在上篇博文中，我曾提到多层次的不对称现象（http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=202632）。时空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界，包括人类自身，都是对称性自发破缺的产物。对称性破缺的机制是什么？现实世界中的对称性破缺与基本物理规律的对称性是否相容？不同层次的非对称性间如何关联？这些不对称能不能规范到一个大统一理论？这些都是现代物理尚未解决的重要课题。其中就包括生物分子的手性特征问题。

      

生物体内一些分子的不对称性（单一手性）正是生命力的体现。维持这种不平衡状态的是生物体内的酶，生物一旦死亡，酶便失去活力，造成左右不平衡的生物化学反应也就停止了。由此可见，生命与分子的不对称性息息相关。正如Hoffmann在其所著的The Same and Not the Same一书中提到的：

 

生命活动依赖于分子的手性，构成生命体系生物大分子的基本单元如碳水化合物、氨基酸等大部分物质都是手性分子。许多生理现象的产生都源于分子手性的精确识别与严格匹配，手性的生物受体与客体的两个对应异构体以不同的方式相互作用。

 

问题是地球上生命发源之初，左右对称性的破缺是怎样开始的？即生物分子手性的起源是什么？这些都是有待人们去研究的谜。目前关于这一起源问题有以下假说：

 

1、生命说

     

    1854年，Pasteur把一种蓝青霉菌培养在消旋的酒石酸溶液中培养，发现它们仅代谢其中的右旋酒石酸，剩下左旋体。这是人类对生物分子手性的首次认识。由于这种手性源自生物体，因此有人认为手性选择和手性均一性是生命进化的必然结果，手性分子的产生是在生命起源的过程中或其稍后阶段，这就是所谓的生命说。美国生物学家George Wald（1967年诺贝尔医学奖获得者）就认为生物体为高度不对称的组织体，在这种组织体中，不对称分子完全是由立体选择的酶反应产生的，认为不经活体是不可能合成不对称分子的。单一手性分子在生物体内存在是生物自行选择并累积（accumulation）的结果。

     

2、非生命说

    

生命说无疑是生物分子手性起源的最直接假说，目前没有人能完全意义上反驳它，但也没有证据表明是生物体自身选择了某一单一手性的氨基酸或是核糖。这一假说无疑有逃避困难的嫌疑。因此又出现了另一类非生命说，即生物分子的手性选择在最初的生命形式出现之前就决定了，与后来的生命活动和生物进化无关。这一假设又分为确定论和非确定论。

 

2.1、非确定论

 

非确定论是指虽然在原始生命出现之前就已经对生物分子的手性做出了选择，但究竟选择哪一种手性却是随机的、非确定的。

      

2.1.1、液-固相界面选择论

 

有两种说法都属于该理论。

1）从结晶学或者矿物学我们可以了解到，晶体有47种单形，其中有5种单形（三方偏方面体、四方偏方面体、六方偏方面体、五角三四面体和五角三八面体）都有“对应体”，即同时有左形和右形之分。此外，在7种不同的晶系（立方、六方、三方、四方、正交、单斜、三斜）当中除了立方晶系外，另6种晶体结构都具有不同的特征对称元素。在一些晶体或矿物（如石英、方解石等）与生物分子溶液的固-液界面上，不同晶面会吸附不同手性的生物分子，从而导致单一手性的出现；2）一种具有手性特征的生物分子，其溶液在结晶时会优先选择某一手性的形式结晶得到固体，从而实现消旋体的分离。

这一假说缺乏足够的说服力，因为晶体的不同晶面靠得很近，所以它并不能实现完全意义上的手性分离，溶液的不对称结晶亦是如此。再者，类似这种手性拆分方式无疑会出现两种完全相反的手性选择方式，也就是说既然存在我们以L-氨基酸为构件的生物体，也可能存在以D-氨基酸组成的另一类生命形式（当然，后面将要提到由于L-氨基酸能量较D-氨基酸低，可能最终会导致前者的独立存在）。

 

2.1.2、统计起源论

 

     这种观点认为手性的产生是统计波动的结果，原始地球上某种分子的左旋体和右旋体相等，由于偶然的原因使对映体中的某一种浓度增加，一旦多了，就在不断进化中越来越多，从而产生了光学活性。但这种偶然的扰动来是怎么来的又不得而知。也许可以从统计学上来解释：一般我们都认为两种对映体组成的外消旋中L型和D-型是完全等量的，就像掷硬币一样，正反面出现的次数应该相等，均为n/2次。而实际在统计学上并非如此，往往都存在一个n^1/2/2的标准偏差。

虽然这个偏差可以解释扰动的来源，但这里还是存在究竟是哪一种手性的不确定问题。

 

2.1.3、耗散结构理论

 

1969年Prigogine 提出了著名的耗散结构理论（并因此获得1977年诺贝尔化学奖），即在宏观世界中，除通常的处于平衡条件下的稳定有序结构外，还有一种远离平衡条件下的稳定有序的结构—耗散结构。

    根据耗散结构理论，Hegstrom认为生物体系就是一种比较复杂的、由化学反应导致的耗散结构。不对称状态是指其中一种形态占优势，自发的对称破坏在热力学平衡态不能发生，只有处于非平衡态才有效，才能将该系统抛到数量不等的对映体的手性不对称状态，对映体的一部分结构被破坏，形成熵流，流到外界，从而降低体系的熵。

 

2.2、确定论

 

与非确定论相对应的确定论，顾名思义，就是在原始生命出现之前生物分子的就已经选择了现有手性形式（如L-氨基酸或D-核糖），而不涉及究竟是L型还是D型的问题。

 

2.2.1、圆偏振光论

 

一束特定波长的光加上一块线偏振镜和一块与之对应的四分之一波片就可以产生圆偏振光（关于具体圆偏振光的定义可以参考大学物理课本或一些网上资料）。而特定旋向的圆偏振光可以选择性分解生物分子外消旋体中的某一手性，或是在生物分子的合成过程中抑制某一手性的产生，从而产生单一手性分子。

关于圆偏振光的来源，有人认为在地球上太阳光在空气尘埃的散射下先会产生平面偏振光，而后者在地磁场的作用下可能产生圆偏振光，只是其偏振方向选择性很低，不对称性大概在10^-17；而在外太空，超新星或脉冲星爆发也会产生圆偏振光，据估计红外段的这种圆偏振光不对称性可能达到17%。

 

2.2.2、磁场诱导效应

 

学过大学物理都应该知道，1845年由Faraday发现了著名的Faraday效应，即当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转。根据上面关于圆偏振光的讨论，显然如果一个反应在特定方向的光和磁场的控制下也会出现手性选择性。

 

2.2.3、宇称不守恒论

 

    关于宇称不守恒现象，在我的上一篇博文中曾有提及（http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=202632），这里不再赘述。既然弱作用下宇称不守恒（PNC，Parity Nonconservation），那么这种弱作用会不会是分子手性的起源呢？毫无疑问，PNC理论一经提出，人们自然会想到拿它来解释生物分子的不对称现象。

弱相互作用有两种形式：带电流（W^±）和中性流（Z⁰）。基于前者，Vester和Ulbricht首先把β衰变得不对称性与生物分子的手性联系起来，他们认为β衰变的带电流宇称不守恒（Charged-Current PNC）会产生左旋极化电子（偏振电子），其进入物质内部将发生圆偏振韧致辐射，诱导圆偏振光子，后者的不对称光化学反应会导致底物分子立体选择性合成或分解，从而得到手性分子，此所谓的Vester－Ulbricht（V－U）假设。

另外，基于中性流宇称不守恒（Neutral-Current PNC）则有Yamagata 假设：宇称不守恒影响到对映体的内在性质，造成对映体间有微小的能量差—宇称破缺能量差（PVED）。一种对映体比其镜象分子处于更稳定的低能态上，如L型氨基酸和D型核糖更稳定，理论计算表明氨基酸的宇称破缺能差为10^-19eV量级。Abdus Salam（因发现弱电统一理论与Glashow和Weinberg一道获1979年诺贝尔物理奖）在此基础上认为在Z°粒子的作用下，手性分子中会发生类似于BCS超导机理^[注]中的玻色凝聚，而后在某一临界温度处二级相变，实现高能对映体（如D-氨基酸）向低能对映体（L-氨基酸）的转变，最终得到均一手性分子。

这一假说被形象地比喻为“Salam请客”。吃饭前，服务员将碟子严格等距离的布置在一个圆桌上，假设所有客人都无所谓左右手偏好，这样未开宴前整个圆桌体系是完全对称的，但当客人入席时，其中一人突然用右手拿起右边的一双筷子，这样其右边邻座就不得不也拿右手边的筷子，这一过程迅速影响全桌，最后人人都拿右手边筷子，结果左右对称被打破了。显然第一个人的选择是偶然的，因此自发的对称性坡缺方向也是偶然的，但是实际上由于很多人都倾向于右手拿筷子（相当于L-氨基酸能量较低），所以出现了上面的一幕。

 

2.2.4、不对称自催化

 

这一假说是由英国物理学家F.C.Frank于1953年率先提出的。他认为外消旋体中首先存在一定的统计不对称性或外界因素导致的轻微不对称性。在后来的手性分子合成中，某一手性的对映体分子会发生类似于催化剂的作用，使反应只生成与其手性一致的产物，即该类分子既是产物也是催化剂，这样一来最初的小不对称性将会得到放大，并最终产生单一手性分子世界。

这一假说已被日本化学家Soai的一类反应所证实，在后面的《生物分子手性起源的实验研究》一文中我将详细提及。

 

2.2.5、聚合反应选择性

 

这种提法已不是单单涉及氨基酸作为单体的手性起源问题了，而是认为消旋体氨基酸在聚合成肽链核蛋白过程中会倾向于优先选择L-氨基酸。目前也已有实验证据，选择性很显著，但远达不到只有L-氨基酸参与聚合的地步。

 

以上只是关于生物分子不对称性起源的几种假说，关于生物分子均一手性世界究竟是在生命出现之前还是之后形成，我们尚不得而知；如果是前者，究竟是何种因素导致手性对映体的分离，也仍旧是个谜。或许在将来的某一天，当我们搞清楚重子与反重子、物质与反物质的起源的时候（http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=202632），这个问题也会迎刃而解。

            

 [注]可查阅一些书籍或网络介绍，也可参考我的前一篇博文中的注释，http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=202111

 

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