生命中的非对称性是怎么形成的？

伊丽莎白·吉布尼

左旋电子在破坏某些有机分子方面显示出比其镜像电子更迅速的性能。

在一项耗费13年时间才得以完成的实验中，物理学家发现一些迹象，说明生命的非对称性（即大多数生化分子的左旋或右旋）可能是由早期进化中核衰变产生的电子所致。研究人员发现，这些电子破坏某些有机分子的频率稍高于破坏自己镜像的频率。

许多有机分子，包括葡萄糖和多数生物氨基酸，都是手性分子，也就是说，它们与自己的镜像分子不同，就像左手和右手的手套那样。在这种情况下，生命倾向于一贯使用的做法，例如，DNA双螺旋结构的标准形式总是右旋。但是，有机分子为什么会有这种倾向一直是个未解之谜。

许多科学家认为这个选择仅仅是一种偶然。在一个充满了有机化合物的温暖小池塘里，生命也许就在这里诞生了。因为统计上的意外，一个化合物的两种版本在相对量上出现了小小的失衡。随着时间的推移，这个小小的失衡扩大了。

可是，自然法则里的一种非对称性使得人们困惑不解，不知道是否有某些物理现象在生命的早期破坏它的平衡。人们知道，核衰变中涉及的弱核力是唯一具有手性倾向的自然力：在被称为亚原子β衰变的过程中产生的电子总是左旋。这就意味着它们的自旋总是和电子运动的方向相反。这种自旋是一种量子属性，类似条形磁铁的磁化。

1967年，生物化学家弗雷德里克·威士德和环境科学家蒂洛·乌布里希提出，这些所谓的自旋极化电子产生的光子可能破坏的一类分子多于另一类，因而导致了失衡;这些自旋极化电子是放射性物质或大气中宇宙射线粒子的衰变所致。有些物理学家因此认为，电子本身可能就是非对称性的原因。

但是，研究电子或光子破坏一类分子优先于其镜像的化学过程收效甚微，很多实验结果被证明不可能再现。在内布拉斯加·林肯大学的化学物理学家蒂莫西·盖伊所做的几次实验中，电子手性产生了手性失衡，但仍不能确定隐藏其后的化学过程。盖伊认为，查明这个隐藏的化学反应将有助于科学家排除一些被认为可能的因素，更好地理解其后的物理学原理。

不能着急

盖伊和他的同事、物理学家德雷林·琼用低能自旋极化电子射击一种溴代樟脑气体，这种溴代樟脑是在一些地方用作镇静剂的有机化合物。在反应中，有些电子被溴代樟脑气体的分子捕获，然后被激活，之后分子分裂产生了溴离子和其他高活性化合物。通过测量其产生的离子流，研究人员能够看到每个电子偏手性反应的发生频率。

他们发现，左旋溴代樟脑气体分子与右旋电子反应的可能性比它与左旋电子反应的可能性略大。如果使用右旋溴代樟脑气体分子，则情况刚好相反，偏好的方向在最低能量状态翻转，从而引起相反的非对称性。

在所有情况下，非对称性微小但持续不断，就像抛硬币。德雷林说：“非对称性的规模就像接连不断地抛20000枚硬币，平均10003枚是反面朝上，而9997枚是正面朝上。”

德雷林说，这一实验在许多年后可望成功，其中的关键是低速运动的电子，因为这种相互作用需要的时间更长。

这个实验为手性为什么会过度提供了一种理论解释。该研究结果发表在2014年9月12日出版的《物理评论快报》上。

法国尼斯·索菲亚·安提波利斯大学的分析化学家乌韦·梅耶亨里奇认为，自旋极化电子能够将其非对称性传输给有机分子的想法非常引人注目。盖伊和德雷林观察到的那种微小变化最终将被扩大，影响到生命化学的整体，不过这种扩大有已知的机制。他说：“在我看来，主要问题不是放大的过程，而是对手性对称的初次破坏。”

梅耶亨里奇说，他希望看到与生命的起源相关的可重复的手性分子实验，例如与氨基酸相关，这样就能够看到左旋电子是否产生相同效果。

始因

即使自旋极化电子使生命具有手性选择性，目前仍不清楚这些电子是由什么产生的。β粒子的来源包括磷-32衰变成硫-32或μ介子（是宇宙射线粒子轰击大气时衰变链最后产生的基本粒子）衰变。在这两种情况下，电子的运行速度比盖伊的实验快得多。但他表示，电子在不失去其手性的条件下是可能实现减速的。

伊利诺伊州阿贡国家实验室的化学家理查德·罗森伯格说，速度较慢的左旋电子不是通过β衰变产生的，而是通过其他方式产生的。2008年，他和他的团队证明，利用X射线照射一层磁化铁也可以产生手性倾向，证明了手性也有可能在附着于尘埃云或彗星的磁化粒子上的分子中产生。

盖伊及其同事声称，他们打算利用其他类型的樟脑分子进行实验，来了解电子的自旋如何确定两个手性分子的倾向。

梅耶亨里奇说，有机分子与左旋电子之间的相互作用并不是解释生命的手性非对称性的唯一可能。他提出了另一种可能，即大气和中子星中光的散射产生了圆偏振光。2011年，梅耶亨里奇及其同事证明，这种光可以将其偏手性传递到氨基酸里。

英国格拉斯哥大学的化学家劳伦斯·巴隆补充道：“即使证明了一种常见物理现象如何倾向于左旋氨基酸而非右旋氨基酸，仍然不能说明生命进化的方式。现在还没有有效的办法解答这个问题，我们可能永远无法知道确切答案。”