十三、生命起源中的对称性破缺
1．对称性破缺的含义
生命起源中的对称性破缺——生物分子手性均一性，是生命中长期未解之谜。为什么在自然界中氨基酸有L和D两种对映异构体而组成蛋白质的α-氨基酸却几乎都是L型（少数低级病毒有D型）。天然糖有D糖，也有L糖，但核糖核酸RNA脱氧核糖核酸DNA中的核糖却全都是D糖，蛋白质和核酸的这一特性称为分子的手性均一性。
生命分子RNA和DNA只由D核糖组成，蛋白质只由L氨基酸组成。核糖的正确复制取诀于L氨基酸构成的蛋白质的活性，两者的手性是密切相关的。D核糖的比旋为-23.7°，D－2脱氧核糖的比旋为-60°，是左旋光分子。值得注意的是19种L氨基酸分子并不都是左旋光分子，氨基酸的旋光符号和大小取决于侧链R基团性质，并与测定时溶液的pH有关。在无人为外加不对称因素时，天然的或实验室化学合成产物中，L型和D型分子出现的几率是相同的，但在生物体尤其是高等动物中这种选择是特有的，是什么力量在所有生物体内，从D、L分子中挑选出一半呢？
有人将上述现象归之于对称性自发破缺，并比喻为萨拉姆（Abdus Salam，1979年诺贝尔物理奖获得者）设宴请客。吃饭前，服务员将餐具布置于圆桌，各碟子间和相邻碟子间的筷子都严格等距离。入席时客人坐在碟子后，距两边筷子等距。假定所有客人无偏爱某只手拿筷子的习惯，因此未开宴前该圆桌体系是左右对称的。突然某人先拿起左（或右）边一双筷子，邻座的人不得不也拿左（或右）边筷子，这过程迅速影响全桌，最后人人都拿左（或右）边筷子，结果左右对称性打破了。这一过程开端是偶然的，向左或向右也是偶然的，称为自发的对称性破缺。但自发对称性破缺具有随机性，无法解释地球上各个蛋白质和核酸都具有同一手性的事实。看来必须存在一种不对称驱动力，才有可能解决这一难题。
1995年 3月，美国“科学”杂志报道在洛杉矶召开的“生物分子手性均一性起源”的国际会议上，与会的物理、化学、天文学家大多数认为“没有手性就没有生命”，“手性起源先于生命”。目前世界上多数学者否认神秘的生命选择力，不同意“自发的对称性破缺”，主张寻找物理缘由。其中最有吸引力的看法是，宇称不守恒的弱相互作用通过中性流联合电磁相互作用，使手性分子两对映体的电子键能有差别，并计算出左、右分子的能量差约为10－19eV。然后通过非平衡相变和自催化机制逐步放大，最后形成手性分子。
2．萨拉姆相变假说
萨拉姆是物理学家，他在20世纪60年代后期与温伯格（Weinberg）、格拉肖（Glashow）提出弱作用力和电磁力统一理论，预言原子中电子和原子核内的质子和中子有一个新的电弱作用力。它不保持宇称守恒性，70年代证实这个力存在。萨拉姆于1979年获诺贝尔物理奖，1996年11月病故。他生前的诺言是要在生物分子手性起源问题上拿第二个诺贝尔奖，可见这个问题的难度和重要性。
1993年萨拉姆提出一个新假说，由于Z0相互作用，电子与电子耦合形成库柏对，在某临界低温下玻色凝聚，有可能引起氨基酸由D型向L型的二级相变，并理论预测相变温度250K。萨拉姆认为经典化学家只考虑电磁相互作用，而没注意到电弱力，尤其是Z0力。虽然在低温下，Z0力很小，但能引起相变，α碳上的H可以给出电子，行为类似金属氢。由于弱作用宇称不守恒，Z0力以不同方式与右旋和左旋电子作用，在手性分子中Z0力产生能移。Mason和Tranter计算结果，丙氨酸、缬氨酸、丝氨酸和天冬氨酸的（L－D）型能差分别为-3.0、－6.2、－2．3和-4.8×10-19eV。Z0力使氨基酸手性分子D型处在于比其对映体L型高的能态上。对于核糖的计算则相反，L糖能态高于D糖。
3．萨拉姆假说的实验研究
萨拉姆认为地球太热，手性起源于宇宙。他的相变假说存在三个问题：
（1）低温下玻色凝聚作为手性均一的放大机制，预言的二级相变是否存在？
（2）弱中性流Z0是短程力，怎样在化学效应中起作用？
（3）断开C－H键的活化能位垒如何克服？
萨拉姆的相变假说发表后，法国里昂核物理研究所费格鲁（A．Figureau）研究组、美国马里兰大学庞南佩鲁玛实验室、中国北京大学技术物理系王文清科研组相继进行实验。法国和美国两实验室都采用了低温77K、4K、0.6K冷冻3天，然后升温测定氨基酸水溶液旋光的方法，均得出否定的结果，由于他们未考虑相变是可逆的，未发现二级相变。
我国王文清科研组为了测定低温下氨基酸是否存在二级相变，与合肥科技大学物理系杨宏顺、陈兆甲科研组合作，利用微分扫描量热仪（DSC），选择D与L型能差为6.3和3.0 ×10-19eV的缬氨酸（Val）和丙氨酸（Ala）单晶，用差分绝热连续加热量热法，测定了100K～300K D－Val（Ala）和L－Val（Ala）的等压比热Cp－T（K）图，实验结果在270±1K 有明显λ相变。实验排除了水汽、结晶水和杂质的干扰。D和L－Ala单晶X衍射数据表明，在Tc前后D－Val无晶格变化。实验测出D－Val 峰能差10-4eV／分子，这与BCS理论中超导的能隙相近。根据微观超导理论，正常超导相变不是晶格引起的，相变只涉及电子气体状态的改变。他们提出D－Val比热异常可能是由于H原子上的电子由正常电子转变为超导电子所引起的。实验还发现D－Val和D－Ala单晶的比热均高于其相应的对映体L－Val和L-Ala。晶体的比热有晶格点阵和电子两部分的贡献。X衍射数据表明D－Val在相变前后无晶格变化。磁化率测定Val和Ala单晶均为抗磁性，质量磁化率Xp＜0，因此比热大小主要归之于D与L两种单晶分子振动自由度的差别。这与萨拉姆假说及Mason计算结果一致，L型氨基酸分子处于较低能级。
4．电弱中性流宇称不守恒与生物分子手性不对称破缺
为了观察电弱力宇称不守恒在低温单晶D和L型丙氨酸和缬氨酸相变过程中的作用，我们设想在D或L－Ala分子晶体上加一个外磁场，外加磁场意味着给分子中原子以某种优先取向，目的是观察分子晶体α-碳上氢原子的宇称破坏而给出弱作用力相对长程效应的信息。
用量子磁强计MPMS－5测定了D－Ala和L－Ala单晶在200K～300K直流磁化率行为。在外加 1000高斯磁场下，首次监测出 D-Ala和L－Ala分子显示不同的电子手性特征。根据萨拉姆等的电弱统一理论，由于分子中电子与原子核之间一般的宇称守恒电磁力趋向于使每一个电子运行轨道的轴线与其自旋的方向相反，这种现象称为自旋-轨道耦合。对于右旋分子自旋-轨道耦合，有利于自旋向上的电子向下盘旋，自旋向下的分子向上盘旋。因此在D－Ala产生左旋分子占多数，其自旋方向与磁场一致，产生极化顺磁，随温度升高，质量磁化率Xp增大；而L－Ala分子，自旋-轨道耦合产生右旋分子占多数，自旋方向与磁场相反，产生定向顺磁，随温度升高，Xp减小。实验结果显示D－Ala和L－Ala单晶分子电子手性密度特征。
萨拉姆相变假说最大的困扰是如何克服断开C－H的活化能位垒。王文清从理论上指出，由于组成人体蛋白质的氨基酸不论是单晶或在水溶液中，均以偶极离子存在，其α-碳原子很容易失去一个质子而形成a-负碳离子过渡态，杂化轨道由sp3转化为sp2，构型由四面体转化为平面结构，质子可以从平面结构的两侧进攻负碳离子，从而实现D型向低能态L型转变的可能。
为了进一步验证电弱中性流宇称不守恒在镜像分子晶体D-Ala和L－Ala（图10）中的反映，中国科学院物理研究所刘玉龙研究组分别测定两种单晶在变温过程中的激光拉曼光谱，实验发现D－Ala拉曼谱在2606cm-1、2724cm-1两个峰（属于αC－H的二级谱线）在相变温度270K基本消失，而在290K、100K又会重复出现，但L－Ala无此现象。D－Ala和L－Ala两种单晶分子在相变点表现不同的行为，给出宇称在氢原子中不守恒的信息。
5．手性起源的其他学说
大自然里充满了各种各样的有趣现象，左旋和右旋就是这些现象之一。现代科学揭示，从原子到人类，自然界对手特征是不对称的。在我们周围的世界里，通常显示对其中一种手性的偏爱。比如牵牛花的藤总是向右转着往上长的，这种右旋，科学上叫顺时钟方向。又如贝壳也有一种偏爱的螺旋性。人类在结构上也是手性的，心脏在中央左侧，肝脏在右侧。在功能上，右手相对于左手的优势是一种普遍现象，与种族和文化无关。
我们吃的糖，无论是甘蔗汁制的，还是甜菜汁制的，它们的分子都是右旋的。近年来，人工合成了左旋糖，但是说也奇怪，这种糖只有甜味，却不产生热量，原来我们身体里的代谢酶，只接受存在于自然界里的右旋糖。不过左旋糖也有它特殊的作用，正因为我们机体不能消化吸收它，而它又具有甜味，所以在制作低热的甜食，或应用于像糖尿病之类病人时，就大有用处了。
在人体内，一切氨基酸分子都是左旋的，而淀粉的分子却都是右旋的，传递生物遗传信息的脱氧核糖核酸，它那巨大的分子有着盘梯一般的双螺旋形状，这种螺旋从底部到顶端，一路都呈右旋。科学家最近发现了一种呈锯齿形的核酸，它却是左旋的。
科学研究表明，生物有一种不对称的趋向，比方说，我们大脑的两个半球，就是不对称的。这是不是也和构成机体的分子其左旋、右旋有关呢？右旋的氨基丙苯，要比左旋的强10倍；而作为对大脑有效的解痛剂吗啡，分子却总是左旋的。
与手性起源密切相关的是生命究竟起源于地球还是起源于宇宙？地外起源论派对地球起源论怀疑的中心问题是，熵趋向于使分子形成消旋混合物。科学家们在地球上努力寻求一种物理力，用以对抗进化的力，以便能解释一种空间结构如何变成占优势的。研究者实验了电场、磁场、重力场是否产生某种对映体过剩。Roger Hegstron认为，物理学家应该将生物界的手性均一与自然界的基本作用力相联系。如被弱力控制的β衰变产生的电子或正电子，它们有固有的自旋，当它们沿（或逆）自旋轴方向运动时显示左旋（或右旋），是否由此引起电子辐射导致产生单一手性的生物分子。
玻纳（Bonner）提出新星的残体中子星，释放出含圆偏振光的辐射，这是一种顺（或逆）时针螺旋的电磁波，它可能造成宇宙中有机分子的一种对映体的过剩。格林伯格（Mayo Greenberg）指出慧星是由含有机物的星际尘埃组成，他提供了在实验室模拟中子星圆偏振光获得手性色氨酸的证据。并认为如果慧星上发生过单一手性分子的浓集，就有可能找到生命起源的开端。此外对火星的探测以及对默奇逊陨石的分析，也期望找到地外存在手性分子的依据。
6．生命老化的原因
年青人的眼球是黑色的、明亮的，随着年龄增大，眼球变灰色，混浊。马斯特（Masters）报道，在人的眼球晶体核内的D-天冬氨酸以每年0.14％积累，也就是说天冬氨酸由L变D的外消旋作用也是生命老化过程的一部分。因此，探索减低氨基酸外消旋速度的因素，抑制蛋白质的老化，对于延长人和哺乳动物寿命是有意义的。
日本东京市立医学综合研究所、老年综合研究所和九州大学合作研究了阿尔茨海默症病因。他们认为阿尔茨海默症是由于脑内L型氨基酸组成的物质中产生了D型氨基酸。他们对患者脑内淀粉状朊分析测定，发现患者脑内有20％～50％的氨基酸是D型的。体外实验表明混有D型氨基酸的淀粉朊比L型的容易硬化，说明大脑功能与氨基酸手性密切相关。
7．防大脑老化的奥秘
1962年诺贝尔生理医学奖得主澳大利亚的艾克尔斯（J．C．Eccles）曾预言“世界上多数伟大科学家都将研究脑”。
人脑有1011以上的脑细胞，通过1014左右的突触，神经通路纵横交错，神经元及其纤维盘旋镶嵌，形成复杂的三维网络使脑能产生感觉，控制运动，使人们具有思维、认知、学习、记忆、行为等能力。揭开大脑的奥秘是当代人类面临的最大挑战。
爱因斯坦逝世后，他的大脑被细微研究并与 11名 48～80岁的男子比较，发现爱因斯坦大脑的左右两个半球的前上和后下各4个切片，每个神经元周围的神经胶质细胞比一般人多。神经胶质细胞对神经元起营养和支持作用，说明爱因斯坦的神经元积极活动，需要更多的神经胶质细胞供给营养。爱因斯坦生前曾说他的成功，是由于像骡子一样的执拗。这说明一个伟人并不具备特殊的大脑，而仅仅在于长期坚持不懈地用脑。
8．氨基酸地质年代学
氨基酸地质年代学是一门利用化石中氨基D/L比值测定年代的科学。其基本原理为：
当生命有机体死亡后，维持生命体内仅含L-氨基酸的酶也同时失去活性。从此，L-氨基酸便开始缓慢的转化为D-氨基酸，开始了缓慢的外消旋作用，反应遵循一级可逆动力学规律。
外消旋程度（D／L）与时间的关系为：
ln［（1＋D／L）/（1－D／L）］=2kt＋c。
式中，D／L为化石中D-氨基酸和L-氨基酸，k为反应速度常数，t为化石年龄，c为常数。根据化石中D／L值和k，可求得化石的年代。
采用地质化石中残余蛋白质的水解产物——氨基酸，试样用量1～10克，尤适用于珍贵的古人类化石，测定较宽，一般可用于测定第四世纪内（104～106年）的地质年龄。
1996年5月10日，美国《科学》杂志就报道了利用氨基酸外消旋作用，测定天冬氨酸、丙氨酸和亮氨酸外消旋D／L值来判断古代DNA在样品中留存年代。
9．分子计算机
计算机专家都承认，人的大脑是世界上最先进的超级计算机，因为它不仅能计算，而且能理解、操作、自我修理、思想和感觉。人脑是有机生物分子组成的极其复杂而有序的神经网络。分子电子学专家认为，我们能够利用生物分子——特别是蛋白质分子的一些特性来建造计算机组件，它将比任何电子装置更小、更快、功能更强。计算机芯片由开关阵列组成，随着通过它们的电压变化而在两种状态0与1之间倒转。有两种状态的生物分子很多，如现在研究得最多的细菌视紫红蛋白，它可被光激活发生构象变化，代表0、1两种状态。氨基酸分子也有D、L态，我们的相变研究如果能控制D、L态转化，就可以使氨基酸分子成为未来分子计算机的开关。生物分子具有吸引力还在于它们能够一次加进一个原子基团，如D-Ala、D－Val两种氨基酸就具有类似特性。许多计算机科学家相信，如果以生物分子作为神经网络，作出人工智能的相联储存器是有希望的。
10．氨基酸的手性和食品的辐照保鲜
手性分子的对映体除了有相反而等量的旋光度外，还具有截然不同的性质。例如天然L-尼?L?\覮埙l?牛烨褓薢IO[聉]琪筋禓2筯-X江Z/?>'C龅J90营G闠輀?濿?湷??J?s9�覼?帻US龜㈣彗镀糧D贄OiP饧?Z燓揲+;f饚Q
