生命对称性破缺与手性起源 - powered by siteengine.pdf

普通化学论文（2005） 生命对称性破缺与手性起源 张鹏 吴昊 陈良杰 王也夫 北京大学化学与分子工程学院，北京 100871 关键词：对称性破缺 宇称不守恒 耗散结构 摘要： 生命起源中的对称性破缺——生物分子手性均一性，是生命科学中的长期未解之谜，自 然界中组成蛋白质的20 种氨基酸（除甘氨酸无不对称碳原子之外）全部是L 型，组成RNA、 DNA 中的核糖却全部是D 型。本文主要探讨目前国际上最著名的两大学说——β粒子极化 和手性分子的相互作用与salam 假说，并结合耗散结构理论提出了自己的观点。 作者：北京大学化学与分子工程学院 张鹏、王也夫、陈良杰、吴昊（按学号顺序，排名 不分先后） 生命向我们显示的乃是宇宙不对称的功能。宇宙是不对称的，生命受不对称 作用支配。 ——Louis Pasteur，1 8 5 9 一 什么是生命分子的对称性破缺 在人类的哲学体系中，对称和守恒是最美的， 因此无论在生命还是非生命体系中，左右对映体都 应该是相等的才对，可事实并非如此，在已知的生 物体的蛋白质中氨基酸都是L 型，而承担生命复制 的核酸中的核糖都是 D 型，这种现象叫做生命分子的对称性破缺。为什么会存在这种破缺 呢？是生命物质产生之初即存在破缺吗？1953 年进行的米勒实验给出了否定的答案。他把 还原性大气的主要成分氢、甲烷、水、氨四种气体，封闭在一个石英管中，通过真空放电， 发现在管内生成了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸，模拟了由无机小分子生成氨基酸的 自然过程。但这些氨基酸产物都是外消旋的，而在这以后所有试图由非手性无机化合物合成 手性生命物质的实验也都以失败告终。 氨基酸和核苷酸这两种构成生命最基本的物质同时存在着近乎完全的对称性破缺，这 种现象使我们不禁要想到二者之间的联系，事实上在对二十种基本氨基酸中的异缬氨酸的研 究发现，L 型异缬氨酸与两种原始地球上可能广泛存在的有机物（乙醇醛和甲醛）发生反应 后，可以产生一种称为苏糖的糖类，其构型全部是右手型。也就是说，结构倾向性从氨基酸 传递给了糖，更多的左手型氨基酸，促使产生了更多右手型的糖。苏糖是生物体内常见的一 种糖。皮扎雷洛认为，生命体糖类的“右倾”特性，有可能就是这样开始的。 苏糖可以进一步反应生成称为苏糖核酸（TNA）的物质。TNA 与DNA 有些相似，也能形成双螺旋结构，但比DNA 简单。此前 曾有科学家提出，生命有可能最初使用TNA 为遗传物质，后来进 化到使用 DNA。由此可以清晰地看到右手性从苏糖到 TNA 再到 DNA 的整个过程。因此可以认为，氨基酸与核糖的手性起源问题 是紧密联系的，氨基酸的对称性破缺是核糖对称性破缺的基础。 所以，本文着重研究氨基酸的对称性破缺问题。 - 1 - 普通化学论文（2005） 二 关于生命物质手性起源的各种理论 在《赣南杨公风水学》中有这样的文字：“……周易哲学强调‘天人合一’ 、‘人天 和谐’，主张人要与整个宇宙的总体规律保持高度一致性的理论无疑是正确的……杨公风水 术非常重视龙水的左旋、右旋和龙水的阴阳交媾，本质上就是强调阳宅选址定向要与宇宙的 双螺旋场保持一致，以营造出最适合人类居住的环境结构。……” 这虽然有些迷信色彩，但也从一个侧面反映了我国先民很早就注意手性问题了。 如其他一些有关生命的问题一样，在手性起源上科学界中也总体上分为两派，即生命 学说和非生命学说 生命学说：认为“没有生命就没有手性”的理论。它的支持者（包括巴斯德）相信， 不对称分子完全是高度不对称的生命体中有选择的酶反应产生的，不经活体是不可能合成对 称分子的。其著名代表人物Wald 认为“从消旋化合物中选择一种光学异构体，有利于高级 有序结构的形成。至于究竟是两种光学异构体中的哪种，则是‘适者生存’的结果。”其