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电子自旋方向对有机分子的影响  

2014-10-11 15:36:10|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》http://www.huanqiukexue.com/html/newqqkj/newsm/2014/1010/24878.html

生物分子大多具有手性

  


生命由分子组成,这些分子与其镜像不同
图片来源:notjustnut/Getty
 
物理学家发现生命的不对称性——大多数生物分子都具有手性——可能源于早期进化中原子核衰变产生的电子。在一场历时13年的实验中,研究人员发现这些电子对不同手性的有机分子的破坏有一定倾向性。
 
葡萄糖、氨基酸等许多有机分子都具有手性——每个分子都有一个镜像分子,这镜像分子与分子本身的关系正如手套的左右手。然而,生物分子常以其中一种手性结构存在——比如,DNA双螺旋结构一般以右螺旋的形式扭曲成形。但这种倾向产生的原因尚未得知。
 
许多科学家认为这种选择仅出于偶然。可能是在某个充满有机物、孕育着生命的地方,一个统计学的意外导致了这两种手性分子数量上的细微不平衡。这种不平衡伴随时间增长不断扩大。
 
自然界的这种不对称法则不禁使人疑惑:为什么生命的早期阶段会出现一些打破这个平衡的物理现象。目前,在原子核衰变中存在的微弱的原子核力是唯一有可能影响手性倾向的因素:在β衰变等亚原子过程中产生的电子往往是左旋的。即与条形磁铁的磁化类似,这些电子的自旋方向与其运动方向相反。
 
在1967年,生物化学家Frederic Vester和环境科学家TiloUlbricht提出,这些自旋极化的电子——由放射性物料或大气中的宇宙射线粒子产生——控制的光电子对两种手性分子的破坏程度不同,从而造成了其数量上的细微不平衡。一些物理学家也因此提出,这些电子自身可能导致生命不对称性的形成。
 
但是人们目前尚未能证明电子或光电子对有机分子的破坏具有倾向性。许多假说都无法再现。内布拉斯加大学林肯分校化学家Timothy Gay最近发表了一篇相关论文。“这几个实验虽然证明了这些电子可导致两种手性分子数量上不平衡的产生,却不能解释其化学过程。”他补充说,“对该化学过程的精确理解将帮助科学家排除一些该过程发生的原因,从而更好地理解其中的物理作用。”
 
缓慢进行的实验
Gay与内布拉斯加大学林肯分校物理学家瞄准了溴代樟脑气体——在世界上某些地区被当做镇定剂——中处于基态的自旋极化电子。结果显示,一部分电子被分子捕获并使分子跃迁至激发态。这些分子会分解产生溴化物离子以及其他高活性化合物。通过对离子流的测量,研究人员可以确定每个手性电子的反应频率。
 
研究人员发现相比左旋电子,左旋溴代樟脑更易与右旋电子反应。该转换也适用于右旋溴代樟脑。在电子处于基态时,这种选择会发生变化从而产生相反的结果。
 
正如抛掷一枚均匀硬币的情形,这种不对称性虽然细微始终存在。Dreiling说道:“不对称性的概率与重复性抛掷硬币相近,一般来说,抛2000次,会有10003次正面向上,9997次反面向上。”
 
“保持电子的低速运动是这个历时13年的实验得出结果的关键,”Dreiling说道,“这种相互作用耗时较长,但正是这过程的缓慢促使我们获得了成功。
 
Gay说道,这个实验为手性分子数量上的不均衡提出了一个解释——虽然比较粗略。该项研究已发表于9月12日的《物理评论快报》上。
 
法国尼斯-索菲亚昂蒂波利大学分析化学家UweMeierhenrich说道,“自旋极化的电子能将自身不对称性传递给有机分子”的想法非常独特。但Gay和Dreiling
 
观察到的细微效应
要放大后才能影响整个生命化学。“关于‘放大’的研究已趋于成形,”他说,“在我看来,主要问题不在于手性的不对称性的放大,而在于它初始的形成。”
 
Meierhenrich说,他想做一些关于生物分子中的手性分子——比如氨基酸——的重复性实验以观察左旋电子是否可产生同样的效果。
 
最初的原因
即使知道自旋极化电子造成了生命的不对称性,它们的来源也尚不明了。已知的β粒子的来源包括磷-32的衰变(衰变为硫-32)、高能介子的衰变以及宇宙射线撞击大气层时一连串衰变过程产生的基本粒子的衰变。在这几种情形中,电子运动速度均比Gay所做实验中的电子快,但他也表示他们可以尝试在不破坏电子手性的前提下降低电子速度。
 
美国伊利诺斯州阿贡国家实验室化学家 Richard Rosenberg说道,慢速运动的左旋电子是通过β衰变以外的方式产生的。2008年他与他的团队证实了对磁化铁进行X射线辐射也能产生手性倾向性。他说道,尘云或彗星中与磁化粒子发生作用的分子也可产生手性。
 
Gay和他的同事计划观察其他樟脑分子的类似反应以弄清电子自旋对分子手性倾向性的作用机理。
 
左旋电子与有机分子的反应并非“生命的手性不对称性”的唯一解释。Meierhenrich偏向于另一种解释——大气层与中子星中的光散射产生的圆偏振光。2011年,Meierhenrich与他的同事证明了这种偏振光可以将自身手性传递给氨基酸分子。
 
“即使我们能解释在常见的物理现象中氨基酸左旋分子为何多于右旋分子,却也不能解释生命进化的历程。”英国格拉斯哥大学化学家Laurence Barron补充道,“没有铁证,我们永远都无法知道真相。”(撰文:伊丽莎白?吉布尼(Elizabeth Gibney)  翻译:彭爽娟  审稿:龚聪)
 

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原文链接:
http://www.nature.com/news/force-of-nature-gave-life-its-asymmetry-1.15995
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