生命中的非對(duì)稱性是怎么形成的？

伊麗莎白·吉布尼

左旋電子在破壞某些有機(jī)分子方面顯示出比其鏡像電子更迅速的性能。

在一項(xiàng)耗費(fèi)13年時(shí)間才得以完成的實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些跡象，說(shuō)明生命的非對(duì)稱性（即大多數(shù)生化分子的左旋或右旋）可能是由早期進(jìn)化中核衰變產(chǎn)生的電子所致。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些電子破壞某些有機(jī)分子的頻率稍高于破壞自己鏡像的頻率。

許多有機(jī)分子，包括葡萄糖和多數(shù)生物氨基酸，都是手性分子，也就是說(shuō)，它們與自己的鏡像分子不同，就像左手和右手的手套那樣。在這種情況下，生命傾向于一貫使用的做法，例如，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)形式總是右旋。但是，有機(jī)分子為什么會(huì)有這種傾向一直是個(gè)未解之謎。

許多科學(xué)家認(rèn)為這個(gè)選擇僅僅是一種偶然。在一個(gè)充滿了有機(jī)化合物的溫暖小池塘里，生命也許就在這里誕生了。因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)上的意外，一個(gè)化合物的兩種版本在相對(duì)量上出現(xiàn)了小小的失衡。隨著時(shí)間的推移，這個(gè)小小的失衡擴(kuò)大了。

可是，自然法則里的一種非對(duì)稱性使得人們困惑不解，不知道是否有某些物理現(xiàn)象在生命的早期破壞它的平衡。人們知道，核衰變中涉及的弱核力是唯一具有手性傾向的自然力：在被稱為亞原子β衰變的過程中產(chǎn)生的電子總是左旋。這就意味著它們的自旋總是和電子運(yùn)動(dòng)的方向相反。這種自旋是一種量子屬性，類似條形磁鐵的磁化。

1967年，生物化學(xué)家弗雷德里克·威士德和環(huán)境科學(xué)家蒂洛·烏布里希提出，這些所謂的自旋極化電子產(chǎn)生的光子可能破壞的一類分子多于另一類，因而導(dǎo)致了失衡;這些自旋極化電子是放射性物質(zhì)或大氣中宇宙射線粒子的衰變所致。有些物理學(xué)家因此認(rèn)為，電子本身可能就是非對(duì)稱性的原因。

但是，研究電子或光子破壞一類分子優(yōu)先于其鏡像的化學(xué)過程收效甚微，很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果被證明不可能再現(xiàn)。在內(nèi)布拉斯加·林肯大學(xué)的化學(xué)物理學(xué)家蒂莫西·蓋伊所做的幾次實(shí)驗(yàn)中，電子手性產(chǎn)生了手性失衡，但仍不能確定隱藏其后的化學(xué)過程。蓋伊認(rèn)為，查明這個(gè)隱藏的化學(xué)反應(yīng)將有助于科學(xué)家排除一些被認(rèn)為可能的因素，更好地理解其后的物理學(xué)原理。

不能著急

蓋伊和他的同事、物理學(xué)家德雷林·瓊用低能自旋極化電子射擊一種溴代樟腦氣體，這種溴代樟腦是在一些地方用作鎮(zhèn)靜劑的有機(jī)化合物。在反應(yīng)中，有些電子被溴代樟腦氣體的分子捕獲，然后被激活，之后分子分裂產(chǎn)生了溴離子和其他高活性化合物。通過測(cè)量其產(chǎn)生的離子流，研究人員能夠看到每個(gè)電子偏手性反應(yīng)的發(fā)生頻率。

他們發(fā)現(xiàn)，左旋溴代樟腦氣體分子與右旋電子反應(yīng)的可能性比它與左旋電子反應(yīng)的可能性略大。如果使用右旋溴代樟腦氣體分子，則情況剛好相反，偏好的方向在最低能量狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，從而引起相反的非對(duì)稱性。

在所有情況下，非對(duì)稱性微小但持續(xù)不斷，就像拋硬幣。德雷林說(shuō)：“非對(duì)稱性的規(guī)模就像接連不斷地拋20000枚硬幣，平均10003枚是反面朝上，而9997枚是正面朝上?！?/p>

德雷林說(shuō)，這一實(shí)驗(yàn)在許多年后可望成功，其中的關(guān)鍵是低速運(yùn)動(dòng)的電子，因?yàn)檫@種相互作用需要的時(shí)間更長(zhǎng)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)為手性為什么會(huì)過度提供了一種理論解釋。該研究結(jié)果發(fā)表在2014年9月12日出版的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

法國(guó)尼斯·索菲亞·安提波利斯大學(xué)的分析化學(xué)家烏韋·梅耶亨里奇認(rèn)為，自旋極化電子能夠?qū)⑵浞菍?duì)稱性傳輸給有機(jī)分子的想法非常引人注目。蓋伊和德雷林觀察到的那種微小變化最終將被擴(kuò)大，影響到生命化學(xué)的整體，不過這種擴(kuò)大有已知的機(jī)制。他說(shuō)：“在我看來(lái)，主要問題不是放大的過程，而是對(duì)手性對(duì)稱的初次破壞?！?/p>

梅耶亨里奇說(shuō)，他希望看到與生命的起源相關(guān)的可重復(fù)的手性分子實(shí)驗(yàn)，例如與氨基酸相關(guān)，這樣就能夠看到左旋電子是否產(chǎn)生相同效果。

始因

即使自旋極化電子使生命具有手性選擇性，目前仍不清楚這些電子是由什么產(chǎn)生的。β粒子的來(lái)源包括磷-32衰變成硫-32或μ介子（是宇宙射線粒子轟擊大氣時(shí)衰變鏈最后產(chǎn)生的基本粒子）衰變。在這兩種情況下，電子的運(yùn)行速度比蓋伊的實(shí)驗(yàn)快得多。但他表示，電子在不失去其手性的條件下是可能實(shí)現(xiàn)減速的。

伊利諾伊州阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家理查德·羅森伯格說(shuō)，速度較慢的左旋電子不是通過β衰變產(chǎn)生的，而是通過其他方式產(chǎn)生的。2008年，他和他的團(tuán)隊(duì)證明，利用X射線照射一層磁化鐵也可以產(chǎn)生手性傾向，證明了手性也有可能在附著于塵埃云或彗星的磁化粒子上的分子中產(chǎn)生。

蓋伊及其同事聲稱，他們打算利用其他類型的樟腦分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來(lái)了解電子的自旋如何確定兩個(gè)手性分子的傾向。

梅耶亨里奇說(shuō)，有機(jī)分子與左旋電子之間的相互作用并不是解釋生命的手性非對(duì)稱性的唯一可能。他提出了另一種可能，即大氣和中子星中光的散射產(chǎn)生了圓偏振光。2011年，梅耶亨里奇及其同事證明，這種光可以將其偏手性傳遞到氨基酸里。

英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的化學(xué)家勞倫斯·巴隆補(bǔ)充道：“即使證明了一種常見物理現(xiàn)象如何傾向于左旋氨基酸而非右旋氨基酸，仍然不能說(shuō)明生命進(jìn)化的方式?，F(xiàn)在還沒有有效的辦法解答這個(gè)問題，我們可能永遠(yuǎn)無(wú)法知道確切答案?！?/p>