地球生命為什麼只使用了兩種「鏡像形式」當中的一種？

2016年4月,一個國際研究小組宣布,研究人員通過紅外望遠鏡觀測發現,位於獵戶座星雲

——著名的恆星誕生地——中的新近誕生的大質量恆星IRc2的周邊大範圍區域內(太陽系面積400倍以上)分布著圓偏振紅外光。這是人類首次觀測到如此大面積的圓偏振紅外光,這一發現有可能為一種理論提供了證據。該理論認為,在太陽系形成時期,原始太陽系星雲受到類似獵戶座星雲里的新生大質量恆星的圓偏振光紅外線照射,致使原始太陽系中的氨基酸呈左旋變化。

氨基酸

——地球生命的要素之一,是一種原子呈立體組合的複雜分子,分為L型(左旋)和D型(右旋)兩種,兩者呈相互鏡像關係,如左手和右手對稱一樣。研究發現,除少數動物或昆蟲的特定器官內含有少量右旋氨基酸之外,組成地球生命體的幾乎都是左旋氨基酸!這是為什麼?科學家認為這個問題的答案可能與地球生命的起源有關,因此極感興趣。新的發現,加上之前對隕星的研究成果。地球生命的氨基酸的左旋之謎有可能被破解。

史波克先生快要死了。但對於「企業號」

航母上面的乘員們來說,幸運的是,這位史波克先生並不是一個真人,而是在遠距傳物機(將人或物體以粒子的形式發送到遠處並復原的機器)的一次奇怪故障中產生的一個邪惡鏡像。史波克的身體只能消化右旋氨基酸,然而,與所有的有機物一樣,他周圍的食物全是由左旋氨基酸構成的。因此,儘管食物豐盛,史波克卻只能眼睜睜地等死。

請注意,上述情節並非真實,而是來自於1970年出版的一部美國科幻小說《史波克必死》。

這部由當時風靡美國的科幻電視連續劇《星際迷航》衍生而來的科幻小說凸顯了一個有關生命的基本奧秘:大多數複雜分子要麼是左旋的,要麼是右旋的,這是為什麼?有關這個奧秘的最新答案(其實也只是一種猜測)將天體物理學、粒子物理學和生物化學融匯在一起,形成一個驚人的觀點:被稱為「超新星」的恆星死亡爆發,可能正是將生命變成左旋的罪魁禍首。

地球生命為什麼只使用了兩種鏡像形式當中的一種?

化學家將生物分子的左旋或右旋特性統稱為「手性」。所謂手性,是指許多分子所共有的一個特徵,即這些分子內部的原子排列並不完全相同,使得分子以兩種形式出現。這就像一雙手套:左手套和右手套看上去是一樣的,都有五根指套,作用都是保暖或護手;但左手套和右手套又不完全一樣,因為你不可能通過旋轉或翻轉使左手套與右手套完全地重合。不過,從鏡子里看,左手套就變成了右手套。

生物分子的這種鏡像形式被稱為「對映體」或「對映異構體」,它們由相同的原子構成,這些原子擁有相同的物理和化學特性。大多數化學反應所產生的兩種對映體的數量都是相等的,這就使得大自然對同一種手性(即所謂「同手型」)的偏好顯得十分怪異,比如為人體細胞提供結構並調節功能的蛋白質都是由左旋氨基酸構成的,又比如只有右旋糖才在生物化學中起活躍作用。這就好比在一隻抽屜中裝滿了左手套,但拒絕右手套。

那麼,同手型現象是怎麼產生的?有可能是地球早期生命史上一次偶然非對稱事件的結果,這個結果以後又被時間和進化過程加以放大。假如真是這樣,那麼在地球之外的其他地方,同手型就可能並不存在或者剛好反過來。可是,來自太陽系形成時期(也就是建造時期)的「建築材料」遺迹卻告訴了我們另一個故事:天文學家發現,在來自太空的隕石中發現的每一種類型的氨基酸,其左旋的數量都比右旋的數量多出2%～18%。

單獨看,這也不能證明什麼:隕石是墜落到地球表面的隕星,它們在同地面接觸時很可能被地球「污染」了。但一些科學家相信,以左旋為主的偏好早在地球生命出現之前,甚至早在地球和太陽系形成之前就已存在,當然也不排除一種可能性,即地球生命將這種偏好發揮到了極致。

這種不對稱也許只是一個基本物理學問題(參見相關鏈接:力的失衡),但也可能有其他更誘人的答案,其中一種直到1998年才被提出,當時天體物理學家發現獵戶座星雲中充滿圓偏振紅外光。獵戶座星雲是距離地球1300光年的一大片恆星形成區域。

當與光有關的電場在一個與光線前進方向有關、順時針或逆時針旋轉的平面上振動時,光就會變成圓偏振光(也稱圓極化光)。在星雲中,當光自原子和分子(包括氨基酸)散射,並圍繞氣雲團飄浮時,就可能發生圓極化。圓偏振光會干擾將原子結合在一起的電子的排列方式,從而可以有選擇地分解一種或另一種手性形式的分子,至於是分解哪一種手性形式的分子,則取決於圓偏振光的旋轉方式。科學家推測,在獵戶座星雲中的一些區域,一種手性形式的氨基酸應該更多。太陽系也是在星雲中形成的,因此,地球生命的不對稱手性的「種子」最早也可能是由星雲「種」的。

這種可能性頗具誘惑力,但它也存在不少紕漏。比如對氨基酸的選擇性毀滅是有條件的,只有當光具有足夠的能量來引發所需的化學反應時,這種選擇性毀滅才會開始。具體來說,就是要求有能量較高的紫外光存在。但是,在獵戶座星雲中,天文學家迄今只觀測到了能量較低的紅外光,並未觀測到任何紫外光(當然,也不排除一種可能性,就是那裡的氣雲團散射紫外光的能力很強,因而幾乎沒有紫外光從那裡長途跋涉來到我們的望遠鏡里)。

恆星死亡爆發是使生命變成左旋的「罪魁禍首」?

一種最新理論巧妙地避開了上述難題。該理論指出,在一個氣雲團里,包括氨基酸在內的分子已經形成,但光並不是促成改變的催化劑,高密度的磁場以及在超新星爆發中產生的巨型高能粒子流的共同作用才是真正的催化劑。

當一顆大質量恆星燃料耗盡時,它就會死亡——在自身重壓下幾秒鐘內坍縮成一顆密度超高、直徑僅為數十千米的中子星,

這種現象被稱為「內核坍縮型或Ⅱ型超新星爆發」。如此高密度的中子星會產生強度高得令人難以置信的磁場,磁力線從中子星的北極出發,一路延伸直到南極,這同地球磁場的情形一樣。

原子核有一種被稱為「自旋」的量子力學特性,即所有原子核均等地排列在磁場中。最新理論的核心就是這種磁場對氨基酸的氮14原子核所造成的影響。在一個氨基酸分子中,一個氮原子將起著決定性作用的胺基附著在一個羧基上。氮在自由態下的運動具有完全的自主權,但是在分子內部,氮的自旋就失去了自由度。計算表明,磁場的轉換會對相反手性的分子分別產生在不同方向上的旋轉效應。

於是,當超新星殘餘的強力磁場出現時,一種手性的氨基酸中的氮最終便朝著磁力線的方向自旋,即離開中子星北極、朝向其南極的方向,而相反手性的氨基酸也一樣不得不根據它們的氮的自旋方向來排列,即朝著離開中子星南極、朝向其北極的方向。

死亡恆星在自身重量下坍縮的過程中,它會向各個方向發出極高強度的中微子和反中微子射流,包括沿磁力線方向。其中,反中微子尤其容易同氮14原子核反應,產生一個碳14原子核及一個正電子;中微子則在一個類似的但能量較低的反應中,將氮14轉變成一個氧14和一個電子。在這兩種情況下,一旦氨基酸中的氮原子核遭到射流轟擊,胺基就會被炸掉,氨基酸因此崩潰。

不過,這個最新理論也面臨挑戰。首先,發生在大自然中的反應有保護自旋的傾向:如果自旋的總量級和方向在反應之前和之後保持一樣,則反應更容易發生。氮14原子核的自旋量級是1,而碳14原子核和氧14原子核都沒有自旋。電子、中微子、正電子和反中微子的自旋量級都是0.5。此外,反中微子的自旋總是指向它前進的方向,中微子的自旋朝向正好相反。

另外,還有一些量子理論方面的考量導致有關的計算更加複雜化。不過,一般來說,自旋守恆意味著中微子和反中微子更有可能炸開氨基酸,前提是氨基酸中的氮自旋方向同氨基酸自己的方向相反。其最終結果就是,在中子星的一個極附近,一種手性(右旋)的氨基酸被反中微子優先擊碎,而在中子星的另一個極附近,中微子對相反手性(左旋)的氨基酸實施類似的轟炸,但因後者的反應能量較低,因此轟炸強度不如前者。這樣一來,在超新星殘餘的環境中就出現了手性方面的總體失衡,即左旋氨基酸多於右旋氨基酸。

有科學家認為,手性偏好之所以不只出現在地球生命中,而且還出現在登陸地球的隕石中,根源正是超新星,因為組成太陽系的原材料早已被來自許多次超新星爆發的中微子處理過了,並且這些超新星爆發都選擇留下了更多的左旋氨基酸而不是右旋氨基酸。

至此,上述理論看似已經很圓滿了,但實際上仍面臨一些棘手問題。其中之一是,由超新星爆發產生的高能伽馬光子射流有可能炸掉遠近的一切氨基酸,因而根本就不可能創造手性失衡。不過,有一種方法可以避免上述矛盾:超新星殘餘不是一顆中子星,而是一個更極端的實體——黑洞。

黑洞會吞噬一切光線,因此就消除了伽馬射線問題。假如真是這樣,地球上氨基酸的左旋偏好就得歸因於黑洞的行為。

這真是一個非常大膽的假設,不過迄今為止它並沒有遇到太多的反對。有一個反對理由認為,如此產生的不對稱(失衡)規模太小。而事實上,這可能正是需要的。實驗表明,初始時僅有1%～5%的手性失衡,然後通過一個叫「自身催化」的化學過程來加以放大。在此過程中,哪怕開始時一種手性形式的數量只多出一點點,最終則會多出很多。遺憾的是,這種過程不可能發生在超新星周圍,因為這种放大需要液體環境,就像在含水小行星和早期地球上那樣的環境。

上述的手幽專變故事是不是太過繁複了?首先要有創造氨基酸手性平衡樣本的機制,然後要選擇性地毀掉一部分氨基酸。我們為什麼不能一開始就創造出手性失衡的氨基酸樣本呢?答案或許是「我們能」。一種對生命偏手性(即手性偏好)的有希望的替代解釋基於以下事實:對於製造有機分子的每99個碳12同位素原子來說,總有一個較重的碳13原子。2009年4月,日本科學家證明,這一小小的天然平衡狀態可以引發自身催化過程,最終導致有機產物中出現明顯可見的手性失衡。同樣的結論是否適用於氨基酸?尚待證實。

力的失衡

同手性現象是事實?抑或只是我們的一種幻覺?對分子能量的一種計算結果向我們發出了訊息(這種計算將基本物理學的所有細節都考慮在內了)。

在計算分子能量時,化學家通常只考慮四種基本力中的一種:電磁力,在這種情形下不會產生手性的差異。然而,當新的計算方式將弱核力的影響也考慮進去後,由於在原子核水平上弱核力是要起作用的,結果就顯示出了左旋與右旋分子形式之間極小的差異。

不過,這類計算簡直有如惡魔一般複雜,以至於至今還有人對40年前的計算結果提出質疑。不同的能量意味著不同的物理和化學特性,如此來看,被假定行為相同的異構對映體就應當並非行為一致。假如真是這樣,那麼嚴格意義上的異構對映體就不存在,所謂的「同手性」問題在基本定義上便煙消雲散,不復存在。

什麼是「手性」

如果你注意觀察你的手,就會發現左手和右手看起來一模一樣,但無論你怎樣放,它們在空間上卻無法完全重合。只有當你把左手放在鏡子前面時,你的右手才與左手在鏡中的像完全重合。實際上,你的右手正是你的左手在鏡中的像,反之亦然。在化學中,這種現象被稱為「手性」。

按照科學定義,手性是指化學分子的實物與其鏡像不能完全相同的現象。生命是由碳元素組成的,碳原子在形成有機分子時,4個原子或基團可以通過4根共價鍵形成三維的空間結構,形成手性碳原子。由於相連的原子或基團不同,會形成兩種分子結構。這兩種分子一般擁有完全一樣的物理、化學性質,比如沸點相同,溶解度和光譜也相同,但從分子的組成形狀來看,它們依然是兩種分子。這種情形就像是鏡子里和鏡子外的物體那樣,看上去互為對應。由於是三維結構,它們不管怎樣旋轉都不能重合。

幾乎所有生物大分子都是手性的。兩種在分子結構上呈手性的物質,它們的化學性質完全相同,唯一的區別在於:在微觀上它們的分子結構呈手性,在宏觀上它們的結晶體也呈手性。

地球生命幾乎都是左旋的

作為生命的基本結構單元,氨基酸也有手性之分。也就是說,生命最基本的東西也有左右之分,或者說生命也有左旋或右旋之分。檢驗手性的最好方法是:讓一束偏振光通過它,使偏振光發生左旋的是左旋氨基酸,反之則是右旋氨基酸。通過這種檢測方法,人們發現了一個令人震驚的事實——除了少數動物或昆蟲的特定器官內含有少量右旋氨基酸之外,組成地球生命體的幾乎都是左旋氨基酸!右旋分子是人體生命的剋星,因為人是由左旋氨基酸組成的生命體,不能很好地代謝右旋分子,所以食用含有右旋分子的藥物就會成為負擔,甚至造成對生命體的損害。

「反應停事件」

在手性藥物未被人們認識以前,歐洲一些醫生曾給孕婦服用一種叫做「反應停」(一種穀氨酸衍生物,又名沙立度膠等)的藥物作為鎮痛葯或止咳藥,結果導致很多孕婦服用後生出無頭或缺腿缺手的先天畸形兒,有的胎兒沒有胳膊,手長在肩膀上,模樣非常恐怖。僅4年時間,全世界就誕生了超過1.2萬名畸形的「海豹嬰兒」。這就是著名的「反應停事件」。

後來經過研究發現,「反應停」的R體具有鎮靜作用,但是其異構對映體(相反手性對映體)對胚胎有很強的致畸作用。正是有了20世紀60年代的這個教訓,所以現在研製新葯都要經過嚴格的生物活性和毒性試驗,以避免其中所含的另一種手性分子對人體造成危害。

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