宇宙射線粒子和手性生物分子所發生的不對稱的反應也許能解釋為什麼地球上所有的生命都依賴右旋DNA和RNA螺旋。
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如果你能夠縮到足夠小，進入地球上任何動物、植物、真菌、細菌或者病毒內部，沿著它們的基因螺旋結構向下走，就好像在走螺旋樓梯一樣，你會發現自己總是在向右轉，從來不會向左轉。這一普遍性狀需要一個解釋。
化學家和生物學家沒有看到明顯的理由，能解釋為什麼所有已知的生命都偏愛這一結構。“手性”分子以成對的形式存在，它們互為映象對稱，就像右手手套和左手手套能映象重合一樣。基本上，所有已知的化學反應均會產生兩者的混合物。原則上來說，由左旋核苷酸構成的DNA鏈或者RNA鏈和右旋核苷酸構成的一樣好用（不過將左旋亞基和右旋亞基組合在一起的嵌合體效果可能不太好）。
但是，今天的生命只使用了這兩種基本化學模組中的一種。許多研究人員相信，這樣的選擇是隨機的：那些右旋遺傳物質碰巧先出現了，或者數量稍微多了那麼一些。但是一個多世紀以來，一些科學家一直在思考，生物的固有手性是否擁有更深層次的根基？
1860年，第一位發現生命分子不對稱性的科學家路易·巴斯德（Louis Pasteur）寫道：“這是地球上的生命和宇宙的聯絡之一。”
如今，兩位物理學家可能證實了巴斯德的直覺，他們將自然DNA固定的扭轉方向和基本粒子行為聯絡起來。這一理論發表在5月的《天體物理快報》（Astrophysical Journal Letters）上，雖然它沒有解釋生命透過哪些具體步驟獲得了現有的手性，但它堅稱地球上的DNA和RNA形態絕非偶然。我們的遺傳物質螺旋可能一路追溯到宇宙射線的意外影響。
這一研究“指出了我們之前沒有想到的一個產生手性的原因，這看起來非常好”。哈佛大學的天文學家德米塔爾·薩謝羅夫（Dimitar Sasselov）說。他也是哈佛大學生命起源計劃（Origins of Life Initiative）主任，但沒有參與這項研究。
宇宙射線是來自太空深處的子彈，原子的碎片像彈片那樣不停落在我們頭上。這些暴烈的物質是諾埃米·格羅布斯（Noémie Globus）長期以來探索的寶礦。格羅布斯是紐約大學和熨斗研究所（Flatiron Institute）計算天體物理中心的高能天體物理學家。此前，對於宇宙射線可能如何影響生命這一問題，格羅布斯並沒有太深入地思考過，直到2018年，她在卡弗裡粒子天體物理和宇宙學研究所（Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology）做訪問學者時，在那裡遇見了同為天體物理學家的羅傑·布蘭德福德（Roger Blandford），他也是斯坦福大學研究所前所長。
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他們開始討論這樣一個事實：宇宙射線束就像DNA鏈一樣，擁有手性。物理事件的斷裂通常是左右對半開，但是，稱為π介子的宇宙射線粒子卻是自然界罕見的例外之一。π介子的衰變由弱力主導，這是一種已知具有映象不對稱性的基本作用力。π介子衝進大氣層，產生的粒子簇射包括電子以及它們更重的“同胞”——μ介子，所有粒子都受到弱力作用影響，相對於它們的路徑擁有相同的手性磁性取向。格羅布斯說，粒子穿過大氣層時會四處反彈，但總的來說，當它們撞擊地面時傾向於保持其偏好的手性。
地球最初的生命體也許不過是像裸露的髮廊旋轉燈柱那樣的遺傳物質，研究人員假設它們一開始可能有兩種變體。一些擁有和我們一樣的右旋DNA鏈或者RNA鏈，格羅布斯和布蘭德福德稱之為“活性”分子（手性命名慣例因不同領域而各異），而其他一些則是映象翻轉鏈——“邪惡”分子（evil，即live的迴文形式）。研究人員使用一系列玩具模型，計算出帶有偏向性的宇宙射線粒子更容易敲松右旋的“活性”螺旋中的電子，而不是左旋的“邪惡”螺旋中的電子，兩者的差異很小但確實存在。理論上這樣的事件會引發突變。
這種影響很微小：可能需要上百萬甚至數十億次的宇宙射線撞擊，才能在“活性”鏈中產生一個額外的自由電子，需要的撞擊次數取決於事件的能量。但如果這些電子改變了生命體基因編碼中的字母，改變可能會疊加起來。格羅布斯表示，大約在100萬年的時間裡，宇宙射線可能加速了我們最早祖先的演化程序，讓它們戰勝了自己的“邪惡”競爭對手。“如果你沒有突變，你就不會演化。”她說。
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研究人員的下一步任務，就是檢驗真實粒子的手效能否確實導致在模型中看到的快速突變。在研究發表後，格羅布斯聯絡了加州大學聖克魯茲分校（University of California, Santa Cruz）的生物學家和工程師大衛·迪默（David Deamer），尋求其協助。迪默被格羅布斯的想法打動了，他提出了自己能想到的最簡單的生物檢測方法：名為艾姆斯試驗（Ames test）的現成檢驗手段，讓細菌菌落接觸一種化學物質，檢查該物質是否會引起突變。但這次評估的不是化學物質，研究人員計劃用手性電子束或者μ介子束來考驗一下微生物。
如果證明了粒子手性確實會引發微生物突變，這將會強有力地證明宇宙射線推動我們祖先從演化的起點出發，但是，這仍無法完全解釋地球上生命的統一手性。比如說，理論沒有解釋 “活性”生命體和“邪惡”生命體如何設法從同時包含右旋和左旋構建模組的原始“生命奶昔”中獲得具體形態。
“這是非常困難的一步。”傑森·德沃金（Jason Dworkin）說道，他是NASA戈達德太空飛行中心（NASA Goddard Space Flight Center）的資深天體生物學家，同時是西蒙斯基金會生命起源問題研究所（Simons Collaboration on the Origins of Life）的研究員，“但如果這套理論能夠提供不同的機制，或者說另一種演化壓力，那將會很有意思。”
甚至在遺傳演化出現之前，另一未知過程似乎阻礙了“邪惡”生命的發展。形成蛋白質的簡單氨基酸分子也存在兩種構型，而生命更偏愛“活性”構型，而非“邪惡”構型。德沃金等人對隕石進行了仔細的分析，他們發現，某些“活性”氨基酸在數量上要比“邪惡”分子多出20%以上，它們可能已經將這種盈餘傳到了地球上。這些數量過分龐大的分子可能是暴露在圓偏振光中長達數十億年之後最終的倖存者。圓偏振光是指朝相同方向旋轉的光束，實驗顯示，這種光束能夠以較小的差異，更加徹底地破壞另一種氨基酸分子。
但是，和宇宙射線一樣，光束的作用很微小。需要進行無數次的相互作用，才能夠留下可見的失衡狀態，所以可能還有其他力也很好地發揮了作用，德沃金說。
薩謝羅夫鼓勵格羅布斯和布蘭德福德考慮一下，宇宙射線是否可能與偏振光共同塑造了小行星上的氨基酸。他猜測，要在地球上造成明顯的手性差異，所需要的宇宙射線劑量可能會過於致命。他將宇宙射線比作超音速子彈，“你正在摧毀一切。”他說，“你可能最終得到了正確的手性，但實際上你也正在朝自己的腳開火。”
總之，研究人員很難找到既能解釋手性的出現，又不至於讓生物物質毀壞的理論，這表明我們祖先可能很幸運，受到的照射量剛剛好。
“像地球這樣的行星應該有什麼特別之處，保護了這種化學性。”薩謝羅夫說。
作者：Charlie Wood
翻譯：阿金
審校：戚譯引
引進來源：Quanta Magazine
