宇宙探索：宇宙射線或決定了生物手性

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科學(xué)家們對(duì)生命現(xiàn)象中的一個(gè)謎團(tuán)已經(jīng)苦苦思索了至少一個(gè)世紀(jì)：像人的雙手一樣，許多生物分子以一對(duì)鏡像的形式出現(xiàn)。事實(shí)上，他們以“右手性”和“左手性”為人所熟知。自然發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的兩種形式的分子數(shù)量大致相等。但是糖和氨基酸作為構(gòu)成地球上生命的基石，卻只表現(xiàn)出一種手性，這使蛋白質(zhì)和核酸獲得穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)（比如DNA），進(jìn)而讓生物體得以進(jìn)化和繁衍。
“左”對(duì)“右”這種命名手性的方法有其歷史淵源，但也會(huì)稍顯武斷。例如，DNA是右手性的，與之相關(guān)的氨基酸卻是左手性的。但真正重要的不是命名，而是大自然在兩種構(gòu)型間做出了選擇。一個(gè)巨大的疑問(wèn)在于：為什么其中一種手性得以發(fā)展，另一種卻沒(méi)有？是概率或偶然還是另有原因？
我們?cè)诎l(fā)表于《天體物理快報(bào)》（Astrophysical Journal Letters）的一篇論文中提出了生物僅偏好一種手性背后的機(jī)制。一切要從宇宙射線講起：它是一種以接近光速的速度穿越宇宙，最終撞擊大氣層生成一系列二次粒子的不帶電子的原子核。這些粒子與早期的生物體作用后，就會(huì)產(chǎn)生我們?nèi)缃窨吹降氖中?。該理論如果被證實(shí)，不僅能解決手性之謎，還能為我們尋找地外生命提供線索。
明確地說(shuō)，我們當(dāng)然不是第一個(gè)將同手性現(xiàn)象與弱相互作用聯(lián)系起來(lái)的團(tuán)隊(duì)。Vester、Ulbricht、Zel'dovich和Salam等人早在很久以前就探討過(guò)這個(gè)想法了。但是我們研究的創(chuàng)新與可檢驗(yàn)之處是一種基本的機(jī)制，宇宙射線通過(guò)這種機(jī)制直接作用于突變速率并因而作用于最原始、最簡(jiǎn)單的生命體的進(jìn)化過(guò)程，最終使手性在生物錯(cuò)綜復(fù)雜和相互依存的結(jié)構(gòu)中普遍存在。
生物手性又稱同手性，自1848年Louis Pasteur發(fā)現(xiàn)以來(lái)就一直是研究與辯論的熱點(diǎn)。物理學(xué)四種基本相互作用中與之對(duì)應(yīng)的是弱相互作用，人們?cè)?0世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出相似的手性。宇宙射線，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，它通過(guò)弱相互作用產(chǎn)生的二次粒子流是物理不對(duì)稱性和生物不對(duì)稱性之間的直接聯(lián)系。


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科學(xué)家們認(rèn)為宇宙射線源自太陽(yáng)、我們星系中爆炸的恒星和遙遠(yuǎn)的黑洞。人們普遍認(rèn)為它是有害的，因?yàn)橛钪嫔渚€和生物分子相互作用后，會(huì)發(fā)射或電離出一個(gè)電子并打破將原子連接起來(lái)的化學(xué)鍵。如果這種輻射強(qiáng)度過(guò)高，人就會(huì)生病甚至死亡。這也是火星旅行或定居火星十分危險(xiǎn)的原因之一。當(dāng)輻射水平極高時(shí)，一切生物體都會(huì)毀于一旦。
然而，低水平的電離輻射能使生物分子發(fā)生突變并促進(jìn)基因多樣性。這讓生命體逐步產(chǎn)生微小的變化，助其在變化的環(huán)境中探尋更優(yōu)的生存方式。進(jìn)化就是這樣發(fā)揮作用的。正如人們對(duì)紅酒的看法一樣：小劑量是有益的！
這與同手性有什么關(guān)系？當(dāng)基本粒子兼具電荷和一種被稱作“自旋”的量子屬性時(shí)，它們就會(huì)像帶有南北兩極的小磁鐵一樣?，F(xiàn)在，宇宙射線撞擊大氣層就能產(chǎn)生μ介子和電子兩種自旋帶電粒子，它們傾向于沿著南極向前移動(dòng)。遇到生物分子后，這些定向的磁體可能會(huì)使左手性和右手性的生物變異速率發(fā)生微小改變。經(jīng)過(guò)許多世代，或許幾十億甚至幾萬(wàn)億年，這一微小偏差會(huì)導(dǎo)致一種手性的繁盛以及另一種的消失，同手性由此產(chǎn)生。這種構(gòu)想的創(chuàng)新之處在于，它認(rèn)為物理原因——宇宙射線——和生物分子的化學(xué)屬性——螺旋結(jié)構(gòu)——共同影響原始生物的進(jìn)化過(guò)程。


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這便是我們提出的對(duì)生物手性的解釋，像所有科學(xué)設(shè)想一樣，它也應(yīng)該接受檢驗(yàn)。方法有兩種：第一種是看生物的同手性現(xiàn)象是否無(wú)處不在。宇宙生物學(xué)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是什么樣的環(huán)境是適合生物生存的。我們不知道生物會(huì)在何處以何種方式形成，但我們正在積極地探索太陽(yáng)系其它行星的表面及其下層、它們冰冷的衛(wèi)星、小行星甚至是彗星。這些地外環(huán)境中有的含有糖和氨基酸。因?yàn)楸┞对谕瑯拥挠钪嫔渚€中，如果這些地方表現(xiàn)出生命跡象，他們應(yīng)該和地球上的生物有著共同的手性。
第二種方法是做實(shí)驗(yàn)。當(dāng)我們不知道生命是如何形成的時(shí)候，這樣做很有挑戰(zhàn)性。但是，我們可以制造分別沿南極和北極前進(jìn)的μ介子和電子磁鐵，檢測(cè)二者跟生物分子，甚至病毒和細(xì)菌的作用是否存在差異。目前已有許多理論研究和實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)定磁極化的電子（或圓偏振光）在手性選擇性化學(xué)中可能發(fā)揮的作用，但針對(duì)手性選擇性生物學(xué)的研究卻不多。
無(wú)論如何，最令人激動(dòng)的是我們能夠在知道的如此多的時(shí)候提出這些問(wèn)題，并做好被答案震驚的準(zhǔn)備。
作者：Noémie Globus，紐約福萊特恩研究所計(jì)算天體物理學(xué)中心和紐約大學(xué)宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)中心的博士后學(xué)者。Roger Blandford是斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院的教授。
翻譯：鄭宸
審校：馬曉彤
引進(jìn)來(lái)源：科學(xué)美國(guó)人
引進(jìn)鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/cosmic-rays-and-the-handedness-of-life/


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