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 Space Chemistry (2022). DOI: 10.1021/acsearthspacechem.2c00032
據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)（by Tatyana Woodall, The Ohio State University）：俄亥俄州立大學的科學家們提出了一種新的理論，即組成地球上每一個有機體的許多蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類和核酸等生命組成部分是如何進化成有利于某種分子結(jié)構(gòu)的 。
這與一個叫做手性的概念有關(guān) 。手性是某些分子固有的幾何性質(zhì) ， 可以決定分子的形狀、化學反應性以及它如何與其他物質(zhì)相互作用 。手性有時也被稱為利手 ， 因為它可以被最好地描述為我們雙手之間的二分法:盡管它們不相同，但右手和左手是彼此的鏡像，不能重疊，或完全重疊 。
在《美國化學學會地球和空間化學》雜志上，研究人員現(xiàn)在提出了一個新的模型，來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在生物化學中發(fā)揮著巨大的作用，在幫助人類開發(fā)治療分子疾病(如癌癥)的藥物時尤為重要 。雖然一種形式的分子可能對人類有治療價值 ， 但它的另一種形式的分子可能是無活性的或?qū)е乱馔獾某錾毕?。更重要的是，由于大自然經(jīng)常表現(xiàn)出對特定對稱性的偏好，支撐所有生物的分子只被發(fā)現(xiàn)對一種形式的利手表現(xiàn)出強烈的偏好 。
“最終，盡管手性的作用現(xiàn)在得到了充分的認可 ， 但科學家們對于這種偏好的對稱可能是如何最初出現(xiàn)的還沒有明確的共識，”該研究的合著者詹姆斯·考恩說，他是俄亥俄州一所著名的化學和生物化學大學的名譽教授 。
“為什么許多生命的關(guān)鍵分子只有一種偏好的慣用手，這是一個有點神秘的原因，”考恩說 。“至于它是如何產(chǎn)生的，這個過程一定反映了早期化學如何發(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(俄亥俄州立大學物理學教授)描述了一個模型，其中優(yōu)選手性分子的發(fā)展通過一種稱為弱核力的基本相互作用而進化 。僅次于重力的第二弱相互作用 ， 這是一種導致質(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 。
通過結(jié)合生物學、核物理和化學的元素，Cowan和Furnstahl提供了一種解釋，即在生命的構(gòu)建模塊中，偏好的慣用手是如何演變的，不是來自外星分子，也不是隨機的機會 ， 而是通過自然的基本力量，奠定了最終支持和影響地球上生命的分子基礎(chǔ) 。
考恩說:“想象一個有右手手套，卻沒有左手手套的宇宙 。”在幾百萬年的時間里，這種對特定手的偏好變得明顯，然后重復和放大，最終占主導地位
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，可能像種子一樣，以某種方式影響前生物化學，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 ， 我們的模型生成了具有偏好旋向性的實際化學構(gòu)建模塊，這可能導致我們今天知道的生命過程，并且以一種非常令人滿意的方式做到了這一點，”考恩說 。
雖然他們的研究目前只是純理論性的，但研究指出，通過正確的技術(shù)，有幾種方法可以證明他們的機制 。不幸的是，對于研究人員來說，在實驗室里重建原始時標的過程太過繁瑣 。
考恩說:“就制造生物賴以生存的分子而言，這些反應發(fā)生在幾十萬年的時間框架內(nèi) 。”“當然 ， 我們沒有那么多時間在實驗室里等著檢驗這個假設(shè) 。”
雖然大量的化學實驗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，但另一種更實用的測試他們研究背后假設(shè)的方法可能是使用光譜學——將光分成不同的波長來研究其特性——來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，并且它與我們在地球上觀察到的類型相同 ， 那么這將是非常非常有力的證據(jù)，證明大自然實際上指導了生物化學的進化 ， ”考恩說 。
科恩說，展望未來，他們在推進這項工作中面臨的最大挑戰(zhàn)之一是等待進行這些實驗所需的技術(shù)跟上步伐 。“我們能夠建立一個可行的物理機制來描述這個過程是如何進行的 ， 但下一個障礙是找到最佳的實驗研究方法 。”

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