神奇的镜像分子

  大多数有机分子都能以左手和右手的形式存在，被称为L型（左手性）和D型（右手性）。这两个字母分别是Laevus和Dexter的缩写，是拉丁语中左和右的意思。但这一特征不叫左右手习惯（handedness），而是叫做“手性”(chirality）。每个分子的两种形式被称为“立体异构体”。

  镜像分子是在约170年前由法国著名化学家路易·巴斯德（Louis Pasteur）首次发现的。令人惊讶的是，这些镜像分子是D型还是L型，对其化学性质就没有影响——它们的溶解度相同，反应速度一样，熔点等性质也同样。但是，当涉及到生物学时，手性结构则能引起深刻的差异，因为地球上的生命通常只偏爱一种形式的分子。因此，酶在与这种形式的分子发生化学反应时最有效。当遇到L型分子时，为处理D型分子进化而来的酶往往完全不起作用，反之亦然。为了理解这种特异性，不妨再想想你的手。我们握手时，大多数都会伸出自己的右手。这是因为当我们都用右手或都用左手时，双方的手会完美地扣合在一起，这时手心是相对的。现在试着与另一个人握手，你用右手，他用左手。这显然行不通，因为这时你的手心对着他的手背，两只手无法握在一起。酶的作用是将分子锁在一起，有点像握手。所以显而易见，遇到L型分子时，为处理D型化合物进化而来的酶就不能有效地催化反应。

  生命化学的某些方面主要基于D型——如糖类和DNA的代谢，而别的方面则主要基于L型——如氨基酸的代谢。究竟为什么生命会有这种模式，仍是一个谜。当然，一旦有了酶系统，那么很显然它在进化过程中会保持固定不变，因为酶不能处理另外的手性形式。但为什么一开始糖化学主要是以D型为基础？

  长期以来，人们认为答案可能在于不同化合物之间反应能量的微小差异。但这些差异几乎难以察觉，2019年，研究人员发现，这些反应能量的差异实在太小了，手性选择性不可能在前生物化学中发生。那么答案可能只有“偶然性”了。也许最初的生命是多手性的，但随着酶开始进化，它不得不向某个方向发展——而这个方向是随机的。糖类和DNA是D，氨基酸是L。如果生命从头开始重新进化，解决方案就可能会有所不同。所有的生命都遵循相同的惯例，这一事实也有力地证明了地球上的所有生命是从一个做出手性选择的共同祖先演变而来的。如果有一天有人发现一个细菌或其他微生物在其生命的化学过程中使用了另一种手性，那将是一个惊人的发现。巴斯德本人曾推测这种具有镜像生物学的生物体可能存在。

  化学物质的L型和D型之间的差异，以及生命的某些方面主要以L型为基础，而别的方面主要以D型为基础的事实，可能有一些实际的用处。以葡萄糖为例，L-葡萄糖在自然界中不存在，但我们大家可以人工制造它。有些令人吃惊的是，L-葡萄糖和D-葡萄糖的味道一样甜。但L-葡萄糖不能用来提供能量，因为糖酵解途径中的第一种酶——磷酸化葡萄糖的己糖激酶，不能磷酸化L-葡萄糖。L-葡萄糖似乎可能是一种完美的人工甜味剂，然而事实上它不是。

  将L-葡萄糖作为潜在的食品甜味剂使用，有一段有趣的历史，与太空旅行有关。20世纪60年代，美国航天局（NASA）对他们可能送往火星以探测那里是不是真的存在生命的实验很感兴趣。美国马里兰州一位名叫吉尔伯特·莱文（Gilbert Levin）的科学家设计了一个基于葡萄糖氧化的实验。他的想法是，既然地球上的所有生命都能利用葡萄糖，那么这可能是生命的一个决定性特征。因此，他建议开展一项实验，将放射性葡萄糖与火星土壤的样本混合。如果样本释放出放射性的二氧化碳——能被盖革计数器自动检验测试到，则表示葡萄糖已经被氧化，同时表明火星上有生命存在。

  但是，莱文随后想到，如果在火星上进化的生命在其糖化学中不是基于D型，而是基于L型，那会如何？火星上可能有不能氧化D-葡萄糖的生命，这样的话实验就会失败。所以他建议同时使用L-和D-葡萄糖的放射性形式来进行实验。然而，使用葡萄糖遇到一些技术问题，他最终改用了L型和D型的乳糖。莱文的实验于1976年搭载在维京号（Viking）着陆器上前往火星。得到的结果是肯定的。放射性乳糖与火星土壤混合后，被代谢成放射性二氧化碳。但这一结果与其他表明样品中没有有机物的结果相矛盾，人们认为这是由土壤中的非有机物（即非生物）氧化剂造成的。

  尽管实验失败了，但莱文开始考虑他现在可以在地球上合成的L-和D-葡萄糖的用途。他推断，如果某种形式的葡萄糖不能被代谢，那么就可以用作人工甜味剂——当然前提是我们能尝到它的味道。因此，他对不一样的种类的葡萄糖溶液进行了盲品，结果发现没人可以依据味道来区分L-和D-葡萄糖。因此，他为使用L-葡萄糖作为低热量甜味剂申请了专利。这是一个很棒的主意，但是，你从来就没吃到过这种甜味剂。原因有两个。首先，它的生产所带来的成本过高，莱文永远无法将成本降低到足够低，使其成为商业上可行的甜味剂。目前，L-葡萄糖比D-葡萄糖的价格高出4000倍。其次，由于某一些原因，人们发现它可当作一种极其有效的泻药。因此，即使它能被更便宜地制造出来，也没有人会愿意消费它。

  2021年8月的第一周，有一个让人赞叹不已的例子，说明使用手性可能有一些惊人的实际意义。长期以来，人们认为DNA的结构使其成为信息存储和恢复的理想生物分子。DNA的碱基配对排列和使用3个相邻碱基对的密码子来代表字母，使得它可以轻松又有效地在人工合成的DNA链上直接写下东西。随后，能够最终靠测序来读取这一些信息。这里高效信息存储的潜力令人难以置信。一个细胞的细胞核包含的整个基因组约有30亿个碱基对，也就是约10亿个密码子。假设一本典型的书中包含约50万个字母，那么一个细胞核的DNA就等于约2000本书。一个细胞核的直径约为6微米，因此体积约为100立方微米。这在某种程度上预示着一块尺寸仅为1毫米×1毫米×1毫米的材料，可以包含1000万个细胞核，因此包含200亿本书的信息。这是很了不起的。自从有文字以来，总计只有约1.3亿本书被写出来。这个小小的DNA立方体可以包含有史以来所有书中150倍的信息量。

  显然DNA具有惊人的信息存储潜力。但存在一个问题——它也非常容易被能降解它的酶所攻击。因此，作为一个信息存储的分子，它的容量很大，寿命却很短。但是，DNA是手性的。它是以D-核苷酸为基础的。如果我们能制造出L-DNA呢？从理论上讲，它应该能够抵抗自然产生的DNA酶的攻击——这些酶被设计为只消化D-DNA，而这将带来海量存储能力和长期稳定性的理想组合。

  我们在地球上的“任期”是有时间限制的。最终我们的太阳会爆炸，地球上曾经存在的所有东西都会被蒸发掉。逃离太阳系将是我们在这一终极事件中生存的唯一机会——即使我们在那之前设法没有自我毁灭。然而，太空殖民确实受到了巨大的空间上的阻碍。但是，还有一个替代方案。在太阳爆炸之前，我们大家可以把全部人类知识和关于我们和地球上的生命的所有信息保存在一小包L-DNA里，可能不到1千克，然后把它送入太空，而不是真正的人类穿越遥远的太空。其中将包括如何阅读它的说明，以及如何从同一艘飞船上的冷冻卵子中重建人类和其他地球上的生命体。我们大家可以逃脱灭绝的命运，而不需要长途旅行。我们只是希望，如果那个未来的包裹降落在另一个星球上，并被外星生物发现，它们的生命不是基于L-DNA的。否则，这个包裹虽能在茫茫宇宙中跋涉数百万年，穿越亿万千米的空间，但最终却会在到达后第一天就被消化掉。

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