研究人员提出了早期化学演化的新机制

俄亥俄州立大学的科学家们提出了一个新理论，即生命的基石——构成地球上每个生物体的许多蛋白质、碳水化合物、脂质和核酸——可能已经进化为有利于某种分子结构。

它与称为手性的概念有关。作为某些分子固有的几何特性，手性可以决定分子的形状、化学反应性以及它如何与其他物质相互作用。手性有时也被称为手性，因为它可以最好地描述为我们手之间的二分法：虽然它们不完全相同，但右手和左手是彼此的镜像，并且不能叠加，或者完全相互叠加。

在ACS地球与空间化学杂志上，研究人员现在提出了一个新模型，说明生命分子如何发展出它们的“旋手性”。

这种分子的右手或左手感在生物化学中起着巨大的作用，在帮助人类开发治疗分子疾病(如癌症)的药物方面尤为重要。虽然一种形式的分子可能对人类具有治疗价值，但其相反的双胞胎可能不活跃或导致意外的先天缺陷。更重要的是，由于大自然经常表现出对特定对称性的偏好，支撑所有生物的分子只被发现对一种形式的手性表现出强烈的偏好。

最终，虽然手性的作用现在得到了极大的认可，但科学家们对于这种首选对称性最初是如何产生的还没有明确的共识，该研究的合著者詹姆斯考恩说，他是一位杰出的大学化学和生物化学名誉教授俄亥俄州。

“生命中许多关键分子只有一种偏手性的原因有点神秘，”考恩说。“至于它是如何产生的，这个过程必须反映出一些非常特别的东西，即早期化学如何开发出一种首选形式的核酸和蛋白质。”

Cowan和合著者、俄亥俄州立大学物理学教授RJFurnstahl描述了一个模型，其中首选手性分子的发展通过称为弱核力的基本相互作用演变。仅次于引力的第二弱相互作用，它是一种导致质子衰变成中子的现象，反之亦然。

这挑战了之前关于地球手性起源的想法，这表明它是在地球形成早期受到陨石撞击后产生的。相反，他们的工作与“RNA世界模型”中基于RNA的化学是一致的，在该模型中，核糖核酸的形成是所有其他生命分子可能形成的关键步骤。

通过结合生物学、核物理和化学的元素，Cowan和Furnstahl解释了生命基石中的偏手性如何不是从地外分子或随机机会进化而来，而是通过奠定分子结构的基本自然力最终将支持和影响地球上生命的基础。

“想象一个只有右手手套但没有左手手套的宇宙，”考恩说。“在几百万年的过程中，这种对特定手的偏好变得明显，然后被重复和放大，并最终被允许占据主导地位。”

该研究得出的结论是，弱核力与地球上丰富的金属(如钙)一起放大了这种效应，它可能像种子一样影响生命起源前的化学反应，从而促使首选手性与自然界的其他早期生物共生。建筑模块。

“基于基础物理学，我们的模型生成了具有偏手性的实际化学构件，这可能会导致我们今天所知的生命过程，并且以一种非常令人满意的方式进行，”考恩说。

尽管他们的研究目前纯粹是理论性的，但该研究指出，使用正确的技术，可以通过多种方式证明其机制。不幸的是，对于研究人员来说，在实验室中重建原始时间尺度的过程太乏味了。

“就制造生物体所基于的分子而言，这些反应发生在数十万年的时间范围内，”考恩说。“当然，我们没有那么长时间等待在实验室里检验这个假设。”

虽然广泛的化学实验可能会在铀等重元素的帮助下完成，这可能有助于在短短几年内得出结果，但另一种更实用的方法来检验他们研究背后的假设可能是使用光谱学——将光分成不同的波长来研究它的特性——观察附近的系外行星，试图确定那里的分子是否也表现出一种偏好的“手性”。

考恩说：“如果有一种偏手性，并且与我们在地球上观察到的类型相同，那么这将是非常非常有力的证据，表明大自然实际上指导了生物化学的进化。”

考恩说，展望未来，他们推进工作的最大挑战之一是等待进行这些实验所需的技术赶上来。“我们能够建立一个可行的物理机制来描述这个过程是如何进行的，但下一个障碍是找到最好的方法来进行实验研究。”