2010年4月，一個國際研究小組宣布，研究人員通過紅外望遠(yuǎn)鏡觀測發(fā)現(xiàn)，位于獵戶座星云——著名的恒星誕生地——中的新近誕生的大質(zhì)量恒星IRc2的周邊大范圍區(qū)域內(nèi)(太陽系面積400倍以上)分布著圓偏振紅外光。這是人類首次觀測到如此大面積的圓偏振紅外光，這一發(fā)現(xiàn)有可能為一種理論提供了證據(jù)。該理論認(rèn)為，在太陽系形成時(shí)期，原始太陽系星云受到類似獵戶座星云里的新生大質(zhì)量恒星的圓偏振光紅外線照射，致使原始太陽系中的氨基酸呈左旋變化。

氨基酸——地球生命的要素之一，是一種原子呈立體組合的復(fù)雜分子，分為L型(左旋)和D型(右旋)兩種，兩者呈相互鏡像關(guān)系，如左手和右手對稱一樣。研究發(fā)現(xiàn)，除少數(shù)動物或昆蟲的特定器官內(nèi)含有少量右旋氨基酸之外，組成地球生命體的幾乎都是左旋氨基酸!這是為什么?科學(xué)家認(rèn)為這個問題的答案可能與地球生命的起源有關(guān)，因此極感興趣。新的發(fā)現(xiàn)，加上之前對隕星的研究成果。地球生命的氨基酸的左旋之謎有可能被破解。

史波克先生快要死了。但對于“企業(yè)號”航母上面的乘員們來說，幸運(yùn)的是，這位史波克先生并不是一個真人，而是在遠(yuǎn)距傳物機(jī)(將人或物體以粒子的形式發(fā)送到遠(yuǎn)處并復(fù)原的機(jī)器)的一次奇怪故障中產(chǎn)生的一個邪惡鏡像。史波克的身體只能消化右旋氨基酸，然而，與所有的有機(jī)物一樣，他周圍的食物全是由左旋氨基酸構(gòu)成的。因此，盡管食物豐盛，史波克卻只能眼睜睜地等死。

請注意，上述情節(jié)并非真實(shí)，而是來自于1970年出版的一部美國科幻小說《史波克必死》。這部由當(dāng)時(shí)風(fēng)靡美國的科幻電視連續(xù)劇《星際旅行》衍生而來的科幻小說凸顯了一個有關(guān)生命的基本奧秘:大多數(shù)復(fù)雜分子要么是左旋的，要么是右旋的，這是為什么?有關(guān)這個奧秘的最新答案(其實(shí)也只是一種猜測)將天體物理學(xué)、粒子物理學(xué)和生物化學(xué)融匯在一起，形成一個驚人的觀點(diǎn):被稱為“超新星”的恒星死亡爆發(fā)，可能正是將生命變成左旋的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

地球生命為什么只使用了兩種鏡像形式當(dāng)中的一種?

化學(xué)家將生物分子的左旋或右旋特性統(tǒng)稱為“手性”。所謂手性，是指許多分子所共有的一個特征，即這些分子內(nèi)部的原子排列并不完全相同，使得分子以兩種形式出現(xiàn)。這就像一雙手套:左手套和右手套看上去是一樣的，都有五根指套，作用都是保暖或護(hù)手;但左手套和右手套又不完全一樣，因?yàn)槟悴豢赡芡ㄟ^旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)使左手套與右手套完全地重合。不過，從鏡子里看，左手套就變成了右手套。

生物分子的這種鏡像形式被稱為“對映體”或“對映異構(gòu)體”，它們由相同的原子構(gòu)成，這些原子擁有相同的物理和化學(xué)特性。大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的兩種對映體的數(shù)量都是相等的，這就使得大自然對同一種手性(即所謂“同手型”)的偏好顯得十分怪異，比如為人體細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)并調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)都是由左旋氨基酸構(gòu)成的，又比如只有右旋糖才在生物化學(xué)中起活躍作用。這就好比在一只抽屜中裝滿了左手套，但拒絕右手套。

那么，同手型現(xiàn)象是怎么產(chǎn)生的?有可能是地球早期生命史上一次偶然非對稱事件的結(jié)果，這個結(jié)果以后又被時(shí)間和進(jìn)化過程加以放大。假如真是這樣，那么在地球之外的其他地方，同手型就可能并不存在或者剛好反過來?？墒牵瑏碜蕴栂敌纬蓵r(shí)期(也就是建造時(shí)期)的“建筑材料”遺跡卻告訴了我們另一個故事:天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在來自太空的隕石中發(fā)現(xiàn)的每一種類型的氨基酸，其左旋的數(shù)量都比右旋的數(shù)量多出2%～18%。

單獨(dú)看，這也不能證明什么:隕石是墜落到地球表面的隕星，它們在同地面接觸時(shí)很可能被地球“污染”了。但一些科學(xué)家相信，以左旋為主的偏好早在地球生命出現(xiàn)之前，甚至早在地球和太陽系形成之前就已存在，當(dāng)然也不排除一種可能性，即地球生命將這種偏好發(fā)揮到了極致。

這種不對稱也許只是一個基本物理學(xué)問題(參見相關(guān)鏈接:力的失衡)，但也可能有其他更誘人的答案，其中一種直到1998年才被提出，當(dāng)時(shí)天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)獵戶座星云中充滿圓偏振紅外光。獵戶座星云是距離地球1300光年的一大片恒星形成區(qū)域。

當(dāng)與光有關(guān)的電場在一個與光線前進(jìn)方向有關(guān)、順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的平面上振動時(shí)，光就會變成圓偏振光(也稱圓極化光)。在星云中，當(dāng)光自原子和分子(包括氨基酸)散射，并圍繞氣云團(tuán)飄浮時(shí)，就可能發(fā)生圓極化。圓偏振光會干擾將原子結(jié)合在一起的電子的排列方式，從而可以有選擇地分解一種或另一種手性形式的分子，至于是分解哪一種手性形式的分子，則取決于圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方式?？茖W(xué)家推測，在獵戶座星云中的一些區(qū)域，一種手性形式的氨基酸應(yīng)該更多。太陽系也是在星云中形成的，因此，地球生命的不對稱手性的“種子”最早也可能是由星云“播種”的。

這種可能性頗具誘惑力，但它也存在不少紕漏。比如對氨基酸的選擇性毀滅是有條件的，只有當(dāng)光具有足夠的能量來引發(fā)所需的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，這種選擇性毀滅才會開始。具體來說，就是要求有能量較高的紫外光存在。但是，在獵戶座星云中，天文學(xué)家迄今只觀測到了能量較低的紅外光，并未觀測到任何紫外光(當(dāng)然，也不排除一種可能性，就是那里的氣云團(tuán)散射紫外光的能力很強(qiáng)，因而幾乎沒有紫外光從那里長途跋涉來到我們的望遠(yuǎn)鏡里)。

恒星死亡爆發(fā)是使生命變成左旋的“罪魁禍?zhǔn)住?

一種最新理論巧妙地避開了上述難題。該理論指出，在一個氣云團(tuán)里，包括氨基酸在內(nèi)的分子已經(jīng)形成，但光并不是促成改變的催化劑，高密度的磁場以及在超新星爆發(fā)中產(chǎn)生的巨型高能粒子流的共同作用才是真正的催化劑。

當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星燃料耗盡時(shí)，它就會死亡——在自身重壓下幾秒鐘內(nèi)坍縮成一顆密度超高、直徑僅為數(shù)十千米的中子星，這種現(xiàn)象被稱為“內(nèi)核坍縮型或Ⅱ型超新星爆發(fā)”。如此高密度的中子星會產(chǎn)生強(qiáng)度高得令人難以置信的磁場，磁力線從中子星的北極出發(fā)，一路延伸直到南極，這同地球磁場的情形一樣。

原子核有一種被稱為“自旋”的量子力學(xué)特性，即所有原子核均等地排列在磁場中。最新理論的核心就是這種磁場對氨基酸的氮14原子核所造成的影響。在一個氨基酸分子中，一個氮原子將起著決定性作用的胺基附著在一個羧基上。氮在自由態(tài)下的運(yùn)動具有完全的自主權(quán)，但是在分子內(nèi)部，氮的自旋就失去了自由度。計(jì)算表明，磁場的轉(zhuǎn)換會對相反手性的分子分別產(chǎn)生在不同方向上的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。

于是，當(dāng)超新星殘余的強(qiáng)力磁場出現(xiàn)時(shí)，一種手性的氨基酸中的氮最終便朝著磁力線的方向自旋，即離開中子星北極、朝向其南極的方向，而相反手性的氨基酸也一樣不得不根據(jù)它們的氮的自旋方向來排列，即朝著離開中子星南極、朝向其北極的方向。

死亡恒星在自身重量下坍縮的過程中，它會向各個方向發(fā)出極高強(qiáng)度的中微子和反中微子射流，包括沿磁力線方向。其中，反中微子尤其容易同氮14原子核反應(yīng)，產(chǎn)生一個碳14原子核及一個正電子;中微子則在一個類似的但能量較低的反應(yīng)中，將氮14轉(zhuǎn)變成一個氧14和一個電子。在這兩種情況下，一旦氨基酸中的氮原子核遭到射流轟擊，胺基就會被炸掉，氨基酸因此崩潰。

不過，這個最新理論也面臨挑戰(zhàn)。首先，發(fā)生在大自然中的反應(yīng)有保護(hù)自旋的傾向:如果自旋的總量級和方向在反應(yīng)之前和之后保持一樣，則反應(yīng)更容易發(fā)生。氮14原子核的自旋量級是1，而碳14原子核和氧14原子核都沒有自旋。電子、中微子、正電子和反中微子的自旋量級都是0.5。此外，反中微子的自旋總是指向它前進(jìn)的方向，中微子的自旋朝向正好相反。

另外，還有一些量子理論方面的考量導(dǎo)致有關(guān)的計(jì)算更加復(fù)雜化。不過，一般來說，自旋守恒意味著中微子和反中微子更有可能炸開氨基酸，前提是氨基酸中的氮自旋方向同氨基酸自己的方向相反。其最終結(jié)果就是，在中子星的一個極附近，一種手性(右旋)的氨基酸被反中微子優(yōu)先擊碎，而在中子星的另一個極附近，中微子對相反手性(左旋)的氨基酸實(shí)施類似的轟炸，但因后者的反應(yīng)能量較低，因此轟炸強(qiáng)度不如前者。這樣一來，在超新星殘余的環(huán)境中就出現(xiàn)了手性方面的總體失衡，即左旋氨基酸多于右旋氨基酸。

有科學(xué)家認(rèn)為，手性偏好之所以不只出現(xiàn)在地球生命中，而且還出現(xiàn)在登陸地球的隕石中，根源正是超新星，因?yàn)榻M成太陽系的原材料早已被來自許多次超新星爆發(fā)的中微子處理過了，并且這些超新星爆發(fā)都選擇留下了更多的左旋氨基酸而不是右旋氨基酸。

至此，上述理論看似已經(jīng)很圓滿了，但實(shí)際上仍面臨一些棘手問題。其中之一是，由超新星爆發(fā)產(chǎn)生的高能伽馬光子射流有可能炸掉遠(yuǎn)近的一切氨基酸，因而根本就不可能創(chuàng)造手性失衡。不過，有一種方法可以避免上述矛盾:超新星殘余不是一顆中子星，而是一個更極端的實(shí)體——黑洞。黑洞會吞噬一切光線，因此就消除了伽馬射線問題。假如真是這樣，地球上氨基酸的左旋偏好就得歸因于黑洞的行為。

這真是一個非常大膽的假設(shè)，不過迄今為止它并沒有遇到太多的反對。有一個反對理由認(rèn)為，如此產(chǎn)生的不對稱(失衡)規(guī)模太小。而事實(shí)上，這可能正是需要的。實(shí)驗(yàn)表明，初始時(shí)僅有1%～5%的手性失衡，然后通過一個叫“自身催化”的化學(xué)過程來加以放大。在此過程中，哪怕開始時(shí)一種手性形式的數(shù)量只多出一點(diǎn)點(diǎn)，最終則會多出很多。遺憾的是，這種過程不可能發(fā)生在超新星周圍，因?yàn)檫@種放大需要液體環(huán)境，就像在含水小行星和早期地球上那樣的環(huán)境。

上述的手幽專變故事是不是太過繁復(fù)了?首先要有創(chuàng)造氨基酸手性平衡樣本的機(jī)制，然后要選擇性地毀掉一部分氨基酸。我們?yōu)槭裁床荒芤婚_始就創(chuàng)造出手性失衡的氨基酸樣本呢?答案或許是“我們能”。一種對生命偏手性(即手性偏好)的有希望的替代解釋基于以下事實(shí):對于制造有機(jī)分子的每99個碳12同位素原子來說，總有一個較重的碳13原子。2009年4月，日本科學(xué)家證明，這一小小的天然平衡狀態(tài)可以引發(fā)自身催化過程，最終導(dǎo)致有機(jī)產(chǎn)物中出現(xiàn)明顯可見的手性失衡。同樣的結(jié)論是否適用于氨基酸?尚待證實(shí)。

“羅塞塔”登陸彗星有可能破解地球生命的氨基酸左旋之謎。

為了破解上述奧秘，科學(xué)家也在跟蹤其他可能的線索。1997年，歐洲空間局請一組科學(xué)家為“羅塞塔”探測器設(shè)計(jì)了一種手性識別儀，能讓其識別左右兩種手性。2004年，歐洲空間局向地球附近的一顆彗星發(fā)射了“羅塞塔”。當(dāng)初，為了檢驗(yàn)手性識別儀的性能，科學(xué)家模擬彗星成分，用一氧化碳、二氧化碳、甲醇、氨和水制造了一顆“微型彗星”。接著，他們又模擬外太空的環(huán)境條件，在-261℃的溫度下，在真空艙里用紫外光輻射“微型彗星”，結(jié)果產(chǎn)生了16種不同的氨基酸，其中左旋的和右旋的都有。

目前，科學(xué)家正計(jì)劃用圓偏振紫外光來轟擊這些樣本，這些紫外光將來自于位于法國巴黎附近新近建造的“太陽同步加速器”?？茖W(xué)家希望能制造出手性失衡的樣本，從而為證明早在12年前就提出的“簡單而天然地制造手性失衡氨基酸”假說提供證據(jù)。

手性失衡之爭仍在繼續(xù)，現(xiàn)在結(jié)束這一十分前沿的科學(xué)爭論還為時(shí)過早。2014年，“羅塞塔”探測器將抵達(dá)“67P/丘留莫瓦-格拉西梅”彗星，屆時(shí)它將釋放登陸器登臨這顆彗星，鉆取樣本并分析這顆彗星表面20厘米深度的冰芯，這將成為自太陽系形成以來從未被“污染”的樣本，因而可以避免隕星登陸地球后可能被“污染”的問題。

假如屆時(shí)“羅塞塔”發(fā)現(xiàn)了左旋氨基酸的占優(yōu)偏好，就將成為手性失衡源自超新星理論的有力證據(jù)。假如一些氨基酸中左旋的占絕大多數(shù)，而另一些氨基酸中右旋的占絕大多數(shù)，就有可能找到一個單獨(dú)的圓偏振紫外光能量源。當(dāng)然，科學(xué)家也在期待另一種完全“出乎意料”的結(jié)果:屆時(shí)發(fā)現(xiàn)的全部都是右旋氨基酸。假如真是這樣，那么現(xiàn)在關(guān)于手性失衡的所有假說不都要被推翻了嗎?

其實(shí)，就算出現(xiàn)這種情況也一點(diǎn)都不奇怪，因?yàn)樵诓粩嗟挠鼗刂斜煌品虮蛔C實(shí)正是科學(xué)的魅力之所在。要是真的被推翻了，肯定有一部分科學(xué)家會感到高興:假如同手性真的是地球生命特有的故事，那么在其他某些星球上，鏡像化的史波克先生或許就能生活得如魚得水，而我們也將由此發(fā)現(xiàn)外星人同地球人的本質(zhì)上的區(qū)別。這樣的“出乎意料”，不正是讓地球人喜出望外的事嗎?

相關(guān)鏈接

力的失衡

同手性現(xiàn)象是事實(shí)?抑或只是我們的一種幻覺?對分子能量的一種計(jì)算結(jié)果向我們發(fā)出了訊息(這種計(jì)算將基本物理學(xué)的所有細(xì)節(jié)都考慮在內(nèi)了)。

在計(jì)算分子能量時(shí)，化學(xué)家通常只考慮四種基本力中的一種:電磁力，在這種情形下不會產(chǎn)生手性的差異。然而，當(dāng)新的計(jì)算方式將弱核力的影響也考慮進(jìn)去后，由于在原子核水平上弱核力是要起作用的，結(jié)果就顯示出了左旋與右旋分子形式之間極小的差異。

不過，這類計(jì)算簡直有如惡魔一般復(fù)雜，以至于至今還有人對40年前的計(jì)算結(jié)果提出質(zhì)疑。不同的能量意味著不同的物理和化學(xué)特性，如此來看，被假定行為相同的異構(gòu)對映體就應(yīng)當(dāng)并非行為一致。假如真是這樣，那么嚴(yán)格意義上的異構(gòu)對映體就不存在，所謂的“同手性”問題在基本定義上便煙消云散，不復(fù)存在。

什么是“手性”

如果你注意觀察你的手，就會發(fā)現(xiàn)左手和右手看起來一模一樣，但無論你怎樣放，它們在空間上卻無法完全重合。只有當(dāng)你把左手放在鏡子前面時(shí)，你的右手才與左手在鏡中的像完全重合。實(shí)際上，你的右手正是你的左手在鏡中的像，反之亦然。在化學(xué)中，這種現(xiàn)象被稱為“手性”。

按照科學(xué)定義，手性是指化學(xué)分子的實(shí)物與其鏡像不能完全相同的現(xiàn)象。生命是由碳元素組成的，碳原子在形成有機(jī)分子時(shí)，4個原子或基團(tuán)可以通過4根共價(jià)鍵形成三維的空間結(jié)構(gòu)，形成手性碳原子。由于相連的原子或基團(tuán)不同，會形成兩種分子結(jié)構(gòu)。這兩種分子一般擁有完全一樣的物理、化學(xué)性質(zhì)，比如沸點(diǎn)相同，溶解度和光譜也相同，但從分子的組成形狀來看，它們依然是兩種分子。這種情形就像是鏡子里和鏡子外的物體那樣，看上去互為對應(yīng)。由于是三維結(jié)構(gòu)，它們不管怎樣旋轉(zhuǎn)都不能重合。

幾乎所有生物大分子都是手性的。兩種在分子結(jié)構(gòu)上呈手性的物質(zhì)，它們的化學(xué)性質(zhì)完全相同，唯一的區(qū)別在于:在微觀上它們的分子結(jié)構(gòu)呈手性，在宏觀上它們的結(jié)晶體也呈手性。

地球生命幾乎都是左旋的

作為生命的基本結(jié)構(gòu)單元，氨基酸也有手性之分。也就是說，生命最基本的東西也有左右之分，或者說生命也有左旋或右旋之分。檢驗(yàn)手性的最好方法是:讓一束偏振光通過它，使偏振光發(fā)生左旋的是左旋氨基酸，反之則是右旋氨基酸。通過這種檢測方法，人們發(fā)現(xiàn)了一個令人震驚的事實(shí)——除了少數(shù)動物或昆蟲的特定器官內(nèi)含有少量右旋氨基酸之外，組成地球生命體的幾乎都是左旋氨基酸!右旋分子是人體生命的克星，因?yàn)槿耸怯勺笮被峤M成的生命體，不能很好地代謝右旋分子，所以食用含有右旋分子的藥物就會成為負(fù)擔(dān)，甚至造成對生命體的損害。

“反應(yīng)停事件”

在手性藥物未被人們認(rèn)識以前，歐洲一些醫(yī)生曾給孕婦服用一種叫做“反應(yīng)停”(一種谷氨酸衍生物，又名沙立度膠等)的藥物作為鎮(zhèn)痛藥或止咳藥，結(jié)果導(dǎo)致很多孕婦服用后生出無頭或缺腿缺手的先天畸形兒，有的胎兒沒有胳膊，手長在肩膀上，模樣非常恐怖。僅4年時(shí)間，全世界就誕生了超過1.2萬名畸形的“海豹嬰兒”。這就是著名的“反應(yīng)停事件”。后來經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，“反應(yīng)?！钡腞體具有鎮(zhèn)靜作用，但是其異構(gòu)對映體(相反手性對映體)對胚胎有很強(qiáng)的致畸作用。正是有了20世紀(jì)60年代的這個教訓(xùn)，所以現(xiàn)在研制新藥都要經(jīng)過嚴(yán)格的生物活性和毒性試驗(yàn)，以避免其中所含的另一種手性分子對人體造成危害。

2010年4月，一個國際研究小組宣布，研究人員通過紅外望遠(yuǎn)鏡觀測發(fā)現(xiàn)，位于獵戶座星云——著名的恒星誕生地——中的新近誕生的大質(zhì)量恒星IRc2的周邊大范圍區(qū)域內(nèi)(太陽系面積400倍以上)分布著圓偏振紅外光。這是人類首次觀測到如此大面積的圓偏振紅外光，這一發(fā)現(xiàn)有可能為一種理論提供了證據(jù)。該理論認(rèn)為，在太陽系形成時(shí)期，原始太陽系星云受到類似獵戶座星云里的新生大質(zhì)量恒星的圓偏振光紅外線照射，致使原始太陽系中的氨基酸呈左旋變化。

氨基酸——地球生命的要素之一，是一種原子呈立體組合的復(fù)雜分子，分為L型(左旋)和D型(右旋)兩種，兩者呈相互鏡像關(guān)系，如左手和右手對稱一樣。研究發(fā)現(xiàn)，除少數(shù)動物或昆蟲的特定器官內(nèi)含有少量右旋氨基酸之外，組成地球生命體的幾乎都是左旋氨基酸!這是為什么?科學(xué)家認(rèn)為這個問題的答案可能與地球生命的起源有關(guān)，因此極感興趣。新的發(fā)現(xiàn)，加上之前對隕星的研究成果。地球生命的氨基酸的左旋之謎有可能被破解。

史波克先生快要死了。但對于“企業(yè)號”航母上面的乘員們來說，幸運(yùn)的是，這位史波克先生并不是一個真人，而是在遠(yuǎn)距傳物機(jī)(將人或物體以粒子的形式發(fā)送到遠(yuǎn)處并復(fù)原的機(jī)器)的一次奇怪故障中產(chǎn)生的一個邪惡鏡像。史波克的身體只能消化右旋氨基酸，然而，與所有的有機(jī)物一樣，他周圍的食物全是由左旋氨基酸構(gòu)成的。因此，盡管食物豐盛，史波克卻只能眼睜睜地等死。

請注意，上述情節(jié)并非真實(shí)，而是來自于1970年出版的一部美國科幻小說《史波克必死》。這部由當(dāng)時(shí)風(fēng)靡美國的科幻電視連續(xù)劇《星際旅行》衍生而來的科幻小說凸顯了一個有關(guān)生命的基本奧秘:大多數(shù)復(fù)雜分子要么是左旋的，要么是右旋的，這是為什么?有關(guān)這個奧秘的最新答案(其實(shí)也只是一種猜測)將天體物理學(xué)、粒子物理學(xué)和生物化學(xué)融匯在一起，形成一個驚人的觀點(diǎn):被稱為“超新星”的恒星死亡爆發(fā)，可能正是將生命變成左旋的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

地球生命為什么只使用了兩種鏡像形式當(dāng)中的一種?

化學(xué)家將生物分子的左旋或右旋特性統(tǒng)稱為“手性”。所謂手性，是指許多分子所共有的一個特征，即這些分子內(nèi)部的原子排列并不完全相同，使得分子以兩種形式出現(xiàn)。這就像一雙手套:左手套和右手套看上去是一樣的，都有五根指套，作用都是保暖或護(hù)手;但左手套和右手套又不完全一樣，因?yàn)槟悴豢赡芡ㄟ^旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)使左手套與右手套完全地重合。不過，從鏡子里看，左手套就變成了右手套。

生物分子的這種鏡像形式被稱為“對映體”或“對映異構(gòu)體”，它們由相同的原子構(gòu)成，這些原子擁有相同的物理和化學(xué)特性。大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的兩種對映體的數(shù)量都是相等的，這就使得大自然對同一種手性(即所謂“同手型”)的偏好顯得十分怪異，比如為人體細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)并調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)都是由左旋氨基酸構(gòu)成的，又比如只有右旋糖才在生物化學(xué)中起活躍作用。這就好比在一只抽屜中裝滿了左手套，但拒絕右手套。

那么，同手型現(xiàn)象是怎么產(chǎn)生的?有可能是地球早期生命史上一次偶然非對稱事件的結(jié)果，這個結(jié)果以后又被時(shí)間和進(jìn)化過程加以放大。假如真是這樣，那么在地球之外的其他地方，同手型就可能并不存在或者剛好反過來?？墒?，來自太陽系形成時(shí)期(也就是建造時(shí)期)的“建筑材料”遺跡卻告訴了我們另一個故事:天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在來自太空的隕石中發(fā)現(xiàn)的每一種類型的氨基酸，其左旋的數(shù)量都比右旋的數(shù)量多出2%～18%。

單獨(dú)看，這也不能證明什么:隕石是墜落到地球表面的隕星，它們在同地面接觸時(shí)很可能被地球“污染”了。但一些科學(xué)家相信，以左旋為主的偏好早在地球生命出現(xiàn)之前，甚至早在地球和太陽系形成之前就已存在，當(dāng)然也不排除一種可能性，即地球生命將這種偏好發(fā)揮到了極致。

這種不對稱也許只是一個基本物理學(xué)問題(參見相關(guān)鏈接:力的失衡)，但也可能有其他更誘人的答案，其中一種直到1998年才被提出，當(dāng)時(shí)天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)獵戶座星云中充滿圓偏振紅外光。獵戶座星云是距離地球1300光年的一大片恒星形成區(qū)域。

當(dāng)與光有關(guān)的電場在一個與光線前進(jìn)方向有關(guān)、順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的平面上振動時(shí)，光就會變成圓偏振光(也稱圓極化光)。在星云中，當(dāng)光自原子和分子(包括氨基酸)散射，并圍繞氣云團(tuán)飄浮時(shí)，就可能發(fā)生圓極化。圓偏振光會干擾將原子結(jié)合在一起的電子的排列方式，從而可以有選擇地分解一種或另一種手性形式的分子，至于是分解哪一種手性形式的分子，則取決于圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方式?？茖W(xué)家推測，在獵戶座星云中的一些區(qū)域，一種手性形式的氨基酸應(yīng)該更多。太陽系也是在星云中形成的，因此，地球生命的不對稱手性的“種子”最早也可能是由星云“播種”的。

這種可能性頗具誘惑力，但它也存在不少紕漏。比如對氨基酸的選擇性毀滅是有條件的，只有當(dāng)光具有足夠的能量來引發(fā)所需的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，這種選擇性毀滅才會開始。具體來說，就是要求有能量較高的紫外光存在。但是，在獵戶座星云中，天文學(xué)家迄今只觀測到了能量較低的紅外光，并未觀測到任何紫外光(當(dāng)然，也不排除一種可能性，就是那里的氣云團(tuán)散射紫外光的能力很強(qiáng)，因而幾乎沒有紫外光從那里長途跋涉來到我們的望遠(yuǎn)鏡里)。

恒星死亡爆發(fā)是使生命變成左旋的“罪魁禍?zhǔn)住?

一種最新理論巧妙地避開了上述難題。該理論指出，在一個氣云團(tuán)里，包括氨基酸在內(nèi)的分子已經(jīng)形成，但光并不是促成改變的催化劑，高密度的磁場以及在超新星爆發(fā)中產(chǎn)生的巨型高能粒子流的共同作用才是真正的催化劑。

當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星燃料耗盡時(shí)，它就會死亡——在自身重壓下幾秒鐘內(nèi)坍縮成一顆密度超高、直徑僅為數(shù)十千米的中子星，這種現(xiàn)象被稱為“內(nèi)核坍縮型或Ⅱ型超新星爆發(fā)”。如此高密度的中子星會產(chǎn)生強(qiáng)度高得令人難以置信的磁場，磁力線從中子星的北極出發(fā)，一路延伸直到南極，這同地球磁場的情形一樣。

原子核有一種被稱為“自旋”的量子力學(xué)特性，即所有原子核均等地排列在磁場中。最新理論的核心就是這種磁場對氨基酸的氮14原子核所造成的影響。在一個氨基酸分子中，一個氮原子將起著決定性作用的胺基附著在一個羧基上。氮在自由態(tài)下的運(yùn)動具有完全的自主權(quán)，但是在分子內(nèi)部，氮的自旋就失去了自由度。計(jì)算表明，磁場的轉(zhuǎn)換會對相反手性的分子分別產(chǎn)生在不同方向上的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。

于是，當(dāng)超新星殘余的強(qiáng)力磁場出現(xiàn)時(shí)，一種手性的氨基酸中的氮最終便朝著磁力線的方向自旋，即離開中子星北極、朝向其南極的方向，而相反手性的氨基酸也一樣不得不根據(jù)它們的氮的自旋方向來排列，即朝著離開中子星南極、朝向其北極的方向。

死亡恒星在自身重量下坍縮的過程中，它會向各個方向發(fā)出極高強(qiáng)度的中微子和反中微子射流，包括沿磁力線方向。其中，反中微子尤其容易同氮14原子核反應(yīng)，產(chǎn)生一個碳14原子核及一個正電子;中微子則在一個類似的但能量較低的反應(yīng)中，將氮14轉(zhuǎn)變成一個氧14和一個電子。在這兩種情況下，一旦氨基酸中的氮原子核遭到射流轟擊，胺基就會被炸掉，氨基酸因此崩潰。

不過，這個最新理論也面臨挑戰(zhàn)。首先，發(fā)生在大自然中的反應(yīng)有保護(hù)自旋的傾向:如果自旋的總量級和方向在反應(yīng)之前和之后保持一樣，則反應(yīng)更容易發(fā)生。氮14原子核的自旋量級是1，而碳14原子核和氧14原子核都沒有自旋。電子、中微子、正電子和反中微子的自旋量級都是0.5。此外，反中微子的自旋總是指向它前進(jìn)的方向，中微子的自旋朝向正好相反。

另外，還有一些量子理論方面的考量導(dǎo)致有關(guān)的計(jì)算更加復(fù)雜化。不過，一般來說，自旋守恒意味著中微子和反中微子更有可能炸開氨基酸，前提是氨基酸中的氮自旋方向同氨基酸自己的方向相反。其最終結(jié)果就是，在中子星的一個極附近，一種手性(右旋)的氨基酸被反中微子優(yōu)先擊碎，而在中子星的另一個極附近，中微子對相反手性(左旋)的氨基酸實(shí)施類似的轟炸，但因后者的反應(yīng)能量較低，因此轟炸強(qiáng)度不如前者。這樣一來，在超新星殘余的環(huán)境中就出現(xiàn)了手性方面的總體失衡，即左旋氨基酸多于右旋氨基酸。

有科學(xué)家認(rèn)為，手性偏好之所以不只出現(xiàn)在地球生命中，而且還出現(xiàn)在登陸地球的隕石中，根源正是超新星，因?yàn)榻M成太陽系的原材料早已被來自許多次超新星爆發(fā)的中微子處理過了，并且這些超新星爆發(fā)都選擇留下了更多的左旋氨基酸而不是右旋氨基酸。

至此，上述理論看似已經(jīng)很圓滿了，但實(shí)際上仍面臨一些棘手問題。其中之一是，由超新星爆發(fā)產(chǎn)生的高能伽馬光子射流有可能炸掉遠(yuǎn)近的一切氨基酸，因而根本就不可能創(chuàng)造手性失衡。不過，有一種方法可以避免上述矛盾:超新星殘余不是一顆中子星，而是一個更極端的實(shí)體——黑洞。黑洞會吞噬一切光線，因此就消除了伽馬射線問題。假如真是這樣，地球上氨基酸的左旋偏好就得歸因于黑洞的行為。

這真是一個非常大膽的假設(shè)，不過迄今為止它并沒有遇到太多的反對。有一個反對理由認(rèn)為，如此產(chǎn)生的不對稱(失衡)規(guī)模太小。而事實(shí)上，這可能正是需要的。實(shí)驗(yàn)表明，初始時(shí)僅有1%～5%的手性失衡，然后通過一個叫“自身催化”的化學(xué)過程來加以放大。在此過程中，哪怕開始時(shí)一種手性形式的數(shù)量只多出一點(diǎn)點(diǎn)，最終則會多出很多。遺憾的是，這種過程不可能發(fā)生在超新星周圍，因?yàn)檫@種放大需要液體環(huán)境，就像在含水小行星和早期地球上那樣的環(huán)境。

上述的手幽專變故事是不是太過繁復(fù)了?首先要有創(chuàng)造氨基酸手性平衡樣本的機(jī)制，然后要選擇性地毀掉一部分氨基酸。我們?yōu)槭裁床荒芤婚_始就創(chuàng)造出手性失衡的氨基酸樣本呢?答案或許是“我們能”。一種對生命偏手性(即手性偏好)的有希望的替代解釋基于以下事實(shí):對于制造有機(jī)分子的每99個碳12同位素原子來說，總有一個較重的碳13原子。2009年4月，日本科學(xué)家證明，這一小小的天然平衡狀態(tài)可以引發(fā)自身催化過程，最終導(dǎo)致有機(jī)產(chǎn)物中出現(xiàn)明顯可見的手性失衡。同樣的結(jié)論是否適用于氨基酸?尚待證實(shí)。

“羅塞塔”登陸彗星有可能破解地球生命的氨基酸左旋之謎。

為了破解上述奧秘，科學(xué)家也在跟蹤其他可能的線索。1997年，歐洲空間局請一組科學(xué)家為“羅塞塔”探測器設(shè)計(jì)了一種手性識別儀，能讓其識別左右兩種手性。2004年，歐洲空間局向地球附近的一顆彗星發(fā)射了“羅塞塔”。當(dāng)初，為了檢驗(yàn)手性識別儀的性能，科學(xué)家模擬彗星成分，用一氧化碳、二氧化碳、甲醇、氨和水制造了一顆“微型彗星”。接著，他們又模擬外太空的環(huán)境條件，在-261℃的溫度下，在真空艙里用紫外光輻射“微型彗星”，結(jié)果產(chǎn)生了16種不同的氨基酸，其中左旋的和右旋的都有。

目前，科學(xué)家正計(jì)劃用圓偏振紫外光來轟擊這些樣本，這些紫外光將來自于位于法國巴黎附近新近建造的“太陽同步加速器”?？茖W(xué)家希望能制造出手性失衡的樣本，從而為證明早在12年前就提出的“簡單而天然地制造手性失衡氨基酸”假說提供證據(jù)。

手性失衡之爭仍在繼續(xù)，現(xiàn)在結(jié)束這一十分前沿的科學(xué)爭論還為時(shí)過早。2014年，“羅塞塔”探測器將抵達(dá)“67P/丘留莫瓦-格拉西梅”彗星，屆時(shí)它將釋放登陸器登臨這顆彗星，鉆取樣本并分析這顆彗星表面20厘米深度的冰芯，這將成為自太陽系形成以來從未被“污染”的樣本，因而可以避免隕星登陸地球后可能被“污染”的問題。

假如屆時(shí)“羅塞塔”發(fā)現(xiàn)了左旋氨基酸的占優(yōu)偏好，就將成為手性失衡源自超新星理論的有力證據(jù)。假如一些氨基酸中左旋的占絕大多數(shù)，而另一些氨基酸中右旋的占絕大多數(shù)，就有可能找到一個單獨(dú)的圓偏振紫外光能量源。當(dāng)然，科學(xué)家也在期待另一種完全“出乎意料”的結(jié)果:屆時(shí)發(fā)現(xiàn)的全部都是右旋氨基酸。假如真是這樣，那么現(xiàn)在關(guān)于手性失衡的所有假說不都要被推翻了嗎?

其實(shí)，就算出現(xiàn)這種情況也一點(diǎn)都不奇怪，因?yàn)樵诓粩嗟挠鼗刂斜煌品虮蛔C實(shí)正是科學(xué)的魅力之所在。要是真的被推翻了，肯定有一部分科學(xué)家會感到高興:假如同手性真的是地球生命特有的故事，那么在其他某些星球上，鏡像化的史波克先生或許就能生活得如魚得水，而我們也將由此發(fā)現(xiàn)外星人同地球人的本質(zhì)上的區(qū)別。這樣的“出乎意料”，不正是讓地球人喜出望外的事嗎?

相關(guān)鏈接

力的失衡

同手性現(xiàn)象是事實(shí)?抑或只是我們的一種幻覺?對分子能量的一種計(jì)算結(jié)果向我們發(fā)出了訊息(這種計(jì)算將基本物理學(xué)的所有細(xì)節(jié)都考慮在內(nèi)了)。

在計(jì)算分子能量時(shí)，化學(xué)家通常只考慮四種基本力中的一種:電磁力，在這種情形下不會產(chǎn)生手性的差異。然而，當(dāng)新的計(jì)算方式將弱核力的影響也考慮進(jìn)去后，由于在原子核水平上弱核力是要起作用的，結(jié)果就顯示出了左旋與右旋分子形式之間極小的差異。

不過，這類計(jì)算簡直有如惡魔一般復(fù)雜，以至于至今還有人對40年前的計(jì)算結(jié)果提出質(zhì)疑。不同的能量意味著不同的物理和化學(xué)特性，如此來看，被假定行為相同的異構(gòu)對映體就應(yīng)當(dāng)并非行為一致。假如真是這樣，那么嚴(yán)格意義上的異構(gòu)對映體就不存在，所謂的“同手性”問題在基本定義上便煙消云散，不復(fù)存在。

什么是“手性”

如果你注意觀察你的手，就會發(fā)現(xiàn)左手和右手看起來一模一樣，但無論你怎樣放，它們在空間上卻無法完全重合。只有當(dāng)你把左手放在鏡子前面時(shí)，你的右手才與左手在鏡中的像完全重合。實(shí)際上，你的右手正是你的左手在鏡中的像，反之亦然。在化學(xué)中，這種現(xiàn)象被稱為“手性”。

按照科學(xué)定義，手性是指化學(xué)分子的實(shí)物與其鏡像不能完全相同的現(xiàn)象。生命是由碳元素組成的，碳原子在形成有機(jī)分子時(shí)，4個原子或基團(tuán)可以通過4根共價(jià)鍵形成三維的空間結(jié)構(gòu)，形成手性碳原子。由于相連的原子或基團(tuán)不同，會形成兩種分子結(jié)構(gòu)。這兩種分子一般擁有完全一樣的物理、化學(xué)性質(zhì)，比如沸點(diǎn)相同，溶解度和光譜也相同，但從分子的組成形狀來看，它們依然是兩種分子。這種情形就像是鏡子里和鏡子外的物體那樣，看上去互為對應(yīng)。由于是三維結(jié)構(gòu)，它們不管怎樣旋轉(zhuǎn)都不能重合。

幾乎所有生物大分子都是手性的。兩種在分子結(jié)構(gòu)上呈手性的物質(zhì)，它們的化學(xué)性質(zhì)完全相同，唯一的區(qū)別在于:在微觀上它們的分子結(jié)構(gòu)呈手性，在宏觀上它們的結(jié)晶體也呈手性。

地球生命幾乎都是左旋的

作為生命的基本結(jié)構(gòu)單元，氨基酸也有手性之分。也就是說，生命最基本的東西也有左右之分，或者說生命也有左旋或右旋之分。檢驗(yàn)手性的最好方法是:讓一束偏振光通過它，使偏振光發(fā)生左旋的是左旋氨基酸，反之則是右旋氨基酸。通過這種檢測方法，人們發(fā)現(xiàn)了一個令人震驚的事實(shí)——除了少數(shù)動物或昆蟲的特定器官內(nèi)含有少量右旋氨基酸之外，組成地球生命體的幾乎都是左旋氨基酸!右旋分子是人體生命的克星，因?yàn)槿耸怯勺笮被峤M成的生命體，不能很好地代謝右旋分子，所以食用含有右旋分子的藥物就會成為負(fù)擔(dān)，甚至造成對生命體的損害。

“反應(yīng)停事件”

在手性藥物未被人們認(rèn)識以前，歐洲一些醫(yī)生曾給孕婦服用一種叫做“反應(yīng)?！?一種谷氨酸衍生物，又名沙立度膠等)的藥物作為鎮(zhèn)痛藥或止咳藥，結(jié)果導(dǎo)致很多孕婦服用后生出無頭或缺腿缺手的先天畸形兒，有的胎兒沒有胳膊，手長在肩膀上，模樣非?？植?。僅4年時(shí)間，全世界就誕生了超過1.2萬名畸形的“海豹嬰兒”。這就是著名的“反應(yīng)停事件”。后來經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，“反應(yīng)?！钡腞體具有鎮(zhèn)靜作用，但是其異構(gòu)對映體(相反手性對映體)對胚胎有很強(qiáng)的致畸作用。正是有了20世紀(jì)60年代的這個教訓(xùn)，所以現(xiàn)在研制新藥都要經(jīng)過嚴(yán)格的生物活性和毒性試驗(yàn)，以避免其中所含的另一種手性分子對人體造成危害。