【人马座符号在线播放】人类首次在太阳系外的人马座B2星云中发现手性分子

2020-06-03 - 人马座

人类首次在太阳系外的人马座B2星云中(图中圆圈所示)发现手性分子,被认为将有助于破解生命起源之谜。资料图片

7月3日,世界最大单口径射电望远镜FAST完成最后一块反射面单元的吊装,中国科学院国家天文台射电部首席科学家李菂接受采访时表示,FAST将助科学家们寻找宇宙分子,研究宇宙学尺度上的生命起源。

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而在更早的时候,美国研究人员通过高精度射电望远镜,在太阳系外的人马座B2星云中发现环氧丙烷,这是人类首次在太阳系外发现手性分子。该发现被认为,将有助于破解手性分子乃至生命起源之谜。

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所谓手性分子,是指两种化合物的分子结构像人的左右手一样呈镜像对称,但又不能互相重叠。一个颇为有趣的事实是,包括人类在内的已知生命,组成蛋白质的氨基酸都是左旋的。这是偶然还是宇宙中的某种必然?是否存在“右手性生命”?科学家认为,对于手性分子的研究,有助于揭开“地球上生命最深的秘密”。

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1.自然界只有一种手性的生命

就像人的左手和右手,许多分子可以以镜像形式存在,通过镜面翻转达到完全重合。在自然界中组成蛋白质的20多种氨基酸里,除了最简单的甘氨酸外,都有镜像结构,都属于手性分子。科学家发现,除了少数动物的特定器官内含有一些右旋氨基酸外,包括人类在内的生命体,都是由左旋氨基酸构成。

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检测手性方法很简单,用偏振光通过分子,不同手性会使得光线发生不同偏转。对氨基酸进行检验后,科学家发现,除了少数动物的特定器官内含有一些右旋氨基酸外,包括人类在内的生命体,都是由左旋氨基酸构成。而构成RNA和DNA的核糖却都是右旋。

化学家在实验室里制作分子时,总是两种手性的混合。一个颇为有趣的事实是,手性分子之间有些却存在着巨大差异,比如毒性等。美剧《绝命毒师》里,主人公老白讲了个易懂的例子,在20世纪50、60年代出售的缓解孕妇晨吐的药物萨利多胺,曾导致不少新生儿先天四肢残缺。后来科学家发现,这种药物两种不同手性的异构体存在巨大差异:一种能够起到镇静剂作用,另一种却有致畸性。甚至在食物中,我们也只能消化左旋氨基酸构成的蛋白质。不少科幻小说都有类似桥段:人在星际旅行后“手性翻转”,回到地球上吃啥吐啥,不得已靠特制营养液为生。

为什么地球上的生命,清一色地只拥有左旋氨基酸,而不是相反?这是偶然还是必然?

生物化学家莱斯利·奥格尔曾认为,这不过是一种偶然:出于某种随机的因素,地球上的首个有机体使用了左旋氨基酸。其后使用左旋而不是右旋氨基酸,就成为生命固定的而再不可变的特征。

或者是,左旋氨基酸生物偶然占据了优势,随后形成“马太效应”,右手性的生物越来越难找到右手性的蛋白质,以致数量越来越少,最后导致了左旋氨基酸统治世界。

另一种观点则认为,星云中的化学反应可以形成氨基酸分子,这些分子的手性取决于照射到它们身上的光线的圆偏振方向。科学家认为,来自彗星、陨石的氨基酸中左旋较多,从而确立了其在地球生命进化中的领先地位。

一个例证在于,1969年在澳大利亚发现的默奇森陨石上,所包含的右旋和左旋氨基酸就存在轻微的不平衡。伦敦大学教授克里斯·麦克马纳斯介绍,“有可能是偏振光破坏了右旋氨基酸,在镜像生命还未能立足于地球时,就掐断了它的原材料供应。”

但也有科学家认为,“生命只拥有左旋氨基酸”的机制要更加深刻。麦克马纳斯曾评价道,上述这些理论的缺陷,都在于左旋氨基酸非常小的优势,会在地球早期的混沌中被淹没。“因此,任何可行的理论,都必须要求不再把眼光局限于地球自身,而要转为向内去探寻原子的运作机制,或向外去探寻宇宙的深处。”

2.地球之外的生命种子

人马座B2星云接近银河系中央,是银河系中最大的气体云之一,距离地球大约2.5万光年。人马座A和人马座B2星云是丰富的分子源,从中几乎能找到所有已发现的星际分子。长期以来,这里被认为是原始生命的摇篮——科学家认为,在这里有可能会发现可以构成生命的复杂分子。

科学界比较主流的观点认为,地球的生命是由彗星带来,近年来对于太阳系内彗星的观测也证实了其“资源丰富”:现已在彗星气体灰尘云中探测到100多种分子,其中包括氨基酸等手性分子。

最新的研究包括,探索彗星的先驱者“罗塞塔”探测器发现,“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星周围稀薄的气体中存在甘氨酸(一种简单的氨基酸)和磷元素。

但是在宇宙尺度上看,太阳系内的彗星和地球实在太接近了,仅仅研究太阳系的生命起源对于宇宙来说太特殊,也太不具有普适性。因此,人类更需要找到一个与太阳系相隔极远,可以不互相干扰地独立演化出生命的世界,来证明在宇宙中生命种子的普遍存在,或者证明我们是“独一无二的”。

人类将目光望向星际尘埃丰沛的人马座。人马座B2星云接近银河系中央,是银河系中最大的气体云之一,距离地球大约2.5万光年。人马座A和人马座B2星云是丰富的分子源,从中几乎能找到所有已发现的星际分子。长期以来,这里被认为是原始生命的摇篮——科学家认为,在这里有更大可能发现可以构成生命的复杂分子。

来自美国国家射电天文台和加州理工学院的天文学家,尝试用位于澳大利亚新南威尔士州帕克斯天文台的64米口径射电望远镜对人马座B2星云进行观察。幸运的是,这次他们找到了环氧丙烷——一种简单的手性分子。环氧丙烷分子相对较小,并不是生命组成的必要有机分子,但它的发现意味着在太空中有手性分子存在。

这项研究发表于《科学》杂志,这份国际顶级学术杂志评价道,对手性分子的研究将揭开“地球上生命最深的秘密”。论文作者、加州理工学院教授布兰登·卡罗尔说:“这是在系外星际空间中发现的第一个手性分子,是一个开创性的飞跃,将帮助我们认识在生命起源之前的分子如何在太空产生以及它们对生命起源可能起到的影响。”

3.“上帝是左撇子”

曾主持国家自然基金项目《生命分子手性起源的突破》的北京服装学院副教授龚龑和他的团队,通过实验证明了不同手性氨基酸之间,存在微小的能差。简单来讲,以蛋白质为例,在地球上,左旋氨基酸所形成的肽链,其能量比右旋氨基酸形成的能量低,所以更加稳定,更有利于生命的形成。

如果跳出生命的角度,物理学家曾认为,“物理学规律总是表现出完全的左右对称性”。换言之,宇宙的基本规律没有偏向性,“宇称是守恒的”。不过,1956年,物理学家李政道和杨振宁提出了“宇称不守恒定律”假说,认为宇称守恒不适用于四种基本力的一种——弱相互作用力。不少科学家并不为接受这一观点,著名理论物理学家泡利称,“我决不相信上帝是左撇子。”不过,实验很快证明,在弱相互作用力处,上帝确实是左撇子。

1957年,物理学家吴健雄通过实验证实了李政道和杨振宁的假说,这也成为20世纪最伟大的物理学成就之一,李政道和杨振宁因此获1957年诺贝尔物理奖。

在吴健雄的实验完成后不久,生物化学家、遗传学家J·B·S·霍尔丹就提出,生命的不对称性(或曰对称性破缺)可能反映了宇宙自身的不对称性。

物理学家皮埃尔·居里曾有句名言“不对称不可能来源于对称性。”曾主持国家自然基金项目《生命分子手性起源的突破》的北京服装学院副教授龚龑认为,“物理中的不对称,一定会影响到更高级的不对称。这是一种不对称破缺的逐级放大。”

龚龑介绍,他们团队通过实验证明了,不同手性氨基酸之间,存在微小的能差。简单来讲,以蛋白质为例,在地球上,左旋氨基酸所形成的肽链,其能量比右旋氨基酸形成的能量低,所以更加稳定,更有利于生命的形成。

“地球上的生命对称性破缺,在我看来是一种必然,这与地球或者太阳系的小环境有关。”龚龑告诉记者。

但在地球甚至太阳系之外,“左旋氨基酸组成生命”还能否成立?仅从理论上思考,不考虑生命选择左旋氨基酸“纯属偶然”的情况,如果生命的对称性破缺是由于宇称不守恒所导致,那么,左旋氨基酸偏多,在宇宙各处都应该是一致的;而若是圆偏振光效应理论成立,那么在偏振光的另一侧,产生的氨基酸将会以右旋为主。不过依照人类现有的观测能力,尚无法做到如此大范围的观测。在人马座B2星云发现手性分子,也仅仅是起步。

■链接

FAST将助科学家

寻找星际有机分子

7月3日,位于贵州黔南州平塘县大窝凼的500米口径球面射电望远镜(FAST)的最后一块反射面单元成功吊装,这标志着FAST主体工程顺利完工。这只“观天巨眼”预计于今年9月全部竣工,开始探索宇宙深处的奥秘。

据了解,建成后的FAST,将成为世界上口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,将会为人类探索深空提供新的力量。中国科学院国家天文台射电部首席科学家李菂在接受采访时表示:“我们的重点是寻找宇宙分子,也就是研究宇宙学尺度上的生命起源。”

即使在实验室中,观察分子结构也是颇为复杂,那么射电望远镜是如何“看见”数百乃至上万光年外的星际分子呢?其实原理并不复杂:早在1937年,天文学家就观测到,星光在经过星际物质后,某些波长的光被星际云吸收。就像一台钢琴的每个按键的音调不同一样,每种有机分子的转动与振动也都有着自己独一无二的“音调”,这也使得科学家们得以通过这些有机分子的发射或者吸收光谱来识别出相应的分子。

1963年,天文学家在仙后座探测到了羟基,这是最早发现的星际有机物。此后,陆续发现和认证出近两百种星际有机分子。一个颇为有趣的发现是,1974年,科学家在人马座发现了大量乙醇分子——也就是酒精,这比人类有史以来酿的全部的酒还要多出许多个数量级。号称20世纪60年代的四大发现:宇宙微波背景辐射、类星体、脉冲星和星际有机分子,都与射电望远镜有着密切关系。曾经科学家认为星际空间中不太可能存在有机分子,这种观点早已被事实打破。

科学家认为,随着FAST等精度更高的射电望远镜投入使用,手性分子等复杂有机分子将被大量发现。(王诗堃 张志超)

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