科技 新浪科技 宇宙射線或可解釋為何地球生命偏愛右旋DNA

宇宙射線或可解釋為何地球生命偏愛右旋DNA

新浪科技 2020-07-01 09:50
宇宙射線粒子與手性生物分子之間存在著不平衡的相互作用,這或許可以解釋為什麼地球上所有的生命都完全依賴於右旋的DNA和RNA螺旋宇宙射線粒子與手性生物分子之間存在著不平衡的相互作用,這或許可以解釋為什麼地球上所有的生命都完全依賴於右旋的DNA和RNA螺旋

  新浪科技訊 北京時間7月1日消息,科學家花了20多年才確定DNA雙螺旋是右旋的,但為什麼如此?一項新研究認為,在生命誕生初期,宇宙射線可能賦予了右旋的DNA某種演化優勢。

  如果你能把自己縮小到微觀的分子層面,進入地球上任何動物、植物、真菌、細菌或病毒的遺傳物質中,你會發現它們就像螺旋樓梯一樣,並且總是向右轉。這是一個很有意思的普遍特徵,也一直令科學家迷惑不解。

  化學家和生物學家尚不清楚所有已知生命都傾向於這種結構的明顯原因。「手性」分子以成對的形式存在,就如同右手手套與左手手套的配對。基本上,所有已知的化學反應都會產生這兩類物質的平均混合物。原則上,由左向核苷酸組成的DNA或RNA鏈在功能上應該和由右向核苷酸組成的DNA或RNA鏈相同(儘管結合了左向和右向亞基的嵌合體可能會遇到一些麻煩)。

  然而,今天地球上的生命只選擇了其中的一套方案。許多研究人員認為,這樣的選擇是隨機的:右旋的DNA雙鏈只是碰巧首先出現,或者出現時數量稍微多一些。但是,一個多世紀以來,有研究者一直在思考,這種偏向右旋的特徵是否具有更深的生物學根源。

  「這是地球生命與宇宙的聯繫之一,」路易·巴斯德在1860年寫道,他是最早發現生命分子不對稱的科學家之一。

  現在,兩位物理學家將天然DNA的旋轉方向與基本粒子的行為聯繫了起來,這可能在某種程度上驗證了巴斯德的直覺。他們提出的理論發表在今年5月的《天體物理學雜誌快報》上,儘管並沒有解釋生命的遺傳物質是如何一步步變成右旋,但確實表明了DNA和RNA的形狀並非偶然。這些遺傳物質的螺旋都可以追溯到宇宙射線的意外影響。

  美國哈佛大學的天文學家迪米塔爾·薩塞羅夫沒有參与這項研究,但他表示這項工作「指出了我們沒有考慮到的一種新的手性途徑,看起來很不錯」。

  宇宙射線就像來自外太空的子彈,但只有原子大小,這些「彈片」不斷落在我們頭上。諾米·格洛布斯是美國紐約大學和私人研究機構「熨斗研究院」的高能天體物理學家,長期從事宇宙射線的研究。然而,直到2018年,當格洛布斯作為斯坦福大學科維理粒子天體物理和宇宙學研究所的訪問學者時,他才開始思考宇宙射線影響生命的可能方式。在那裡,她遇到了該研究所的前任所長、天體物理學家羅傑·布蘭福德。

為什麼生命偏愛右旋的DNA?地球上的所有生命都依賴於右旋的DNA和RNA螺旋鏈;沒有細胞會使用這些分子的鏡像手性分子。一項新研究指出,宇宙射線的電離作用更常施加於右旋的DNA和RNA螺旋,使其產生更多的突變,從而導致基於右旋DNA和RNA的生命演化得更快。為什麼生命偏愛右旋的DNA?地球上的所有生命都依賴於右旋的DNA和RNA螺旋鏈;沒有細胞會使用這些分子的鏡像手性分子。一項新研究指出,宇宙射線的電離作用更常施加於右旋的DNA和RNA螺旋,使其產生更多的突變,從而導致基於右旋DNA和RNA的生命演化得更快。

  他們發現,宇宙射線的簇射就像DNA雙鏈一樣,也具有手性。物理事件通常向右中斷和向左中斷的頻率應該是一樣的,但宇宙射線中的π介子卻是罕見的例外。π介子的衰變過程是由弱力控制的,而弱力是已知唯一鏡面不對稱的基本力。π介子撞擊到大氣中會產生粒子簇射,產生電子和較重的μ介子,它們都受到弱力影響,具有相同的手性磁場方向。格洛布斯表示,這些粒子在穿越大氣層時四處彈跳,但總體而言,當它們撞擊地面時,更傾向於保持自己偏愛的手性。

  研究人員推測,地球上最早的生物——或許只比裸露的遺傳物質複雜一點——可能分屬兩個陣營。一些生物像我們一樣,具有捲曲的DNA或RNA鏈,格布洛斯和布蘭福德稱之為「活」分子(手性命名規則因場的不同而不同);另一些生物則具有鏡像反向的遺傳物質鏈,這被稱為「壞」分子。研究人員通過一系列模型計算出,偏向性的宇宙射線粒子從「活」螺旋中撞擊出電子的可能性,比從「壞」螺旋中撞擊出電子的可能性要大得多。理論上,這種撞擊會導致基因突變。

  這種效應可能是非常微小的:根據事件的能量,在「活」螺旋鏈中產生一個額外自由電子可能需要數百萬甚至數十億次宇宙射線撞擊。但如果這些電子改變了生物體遺傳密碼中的字母,那這些變化可能就會累積起來。格洛布斯認為,在一百萬年的時間里,宇宙射線可能在優先電離一種手性分子的過程中,加速了我們最早祖先的演化,使它們戰勝了「壞」對手。「如果沒有突變,就不會發生演化,」格洛布斯說道。

  接下來,研究人員的任務是觀察現實中粒子的手性是否真的能導致模型中所看到的快速突變。在研究結果發表之後,格洛布斯找到了加州大學聖克魯茲分校的生物學家和工程師大衛·迪默,後者對她的想法印象深刻。迪默提出了他所能想到的最簡單的生物試驗:一種名為「埃姆斯試驗」的現成方法,通過將菌落暴露在某種化學物質中,以檢測該物質是否會導致基因突變。不過,研究人員計劃用具有手性的電子束或μ介子來轟擊這些微生物,而不是對化學物質進行評估。

  如果粒子的手性確實能使微生物變異,那就將強有力地支持研究人員的結論,即宇宙射線在地球生命演化的起點施加了重要的推動作用。然而,這仍然不能完全解釋地球生命在遺傳物質手性上的一致性。具體而言,這個理論並沒有說明在包含左旋和右旋分子的原始湯中,「活」有機體和「壞」有機體是如何出現的。

  「這是非常艱難的一步,」美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的高級天體生物學家傑森·德沃金說,「但如果這個理論能提供一種不同的機制,另一種達爾文主義式的壓力,那將會非常有趣。」

  在生物體內,不僅DNA和RNA是手性分子,氨基酸也同樣具有手性。甚至在基因開始演化之前,另一個未知的過程似乎已經阻礙了「壞」生命的出現。構成蛋白質的簡單氨基酸分子也可以分成兩種構型,一種是生命所青睞的「活」構型,與之相反的則是「壞」構型(儘管「活」氨基酸偏愛的手性幾乎完全是左手性)。德沃金等人通過對隕石的仔細分析,發現某些「活」氨基酸比「壞」氨基酸多20%甚至更多,這種氨基酸的不平衡可能會傳遞給地球。這些多餘的分子可能是數十億年暴露在圓偏振光下所「倖存」下來的。圓偏振光是一組沿同一方向旋轉的光束,實驗表明,它們對其中某種手性氨基酸的破壞要比對另一種手性的氨基酸稍微徹底一些。

  不過,和宇宙射線一樣,圓偏振光的光束也有邊際效應。兩類物質分子之間明顯的不平衡涉及到數不清的相互作用,其他一些因素可能也非常重要。德沃金表示,光束必須破壞掉多到無法想象的分子,才能解釋某種分子的數量過剩。

  迪米塔爾·薩塞羅夫鼓勵格洛布斯和布蘭福德考慮宇宙射線與偏振光一起作用的可能性,或許正是二者共同塑造了小行星上的氨基酸。他還推測,在地球上要產生顯著的手性差異,需要劑量相當驚人的宇宙射線,甚至可能殺傷生命。他將宇宙射線比作超音速子彈,「要摧毀這麼多東西,」他說,「才可能留下(合適的)手性,但本質上你也會傷害到自己。」

  研究人員試圖尋找一種理論,來最終解釋手性的不平衡,並同時避免相關因素對生物體的破壞。在某種程度上,地球生命的祖先可能已經很幸運地找到了解決方法。「在地球這樣的行星上,有一些特殊的東西保護著這種化學過程,」薩塞羅夫說道。(任天)