天外来客

——生物体中同手性的宇宙起源

化学与分子工程学院 史航 张睿恒

一、自然界中的手性和同手性现象

大家认真观察过螺壳上的螺纹吗？如果你细心观察，会发现大部分螺壳上的纹路都是右旋的，实际上，左旋螺只占螺科总数的5%左右[1]，左旋和右旋螺之间呈镜面对称（图1左），我们将其称为对映体，它们就像我们的左右手一样（图1右），因此我们把这样的现象称为“手性”。在微观的分子世界，也存在着手性现象。著名的镇静催眠药“沙利度胺”是一种手性药物，在最初以外消旋体——也就是左旋和右旋1：1的混合物——的形式卖给孕妇，用于治疗孕吐。但是人们很快发现，只有右旋沙利度胺才有治疗效果，左旋沙利度胺则会导致严重的婴儿畸形——“海豹儿”（图2）[2]。因此我们可以看到，化合物的手性是十分普遍而重要的问题。在生物体中，20种氨基酸除了甘氨酸没有手性外，其他的都是L-氨基酸，而组成DNA的脱氧核糖都是D型手性，这种在生物体中，同一类生物分子中某一种手性构型占大多数的情况，被称为同手性。同时我们也自然的发出疑问：同手性最开始是到底是怎么产生的？

图 1 左：左旋和右旋峨螺标本（图源：https://www.guokr.com/article/437095/）；右：手性氨基酸示意图（图源：网络）

图 2 a)：具有镇静效果的右旋沙利度胺（图源：Chemdraw绘制）；b)：具有致畸作用的左旋沙利度胺（图源：Chemdraw绘制）；c)：受到沙利度胺影响的著名演讲家尼克·胡哲（图源：网络）

二、由Murchison陨石提出的猜想：同手性的宇宙起源

1969年，人们在澳大利亚Murchison附近发现了一个重约100 千克的陨石（图3）[3]，经过分析，人们发现其中含有90多种氨基酸、糖类、醇等组成生命体的重要分子，并且所有的氨基酸中，都是S-氨基酸占多数，因此人们不禁猜测，同手性最开始可能产生于星际空间，手性分子随着陨石落向地球。那么星际空间的同手性是如何起源的呢？

图 3 Murchison陨石（图源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%98%

E5%A5%87%E6%A3%AE%E9%99%A8%E7%9F%B3）

三、圆偏振光：对映体富集过程中的关键一环

实际上，人们很早就已经发现了圆偏振光(Circularly polarized light, CPL)，圆偏振光有左旋和右旋之分[4]，具有手性的分子对于左旋和右旋光的吸收是不同的，吸收能力越强，化学反应发生的更快，最终导致了产物中左旋和右旋的比例不同。亮氨酸是组成生物体蛋白质必须的20种氨基酸之一。在1977年，Bonner报道了对亮氨酸的不对称光解反应（图4），Bonner发现，使用波长为212.8 nm的CPL照射，右旋圆偏振光(RCPL)更倾向于光解R-亮氨酸，左旋圆偏振光(LCPL)更倾向于光解L-亮氨酸。[5]通过圆偏振光产生的少量的对映体过量，通过自然条件下的各种手性放大机制，就可能演化成现在观察到的同手性现象。那么在宇宙中能不能进行圆偏振光催化的化学反应呢？

图 4 左图：亮氨酸的结构（图源：Chemdraw绘制）；右表：使用CPL照射亮氨酸的结果（图源：参考资料[5]）

四、手性分子的产生、富集、以及到达地球的过程

为了回答上一段中提出的问题，我们首先要印证以下三点：首先，星际空间恒星形成区的分子云中要有手性分子，不能只是一些无机小分子；其次，这些区域需要有圆偏振光的照射来产生对映体过量，产生手性富集；最后，这些飘在星系中的有机分子要能够进入地球。接下来我们分别为大家讲述。

2002年，Nature报道，通过低温、高真空、紫外辐照模拟宇宙环境，科学家照射H2O, CO, CO2, CH3OH和NH3的混合物，反应产生了多种手性化合物，并且成功观察到了16种氨基酸[6]（图5）。2016年，人们在人马座 B2恒星形成区的分子云中观察到了具有手性的环氧丙烷，这是第一个在宇宙空间中被观察到的手性分子[7]。实验和天文观察都说明了宇宙中很可能有手性化合物作为反应原料，但是刚开始产生的手性分子的构型是随机分布的——即外消旋的，要想得到非外消旋的产物，还需要CPL进行催化。

实际上，宇宙中的CPL有许多来源，其中最重要的是来自反射星云中的光，在行星形成的区域，由于太空磁场和形状不规则的太空颗粒的散射作用，光会发生偏振，得到手性的CPL，与实验室中产生的小范围偏振光不同，科学家们在OMC-1星系中发现的手性CPL范围相当大，足以覆盖整个星系。也就是说，在单一手性CPL的催化下，在很大的宇宙空间内都某一特定手性的化合物会不断积累。

图 5 模拟宇宙环境进行反应，产生了多种手性分子（图源：参考资料[6]）

经过长时间的手性积累，一些宇宙尘埃上已经有了一些对映体过量的分子，这些宇宙尘埃不断聚合，形成彗星和陨石，最终在地球接近它们的运行轨道时穿过地球大气，撞向地球。那么，这些有机分子能否经受住这个过程中与大气摩擦产生的高温呢？其实，陨石的导热性很差，也就是热量都集中在表面，陨石内部的有机分子不会因高温而大量分解。随着陨石在这个过程中的碎裂，一块大的陨石分裂成几块小的、运动速度更慢的陨石，与大气的摩擦减弱，最终安全落地[9]。

五、总结与展望：同手性宇宙起源的总体图景

综上，我们梳理了手性的宇宙起源的全过程，并将其总结到图6中[10]：

手性分子吸附到宇宙尘埃表面

CPL催化的化学反应

产生对映体富集的产物

含有手性产物的宇宙尘埃聚集成为陨石

陨石坠落地球，为地球上的反应提供手性环境。

图 6 手性的宇宙起源假说的整体框架（图源：参考资料[3]）

手性分子，和其他小分子一起吸附到宇宙尘埃表面，随后受到手性CPL照射，产生对映体富集的产物，含有手性产物的宇宙尘埃不断富集，形成陨石，最终落向地球，给地球带来了最初的手性。这其中，CPL的手性催化作用在整个过程中起着关键作用，正是CPL使得最初随机产生的手性分子发生对映体富集，产生某种特定手性的化合物。

那么，如何判断宇宙中其他星球的手性环境呢？我们已经提到产生CPL的范围是很大的。因此，如果宇宙起源假说是正确的，那么太阳系中的行星应该和地球的手性相同。[11]但是如果范围扩展到银河系，由于不同位置的行星受到不同的CPL影响，因此一颗距离地球较远的星球可能和地球的手性环境不同。

我们在这里介绍的只是解释同手性产生的一种模型，实际上，除了使用CPL来解释同手性的产生之外，有的理论认为同手性起源于宇称不守恒，有的理论从自发对称性破缺来解释同手性的起源，然而目前的模型都无法完全解释这个问题，还有很多内容有待进一步发现。如果大家对这个话题有兴趣，可以阅读参考文献[8]以及参考文献[9]来对这个话题做更深入的了解。

参考资料

[1] https://www.guokr.com/article/437104

[2] https://zhuanlan.zhihu.com/p/90199167

[3] https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/murchison-meteorite

[4] Avalos, M.; Babiano, R.; Cintas, P.; Jiménez, J. L.; Palacios, J. C.; Barron, L. D. Chem. Rev. 1998, 98, 2391–2404.

[5] Bernstein, W. J.; Calvin, M.; Buchardt, O. J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 494–498.

[6] Muñoz Caro, G. M.; Meierhenrich, U. J.; Schutte, W. A.; Barbier, B.; Arcones Segovia, A.; Rosenbauer, H.; Thiemann, W. H.-P.; Brack, A.; Greenberg, J. M. Nature 2002, 416, 403–406. [7] McGuire, B. A.; Carroll, P. B.; Loomis, R. A.; Finneran, I. A.; Jewell, P. R.; Remijan, A. J.; Blake, G. A. Science 2016, 352, 1449–1452.

[8] Bailey, J. Orig. Life. Evol. Biosph. 2001, 31, 167–183.

[9] Meierhenrich, U. Amino Acids and the Asymmetry of Life, Springer, Heidelberg, 2008.

[10] Sallembien, Q.; Bouteiller, L.; Crassous, J.; Raynal, M. Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 3436–3476.

[11] Gleiser, M. Orig. Life. Evol. Biosph. 2022, 52, 93–104.

来源: 科普中国高校行之“人与自然和谐共生”

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