宇宙射线或决定了生物手性

栏目：环球科学 来源：中国数字科技馆

图片来源：pixabay 科学家们对生命现象中的一个谜团已经苦苦思索了至少一个世纪：像人的双手一样，许多生物分子以一对镜像的形式出现。事实上，他们以“右手性”和“左手性”为人所熟知。自然发生的化学反应产生的两种形式的分子数量大致相等。但是糖和氨基酸作为构成地球上生命的基石，却只表现出一种手性，这使蛋白质和核酸获得稳定的螺旋结构（比如DNA），进而让生物体得以进化和繁衍。 “左”对“右”这种命名手性的方法有其历史渊源，但也会稍显武断。例如，DNA是右手性的，与之相关的氨基酸却是左手性的。但真正重要的不是命名，而是大自然在两种构型间做出了选择。一个巨大的疑问在于：为什么其中一种手性得以发展，另一种却没有？是概率或偶然还是另有原因？ 我们在发表于《天体物理快报》（Astrophysical Journal Letters）的一篇论文中提出了生物仅偏好一种手性背后的机制。一切要从宇宙射线讲起：它是一种以接近光速的速度穿越宇宙，最终撞击大气层生成一系列二次粒子的不带电子的原子核。这些粒子与早期的生物体作用后，就会产生我们如今看到的手性。该理论如果被证实，不仅能解决手性之谜，还能为我们寻找地外生命提供线索。 明确地说，我们当然不是第一个将同手性现象与弱相互作用联系起来的团队。Vester、Ulbricht、Zel'dovich和Salam等人早在很久以前就探讨过这个想法了。但是我们研究的创新与可检验之处是一种基本的机制，宇宙射线通过这种机制直接作用于突变速率并因而作用于最原始、最简单的生命体的进化过程，最终使手性在生物错综复杂和相互依存的结构中普遍存在。 生物手性又称同手性，自1848年Louis Pasteur发现以来就一直是研究与辩论的热点。物理学四种基本相互作用中与之对应的是弱相互作用，人们在20世纪50年代发现其表现出相似的手性。宇宙射线，或者更准确地说，它通过弱相互作用产生的二次粒子流是物理不对称性和生物不对称性之间的直接联系。

图片来源：pixabay 科学家们认为宇宙射线源自太阳、我们星系中爆炸的恒星和遥远的黑洞。人们普遍认为它是有害的，因为宇宙射线和生物分子相互作用后，会发射或电离出一个电子并打破将原子连接起来的化学键。如果这种辐射强度过高，人就会生病甚至死亡。这也是火星旅行或定居火星十分危险的原因之一。当辐射水平极高时，一切生物体都会毁于一旦。 然而，低水平的电离辐射能使生物分子发生突变并促进基因多样性。这让生命体逐步产生微小的变化，助其在变化的环境中探寻更优的生存方式。进化就是这样发挥作用的。正如人们对红酒的看法一样：小剂量是有益的！ 这与同手性有什么关系？当基本粒子兼具电荷和一种被称作“自旋”的量子属性时，它们就会像带有南北两极的小磁铁一样。现在，宇宙射线撞击大气层就能产生μ介子和电子两种自旋带电粒子，它们倾向于沿着南极向前移动。遇到生物分子后，这些定向的磁体可能会使左手性和右手性的生物变异速率发生微小改变。经过许多世代，或许几十亿甚至几万亿年，这一微小偏差会导致一种手性的繁盛以及另一种的消失，同手性由此产生。这种构想的创新之处在于，它认为物理原因——宇宙射线——和生物分子的化学属性——螺旋结构——共同影响原始生物的进化过程。

图片来源：pixabay 这便是我们提出的对生物手性的解释，像所有科学设想一样，它也应该接受检验。方法有两种：第一种是看生物的同手性现象是否无处不在。宇宙生物学面临的一个关键问题是什么样的环境是适合生物生存的。我们不知道生物会在何处以何种方式形成，但我们正在积极地探索太阳系其它行星的表面及其下层、它们冰冷的卫星、小行星甚至是彗星。这些地外环境中有的含有糖和氨基酸。因为暴露在同样的宇宙射线中，如果这些地方表现出生命迹象，他们应该和地球上的生物有着共同的手性。 第二种方法是做实验。当我们不知道生命是如何形成的时候，这样做很有挑战性。但是，我们可以制造分别沿南极和北极前进的μ介子和电子磁铁，检测二者跟生物分子，甚至病毒和细菌的作用是否存在差异。目前已有许多理论研究和实验旨在测定磁极化的电子（或圆偏振光）在手性选择性化学中可能发挥的作用，但针对手性选择性生物学的研究却不多。 无论如何，最令人激动的是我们能够在知道的如此多的时候提出这些问题，并做好被答案震惊的准备。 作者：Noémie Globus，纽约福莱特恩研究所计算天体物理学中心和纽约大学宇宙学和粒子物理学中心的博士后学者。Roger Blandford是斯坦福大学人文与科学学院的教授。 翻译：郑宸 审校：马晓彤 引进来源：科学美国人