氨基酸为什么跟生命有联系（为什么组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸）

2016年4月,一个国际研究小组宣布,研究人员通过红外望远镜观测发现,位于猎户座星云

——著名的恒星诞生地——中的新近诞生的大质量恒星IRc2的周边大范围区域内(太阳系面积400倍以上)分布着圆偏振红外光。这是人类首次观测到如此大面积的圆偏振红外光,这一发现有可能为一种理论提供了证据。该理论认为,在太阳系形成时期,原始太阳系星云受到类似猎户座星云里的新生大质量恒星的圆偏振光红外线照射,致使原始太阳系中的氨基酸呈左旋变化。

氨基酸

——地球生命的要素之一,是一种原子呈立体组合的复杂分子,分为L型(左旋)和D型(右旋)两种,两者呈相互镜像关系,如左手和右手对称一样。研究发现,除少数动物或昆虫的特定器官内含有少量右旋氨基酸之外,组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸!这是为什么?科学家认为这个问题的答案可能与地球生命的起源有关,因此极感兴趣。新的发现,加上之前对陨星的研究成果。地球生命的氨基酸的左旋之谜有可能被破解。

史波克先生快要死了。但对于“企业号”

航母上面的乘员们来说,幸运的是,这位史波克先生并不是一个真人,而是在远距传物机(将人或物体以粒子的形式发送到远处并复原的机器)的一次奇怪故障中产生的一个邪恶镜像。史波克的身体只能消化右旋氨基酸,然而,与所有的有机物一样,他周围的食物全是由左旋氨基酸构成的。因此,尽管食物丰盛,史波克却只能眼睁睁地等死。

请注意,上述情节并非真实,而是来自于1970年出版的一部美国科幻小说《史波克必死》。

这部由当时风靡美国的科幻电视连续剧《星际迷航》衍生而来的科幻小说凸显了一个有关生命的基本奥秘:大多数复杂分子要么是左旋的,要么是右旋的,这是为什么?有关这个奥秘的最新答案(其实也只是一种猜测)将天体物理学、粒子物理学和生物化学融汇在一起,形成一个惊人的观点:被称为“超新星”的恒星死亡爆发,可能正是将生命变成左旋的罪魁祸首。

地球生命为什么只使用了两种镜像形式当中的一种?

化学家将生物分子的左旋或右旋特性统称为“手性”。所谓手性,是指许多分子所共有的一个特征,即这些分子内部的原子排列并不完全相同,使得分子以两种形式出现。这就像一双手套:左手套和右手套看上去是一样的,都有五根指套,作用都是保暖或护手;但左手套和右手套又不完全一样,因为你不可能通过旋转或翻转使左手套与右手套完全地重合。不过,从镜子里看,左手套就变成了右手套。

生物分子的这种镜像形式被称为“对映体”或“对映异构体”,它们由相同的原子构成,这些原子拥有相同的物理和化学特性。大多数化学反应所产生的两种对映体的数量都是相等的,这就使得大自然对同一种手性(即所谓“同手型”)的偏好显得十分怪异,比如为人体细胞提供结构并调节功能的蛋白质都是由左旋氨基酸构成的,又比如只有右旋糖才在生物化学中起活跃作用。这就好比在一只抽屉中装满了左手套,但拒绝右手套。

那么,同手型现象是怎么产生的?有可能是地球早期生命史上一次偶然非对称事件的结果,这个结果以后又被时间和进化过程加以放大。假如真是这样,那么在地球之外的其他地方,同手型就可能并不存在或者刚好反过来。可是,来自太阳系形成时期(也就是建造时期)的“建筑材料”遗迹却告诉了我们另一个故事:天文学家发现,在来自太空的陨石中发现的每一种类型的氨基酸,其左旋的数量都比右旋的数量多出2%～18%。

单独看,这也不能证明什么:陨石是坠落到地球表面的陨星,它们在同地面接触时很可能被地球“污染”了。但一些科学家相信,以左旋为主的偏好早在地球生命出现之前,甚至早在地球和太阳系形成之前就已存在,当然也不排除一种可能性,即地球生命将这种偏好发挥到了极致。

这种不对称也许只是一个基本物理学问题(参见相关链接:力的失衡),但也可能有其他更诱人的答案,其中一种直到1998年才被提出,当时天体物理学家发现猎户座星云中充满圆偏振红外光。猎户座星云是距离地球1300光年的一大片恒星形成区域。

当与光有关的电场在一个与光线前进方向有关、顺时针或逆时针旋转的平面上振动时,光就会变成圆偏振光(也称圆极化光)。在星云中,当光自原子和分子(包括氨基酸)散射,并围绕气云团飘浮时,就可能发生圆极化。圆偏振光会干扰将原子结合在一起的电子的排列方式,从而可以有选择地分解一种或另一种手性形式的分子,至于是分解哪一种手性形式的分子,则取决于圆偏振光的旋转方式。科学家推测,在猎户座星云中的一些区域,一种手性形式的氨基酸应该更多。太阳系也是在星云中形成的,因此,地球生命的不对称手性的“种子”最早也可能是由星云“种”的。

这种可能性颇具诱惑力,但它也存在不少纰漏。比如对氨基酸的选择性毁灭是有条件的,只有当光具有足够的能量来引发所需的化学反应时,这种选择性毁灭才会开始。具体来说,就是要求有能量较高的紫外光存在。但是,在猎户座星云中,天文学家迄今只观测到了能量较低的红外光,并未观测到任何紫外光(当然,也不排除一种可能性,就是那里的气云团散射紫外光的能力很强,因而几乎没有紫外光从那里长途跋涉来到我们的望远镜里)。

恒星死亡爆发是使生命变成左旋的“罪魁祸首”?

一种最新理论巧妙地避开了上述难题。该理论指出,在一个气云团里,包括氨基酸在内的分子已经形成,但光并不是促成改变的催化剂,高密度的磁场以及在超新星爆发中产生的巨型高能粒子流的共同作用才是真正的催化剂。

当一颗大质量恒星燃料耗尽时,它就会死亡——在自身重压下几秒钟内坍缩成一颗密度超高、直径仅为数十千米的中子星,

这种现象被称为“内核坍缩型或Ⅱ型超新星爆发”。如此高密度的中子星会产生强度高得令人难以置信的磁场,磁力线从中子星的北极出发,一路延伸直到南极,这同地球磁场的情形一样。

原子核有一种被称为“自旋”的量子力学特性,即所有原子核均等地排列在磁场中。最新理论的核心就是这种磁场对氨基酸的氮14原子核所造成的影响。在一个氨基酸分子中,一个氮原子将起着决定性作用的胺基附着在一个羧基上。氮在自由态下的运动具有完全的自主权,但是在分子内部,氮的自旋就失去了自由度。计算表明,磁场的转换会对相反手性的分子分别产生在不同方向上的旋转效应。

于是,当超新星残余的强力磁场出现时,一种手性的氨基酸中的氮最终便朝着磁力线的方向自旋,即离开中子星北极、朝向其南极的方向,而相反手性的氨基酸也一样不得不根据它们的氮的自旋方向来排列,即朝着离开中子星南极、朝向其北极的方向。

死亡恒星在自身重量下坍缩的过程中,它会向各个方向发出极高强度的中微子和反中微子射流,包括沿磁力线方向。其中,反中微子尤其容易同氮14原子核反应,产生一个碳14原子核及一个正电子;中微子则在一个类似的但能量较低的反应中,将氮14转变成一个氧14 和一个电子。在这两种情况下,一旦氨基酸中的氮原子核遭到射流轰击,胺基就会被炸掉,氨基酸因此崩溃。

不过,这个最新理论也面临挑战。首先,发生在大自然中的反应有保护自旋的倾向:如果自旋的总量级和方向在反应之前和之后保持一样,则反应更容易发生。氮14原子核的自旋量级是1,而碳14原子核和氧14原子核都没有自旋。电子、中微子、正电子和反中微子的自旋量级都是0.5。此外,反中微子的自旋总是指向它前进的方向,中微子的自旋朝向正好相反。

另外,还有一些量子理论方面的考量导致有关的计算更加复杂化。不过,一般来说,自旋守恒意味着中微子和反中微子更有可能炸开氨基酸,前提是氨基酸中的氮自旋方向同氨基酸自己的方向相反。其最终结果就是,在中子星的一个极附近,一种手性(右旋)的氨基酸被反中微子优先击碎,而在中子星的另一个极附近,中微子对相反手性(左旋)的氨基酸实施类似的轰炸,但因后者的反应能量较低,因此轰炸强度不如前者。这样一来,在超新星残余的环境中就出现了手性方面的总体失衡,即左旋氨基酸多于右旋氨基酸。

有科学家认为,手性偏好之所以不只出现在地球生命中,而且还出现在登陆地球的陨石中,根源正是超新星,因为组成太阳系的原材料早已被来自许多次超新星爆发的中微子处理过了,并且这些超新星爆发都选择留下了更多的左旋氨基酸而不是右旋氨基酸。

至此,上述理论看似已经很圆满了,但实际上仍面临一些棘手问题。其中之一是,由超新星爆发产生的高能伽马光子射流有可能炸掉远近的一切氨基酸,因而根本就不可能创造手性失衡。不过,有一种方法可以避免上述矛盾:超新星残余不是一颗中子星,而是一个更极端的实体——黑洞。

黑洞会吞噬一切光线,因此就消除了伽马射线问题。假如真是这样,地球上氨基酸的左旋偏好就得归因于黑洞的行为。

这真是一个非常大胆的假设,不过迄今为止它并没有遇到太多的反对。有一个反对理由认为,如此产生的不对称(失衡)规模太小。而事实上,这可能正是需要的。实验表明,初始时仅有1%～5%的手性失衡,然后通过一个叫“自身催化”的化学过程来加以放大。在此过程中,哪怕开始时一种手性形式的数量只多出一点点,最终则会多出很多。遗憾的是,这种过程不可能发生在超新星周围,因为这种放大需要液体环境,就像在含水小行星和早期地球上那样的环境。

上述的手幽专变故事是不是太过繁复了?首先要有创造氨基酸手性平衡样本的机制,然后要选择性地毁掉一部分氨基酸。我们为什么不能一开始就创造出手性失衡的氨基酸样本呢?答案或许是“我们能”。一种对生命偏手性(即手性偏好)的有希望的替代解释基于以下事实:对于制造有机分子的每99个碳12同位素原子来说,总有一个较重的碳13原子。2009年4月,日本科学家证明,这一小小的天然平衡状态可以引发自身催化过程,最终导致有机产物中出现明显可见的手性失衡。同样的结论是否适用于氨基酸?尚待证实。

力的失衡

同手性现象是事实?抑或只是我们的一种幻觉?对分子能量的一种计算结果向我们发出了讯息(这种计算将基本物理学的所有细节都考虑在内了)。

在计算分子能量时,化学家通常只考虑四种基本力中的一种:电磁力,在这种情形下不会产生手性的差异。然而,当新的计算方式将弱核力的影响也考虑进去后,由于在原子核水平上弱核力是要起作用的,结果就显示出了左旋与右旋分子形式之间极小的差异。

不过,这类计算简直有如恶魔一般复杂,以至于至今还有人对40年前的计算结果提出质疑。不同的能量意味着不同的物理和化学特性,如此来看,被假定行为相同的异构对映体就应当并非行为一致。假如真是这样,那么严格意义上的异构对映体就不存在,所谓的“同手性”问题在基本定义上便烟消云散,不复存在。

什么是“手性”

如果你注意观察你的手,就会发现左手和右手看起来一模一样,但无论你怎样放,它们在空间上却无法完全重合。只有当你把左手放在镜子前面时,你的右手才与左手在镜中的像完全重合。实际上,你的右手正是你的左手在镜中的像,反之亦然。在化学中,这种现象被称为“手性”。

按照科学定义,手性是指化学分子的实物与其镜像不能完全相同的现象。生命是由碳元素组成的,碳原子在形成有机分子时,4个原子或基团可以通过4根共价键形成三维的空间结构,形成手性碳原子。由于相连的原子或基团不同,会形成两种分子结构。这两种分子一般拥有完全一样的物理、化学性质,比如沸点相同,溶解度和光谱也相同,但从分子的组成形状来看,它们依然是两种分子。这种情形就像是镜子里和镜子外的物体那样,看上去互为对应。由于是三维结构,它们不管怎样旋转都不能重合。

几乎所有生物大分子都是手性的。两种在分子结构上呈手性的物质,它们的化学性质完全相同,唯一的区别在于:在微观上它们的分子结构呈手性,在宏观上它们的结晶体也呈手性。

地球生命几乎都是左旋的

作为生命的基本结构单元,氨基酸也有手性之分。也就是说,生命最基本的东西也有左右之分,或者说生命也有左旋或右旋之分。检验手性的最好方法是:让一束偏振光通过它,使偏振光发生左旋的是左旋氨基酸,反之则是右旋氨基酸。通过这种检测方法,人们发现了一个令人震惊的事实——除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量右旋氨基酸之外,组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸!右旋分子是人体生命的克星,因为人是由左旋氨基酸组成的生命体,不能很好地代谢右旋分子,所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担,甚至造成对生命体的损害。

“反应停事件”

在手性药物未被人们认识以前,欧洲一些医生曾给孕妇服用一种叫做“反应停”(一种谷氨酸衍生物,又名沙立度胶等)的药物作为镇痛药或止咳药,结果导致很多孕妇服用后生出无头或缺腿缺手的先天畸形儿,有的胎儿没有胳膊,手长在肩膀上,模样非常恐怖。仅4年时间,全世界就诞生了超过1.2万名畸形的“海豹婴儿”。这就是著名的“反应停事件”。

后来经过研究发现,“反应停”的R体具有镇静作用,但是其异构对映体(相反手性对映体)对胚胎有很强的致畸作用。正是有了20世纪60年代的这个教训,所以现在研制新药都要经过严格的生物活性和毒性试验,以避免其中所含的另一种手性分子对人体造成危害。

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