路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）是一位才华横溢的化学家，他在2024年研究工业酿酒时偶然发现了一种与晶体有关的有趣现象。 在这个过程中，他无意中观察到了这些晶体。 有趣的是，尽管这些晶体中的一半可以很容易地被识别为酒石酸，但另一半表现出精确的形状和对称性，并且其中一些取向相反。
差异如此之大，以至于巴斯德能够使用放大镜和镊子分离晶体。 在他的一篇文章中，他将他们的关系比作图像及其在镜子中的倒影。 巴斯德当时并不知道，在结晶的葡萄酒残渣中，他偶然发现了一个与地球生命起源有关的深刻秘密。 他观察到酒石酸分子具有相同的原子组成，但在空间中是镜像的。 这个属性后来被称为"手性"，起源于希腊语"手"该术语用于描述酒石酸分子的左手和右手如何不同且不可互换，就像我们的左手和右手是对称的对立面一样。
巴斯德的观察具有重大意义，不仅因为他发现了手性现象，而且有深刻的原因。 在沸腾过程中，左旋和右旋的酒石酸对映异构体都存在于人造晶体中，而桶中的天然晶体仅含有d-酒石酸。 之所以出现这种区别，是因为用于酿造葡萄酒的葡萄来自专门生产对映异构体的活葡萄藤。 手性是我们理解为生命的标志。 生物化学家早就观察到，活细胞在使用手性分子时只使用一种手性。 例如，构成DNA的糖是完全右旋的，而构成蛋白质的氨基酸则完全是左撇子。 当错误的对映异构体进入药物时，它们的影响有时可能是有害的，甚至是致命的。
在生命早期历史的某个时刻，正如生物化学家所描述的那样，发生了一个或一系列事件，“打破了镜子”，导致生命中分子的不对称。 科学家们一直在仔细研究为什么生命往往具有相同的手性——即手性——以及这种转变是不可避免的还是纯粹的偶然。 他们确定了早期生命中对手性的偏好是来自太空中的一组选择性分子，还是来自最初包含相同数量的左手和右手分子的混合物。
加州大学洛杉矶分校（UCLA）有机化学助理教授Soumitraath**ale说：“这一观察结果让科学家感到困惑。 多年来，人们提出了各种各样的理论，但提出与地质学相关的想法一直是一个挑战。 “虽然许多理论可以解释单一类型分子中同质性的出现，但没有一个理论可以充分解释为什么整个生物分子网络都是这种情况。 最近，哈佛大学的一个研究小组发表了一系列**，提出了一个关于生命同质性的出现的迷人假设。 他们认为，在原始地球的水体中，矿物的磁性表面受到地球磁场的影响，起到了“手性介质”的作用。 这些矿物质可能会选择性地吸引某些形式的分子，启动一个扩大生物分子手性的过程，从RNA前体开始，扩展到蛋白质和许多其他分子。 他们提出的机制揭示了偏好是如何在某些分子中传播的，从而建立了一个广泛的手性化学网络，以支持生命。
索尔克研究所（Salk Institute）的生物化学家兼主任杰拉尔德·乔伊斯（Gerald Joyce）没有参与这项研究，他说：“这不是唯一看似合理的想法，但它是最令人着迷的想法之一，因为它将地球物理学、地球化学、生命前化学以及最终的生物化学联系起来。 乔伊斯很欣赏通过“真实实验”检验的假设。 这种新的同质性理论的起源可以追溯到大约25年前，当时以色列魏茨曼科学研究所的化学物理学教授ronnaaman和他的团队发现了手性分子的关键作用。 他们的研究深入研究了当分子与其他分子或表面相互作用时电子如何重新分布，这些电子既具有负电荷，又具有称为“自旋”的量子特性，类似于固有的顺时针或逆时针旋转。 这种再分布使分子极化，在其目的地产生负电荷，在原点产生正电荷。
Naaman和他的团队发现，手性分子是根据电子的自旋方向分类的。 具有特定自旋的电子更有可能在一个方向上穿过手性分子，但在另一个方向上遇到更大的阻力。 然而，具有相反自旋的电子会产生相反的效果。 要理解这种现象，想象一下扔飞盘并撞墙。 如果圆盘顺时针旋转并撞到右侧的墙壁，则它向前移动;否则，它将被反弹。 如果它撞到左边的墙上，情况正好相反。 同样，手性分子可以“根据自旋方向重定向电子”，正如Naaman解释的那样。 Naaman和他的团队将这种现象称为手性诱导的自旋选择性（CISS）效应。
由于手性分子的重新取向，具有特定自旋的电子聚集在手性分子的一端，而具有相反自旋的电子聚集在另一端。 这种重排会影响手性分子与磁性表面的相互作用。 具有相反自旋的电子相互吸引，而具有相同自旋的电子相互排斥。 因此，当手性分子靠近磁性表面时，如果它与磁性表面具有相反的自旋偏好，它就会被拉近。 相反，如果它们沿同一方向旋转，它们就会相互推开。 然而，由于正在进行的化学反应，分子不能简单地翻转以重新排列自己。 因此，磁性表面可以充当手性试剂，选择性地仅与化合物的一种版本相互作用。
2024年，Naaman和他的团队与德国明斯特大学的研究人员合作，对双链DNA中电子的自旋运动进行了实验。 这些实验验证了CISS效应的实质和真实性。 这一发现引发了人们对这种效应及其潜在应用的极大兴趣。 Naman提到，正是从这个时候开始，他的团队开始开发各种方法来利用CIS效应，例如通过去除杂质或排除药物中的假对映异构体来净化生物药物，以避免严重的***此外，他们还研究了CIS效应如何揭示麻醉机制背后的原理。
由于哈佛大学天文学家迪米塔尔·萨塞罗夫（Dimittal Saserov）和他的研究生S.S.的接待，他们开始寻找CISS效应以促进生物同质性Furkanozturk领导了邀请团队，邀请他们合作**一个假设。 2020 年，年轻的主要作者 Ozturk 在哈佛大学攻读物理学研究生时遇到了同性问题，他对自己使用超冷原子进行量子模拟的研究感到不满。 一次偶然的机会，他发现了一本科学杂志，详细介绍了世界上125个最大的谜团，并对同质性的概念产生了兴趣。 这也导致了他们对CISS效应的研究。
奥兹图尔克和萨塞洛夫的想法源于对独联体效应的头脑风暴。 他们设想了一种原始的场景，类似于一个覆盖着表面的磁性矿物的浅湖，水中含有核苷酸的手性前体的混合物。 根据他们的理论，紫外线可能已经从磁性表面排出了许多电子，其中许多电子具有相同的自旋。 这些喷射出的电子可以选择性地与特定的对映异构体相互作用，从而产生优先组装右旋RNA前体的化学反应。
2022 年 4 月，Ozturk 前往以色列参观了 Naaman 的实验室，迫不及待地想将他们的假设付诸实践。 然而，他的兴奋很快就被打消了。 在与Naaman的团队合作的一个月里，这个想法没有得到支持。 奥兹图尔克很失望，并认为这个主意"它不起作用"。但随后奥兹图尔克重新考虑了这个问题。 如果CISS效应不是一个化学过程，而是一个物理过程，那会怎样？ Naaman的团队已经证明了使用磁性表面的选择性结晶来分离手性异构体的能力。 结晶似乎是纯化对映异构体的最简单方法。 Ozturk与英国MRC分子生物学实验室的合伙人John Sutherland分享了这一观点。
萨瑟兰对结晶的有趣方面产生了兴趣，因为他的团队之前发现了一种特殊的RNA前体，称为核氨基噁唑啉（RAO），可用于构建RNA的两种成分。 此外，Rao还具有形成美丽晶体的惊人能力。 一旦晶种从手性异构体被拉到表面进行形成，晶体就会优先与更相同的手性异构体结合并生长。
奥兹图尔克生动地回忆起萨瑟兰的话：“如果独联体效应的想法成功，那将是一个'游戏结束'的时刻。 “将其应用于对生命起源的化学至关重要的分子，意味着实现该分子的均质性可以扩展到整个系统。 在哈佛实验室，奥兹图尔克开始了实验。 他将磁铁矿的表面引入培养皿中，然后注入含有等量的左旋和右旋Rao分子的溶液。 他将培养皿放在磁铁上，然后将实验放入冰箱中，预测初始晶体的出现。 最初，60%的晶体表现出单性。 重复这个过程后，所有晶体都表现出100%的手性。
他们的研究结果发表在《科学进展》（Science Advances）杂志6月刊上，揭示了通过在一个方向上磁化表面，它们只产生右手晶体。 相反，当磁化方向反转时，晶体完全是左撇子。
尽管他们取得了成功，但仍然存在一个主要障碍：他们实验中使用的磁铁超过了地球磁场的强度约6,500倍。 为了解决这个问题，奥兹图尔克于11月重新访问了魏茨曼科学研究所，并与纳曼合作进行了后续实验，这些实验没有使用外部磁场。 相反，他们发现，当手性分子粘附在磁性表面时，它们会在表面上产生强大的局部磁场，其强度高达地球磁场强度的50倍。
“你实际上是在推动周围区域的磁化，这促进了晶体的形成，”乔伊斯说。 他补充说，这种自我维持的影响使这种情况变得可信。 Assavalle同意这一观点，并指出CISS效应缺乏高磁场要求是很重要的，因为它表明存在潜在的地质环境。 然而，实现同质性的关键方面在于了解这种效应如何在相互关联的分子网络中传播。 Sasselov强调，关键成就不仅在于找到另一种产生手性产品的方法，还在于找到一种建立同性手性网络的方法。
在《化学物理杂志》（Journal of Chemical Physics）的八月刊上，Ozturk、Sasselov和Sutherland发表了一篇引人注目的文章，介绍了一个模型，该模型解释了手性信息在生命起源之前如何通过网络传播。 在早期的研究中，Sutherland的团队展示了右旋RNA分子，这些分子负责结合氨基酸并引导它们构建蛋白质，左手与氨基酸的连接速度比右手快10倍。 这一发现意味着手性RNA倾向于产生具有相反手性的蛋白质，这与自然界中观察到的相似。 研究人员强调，生物均一性的挑战可能围绕着确保单个共同的RNA前体（如Rao）可以成为均质手性。
根据Ozturk的说法，这项研究并没有直接解释为什么生命倾向于使用右旋核苷酸和左旋氨基酸。 然而，最近的研究结果表明，关键的决定因素可能是地球磁场引起的磁化。 阿萨维尔指出，即使结晶发生在100个古老的湖泊中，地球的磁场也会确保一致性，产生相同的主导手的前体，而不是混合。 乔伊斯提出了一个有趣的观点，突出了一个潜在的转折：如果磁场对手性产生偏见，那么如果生命起源于北半球，偏向一只手，那么如果生命起源于南半球，它可能会表现出相反的手性习。
正如Ath**Ale所强调的那样，不同分子之间的手性转移仍然是推测性的，但这个概念是令人鼓舞的，可以引发思考。 Sasselov 对此表示同意，并表示本文的目的是激励个人进行这些实验。 武汉大学生命起源研究员马 Discovery最近展示了“有趣的进展”，但他指出，我们需要观察RNA聚合中CISS效应的高潮，才能将其视为一个全面的解决方案。 他认为，取得这一成果将使我们更接近于解决问题。
天体物理学家Globus提到，“我发现CISS效应非常有趣”，她正在研究同质性问题。 为了支持这一观点，她建议研究人员调查携带大量氨基酸的陨石是否也表现出过量的磁性颗粒。 此外，各种假设机制可能有助于产生不同的分子手性。
加州大学圣地亚哥分校（University of California， San Diego）和斯克里普斯海洋学研究所（Scripps Institution of Oceanography）的名誉教授杰弗里·巴达（Jeffrey Badda）对这一概念持怀疑态度。 他质疑RNA在早期条件下作为初始自我复制分子的合理性。 Bada强调，在益生元环境中，由于分子周围的许多稳定性问题，缺乏成功产生RNA的证据。 然而，Sutherland的团队仍在努力证明RNA前体分子中另外两个核苷酸的形成。 萨瑟兰说，他的团队可能会提出相反的观点，因为他已经坚持了22年。
无论CISS效应是否是解决方案的一部分，都需要一个明确的未来阶段来进一步研究它。 Asavel 强调了这个假设的有利方面：它的创造性、可行性和可测试性，使其成为一个有趣的假设。 他认为，下一个最引人注目的步骤将是提供地质证据，证明该过程可能发生在实验室环境之外。
Oztec 在 Speed** 会议上展示了他在澳大利亚之行期间收集的一块扁平的黑色岩石。 澳大利亚是一个磁性铁矿石丰富的地区，他的目标是在那里复制他的实验。 他计划通过加入更多的动态元素来加强未来的实验。 他设想在古代湖泊中进行实验，在那里出现了早期的分子，其特征是流经它们的溪流和物质流，以及由降雨和高温驱动的自然干湿循环，这可以促进晶体的形成和溶解，这是一个循环过程。
围绕同性之谜仍然存在，但奥兹图尔克在解释CISS效应方面的工作得到了导师的热情支持。 梅瑟森是一位著名的遗传学家和分子生物学家，以通过实验证实DNA复制而闻名。 随后，这位93岁的遗传学家告诉奥兹图尔克，他很高兴能活着看到这个问题的展开。
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