物理學家們發現了暗示，生命的不對稱性——大多數生物化學分子是“左手性”或“右手性”的事實——可能是在早期進化過程中由核衰變產生的電子引起的。在一項耗時13年才完善的實驗中，研究人員發現，這些電子傾向於比破壞其映象分子更頻繁地破壞某些有機分子。
許多有機分子，包括葡萄糖和大多數生物氨基酸，都是“手性的”。這意味著它們與它們的映象分子不同，就像左手手套和右手手套一樣。而且，在這些情況下，生命傾向於始終如一地使用其中一個可能的版本——例如，標準形式的DNA雙螺旋總是像右手螺旋一樣扭曲。但是，這種偏好的原因長期以來一直是個謎。
許多科學家認為，這種選擇僅僅是出於偶然。也許，在充滿有機化學物質的溫暖小池塘中的一個，生命在那裡產生，一個統計上的偶然事件在一種化學物質的兩個版本的相對數量中產生了一個小的失衡。這種小的失衡可能會隨著時間的推移而被放大。
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但是，自然規律中的不對稱性使其他人想知道，是否某些物理現象可能在生命早期階段就傾斜了平衡。弱核力，它參與核衰變，是唯一已知具有手性偏好的自然力：在稱為β衰變的亞原子過程中產生的電子始終是“左手性的”。這意味著它們的自旋——一種類似於條形磁鐵磁化的量子屬性——始終與電子的運動方向相反。
1967年，生物化學家弗雷德里克·維斯特和環境科學家蒂洛·烏布里希特提出，由這些所謂的自旋極化電子產生的 photons ——它們是在放射性物質或大氣中宇宙射線粒子的衰變中產生的——可能比另一種分子破壞更多的一種分子，從而造成不平衡。此後，一些物理學家認為，電子本身可能是不對稱性的來源。
但是，尋找電子或 photons 可以優先破壞一種分子勝過其映象分子的化學過程的努力鮮有成功。許多聲稱已被證明無法重現。內布拉斯加大學林肯分校的化學物理學家蒂莫西·蓋伊說，在少數電子手性產生手性不平衡的實驗中，無法確定其背後的化學過程，他是最新研究的合著者。但他補充說，查明化學反應將有助於科學家排除該過程的某些候選原因，並更好地理解其背後的物理學原理。
放慢速度
蓋伊和同樣在內布拉斯加大學林肯分校的物理學家瓊·德雷林，用低能量的自旋極化電子轟擊溴樟腦氣體，溴樟腦是一種在世界某些地區用作鎮靜劑的有機化合物。在由此產生的反應中，一些電子被分子捕獲，然後分子被激發到激發態。然後分子分解，產生溴離子和其他高活性化合物。透過測量產生的離子流，研究人員可以看到每種電子手性的反應發生頻率。
研究人員發現，左手性溴樟腦比與右手性電子反應的可能性略高於與左手性電子反應的可能性。當他們使用右手性溴樟腦分子時，情況正好相反。在最低能量下，偏好方向翻轉，導致相反的不對稱性。
在所有情況下，不對稱性都很小，但始終如一，就像拋擲一枚不太公平的硬幣。“不對稱性的規模就像我們一次又一次地拋擲20,000枚硬幣，平均而言，其中10,003枚正面朝上，而9,997枚反面朝上，”德雷林說。
德雷林說，電子的低速是多年後實驗最終成功的關鍵。“相互作用需要更長的時間，我認為正是這種洞察力導致了我們的成功，”她說。
蓋伊說，這項測試為手性過量——至少在原則上——如何產生提供瞭解釋。這項研究發表在9月12日的《物理評論快報》上。
法國尼斯索菲亞安提波利斯大學的分析化學家烏韋·邁爾裡希說，自旋極化電子可以將不對稱性傳遞給有機分子的想法很有吸引力。蓋伊和德雷林觀察到的微小效應必須被放大才能影響整個生命的化學——但他說，存在已知的放大機制。“從我的角度來看，主要問題不是放大過程，而是最初的手性對稱性破缺，”他說。
邁爾裡希說，他希望看到用與生命起源相關的外消旋分子（如氨基酸）重複該實驗，看看左手性電子是否產生相同的效果。
原始原因
即使自旋極化電子導致生命變得手性選擇性，但仍然不清楚是什麼首先產生了這些電子。β粒子的來源包括磷32衰變為硫32，或μ子的衰變，μ子是在宇宙射線粒子撞擊大氣層時開始的衰變鏈末端產生的基本粒子。在這兩種情況下，電子的運動速度都比蓋伊的反應快得多，但他表示，電子有可能在不失去其手性的情況下減速。
伊利諾伊州阿貢國家實驗室的化學家理查德·羅森伯格說，除了透過β衰變外，還可以透過其他方式產生速度較慢的左手性電子。2008年，他和他的團隊表明，用X射線照射磁化的鐵層也可以產生手性偏好。他說，因此，手性也可能在粘附在塵埃雲或彗星中磁化粒子上的分子中產生。
蓋伊和他的同事計劃研究與其他種類樟腦分子的類似反應，以瞭解電子的自旋如何決定它更喜歡兩種手性分子中的哪一種。
左手性電子與有機分子的相互作用並不是生命手性不對稱性的唯一潛在解釋。邁爾裡希贊成另一種選擇——由大氣層和中子星中的光散射產生的圓偏振光。2011年，邁爾裡希和同事表明，這種光可以將其手性轉移到氨基酸。
但英國格拉斯哥大學的化學家勞倫斯·巴倫補充說，即使證明了一種常見的物理現象會偏愛左手性氨基酸而不是右手性氨基酸，也無法告訴我們這就是生命的進化方式。“沒有確鑿的證據。我們可能永遠不會知道。”
本文經許可轉載，並於 2014年9月25日首次發表。