生命起源是科学界长期关注的核心问题，而生物分子的手性偏好更是其中一个关键谜团。我们知道，地球上的生物分子具有高度的手性选择性，例如氨基酸几乎都是左旋（L型），而糖类则主要是右旋（D型）。然而，在前生命化学的研究中，非生物途径合成的有机分子通常是外消旋混合物（D型和L型比例相等），缺乏这种手性偏好。例如，著名的米勒-尤里实验（Miller-Urey Experiment）模拟早期地球环境并成功合成了氨基酸，但所得产物并未表现出生命体系中的手性选择性。这表明，在生命起源过程中，必然存在某种手性筛选机制，促使生命最终偏向于特定的分子手性。然而，这一机制目前科学界仍未有定论。

有意思的是，科学家在碳质球粒陨石中发现了一些氨基酸和有机酸具有轻微的手性偏差，虽然这些有机物同样也是通过非生物途径形成的，这表明手性选择可能受到宇宙环境中的某些物理或化学因素的影响。例如圆偏振光的诱导作用，来自恒星或星际介质的圆偏振光能够在特定波长下选择性破坏某一手性构型的分子，导致另一种构型的分子富集，从而形成最初的手性不对称性。这一现象表明，手性的筛选机制极有可能是与有机物形成与演化所在的早期环境相关。因此，弄清楚这种手性偏好究竟是如何在早期地球非生物环境中产生并被选择，将有助于揭示生命最初形成的化学条件，以及为什么地球上的生命最终偏向于特定的分子手性。

近日， 东京科学大学（原东京工业大学与东京医科齿科大学合并） 陈辰博士 (现日本理化学研究所基础科学特别研究员)、 Tony Z. Jia副教授 与中国科学院广州地球化学研究所特任研究员 蚁瑞钦博士 ，在《美国国家科学院院刊》( PNAS )发表了题为“Primitive homochiral polyester formation driven by tartaric acid and calcium availability”的最新研究。 该研究探索了酒石酸如何在早期地球环境（如陆地温泉环境）中通过钙离子（Ca²⁺）的调控实现手性选择性聚合，为生命分子手性起源提供了新的解释。这一发现揭示了早期地球的自然环境中矿物离子可能在生命基本分子的手性筛选过程中发挥了关键作用。 陈辰博士为一作兼通讯，蚁瑞钦博士和Tony Z. Jia副教授为共同通讯。

酒石酸（Tartaric Acid，TA）是一种天然有机酸，广泛存在于葡萄中，在葡萄酒的低温或长期储存过程中，它会与钾或钙结合，形成不溶性的酒石酸氢钾（俗称“酒石”）或酒石酸钙（Calcium Tartrate，CaT），而这也是陈年葡萄酒常见有沉淀的原因。那它又是怎么跟手性联系在一起的呢? 酒石酸虽在葡萄酒中不起眼，但其实它在手性化学的发展史上却是大佬级别的存在，堪称“手性研究的奠基者”。被誉为“微生物学之父”的路易·巴斯德（Louis Pasteur） 不仅是著名的科学家，还是个爱喝酒的人，他曾说：“酒的味道如同精致的诗。”27岁时，他观察到葡萄酒发酵后酒石酸盐晶体的沉积，细心研究发现，这些晶体的形状略有不同：有些晶面的长边在左，有些在右，宛如左右手的镜像关系。他将它们分别挑出、溶解，并用偏振光测试，发现一组产生左旋现象，另一组则右旋。这一发现首次揭示了分子手性的概念，奠定了现代手性化学的基础。因此，酒石酸不单单是葡萄酒中不起眼的杂质，它也是人类研究手性化合物的第一个参照物。然而，它又是如何跟生命起源联系在一起的呢？

从化学结构上看，酒石酸是一种具有两个羧基基团的双羧酸。值得注意的是，许多双羧酸（如大家熟知的苹果酸，柠檬酸）是三羧酸循环（TCA循环）的关键物质。TCA循环是现代生物代谢的核心途径之一，负责能量产生和有机分子的合成。在早期生命代谢中，双羧酸也有可能扮演了重要角色。这些物质在原始代谢途径中具有类似TCA循环的功能，为原始生命提供了能量和有机分子合成的途径。然而遗憾的是，酒石酸“落选”了这个原始代谢圈，并没有证据显示它参与原始代谢途径。但是，就像酒中的杂质沉淀在巴斯德手中大放光彩，酒石酸在前生命化学领域也有其独到之处。现代生物体系中的酒石酸几乎完全是L型，而在非生物环境中主要形成的却是D型。这种手性偏差与生命分子手性选择的模式高度相似——现代生物系统的氨基酸几乎都是L型。这一现象表明，在生命从无机到有机的演化过程中，酒石酸可能经历了类似于氨基酸的手性筛选机制，即某种环境或化学选择过程让L型逐渐占主导。因此，研究酒石酸的手性选择过程，或许可以为揭示生命分子手性偏好的起源提供关键线索。

酒石酸不仅仅是手性研究的理想模型，而且它还能在特定环境下发生聚合反应，这使其在生命起源研究中更具特殊价值。当下研究生命起源所面临的一个重要难题就是：像蛋白质、RNA这些生命大分子，是如何由小分子聚合而成的？然而，这些小分子的脱水缩合过程都会产生水，因此在水环境中，这些小分子的聚合会受到极大限制，故而像RNA这样的生物大分子无法仅靠简单加热自发聚合，而酒石酸的聚合有助于解答这一问题。研究团队在探索可能的替代方案时发现，酒石酸的双羧酸基团可以作为“分子桥梁”，在干湿交替的环境（如早期地球的潮湿泥滩或间歇性温泉水坑）中，与甘油核苷酸发生脱水缩合反应，形成新的聚酯类核酸聚合物，为研究早期遗传物质如何形成提供了新的视角（Yi, R., et al. Chem. Commun., 2023）。值得注意的是，这些由乳酸等与酒石酸等类似有机酸在干湿交替环境中形成的聚酯，能够在水环境中通过液-液相分离（Liquid-liquid Phase Separation, LLPS）形成一系列具有细胞大小的无膜LLPS液滴——一种潜在的原始细胞早期形态之一。进一步的研究表明，盐类中的阳离子，尤其是钙离子（Ca²⁺），不仅能够被这些聚酯液滴选择性摄取，还能通过调控液滴表面的电荷分布，降低表面电势，从而促进液滴的聚集与相互作用（Chen, C., et al. Small Methods, 2023）。

本研究将酒石酸的传统标签（如“酒石结晶”和“手性”）与生命起源重点关键过程（如“聚合反应”）以及环境要素（如“盐类”）结合， 揭示了酒石酸如何在钙离子（Ca²⁺）的作用下，通过结晶调控单体的手性偏差，并进一步影响后续的聚合反应，为生命起源过程中手性偏好的形成提供了新的视角 。

图1.在原始地球环境（如陆地温泉系统）中钙离子对酒石酸结晶和聚合的调控

研究团队结合模拟实验展示了酒石酸如何在陆地温泉模型下通过钙离子（Ca²⁺）的调控实现手性偏好的聚合反应。如图1所示，首先具有轻微手性偏差的酒石酸（可能源于陨石，图1-I）会与温泉系统释放的钙离子形成酒石酸钙沉淀（CaT，图1-II）。如图2所示，这个“酒石酸结晶”过程具有一定的“手性”选择性。从结晶现象来看，单一手性的L-或D-酒石酸并不会与钙离子沉淀形成晶体，反而需要一定比例的D-和L-酒石酸共存才会析出晶体。而且，手性偏差越小（即D-和L-酒石酸的比例越接近1:1），析出的晶体就越多。X射线晶体结构分析表明，析出的晶体全部是由等量D-和L-酒石酸组成的“外消旋体”。这就意味着，结晶过程中，更多的外消旋体沉淀出来，导致溶液中剩余的酒石酸偏向单一手性。也就是说，钙离子通过促进析出D-和L-酒石酸比例为1:1的外消旋沉淀，对原本就具有轻微手性偏差的酒石酸起到筛选作用，令未沉淀的剩余酒石酸的手性偏差越来越大。

图2. 光学显微镜图像显示D-和L-酒石酸的比例越接近1:1，析出的晶体就越多

研究团队还发现，酒石酸的聚合反应同样受手性影响。如图3所示，单一手性的L-或D-酒石酸在加热干燥条件下可以自发聚合，形成超过18个单元的聚合物，而等量D-和L-酒石酸混合的外消旋体却难以聚合。然而，钙离子的存在改变了这一趋势：它显著抑制了纯手性酒石酸的聚合，却意外促进了外消旋酒石酸的聚酯化，使其更容易形成聚合物。这表明，钙离子虽有利于“放大”手性的不对称性，却抑制了手性选择性的聚合反应。不过，早期地球的大气二氧化碳（CO₂）浓度较高，而水中溶解的CO₂会促使形成碳酸钙降低溶解的钙离子浓度（图1-III），从而减弱钙离子对手性聚合反应的不良影响，并使得单一手性酒石酸能够顺利聚合（图1-IV）。此外，在温泉系统等动态环境中，pH 变化可能会导致这些手性不纯的酒石酸聚合物发生分解（图1-V），将之重新转化为游离的酒石酸从而开启新一轮的手性筛选过程。