放
眼身边的动物、植物，可以发现它们普遍存在一种对称之
美：我们的脸是左右对称的——很难想象一个左右脸不对称的人会长什么样子；鸟和昆虫的翼翅是左右对称的；蝴蝶翅膀上的花纹也是左右对称的……左右对称又叫镜像对称，是最常见的一种对称。
但是，在宏观上充满对称之美的生命，在微观上却存在深刻的不对称性：生命的遗传密码之书DNA 和RNA，是右旋的螺旋结构，自然界不存在左旋的DNA和RNA；生命的另一重要部件——蛋白质，则大多是左旋结构，很少有右旋的……科学上，用“手性”来称呼这
类与左右相关的现象。生命的手性之谜
任何东西，只要无法与自己在镜中的像重合，我们就说它具有手性。手是最好的例子。你把双手伸出来，手心都朝向你，然后把一只手叠放到另一只手上。它们无法重合，所以它们是手性的。你也许会说，双手合十，两只手不就重合了吗？但双手合十的时候，手背各自朝向两侧，严格来说，不算重合。左手的手套不能靠翻个个儿变成右手的手套，也是这个道理。
手性有左右之分。如何区分左右手性呢？这里有个简单的办法：
伸出一只手，竖起大姆指指向螺旋的前进方向，另外四指握拳指尖指向旋转的方向，如果与伸出的左手相符，称为左旋，与右手相符则称为右旋。根据这样的定义，我们说DNA具有右手性，而蛋白质具有左手性。
并非所有分子都有手性，譬如水分子就没有手性，但大多数复杂
的有机分子都是有手性的。所以，尽管化学式完全相同，它们却存在两个版本——左手版和右手版。这两个版本的分子，性质有时相近，有时却相去甚远。例如，柠檬烯分
生命之谜②
生命为什么是手性的？
丹丘生/文
手性分子相当于电子自旋的过滤器
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本 期 视 点
Focus
子的两个版本，有着不同的气味：一个是柠檬味的，另一个是橘子味的。还有一种叫沙利度胺的药物，其左手性的分子可安全地用于治疗妊娠病，但其右手性的分子，却会导致婴儿畸形。
我们现在还知道，组成生命的重要有机分子，像DNA、RNA和蛋白质，要么完全是右旋，要么完全是左旋的。在“组装”生命的时候，大自然似乎有一条不成文的规定：对于同一类分子，只采用一种手性，对另一种手性完全弃之不顾。
现在有两个问题。首先，生命的手性到底是怎么来的？其次，大自然为什么偏爱单一的手性？前一个叫“手性起源问题”，后一个叫“同手性问题”。这两个问题是生命进化的核心谜团之一，至今都没有得到满意的解释。
手性的起源
关于手性的起源，一些化学家认为要追溯到太空。他们认为，组成生命的重要分子，如氨基酸和核苷酸，最早是在太空制造出来，然后随着陨石来到地球的，所以生物分子的手性，最早也应该追溯到太空。
那么，手性在太空又是如何形成的呢？他们说，这笔账要算到恒
星的光身上。
光也有一个类似于手性的属
性：自旋。光子好比子弹，一边呼啸
着前进，一边在高速自旋。自旋可
以是顺时针或逆时针旋转的。一般
情况下，两种自旋的光子在恒星光
中各占一半。但假如在太空的某个
区域，由于某些原因，一种自旋的
光子占优势，那么在这种自旋的光
子照射下产生的有机分子，可能也
偏向一种手性。
在巴黎同步辐射粒子加速器上
进行的一项实验似乎支持了这一观
点。科学家从同步辐射加速器上引
出单一自旋的光子，照射在模拟彗
星成分的简单有机分子上，最后制
造出了单一手性的氨基酸分子。
2014年，科学家原本打算向
67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星发
送一个探测器，以检查这颗彗星上
的有机分子是否有手性偏好，但漫
游车在降落时出了差错，致使它没
有机会钻探出彗星冰层下可能含有
的复杂有机分子。
那么，同手性问题又该如何解
释呢？迄今一个比较合理的解释
是，同手性在帮助分子相互识别方
面具有重要作用。例如，将一个个
氨基酸装配成蛋白的时候，手性相
同的氨基酸分子连在一起显得很
自然（无非是把相同螺旋方向的分
子连在一起形成大的螺旋），而手
性不对的分子相遇，就像握手的时
候，一人伸左手，另一人伸右手一样
别扭。
CISS效应
不知道你对上述解释满意了没
有？反正我是没有满意，问题在于
上述解释过于笼统，缺少足够的细
节。
最近，以色列魏茨曼研究所的
罗恩·纳曼为生命的同手性提供了
一个更有说服力的细节。令人惊讶
的是，按他的观点，生命的同手性
竟然与电子的一种量子属性——自
在生物体中，蛋
白质长链起到输运
电子的良导体的作
用。它的电子输运效
率之所以那么高，是
因为CISS效应。
手性分子跟自己的镜像不能重合
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旋有关。
我们知道，电子是在原子核外运动的带负电的粒子。它们的运动支配着化学反应，因为化学反应的本质就是电子的转移。所以，正是电子将原子或分子粘在一起。
像光子一样，电子也有自旋。电子的自旋是一种量子特性，宏观物体的自旋可以朝向任意方向，而电子的自旋只有两个朝向：朝上（相当于左旋）和朝下（相当于右旋）。
1990年代，德国物理学家做了一个实验。他们向樟树挥发的气味分子（一种蛋白）发射电子。他们注意到透过分子的电子，其自旋存在微小的偏差：自旋朝上的电子似乎更容易透过左手性分子，而自旋朝下的电子更容易通过右手性分子。
纳曼从这个实验中受到启发，他用包括DNA在内的其他手性分子做实验，向它们发射电子。在这里，他看到了同样的现象。电子似乎被这些手性分子过滤了：发射前的电子自旋是随机的，但经过DNA 在内的其他手性分子出来的大部分电子具有相同的自旋。
这种效应，现在被称为“手性诱导自旋选择性（CISS）”。起初人
们对这种效应表示怀疑，但现在它
已经在电子学上获得广泛的应用。
纳曼就借助CISS效应来解释
生命分子的同手性问题。
我们先来解释CISS效应本身
是怎么回事。我们知道，当电子沿
着一根螺线管运动时，就产生了电
流；有电流流过的螺线管，则相当
于一根磁铁，有它的N极和S极。我
们还知道，电子是有自旋的，自旋
的电子其实相当于一根小磁针，也
有它的N极和S极。当一群自旋朝
向随机的电子在螺线管磁场中运动
时，一种朝向的电子受到螺线管磁
场的吸引，另一种朝向的电子则受
到排斥。
换句话说，螺线管对电子的自
旋有过滤作用。在上述实验中，手
性分子就充当了螺线管的角色。
同手性效率高
现在我们终于可以来回答生物
分子的同手性问题了。
在生命的主要过程，如光合作
用和呼吸作用中，电子运输非常重
要，因为前面说过，化学反应的本
质是电子的转移，而在光合作用和
呼吸作用中，每秒钟都涉及数以万
计的化学反应。电子在这些生命过
程中，运输的效率高得惊人。
在这些过程中，电子运输是通
过蛋白酶来实现的。这些蛋白酶实
际上是由一个个具有相同手性的氨
基酸分子连接成的长链。现在，请
设想一下，假如这条长链不保持同
一的手性，那会怎样？
譬如说，长链上面有两个相邻
的氨基酸分子，A是左旋的，B却是
右旋的。当电子流过左旋的A时，根
据前面介绍的CISS效应，过滤出了
自旋朝上的电子；这些电子接下去
要流过氨基酸分子B，可是对于右
旋的B，自旋朝上的电子恰恰是它
阻挡和排斥的对象。就是说，电子
在通过这两段氨基酸链的时候，前
一段畅通无阻，后一段却卡壳了，
这样一来，运输效率就大打折扣
了。相反，如果每一个氨基酸分子
都具有相同的手性，那么这些电子
就会一路畅通无阻。蛋白质分子设
计成这样才是上策。所以，这可能
就是同一类分子进化出同手性的原
因。
至于为什么蛋白质青睐左手
性，而不是右手性；而糖类分子却
反过来，青睐右手性，而不是左手
性，这恐怕就只能归因于偶然了。
2019年，纳曼和他的同事又
发现了反向CISS效应的存在，即在
化学反应过程中，具有某种自旋的
电子更青睐产生某种手性分子。换
句话说，电子的自旋反过来对分子
的手性也具有选择性。根据这一发
现，纳曼进一步提出，太空中最初
给生命分子打上手性“印记”的，可
能是电子，而不是恒星的光。
纳曼对手性的解释是不是终极
答案呢？现在还不好说，但他的观
点确实让人大开眼界。
组成生命的同一类分子具有相同的手性10
Focus

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