生命起源中的对称性破缺
对称破缺
对称破缺的系统学诠释武杰、李润珍引言19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂，会上德高望重的开尔文勋爵致新年贺辞。
他在回顾物理学的发展时说：“物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。
”而在展望20世纪物理学前景时，他若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦－玻尔兹曼理论上。
”[1]出乎意料的是，这两朵乌云不久就酿成了两场风暴，掀起了20世纪物理学上的两次革命。
同样，在20世纪和21世纪之交，李政道教授在《展望21世纪科学发展前景》时也提出了两个疑问：“第一，目前我们的物理理论都是对称的，而实验表明有些对称性在弱作用过程中被破坏了；另外一个疑问是一半的基本粒子是永远独立不出来的。
”[2]他还认为，20世纪的文明是微观的，21世纪微观和宏观应该结合成一体。
这也就是说，20世纪自然科学的迅猛发展，一方面使对称性思想愈发彰显自身的光彩和魅力，由此展现了理论创新的威力，解释了原子构造、分子构造、核能、激光、半导体、超导体、X光、超级计算机等等；另一方面，大量的经验事实和理论探索一再展示对称破缺的重大意义。
事实上，每一次对称破缺都有新质的突现，都在创造一个更加丰富多彩的现象世界。
因此，我们将它概括为自然界演化发展的一条基本原理。
[3]在这样的背景下，我们应该从系统科学的视角出发，立足于关系，就有可能看到整体中的区分，以达到对现存事物的理解、说明和解释。
当代著名物理学家盖尔曼也曾指出：“今天……我们必须对整个系统进行研究，即使这种研究很粗糙也是必要的，因为对复杂的非线性系统的各个部分不作紧密联系的研究，我们对整体行为就不会有正确的思想。
”[4]有鉴于此，我们试图对对称破缺这一自然界演化发展的基本原理进行一次系统学的解读。
一非线性是对称破缺的动力源泉20世纪40年代以来，科学上的转向是难以与文化和社会变迁截然分开的，它一再向人们表明这样一个事实：每一种重要科学分支的前缘正在大大地扩展着。
手性分子生命的起源及其在异丙基化合物中的应用
手性分子生命的起源及其在异丙基化合物中的应用手性分子指的是在空间上具有镜像对称性，但无法通过旋转或平移重合的分子。
在生命起源中，手性分子扮演了重要角色。
例如，蔗糖只能识别右旋光学异构体，而氨基酸和核酸碱基只能识别左旋光学异构体。
因此在生命的细胞中，大部分分子都是手性的。
生命起源学说认为，最初的生命是从非手性分子中，通过某种机制产生了手性分子的。
目前，我们知道手性分子可以通过以下几种方式产生：1. 自发不对称合成：有些化学反应可以自行产生手性分子，即自发不对称合成。
这种合成方式的原理是，在反应初期出现对称破缺，导致生成的产物分子具有手性。
2. 催化非对称合成：催化非对称合成是通过手性催化剂产生手性产物的一种方法。
手性催化剂可以把非手性起始物转化为手性分子。
3. 超分子化学：超分子化学可以通过一些分子自组装成立体有序的结构，从而产生手性分子。
手性分子不仅在生命起源中扮演着重要的角色，在药物制剂中也起着至关重要的作用。
例如，左旋多巴的药效是右旋多巴的2倍，而右旋多巴则无法被有效地利用。
因此，在药物研发中，通过识别和筛选手性分子，可以得到更安全和有效的药物。
另一个应用领域是异丙基化合物。
异丙基化合物是指分子结构中含有异丙基基团（CH3CHCH3-）。
这种化合物常用作有机合成和医药领域的原料。
然而，随着环境和健康问题的不断暴露，对其生产和使用进行了大量的限制。
在这种情况下，手性化学成为了异丙基化合物的重要分析方法。
通过硬件键解离区分出其中不同手性异构体，可以准确判断异丙基化合物的性质和环境归属。
此外，一些高端分析技术，如光致动态稳定性谱、核磁共振、质谱等也被广泛应用于异丙基化合物的手性分析。
总之，手性分子在生命起源和社会各领域都发挥着重要作用。
我们可以通过深入研究和理解手性化学的机制和应用，推动科学和技术的发展。
21世纪的100个科学难题
21世纪100个科学难题以下科学攻坚难题实际上几乎全部集中于哲学的基本问题：生命的起源人的起源地球的起源宇宙的起源物质的本质精神的本质等，这些问题在两三千年前都已经在所有原生(相对于次发文明)文明的社会中被提出来了。
这个时代的提出的不同在于可借助于更先进的技术手段计算机电子望远镜分子频谱仪等在更深层次上(分子、DNA,RNA，神经细胞)、更广范围内（从宇宙到中微子）上予以穷究并且有了更完美的理论支持：复杂性思维方式，系统论与整体观等。
在以西方逻辑思维为基础的现代科学中，这个理论是新颖的，但在中国古代科学中，是一直严格自觉地运用这种思维方式来探究天道人伦，且在历法、算术、人体科学与医学、宇宙探测、建筑力学与美学、地理与生态、化学化工冶炼等等方面获得丰硕的成果,而且是不以损害人的异化与环境的负载开发为代价的情况下取得的.中国文明发展的节奏是中和,社会文明发展项度取舍的衡量标准是人们心灵上的满足.进行科学探测的主要动机是满足人的求知欲(而不是功名或物质利益或其它的欲望,奇巧淫技被持为机心为君子所不耻),并最终都须返回到道德生命这一根本上来.所以一切都是整体综合推进的,中和的,和谐的,与人的精神进化的节拍是相吻合的.现代人的精神危机在于人类的急功近利.以及被工商业竞争刺激起来膨胀变异的欲望造成的身心疾病.整个社会变革发展的节奏与人类心理适应变迁的节奏不一造成的人的异化。
资本运作与工业化大生产割裂了劳动者、生产资料、以及劳动成果之间的关系，人们失去了劳动的乐趣而沦为工具，劳动分工的琐屑细化让劳动技能成为一种谋生手段而不是一种技艺，手工劳动的被取代并没有减轻绝大多数人的劳动强度，反而剥夺了他们劳动中创造的乐趣与原本休闲健康的生活方式（从农民到工人或农民工）。
人与自然的远离与割裂造成的非平衡发展与全球生态危机.(一年前，去年的11月15日,地球上太平洋第一个国家因为地球变热,海平面上升而被迫举国迁居.)李约瑟云:欧洲人所特有的精神分裂或分裂人格只能以德模克利特的机械唯物主义或柏拉图的神学主义进行思考.可叹的是,中国的科学家们现在却仍然采用西方已经开始反思的思维模式去邯郸学步,而不知从思维方式上探索究竟,如何能够成功?现把科学界提出的100个前沿问题整理如下，希望民间思想家与自由思想家们也可就以下问题展开自己的探索。
物理学中的对称性破缺现象
相变对称性破缺是指物理系统在相变点附近其对称性被破坏。相变是物质从一种相向另一种相转变的过程，常见的有固液相变、液气相变等。
相变点附近的对称性破缺现象称为临界现象。临界现象具有很多特殊的性质，例如临界指数。这些性质对于理解物质的相变过程和研究相变条件具有重要意义。
对称性破缺的应用
对称性破缺的研究在物理学的多个领域得到广泛应用。以下是一些重要的应用领域：
外加场对称性破缺
外加场对称性破缺是指物理系统在外加场的作用下，其对称性被破坏。外加场可以是电场、磁场等各种形式的力场。一个经典的例子是超导体。
超导体在低温下具有零电阻和完全排斥磁场的性质。然而，在外加磁场的作用下，超导体会发生对称性破缺现象。外加磁场会导致超导体中的库仑相互作用与电子动能之间的竞争，从而破坏超导态。这个对称性破缺机制被称为磁场诱导的超导转变。
凝聚态物理
对称性破缺在凝聚态物理中具有广泛的应用。例如，超导体的研究就是一个重要的应用领域。对称性破缺为我们提供了理解超导体的机制和设计高温超导体的思路。
Байду номын сангаас高能物理
对称性破缺在高能物理中也起到了关键的作用。粒子物理中的标准模型就是基于对称性破缺的理论构建的。对称性破缺为我们理解基本粒子的质量、相互作用和粒子物理的基本原理提供了重要线索。
宇宙学
对称性破缺在宇宙学中也扮演了重要的角色。宇宙的起源和演化与对称性破缺有着密切的关系。对称性破缺的研究为我们理解宇宙的结构、宇宙背景辐射、暗物质等问题提供了重要线索。
结论
对称性破缺是物理学中一个非常重要的研究方向，它涉及到基本粒子与场的研究、凝聚态物理、高能物理和宇宙学等多个领域。对称性破缺的研究为我们揭示了自然界的基本规律和解释了物质的性质。对称性破缺的应用也在各个领域得到广泛发展。对于进一步深入研究和应用对称性破缺现象，我们还有很多待解决的问题和挑战。通过持续的探索和研究，我们相信对称性破缺将会为人类社会带来更多的科学发现和技术创新。
对称性破缺
对称性破缺对称性破缺是一个跨物理学、生物学、社会学与系统论等学科的概念，狭义简单理解为对称元素的丧失；也可理解为原来具有较高对称性的系统，出现不对称因素，其对称程度自发降低的现象。
对称破缺是事物差异性的方式，任何的对称都一定存在对称破缺。
对称性是普遍存在于各个尺度下的系统中，有对称性的存在，就必然存在对称性的破缺。
对称性破缺也是量子场论的重要概念，指理论的对称性为真空所破坏，对探索宇宙的本原有重要意义。
它包含“自发对称性破缺”和“动力学对称性破缺”两种情形。
中文名对称性破缺外文名Symmetry Breaking目录1. 1简介2. 2系统3. 3物理4. ▪超对称5. ▪弱作用规范6. ▪ 11维空间1. 4生物2. ▪手性破缺3. ▪ Salam 假说4. ▪局限性5. 5耗散分岔6. 6反馈机制1. 7举例2. ▪宇称不守恒3. ▪贝纳德对流4. ▪意大利怪钟5. ▪重子与反重子6. ▪生物界应用1. ▪真空不空2. ▪对称性破缺也叫CP破缺3. 8社会简介李政道认为对称性原理均根植于“不可观测量”的理论假设上；不可观测就意味着对称性，任何不对称性的发现必定意味着存在某种可观测量。
李政道说：“这些‘不可观测量’中，有一些只是由于我们目前测量能力的限制。
当我们的实验技术得到改进时，我们的观测范围自然要扩大。
因而，完全有可能到某种时候，我们能够探测到某个假设的‘不可观测量’，而这正是对称破坏的根源。
这和“对称性破缺则是由‘宏观’走向‘微观’而展现事物差异性的方式”哲学观点是一致的。
假如没有对称性破缺，这个世界将会失去活力，也将是单调、黯淡的，也不会有生物。
自然界同样也存在着诸多对性破缺的例子。
比如：弱作用力下的宇称不守恒、粒子与反粒子的不对称、手性分子的对称性破缺等等。
系统耗散理论在解释生命分子手性起源中取得了较大成功，这也是本书所拥护的观点；近些年也得到更多的实验支持。
普利高津（Prigogine）认为，在远离平衡的条件下，一个开放的物理化学体系可以通过分支现象，从原先空间均匀的各向同性状态发展到集中都是稳定的但时空特性可能不同的有序状态，即由无序中产生有序。
对称性自发破缺PPT课件
宇宙涨落
这个定理在物理学的很多分支都有应用，其中一个是宇宙学。你或许知道 我们对宇宙微波背景辐射的观测正用于对宇宙指数膨胀期的性质设置约束 ，这一时期称作“暴胀”（inflation），被广泛认为发生于辐射支配宇宙之 前。但这有个问题，在暴胀结束和宇宙微波背景辐射发出之间，存在许多 没有完全理解的事件：暴胀后宇宙温度提高，重子的产生，冷暗物质退耦 等等。那么在我们不理解之间发生了什么的时候，怎么可能通过研究暴胀 很久之后发出的辐射来研究暴胀呢？
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我们能够避开这个问题的原因在于我们研究的宇宙涨落属于绝热过程，可以看做与 一般坐标不变性联系的一种对称所要求的戈德斯通激发，这种对称在时空几何中发 生了自发破缺。这些宇宙涨落的波长被暴胀剧烈拉伸，以至于在那个我们不理解的 时期已经变得非常大，所以宇宙涨落的频率为零，这就意味着这些涨落的振幅没有 改变，所以与今天较为接近的振幅值就可以告诉我们暴胀中发生了什么。
Lecture 4 Higgs Boson in SM
François Englert Peter W. Higgs
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1
对称性自发破缺（铁磁体、超导） 铁磁 Heisenburg (1928) 超导 BCS 理论 （1957）
Nambu (1960)
condensation of Cooper pairs into a boson-like state
一个问题：超导体中的电流是否由已知带电粒子、电子和离子载流？BCS 证
明中最重要的一点就是，理解超导性不需要引入新的粒子或作用力。根据库
珀向我展示的一本关于超导的书，许多物理学家甚至为此感到失望，因为“
超导性在原子尺度上竟然只是由于电子和晶格振动之间的微小相互作用。”
生物界中的对称性
发现，不对称原生质的新陈代谢活动能力，比起左右
结构相等的化学物至少要快3倍。
由此可见，不对称性对生命的进化有重要意义。
五、对称性与不对称性
对称，又不完全对称，这就是瑰丽多姿的自然界。谢谢源自臂伸展后的跨度正好等于人体的
高度。
三、对称性的意义
• • 一个物体的对称类型经常和他的用途联系在一起。 生物体的对称性也与它们适应环境的方式联系在 一起。（重力、运动） • 植物的对称现象也与它们的生存方式和环境有关。 （重力、光线） • 对称性是生物界广泛存在的一种美的属性。
四、不对称性的现象及意义
的。
希腊神话中的独眼
巨人的一只眼睛也
被仔细地设置在脸
部的中间
对称性似乎体 现了生物或生
物制品的外部
形状特征。
二、对称性的普遍性
人类的躯体是最著名的对 称性例子。达芬奇的人体图，人
体被框在一个圆形和正方形里面。
这幅画除了明显的左右镜像对称
之外，还展示了人体其他的对称
性，例如肚脐眼的中心位置，双
生物界中的对称与不对称
12包装工程1班 陈丹 201230640102
目录
一．对称性的概念 二．对称性的普遍性 三．对称性的意义 四．不对称性的现象及意义 五．对称性与不对称性
一、对称性的概念
对称有两种含义： 1. 对称的即意味着是非常匀称和协调的，而对称性则
表示结合成的整体的好几部分之间所具有的那种和
就对称性而言，生命起源和生物进化史的研究 表明，生命的产生和维持之所以成为可能，正是由于 生物大分子或活细胞中物质分布的高度不均匀、不对 称，而一旦生命的物质分布变为接近对称，甚至降低 为平衡态，生命也就停止了（王开恩，1990） 。 生命在进化和发展中，伴随着一个对称性的逐
21世纪100个科学难题
21世纪100个科学难题1、对深层物质结构的探索2、协调相对论和量子论的困难3、引力波探测4、质子自旋“危机”及其实验探索5、力学的世纪难题――湍流6、金属微粒中的量子尺寸效应和超导电性7、高温超导电性8、固体的破坏9、宇宙结构的形成与星系的起源10、太阳中微子之谜11、活动星核的能源和演化12、星际分子去和恒星的形成13、宇宙常数问题14、太阳活动的起源15、磁元的争辩16、黑洞的证认17、宇宙论中的暗物质问题18、地外文明与太空移居19、寻找地外理性生命20、星系演化的途径21、最终解决人类能源问题的课题22、未来的空间太阳能发电23、太阳风的起源及其加速机制24、日冕加热和太阳风加速25、表面张力梯度驱动对流26、磁层亚暴和磁暴的整体过程27、富勒烯化学28、单原子识别与分子设计和合成29、室温有机超导体30、催化的高选择性合成31、原子簇物质32、非线性光学聚合物实用化的若干问题33、分子工程学34、分子元件的单原子加工和自组装35、可持续发展对化学的挑战36、地球科学中的非线性和复杂性37、地球构造运动驱动机制的反演38、人类对全球环境变化影响的预测39、气候系统动力学40、自然控制论41、地震成因与地球内部流体42、地球的自转运动及其与地球各圈层的相互作用43、现今岩石圈构造解析中的若干难题44、生物多样性保护45、细胞凋亡46、生物学的理论大综合：遗传、发育和进化的统一47、分子识别、化学信息学和化学反应智能化问题48、人能否在地球以外长期生存49、脑神经系统动力学50、生命、人的思维、意识、目的等的物理学基础51、探索生命和遗传语言52、疯牛病――中心法则――Affinsen原理53、分子进货的驱动力与分子进化理论54、脑的诸模型能带我们走多远55、如何控制化学反应的方向（反应通道）56、未来的认知神经科学能束给意识以新的解释57、地球深化的统一理论：“两均论”与“两非论”58、有机体信息系统的深化在物种生存、适应过程中的作用59、脑的选择性自适应60、脑的行为的自组织61、思维与智能的本质62、人脑如何组织其信息存贮3、脑与免疫功能64、生命起源、细胞的起源和进化研究65、生命的起源与蛋白质66、RNAgn 与生命起源67、注意的脑机制68、智力的起源69、细胞如何调控基因组的有序活动70、人脑是怎样认知外界视觉世界的71、策略的植物细胞生理学问题72、中心法则的空白――从新生肽到蛋白质73、“JUNK”DNA有什么功能74、统一医学75、意识和思维动力学76、人类疾病与基因77、生命起源中的对称性破缺78、精神与免疫79、改善老年性认知功能障碍的心理药物学策略80、解析全套细胞蛋白质结构与功能，展现生命活动全景81、心思的神经生物学机理82、细胞三维生长和组织培养83、重返海洋84、客观世界的自组织85、全信息理论与高等智能86、关于“意识”问题87、植物光合作用吸、传、转能的分子机理及其调控88、系统科学的困惑89、复杂经济系统的演化分析90、路径积分91、朗兰兹纲领92、球堆积问题93、相变的数学理论94、P－NP问题95、超级计算理论96、庞加菜猜想及低维拓扑97、黎曼猜想98、中华民族及现代人类的起源99、人类基因组研究中的社会学、伦理学和法律问题100、物质和精神的关系问题。
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北京大学学报(自然科学版),第33卷,第2期,1997年3月A ct a Scientiar um Nat ur aliumU niv ersit atis Pekinensis ,V o l .33,N o .2(M ar ,1997) 1)高等学校博士学科点科研基金项目(94-1)、国家自然科学基金资助项目(29672003)、国家科委基础研究基金资助项目(92国科高字050号)收稿日期:1996-09-16述评Review 生命起源中的对称性破缺1)王 文 清(北京大学技术物理学系,北京,100871)摘 要 生命起源中的对称性破缺——生物分子手性均一性,是生命科学中的长期未解之谜。
自然界中组成蛋白质的20种氨基酸(除甘氨酸无不对称碳原子外)全部是L 型,组成RN A ,DN A 中的核糖却全部是D 型。
对蛋白质和核酸的手性、分子构型(D 和L )和旋光(+和-,右旋光和左旋光)概念作了阐明。
对当前国际上最著名的两大学说— 粒子极化和手性分子的相互作用与萨拉姆假说以及国内外的研究工作,结合科研组10几年来的实验研究和理论观点作了较为全面的评述。
关键词 对称性破缺;手性起源; 电子极化;Salam 假说中图分类号 Q 101 蛋白质和核酸的手性为什么在自然界中氨基酸有L 和D 两种对映异构体,而组成蛋白质的 -氨基酸却几乎都是L 型。
天然糖有D 糖,也有L 糖,但核糖核酸RNA 、脱氧核糖核酸DNA 中的核糖却全是D 糖,这是科学之谜,称为生命起源中的对称性破缺。
蛋白质和核酸的这一特性称作分子的手性均一性。
生命的基本物质是核酸和蛋白质,不同蛋白质具有不同的生理功能。
它是由各种 -氨基酸通过肽键联结成的长链分子,这种长链称为肽链,链中相当于氨基酸的单元结构称为残基,肽链中氨基端称为N 端,羧基端称为C 端。
作为蛋白质组成成分的氨基酸共20种,除甘氨酸外,其他19种全部具有旋光异构体[1]。
有机化合物的旋光异构现象与有机分子中碳原子4个价键的空间构型有关。
单糖和氨基酸分子的D 、L 构型是以甘油醛为标准而确定的,而它们水溶液的旋光方向的(+)、(-)没有必然的联系。
例如甘油醛是D (+)、L (-),而丙氨酸则为D (-)、L (+),即D 型丙氨酸的光活性呈左旋。
19种L 型氨基酸水溶液在钠光589.3nm 下的旋光符号均不相同。
表1列出了蛋白质中常见L 氨基酸的旋光性。
核酸是一种多聚核苷酸,它的基本结构单位是核苷酸,而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。
核苷酸中的戊糖有两类:D -核糖和D -2脱氧核糖。
根据核酸中所含戊糖种类不同,分核糖核酸RNA 和脱氧核糖核酸DNA 两大类。
表2列出了两类核酸的基本化学组成。
表1 蛋白质中常见L 氨基酸的旋光性[2]T able 1 T he optica l r otat ion o f L -amino acid名 称 [ ]D (H 2O)[ ]D (HCl)1)名称 [ ]D (H 2O)[ ]D (HCl)1)Gly - -L eu -11.0 +16.0Ala +1.8 +14.6S er -7.5+15.1Val+5.6+28.3T hr -28.5-15.0Ile+12.4+39.5As n -5.3+33.23)Asp+5.0+25.4His -38.5+11.8Glu+12.0+31.8C ys -16.5+6.5Gln+6.3+31.82)M et -10.0+23.2Arg12.5+27.6Ph e -34.5-4.5Lys +13.5+26.0T yr未测-10.0T rp-33.7+2.82)Pro -86.2-60.4 数据前的+和-表示旋光方向;1)HC l 浓度为5mol/L;2)HCl 浓度为1mol/L ;3)HCl 浓度为3mol/L 。
表2 两类核酸的基本化学组成 T able 2 T he chem ical co mpo sitio n of nucleic acids RNA DNA 糖 基D -核糖D -2脱氧核糖嘌呤碱基腺嘌呤(A)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)鸟嘌呤(G)嘧啶碱基胞嘧啶(C)胞嘧啶(C )尿嘧啶(U )胸腺嘧啶(T ) 生命分子RNA 和DNA 只由D 核糖组成,蛋白质只由L 氨基酸组成。
核糖的正确复制取决于L 氨基酸构成的蛋白质的活性,两者的手征性是密切相关的。
D 核糖的比旋为-23.7°,D -2脱氧核糖的比旋为-60°,是左旋光分子。
值得注意的是19种L 氨基酸分子并不都是右旋光分子,氨基酸的旋光符号和大小取决于侧链R 基团性质,并与测定时溶液的pH 有关。
在无人为外加不对称因素时,天然的或实验室化学合成产物中,L ,D 型分子出现的几率是相同的,但在生物体尤其是高等动物中这种选择是特有的,是什么力量在所有生物体内,从D ,L 分子中挑选出一半呢?有人将上述现象归之于对称性自发破缺,并比喻为萨拉姆(Abdus Salam 1979年诺贝尔物理奖获得者)设宴请客[3]。
吃饭前,服务员将餐具布置于圆桌,各碟子间和相邻碟子间的筷子都严格等距离。
入席时客人坐在碟子后,距两边筷子等距。
假定所有客人无偏爱某只手拿筷子的习惯,因此未开宴前该圆桌体系是左右对称的。
突然某人先拿起左(或右)边一双筷子,邻座的人不得不也拿左(或右)边筷子,这过程迅速影响全桌,最后人人都拿左(或右)边筷子,结果左右对称性打破了。
这一过程开端是偶然的,向左或向右也是偶然的,称为自发的对称性破缺。
但自发对称性破缺具有随机性,无法解释地球上各个蛋白质和核酸都具有同一手性的事实。
看来必须存在一种不对称驱动力,才有可能解决这一难题。
2 极化电子和手性分子的相互作用一个基本粒子(电子或正电子)静止时是球面对称的,因此是非手征性的。
但一个自旋粒子沿着自旋轴的任一方向移动时,它就成为手征性的,如运动特性象右旋螺钉则称右旋,反之称左旋。
射线的实质是高能电子 -和其反物质正电子 +,这些粒子有固有的自旋,当它们沿266 北京大学学报(自然科学版) 第33卷自旋轴方向移动或逆自旋轴方向移动时,被分成左旋和右旋。
-电子为左旋电子,运动特性象左旋螺钉。
+电子为右旋电子,运动特性象右旋螺钉。
自从1957年李、杨发现宇称不守恒后,人们试图将 衰变及有关现象作为导致一种对映体过剩的机制。
Vester 和U lbricht 首先把 衰变的不对称性和生物分子的不对称性联系起来,提出以下机制。
不对称性可以从基本粒子水平转移到分子水平: 衰变→纵向偏振电子→园偏振光子→不对称光化学作用→手性的、光学活性的分子。
一些科学家试图通过实验来验证上述机理。
1968年Garay [4]将1.33×107Bq 的90Sr Cl 2,分别加入到D ,L -酪氨酸的碱性溶液中,室温放置18个月后,发现D -比L -酪氨酸明显分解多,他认为 粒子对D -酪氨酸有立体选择分解;1975年Bonner [5]用线性加速器产生电子能量为120keV 的自旋反平行(AP )的“左手电子”和自旋平行(P )的“右手电子”辐照D -,L -亮氨酸,他发现A P 电子辐照后产生0.74%～1.14%过量的D -亮氨酸,而P 电子辐照则产生0.6%～1.42%过量的L -亮氨酸。
1976年Darge [6]等将32P 标记的磷酸盐加到消旋的色氨酸水溶液中,观察到19%的D -色氨酸的富集。
这一结果与Garay 的结果矛盾。
但Bonner 重复Garay 和Darg e 的实验[7～8],Hodge [9]重复Bonner 的实验,都没得到立体选择的结果。
赵健,王文清等[10]用90Sr-90Y 源辐照升华后的固体D ,L -亮氨酸,用GC 分析,未观察到立体选择的结果。
但Akaboshi,et al.[11]在77K 用90Y 的 源辐照D -,L -和D ,L -丙氨酸,观察到在D -丙氨酸中形成的自由基比L -丙氨酸多14%～21%。
而在常温或用非极化的电子辐照样品,则观察不到这种立体选择。
这一实验随后被赵健,王文清[12],Conte [13]和Akaboshi [14-15]进一步证实。
科学家们进行的大量实验,由于分析方法和实验条件的不同,出现了矛盾和争论。
我们系统验证并改进了实验,发现只有在低温初始阶段(Primary Stage)远离平衡态,即体系的物质和能量流入是开放的条件下(Open Sy stem ),才能观察到 电子对氨基酸的不对称分解,达到热力学平衡,差别湮没[16]。
正电子是电子的反粒子,由缺中子的放射性核素如22Na 衰变产生,具有与电子相反的“右手型”极性。
慢化后的 +和负电子能形成类氢原子的正子素,其中2个电子的自旋为平行的三重态正子素(o -Ps)的本征寿命为1.4×10-7s [17]。
实验测定三重态正子素在D 和L 型氨基酸中的强度。
Garay 等[18]首先报道,o -Ps 在D -苯丙氨酸的强度大于在L -苯丙氨酸中的强度(L /D =0.83),Conte [19]和丁翔,王文清等[20]的研究证实了这一结果。
赵健、王文清等[21]还发现,o -Ps 在L -亮氨酸中比在D -亮氨酸中更易形成。
L -苯丙氨酸和L -亮氨酸在酸性溶液中的旋光度分别为- 4.4和+16.0。
这些实验证明了 正电子和手性分子作用时,也与分子的旋光性有关。
由于影响o -Ps 强度的原因是多方面的,对于正电子实验是否反映了 +粒子对手性分子的立体选择国际上尚有争议。
王建英、罗辽复[22]对极化电子和手性分子的相互作用进行了深入的理论分析。
依据量子力学的理论方法,从 电子和手性分子的电磁作用出发,讨论了 电子在不对称分子上的非弹性碰撞,证明了对于对映异构体,碰撞截面的相对差值与旋光强度和偶极强度的比值成比例,数值上为10-6量级。
通过运算得到,当L 型分子旋光强度大于零时,极化电子优先分解D 型分子,反之,当旋光强度小于零时,极化电子优先分解L 型分子。
总结了各种实验和理论计算,王文清、罗辽复[23]在1993年意大利国际生命起源会议上指出:长期以来,人们忽视了构型和旋光并不是同一概念, 粒子是对氨基酸的旋光性(左旋Rn +267第2期 王文清:生命起源中的对称性破缺 <0,右旋Rn +>0)有选择,而不是对构型(D ,L )有选择。
Garay 用的酪氨酸与Darg e 用的色氨酸在紫外区圆二色谱的旋光符号相反。
他们的实验结果与 粒子的选择性并不矛盾。
王文清等在系统的分析了氨基酸的构型和旋光性后发现,对于生命起源的早期产生的氨基酸,除甘氨酸无手性外,丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、缬氨酸、丝氨酸(酸性条件下)的L 型旋光性质一致均为右旋,其他氨基酸可由早期氨基酸衍生。