地球生命的本质隐藏着一个未解之谜：在分子层面，生物学是不对称的。大多数有机分子都有一个镜像对称的“双胞胎”，但生物学并不使用这对“双胞胎”。它倾向于选择其中一种镜像形式而非另一种。就像人的左右手，镜像分子无法完全重叠。你需要为左手戴上专属的手套，为右手戴上另一只，否则它们无法契合。这种空间特性在生物学中至关重要。
这种特性被称为手性（chirality）。手性分子对由相同的原子组成，但在空间排列上不同。根据它们的分子几何结构，它们被分为右旋或左旋。化学反应会同时生成右旋和左旋分子，但生物学却偏好其中一种，这种现象被称为同手性（homochirality）。生命是同手性的，这意味着所有特定类型的生物分子在整个生命体系中都具有相同的手性。
化学似乎遵循对称性，那么为什么生命却拒绝对称？为什么生命选择了我们现在看到的这种手性？这是生命体系唯一可能的手性吗？尽管20世纪分子生物学取得了巨大进步，这仍是未解的重大奥秘之一。生物学的“破碎之镜”数个世纪以来一直困扰着科学家。
研究手性可能揭示生命的起源、是否存在于其他世界，以及——一些科学家担忧——可能对地球生命的存续构成前所未有的风险。
路易·巴斯德的发现
1848年，著名化学家路易·巴斯德（Louis Pasteur）还是巴黎的研究生时，作出了他改变世界的首次发现。巴斯德研究的是酒石酸的化学性质，这是一种葡萄酒生产中的结晶副产物，也参与生物过程。他在实验室合成酒石酸盐晶体时，注意到一半晶体的边缘向左倾斜，另一半向右倾斜。通过肉眼观察，他发现这些晶体呈镜像关系。
巴斯德将这些晶体暴露于偏振光下，发现右旋晶体使光线顺时针旋转，而左旋晶体使光线逆时针旋转。他意识到，晶体中某种不对称属性导致它们与偏振光的交互行为不同。基于这一洞察，巴斯德认为这些镜像晶体由相同的分子组成，但这些分子在空间中的排列方式不同。这就是手性的起源。
他发现了分子手性。更重要的是，他注意到，实验室合成的酒石酸盐晶体是右旋和左旋各占一半的混合物，而生物来源的晶体却全部是右旋的。这一发现意义重大——生命不同于无机世界。在分子层面、在最微小的尺度上，生命是同手性的。巴斯德写道：“只有在生命影响下产生的产物才是不对称的。”
沙利度胺悲剧
当时，巴斯德的发现看似只是个晦涩的奇闻。但近一个世纪后，一场悲剧震惊了世界。随着合成有机化学被用于药物开发，许多化学过程会生成手性分子的混合物，而通常只有一种手性具有正确的生物活性。
1950年代，科学家向孕妇推出一款名为沙利度胺（thalidomide）的药物。这种药物含有两种手性分子，其中一种被认为能缓解孕期恶心，而其镜像形式被认为无活性。人们以为，即使相反手性的分子没有生物功能，也不会造成伤害。然而，事实并非如此。镜像分子导致胎儿发育异常，造成超过10,000名婴儿出生时带有畸形，如手臂或腿部发育不全。沙利度胺灾难彻底改变了药物研发的方式。此后，人们开始意识到手性对生物功能的重要性。
立体化学的科学
沙利度胺灾难重新点燃了对巴斯德发现的分子基础的兴趣，由此催生了一门学科——立体化学（stereochemistry），研究分子结构中原子空间排列的科学。
大多数生物分子具有立体中心（stereocenter），通常是一个碳原子，许多分子拥有多个立体中心。立体中心周围连接四个原子或原子团，这些组分可以以镜像方式排列，形成被称为对映异构体（enantiomers）的结构。如果对映异构体不共享对称平面（即无法通过旋转在空间中重叠），它们就是手性的。
化学家有一套复杂的规则来判断手性分子是右旋还是左旋。例如，
这个分子因其立体中心连接的原子呈顺时针排列，被标记为右旋。其镜像分子呈逆时针排列，因此是左旋。
分子的手性对其功能至关重要。生物分子通过“锁与钥匙”机制相互作用——它们需要精确契合。手性使这种分子识别和活性成为可能。左旋分子可以通过与特定酶的结构结合来激活酶，而右旋的相同分子则无法催化同样的化学反应。
细胞信号传导也依赖于手性。信号分子必须与细胞受体精确匹配才能触发反应。例如，嗅觉受体对小分子的手性极为敏感。许多分子的气味因其对映异构体不同而不同。以柠檬烯（limonene）为例，这是一种常用于清洁产品的分子，其一种对映异构体闻起来像松针，另一种则像柑橘。化学组成完全相同，唯一的区别是立体化学。
因此，左旋与右旋的区别至关重要。生命若非同手性，根本无法正常运作。
生命起源研究
在数十亿年前，生命尚未出现时，手性分子以相等比例统治着地球。然后，某种机制使生命诞生，并且是同手性的。活细胞几乎完全由左旋氨基酸构成，但生物过程中的糖类却是右旋的。DNA也具有手性，其双螺旋结构仅向右旋转。这是生命起源的最大谜团之一。
不对称性的出现可能是分子连接形成生命的关键转变。实验表明，如果核酸（如RNA的构建模块）是左旋和右旋的混合物，就无法构建功能性RNA。没有功能性基因组，生命无从谈起。因为在混合系统中，“锁”与“钥匙”无法匹配，分子无法有效相互作用。
导致生命“破碎之镜”的对称性偏向机制至今引发激烈争论。目前，关于同手性起源的科学共识是：尚无共识。
一种理论认为，早期地球上浅水池中可能捕获了略多的右旋核苷酸，这种差异在生命前的环境中被放大。其他理论聚焦于磁性的作用，这一想法可追溯至巴斯德的偏振光实验。在哈佛大学，迪米塔尔·萨塞洛夫（Dimitar Sasselov）和福尔坎·奥兹图尔克（Furkan Ozturk）展示了早期地球磁性表面与电子的相互作用可能赋予生命不对称性。他们的实验利用了一种新发现的效应——手性诱导自旋选择性（Chiral Induced Spin Selectivity，CISS），表明电子的磁性取向会影响手性。
为测试CISS是否可能影响早期地球化学，萨塞洛夫和奥兹图尔克以左旋和右旋RNA构建模块的50/50混合物为起点，将其置于富铁的磁性表面，模拟早期地球环境。根据磁化方向，右旋或左旋晶体出现的速度不同，从而打破镜像对称，形成了同手性系统。他们认为，这可能是早期地球或其他行星上自然发生的过程。
尽管CISS效应是一个有前景的线索，但它只是众多假说之一。除非发明时间机器，回到过去亲眼见证，否则我们无法确凿证明这一机制是地球生命同手性的根源。
镜像生命的潜在风险
同手性是生命的基本特征。但许多科学家认为，只要保持同手性，生命可能以与地球相反的对映异构体存在。这种在合成生物学中的设想被称为镜像生命（mirror life）。例如，若要制造“镜像细菌”，需使用相反手性的DNA和肽，它们会像正常手性的DNA和肽一样相互作用。
镜像生命仍是理论上的，但研究者相信，未来几十年内可能实现合成。镜像生命曾被认为是一个极具前景的研究目标，可能用于开发对免疫系统“隐形”的药物。然而，创造镜像生命可能带来严重后果。
自然界中，一切生物都有捕食者或病毒制约其生长，生态系统受到调控。而镜像生物理论上可能脱离所有这些调控机制，无限制地繁殖。因此，唯一安全的“遏制”镜像细胞的方法是根本不创造它。
2024年，阿达马拉（Adamala）等38位科学家发表了一份技术报告，强调了对镜像生命的担忧。他们认为，科学界无需创造镜像细胞，仍有许多引人入胜的研究方向可供探索。
未解之谜的延续
近200年后，巴斯德发现的生物学“破碎之镜”依然困扰着科学家。手性看似简单的几何特征，却仍未找到答案。我们渴望理解生命的本质。
揭示生命不对称性的机制不仅能解开生命起源之谜，还可能揭示宇宙其他地方是否存有生命。我们知道，手性是宇宙中的普遍现象。陨石中的有机分子凡是可能具有手性的，均呈现手性。如果我们弄清手性起源的机制，就能推测，例如，木卫二（Europa）上的生命（若存在）可能具有某种手性。这将为设计探测任务的仪器提供巨大帮助，让我们在寻找外星生命时明确目标。
这会让巴斯德感到欣喜，他曾看到生命不对称性与宇宙的联系。他写道：“手性是地球生命与宇宙之间的纽带之一。”