科学家发现弱核力导致生命体出现不对称性
时间:2017-12-07

  科学家发现弱核力导致生命体的不对称 - 新闻 - 科学网

  生命的身体大多由与自身不同的分子组成。图片来源:notjustnut

  物理学家发现一些微妙的迹象表明,身体的不对称可能是由于核衰变在早期进化阶段产生的电子所造成的,所谓生命的不对称意味着大多数生物化学分子是左旋或右旋在一项为期13年的实验中,研究人员发现,这些电子往往比其镜像更频繁地破坏特定的有机分子。

  许多有机分子,包括葡萄糖和大部分生物氨基酸,都是手性的。这意味着它们与自己的镜子不同,正如左手和右手手套不重迭。同时,生物不断使用其中的一个版本。例如,标准形式的双螺旋DNA总是像右螺旋一样旋转。但是,这种偏好的原因一直是一个谜。

  许多科学家相信这个选择是偶然的。也许在充满有生命的有机化合物的池塘里,统计上的一致导致两种化学物质的相对量的小的不平衡。后来,随着时间的推移,这种不平衡状态继续放大。

  然而,这种自然规律的不对称性不禁让人怀疑一些物理现象是否已经颠覆了生命早期的平衡。参与核衰变的弱核力量是自然界中唯一具有旋转偏好的自然力量。被称为衰变的亚原子过程产生总是左旋的电子。这意味着它们的自旋,一个类似于磁棒磁化的量子特性,总是反对电子运动的方向。

  1967年,生物化学家弗雷德里克·韦斯特(Frederic Vester)和环境科学家蒂罗·乌布利希(Tilo Ulbricht)提出,由这些所谓的自旋极化电子产生的光子将会破坏这些类型的分子中更多的一种,造成这种不平衡。在这方面,一些物理学家认为电子本身可能是不对称的来源。

  尽管科学家总是在寻找化学过程,而这些化学过程往往会破坏分子的某个版本而不是镜子,但电子或光子却没有多大用处。许多研究人员已经宣布,不​​可能重现这一过程。内布拉斯加大学化学家,最新研究的合着者,内布拉斯加大学的化学家蒂莫西·盖伊(Timothy Gay)说,只有少数实验发现电子自旋引起的手性失衡不能证实化学背后的化学反应。然而,准确地描述化学反应可以帮助科学家排除一些可能的原因,同时更好地理解组成它的物理现象。

  盖伊和内布拉斯加大学的另一位物理学家琼·德赖林(Joan Dreiling)将低能自旋极化电子发射到溴溴坎(bromocampane)气体中。溴樟脑是一种有机化合物,在某些地方用作镇静剂。在最终的反应中,一些电子被分子捕获,然后进入激发态。之后,这些分子立即断裂,产生溴离子和其他高活性化合物。通过测量产生的离子的流速,研究人员可以找出反应将导致每个电子自旋的频率。

  研究人员还发现,levoviride更可能与右旋电子反应,反之亦然。在低能量下,这个方向的偏好迅速变化,造成相反的不对称。在所有情况下,这种不对称性是微弱的,但仍然存在。这种不对称发生在我们不停地投掷2万个硬币的时候,平均有10003次面朝上,9997次面朝上。德莱林说。

  自旋极化电子可以将它们自己的不对称转变成有机分子的想法是非常有吸引力的。法国尼斯索菲大学的分析化学家Uwe Meierhenrich认为,Gay和Dreiling所观察到的微小的影响被放大了,从而影响了整个生命的化学反应。与此同时,他表示希望能够重复对与生命起源相关的手性分子的实验,以确定左手电子是否能够产生相同的效果。

  虽然自旋极化电子使生命有机体的手性具有选择性,但这些电子的第一代是什么还不清楚。粒子的来源包括放射性磷衰变成硫,或者宇宙射线粒子进入大气时由于一系列衰变而产生的基本粒子介子的衰变。在这两种情况下,电子的速度比盖伊的速度快得多。然而,盖伊说,它可以减慢电子,而不会失去手性。

  阿贡国家实验室化学家理查德·罗森伯格(Richard Rosenberg)说,低速左手电子是通过衰减以外的其他手段产生的。 2008年,他和他的团队证明,使用X射线辐射来磁化铁层也产生了手性。同时,附着在尘埃云或彗星中磁化粒子上的分子也能产生手性。

  左手电子与有机分子的反应并不是手性不对称的唯一可能的解释。 Meierhenrich更可能将其归因于由大气和中子星光散射产生的圆偏振光。 2011年,他和他的同事证实,这种类型的光线可以将自己的旋转方向转化为氨基酸。

  然而,即使证明常见的物理现象如何倾向于选择L-氨基酸,并不意味着这解释了生命是如何演变的。英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)化学家劳伦斯·巴伦(Laurence Barron)表示。 (宗华)

  中国科学通报(2014-10-09第3版国际)

  阅读更多信息

  自然报告(英文)