研究人员新模型解释地球生命分子是如何发展出他们的“惯用手”的
研究人员新模型解释地球生命分子是如何发展出他们的“惯用手”的。Credit: ACS Earth and Space Chemistry (2022). DOI: 10.1021/acsearthspacechem.2c00032
（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（by Tatyana Woodall, The Ohio State University）：俄亥俄州立大学的科学家们提出了一种新的理论，即组成地球上每一个有机体的许多蛋白质、碳水化合物、脂类和核酸等生命组成部分是如何进化成有利于某种分子结构的。
这与一个叫做手性的概念有关。手性是某些分子固有的几何性质，可以决定分子的形状、化学反应性以及它如何与其他物质相互作用。手性有时也被称为利手，因为它可以被最好地描述为我们双手之间的二分法:尽管它们不相同，但右手和左手是彼此的镜像，不能重叠，或完全重叠。
在《美国化学学会地球和空间化学》杂志上，研究人员现在提出了一个新的模型，来解释生命分子是如何发展出他们的“惯用手”的。
这种分子的左右手意识在生物化学中发挥着巨大的作用，在帮助人类开发治疗分子疾病(如癌症)的药物时尤为重要。虽然一种形式的分子可能对人类有治疗价值，但它的另一种形式的分子可能是无活性的或导致意外的出生缺陷。更重要的是，由于大自然经常表现出对特定对称性的偏好，支撑所有生物的分子只被发现对一种形式的利手表现出强烈的偏好。
“最终，尽管手性的作用现在得到了充分的认可，但科学家们对于这种偏好的对称可能是如何最初出现的还没有明确的共识，”该研究的合著者詹姆斯·考恩说，他是俄亥俄州一所著名的化学和生物化学大学的名誉教授。
“为什么许多生命的关键分子只有一种偏好的惯用手，这是一个有点神秘的原因，”考恩说。“至于它是如何产生的，这个过程一定反映了早期化学如何发展出核酸和蛋白质的优选形式的一些非常特殊的东西。”
Cowan和合著者R.J Furnstahl(俄亥俄州立大学物理学教授)描述了一个模型，其中优选手性分子的发展通过一种称为弱核力的基本相互作用而进化。仅次于重力的第二弱相互作用，这是一种导致质子衰变为中子的现象，反之亦然。
这挑战了之前关于地球手性起源的想法，之前的想法认为它是在地球早期形成期间陨石撞击地球后产生的。相反，他们的工作与“RNA世界模型”中基于RNA的化学一致，在该模型中，核糖核酸的形成是所有其他生命分子可能如何形成的关键一步。
通过结合生物学、核物理和化学的元素，Cowan和Furnstahl提供了一种解释，即在生命的构建模块中，偏好的惯用手是如何演变的，不是来自外星分子，也不是随机的机会，而是通过自然的基本力量，奠定了最终支持和影响地球上生命的分子基础。
考恩说:“想象一个有右手手套，却没有左手手套的宇宙。”在几百万年的时间里，这种对特定手的偏好变得明显，然后重复和放大，最终占主导地位
该研究得出结论，弱核力与钙等地球上丰富的金属一起放大了这种效应，可能像种子一样，以某种方式影响前生物化学，促使优先手性与大自然早期建筑材料的其余部分共生。
“基于基础物理学，我们的模型生成了具有偏好旋向性的实际化学构建模块，这可能导致我们今天知道的生命过程，并且以一种非常令人满意的方式做到了这一点，”考恩说。
虽然他们的研究目前只是纯理论性的，但研究指出，通过正确的技术，有几种方法可以证明他们的机制。不幸的是，对于研究人员来说，在实验室里重建原始时标的过程太过繁琐。
考恩说:“就制造生物赖以生存的分子而言，这些反应发生在几十万年的时间框架内。”“当然，我们没有那么多时间在实验室里等着检验这个假设。”
虽然大量的化学实验可能在铀等重元素的帮助下完成，这可能有助于在短短几年内产生结果，但另一种更实用的测试他们研究背后假设的方法可能是使用光谱学——将光分成不同的波长来研究其特性——来观察附近的系外行星，尝试确定那里的分子是否也表现出偏好的“手性”。
“如果有一种偏好的惯用手，并且它与我们在地球上观察到的类型相同，那么这将是非常非常有力的证据，证明大自然实际上指导了生物化学的进化，”考恩说。
科恩说，展望未来，他们在推进这项工作中面临的最大挑战之一是等待进行这些实验所需的技术跟上步伐。“我们能够建立一个可行的物理机制来描述这个过程是如何进行的，但下一个障碍是找到最佳的实验研究方法。”
