手性碳原子 碳原子的定义

2024-11-2301:28:03综合资讯0

2016年4月,国际研究团队宣布,通过望远镜的观测,发现了位于猎户座星云——著名的恒星诞生区——一颗新生大质量恒星IRc2周围的广泛区域中,分布着圆偏振的光。这一发现标志着人类首次在如此广阔的范围内探测到圆偏振光,这一现象可能为一个重要理论提供了实验证据。该理论认为,太阳系的诞生可能受到了来自类似猎户座星云中这类新生大质量恒星的圆偏振光的影响,从而导致了原始太阳系星云中的氨基酸发生了左旋现象。

氨基酸是地球生命构成的关键成分之一,是由原子按照特定立体结构组合而成的复杂分子,主要分为L型(左旋)和D型(右旋)两种。两者之间的关系就像左手和右手的镜像对称。科学家发现,地球生命体几乎完全由L型氨基酸组成,只有极少数动植物体内含有微量的D型氨基酸。那么,为什么地球生命中几乎全是左旋氨基酸呢?这一问题至今没有确切答案,但科学家认为,这一谜团的解开可能与地球生命的起源密切相关。随着新发现的不断涌现,包括对陨石的研究,关于地球生命氨基酸左旋性来源的谜题或许有望揭晓。

提到氨基酸的左旋现象,或许有人会想起1970年出版的科幻小说《史波克必死》。在这部小说中,虚构角色史波克先生在“企业号”航母上因食物中全是左旋氨基酸,而无法获得所需的右旋氨基酸,最终面临死亡。尽管这一情节并不真实,但它确实反映了一个科学问题——为什么生命中的许多复杂分子要么是左旋,要么是右旋呢?

这种现象在科学上被称为“手性”。手性是指一些分子具有特定的空间结构,无法通过旋转或镜像翻转与其镜像完全重合。这就像左手和右手的关系一样,它们虽然外形相似,但无法完全对接。生物分子的这种现象通常被称为“对映体”。这些对映体的原子数目相同,且在物理和化学特性上也完全一致,但它们却以不同的方式与其他分子发生反应。

在大多数化学反应中,两种对映体的数量是相等的,但在生物体系中却存在显著的偏好,通常是选择一种手性形式而排斥另一种。例如,地球生命中的蛋白质几乎完全由L型氨基酸构成,而某些生物化学反应则依赖于特定的糖类形式,右旋糖在其中扮演了重要角色。这种偏好看似有些不合常理,就像一个抽屉里只放左手套而不容纳右手套。

科学家猜测,这种“同手型”现象或许源于地球早期某次偶然的非对称事件,并在随后的进化过程中不断放大。外星的生命体或许并不会有这种手性偏好,甚至可能正好相反。来自陨石的氨基酸样本却揭示了一个奇特的现象——这些氨基酸中,L型的数量普遍高于D型,比例差异从2%到18%不等。

虽然这一发现并不足以直接证明外太空的物质对地球生命的影响,但一些科学家认为,这种偏好可能早在地球生命诞生之前,甚至在太阳系形成之初,就已存在。甚至有理论认为,这一手性偏好可能早在地球和太阳系的形成之前便由外太空的物质提供了“种子”。

19,天文学家在猎户座星云中发现了圆偏振光,这一发现提供了一个可能的解释。圆偏振光是一种光波,其电场在与光传播方向垂直的平面上顺时针或逆时针旋转。在星云中,光线经过气体和分子时,可能会发生圆极化现象,这种光波可能影响到氨基酸分子中的原子排列,从而偏向一种手性形式。科学家推测,这种圆偏振光可能会选择性地分解某种手性的氨基酸,进而引发手性不对称。而猎户座星云,正是太阳系形成的“摇篮”,因此这种手性偏好很可能是由星云中诞生的大质量恒星及其释放的圆偏振光所引发的。

猎户座星云的圆偏振光能量较低,主要以光为主,缺乏足够强度的紫外光来引发相关化学反应,这使得该理论面临一定挑战。至今,科学家们仍未观测到紫外光的直接证据,尽管不排除星云中的气体云团可能有效散射紫外光,从而使其几乎无法被望远镜探测到。

针对这一问题,最新的理论提出了另一种可能性:超新星爆发中的强磁场和高能粒子流可能是关键因素。当一颗大质量恒星燃尽其燃料时,会在几秒钟内剧烈坍缩,形成一个中子星,伴随着极其强大的磁场。这个磁场的存在可能对氨基酸分子的氮原子核产生影响,从而引发手性的不对称。具体来说,超新星爆发时释放的高能粒子流,尤其是中微子和微子,可能通过与氨基酸中的氮原子反应,选择性地某一手性氨基酸分子。反过来,这一过程可能导余区域中左旋氨基酸的比例高于右旋氨基酸。

虽然这种理论提供了新的视角,但也面临不少质疑。磁场对氮原子自旋的影响依赖于一系列复杂的物理过程,且反应的发生要求特定的条件。由于中微子和微子与氨基酸分子之间的反应机制尚不完全明晰,该理论仍需要进一步验证。

某些科学家提出,如果超新星爆发确实影响了太阳系原材料中的氨基酸成分,那么这些“种子”可能早已被多次超新星爆发的中微子流处理过,选择性地留下了更多的左旋氨基酸。也有观点认为,如果这些超新星爆发所产生的伽马射线足够强大,它们可能会摧毁氨基酸分子,从而消除了这种手性失衡的可能性。为了解决这个问题,有人提出,若超新星的残余是,那么光线和伽马射线都可能被吞噬,避免了伽马射线干扰,进而为手性失衡的形成提供了条件。

虽然这一假设具有挑战性,但它并未遭到太多的反对。部分反对者认为,这种手性偏好所产生的失衡可能过于微小,然而实验数据表明,即使最初的手性失衡只有1%至5%,在后续的化学反应中,这一失衡仍可通过自催化过程逐步放大。即便初期差异很小,最终也能形成显著的手性偏差。

虽然关于氨基酸手性偏好的科学探索仍在继续,超新星爆发及其产生的强磁场和粒子流,可能成为解开这一谜题的关键。未来的研究或许能够为我们揭示,地球生命的氨基酸手性偏好,究竟源自星际物质的早期影响,还是由其他更为复杂的物理过程所主导。