研究人員新模型解釋地球生命分子是如何發(fā)展出他們的“慣用手”的。Credit: ACS Earth and 研究Space Chemistry (2022). DOI: 10.1021/acsearthspacechem.2c00032
（神秘的地球uux.cn）據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（by Tatyana Woodall, The Ohio State University）：俄亥俄州立大學(xué)的科學(xué)家們提出了一種新的理論，即組成地球上每一個(gè)有機(jī)體的新模型解許多蛋白質(zhì)、碳水化合物、釋地脂類(lèi)和核酸等生命組成部分是球生如何進(jìn)化成有利于某種分子結(jié)構(gòu)的。
這與一個(gè)叫做手性的命分們概念有關(guān)。手性是展出某些分子固有的幾何性質(zhì)，可以決定分子的慣用手形狀、化學(xué)反應(yīng)性以及它如何與其他物質(zhì)相互作用。研究手性有時(shí)也被稱為利手，新模型解因?yàn)樗梢员蛔詈玫孛枋鰹槲覀冸p手之間的釋地二分法:盡管它們不相同，但右手和左手是球生彼此的鏡像，不能重疊，命分們或完全重疊。展出
在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)地球和空間化學(xué)》雜志上，慣用手研究人員現(xiàn)在提出了一個(gè)新的模型，來(lái)解釋生命分子是如何發(fā)展出他們的“慣用手”的。
這種分子的左右手意識(shí)在生物化學(xué)中發(fā)揮著巨大的作用，在幫助人類(lèi)開(kāi)發(fā)治療分子疾病(如癌癥)的藥物時(shí)尤為重要。雖然一種形式的分子可能對(duì)人類(lèi)有治療價(jià)值，但它的另一種形式的分子可能是無(wú)活性的或?qū)е乱馔獾某錾毕荨８匾氖牵捎诖笞匀唤?jīng)常表現(xiàn)出對(duì)特定對(duì)稱性的偏好，支撐所有生物的分子只被發(fā)現(xiàn)對(duì)一種形式的利手表現(xiàn)出強(qiáng)烈的偏好。
“最終，盡管手性的作用現(xiàn)在得到了充分的認(rèn)可，但科學(xué)家們對(duì)于這種偏好的對(duì)稱可能是如何最初出現(xiàn)的還沒(méi)有明確的共識(shí)，”該研究的合著者詹姆斯·考恩說(shuō)，他是俄亥俄州一所著名的化學(xué)和生物化學(xué)大學(xué)的名譽(yù)教授。
“為什么許多生命的關(guān)鍵分子只有一種偏好的慣用手，這是一個(gè)有點(diǎn)神秘的原因，”考恩說(shuō)。“至于它是如何產(chǎn)生的，這個(gè)過(guò)程一定反映了早期化學(xué)如何發(fā)展出核酸和蛋白質(zhì)的優(yōu)選形式的一些非常特殊的東西。”
Cowan和合著者R.J Furnstahl(俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)教授)描述了一個(gè)模型，其中優(yōu)選手性分子的發(fā)展通過(guò)一種稱為弱核力的基本相互作用而進(jìn)化。僅次于重力的第二弱相互作用，這是一種導(dǎo)致質(zhì)子衰變?yōu)橹凶拥默F(xiàn)象，反之亦然。
這挑戰(zhàn)了之前關(guān)于地球手性起源的想法，之前的想法認(rèn)為它是在地球早期形成期間隕石撞擊地球后產(chǎn)生的。相反，他們的工作與“RNA世界模型”中基于RNA的化學(xué)一致，在該模型中，核糖核酸的形成是所有其他生命分子可能如何形成的關(guān)鍵一步。
通過(guò)結(jié)合生物學(xué)、核物理和化學(xué)的元素，Cowan和Furnstahl提供了一種解釋?zhuān)丛谏臉?gòu)建模塊中，偏好的慣用手是如何演變的，不是來(lái)自外星分子，也不是隨機(jī)的機(jī)會(huì)，而是通過(guò)自然的基本力量，奠定了最終支持和影響地球上生命的分子基礎(chǔ)。
考恩說(shuō):“想象一個(gè)有右手手套，卻沒(méi)有左手手套的宇宙。”在幾百萬(wàn)年的時(shí)間里，這種對(duì)特定手的偏好變得明顯，然后重復(fù)和放大，最終占主導(dǎo)地位
該研究得出結(jié)論，弱核力與鈣等地球上豐富的金屬一起放大了這種效應(yīng)，可能像種子一樣，以某種方式影響前生物化學(xué)，促使優(yōu)先手性與大自然早期建筑材料的其余部分共生。
“基于基礎(chǔ)物理學(xué)，我們的模型生成了具有偏好旋向性的實(shí)際化學(xué)構(gòu)建模塊，這可能導(dǎo)致我們今天知道的生命過(guò)程，并且以一種非常令人滿意的方式做到了這一點(diǎn)，”考恩說(shuō)。
雖然他們的研究目前只是純理論性的，但研究指出，通過(guò)正確的技術(shù)，有幾種方法可以證明他們的機(jī)制。不幸的是，對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)室里重建原始時(shí)標(biāo)的過(guò)程太過(guò)繁瑣。
考恩說(shuō):“就制造生物賴以生存的分子而言，這些反應(yīng)發(fā)生在幾十萬(wàn)年的時(shí)間框架內(nèi)。”“當(dāng)然，我們沒(méi)有那么多時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室里等著檢驗(yàn)這個(gè)假設(shè)。”
雖然大量的化學(xué)實(shí)驗(yàn)可能在鈾等重元素的幫助下完成，這可能有助于在短短幾年內(nèi)產(chǎn)生結(jié)果，但另一種更實(shí)用的測(cè)試他們研究背后假設(shè)的方法可能是使用光譜學(xué)——將光分成不同的波長(zhǎng)來(lái)研究其特性——來(lái)觀察附近的系外行星，嘗試確定那里的分子是否也表現(xiàn)出偏好的“手性”。
“如果有一種偏好的慣用手，并且它與我們?cè)诘厍蛏嫌^察到的類(lèi)型相同，那么這將是非常非常有力的證據(jù)，證明大自然實(shí)際上指導(dǎo)了生物化學(xué)的進(jìn)化，”考恩說(shuō)。
科恩說(shuō)，展望未來(lái)，他們?cè)谕七M(jìn)這項(xiàng)工作中面臨的最大挑戰(zhàn)之一是等待進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)所需的技術(shù)跟上步伐。“我們能夠建立一個(gè)可行的物理機(jī)制來(lái)描述這個(gè)過(guò)程是如何進(jìn)行的，但下一個(gè)障礙是找到最佳的實(shí)驗(yàn)研究方法。”