworkin z Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA zmierzyli w Murchison nadmiar formy L bliski 19 procent. Był on większy w meteorytach, które silniej zmieniły się pod wpływem wody na ciałach niebieskich, z których pochodzą, a w najmniej zmienionych okazach nie wystąpił. Autorzy uznali to za argument przeciw światłu spolaryzowanemu kołowo jako głównej przyczynie i za wskazówkę, że niewielka początkowa asymetria mogła rosnąć podczas długiego działania wody. Zastrzegali jednak, że nie wiadomo, jak taka przewaga miałaby przejść na aminokwasy budujące białka. Meteoryty mogą więc nieść ślad zarówno pierwszego impulsu, jak i jego wzmocnienia.

Dłonie w rękawiczkach trzymają fragment meteorytu Murchison i fiolkę z wydzielonymi z niego cząstkami.
Fragment meteorytu Murchison oraz wydzielone z niego cząstki w fiolce. Badania materii meteorytowej dostarczają wskazówek dotyczących chemii poprzedzającej powstanie życia.
Zdjęcie: Argonne National Laboratory / U.S. Department of Energy / Wikimedia Commons / domena publiczna.

Inny obraz dały próbki z planetoidy Bennu, dostarczone na Ziemię w 2023 r. przez sondę NASA OSIRIS-REx. Wśród 33 wykrytych w nich aminokwasów było 14 z 20 używanych przez ziemskie białka, a formy L i D były w niemal równych ilościach. Według NASA młoda Ziemia mogła zatem zaczynać od zasobów, w których żadna forma nie przeważała, zanim życie rozwinęło biologię opartą na formie L.

Otwarta głowica TAGSAM sondy OSIRIS-REx z ciemnym pyłem i okruchami pobranymi z planetoidy Bennu.
Materiał z planetoidy Bennu wewnątrz otwartej głowicy pobierającej TAGSAM sondy OSIRIS-REx. Próbkę dostarczono na Ziemię w 2023 r.; zdjęcie wykonano po otwarciu głowicy w styczniu 2024 r.
Zdjęcie: NASA / Erika Blumenfeld i Joseph Aebersold / NASA Johnson Space Center / zasady wykorzystania materiałów NASA.

Odmienną drogę zaproponował w 2023 r. zespół Dimitara Sasselova z Uniwersytetu Harvarda. Badacze wykorzystali zjawisko, w którym skrętność (chiralność) cząsteczek silnie wiąże się ze spinem elektronów, czyli kwantową własnością, dzięki której elektron zachowuje się jak maleńki magnes. Na namagnesowanej powierzchni magnetytu, minerału żelaza, krystalizowali racemiczną mieszaninę związku uważanego za jeden z chemicznych poprzedników RNA. Już po pierwszej krystalizacji nadmiar wynosił około 60 procent, a po kolejnej powstały kryształy złożone wyłącznie z jednej formy. Autorzy wskazują płytkie jeziora wczesnej Ziemi, w których osady magnetytu powinny być pospolite, a w ich scenariuszu powierzchnia minerału daje pierwszy impuls, krystalizacja zaś go wzmacnia.

Wzmacniacz innego rodzaju opisał w 2024 r. w „Nature” zespół Donny Blackmond ze Scripps Research w Kalifornii. Badacze łączyli aminokwasy w krótkie łańcuchy, czyli peptydy, metodą uznawaną za możliwą na wczesnej Ziemi. Reakcja szybciej łączyła formę L z formą D, co z pozoru utrudniało powstawanie jednorodnych łańcuchów, ale w praktyce rzadsza forma szybciej się zużywała, a w roztworze zostawało coraz więcej formy liczniejszej. Łańcuchy mieszane miały ponadto skłonność do zbijania się i wytrącania. W roztworze pozostawały więc głównie łańcuchy zbudowane z jednej formy. Ten wzmacniacz działa bez udziału związków cynku, jakich wymaga reakcja Soaia.

Od laboratorium do apteki

Nagrodzone odkrycia mają też wymiar czysto praktyczny. Producenci leków, aromatów, substancji zapachowych i środków ochrony roślin potrzebują produktów możliwie czystych pod względem formy, a efekty nieliniowe stały się jednym z narzędzi, którymi chemicy badają i dopracowują reakcje służące do ich wytwarzania. Przykładem są prace w laboratoriach koncernu farmaceutycznego Merck nad jednym z antagonistów leukotrienów, czyli substancji blokujących działanie cząsteczek biorących udział w stanach zapalnych. Kluczowy etap syntezy, przekształcenie ketonu w alkohol, prowadzono odczynnikiem przygotowanym z alfa-pinenu, związku nadającego zapach żywicy sosnowej. Sam alfa-pinen miał przy tym czystość optyczną zaledwie 70 procent. Czystość optyczna to przewaga jednej formy zmierzona polarymetrem. Produkt miał mimo to ee 95 procent.

Opracowanie naukowe Komitetu nie wskazuje przemysłowego zastosowania samej reakcji Soaia i zwraca uwagę, że działa ona tylko dla nielicznych substancji wyjściowych, a żaden z obecnych modeli mechanizmu nie wyjaśnia, dlaczego tak jest. Wspomina natomiast o procesie autokatalitycznym, który zespół chemika Ericka Carreiry opisał w 2011 r. i wykorzystał do wydajnej syntezy kluczowego półproduktu potrzebnego do otrzymania efawirenzu, leku stosowanego w leczeniu zakażenia HIV. Zespół Carreiry nie podał jednak szczegółów dotyczących efektu nieliniowego.

Jak ważna jest kontrola nad formami, przypomina talidomid. Wprowadzono go w 1957 r. jako lek nasenny i uspokajający, sprzedawany w postaci racematu, a w 1961 r. wycofano z powodu uszkodzeń płodu i nerwów. Tysiące dzieci przyszły na świat z wadami rozwojowymi. Późniejsze badania wykazały, że działanie uspokajające wywołuje u ludzi forma R, a za uszkodzenia płodu odpowiada zapewne forma S. Nasuwał się stąd wniosek, że wystarczyło sprzedawać czystą formę R. Tommy Eriksson i jego współpracownicy z Uniwersytetu w Lund wykazali jednak w połowie lat dziewięćdziesiątych, że obie formy talidomidu szybko przechodzą w organizmie człowieka jedna w drugą. Sprzedawanie czystej formy R nie uchroniłoby zatem przed tragedią.

Czy życie mogło wybrać drugą stronę

Doświadczenia Soaia pokazują, że w dostatecznie czułym układzie chemicznym obie strony mają podobne szanse. W serii bez chiralnego dodatku wygrywały niemal po równo. Czy na Ziemi o wyniku zdecydował przypadek, czy czynnik zewnętrzny, nie wiadomo. Pytanie o drugą stronę lustra nabrało jednak niedawno praktycznego wymiaru, bo lustrzane wersje wielu składników życia da się już wytworzyć metodami syntezy chemicznej, a niektórzy badacze rozważali nawet złożenie z nich całego organizmu.

Taka lustrzana bakteria, zbudowana z białek złożonych z D-aminokwasów i z kwasów nukleinowych z L-cukrami, pozostaje na razie hipotezą. W grudniu 2024 r. 38 badaczy z dziewięciu krajów, w tym kilku, którzy wcześniej sami chcieli ją zbudować, ostrzegło jednak w amerykańskim tygodniku „Science” przed jej stworzeniem. Według ich analizy, rozwiniętej w liczącym około 300 stron raporcie technicznym, lustrzana bakteria mogłaby wymykać się układom odpornościowym ludzi, zwierząt i roślin, które rozpoznają intruzów po kształcie ich cząsteczek. Mogłaby też unikać naturalnych wrogów bakterii, takich jak bakteriofagi, czyli wirusy atakujące bakterie, oraz protisty, w większości jednokomórkowe, takie jak pierwotniaki. Autorzy szacowali, że od możliwości jej zbudowania dzieli nas co najmniej dekada, i zalecili, by lustrzanych bakterii nie tworzyć, a zarazem kontynuować badania nad pojedynczymi lustrzanymi cząsteczkami, cennymi dla nauki podstawowej.

W czerwcu 2025 r. Instytut Pasteura w Paryżu, założony przez uczonego, który jako pierwszy dostrzegł znaczenie chiralności w biologii, był gospodarzem pierwszej międzynarodowej konferencji poświęconej temu ryzyku. Jej uczestnicy uznali, że lustrzane organizmy niosą poważne zagrożenia przy ograniczonych korzyściach i nie należy ich tworzyć. W sierpniu 2026 r. czasopismo „Bulletin of the Atomic Scientists” odnotowywało, że mimo kolejnych spotkań naukowców nie powstały jeszcze nowe przepisy dotyczące takich badań.

Komitet Noblowski podsumowuje, że odkrycia Kagana i Soaia zmieniły rozumienie tego, jak chiralność powstaje i narasta w układzie zamkniętym, czyli takim, który nie wymienia materii z otoczeniem. Efekty nieliniowe weszły przy tym do codziennego warsztatu chemików projektujących reakcje. Chemicy potrafią dziś otrzymać w kolbie przewagę jednej formy nawet bez chiralnej podpowiedzi i rozumieją, jak taka przewaga może się wzmacniać. Nie wiedzą natomiast, która z możliwych dróg doprowadziła do jednostronności życia na Ziemi. Następnym krokiem byłaby podobna reakcja z udziałem aminokwasów albo cukrów, czyli cząsteczek, którymi posługuje się samo życie, i nad takim właśnie zadaniem pracują dziś zespoły w wielu krajach.

Literatura i źródła