你的左右手為何對(duì)稱(chēng)？埃及“獅身人面像”給了答案……

生命為何偏好某一手性這個(gè)深邃的科學(xué)問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)吸引了生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、演化生物學(xué)等各個(gè)不同學(xué)科的科學(xué)家來(lái)一探究竟。近期，由舊金山Chan Zuckerberg生物中心的生物物理學(xué)家Greg Huber教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)又給出了一個(gè)非常有趣的解題思路：借助古埃及獅身人面“神獸”的形象，建立“獅身人面學(xué)說(shuō)”，嘗試解釋生物體有限空間內(nèi)的手性偏好之謎，研究論文發(fā)表在《物理評(píng)論研究》（PRR）上。

撰文 | 小葉

在遙遠(yuǎn)的尼羅河畔，忒拜城的山崖之上，有一只怪獸斯芬克斯（又稱(chēng)為獅身人面獸）守在入城的必經(jīng)之路上，它會(huì)攔下路人，提出一道謎題：什么動(dòng)物，早晨用四條腿走路，中午用兩條腿走路，晚上又改用三條腿？斯芬克斯謎題家喻戶(hù)曉，讓我們從哲學(xué)角度思考并認(rèn)識(shí)人類(lèi)自身：我們是誰(shuí)，從哪里來(lái)，生命如何開(kāi)始……最近，現(xiàn)代科學(xué)家創(chuàng)建了有趣的“獅身人面學(xué)說(shuō)”（Sphinxology），借助古老形象展開(kāi)密鋪，從自然科學(xué)角度嘗試解開(kāi)生物最基礎(chǔ)也最重要的謎團(tuán)：手性偏好。

無(wú)處不在的手性

當(dāng)我們攤開(kāi)手掌，我們的左右手互成鏡像對(duì)稱(chēng)，但每只手無(wú)論如何旋轉(zhuǎn)，都無(wú)法完全疊加重合，所以單只手本身不具對(duì)稱(chēng)性，這便是“手性”現(xiàn)象最直觀的表現(xiàn)。人有左右手之分，以次為依據(jù)，不對(duì)稱(chēng)的手性結(jié)構(gòu)亦可分為左手性（L型）與右手性（D型）。

自然界中手性無(wú)處不在，小到微觀分子，大到肉眼可見(jiàn)的生物體。例如，DNA螺旋結(jié)構(gòu)極大部分具有右手性螺旋結(jié)構(gòu)，構(gòu)成生命的有機(jī)分子也絕大多數(shù)都是手性分子，氨基酸、天然糖類(lèi)都有左右手性之分。在宏觀世界，以人類(lèi)為例，從頭到腳、從前到后，在這兩個(gè)體軸上也存在明顯的不對(duì)稱(chēng)性：對(duì)于發(fā)育正常的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，主要臟器的位置總會(huì)偏向身體軸線(xiàn)的某一側(cè)，肝臟偏右，胃總是在左側(cè)，而心臟略微偏左等。另外，器官本身的結(jié)構(gòu)也不對(duì)稱(chēng)。只有當(dāng)人體發(fā)育過(guò)程發(fā)生錯(cuò)誤，才會(huì)產(chǎn)生左右異常對(duì)稱(chēng)或者左右位置完全顛倒的情況。

盡管手性左右分明，但在微觀分子層面，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)奇特現(xiàn)象：同手性（homochirality），即構(gòu)成生命的同類(lèi)型分子中某一手性構(gòu)型占大多數(shù)。例如，組成蛋白質(zhì)的a-氨基酸幾乎都是L型，核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）中的核糖全是D型。幾乎所有生物在合成與代謝過(guò)程中，都無(wú)一例外地選擇左手性的氨基酸和右手性的糖類(lèi)。

從DNA螺旋結(jié)構(gòu)（左）、組成蛋白質(zhì)的氨基酸（中）到RNA以及DNA中的D型核糖（右）無(wú)不顯示出明顯的手性偏好 | 圖源：pixabay、wikipedia

由此引發(fā)了關(guān)于同手性的重要問(wèn)題：為什么生命偏好某一手性呢？

不同科學(xué)家試圖從不同角度回答這個(gè)問(wèn)題，生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、演化生物學(xué)等等……但最近，一支由舊金山Chan Zuckerberg生物中心（Chan Zuckerberg Biohub）的生物物理學(xué)家Greg Huber（中文名：胡伯光）教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)給出了一個(gè)非常有趣的解題思路：借助古埃及獅身人面“神獸”的形象，建立“獅身人面學(xué)說(shuō)”，嘗試解釋生物體有限空間內(nèi)的手性偏好之謎，研究論文發(fā)表在《物理評(píng)論研究》（PRR）上[1]（下圖）。

獅身人面學(xué)說(shuō)的緣起

2018年，胡教授在舊金山組建了自己的生物物理理論課題小組，引入理論物理學(xué)工具，創(chuàng)建復(fù)雜的生物過(guò)程模型以展開(kāi)研究。但具體的研究對(duì)象誕生得更早些，早在胡教授在加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分?？ǜダ锢碚撐锢硌芯克↘ITP）擔(dān)任副主任的時(shí)候，他注意到了獅身人面幾何圖像的手性特征。盡管長(zhǎng)久以來(lái)不為學(xué)界所關(guān)注，但他相信如果將這一古老幾何形象用于密鋪問(wèn)題，興許能揭示生物學(xué)中的手性偏好問(wèn)題。

真實(shí)的獅身人面雕像與獅身人面幾何圖形 | 圖源：danielharper.org

實(shí)際上，幾何學(xué)與生物學(xué)之間的聯(lián)系自上世紀(jì)中葉就被科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)，尤其在病毒學(xué)領(lǐng)域。1956年，劍橋大學(xué)的James Watson和Francis Crick（后因建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型而成為1962年的諾貝爾獎(jiǎng)得主）就預(yù)言了[2]等面體病毒顆粒應(yīng)該有相同的亞基，以立方體對(duì)稱(chēng)的方式排列而成。到了60年代，病毒衣殼被結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Donald Caspar和生物物理學(xué)家Aaron Klug采用幾何框架對(duì)病毒進(jìn)行分類(lèi)[3]，他們的靈感來(lái)自著名建筑師R.Buckminster Fuller設(shè)計(jì)的測(cè)地線(xiàn)圓頂，并在倆人撰寫(xiě)《常規(guī)病毒構(gòu)建中的物理學(xué)原理》（Physical principles in the construction of regular viruses）[4]的一文中描述了病毒衣殼被中蛋白質(zhì)分子排列的美妙物理幾何學(xué)理論。

有志于將幾何學(xué)與手性問(wèn)題相結(jié)合，Huber和自己在密歇根大學(xué)（University of Michigan）的好友Robert Ziff教授討論的這一想法，Ziff隨后拉來(lái)了同事Craig Knecht和Walter Trump，這兩位也對(duì)獅身人面課題研究興趣濃厚。

Gregory Huber

四人一拍即合，課題小組隨即成立。從2018年底開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始從獅身人面二維圖像密鋪入手，步步深入探討手性問(wèn)題。雖然2019年全球新冠疫情也影響了團(tuán)隊(duì)，研究腳步曾一度放緩，但功夫不負(fù)有心人。經(jīng)過(guò)近5年多的潛心鉆研，Huber團(tuán)隊(duì)的“獅身人面學(xué)說(shuō)”終得發(fā)表。

千變?nèi)f化的獅身人面密鋪

具體來(lái)說(shuō)，團(tuán)隊(duì)從最基本的三角形幾何圖像開(kāi)始，使用6塊等邊三角形拼出最小的獅身人面二維圖像（見(jiàn)下圖），也成為1階獅身人面像，表現(xiàn)出固有手性：頭部向左即左手性（L-獅身人面像），頭部向右便是右手性（R-獅身人面像）。

左手性 | 圖源：參考文獻(xiàn)[1]

接下來(lái)，四塊1階獅身人面像可以密鋪成一個(gè)2階獅身人面像，九塊1階獅身人面像可以密鋪成一個(gè)3階獅身人面像。以此類(lèi)推，n階獅身人面像由n x n個(gè)1階獅身人面像密鋪而成。

上圖左上角為1階獅身人面像，左下角為2階獅身人面像，中間和右邊為四個(gè)3階獅身人面像。| 圖源：參考文獻(xiàn)[1]

由于1階獅身人面像為不對(duì)稱(chēng)形狀，那么若干1階獅身人面像密鋪便可能存在多種組合方式，例如僅兩塊1階獅身人面像便可以通過(guò)46或47種不同方式成對(duì)，而簡(jiǎn)單的對(duì)稱(chēng)形狀如正方形只能以一種方式組合。而更高階的獅身人面像，如上圖所示，3階獅身人面像密鋪就擁有4種不同的組合方式。

而隨著密鋪過(guò)程中1階獅身人面像數(shù)量的增加，可能的組合方式也相應(yīng)地呈指數(shù)增長(zhǎng)：5階獅身人面像有153種不同組合方式而形成，6階是獅身人面像有近7.2萬(wàn)種組合方式，13階獅身人面像內(nèi)的組合方式更是達(dá)到驚人的10^30種，呈指數(shù)級(jí)方式增長(zhǎng)。

5階獅身人面像的153種拼貼組合方式 | 圖源：參考文獻(xiàn)[1]

除了密鋪出更高階的獅身人面像以外，1階獅身人面像也能以各種組合方式密鋪出其他對(duì)稱(chēng)或不對(duì)稱(chēng)的多邊形。基于這樣的多邊形（包括獅身人面像在內(nèi)），研究人員開(kāi)發(fā)出一套蒙特卡羅計(jì)算方法，通過(guò)給定的密鋪圖形生成給新的密鋪圖形，進(jìn)而方便從更加龐大、更加復(fù)雜的圖形入手，結(jié)合手性能量和圖形框架來(lái)探索其手性特征。

大千世界的手性偏好

回顧科學(xué)史，神秘的同手性問(wèn)題相關(guān)研究斷斷續(xù)續(xù)超過(guò)100年了，最早可以追溯回1848年，法國(guó)化學(xué)家Louis Pasteur通過(guò)分離酒石酸鹽鏡像晶體，首次提出分子手性的概念。有趣的是，英國(guó)牛津大學(xué)數(shù)學(xué)講師Lewis Carroll在自己的《愛(ài)麗絲夢(mèng)游仙境》（1865）和《愛(ài)麗絲鏡中奇遇記》（1871）兩本書(shū)中也透過(guò)鏡子描述了神秘的手性現(xiàn)象。進(jìn)入20世紀(jì)初，英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家Baron Kelvin男爵正式創(chuàng)造出“手性”這一術(shù)語(yǔ)[5]。不過(guò)直到50年代，尤其在1953年這一生命起源相關(guān)可研報(bào)告大豐收年份，英國(guó)布里斯托大學(xué)（University of Bristol）H.H.Wills物理實(shí)驗(yàn)室的F.C.Frank才提出了同手性演化的數(shù)學(xué)模型[6]，這一理論研究吸引了后面好幾代化學(xué)家，并在40多年后才獲得了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[7]。

同樣在50年代，同手性問(wèn)題在物理學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破。1956年，理論物理學(xué)家李政道和楊振寧提出了弱相互作用下是否同手性的問(wèn)題，即懷疑弱作用下宇稱(chēng)是否守恒。隨后，李政道聯(lián)系了β衰變方面的專(zhuān)家、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家吳健雄，他們討論了很多可能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案。據(jù)吳健雄后來(lái)的回憶錄講述，她認(rèn)為雖然這是一個(gè)挑戰(zhàn)，但也是“黃金機(jī)會(huì)”，她提出了使用60Co來(lái)檢驗(yàn)β衰變下宇稱(chēng)是否守恒的實(shí)驗(yàn)[8]，并與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局低溫研究組合作[9]，最終證明了弱相互作用中的宇稱(chēng)不守恒（李政道和楊振寧后來(lái)憑此獲得1957年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，雖然吳健雄與諾貝爾獎(jiǎng)擦身而過(guò)，但1978年她獲得了首屆沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)）。

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，從微觀粒子到生物分子，同手性問(wèn)題始終吸引著各領(lǐng)域的科學(xué)家前來(lái)挑戰(zhàn)。在接受《返樸》采訪時(shí)，Huber教授說(shuō)，他始終認(rèn)為宇宙不應(yīng)該偏愛(ài)一種手性，隨著尺度的擴(kuò)大，手性偏好逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，手性可能非常神秘。

Huber的團(tuán)隊(duì)在仔細(xì)研究了獅身人面像千變?nèi)f化的密鋪方式之后，下一步就是將其與手性特征關(guān)聯(lián)起來(lái)。為了更直觀的呈現(xiàn)密鋪圖形內(nèi)局部區(qū)域的手性分布情況，團(tuán)隊(duì)將L-獅身人面像設(shè)定為藍(lán)色，R-獅身人面像設(shè)定為紅色，以7階獅身人面像為例，將所有可能密鋪方式重疊起來(lái)，意外發(fā)現(xiàn)圖形邊界形狀與左（或右）手性偏好相關(guān)：

圖源丨參考文獻(xiàn)[1]

如上圖所示，7階獅身人面像中，邊角處不同區(qū)域明顯偏藍(lán)或者偏紅，而且這一規(guī)律也能在獅身人面像密鋪形成的對(duì)稱(chēng)圖形中看到，如下圖所示的12階鉆石圖形。

圖源丨參考文獻(xiàn)[1]

隨后，研究人員引入手性相互作用能量（interaction energy），模擬了高能量與低能量，類(lèi)似于高溫與低溫條件下手性獅身人面像的相互作用情況，當(dāng)兩塊相同手性的1階獅身人面像拼貼在一起，便視作低相互作用能量，而當(dāng)兩塊手性相對(duì)的獅身人面像拼貼在一起，則視為高相互作用能量。研究人員因此假設(shè)，考慮到上述圖形邊界對(duì)手性偏好的影響，處于更低溫度下的系統(tǒng)（n階獅身人面像）會(huì)表現(xiàn)出唯一手性相態(tài)或者某一手性占據(jù)大部分圖像的相態(tài)。

通過(guò)蒙特卡洛算法，以23階L-獅身人面像為例（見(jiàn)下圖），發(fā)現(xiàn)在高溫條件下，相同手性的1階獅身人面像幾乎無(wú)法相互作用，左右手性雜亂貼合，相互作用能量越高，最后越容易形成左右手性混亂分布的圖像（右邊的獅身人面像）。而隨著溫度的降低，更多1階L-獅身人面像相互貼合，占據(jù)了圖像中大部分的位置，相互作用變得更為有序，相互作用能量也偏低，使得更多相同的手性拼貼在一起，形成以左手性為主要手性偏好的最終圖像（左邊的獅身人面像）。

圖源丨參考文獻(xiàn)[1]

而且研究人員預(yù)計(jì)，隨著系統(tǒng)尺寸的變大，手性可能發(fā)生急劇變化，這也是團(tuán)隊(duì)未來(lái)的研究課題。畢竟，該研究提供了一個(gè)簡(jiǎn)化的基本手性模型，表明混亂中能產(chǎn)生秩序，相似的手性分子更會(huì)被與自己相似的分子所吸引。在這個(gè)意義上，Huber教授團(tuán)隊(duì)提出的獅身人面幾何模型為解決手性之謎提供了一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。

Huber還對(duì)《返樸》透露，自己的團(tuán)隊(duì)除了在《物理評(píng)論研究》上發(fā)表的論文結(jié)果之外，還有許多建立在獅身人面學(xué)說(shuō)基礎(chǔ)上的其他發(fā)現(xiàn)，不過(guò)尚未正式發(fā)表。例如，獅身人面密鋪的熱動(dòng)力學(xué)，密鋪邊界波動(dòng)時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象等等，隨著未來(lái)更多成果的發(fā)表，獅身人面學(xué)說(shuō)的內(nèi)容將愈加豐富，從中發(fā)現(xiàn)任何規(guī)律都有助于推動(dòng)諸多科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展，例如病毒衣殼的結(jié)構(gòu)，或者磁性如何引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終都有可能解開(kāi)生命分子同手性謎題。

今年10月，Huber團(tuán)隊(duì)“移師”加利福尼亞大學(xué)舊金山分校（University of California San Francisco ），“獅身人面像”在21世紀(jì)的科學(xué)領(lǐng)域延續(xù)自己的傳說(shuō)……

感謝Greg Huber教授對(duì)本篇文章不遺余力的指導(dǎo)和修改意見(jiàn)。

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