地球生命为什么偏爱右旋DNA

新浪科技
2020-07-01

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新浪科技2020-07-01

宇宙射线粒子与手性生物分子之间存在着不平衡的相互作用,这或许可以解释为什么地球上所有的生命都完全依赖于右旋的DNA和RNA螺旋宇宙射线粒子与手性生物分子之间存在着不平衡的相互作用,这或许可以解释为什么地球上所有的生命都完全依赖于右旋的DNA和RNA螺旋

7月1日消息,科学家花了20多年才确定DNA双螺旋是右旋的,但为什么如此?一项新研究认为,在生命诞生初期,宇宙射线可能赋予了右旋的DNA某种演化优势。

如果你能把自己缩小到微观的分子层面,进入地球上任何动物、植物、真菌、细菌或病毒的遗传物质中,你会发现它们就像螺旋楼梯一样,并且总是向右转。这是一个很有意思的普遍特征,也一直令科学家迷惑不解。

化学家和生物学家尚不清楚所有已知生命都倾向于这种结构的明显原因。“手性”分子以成对的形式存在,就如同右手手套与左手手套的配对。基本上,所有已知的化学反应都会产生这两类物质的平均混合物。原则上,由左向核苷酸组成的DNA或RNA链在功能上应该和由右向核苷酸组成的DNA或RNA链相同(尽管结合了左向和右向亚基的嵌合体可能会遇到一些麻烦)。

然而,今天地球上的生命只选择了其中的一套方案。许多研究人员认为,这样的选择是随机的:右旋的DNA双链只是碰巧首先出现,或者出现时数量稍微多一些。但是,一个多世纪以来,有研究者一直在思考,这种偏向右旋的特征是否具有更深的生物学根源。

“这是地球生命与宇宙的联系之一,”路易·巴斯德在1860年写道,他是最早发现生命分子不对称的科学家之一。

现在,两位物理学家将天然DNA的旋转方向与基本粒子的行为联系了起来,这可能在某种程度上验证了巴斯德的直觉。他们提出的理论发表在今年5月的《天体物理学杂志快报》上,尽管并没有解释生命的遗传物质是如何一步步变成右旋,但确实表明了DNA和RNA的形状并非偶然。这些遗传物质的螺旋都可以追溯到宇宙射线的意外影响。

美国哈佛大学的天文学家迪米塔尔·萨塞罗夫没有参与这项研究,但他表示这项工作“指出了我们没有考虑到的一种新的手性途径,看起来很不错”。

宇宙射线就像来自外太空的子弹,但只有原子大小,这些“弹片”不断落在我们头上。诺米·格洛布斯是美国纽约大学和私人研究机构“熨斗研究院”的高能天体物理学家,长期从事宇宙射线的研究。然而,直到2018年,当格洛布斯作为斯坦福大学科维理粒子天体物理和宇宙学研究所的访问学者时,他才开始思考宇宙射线影响生命的可能方式。在那里,她遇到了该研究所的前任所长、天体物理学家罗杰·布兰福德。

为什么生命偏爱右旋的DNA?地球上的所有生命都依赖于右旋的DNA和RNA螺旋链;没有细胞会使用这些分子的镜像手性分子。一项新研究指出,宇宙射线的电离作用更常施加于右旋的DNA和RNA螺旋,使其产生更多的突变,从而导致基于右旋DNA和RNA的生命演化得更快。为什么生命偏爱右旋的DNA?地球上的所有生命都依赖于右旋的DNA和RNA螺旋链;没有细胞会使用这些分子的镜像手性分子。一项新研究指出,宇宙射线的电离作用更常施加于右旋的DNA和RNA螺旋,使其产生更多的突变,从而导致基于右旋DNA和RNA的生命演化得更快。

他们发现,宇宙射线的簇射就像DNA双链一样,也具有手性。物理事件通常向右中断和向左中断的频率应该是一样的,但宇宙射线中的π介子却是罕见的例外。π介子的衰变过程是由弱力控制的,而弱力是已知唯一镜面不对称的基本力。π介子撞击到大气中会产生粒子簇射,产生电子和较重的μ介子,它们都受到弱力影响,具有相同的手性磁场方向。格洛布斯表示,这些粒子在穿越大气层时四处弹跳,但总体而言,当它们撞击地面时,更倾向于保持自己偏爱的手性。

研究人员推测,地球上最早的生物——或许只比裸露的遗传物质复杂一点——可能分属两个阵营。一些生物像我们一样,具有卷曲的DNA或RNA链,格布洛斯和布兰福德称之为“活”分子(手性命名规则因场的不同而不同);另一些生物则具有镜像反向的遗传物质链,这被称为“坏”分子。研究人员通过一系列模型计算出,偏向性的宇宙射线粒子从“活”螺旋中撞击出电子的可能性,比从“坏”螺旋中撞击出电子的可能性要大得多。理论上,这种撞击会导致基因突变。

这种效应可能是非常微小的:根据事件的能量,在“活”螺旋链中产生一个额外自由电子可能需要数百万甚至数十亿次宇宙射线撞击。但如果这些电子改变了生物体遗传密码中的字母,那这些变化可能就会累积起来。格洛布斯认为,在一百万年的时间里,宇宙射线可能在优先电离一种手性分子的过程中,加速了我们最早祖先的演化,使它们战胜了“坏”对手。“如果没有突变,就不会发生演化,”格洛布斯说道。

接下来,研究人员的任务是观察现实中粒子的手性是否真的能导致模型中所看到的快速突变。在研究结果发表之后,格洛布斯找到了加州大学圣克鲁兹分校的生物学家和工程师大卫·迪默,后者对她的想法印象深刻。迪默提出了他所能想到的最简单的生物试验:一种名为“埃姆斯试验”的现成方法,通过将菌落暴露在某种化学物质中,以检测该物质是否会导致基因突变。不过,研究人员计划用具有手性的电子束或μ介子来轰击这些微生物,而不是对化学物质进行评估。

如果粒子的手性确实能使微生物变异,那就将强有力地支持研究人员的结论,即宇宙射线在地球生命演化的起点施加了重要的推动作用。然而,这仍然不能完全解释地球生命在遗传物质手性上的一致性。具体而言,这个理论并没有说明在包含左旋和右旋分子的原始汤中,“活”有机体和“坏”有机体是如何出现的。

“这是非常艰难的一步,”美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的高级天体生物学家杰森·德沃金说,“但如果这个理论能提供一种不同的机制,另一种达尔文主义式的压力,那将会非常有趣。”

在生物体内,不仅DNA和RNA是手性分子,氨基酸也同样具有手性。甚至在基因开始演化之前,另一个未知的过程似乎已经阻碍了“坏”生命的出现。构成蛋白质的简单氨基酸分子也可以分成两种构型,一种是生命所青睐的“活”构型,与之相反的则是“坏”构型(尽管“活”氨基酸偏爱的手性几乎完全是左手性)。德沃金等人通过对陨石的仔细分析,发现某些“活”氨基酸比“坏”氨基酸多20%甚至更多,这种氨基酸的不平衡可能会传递给地球。这些多余的分子可能是数十亿年暴露在圆偏振光下所“幸存”下来的。圆偏振光是一组沿同一方向旋转的光束,实验表明,它们对其中某种手性氨基酸的破坏要比对另一种手性的氨基酸稍微彻底一些。

不过,和宇宙射线一样,圆偏振光的光束也有边际效应。两类物质分子之间明显的不平衡涉及到数不清的相互作用,其他一些因素可能也非常重要。德沃金表示,光束必须破坏掉多到无法想象的分子,才能解释某种分子的数量过剩。

迪米塔尔·萨塞罗夫鼓励格洛布斯和布兰福德考虑宇宙射线与偏振光一起作用的可能性,或许正是二者共同塑造了小行星上的氨基酸。他还推测,在地球上要产生显著的手性差异,需要剂量相当惊人的宇宙射线,甚至可能杀伤生命。他将宇宙射线比作超音速子弹,“要摧毁这么多东西,”他说,“才可能留下(合适的)手性,但本质上你也会伤害到自己。”

研究人员试图寻找一种理论,来最终解释手性的不平衡,并同时避免相关因素对生物体的破坏。在某种程度上,地球生命的祖先可能已经很幸运地找到了解决方法。“在地球这样的行星上,有一些特殊的东西保护着这种化学过程,”萨塞罗夫说道。