宇宙射线粒子和手性生物分子所发生的不对称的反应也许能解释为什么地球上所有的生命都依赖右旋 DNA 和 RNA 螺旋。图片来源：Samuel Velasco/Quanta Magazine来源 Quanta Magazine
撰文 Charlie Wood
翻译 阿金
审校 戚译引
如果你能够缩到足够小，进入地球上任何动物、植物、真菌、细菌或者病毒内部，沿着它们的基因螺旋结构向下走，就好像在走螺旋楼梯一样，你会发现自己总是在向右转，从来不会向左转。这一普遍性状需要一个解释。
化学家和生物学家没有看到明显的理由，能解释为什么所有已知的生命都偏爱这一结构。“手性”分子以成对的形式存在，它们互为镜像对称，就像右手手套和左手手套能镜像重合一样。基本上，所有已知的化学反应均会产生两者的混合物。原则上来说，由左旋核苷酸构成的 DNA 链或者 RNA 链和右旋核苷酸构成的一样好用（不过将左旋亚基和右旋亚基组合在一起的嵌合体效果可能不太好）。
但是，今天的生命只使用了这两种基本化学模块中的一种。许多研究人员相信，这样的选择是随机的：那些右旋遗传物质碰巧先出现了，或者数量稍微多了那么一些。但是一个多世纪以来，一些科学家一直在思考，生物的固有手性是否拥有更深层次的根基。
1860 年，第一位发现生命分子不对称性的科学家路易·巴斯德（Louis Pasteur）写道：“这是地球上的生命和宇宙的联系之一。”
如今，两位物理学家可能证实了巴斯德的直觉，他们将自然 DNA 固定的扭转方向和基本粒子行为联系起来。这一理论发表在 5 月的《天体物理快报》（Astrophysical Journal Letters）上，虽然它没有解释生命通过哪些具体步骤获得了现有的手性，但它坚称地球上的 DNA 和 RNA 形态绝非偶然。我们的遗传物质螺旋可能一路追溯到宇宙射线的意外影响。
这一研究“指出了我们之前没有想到的一个产生手性的原因，这看起来非常好。”哈佛大学的天文学家德米塔尔·萨谢罗夫（Dimitar Sasselov）说。他也是哈佛大学生命起源计划（Origins of Life Initiative）主任，没有参与这项研究。
宇宙射线是来自太空深处的子弹，原子的碎片像弹片那样不停落在我们头上。这些暴烈的物质是诺埃米·格罗布斯（Noémie Globus）长期以来探索的宝矿。格罗布斯是纽约大学和熨斗研究所（Flatiron Institute）计算天体物理中心的高能天体物理学家。此前，对于宇宙射线可能如何影响生命这一问题，格罗布斯并没有太深入地思考过，直到 2018 年，她在卡弗里粒子天体物理和宇宙学研究所（Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology）做访问学者时，在那里遇见了同为天体物理学家的罗杰·布兰德福德（Roger Blandford），他也是斯坦福大学研究所前所长。
他们开始讨论这样一个事实：宇宙射线束就像 DNA 链一样，拥有手性。物理事件的断裂通常是左右对半开，但是，称为 π 介子的宇宙射线粒子却是自然界罕见的例外之一。π 介子的衰变由弱力主导，这是一种已知具有镜像不对称性的基本作用力。π 介子冲进大气层，产生的粒子簇射包括电子以及它们更重的“同胞”——μ 介子，所有粒子都受到弱力作用影响，相对于它们的路径拥有相同的手性磁性取向。格罗布斯说，粒子穿过大气层时会四处反弹，但总的来说，当它们撞击地面时倾向于保持其偏好的手性。
地球最初的生命体也许不过是像裸露的发廊旋转灯柱那样的遗传物质，研究人员假设它们一开始可能有两种变体。一些拥有和我们一样的右旋 DNA 链或者 RNA 链，格罗布斯和布兰德福德称之为“活性”分子（手性命名惯例因不同领域而各异），而其他一些则是镜像翻转链——“邪恶”分子（evil，即 live 的回文形式）。研究人员使用一系列玩具模型，计算出带有偏向性的宇宙射线粒子更容易敲松右旋的“活性”螺旋中的电子，而不是左旋的“邪恶”螺旋中的电子，两者的差异很小但确实存在。理论上这样的事件会引发突变。
这种影响很微小：可能需要上百万甚至数十亿次的宇宙射线撞击，才能在“活性”链中产生一个额外的自由电子，需要的撞击次数取决于事件的能量。但如果这些电子改变了生命体基因编码中的字母，改变可能会叠加起来。格罗布斯表示，大约在一百万年的时间里，宇宙射线可能加速了我们最早祖先的演化进程，让它们战胜了自己的“邪恶”竞争对手。“如果你没有突变，你就不会演化。”她说。
研究人员的下一步任务，就是检验真实粒子的手性能否确实导致在模型中看到的快速突变。在研究发表后，格罗布斯联系了加州大学圣克鲁兹分校（University of California, Santa Cruz）的生物学家和工程师大卫·迪默（David Deamer），寻求其协助。迪默被格罗布斯的想法打动了，他提出了自己能想到的最简单的生物检测方法：名为艾姆斯试验（Ames test）的现成检验手段，让细菌菌落接触一种化学物质，检查该物质是否会引起突变。但这次评估的不是化学物质，研究人员计划用手性电子束或者 μ 介子束来考验一下微生物。
如果证明了粒子手性确实会引发微生物突变，这将会强有力地证明宇宙射线推动我们祖先从演化的起点出发，但是，这仍无法完全解释地球上生命的统一手性。比如说，理论没有解释 “活性”生命体和“邪恶”生命体如何设法从同时包含右旋和左旋构建模块的原始“生命奶昔”中获得具体形态。
“这是非常困难的一步。”杰森·德沃金（Jason Dworkin）说道，他是 NASA 戈达德太空飞行中心（NASA Goddard Space Flight Center）的资深天体生物学家，同时是西蒙斯基金会生命起源问题研究所（Simons Collaboration on the Origins of Life）的研究员，“但如果这套理论能够提供不同的机制，或者说另一种演化压力，那将会很有意思。”
甚至在遗传演化出现之前，另一未知过程似乎阻碍了“邪恶”生命的发展。形成蛋白质的简单氨基酸分子也存在两种构型，而生命更偏爱“活性”构型，而非“邪恶”构型。德沃金等人对陨石进行了仔细地分析，他们发现，某些“活性”氨基酸在数量上要比“邪恶”分子多出 20% 以上，它们可能已经将这种盈余传到了地球上。这些数量过分庞大的分子可能是暴露在圆偏振光中长达数十亿年之后最终的幸存者。圆偏振光是指朝相同方向旋转的光束，实验显示，这种光束能够以较小的差异，更加彻底地破坏另一种氨基酸分子。
但是，和宇宙射线一样，光束的作用很微小。需要进行无数次的相互作用，才能够留下可见的失衡状态，所以可能还有其他力也很好地发挥了作用，德沃金说。
萨谢罗夫鼓励格罗布斯和布兰德福德考虑一下，宇宙射线是否可能与偏振光共同塑造了小行星上的氨基酸。他猜测，要在地球上造成明显的手性差异，所需要的宇宙射线剂量可能会过于致命。他将宇宙射线比作超音速子弹，“你正在摧毁一切。”他说，“你可能最终得到了正确的手性，但实际上你也正在朝自己的脚开火。”
总之，研究人员很难找到既能解释手性的出现、又不至于让生物物质毁坏的理论，这表明我们祖先可能很幸运，受到的照射量刚刚好。
“像地球这样的行星应该有什么特别之处，保护了这种化学性。”萨谢罗夫说。
论文链接：
Globus, N. and Blandford, R., 2020. The Chiral Puzzle of Life. The Astrophysical Journal, 895(1), p.L11.
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab8dc6
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/cosmic-rays-may-explain-lifes-bias-for-right-handed-dna-20200629/
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