科學家發現弱核力導致生命體出現不對稱性—新聞—科學網

2020-11-30 科學網
向左轉，向右轉？
科學家發現弱核力導致生命體出現不對稱性

生命體大多由與自身鏡像不同的分子組成。圖片來源：notjustnut

物理學家已發現一些細微的跡象表明，生命體的不對稱性或許是由早期進化階段核衰變產生的電子引起的。所謂生命的不對稱性，是指大多數生物化學分子要麼左旋，要麼右旋。在一項持續13年的實驗中，研究人員發現這些電子往往更加頻繁地摧毀特定有機分子而非它們的鏡像。

包括葡萄糖和大部分生物胺基酸在內的諸多有機分子都是手性的。這是指它們與自己的鏡像分子不同，正如左手和右手的手套不能重合。與此同時，生命體傾向於持續使用其中一個「版本」。例如，標準形式下的雙螺旋DNA總是像右螺旋一樣旋轉。不過，導致這種偏好的原因一直是個謎。

很多科學家認為，這種選擇只是簡單地出於偶然。或許在生命出現的一個充滿有機化合物的小池塘裡，統計學上的巧合導致一種化學物質的兩個「版本」在相對數量上出現了小小的失衡。隨後，這種失衡隨著時間的流逝而不斷放大。

不過，這種自然法則裡的不對稱性不禁讓人懷疑是否有一些物理現象曾在早期生命階段顛覆了平衡性。參與核衰變的弱核力，是自然界中已知的唯一一種擁有旋向性偏好的力。被稱為β衰變的亞原子過程會產生總是左旋的電子。這意味著它們的自旋，即一種類似於條形磁鐵磁化的量子特性，總是同電子運動的方向相反。

1967年，生物化學家Frederic Vester和環境科學家Tilo Ulbricht提出，由這些所謂的自旋極化電子產生的光子會更多地摧毀其中某一類型的分子，從而產生這種失衡。一些物理學家就此認為，電子本身可能就是不對稱性的來源。

儘管科學家一直在尋找電子或光子傾向於摧毀分子某一「版本」而非鏡像的化學過程，但成效甚微。很多研究人員宣布已證明該過程不可能複製。美國內布拉斯加大學化學物理學家、該項最新研究的共同作者Timothy Gay表示，僅有的幾個發現電子旋向性導致手性失衡的實驗也無法確認其背後的化學過程。然而，準確描述化學反應可以幫助科學家排除導致該過程的一些可能原因，同時更好地理解構成它的物理現象。

Gay和內布拉斯加大學另一位物理學家Joan Dreiling向溴樟腦氣體中發射低能量的自旋極化電子。溴樟腦是一種有機化合物，在一些地方被用作鎮靜劑。在由此產生的反應中，一些電子被分子捕獲，然後進入激發態。緊接著，這些分子破裂，產生溴離子和其他高反應性的化合物。通過測量所產生離子的流速，研究人員可以發現導致每種電子旋向性的反應發生頻率。

研究人員還發現，左旋溴樟腦更可能同右旋電子發生反應，反之亦然。在能量最低時，這種方向上的偏好會快速變動，從而產生相反的不對稱性。在所有情形中，這種不對稱性很微弱，但持續存在。「這種不對稱性的發生就像我們不停地拋2萬次硬幣，平均下來會有10003次是正面朝上而9997次是反面朝上。」Dreiling表示。

「自旋極化電子能將自身的不對稱性轉移到有機分子中的想法非常有吸引力。」法國尼斯—索菲爾昂蒂波利大學分析化學家Uwe Meierhenrich認為，Gay和Dreiling觀察到的這種微小影響會被放大，從而在整體上影響生命的化學過程。他同時表示，非常希望看到與生命起源相關的手性分子實驗可以重複進行，以確定左旋電子能否產生相同的影響。

儘管自旋極化電子使生命體在手性上具有選擇性，但至今尚不清楚是什麼最先產生了這些電子。β粒子的來源包括放射性磷衰變成硫，或者宇宙射線粒子進入大氣層時經一系列衰變最終產生的基本粒子——μ介子衰變。在這兩種情況下，電子的速度都會比在Gay進行的反應中快很多。不過，Gay表示，可以使電子減緩速度而不失去它們的手性。

阿貢國家實驗室化學家Richard Rosenberg介紹說，速度更慢的左旋電子是通過其他方式而非β衰變產生的。2008年，他和團隊成員證明用X射線放射磁化鐵層同樣能產生手性偏向。同時，附著在塵埃雲或彗星中磁化粒子上的分子也可以產生手性。

左旋電子和有機分子的反應並非生命體手性不對稱現象的唯一可能解釋。Meierhenrich更傾向於將其歸結為大氣層和中子星光散射產生的圓偏振光。2011年，他和同事證實這種類型的光線可以將自身的旋向性傳遞給胺基酸。

「不過，即使證明了一個普通的物理現象如何傾向於選擇左旋胺基酸，也並不意味著這就解釋了生命是如何進化的。」英國格拉斯哥大學化學家Laurence Barron認為。（宗華）

《中國科學報》 (2014-10-09 第3版 國際)
 

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