手性之謎：地球生命為何偏愛右旋DNA？_風聞

在生命起源初期，宇宙射線可能賦予了右旋遺傳螺旋結構進化優勢。

想象一下，如果你能縮小到足夠小，像走螺旋樓梯一樣走進地球上任何動物、植物、真菌、細菌或病毒的基因，沿着基因結構螺旋下行，你會發現自己的旋轉方向總是向右——從不會向左。這一普遍現象至今仍然缺乏合理的解釋。

化學家和生物學家至今不解：為何所有已知生命都偏愛這種結構？“手性”分子就像左右手套一樣成對存在，彼此鏡像對稱。但幾乎所有已知化學反應都會均勻地產生兩種手性分子。理論上，用左旋核苷酸“磚塊”搭建的DNA或RNA鏈，應該和右旋核苷酸構建的DNA或RNA鏈具有同等功能（不過左、右旋核苷酸混搭的嵌合體可能無法正常運作）。

然而現今生命只選擇了化學“樂高積木”中的右旋版本。許多研究者認為這種選擇純屬偶然——右旋遺傳鏈可能只是恰好最先出現，或數量略佔優勢。但一個多世紀以來，始終有人懷疑：生命對遺傳物質結構的手性偏好或許另有玄機。

“這是地球生命與宇宙之間的紐帶之一，”1860年，最早發現生命分子不對稱性的科學家之一——路易·巴斯德（Louis Pasteur）曾如是寫道。

如今，兩位物理學家可能驗證了巴斯德的直覺。他們將天然DNA中恆定的螺旋形狀與基本粒子的行為聯繫了起來。這一理論在5月發表在《天體物理學快報》上。該理論雖未完整解釋生命手性特徵形成的每一個環節，但其表明，地球上的DNA和RNA的形狀並非偶然。我們遺傳物質中的螺旋形態，或許都源自宇宙射線的神秘影響。

“這項研究指出了一種我們此前未曾考慮的影響手性構型的新因素，”哈佛大學天文學家、生命起源計劃主任迪米塔爾·薩塞洛夫（Dimitar Sasselov）説道，他並未參與這項研究。但他評價道，“這個發現很有價值”。

宇宙射線就像來自深空的子彈，是持續轟擊地球的原子碎片，如雨點般持續傾瀉在我們頭頂。紐約大學高能天體物理學家、Flatiron研究所計算天體物理中心研究員諾埃米·格洛布斯（Noémie Globus）長期研究這些高能粒子。但直到2018年，格洛布斯在斯坦福大學Kavli粒子天體物理與宇宙學研究所訪學時，才真正開始思考宇宙射線對生命的影響。在那裏，她遇到了同為天體物理學家的羅傑·布蘭福德（Roger Blandford），該研究所的前主任。

他們的研究起點是：宇宙射線簇射和DNA鏈一樣具有手性。雖然物理事件通常左右對稱，但宇宙射線簇射中的某些粒子卻展現出自然界罕見的對稱性例外。當宇宙射線中的高能質子撞擊大氣時，會產生π介子（Pions）。而π介子的快速衰變受弱相互作用（弱力）支配——這是自然界唯一已知具有鏡像不對稱性的基本力。這些π介子撞擊大氣後，會產生包括電子及其更重的兄弟粒子μ子（Muons）在內的粒子簇射。這些粒子在弱力的影響下，與其運動路徑保持相同的手性磁性方向。格洛布斯解釋道，儘管這些粒子在大氣中穿行時會不斷偏轉，總體仍傾向於保持特定的手性特徵。

研究人員推測，地球最早的生命體——可能只是裸露的遺傳物質螺旋結構，可能存在兩種形態。其中一些擁有與我們相似的DNA或RNA螺旋結構，布蘭福德先生和格洛布斯稱之為“活”分子（手性命名規則因學科而異），另一些則攜帶鏡像反轉的螺旋結構——姑且稱為“惡”分子。通過構建一系列簡化模型，他們計算出：帶有偏向性的宇宙射線粒子從“活”型螺旋（右旋）中擊出電子的概率，要比從"惡"型螺旋（左旋）中擊出電子的概率稍高一些，理論上，這會引發基因突變。

這種效應極其微弱：根據粒子能量差異，可能需要數百萬甚至數十億次宇宙射線撞擊，才能在“活”型螺旋中多產生一個自由電子。但若這些額外電子改變了生命體的遺傳密碼，微小差異經過長期累積就可能產生質變。格洛布斯認為，在可能長達百萬年的時間跨度裏，宇宙射線或許加速了我們遠古祖先的進化進程，使其在競爭中勝過“惡”分子。“沒有突變，就沒有進化，”她解釋道。

圖源：露西·瑞丁·伊坎達；圖片授權：西蒙斯基金會（《量子雜誌》改編）

研究人員下一步要驗證：真實粒子的手性特徵，是否能像模型預測那樣加速粒子的突變。論文發表後，格洛布斯聯繫了加州大學聖克魯茲分校的生物學家兼工程師戴維·迪默（David Deamer）尋求合作。迪默被她的設想打動，建議她採用最簡便的生物檢測方法：一種現成的檢測手段——艾姆斯試驗（Ames test）。該試驗通常用化學物質處理菌落，以檢測該物質是否引起突變。經改進，他們計劃用手性電子束或μ介子束來轟擊微生物。

宇宙射線粒子與手性生物分子的不對稱相互作用，或許能解釋為何地球所有生命都只採用右旋DNA和RNA螺旋結構。插圖作者：塞繆爾·貝拉斯科（Samuel Velasco）/《量子雜誌》

若實驗證實粒子手性確實能引發微生物突變，將進一步支持宇宙射線推動早期生命進化的假説，但該理論仍無法完全解釋地球生命高度統一的右手性結構。例如，該理論尚未解釋：在同時含有左右手性基本構件的原始分子集合中，“活”性（右手性）生命體與“惡”性（左手性）生命體究竟如何形成的。

“這是相當艱鉅的一步，”美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的資深天體生物學家、西蒙斯生命起源合作計劃基金會研究員傑森·德沃金（Jason Dworkin）評價道，“但如果該理論能提出一種新機制，或是另一種‘達爾文式選擇壓力’，即一種新的自然選擇對生物進化產生的推動力，那將會非常有趣。”

早在遺傳進化登場的數十億年前，似乎就有某種神秘力量在阻礙“惡”性（左手性）生命的形成。構成蛋白質的簡單氨基酸分子同樣存在“活”性構型（被生命青睞）與“惡”性構型（遭生命排斥）之分。儘管生命偏好的“活”性氨基酸幾乎清一色是左旋構型。德沃金等人對隕石進行了精密的分析，發現隕石上某些“活”性氨基酸比“惡”性氨基酸的數量多出20%，甚至更多，這種佔有數量優勢的氨基酸，可能隨隕石降臨地球，並在地球上延續了下來。這些多出的分子或許是歷經數十億年圓偏振光照射後的倖存者——實驗表明，這種所有光束螺旋方向一致的特殊光線，對某類氨基酸的破壞率會稍高於另一類。

然而，類似於宇宙射線，這種光束的影響力也非常微弱。要產生明顯的失衡，需要歷經無數次的相互作用。因此，很可能還有其他作用力參與其中。德沃金指出，僅憑光本身的作用，需要摧毀天文數字量級的分子，簡直不現實。

薩瑟洛夫鼓勵格洛布和布蘭福德進一步思考：宇宙射線是否會與偏振光協同作用，共同塑造小行星上的氨基酸手性特徵。他推測，在地球上，要產生明顯的手性差異，可能需要相當於“超音速子彈”劑量的宇宙射線轟擊，但這種強度可能對生命構成致命威脅。“射線在摧毀大量物質的同時，”他主張道，“或許能留下正確的手性構型，但本質上也會摧毀生命本身。”

研究者們最終也難以找到既能解釋手性起源、又不完全破壞生命物質的理論。這表明，我們的祖先能恰好處於兩者之間微妙的平衡點，或許只是幸運使然。

“地球想必有一些特殊之處，能夠保護這種化學反應，”薩塞洛夫總結道。

作者：Charlie Wood

翻譯：邊穎

審校：7號機

原文鏈接：Cosmic Rays May Explain Life’s Bias for Right-Handed DNA