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生物体的完美对称及生物大分子的非对称性与单一手征性
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有朋友说，生物体是完美对称的，但构成生物体的分子却又都是不对称的，具有手征性，例如右旋糖、左旋氨基酸，这是为什么？
这的确是个有趣的问题，涉及到生命的起源。
有机分子常常具有手征性。化学合成过程中，左右两种手性的产物都可能产生。但在生物体内却不一定如此。生物体的大分子是由各种小分子构成的。作为构成生物体的小分子化合物往往都有一定的手征性，例如糖类都是右旋分子，氨基酸都是左旋分子。这个现象被称为生物分子的“单一手征性”(homochirality)。
我的理解，单一手征性首先应该是生物大分子结构稳定性的需要。例如生物体的最重要的组成部分是DNA，负责携带遗传信息。遗传信息的载体的结构特点应该是既稳定又方便复制。 DNA的双螺旋结构恰恰具备这两个特点。DNA的主要构件之一是核糖。双螺旋的成功构成要求参与结构的全部核糖分子都具有相同的手征性。同样地，蛋白质结 构特点也要求其基本成分氨基酸的手性相同。
非对称性对于生物体的功能也至关重要。生物体的某一项功能的成功执行，例如生殖，是一系列信号在机体内各种组织和细胞之间成功传递的结果。非对称物体的另一个特征是其结构具备特异性，而特异性是信号本身及其传递过程的第一要素。
那么，为什么生物体选择了右旋糖而不是左旋糖，左旋氨基酸而不是右旋氨基酸呢？
我想，这是因为进化过程的两个特点：随机性和不可逆性。遗传信息的突变是随机的。进化过程做出的选择是不可逆的。生物体的最初形成过程目前尚属未知，但很 可能经历了核酸、氨基酸的形成，核酸单体形成多聚体（DNA或RNA），氨基酸单体形成多聚体（蛋白质），DNA或RNA与蛋白质形成有自我复制能力的病 毒，再进一步形成单细胞、多细胞生物。这个过程一旦起始便不可逆，除非过程中断，从头再来。好比在球赛开始前猜硬币的正反来决定起始进攻方向，一旦作出选 择，球赛便开始。球赛开始后便不可逆转。
球赛开始前裁判掷出的硬币有正反两种情形，生命的基本载体也有左旋和右旋两种选择。我的猜测，我们所知的地球上现存的这种生命形式最初选择了右旋糖和左旋氨基酸。
宇宙里跟地球类似的行星估计有上亿颗，生命发生过程很有可能在别处再来一次。如果生物进化在别的行星上再来一次，最初的病毒在挑选核酸和蛋白质时，完全有 可能选择跟我们的相反的手性化合物。但是，构成生物体的非对称小分子无论是是左旋还是右旋，构成的生物体的整体依然应该是对称的。
http://blog.sciencenet.cn/blog-342577-273179.html
这的确是个有趣的问题，涉及到生命的起源。
有机分子常常具有手征性。化学合成过程中，左右两种手性的产物都可能产生。但在生物体内却不一定如此。生物体的大分子是由各种小分子构成的。作为构成生物体的小分子化合物往往都有一定的手征性，例如糖类都是右旋分子，氨基酸都是左旋分子。这个现象被称为生物分子的“单一手征性”(homochirality)。
我的理解，单一手征性首先应该是生物大分子结构稳定性的需要。例如生物体的最重要的组成部分是DNA，负责携带遗传信息。遗传信息的载体的结构特点应该是既稳定又方便复制。 DNA的双螺旋结构恰恰具备这两个特点。DNA的主要构件之一是核糖。双螺旋的成功构成要求参与结构的全部核糖分子都具有相同的手征性。同样地，蛋白质结 构特点也要求其基本成分氨基酸的手性相同。
非对称性对于生物体的功能也至关重要。生物体的某一项功能的成功执行，例如生殖，是一系列信号在机体内各种组织和细胞之间成功传递的结果。非对称物体的另一个特征是其结构具备特异性，而特异性是信号本身及其传递过程的第一要素。
那么，为什么生物体选择了右旋糖而不是左旋糖，左旋氨基酸而不是右旋氨基酸呢？
我想，这是因为进化过程的两个特点：随机性和不可逆性。遗传信息的突变是随机的。进化过程做出的选择是不可逆的。生物体的最初形成过程目前尚属未知，但很 可能经历了核酸、氨基酸的形成，核酸单体形成多聚体（DNA或RNA），氨基酸单体形成多聚体（蛋白质），DNA或RNA与蛋白质形成有自我复制能力的病 毒，再进一步形成单细胞、多细胞生物。这个过程一旦起始便不可逆，除非过程中断，从头再来。好比在球赛开始前猜硬币的正反来决定起始进攻方向，一旦作出选 择，球赛便开始。球赛开始后便不可逆转。
球赛开始前裁判掷出的硬币有正反两种情形，生命的基本载体也有左旋和右旋两种选择。我的猜测，我们所知的地球上现存的这种生命形式最初选择了右旋糖和左旋氨基酸。
宇宙里跟地球类似的行星估计有上亿颗，生命发生过程很有可能在别处再来一次。如果生物进化在别的行星上再来一次，最初的病毒在挑选核酸和蛋白质时，完全有 可能选择跟我们的相反的手性化合物。但是，构成生物体的非对称小分子无论是是左旋还是右旋，构成的生物体的整体依然应该是对称的。
http://blog.sciencenet.cn/blog-342577-273179.html
1叶剑
发表评论 评论 (3 个评论)
- [3]徐磊
- http://www.sciencedaily.com/releases/2009/09/090923143335.htm 虽然这个较新的研究似乎支持进化过程是不可逆的观点，但是单一的一个例子还不足以说明问题。您提到热力学，那您一定知道，即便对于孤立系统，虽然熵增是趋势，但是如果在更小的时间尺度上观察，是可以观测到熵减的过程的。热力学第二定律的本质是统计规律的。结论依然正确，只是使用结论的时候需要更小心套用的条件。当然生命体不是孤立系统，而是开放系统，处于远离热力学平衡的状态，生物进化的结果导致物种越来越复杂（熵减而非熵增），从宏观上说，确实如您所说。但是，就这个分子遗传学研究的例子，生命体进行基因点突变具有很大的随机性，优势突变因为更适应环境从而更容易生存下来，劣势突变则相反，但是还有很多中性突变，因为对于生物学功能无关紧要而可以继续随机突变，就像布朗运动一样，可以认为是近似于处于热力学平衡状态。这样看来，简单地说进化是不可逆过程似乎有些武断（就像简单得把热力学第二定律理解成熵增一样）。我不是要否定您的认识，只是觉得从不同的角度或者尺度上去看，某个结论未必是绝对的。
- [2][游客]李鲁远
- 谢谢评论。生物学过程也是热力学过程。严格地说，热力学过程都是不可逆的。关于对称，您说得对，生物体在形态学和解剖学上并不严格对称。我认为生物体在数学近似以及美学意义上是对称的。例如树木，侧面多为塔性，伞形，椭圆形，俯视多为圆形，都是对称的，虽然在严格意义上恐怕没有一棵树在任何一个维度对称。
- [1]徐磊
- "例如生物体的最重要的组成部分是DNA"? 是这样么?似乎并非一个公认的结论. 进化过程做出的选择是不可逆的? 我知道mutation在很大程度上是spontaneous的,mutate了以后的走向,主要取决于生物体和环境的相互作用和彼此影响.一不小心一个柳暗花明又一村.可逆不可逆的问题,严格地说应该看是从哪个尺度上来说.生物体完美对称的说法似乎也不准确.似乎对任何生命体的一半做镜像和另一半对比,都不能完美重合.吹毛求疵了,见谅.
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