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地球上生命体组织的蛋白质由20种氨基酸构成,除甘氨酸没有不对称碳原子外其他全为L型,组成RNA、DNA中的核糖却全是D型,此即生命现象的手性对称性破缺--生物分子手性均一性,是生命科学中迄今未解一大难题。电弱力宇称不守恒是被认为最有可能解释生物分子手性起源的物理作用。由于电弱力宇称不守恒使对映体分子产生宇称破缺能差(PVED)。但理论计算出的能差值太小,联系到生命分子手性均一现象需要寻找到一个放大机制。
1991年理论物理学家萨拉姆(A.Salam)提出一种由Z0玻色子介导的电子与核子,电子与电子耦合的类Bose凝聚的机制,并预言在某一临界温度下,D-氨基酸能发生二级相变,使得氨基酸分子的手性均一得以实现。
为了验证A.Salam预言的相变是否存在,我们选择甘氨酸、D-/L-丙氨酸、D-/L-缬氨酸晶体作为研究对象。利用直流磁化率(DC法和RSO法)、比热等手段系统的测量了低温变温以及常温变温过程中氨基酸晶体结构、分子振动、直流磁化率、低温比热和常温比热的变化过程,得出以下主要结果:1)2-20K范围比热测定出现玻色峰(Boson peak)(Tp=9~11K),推测D-/L-丙氨酸、D-/L-缬氨酸晶体低温下出现类玻璃态的转变;2)在加磁场条件下(H=0,1,3,5T),Tp随着H的增大而增大,温度在12K以上,磁场对比热没有影响;3)得出D-/L-丙氨酸、D-/L-缬氨酸晶体的德拜温度,其中D-丙氨酸、D-缬氨酸晶体是首次给出;4)甘氨酸晶体在245K~320K范围内没有相变;5)在250K-270K较宽的温度范围内存在相变趋势,比热和直流磁化率测定D-丙氨酸晶体、D-缬氨酸相变点在270K附近:6)Sigma公司的甘氨酸、D-/L-丙氨酸、D-/L-缬氨酸粉末产品在245K~320K范围内都没有相变,由结晶研磨成的多晶粉末也没有相变峰,说明该相变仅存在于预先定向排列(pre-aligned)的晶体当中。
通过分析常温比热(245K~320K)和直流质量磁化率测定D-/L-丙氨酸、缬氨酸晶体270K的相变特征,我们推测与分子中氨基的变化有关,相变起因和能量来自于氨基上的氢质子传递到邻近分子的羧基特定氧上,这一质子传递过程是不对称的。质子在氢键链中的移动,是由质子在双阱势垒中,穿过势垒从一个阱跳到另一个阱,并通过分子旋转从一侧翻转到另一侧的二步骤协同进行的。这一相变特点有点类似于A.Salam预言的氢的传导过程发生玻色凝聚和类超流现象。
通过实验研究,我们认为萨拉姆在氨基酸手性起源问题中提出利用凝聚态物理的概念(Bcs理论和玻色凝聚等)来分析氨基酸晶体和蛋白质这类生物凝聚态现象有很大创新性,我们试验证明了变温过程中D-/L-丙氨酸晶体存在相变差别,但是否认了低温时晶体D-丙氨酸转变为L-丙氨酸的可能。
生命起源研究内容十分广泛,存在许多奥秘,以上方面的进展只是沧海一粟。其它诸如非天然氨基酸在生命体系中的表达,非天然核酸的形成及在医药和物种创制中的应用;手性起源及其在不对称合成中的应用;极端条件下的生命现象及其在发酵与生物制药工业中的应用等领域不胜枚举。总之,生命起源与进化的研究是当今科学研究的制高点之一,也是同时具有巨大应用前景的交叉学科。