宇宙探索：宇宙射線或決定了生物手性

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科學家們對生命現象中的一個謎團已經苦苦思索了至少一個世紀：像人的雙手一樣，許多生物分子以一對鏡像的形式出現。事實上，他們以“右手性”和“左手性”為人所熟知。自然發生的化學反應產生的兩種形式的分子數量大致相等。但是糖和氨基酸作為構成地球上生命的基石，卻隻表現出一種手性，這使蛋白質和核酸獲得穩定的螺旋結構（比如DNA），進而讓生物體得以進化和繁衍。
“左”對“右”這種命名手性的方法有其曆史淵源，但也會稍顯武斷。例如，DNA是右手性的，與之相關的氨基酸卻是左手性的。但真正重要的不是命名，而是大自然在兩種構型間做出了選擇。一個巨大的疑問在於：為什麽其中一種手性得以發展，另一種卻沒有？是概率或偶然還是另有原因？
我們在發表於《天體物理快報》（Astrophysical Journal Letters）的一篇論文中提出了生物僅偏好一種手性背後的機製。一切要從宇宙射線講起：它是一種以接近光速的速度穿越宇宙，最終撞擊大氣層生成一係列二次粒子的不帶電子的原子核。這些粒子與早期的生物體作用後，就會產生我們如今看到的手性。該理論如果被證實，不僅能解決手性之謎，還能為我們尋找地外生命提供線索。
明確地說，我們當然不是第一個將同手性現象與弱相互作用聯係起來的團隊。Vester、Ulbricht、Zel'dovich和Salam等人早在很久以前就探討過這個想法了。但是我們研究的創新與可檢驗之處是一種基本的機製，宇宙射線通過這種機製直接作用於突變速率並因而作用於最原始、最簡單的生命體的進化過程，最終使手性在生物錯綜複雜和相互依存的結構中普遍存在。
生物手性又稱同手性，自1848年Louis Pasteur發現以來就一直是研究與辯論的熱點。物理學四種基本相互作用中與之對應的是弱相互作用，人們在20世紀50年代發現其表現出相似的手性。宇宙射線，或者更準確地說，它通過弱相互作用產生的二次粒子流是物理不對稱性和生物不對稱性之間的直接聯係。


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科學家們認為宇宙射線源自太陽、我們星係中爆炸的恒星和遙遠的黑洞。人們普遍認為它是有害的，因為宇宙射線和生物分子相互作用後，會發射或電離出一個電子並打破將原子連接起來的化學鍵。如果這種輻射強度過高，人就會生病甚至死亡。這也是火星旅行或定居火星十分危險的原因之一。當輻射水平極高時，一切生物體都會毀於一旦。
然而，低水平的電離輻射能使生物分子發生突變並促進基因多樣性。這讓生命體逐步產生微小的變化，助其在變化的環境中探尋更優的生存方式。進化就是這樣發揮作用的。正如人們對紅酒的看法一樣：小劑量是有益的！
這與同手性有什麽關係？當基本粒子兼具電荷和一種被稱作“自旋”的量子屬性時，它們就會像帶有南北兩極的小磁鐵一樣。現在，宇宙射線撞擊大氣層就能產生μ介子和電子兩種自旋帶電粒子，它們傾向於沿著南極向前移動。遇到生物分子後，這些定向的磁體可能會使左手性和右手性的生物變異速率發生微小改變。經過許多世代，或許幾十億甚至幾萬億年，這一微小偏差會導致一種手性的繁盛以及另一種的消失，同手性由此產生。這種構想的創新之處在於，它認為物理原因——宇宙射線——和生物分子的化學屬性——螺旋結構——共同影響原始生物的進化過程。


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這便是我們提出的對生物手性的解釋，像所有科學設想一樣，它也應該接受檢驗。方法有兩種：第一種是看生物的同手性現象是否無處不在。宇宙生物學麵臨的一個關鍵問題是什麽樣的環境是適合生物生存的。我們不知道生物會在何處以何種方式形成，但我們正在積極地探索太陽係其它行星的表麵及其下層、它們冰冷的衛星、小行星甚至是彗星。這些地外環境中有的含有糖和氨基酸。因為暴露在同樣的宇宙射線中，如果這些地方表現出生命跡象，他們應該和地球上的生物有著共同的手性。
第二種方法是做實驗。當我們不知道生命是如何形成的時候，這樣做很有挑戰性。但是，我們可以製造分別沿南極和北極前進的μ介子和電子磁鐵，檢測二者跟生物分子，甚至病毒和細菌的作用是否存在差異。目前已有許多理論研究和實驗旨在測定磁極化的電子（或圓偏振光）在手性選擇性化學中可能發揮的作用，但針對手性選擇性生物學的研究卻不多。
無論如何，最令人激動的是我們能夠在知道的如此多的時候提出這些問題，並做好被答案震驚的準備。
作者：Noémie Globus，紐約福萊特恩研究所計算天體物理學中心和紐約大學宇宙學和粒子物理學中心的博士後學者。Roger Blandford是斯坦福大學人文與科學學院的教授。
翻譯：鄭宸
審校：馬曉彤
引進來源：科學美國人
引進鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/cosmic-rays-and-the-handedness-of-life/


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