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生命是自然界最大的奥秘,多少世纪以来,无数科学工作者为揭开生命之谜做出了不懈的努力。生命的定义非常复杂,因为它是一种复杂现象,不仅需要单独的自我生产和自我持续,而且还需要具备有进化动力学特征的长期形成的组织结构。
一个分子如果与它的镜像不能重叠,即称它具有手性。地球上的生命体蛋白质中20种氨基酸,除甘氨酸没有手性外,其他19种全都是L型;组成RNA、DNA中的核糖全都是D型,这种现象叫做生命现象的手性对称破缺。1860年Pasteur在“关于分子不对称性的研究”中说道,分子的旋光性也许是生命的唯一判据。
1997年EngelM.H.在Nature上发表,在默奇逊(Murchison)陨石中,同位素证据肯定了地外手性的存在。因此手性识别也作为探索太空生命物质组成和识别生命与非生命的探针。
生物分子手性起源的假说很多,但大致可以分成两类:偶然性选择机理defacto(bychance)和必然性选择机理delege(bynecessary)。绝大多数研究认为生物分子在进化过程中遇到非对称环境(圆偏振光、磁场、手性晶体吸附等)这种微小的能差通过一个适当的放大机制,可能使生命体内手性均一性得以实现,这个过程就是delege机理。
1991年,著名物理学家萨拉姆(A.Salam)在比较了氨基酸晶体结构和蛋白质一维链状简化结构后,利用超导的BCS理论,将超导金属的临界温度公式Tc=ωexp(-2/geffσ(0))应用到氨基酸链,提出一种由Z0玻色子介导的电子与核子,电子与电子耦合的类Bose凝聚的机制,并假定临界温度时α-H或N+-H很容易给出电子,行为类似于金属氢。他预言在某一临界温度下,D-氨基酸能发生二级相变,使得20种氨基酸分子的手性均一得以实现。通过Ginzburg-Landau方程得到相变温度为Tc=〈ψ〉/103exp[-2/geffσ(1-4sin2θ)]≈2.5×102K
为了验证A.Salam预言的相变是否存在,我们选择D-/L-丙氨酸晶体作为研究对象。利用X-射线衍射和中子衍射、偏振拉曼光谱和质量磁化率等物理化学手段系统的测量了低温变温过程D-/L-丙氨酸晶体晶体结构、分子振动、直流磁化率和低温比热的变化过程。发现了三个重要的温度区间:1、2-20K范围比热测定出现玻色峰(Bosonpeak),推测与晶体低温下出现类玻璃态转变有关;2、在170K温度附近,拉曼光谱在b(cc)b偏振状态下低波数出现139cm-1新的模,反映晶格振动变化,可能与甲基扭曲有关;3、在250K-270K较宽的温度范围内存在相变趋势,变温偏振拉曼、直流磁化率和DCS比热测定D-丙氨酸晶体相变点在270K附近。
通过分析拉曼光谱和直流磁化率测定D-丙氨酸晶体在270K附近测到的相变特征,我们推测该相变与分子中氨基的变化有关,相变起因和能量来自于氨基上的氢质子传递到邻近分子的羧基某一特定氧上,这一质子传递过程是不对称的。质子在氢键链中的移动,是由质子在双阱势垒中,穿过势垒从一个阱跳到另一个阱,并通过分子旋转从一侧翻转到另一侧的二步骤协同进行的。这一相变特点有点类似于A.Salam预言的氢的传导过程发生玻色凝聚和类超流现象。但是我们以前的核磁共振13CNMR,变温X-射线及中子衍射实验排除了相变是D-丙氨酸转变为L-丙氨酸的过程。
通过卖验研究,我们认为萨拉姆在氨基酸手性起源问题中提出利用凝聚态物理的概念(BCS理论和玻色凝聚等)来分析氨基酸晶体和蛋白质这类生物凝聚态现象有很大创新性,我们试验证明了变温过程中D-/L-丙氨酸晶体存在相变差别,但是否认了低温时晶体D-丙氨酸转变为L-丙氨酸的可能。
生命起源研究内容十分广泛,存在许多奥秘,以上方面的进展只是沧海一粟。其它诸如非天然氨基酸在生命体系中的表达,非天然核酸的形成及在医药和物种创制中的应用;手性起源及其在不对称合成中的应用;极端条件下的生命现象及其在发酵与生物制药工业中的应用等领域不胜枚举。总之,生命起源与进化的研究是当今科学研究的制高点之一,也是同时具有巨大应用前景的交叉学科。