手性之谜：地球生命为何偏爱右旋DNA？

在生命起源初期，宇宙射线可能赋予了右旋遗传螺旋结构进化优势。

想象一下，如果你能缩小到足够小，像走螺旋楼梯一样走进地球上任何动物、植物、真菌、细菌或病毒的基因，沿着基因结构螺旋下行，你会发现自己的旋转方向总是向右——从不会向左。这一普遍现象至今仍然缺乏合理的解释。

化学家和生物学家至今不解：为何所有已知生命都偏爱这种结构？“手性”分子就像左右手套一样成对存在，彼此镜像对称。但几乎所有已知化学反应都会均匀地产生两种手性分子。理论上，用左旋核苷酸“砖块”搭建的DNA或RNA链，应该和右旋核苷酸构建的DNA或RNA链具有同等功能（不过左、右旋核苷酸混搭的嵌合体可能无法正常运作）。

然而现今生命只选择了化学“乐高积木”中的右旋版本。许多研究者认为这种选择纯属偶然——右旋遗传链可能只是恰好最先出现，或数量略占优势。但一个多世纪以来，始终有人怀疑：生命对遗传物质结构的手性偏好或许另有玄机。

“这是地球生命与宇宙之间的纽带之一，”1860年，最早发现生命分子不对称性的科学家之一——路易·巴斯德（Louis Pasteur）曾如是写道。

如今，两位物理学家可能验证了巴斯德的直觉。他们将天然DNA中恒定的螺旋形状与基本粒子的行为联系了起来。这一理论在5月发表在《天体物理学快报》上。该理论虽未完整解释生命手性特征形成的每一个环节，但其表明，地球上的DNA和RNA的形状并非偶然。我们遗传物质中的螺旋形态，或许都源自宇宙射线的神秘影响。

“这项研究指出了一种我们此前未曾考虑的影响手性构型的新因素，”哈佛大学天文学家、生命起源计划主任迪米塔尔·萨塞洛夫（Dimitar Sasselov）说道，他并未参与这项研究。但他评价道，“这个发现很有价值”。

宇宙射线就像来自深空的子弹，是持续轰击地球的原子碎片，如雨点般持续倾泻在我们头顶。纽约大学高能天体物理学家、Flatiron研究所计算天体物理中心研究员诺埃米·格洛布斯（Noémie Globus）长期研究这些高能粒子。但直到2018年，格洛布斯在斯坦福大学Kavli粒子天体物理与宇宙学研究所访学时，才真正开始思考宇宙射线对生命的影响。在那里，她遇到了同为天体物理学家的罗杰·布兰福德（Roger Blandford），该研究所的前主任。

他们的研究起点是：宇宙射线簇射和DNA链一样具有手性。虽然物理事件通常左右对称，但宇宙射线簇射中的某些粒子却展现出自然界罕见的对称性例外。当宇宙射线中的高能质子撞击大气时，会产生π介子（Pions）。而π介子的快速衰变受弱相互作用（弱力）支配——这是自然界唯一已知具有镜像不对称性的基本力。这些π介子撞击大气后，会产生包括电子及其更重的兄弟粒子μ子（Muons）在内的粒子簇射。这些粒子在弱力的影响下，与其运动路径保持相同的手性磁性方向。格洛布斯解释道，尽管这些粒子在大气中穿行时会不断偏转，总体仍倾向于保持特定的手性特征。

研究人员推测，地球最早的生命体——可能只是裸露的遗传物质螺旋结构，可能存在两种形态。其中一些拥有与我们相似的DNA或RNA螺旋结构，布兰福德先生和格洛布斯称之为“活”分子（手性命名规则因学科而异），另一些则携带镜像反转的螺旋结构——姑且称为“恶”分子。通过构建一系列简化模型，他们计算出：带有偏向性的宇宙射线粒子从“活”型螺旋（右旋）中击出电子的概率，要比从"恶"型螺旋（左旋）中击出电子的概率稍高一些，理论上，这会引发基因突变。

这种效应极其微弱：根据粒子能量差异，可能需要数百万甚至数十亿次宇宙射线撞击，才能在“活”型螺旋中多产生一个自由电子。但若这些额外电子改变了生命体的遗传密码，微小差异经过长期累积就可能产生质变。格洛布斯认为，在可能长达百万年的时间跨度里，宇宙射线或许加速了我们远古祖先的进化进程，使其在竞争中胜过“恶”分子。“没有突变，就没有进化，”她解释道。

图源：露西·瑞丁·伊坎达；图片授权：西蒙斯基金会（《量子杂志》改编）

研究人员下一步要验证：真实粒子的手性特征，是否能像模型预测那样加速粒子的突变。论文发表后，格洛布斯联系了加州大学圣克鲁兹分校的生物学家兼工程师戴维·迪默（David Deamer）寻求合作。迪默被她的设想打动，建议她采用最简便的生物检测方法：一种现成的检测手段——艾姆斯试验（Ames test）。该试验通常用化学物质处理菌落，以检测该物质是否引起突变。经改进，他们计划用手性电子束或μ介子束来轰击微生物。

宇宙射线粒子与手性生物分子的不对称相互作用，或许能解释为何地球所有生命都只采用右旋DNA和RNA螺旋结构。插图作者：塞缪尔·贝拉斯科（Samuel Velasco）/《量子杂志》

若实验证实粒子手性确实能引发微生物突变，将进一步支持宇宙射线推动早期生命进化的假说，但该理论仍无法完全解释地球生命高度统一的右手性结构。例如，该理论尚未解释：在同时含有左右手性基本构件的原始分子集合中，“活”性（右手性）生命体与“恶”性（左手性）生命体究竟如何形成的。

“这是相当艰巨的一步，”美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的资深天体生物学家、西蒙斯生命起源合作计划基金会研究员杰森·德沃金（Jason Dworkin）评价道，“但如果该理论能提出一种新机制，或是另一种‘达尔文式选择压力’，即一种新的自然选择对生物进化产生的推动力，那将会非常有趣。”

早在遗传进化登场的数十亿年前，似乎就有某种神秘力量在阻碍“恶”性（左手性）生命的形成。构成蛋白质的简单氨基酸分子同样存在“活”性构型（被生命青睐）与“恶”性构型（遭生命排斥）之分。尽管生命偏好的“活”性氨基酸几乎清一色是左旋构型。德沃金等人对陨石进行了精密的分析，发现陨石上某些“活”性氨基酸比“恶”性氨基酸的数量多出20%，甚至更多，这种占有数量优势的氨基酸，可能随陨石降临地球，并在地球上延续了下来。这些多出的分子或许是历经数十亿年圆偏振光照射后的幸存者——实验表明，这种所有光束螺旋方向一致的特殊光线，对某类氨基酸的破坏率会稍高于另一类。

然而，类似于宇宙射线，这种光束的影响力也非常微弱。要产生明显的失衡，需要历经无数次的相互作用。因此，很可能还有其他作用力参与其中。德沃金指出，仅凭光本身的作用，需要摧毁天文数字量级的分子，简直不现实。

萨瑟洛夫鼓励格洛布和布兰福德进一步思考：宇宙射线是否会与偏振光协同作用，共同塑造小行星上的氨基酸手性特征。他推测，在地球上，要产生明显的手性差异，可能需要相当于“超音速子弹”剂量的宇宙射线轰击，但这种强度可能对生命构成致命威胁。“射线在摧毁大量物质的同时，”他主张道，“或许能留下正确的手性构型，但本质上也会摧毁生命本身。”

研究者们最终也难以找到既能解释手性起源、又不完全破坏生命物质的理论。这表明，我们的祖先能恰好处于两者之间微妙的平衡点，或许只是幸运使然。

“地球想必有一些特殊之处，能够保护这种化学反应，”萨塞洛夫总结道。

作者：Charlie Wood

翻译：边颖

审校：7号机

原文链接：Cosmic Rays May Explain Life’s Bias for Right-Handed DNA