【手性物普及系列 31.】
(31. 手性相变）
物体从固、液、气几种状态的改变，称为相变，相变是在一定条件下，就是临界温度和临界压力。金属导体在临界温度下变为电阻为零的超导体也是一种相变。而手性对映体的构型互变，是在包含Z0粒子的过程中的手性分解，这也是一种手性相变。这一物理现象是被巴勒斯坦物理学家萨拉姆发现并提出的。
在氨基酸晶体中，原子外层电子除了受到本身原子核的作用外，还要受到相邻原子核及电子的电磁相互作用。而萨拉姆认为，化学家只考虑电磁相互作用（晶体中的化学键的本质），而不考虑弱相互作用。实际上，两个电子之间除电磁相互作用外，还要通过交换Z0玻色子发生弱相互作用。两个电子之间的电磁相互作用是斥力，而两个电子之间的弱相互作用是引力。只不过在常温下，弱相互作用的引力比电磁斥力小很多，显示不出来，所以化学家不会考虑它。但在极低的温度下，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，和左旋电子的作用强度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，两者之间的能量差为10-19eV。
因此，氨基酸从外消旋体转变为L-氨基酸也是一种相变，且把它称为手性相变。萨拉姆预计氨基酸的手性相变的临界温度为250K（-23℃），在这临界温度以上，氨基酸晶体是外消旋体的，其中的L-氨基酸和D-氨基酸处于相同的能量状态。在临界温度以下，弱相互作用显现出来，D-氨基酸的分子能量略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，L-氨基酸和D-氨基酸两者之间的就显现出相当的能量势差。根据能量最低则稳定的原理，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，最后形成手性均一化。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20种氨基酸有19种（其中一种甘氨酸是非手性的）都是L构型的原因。对于核糖，情况恰好相反，计算结果表明，在临界温度以下，L-核酸的分子能量比D-核糖的分子能量高。高能态的L-核酸会向低能态的D-核糖转变，从而产生D-核糖的过量，最后导致核糖中D构型的手性均一化。
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曾用比热法和核磁共振法等八种方法研究丙氨酸的手性相变。结果是，在270K的条件下，测得D-丙氨酸的能量比L-丙氨酸的能量高约10-4~10-5eV。显然，这个能量差要高于萨拉姆的估算值。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。
萨拉姆曾和另外两位物理学家因创立弱电统一理论而获得1979年诺贝尔物理学奖。为了寻找手性起源的物理缘由，提出了上述手性相变理论，期待冲击第二个诺贝尔奖。很遗憾他于1996年因病去世，而诺贝尔奖只奖在世的科学家，因故萨拉姆与第二次获奖擦肩而过。
关于手性相变导致生命中手性起源的推测也受到一些科学家的质疑，理由是手性相变只在极低的温度下才能实现。可是在低温下化学反应即使能够发生，生命也难于存活。因而在如此之低的温度下，如此微小的能量差在手性起源中是否能起到决定性的作用？
（本节中部分内容摘自史志强教授的《探秘手性》）
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