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《科学》杂志曾于创刊125周年之际发布过125个推动基础科学研究的科学难题，王江火在此后的文章中将通过统一信息论来有选择地尝试解决这些难题。本文将揭示“为什么生命需要手性？”。 手性一词指一个物体不能与其镜像相重合。如果某物体与其镜像不同，且其镜像是不能与原物体重合的，则其被称为“手性的”，就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。手性物体与其镜像被称为对映体，在有关分子概念的引用中也被称为对映异构体。要理解手性，还需要搞清楚什么是非手性——可与其镜像叠合的物体被称为非手性的，有时也称为双向的，比如两个同样大小的正方体就是非手性的。  手性广泛的存在于自然界中，特别是在生命界中得以突出体现。在地球上，组成生命的有机分子通常都具有手性，也就是说有两种分子互为镜像，就像左手和右手的关系，它们都偏向于使用往同一方向旋转的大分子，而不是另外一个方向（手性分子）。我们知道，生命是由碳元素组成的，碳原子在形成有机分子的时候，4个原子或基团可以通过4根共价键形成三维的空间结构。由于相连的原子或基团不同，它会形成两种分子结构。这两种分子拥有完全一样的物理、化学性质。比如它们的沸点一样，溶解度和光谱也一样。但是从分子的组成形状来看，它们依然是两种分子。这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对应。由于是三维结构，它们不管怎样旋转都不会重合，就像我们的左手和右手那样，这就是叫手性分子。 生命体内的一些糖类、蛋白质和氨基酸也都具有手性的。生命体只能代谢右旋糖；组成蛋白质的氨基酸几乎都是左手性(甘氨酸无手性)；核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)中的核糖却全都是右手性的。组成地球生命体的氨基酸几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。我们已经发现的氨基酸有20多个种类，除了最简单的甘氨酸以外，其它氨基酸都有另一种手性对映体。生命体的手性在实验室中得以验证，所有试图由非手性无机化合物合成手性生命物质的实验也都以失败告终。  不过，许多大分子同时存在着近乎完全的对称性破缺，比如氨基酸和核酸这两种构成生命最基本的物质。上个世纪60年代，有一个叫典子的日本姑娘，她天生没有双臂，可是她用双脚学会了写字、做饭、穿衣，而且还学会了游泳，完全做到了生活自理。她的事迹感动了许许多多的人，人们在关心典子的同时也不禁会问；典子的父母都是健康的正常人，为什么典子会天生没有双臂呢？后来发现，之所以会发生这样的悲剧只因为她的母亲服用了一种叫“反应停”的药物。反应停里的一种分子具有治疗作用，可以减轻孕妇的早期妊娠反应，但是它的对映体却使用药的母亲生下了残疾的孩子。因为当时的化学家对分子的手性还缺乏了解，也就无法分析这种奇怪的现象。后来发现，由于人是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害。这也是典子的悲剧发生的原因。 与不幸的典子一样来到这个世界的残疾婴儿在全世界有好几万。正是有了60年代的这个教训，所以现在的药物在研制成功后，都要经过严格的生物活性和毒性试验，以避免其中所含的另一种手性分子对人体的危害。 在化学合成中，这两种分子出现的比例是相等的，所以对于医药公司来说，他们每生产一公斤药物，还要费尽周折，把另一半分离出来。如果无法为它们找到使用价值的话，它们就只能是废物。在环境保护法规日益严厉的时代，这些废品也不能被随意处置，考虑到可能对公众健康产生的危害，这些工业垃圾的处理也是一笔不小的开支。 地球上的生命都偏向于使用往同一方向旋转的大分子，而不是另外一个方向（手性分子）。比如，为什么生命体只由L-型氨基酸和D-型核酸组成而不由D-型氨基酸和L-型核酸。对此，有许多人猜测：可能是宇宙光线影响了手性分子的形成，使得分子的形成要么往一个方向旋转，要么往另一个方向旋转，光线的这种性质叫做“圆偏振。  为了探测外太空中光线的偏振方向，天文学家利用位于南非天文台的望远镜对太空中一片四分之一满月直径大小的区域进行了观测。他们把焦点集中在了天蝎座方向，距离地球5500光年的猫掌星云上，这片星云是银河系内形成恒星最活跃的区域之一。科学家发现，该星云发出的光线中大约有22%是圆偏振。这是在恒星形成区域发现的最大比例的圆偏振光现象，这或许表明在恒星和行星的形成区域，圆偏振光是普遍存在的特征。天文学家利用计算机的模拟表明，这样大比例的圆偏振光的存在是由于围绕在恒星周围的尘埃颗粒。星云中的磁场对尘埃颗粒进行约束和排列，恒星的光线在排列规则的尘埃颗粒上发生散射，就能够形成圆偏振光。星云中的化学反应可以形成氨基酸分子，这些分子的手性取决于照射到它们身上的光线的偏振方向。科学家认为，地球上的左旋氨基酸很可能是由太空中的陨石带来的，造成了左旋氨基酸较右旋氨基酸的优势地位。 有科学家认为，这是生命随机选择的结果。但也有人认为，可能在最初的生命形成过程中，有某种原因影响了左右旋分子的微妙平衡，使左旋氨基酸和右旋糖成为必然的选择。根据斯坦福大学的最新研究推测，宇宙射线对原始生命的互作用可能是导致生物分子中结构偏好的原因。如果这种想法是正确的，则表明整个宇宙中的所有生命可能都拥有相同的手性偏好。 统一信息论认为，上述解释都不能从根本上说明这个问题，下面本文站在新文明认知方式的视角，通过统一信息论来解释这个问题。 宇宙最初只是一个蕴含巨大能量的能量子，这个能量子是绝对均匀的，此时的空间时间质量都为零，基于一个自然化过程，这个能量子在时间形成前的一瞬间开始分裂为若干能量子。其中，每8个性能质量相同的能量子集合为一个极限粒子，形成性能及数量相对等的极限粒子，而同性极限粒子是非手性的，此时它们遇到异性极限粒子后会“湮灭”，并重新分解为能量子。在这种情况下，如果没有特殊的原因，宇宙初期的这些极限粒子就会全部湮灭，宇宙只能还是处于一个能量子的原点状态。  此时，光线的偏振光就起到了关键作用。由于光子（能量子）的偏振方向是随机的，但基本上可以形成左右方向大致相等的偏振光，而正是基于光线的偏振方向不同，助推了极限粒子往不同的方向产生，最终导致了部分正反极限粒子远离，从而避免了所有极限粒子的湮灭，宇宙由此诞生。此后的宇宙不断壮大，引导着极限粒子、基本微观粒子（中子质子电子等）、原子、分子、生命、宏观物质的不断诞生，宇宙由此而不断膨胀。  由此可见，手性现象不仅发生在分子和生命界，而且也普遍存在于宇宙所有物质种类上，甚至在宏观世界也是普遍的。比如，我们的地球会不会也有个“手性地球”？我们每个人是不是也有“手性人”？......理论上是可能的，但一般而言，越是宏观的物种，其手性物种的形成就会越难，因为宏观物质非常复杂，自然界很难将它们手性化。但对此也不能完全否认，万一有一天我们真的遇到电影《另一个地球》那样的情景，请不要见怪。 统一信息论能够解释所有的现代科学已知和未知的各种事物和现象，你认可“统一信息论”的新文明认知方式吗？如果有兴趣，请到当地图书馆查阅王江火的著作。 |
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