生命之謎：生命為什麼是手性的？
放眼身邊的動物、植物，可以發現它們普遍存在一種對稱之美：我們的臉是左右對稱的——很難想象一個左右臉不對稱的人會長什麼樣子;鳥和昆蟲的翼翅是左右對稱的;蝴蝶翅膀上的花紋也是左右對稱的……左右對稱又叫鏡像對稱，是最常見的一種對稱。
但是，在宏觀上充滿對稱之美的生命，在微觀上卻存在深刻的不對稱性：生命的遺傳密碼之書DNA和RNA，是右旋的螺旋結構，自然界不存在左旋的DNA和RNA;生命的另一重要部件——蛋白質，則大多是左旋結構，很少有右旋的……科學上，用“手性”來稱呼這類與左右相關的現象。
生命的手性之謎
任何東西，隻要無法與自己在鏡中的像重合，我們就說它具有手性。手是最好的例子。你把雙手伸出來，手心都朝向你，然後把一隻手疊放到另一隻手上。它們無法重合，所以它們是手性的。你也許會說，雙手合十，兩隻手不就重合了嗎?但雙手合十的時候，手背各自朝向兩側，嚴格來說，不算重合。左手的手套不能靠翻個個兒變成右手的手套，也是這個道理。
手性有左右之分。如何區分左右手性呢?這裡有個簡單的辦法：伸出一隻手，豎起大姆指指向螺旋的前進方向，另外四指握拳指尖指向旋轉的方向，如果與伸出的左手相符，稱為左旋，與右手相符則稱為右旋。根據這樣的定義，我們說DNA具有右手性，而蛋白質具有左手性。
并非所有分子都有手性，譬如水分子就沒有手性，但大多數複雜的有機分子都是有手性的。所以，盡管化學式完全相同，它們卻存在兩個版本——左手版和右手版。這兩個版本的分子，性質有時相近，有時卻相去甚遠。例如，檸檬烯分子的兩個版本，有着不同的氣味：一個是檸檬味的，另一個是橘子味的。還有一種叫沙利度胺的藥物，其左手性的分子可安全地用于治療妊娠病，但其右手性的分子，卻會導緻嬰兒畸形。
我們現在還知道，組成生命的重要有機分子，像DNA、RNA和蛋白質，要麼完全是右旋，要麼完全是左旋的。在“組裝”生命的時候，大自然似乎有一條不成文的規定：對于同一類分子，隻采用一種手性，對另一種手性完全棄之不顧。
現在有兩個問題。首先，生命的手性到底是怎麼來的?其次，大自然為什麼偏愛單一的手性?前一個叫“手性起源問題”，後一個叫“同手性問題”。這兩個問題是生命進化的核心謎團之一，至今都沒有得到滿意的解釋。
手性的起源
關于手性的起源，一些化學家認為要追溯到太空。他們認為，組成生命的重要分子，如氨基酸和核苷酸，最早是在太空制造出來，然後随着隕石來到地球的，所以生物分子的手性，最早也應該追溯到太空。
那麼，手性在太空又是如何形成的呢?他們說，這筆賬要算到恒星的光身上。
光也有一個類似于手性的屬性：自旋。光子好比子彈，一邊呼嘯着前進，一邊在高速自旋。自旋可以是順時針或逆時針旋轉的。一般情況下，兩種自旋的光子在恒星光中各占一半。但假如在太空的某個區域，由于某些原因，一種自旋的光子占優勢，那麼在這種自旋的光子照射下産生的有機分子，可能也偏向一種手性。
在巴黎同步輻射粒子加速器上進行的一項實驗似乎支持了這一觀點。科學家從同步輻射加速器上引出單一自旋的光子，照射在模拟彗星成分的簡單有機分子上，最後制造出了單一手性的氨基酸分子。
2014年，科學家原本打算向67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星發送一個探測器，以檢查這顆彗星上的有機分子是否有手性偏好，但漫遊車在降落時出了差錯，緻使它沒有機會鑽探出彗星冰層下可能含有的複雜有機分子。
那麼，同手性問題又該如何解釋呢?迄今一個比較合理的解釋是，同手性在幫助分子相互識别方面具有重要作用。例如，将一個個氨基酸裝配成蛋白的時候，手性相同的氨基酸分子連在一起顯得很自然(無非是把相同螺旋方向的分子連在一起形成大的螺旋)，而手性不對的分子相遇，就像握手的時候，一人伸左手，另一人伸右手一樣别扭。
CISS效應
不知道你對上述解釋滿意了沒有?反正我是沒有滿意，問題在于上述解釋過于籠統，缺少足夠的細節。
最近，以色列魏茨曼研究所的羅恩·納曼為生命的同手性提供了一個更有說服力的細節。令人驚訝的是，按他的觀點，生命的同手性竟然與電子的一種量子屬性——自旋有關。
我們知道，電子是在原子核外運動的帶負電的粒子。它們的運動支配着化學反應，因為化學反應的本質就是電子的轉移。所以，正是電子将原子或分子粘在一起。
像光子一樣，電子也有自旋。電子的自旋是一種量子特性，宏觀物體的自旋可以朝向任意方向，而電子的自旋隻有兩個朝向：朝上(相當于左旋)和朝下(相當于右旋)。
1990年代，德國物理學家做了一個實驗。他們向樟樹揮發的氣味分子(一種蛋白)發射電子。他們注意到透過分子的電子，其自旋存在微小的偏差：自旋朝上的電子似乎更容易透過左手性分子，而自旋朝下的電子更容易通過右手性分子。
納曼從這個實驗中受到啟發，他用包括DNA在内的其他手性分子做實驗，向它們發射電子。在這裡，他看到了同樣的現象。電子似乎被這些手性分子過濾了：發射前的電子自旋是随機的，但經過DNA在内的其他手性分子出來的大部分電子具有相同的自旋。
這種效應，現在被稱為“手性誘導自旋選擇性(CISS)”。起初人們對這種效應表示懷疑，但現在它已經在電子學上獲得廣泛的應用。
納曼就借助CISS效應來解釋生命分子的同手性問題。
我們先來解釋CISS效應本身是怎麼回事。我們知道，當電子沿着一根螺線管運動時，就産生了電流;有電流流過的螺線管，則相當于一根磁鐵，有它的N極和S極。我們還知道，電子是有自旋的，自旋的電子其實相當于一根小磁針，也有它的N極和S極。當一群自旋朝向随機的電子在螺線管磁場中運動時，一種朝向的電子受到螺線管磁場的吸引，另一種朝向的電子則受到排斥。
換句話說，螺線管對電子的自旋有過濾作用。在上述實驗中，手性分子就充當了螺線管的角色。
同手性效率高
現在我們終于可以來回答生物分子的同手性問題了。
在生命的主要過程，如光合作用和呼吸作用中，電子運輸非常重要，因為前面說過，化學反應的本質是電子的轉移，而在光合作用和呼吸作用中，每秒鐘都涉及數以萬計的化學反應。電子在這些生命過程中，運輸的效率高得驚人。
在這些過程中，電子運輸是通過蛋白酶來實現的。這些蛋白酶實際上是由一個個具有相同手性的氨基酸分子連接成的長鍊。現在，請設想一下，假如這條長鍊不保持同一的手性，那會怎樣?
譬如說，長鍊上面有兩個相鄰的氨基酸分子，A是左旋的，B卻是右旋的。當電子流過左旋的A時，根據前面介紹的CISS效應，過濾出了自旋朝上的電子;這些電子接下去要流過氨基酸分子B，可是對于右旋的B，自旋朝上的電子恰恰是它阻擋和排斥的對象。就是說，電子在通過這兩段氨基酸鍊的時候，前一段暢通無阻，後一段卻卡殼了，這樣一來，運輸效率就大打折扣了。相反，如果每一個氨基酸分子都具有相同的手性，那麼這些電子就會一路暢通無阻。蛋白質分子設計成這樣才是上策。所以，這可能就是同一類分子進化出同手性的原因。
至于為什麼蛋白質青睐左手性，而不是右手性;而糖類分子卻反過來，青睐右手性，而不是左手性，這恐怕就隻能歸因于偶然了。
2019年，納曼和他的同事又發現了反向CISS效應的存在，即在化學反應過程中，具有某種自旋的電子更青睐産生某種手性分子。換句話說，電子的自旋反過來對分子的手性也具有選擇性。根據這一發現，納曼進一步提出，太空中最初給生命分子打上手性“印記”的，可能是電子，而不是恒星的光。
納曼對手性的解釋是不是終極答案呢?現在還不好說，但他的觀點确實讓人大開眼界。
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