为什么生命需要手性？《科学》125个科学难题第

《科学》杂志在创刊125周年之际发表了125个促进基础科学研究的科学问题。王江火将在后续文章中选择性地尝试通过统一信息论来解决这些问题。这篇文章将揭示“为什么生命需要手性？”。

术语手性意味着一个物体不能与其镜像重合。如果一个物体与其镜像不同，其镜像不能与原始物体重叠，则称为“手性”，就像左右手互为镜像，不能叠加一样。手性物体及其镜像称为对映异构体，参考分子概念也称为对映异构体。要了解手性，您还需要弄清楚什么是非手性——可以与其镜像叠加的物体称为非手性，有时也称为双向性。例如，两个相同大小的立方体是非手性的。 .

手性在自然界中广泛存在，特别是，它突出地表现在生活世界中。在地球上，构成生命的有机分子通常是手性的，也就是说有两种分子互为镜像，就像左右手的关系一样。一个方向（手性分子）。我们知道生命是由碳元素组成的。当碳原子形成有机分子时，4个原子或基团可以通过4个共价键形成三维结构。由于连接的原子或基团不同，会形成两种分子结构。这两种分子具有完全相同的物理和化学性质。例如，它们的沸点相同，它们的溶解度和光谱也相同。但从分子的组成和形状来看，它们仍然是两种分子。这种情况就像镜子里的物体和镜子外的物体，似乎是一一对应的。因为是三维结构，无论怎么旋转都不会重叠，就像我们的左手和右手一样，这就是所谓的手性分子。

生命中的一些碳水化合物、蛋白质和氨基酸也是手性的。生物体只能代谢葡萄糖；构成蛋白质的氨基酸几乎都是左旋的（甘氨酸不是手性的）；核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）中的核糖都是右旋的。地球上几乎所有构成生命的氨基酸都是L-氨基酸，没有D-氨基酸。我们已经发现了20多种氨基酸。除了最简单的甘氨酸外，所有其他氨基酸都有另一种手性对映异构体。活体的手性已经在实验室得到验证，所有从非手性无机化合物合成手性生命物质的尝试也都失败了。

然而，许多大分子存在于同时存在几乎完全的对称性断裂，比如氨基酸和核酸，构成生命的两种最基本的物质。 1960年代，有一个叫纪子的日本女孩。她出生时没有胳膊，但她学会了写字、做饭、用脚穿衣，还学会了游泳，完全可以照顾自己。她的事迹感动了很多人。人们在关心纪子的时候会忍不住问；纪子的父母都是健康正常的人。为什么纪子天生没有手臂？后来才发现，之所以发生这样的悲剧，只是因为她的母亲服用了一种叫做沙利度胺的药物。沙利度胺中的一种分子具有治疗作用，可以缓解孕妇的早孕反应，但其对映体却被生下残疾孩子的母亲使用。由于当时的化学家对分子的手性缺乏了解，他们无法分析这种奇怪的现象。后来发现，由于人类是由L-氨基酸组成的生物体，不能很好地代谢右手分子，所以吃含有右手分子的药物会成为一种负担，甚至对生物体造成损害。这就是纪子的悲剧发生的原因。

像不幸的纪子一样来到这个世界上的残疾婴儿数以万计。正是有了1960年代的教训，现在的药物研制成功后，必须经过严格的生物活性和毒性试验，才能避免其中所含的另一种手性分子对人体造成伤害。在化学合成中，这两种分子以相等的比例出现，所以对于制药公司来说，他们每生产一公斤药物，就必须努力分离另一半。如果对它们没有使用价值，它们只能是废物。在环保法规日益严格的时代，这些废品不能随意处置。考虑到对公众健康可能造成的危害，处理这些工业废物也是一笔不菲的开支。

地球上的生命倾向于使用同向旋转的大分子，而不是另一个方向（手性分子）。例如，为什么一个生物体只由L型氨基酸和D型核酸组成，而不是由D型氨基酸和L型核酸组成。对此，不少人猜测：可能是宇宙光影响了手性分子的形成，导致形成的分子向一个方向或另一个方向旋转。光的这种特性称为“圆偏振”。

为了探测外太空光的偏振方向，天文学家使用南非天文台的望远镜观察太空中四分之一满月大小的区域。他们聚焦于猫掌星云，它距离地球 5500 光年，在天蝎座的方向。这个星云是银河系。恒星形成最活跃的区域之一。科学家们发现，星云发出的光中约有 22% 是圆偏振的。这是在恒星形成区发现的最大比例的圆偏振光，这可能表明恒星和行星 圆偏振光是云的形成区域中普遍存在的特征。天文学家用计算机模拟表明存在如此大比例的圆偏振光是由于 du恒星周围的 st 粒子。星云中的磁场限制并限制了尘埃粒子。排列，星光散射在规则排列的尘埃粒子上，形成圆偏振光。星云中的化学反应可以形成氨基酸分子，这些分子的手性取决于照射在它们身上的光的偏振方向。科学家们认为，地球上的L-氨基酸可能是太空陨石带来的，导致L-氨基酸优于D-氨基酸。科学家将继续研究其他恒星和行星形成过程中的圆偏振光。

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