就像左右手一样，某些分子也有镜像对称的两种，但是为什么形成生命的分子大都是左旋的？
大海捞针？寻找第一个生物分子。图片来源：Hubble Heritage/Flickr, CC BY-SA
虽然绝大多数人都是惯用右手的，我们的蛋白质分子却都是左旋的。就像你的左右手互为镜像一样，分子也可能有两种镜像对称的结构。在实验室中，两种对映体形成的概率相同，但令人不解的是，生命分子大多是左旋的。最新的一项研究表明，这可能是因为，在太阳形成之前，孕育恒星的星云中生成的第一个生命分子是左旋结构的。
，NASA的“星尘”号飞船穿过了一颗彗星周围的气体晕。它发现了组成生命的最简单零件：甘氨酸。彗星是冰冻的天体，是早期太阳系剩下来的原料，因此它们的成分与行星不同，而是与形成太阳的原初气体云相似。
一个研究团队最近重现了这样一个产星星云内部的极寒状态。在温度已经相当低的实验室中，一个通过密封与周围空气隔绝的仪器内部温度可被降到-263℃，只比分子停止振动的绝对零度高10度。他们认为，悬浮于这样的冰冷空气中的尘埃，其表面上的甘氨酸会发生某种变化，转化为左旋。
蛋白质分子：一群左撇子。图片来源：Perhelion/Wikimedia
在甘氨酸分子的中心，是一个有四个化学键的碳原子。如果其中两个化学键都连接着氢原子，则它是对称的分子，既不是左旋，也不是右旋。但当把其中一个氢原子换成一个更重的原子后，对称性就被破坏了。这个甘氨酸分子就可以形成两种镜像对称的结构，具有了手性，或者说化学中所称的“旋光性”。
此实验表明，甘氨酸的一个氢原子可以被氘替代，氘是氢更重的同位素，其原子核比氢原子多一个中子，因而原子质量是氢原子的两倍。氘在产星星云中含量很高，因此会形成很多含氘的化合物，包括重水。一旦氘替代了氢，就很难再换回来。这意味着具有手性的甘氨酸的比例会稳定增加，直到星云内部多数甘氨酸都显示出左旋或右旋性。
手性甘氨酸和原始甘氨酸十分相似，但多了一个十分重要的性质。实验证明，手性甘氨酸对其他手性分子具有催化作用。就是说，它可以促进其他与自身旋光性相同的分子形成。
结论是，如果甘氨酸成为左旋分子，后来形成的生物分子也大都是左旋的。因此当生命在地球上形成时，也会是由左旋分子组成的，最后就形成了我们现在所观察到的生命左旋倾向。
探寻宇宙中的甘氨酸
这项发现还有可能解决另一个问题。虽然科学家一般认为甘氨酸在产星星云中含量很高，但这一现象并未被实际观测到。一种分子会吸收特定波长的星光。吸收的波长取决于原子本身的性质和它们的排列方式，这样每种分子就有了其独特的吸收光谱。甘氨酸的吸收光谱却一直未被观测到。不过，这些研究只寻找了对称的甘氨酸，而将其左旋结构的对映体忽略了。如果绝大多数甘氨酸都是左旋的，它们会吸收不同波长的光，从而被遗漏。
这是个很令人激动的想法，但仍存在很多问题。在新的实验中，科学家可以辨别出氘的确可以替代氢，从而形成手性甘氨酸，但因为数量太少，所以还不能看出是哪一种旋光性的结构。
有可能是尘埃的结构更利于左旋或右旋分子形成。或者是，两种对映体都能形成，但其中一种很容易被破坏。这个问题的答案将告诉我们是否太阳系之外的生命也具有与我们相同的左旋倾向。
作者简介：Elizabeth Tasker是北海道大学的助理教授。（翻译：马晓彤 审校：韩晶晶）
