磁场决定生命分子的不对称性，或可揭开生命起源和演化之谜

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

文 | 陈强

1848 年，法国人路易・巴斯德（Louis Pasteur）还是一位年轻的化学家，距离他发明“巴氏消毒法”还差很多年，但他发现了煮酒时间过长时形成的晶体存在一些奇特之处。这些晶体有一半是酒石酸，这是一种自然形成于酒桶壁上的盐类。而另一半的晶体，虽然有着和酒石酸相同的原子组成，但原子排列与其成镜像对称，而且彼此无法重合。

这种分子特性在后来被称为“手性”（chirality），类似于我们的左手和右手互为镜像且无法重合。一种分子的左手版本和右手版本，它们互为对映体（enantiomer）。

巴斯德不仅发现了一些分子存在手性，而且还发现了手性的生物学意义。煮酒产生的是酒石酸是两种对映体的混合物，因为沸腾过程允许形成相同数量的左手版本和右手版本。但在酒桶中的天然晶体中，所有酒石酸分子都是右手性的，因为用于酿酒的葡萄只会产生一种对映体。

生命分子为何是不对称的？

正如我们所知，构成生命的分子都是不对称的。也就是说，当生命使用手性分子时，它们只使用某一种对映体。例如，构成 DNA 的糖分子都是右手性的，构成蛋白质的氨基酸都是左手性的。如果药物中加入了错误的对映体，有时可能会产生毒性甚至危及生命。

生命为什么会选择其中的一种手性而放弃另一种呢？科学家认为，生命起源时一定发生了某些事件，导致了生命分子的不对称性。但这些事件是什么，以及它们是否是必然发生或只是偶然发生，科学家还没有定论。

科学家提出了很多假说，试图破解这个谜团。然而，这些假说都不太与实际的地质情况相符。而且，尽管有些假说可说明某个生命分子的单一手性现象，但没有一个假说可说明整个生命系统为什么会偏向一种手性。

最近，一个研究团队发表了一系列论文，为生命分子的不对称性如何出现提供了一个全新的见解。他们的假说不仅将地球物理学、地球化学以及生命化学联系在了一起，而且还得到了相关实验的支持。

手性分子会“分散”电子

这个假说的起源，可追溯到一项 20 多年的研究。当时，以色列魏茨曼科学研究所的化学物理学家罗恩・纳曼（Ron Naaman）和他的团队发现了手性分子的关键效应。这个效应涉及到了电子的自旋，这是一种量子属性。电子自旋有两种可能的取值，通常称为“上”和“下”，或者用“+1/2”和“-1/2”表示。电子自旋不能用经典物理学来理解，因为它不是电子真的绕着自己的轴旋转，而是一种纯粹的量子效应。

要想更好地理解纳曼的发现，请想象一下你扔一个飞盘，它在飞行时会碰触到走廊的墙壁。如果飞盘碰触到右手边的墙壁，只有顺时针旋转才会让它向前弹起；否则，它会向后反弹。如果你让飞盘碰触到左手边的墙壁，则会发生相反的情况。

同样，手性分子也会根据电子的自旋旋转方向“分散”电子。这样，具有相同自旋的电子最终会聚集在手性分子的一个极处。此外，一种分子的左手版本和右手版本和在各自的极处聚集的电子自旋正好相反。

但电子的重新分布会影响手性分子与其他分子的相互作用，因为自旋相反的电子会相互吸引，而自旋相同的电子会相互排斥。纳曼等人将这种现象命名为“手性诱导自旋选择性”（CISS）效应。

因此，当手性分子接近磁性表面时，如果分子和表面具有相反的自旋，那么它们就会被拉得更近。如果自旋相同，它们就会相互排斥。（因为其他化学作用也在发生，分子不能简单地翻转以重新排列自身。）因此，磁性表面可以对不同的手性分子进行筛选。

2011 年，纳曼的团队与德国明斯特大学合作，测量了电子穿过双链 DNA 时的自旋，证实了 CISS 效应。从那时起，科学家开始了对该效应及其可能的应用，进行了一系列的研究。例如，纳曼的团队发现，可以利用 CISS 效应去除生物药品中的杂质，或从药物中排除错误的对映体，以防止重大副作用。

美国哈佛大学的天文学家迪米塔尔・萨塞洛夫（Dimitar Sasselov）和他的研究生 S・富尔坎・奥兹图克（S. Furkan Ozturk）领导的团队认为，CISS 效应在生命分子不对称性方面也有着重要的影响，于是他们与纳曼等人一起合作，开始了研究。

磁性表面可让同一种手性分子结晶

纳曼的团队已经证实，他们可以利用磁性表面来筛选出分子的一种对映体，并让它们结为只含有同一种手性的晶体。此外，英国 MRC 分子生物学实验室的约翰・萨瑟兰（John Sutherland）和他的团队，已经发现了一种被称为“核糖氨基恶唑啉”（RAO）的 RNA 前体能合成出 RNA 的 4 种核苷酸中的 2 种，并且可通过这种方法结晶出来。他们发现，被吸引到磁性表面的对映体一旦形成晶种，晶体就会优先与更多相同的对映体结合来生长。

基于这些实验，萨塞洛夫和奥兹图克提出了一种假说。他们认为，在地球早期形成时，富含矿物质的水体表面被当时地球磁场磁化，形成的磁性表面对分子起到了选择作用，使得一种手性的分子比另一种手性的分子更容易结合在一起。这样，就启动了让 RNA、氨基酸等生物分子变得不对称的过程。

该团队在哈佛大学的实验室里进行了研究。他们将一种具有磁性表面的溶液倒入培养皿中，并向其中注入了含有等量左手性的和右手性的 RAO 分子。然后，他们将培养皿放在磁铁上，并把它们一起放进冰箱里，等待第一批晶体形成。最初，他们发现有 60% 的晶体是单一手性的。当他们重复这个实验时，他们成功制出了 100% 具有相同手性的晶体。

他们还发现，如果以一种方向磁化溶液表面，产生的晶体都是右手性的；如果以另一种方向磁化溶液表面，产生的晶体都是左手性的。

但该实验仍然有一个大问题：他们在实验中使用的磁铁的磁场强度大约是地磁场的 6500 倍。因此，奥兹图克在去年 11 月前往了魏茨曼科学研究所，并和纳曼等人进行了一项后续实验。他们在实验中根本没有使用外部磁场，而且还发现，当手性分子被吸附到磁性表面上时，它们在表面上产生的局部磁场，其强度约是地磁场的 50 倍。这种局部磁场会使得晶体更容易继续生长，无需外部磁场。

RNA 会优先制造手性相反的蛋白质

但问题的关键在于，这种作用是如何传播到整个分子网络中的。在今年 8 月的《化学物理杂志》（The Journal of Chemical Physics）上发表的一篇论文中，奥兹图克、萨塞洛夫和萨瑟兰等人提出了一个模型，阐述了这种作用如何在生命起源前的分子网络中传播的。

他们的研究显示，右手性 RNA 分子的类似物与左手性氨基酸的结合速度，比与右手性氨基酸的结合速度大约快 10 倍。这一发现表明，某一手性的 RNA 会优先制造具有相反手性的蛋白质，正如自然界中所发生的那样。

奥兹图克说，该研究虽然并没有直接解释为什么生命首选的核苷酸是右手性的，而氨基酸是左手性的，但可以表明，生物分子变得不对称性的过程中，起到决定性的因素是地球的磁场。

其他的科学家对他们的研究表示欢迎，认为这会激励更多人去研究 CISS 效应与生物分子不对称性之间的联系。不过，一些科学家认为，只有当看到 CISS 效应导致 RNA 聚合时，才算真正找到了答案。

萨瑟兰的团队仍在努力证明其他两种类型的核苷酸也可以由 RAO 分子制成，而奥兹图克则希望能在更加接近自然的环境下重复这些实验。总之，他们的假说还需要更多的证据和支持。不过，它无疑为解决生命分子不对称性之谜提供了一个新的视角和思路。

参考文献：

• https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg8274

• https://pubs.aip.org/aip/jcp/article/159/6/061102/2905827/The-central-dogma-of-biological-homochirality-How

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