生物分子手性起源与光学活性

五、手性起源及熵

1.手性起源

现代科学揭示，从原子到人类，自然界中手的特征是不对称的。生命起源中的对称破缺，即生物分子手性现象是一个难解之谜。已知自然界中的单糖分子有D型，也有L型，但组成蛋白质的20种氨基酸，除甘氨酸外，全部是L型为左旋，而组成RNA、DNA的核糖却全部是D型为右旋。蛋白质和核酸的这一特性称为分子的手性均一性。目前，对生物分子手性起源有两种观点：一是把它归因于地球上或自然界中某种不对称的驱动力；二是把它归因于非线性化学动力的对称性自发破缺现象。

分子的手性，在三维空间上呈现出左手（L）和右手（D）互不重叠的镜像对称性。手性分子使偏振光平面发生旋转的能力称为光学活性。手性和光学活性一直被认为地球生命存在的标志。有人通过分子模型证明，多聚核苷酸的完全手性均一性是形成互补双螺旋结构的必要条件。这些研究成果是可喜的，但是，手性现象的论证是一个非常物理性问题。

2.熵(www.xing528.com)

热力学第二定律告诉人们，任何自发过程总是朝体系无秩序，增加熵（entropy）。生命进化是无序到有序，由简单到复杂的过程。生物是远离热力学平衡，生命之存在必须不断从环境中得到“负熵”。1970年，比利时物理化学家普里戈任（L.Prigogine）提出耗散结构的概念，耗散结构一词强调能量耗散过程在建立有序结构方面所起的积极作用。从理论证明了远离热力学平衡态的系统可以通过一个“自组织”的过程，从无序和混浊中自发地产生出来。自然界的结晶体就是从无序到有序，但生命的这种“自组织”过程确实很难论证。

物理学家认为生物体的熵变由两部分引起：一部分来自与外界的交换，称为“熵流”，另一部分来自内部的化学反应，不可逆过程产生的，称为“熵产生”。熵产生是大于或等于零。新陈代谢中最本质的意义就是使有机体成功地消除它自身活着的时候不得不产生的全部的熵，否则，生命的死亡就难以摆脱。

所以，耗散结构理论从原则上认为从物理—化学的原理出发认识生物有序现象以及与之相关的生物进化现象开辟了一条新的途径。譬如，化学振荡和生物振荡之间，化学组分浓度形成的空间花纹和生物形态之间，以及化学波和生物信息传递（如神经活动）现象之间都存在高度的相似性。耗散结构理论还提出“通过涨落达到有序”的观点，解释了生物进化现象，也适合达尔文的“适者生存”的进化学说。

直到目前，人们还想从地球早期能源角度去探索化学物质聚合和生命起源的自组织（self organism）问题。虽然这种自组织从无序到有序与热力学熵变观念相矛盾，但是，事实却已发生。存在于大气中和土壤环境中的热量和光化学活性能将低分子化合物聚合引起生物分子自组织形成进行了论证。原始生命能量与物质交换作为自我组装结构的动力学的起点，必须克服自由能转递向生化能转变而远离热力学平衡。这种推理性“自组织”观念，比较难以论证。