手的本质特点是什么(个性的本质是什么)

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导语

生命所必需的生物分子，如氨基酸和糖，都是手性的。它们以镜像对称的形式成对存在，但现代生活只选择其中一种手性。生命中的这种手征对称性破缺最初是如何产生的？最近，PNAS发表的一项新研究提出了一种手性诱导的自旋选择性机制来解决这个古老的难题。

研究领域:手性，对称性破缺，生命起源。

论文题目:

生命同手性的起源:用自旋极化电子诱导对映体过量

纸质链接:

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2204765119

几千年前，人们问:“我们从哪里来？”“生命是如何开始的？”。迄今为止，科学界仍在试图了解生命的起源。如今，人们普遍认为，任何答案都必须包括对同手性出现的解释。生物体中天然存在的生物分子具有特定的手性(对映体形式)，例如L-氨基酸和D-糖。

在同手性的确定性理论中，一个统一的概念是手性偏差的存在，它打破了驱动分子形成的对称性，使一个给定的手性多于另一个。这种手性偏差之前被认为是由圆偏振光、流体动力学和磁场以及许多其他因素造成的(1)。PNAS (2)的最新研究通过提出涉及手性诱导自旋选择性(CISS)的对称性破缺解决了这个古老的问题。

CISS效应的一个核心特征是手性分子的电子自旋和分子骨架之间的耦合。电子有两种可能的角动量态，并且存在于其中一种，通常称为自旋向上或自旋向下。许多研究表明，一种自旋类型的电子可以成功地通过由左手分子组成的合成物进行传输，而另一种自旋类型的电子则不能(3)。相反，当组合物由右旋分子组成时，自旋输运的相反趋势也会发生。手性分子的自旋优先表现在电子通过分子的传输，或者两个手性分子之间的电荷交换，或者手性分子与磁化表面(3，4)。

后一个例子构成了这个猜想的基础。在与生命起源前的地球环境一致的假设下，电子自旋可以产生对映选择性，可用于由非手性前体合成手性分子。他们的假设有先例，即磁化表面可以产生对映选择性，手性分子可以由非手性分子形成(5，6)。其他人也考虑了CISS对生命起源的影响(7)。

实验表明，CISS作用于不同规模和复杂程度的化学过程。参见图1中的总结。涉及更复杂的多步反应的实验表明，最初没有任何手性的系统可以产生优选的分子构型(8)。CISS的特性也显示出影响生物过程，如蛋白质中的电子传递和跨细胞表面的电子传递，以及变构调节(9-11)。

参考文献[5，6，8]讨论了促进化学反应的自旋效应，参考文献[9]总结了手性分子之间的自旋相互作用，参考文献[7，9]总结了蛋白质的自旋过滤能力。基于CISS的变构效应见文献[11]，CISS对细胞外呼吸的效应见文献[10]。注意ET(电子转移)代表电子转移，红色箭头表示自旋方向确定的电子。

在之前的工作中，Sasselov等人(12)提出了与生物分子起源相关的化学途径，这与生物起源之前的地球环境是一致的。此图涉及浅水盆地通过紫外线照射发生光化学反应的化学积累过程，被认为是不确定期存在。

但是，这张图并没有解释分子的手性。厄兹图尔克和萨塞洛夫将这个模型扩展到手性(2)，认为CISS效应和磁铁矿是手征性偏差的来源。磁铁矿是一种亚铁磁性物质，它是大约18亿至37亿年前地球缺氧环境下丰富的水下沉积沉积物的组成部分(13)。

厄兹图尔克和萨塞洛夫提出，紫外照射可以从均匀磁化的磁铁矿中产生自旋极化的光电子，然后由于CISS效应在磁铁矿表面附近引起对映选择性的化学反应。研究表明，在手性分子框架和进入电子的方向之间存在自旋选择性依赖性(5，14)，因此基于CISS，自由扩散分子可能比定向分子表现出更少的对映选择性。

正如厄兹图尔克和萨瑟洛夫所指出的，这个限制可能会将任何以CISS为基础的手征偏向机制限制在磁铁矿的界面态。但是，我们知道磁铁矿表面的自旋极化光电子是由面选择产生的——负自旋极化来自于

厄兹图尔克和萨塞洛夫提出的氰基硫化物的化学组成(16)是一个有吸引力的研究对象，因为它提供了一种产生手性分子的方法，已知手性分子可以扩散到生命的最基本组成部分(17)。重要的是要注意，由自旋极化电子产生的对映选择性不一定是100%需要的。如实验所示，非线性放大方案也可以从相对小的手性偏差或对映体过量产生同手性。通过自催化过程或其他非线性过程，分子旋向性有可能从最初的小过量发展到更大的过量(18，19，1，20)。沿着类似的路线，基于CISS的过程可以从生物学上加强和传播同手性的好处；CISS已被证明表现在生物分子和生化机制中，如图1 (7，9)。

为了发展一个基于CISS的生命起源理论，下一步是通过实验证明，在生命起源之前的条件下，某种电子自旋可以控制化学反应产生的分子的手性。厄兹图尔克和萨塞洛夫提出的实验(2)就是这样一个例子，如果得到验证，将巩固CISS作为前生物化学中初始手性偏向的潜在机制。同时，我们应该继续研究基于CISS的同手性机制。更广泛地说，这种研究将进一步证明，考虑电子自旋在调节和引导化学反应和生命过程中的作用是极其重要的。

布莱恩·p·布鲁玛，安娜·r·沃尔德克，大卫·h·沃尔德克|作者

梁冬冬作者

金|校订

邓一雪|编辑

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