科学家发现弱核力导致生命体出现不对称性

大多数生物由不同于其镜像的分子组成。来源:不只是螺母

物理学家发现了一些微妙的迹象，表明生物体的不对称性可能是由进化早期核衰变产生的电子引起的。所谓的生命不对称意味着大多数生化分子要么是左撇子，要么是右撇子。在为期13年的实验中，研究人员发现这些电子经常比它们的镜像更频繁地破坏特定的有机分子。

许多有机分子，包括葡萄糖和大多数生物氨基酸都是手性的。这意味着它们不同于它们的镜像分子，正如左手和右手的手套不能重叠一样。与此同时，生活倾向于持续使用其中一个“版本”。例如，标准形式的双螺旋DNA总是像右螺旋一样旋转。然而，这种偏好的原因一直是个谜。

许多科学家认为这个选择只是偶然的。也许在一个充满有机化合物的小池塘里，生命出现了，统计上的巧合导致了一种化学物质的两个“版本”的相对数量的微小不平衡。随后，这种不平衡随着时间的推移不断扩大。

然而，这一自然法则中的不对称性不禁让人怀疑某些物理现象是否已经颠覆了生命早期的平衡。核衰变中的弱核力是自然界中已知的唯一具有旋转偏好的力。被称为β衰变的亚原子过程产生的电子总是左手的。这意味着它们的自旋，一种类似于条形磁铁磁化的量子性质，总是与电子运动方向相反。

1967年，生物化学家弗雷德里克·维斯特和环境科学家蒂洛·乌尔布里希特提出，这些所谓的自旋极化电子产生的光子会破坏更多的一种分子，从而造成这种不平衡。一些物理学家认为电子本身可能是不对称的来源。

尽管科学家们一直在寻找电子或光子倾向于破坏分子“版本”而不是镜像的化学过程，但收效甚微。许多研究人员宣布，这一过程已被证明是不可能复制的。内布拉斯加大学的化学物理学家蒂莫西·盖伊是这项最新研究的合著者，他说，只有少数发现由电子旋转引起的手征性不平衡的实验不能证实其背后的化学过程。然而，对化学反应的准确描述可以帮助科学家消除这一过程的一些可能原因，并更好地理解构成这一过程的物理现象。

盖伊和另一位内布拉斯加大学的物理学家琼·德雷林将低能自旋极化电子释放到溴樟脑气体中。樟脑是一种有机化合物，在一些地方用作镇静剂。在最终的反应中，一些电子被分子捕获，然后进入激发态。然后，这些分子爆炸，产生溴离子和其他高活性化合物。通过测量生成离子的流速，研究人员可以找到导致每个电子向环性的反应频率。

研究人员还发现，左旋溴樟脑更有可能与右旋电子反应，反之亦然。当能量最低时，这个方向的偏好会迅速改变，导致相反的不对称。在所有情况下，这种不对称都是微弱但持久的。“这种不对称现象的发生就像我们不断投掷20，000枚硬币，正面朝上的平均次数为1，003次，背面朝上的平均次数为9，997次。”德雷林说。

"自旋极化电子可以将它们的不对称性转化为有机分子的想法非常吸引人。"法国尼斯-索菲尔安提波利斯大学的分析化学家乌韦·梅尔弗里奇认为，盖伊和德雷林观察到的轻微效应将被放大，从而影响整个生命的化学过程。同时，他说，他希望看到与生命起源相关的手性分子实验重复进行，以确定左手电子是否能有同样的效果。

尽管自旋极化的电子使生物具有手性，但尚不清楚是什么首先产生了这些电子。β粒子的来源包括放射性磷衰变为硫，或称μ子衰变，这是宇宙射线粒子进入大气层时一系列衰变最终产生的基本粒子。在这两种情况下，电子的速度都比盖伊快得多。然而，盖伊说电子可以慢下来而不会失去它们的手性。

阿尔贡国家实验室的化学家理查德·罗森伯格说，较慢的左手电子是通过其他方式而不是β衰变产生的。2008年，他和他的团队成员证明了用X射线辐射磁化铁层也能产生手性偏置。同时，附着在尘埃云或彗星中磁化粒子上的分子也能产生手性。

左手电子和有机分子之间的反应并不是生物体手性不对称的唯一可能的解释。梅尔汉里奇更倾向于将其归因于大气和中子星光散射产生的圆偏振光。2011年，他和他的同事证实了这种类型的光可以将自身的旋转转化为氨基酸。

“然而，即使它证明了一种常见的物理现象倾向于选择左旋氨基酸，也并不意味着它解释了生命是如何进化的。”英国格拉斯哥大学的化学家劳伦斯·巴伦认为。(宗华)

《中国科学报》(国际版，第3版，2014年10月9日)

阅读更多

《自然》杂志的相关报道