【探索手性起源 16.】

（16. 手性相变导致手性破缺）

 手性相变即是手性外消旋体转变为手性对映体的单一成分，这是一种让手性对称性破缺的一种相变。在常识中物质有气、液、固三态，三态之间在一定的临界条件下的相互转变即为相变，比如水在0°时能从固态变为液态，在100°时能从液态变为气态。导体变为超导体，即电阻为0，也是一种超导相变，这需要在足够低的临界温度下才能完成。

 那么氨基酸在一定的低温下，其外消旋体变为L-氨基酸，这是一种手性相变；而对于核糖，由外消旋体的核糖，变为D-核糖，这也是一种手性相变。因为这种手性相变，产生了最初的手性，有了单一的L-氨基酸和D-核糖，支撑起了生命的手性，也就是有了这样的手性起源才有了生命。

  那么手性相变是什么机制引起的呢？巴基斯坦科学家萨拉姆认为手性相变是由弱力媒介粒子之一，不带电的Z⁰玻色子的弱相互作用所引起的。一般认为，原子核外电子除了受到原子核的作用外，还受到周围其它原子核及电子的电磁相互作用。而考虑核外两个电子相互排斥的电磁相互作用外，通常没有考虑Z⁰玻色子交换所发生的弱相互作用的吸力。在常温下，弱相互作用引力比电磁斥力小很多，所以显示不出来。但在极低温度下，弱相互作用的引力将会超过电磁相互作用的斥力，并且不会受到热运动的干扰。由于弱力的手性，Z⁰玻色子和左旋电子的作用强度要大于和右旋电子的作用强度。在L-氨基酸中，右旋电子占多数，在D-氨基酸中，左旋电子占多数，从而使D-氨基酸的分子能量高于L-氨基酸的分子能量。计算表明，前者比后者要高约10^-19eV。

 萨拉姆预计氨基酸发生手性相变的临界温度为250K，也即-23℃。在临界温度以上，氨基酸晶体是外消旋体（±），L-氨基酸和D-氨基酸处于相同的能量状态，如下图的左边所示。下，弱相互作用显现出来，如下图的右边所示。D-氨基酸的分子能量略微大于外消旋体氨基酸的分子能量，而L-氨基酸的分子能量远小于外消旋体氨基酸的分子能量。尤如水往低处流一样，高能态总是不稳定的，要向低能态转变。因此高能态的D-氨基酸会向低能态的L-氨基酸转变。从而在宏观上表现为L-氨基酸多于D-氨基酸。然后通过自催化过程将这种对映体过量逐步放大，最后形成单一的手性分子。L-氨基酸的能量较低，因而比较稳定，在长期的生命演化中，稳定则容易形成生命，这就是为什么生命中的19种氨基酸都L构型的原因。

  对于核糖，情况恰好相反。计算结果表明。在临界温度下，L-核糖的分子能量比D-核糖的分子能量高。高能态的L-核糖会向低能态的D-核糖转变，从而产生D-核糖的过量。

  在实验上，已经观测到在相变点处L-氨基酸和D-氨基酸有不同的物理属性，并且测得的L-氨基酸的分子能量确实低于D-氨基酸的分子能量。北京大学的王文清教授使用比热法和核磁共振法等8种方法研究丙氨酸的手性相变，在270K的条件下，测得的能量D-丙氨酸比的能量L-丙氨酸高约10^-4－10^-5eV。显然，这个能量差远大于萨拉姆的计算值（10^-19eV）。由于实验是在外磁场的作用下进行的，所以也叫磁手性相变。

 手性相变是最有吸引力的一种机制。然而，手性相变只在低温下才能实现，可是在低温下化学反应即使能够发生，生命无论如何也是难于存活的。所以有许多人质疑，在如此低的温度下，如此微小的能量差异在手性起源上究竟能起到作用吗？这其实说明还需要有进一步的实验数据。

                              丰都智愚河畔环境技术工作室