放眼身邊的動(dòng)物、植物，可以發(fā)現(xiàn)它們普遍存在一種對(duì)稱(chēng)之美：我們的臉是左右對(duì)稱(chēng)的——很難想象一個(gè)左右臉不對(duì)稱(chēng)的人會(huì)長(zhǎng)什么樣子;鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的翼翅是左右對(duì)稱(chēng)的;蝴蝶翅膀上的花紋也是左右對(duì)稱(chēng)的……左右對(duì)稱(chēng)又叫鏡像對(duì)稱(chēng)，是最常見(jiàn)的一種對(duì)稱(chēng)。

　　但是，在宏觀上充滿(mǎn)對(duì)稱(chēng)之美的生命，在微觀上卻存在深刻的不對(duì)稱(chēng)性：生命的遺傳密碼之書(shū)DNA和RNA，是右旋的螺旋結(jié)構(gòu)，自然界不存在左旋的DNA和RNA;生命的另一重要部件——蛋白質(zhì)，則大多是左旋結(jié)構(gòu)，很少有右旋的……科學(xué)上，用“手性”來(lái)稱(chēng)呼這類(lèi)與左右相關(guān)的現(xiàn)象。

　　生命的手性之謎

　　任何東西，只要無(wú)法與自己在鏡中的像重合，我們就說(shuō)它具有手性。手是最好的例子。你把雙手伸出來(lái)，手心都朝向你，然后把一只手疊放到另一只手上。它們無(wú)法重合，所以它們是手性的。你也許會(huì)說(shuō)，雙手合十，兩只手不就重合了嗎?但雙手合十的時(shí)候，手背各自朝向兩側(cè)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，不算重合。左手的手套不能靠翻個(gè)個(gè)兒變成右手的手套，也是這個(gè)道理。

　　手性有左右之分。如何區(qū)分左右手性呢?這里有個(gè)簡(jiǎn)單的辦法：伸出一只手，豎起大姆指指向螺旋的前進(jìn)方向，另外四指握拳指尖指向旋轉(zhuǎn)的方向，如果與伸出的左手相符，稱(chēng)為左旋，與右手相符則稱(chēng)為右旋。根據(jù)這樣的定義，我們說(shuō)DNA具有右手性，而蛋白質(zhì)具有左手性。

　　并非所有分子都有手性，譬如水分子就沒(méi)有手性，但大多數(shù)復(fù)雜的有機(jī)分子都是有手性的。所以，盡管化學(xué)式完全相同，它們卻存在兩個(gè)版本——左手版和右手版。這兩個(gè)版本的分子，性質(zhì)有時(shí)相近，有時(shí)卻相去甚遠(yuǎn)。例如，檸檬烯分子的兩個(gè)版本，有著不同的氣味：一個(gè)是檸檬味的，另一個(gè)是橘子味的。還有一種叫沙利度胺的藥物，其左手性的分子可安全地用于治療妊娠病，但其右手性的分子，卻會(huì)導(dǎo)致嬰兒畸形。

　　我們現(xiàn)在還知道，組成生命的重要有機(jī)分子，像DNA、RNA和蛋白質(zhì)，要么完全是右旋，要么完全是左旋的。在“組裝”生命的時(shí)候，大自然似乎有一條不成文的規(guī)定：對(duì)于同一類(lèi)分子，只采用一種手性，對(duì)另一種手性完全棄之不顧。

　　現(xiàn)在有兩個(gè)問(wèn)題。首先，生命的手性到底是怎么來(lái)的?其次，大自然為什么偏愛(ài)單一的手性?前一個(gè)叫“手性起源問(wèn)題”，后一個(gè)叫“同手性問(wèn)題”。這兩個(gè)問(wèn)題是生命進(jìn)化的核心謎團(tuán)之一，至今都沒(méi)有得到滿(mǎn)意的解釋。

　　手性的起源

　　關(guān)于手性的起源，一些化學(xué)家認(rèn)為要追溯到太空。他們認(rèn)為，組成生命的重要分子，如氨基酸和核苷酸，最早是在太空制造出來(lái)，然后隨著隕石來(lái)到地球的，所以生物分子的手性，最早也應(yīng)該追溯到太空。

　　那么，手性在太空又是如何形成的呢?他們說(shuō)，這筆賬要算到恒星的光身上。

　　光也有一個(gè)類(lèi)似于手性的屬性：自旋。光子好比子彈，一邊呼嘯著前進(jìn)，一邊在高速自旋。自旋可以是順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。一般情況下，兩種自旋的光子在恒星光中各占一半。但假如在太空的某個(gè)區(qū)域，由于某些原因，一種自旋的光子占優(yōu)勢(shì)，那么在這種自旋的光子照射下產(chǎn)生的有機(jī)分子，可能也偏向一種手性。

　　在巴黎同步輻射粒子加速器上進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)似乎支持了這一觀點(diǎn)。科學(xué)家從同步輻射加速器上引出單一自旋的光子，照射在模擬彗星成分的簡(jiǎn)單有機(jī)分子上，最后制造出了單一手性的氨基酸分子。

　　2014年，科學(xué)家原本打算向67P/楚留莫夫-格拉希門(mén)克彗星發(fā)送一個(gè)探測(cè)器，以檢查這顆彗星上的有機(jī)分子是否有手性偏好，但漫游車(chē)在降落時(shí)出了差錯(cuò)，致使它沒(méi)有機(jī)會(huì)鉆探出彗星冰層下可能含有的復(fù)雜有機(jī)分子。

　　那么，同手性問(wèn)題又該如何解釋呢?迄今一個(gè)比較合理的解釋是，同手性在幫助分子相互識(shí)別方面具有重要作用。例如，將一個(gè)個(gè)氨基酸裝配成蛋白的時(shí)候，手性相同的氨基酸分子連在一起顯得很自然(無(wú)非是把相同螺旋方向的分子連在一起形成大的螺旋)，而手性不對(duì)的分子相遇，就像握手的時(shí)候，一人伸左手，另一人伸右手一樣別扭。

　　CISS效應(yīng)

　　不知道你對(duì)上述解釋滿(mǎn)意了沒(méi)有?反正我是沒(méi)有滿(mǎn)意，問(wèn)題在于上述解釋過(guò)于籠統(tǒng)，缺少足夠的細(xì)節(jié)。

　　最近，以色列魏茨曼研究所的羅恩·納曼為生命的同手性提供了一個(gè)更有說(shuō)服力的細(xì)節(jié)。令人驚訝的是，按他的觀點(diǎn)，生命的同手性竟然與電子的一種量子屬性——自旋有關(guān)。

　　我們知道，電子是在原子核外運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電的粒子。它們的運(yùn)動(dòng)支配著化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的本質(zhì)就是電子的轉(zhuǎn)移。所以，正是電子將原子或分子粘在一起。

　　像光子一樣，電子也有自旋。電子的自旋是一種量子特性，宏觀物體的自旋可以朝向任意方向，而電子的自旋只有兩個(gè)朝向：朝上(相當(dāng)于左旋)和朝下(相當(dāng)于右旋)。

　1990年代，德國(guó)物理學(xué)家做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們向樟樹(shù)揮發(fā)的氣味分子(一種蛋白)發(fā)射電子。他們注意到透過(guò)分子的電子，其自旋存在微小的偏差：自旋朝上的電子似乎更容易透過(guò)左手性分子，而自旋朝下的電子更容易通過(guò)右手性分子。

　　納曼從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中受到啟發(fā)，他用包括DNA在內(nèi)的其他手性分子做實(shí)驗(yàn)，向它們發(fā)射電子。在這里，他看到了同樣的現(xiàn)象。電子似乎被這些手性分子過(guò)濾了：發(fā)射前的電子自旋是隨機(jī)的，但經(jīng)過(guò)DNA在內(nèi)的其他手性分子出來(lái)的大部分電子具有相同的自旋。

　　這種效應(yīng)，現(xiàn)在被稱(chēng)為“手性誘導(dǎo)自旋選擇性(CISS)”。起初人們對(duì)這種效應(yīng)表示懷疑，但現(xiàn)在它已經(jīng)在電子學(xué)上獲得廣泛的應(yīng)用。

　　納曼就借助CISS效應(yīng)來(lái)解釋生命分子的同手性問(wèn)題。

　　我們先來(lái)解釋CISS效應(yīng)本身是怎么回事。我們知道，當(dāng)電子沿著一根螺線管運(yùn)動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了電流;有電流流過(guò)的螺線管，則相當(dāng)于一根磁鐵，有它的N極和S極。我們還知道，電子是有自旋的，自旋的電子其實(shí)相當(dāng)于一根小磁針，也有它的N極和S極。當(dāng)一群自旋朝向隨機(jī)的電子在螺線管磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，一種朝向的電子受到螺線管磁場(chǎng)的吸引，另一種朝向的電子則受到排斥。

　　換句話說(shuō)，螺線管對(duì)電子的自旋有過(guò)濾作用。在上述實(shí)驗(yàn)中，手性分子就充當(dāng)了螺線管的角色。

　　同手性效率高

　　現(xiàn)在我們終于可以來(lái)回答生物分子的同手性問(wèn)題了。

　　在生命的主要過(guò)程，如光合作用和呼吸作用中，電子運(yùn)輸非常重要，因?yàn)榍懊嬲f(shuō)過(guò)，化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，而在光合作用和呼吸作用中，每秒鐘都涉及數(shù)以萬(wàn)計(jì)的化學(xué)反應(yīng)。電子在這些生命過(guò)程中，運(yùn)輸?shù)男矢叩皿@人。

　　在這些過(guò)程中，電子運(yùn)輸是通過(guò)蛋白酶來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些蛋白酶實(shí)際上是由一個(gè)個(gè)具有相同手性的氨基酸分子連接成的長(zhǎng)鏈?，F(xiàn)在，請(qǐng)?jiān)O(shè)想一下，假如這條長(zhǎng)鏈不保持同一的手性，那會(huì)怎樣?

　譬如說(shuō)，長(zhǎng)鏈上面有兩個(gè)相鄰的氨基酸分子，A是左旋的，B卻是右旋的。當(dāng)電子流過(guò)左旋的A時(shí)，根據(jù)前面介紹的CISS效應(yīng)，過(guò)濾出了自旋朝上的電子;這些電子接下去要流過(guò)氨基酸分子B，可是對(duì)于右旋的B，自旋朝上的電子恰恰是它阻擋和排斥的對(duì)象。就是說(shuō)，電子在通過(guò)這兩段氨基酸鏈的時(shí)候，前一段暢通無(wú)阻，后一段卻卡殼了，這樣一來(lái)，運(yùn)輸效率就大打折扣了。相反，如果每一個(gè)氨基酸分子都具有相同的手性，那么這些電子就會(huì)一路暢通無(wú)阻。蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)成這樣才是上策。所以，這可能就是同一類(lèi)分子進(jìn)化出同手性的原因。

　　至于為什么蛋白質(zhì)青睞左手性，而不是右手性;而糖類(lèi)分子卻反過(guò)來(lái)，青睞右手性，而不是左手性，這恐怕就只能歸因于偶然了。

　　2019年，納曼和他的同事又發(fā)現(xiàn)了反向CISS效應(yīng)的存在，即在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，具有某種自旋的電子更青睞產(chǎn)生某種手性分子。換句話說(shuō)，電子的自旋反過(guò)來(lái)對(duì)分子的手性也具有選擇性。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，納曼進(jìn)一步提出，太空中最初給生命分子打上手性“印記”的，可能是電子，而不是恒星的光。

　　納曼對(duì)手性的解釋是不是終極答案呢?現(xiàn)在還不好說(shuō)，但他的觀點(diǎn)確實(shí)讓人大開(kāi)眼界。