壹
· 概念导入 / 01
我们的左手与右手是互为镜像的，即左手在镜子中的影像与右手一模一样，而无论你怎么转动，左手与右手都是无法重合的。
当一个物体像我们的手一样无法与自己的镜像重合时，我们就称之为手性。
手性这一概念，在有机化学中应用非常广泛，是有机化学中非常重要的定义，最基本的，当一个碳原子连接的四个基团互不相同时，即可构成一个手性碳原子，含有手性碳原子的分子就有可能是一个手性分子，手性分子与它的镜像分子在有机化学中称互为对映异构体。
而手性在我们的日常生活中也并不少见，甚至可以说生活中处处有手性，小到各种螺丝，各种海螺的外壳，大到旋转楼梯，台风都是手性的（图1）。
因此，手性是自然界的基本属性。
图1 手性的物体举例
生命的活动依赖于分子的手性，构成生命体的生物大分子的基本单元都是手性分子。
例如，构成蛋白质的基本单元——氨基酸，除了甘氨酸是非手性分子之外，其他天然氨基酸均是手性分子；核酸的重要组成部分——五元糖环是手性分子；糖类的基本单元——单糖也是手性分子。
然而有意思的是，生物体对这些基本单元的构型选择呈现出极致的偏向性，组成生命体的氨基酸都是L型的，组成核酸与多糖的单糖都是D型的（图2）。
图2 生物体的氨基酸与糖的结构
· 实例解说 / 02
许多生理现象的产生都源于分子手性的精确识别与严格匹配，手性的生物受体与客体的两个对应异构体以不同的方式发生相互作用。
因此，在涉及生命体的药物治疗时，需要明确不同对映异构体的作用，否则就有可能产生严重后果。
例如20世纪50年代的反应停事件，就是直接使用了对映体的混合物——外消旋体进行给药治疗，混合物中虽然含有作为镇静剂的有效成分——(R)-沙利度胺，可以显著减少孕妇的孕期反应，但其对映体(S)-沙利度胺却有使胎儿致畸的效果，因使用了反应停，导致畸形的婴儿被称为“海豹儿”（图3）。
图3 沙利度胺与海豹儿
贰
地球上的生命发源之初，左右对称性的破缺是怎样开始的？
或者说，生物分子手性的起源是什么？
为什么最终能产生如此高的对映选择性？
这些问题至今依然是谜，有待于人们去探索与研究。
在化学反应中，当一个反应产生一个手性产物时，如果我们不对它进行干预，总是会生成等量的两个对映异构体，如果需要选择性的得到其中一个异构体，需要进行手性诱导，如不对称金属催化，手性小分子催化，酶催化，引入手性辅助基或直接使用含手性的原料的方法。
从这些实现方法上可以看出，想要使反应产生对映选择性，需要引入外来已有的不对称性进行诱导，否则只能得完全对称的结果。
因此，从最初完全对称不含手性的环境中要发展出生物体内如此单一的对映选择性，可能需要经历两个过程，首先是一个从无到有的过程，即先产生一个微小的对称性破缺，然后再通过一定的条件对这一微小的不对称性进行放大，从而实现高对映选择性。
目前，关于生物的手性起源问题，即对称性破缺的产生，主要有如下的几种假说：
· 圆偏振光引起的对称性破缺 / 01
我们知道，太阳光本身是线性的对称光源，当它照射在地球上时，地球表面的反射与地球本身的磁场的作用下，就会产生圆偏振光，分为左旋圆偏振光与右旋圆偏振光（图4）。
从圆偏振光的示意图上，我们可以看到圆偏振光是手性的，那么，有没有可能是因为不对称的圆偏振光的照射而引起的对称性破缺？对于这个问题，有化学家做了相应的研究。
图4 圆偏振光示意图
樟脑是一种有机化合物，在紫外光照射下会发生分解，生成环戊基乙醛的衍生物。
1974年，Kagan等人用290-370 nm的圆偏振光照射外消旋的樟脑使其发生分解，并定时对未反应的樟脑进行ee值检测，发现随着反应时间的延长，未反应的樟脑的ee值越来越高，在反应进行了10小时之后，未反应的樟脑的ee值达到20%（图5，a）。
类似的，Massey等人在1977年使用了圆偏振光照射外消旋的亮氨酸引发分解，实验发现，使用左旋圆偏振光照射后，未反应的亮氨酸约2.5%的ee值，其中R-亮氨酸稍多，而相应的，使用右旋圆偏振光照射则会得到一个S-亮氨酸稍多的约2.0% ee的残留物。
Cr( III )tris-oxalate是存在左旋与右旋两种构型的络合物，两种构型在溶液中并不稳定，可发生构型互变。因此，在溶液中，该络合物是消旋的。2000年，Raupach等人使用圆偏振光照射该离子的溶液，发现在圆偏振光作用下，随着时间的延长，溶液的ee值不断升高，而当撤掉圆偏振光后，ee值又会缓慢下降直至回到消旋状态（图5，b）。他们解释这是由于在圆偏振光的照射下，两个异构体分解速率不同，而分解后再络合回两个异构体的速率相同导致。
以上几个实验说明，圆偏振光的照射下，某些化合物的两个对映体发生分解的速率不同，可能导致不对称性的产生。
因此，科学家推断，在远古时候，太阳光照射到地球上产生的圆偏振光对物质的分解作用是诱导手性产生的一种可能。
图5 圆偏振光引起的对称性破缺现象
· 手性场—地球磁场引起的对称性破缺 / 02
我们知道，磁场是手性场，是具有方向性的，而地球本身就有地磁场，这是一个巨大的手性场。
前文我们有提过，对称的太阳光会被地磁场作用产生圆偏振光，因此，有科学家认为，地磁场的不对称性可能是对称性破缺的起因。
2000年，Raupach用磁场与线性光源（非偏振光）同时作用于铬（III）三草酸离子的溶液，发现当光线的方向平行于磁场方向时，溶液会产生对称性破缺，而此时溶液的ee值与所施加的磁场强度程线性关系，场强越大，溶液的ee值越高；而当光线的方向垂直于磁场方向时，溶液不产生手性。同时，当使用线性光源的波长为695.5 nm时，溶液的ee值最高（图6）。
该实验为地球磁场是手性起源的原因的假说提供了有一定说服力的论据。
图6 磁场引起的对称性破缺现象
· 地球的自转引起对称性破缺 / 03
我们生存的地球，每时每刻都在以一个几乎恒定的速率自西向东自转。地球的自转是不对称的，该不对称的自转，引发了地球上各种奇特的自然现象。
其中，最有趣的莫过于南北半球的热带气旋。由于地球是一个球体，因此地球自转引起的地转偏向力在南北半球是相反的，从而引起南北半球的热带气旋的方向相反。
图7 地球自转与南北半球的热带气旋
地球自转在宏观上引起了南北半球的台风形成了方向相反的气旋，因此，科学家们认为，地球的自转可能是引起最初产生对称性破缺的因素。
1990年，Kondepudi等人研究氯酸钠的结晶时发现，当使氯酸钠自然结晶时，多数情况下，体系内将结出相同数量的L-晶体与D-晶体；而当对体系进行搅拌时结晶，体系内结出的晶体数则基本均为L-晶体或D-晶体（图8，a）。
2001年，Ribo等人研究Porphyrin的堆积时发现，在静态体系自然堆积时，Porphyrin会在静电作用与氢键作用下按照特定取向规则堆积，而当体系在蜗旋状态下堆积时，Porphyrin则会沿着螺旋取向进行堆积，从而得到手性的螺旋结构。
因此，科学家认为地球的自转可能是最初产生对称性破缺的原因。
图8 搅拌产生的对称性破缺
· 手性吸附引起的对称性破缺 / 04
石英是地球表面分布最广的矿物之一，主要成分是二氧化硅。在自然界中，石英晶体存在L-石英与D-石英两种晶体对映体。
1974年，Bonner等人将3H标记的光学纯L-丙氨酸盐酸盐与D-丙氨酸盐酸盐的10-5 mol/L DMF溶液分别与L型与D型的石英粉末混合吸附时发现，光学纯的丙氨酸盐酸研溶液分别在D-石英与L-石英吸附过后放射性降低程度有一定差异，L-石英吸附过后的L-丙氨酸溶液放射性降低程度比D-石英吸附后略高，而D-石英吸附过的D-丙氨酸溶液放射性降低程度比L-石英吸附后略高，由此证明了L-石英可以选择性的优先吸附L-丙氨酸，而D-石英可以选择性的优先吸附D-丙氨酸。
因此，有科学家认为，手性起源之初，是由自然界的手性晶体对外消旋的氨基酸的选择性吸附而造成微小的对称性破缺引发的。
图9 石英对丙氨酸的吸附差异
· 自发手性拆分引起的对称性破缺 / 05
2001年，Viedma等人做了一个实验，他们将外消旋的天冬氨酸或谷氨酸的纯水溶液静置，并分成三组，第一组作为对照，第二组加入非手性的多孔材料，第三组加入手性的多孔材料，然后静置使其缓慢结晶。
实验结果发现，第一组对照组结出的是D-与L-混合的外消旋氨基酸晶体，而第二组与第三组总能结出纯的D-氨基酸与L-氨基酸晶体，从而实现自发手性拆分。
因此，有科学家认为，氨基酸在天然多孔材料的存在下发生自发手性拆分是对称性破缺产生的源头。
天外陨石带来的对称性破缺—地外起源 / 06
默奇森陨石是1969年9月28坠落于澳大利亚默奇森附近的陨石，质量超过100 kg，是世界上被研究最多的陨石之一。
这是一块有机物含量较高的陨石，从这块陨石上分离出了100多种氨基酸，其中有多种手性氨基酸并非以外消旋的形式存在，而是表现出了一定的对映体不平衡，即某一对映体的量多于另一对映体 （图10）。
1997年，Pizzarello等人测定了该陨石中同位素的含量，发现其中中氮-15的含量与地球相比之下较为丰富，说明这些氨基酸不是来自地球，而应是原来就存在于陨石中的。
据此，有科学家认为地球上最初的对称性破缺是域外陨石带来的，即地球上的手性起源于地外。
图10 默奇森陨石与其上分离出的非消旋氨基酸
叁
生物分子的构型是单一的，并且生物分子的转化，以及对外来物质的代谢都具有超高的对映选择性，而上文所述的几种对称性破缺的假说，产生的都是非常微小的对称性破缺。
想要达到如此高的对映选择性，就需要对产生的微小的不对称性进行放大。那么，这样的放大是通过什么方式实现的？这又是一个令科学家们非常感兴趣的问题。
目前，科学家们提出了两种可能的放大不对称性的方式：
● 结晶
● 不对称自催化现象
·结晶引起的不对称性放大 / 01
很多手性有机化合物，包括氨基酸，酒石酸等，他们的外消旋体具有比光学纯化合物具有更小溶解度。
因此，当一个氨基酸溶液中溶解了非等量对映体的氨基酸，即具有一定ee值的氨基酸时，当溶液结晶时，由于外消旋体溶解性较小而先结出，就可能实现手性的放大。
2006年，Breslow等人将500 mg初始1% ee的苯丙氨酸溶于水中，然后使水缓慢蒸发，直至大部分的苯丙氨酸析出（>400 mg），此时检测该氨基酸水溶液发现，溶液已经上升到40% ee，再继续使水分缓慢蒸发以析出大部分的苯丙氨酸晶体后过滤，最后浓缩得到约20 mg 的苯丙氨酸，ee值高达90.0%。他们使用不同的初始ee值的苯丙胺酸，最后均得到手性大幅放大的产物（图12）。
由此可见，外消旋体与光学纯化合物之间的溶解性差异，可能是微小的不对称性产生放大的原因。
图11 结晶引起的苯丙氨酸的手性放大
·不对称自催化作用引起的不对称性放大 / 02
不对称自动催化是指由不对称反应生成的手性产物自身作为催化剂的反应过程（图12， a），在这类反应体系中，催化剂自动放大倍增，可简捷高效地制备高选择性的对映异构体。
1990年，Soai课题组报道了首例不对称自催化反应，反应使用86% ee的加成产物催化二异丙基锌对吡啶-2-甲醛的加成，反应得到了ee值降低的产物，仅为35% ee （图 12，b）。之后几年，该课题组不断对不对称自催化反应进行研究，终于于1999年将手性放大作用做到极致：用0.00005% ee 的手性物质经过三轮反应得到>99.5% ee的产物 （图13）。
图12 手性自催化作用
图13 手性自催化：手性放大
有意思的是，他们发现，当使用外消旋的目标产物作为催化剂，但使反应在圆偏振光照射下进行时，反应可以得到>99.5% ee的目标产物，并且使用L-CPL照射得到S-构型产物，而使用R-CPL照射则得到R-构型产物（图14，a）。并且，他们还尝试使用多种不同的手性晶体作为添加剂，也能得到高ee值的产物（图14，b）。
作者认为得到该结果可能机理是反应体系在圆偏振光或手性晶体的作用下产生了微小的手性破缺，再经不对称自催化而放大。
因此，他们认为不对称自催化作用是自然界产生手性破缺后最终实现生物体内分子单一手性的原因。
图14 圆偏振光与手性晶体引起的不对称破缺经手性自催化放大
结语
迄今为止，科学家们已经提出了多种地球上的分子最初产生手性破缺的可能原因，以及产生破缺后最终放大，从而实现生物分子手性均一性的可能原因，但并没有一种理论得到公认。
从前文的讨论我们也可以知道，虽然各个理论都有一定的实验现象支持，但都没有直接的证据支持。
目前，对于手性起源的研究已经远远超越了生命起源的范畴。
到底生物分子的手性均一性是怎么形成的？我们期待科学家们为我们揭开这一神秘的面纱。
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