1. 什么是「手性」和 「手性原则」？
人的双手手掌对手掌，可以视为一组镜像；但是你不能通过平移和旋转操作让自己的左右手完全重合。手性分子同双手一样，这样的分子存在互为镜像但是无法完全重合的立体构象。每一种镜像（左手型 / 右手型）叫做一种「对映体」。在现实生活中，还有一类常见的互为镜像但无法重合的结构：螺旋（左旋和右旋）。通常，如果一个有机分子中，同一个碳原子上通过单键连结了 4 个互不相同的原子或官能团，分子的手性就出现了。
组成生命体的重要物质，例如氨基酸、糖和核酸，大部分都具有手性。这些分子需要相互连接、相互配对，才能发挥出正常的生命活性。如果两个分子手性相反，它们就不能很好地结合。地球上几乎所有的生物，体内的生命分子都拥有相同的手性。例如，所有具有手性中心的氨基酸都是 L- 手性的，所有具有手性中心的糖都是 D- 手性的（L- 和 D- 是一种手性标记的方式，读者简单理解为左手右手，或者正负号都可以）。这就是自然界中的「手性原则」。
2. 为什么「手性原则」是个重要又悬而未决的问题？
地球生物圈中几乎 100% 的手性一致性是一件很神奇的事情。从化学上来讲，左右手性的分子似乎应该各占一半才对。地球上的生物为什么会筛选出唯一的手性，又是怎么筛选出来的呢？这个问题还牵扯到地球上的生命起源，甚至是宇宙中的生命起源问题，所以重要性就不言自明了。而目前人类尚未找到地球之外的生命，连个其他星球的参考都没有，也就导致「手性原则」的问题众说纷纭，悬而未决了。
尽管如此，科学家对于这个问题也并非一问三不知。多年的研究还是让学界得到了许多重要的成果。可以说，在「手性」起源的巨大拼图上，有些部分我们甚至已经可以说搞得比较清楚了。
「手性」起源的宏大问题可以分成两条逻辑线和几个相互关联的子问题。
从化学反应的角度看，小分子可以聚合成大分子，大分子也可以重新分解为小分子。这些过程中手性分子应该都是左右手各一半。在地球上，究竟是哪一步，通过怎样的条件出现了手性优势呢？这是探索「手性」起源的第一条逻辑线。
这条逻辑线只能解释「手性」优势如何出现，并没有解释为什么地球生命中的手性优势一定是 L- 糖和 D- 氨基酸；而不是反过来的。某种手性会比另一种手性更占优势。地球上最初的「手性优势」是从何而来的？继承自太空，还是来自自我演化？这是探索「手性」起源的第二条逻辑线。
在这两条逻辑线上，科学家都已经发现了哪些现象，找到了哪些规律，又有哪些尚未解决的疑问呢？接下来我们就来看一看吧。
3. 第一条逻辑线：化学过程中的手性涌现和放大
科学家已经通过许多实验和理论模拟证明了，手性优势可以从化学反应中涌现出来，自发或者受外界条件影响都可能。而只要原料中出现了手性优势，许多化学反应都可以继承并放大这种手性优势。这些反应发生的过程都非常有意思，也体现出了「手性」是自然界普遍存在、可以自发涌现的现象，并不是生命活动的特例。
在进行这些实验的时候，化学家用 ee 值来衡量某种手性的优势大小。如果说一个样品中左手 / 右手各占一半，整体上就没有手性优势，ee=0. 如果全部是左手，ee=-100%；全是右手，ee=+100%。ee=0%的手性混合物又叫「外消旋体」。
3.1「无中生有」——手性的涌现
3.1.1 分子
「圆偏振」是光的「手性」状态，光在空间传播的过程中，如同螺旋一样呈现「左手」和「右手」两种圆偏振方式。很多实验证据都证明，「圆偏振」的紫外光可以诱导出手性优势。
很多有机分子都会在紫外光的照射下分解成更小的碎片。如果用纯净的「左旋」或者「右旋」的紫外光部分分解 ee=0 的手性分子混合物，留存下来的手性分子就会呈现出对应的手性优势。例如，早在 1976 年，Flores, Bonner 和 Massey 就发现，用左 / 右两种圆偏振的 212.8nm 紫外光分解亮氨酸，幸存下来的亮氨酸分别呈现出 ee=-2.50(±0.35)% 和 ee=1.98(±0.31)%[1]。相似的结果在多种氨基酸上都得到了证实，例如异缬氨酸[2]和丙氨酸[3]。
类似的，在圆偏振紫外线的照射下，人们也观察到了不对称的手性合成。Modica 等人模拟了星际空间的条件，用圆偏振紫外光照射水、甲醇和氨的混合冰，得到了 5 种手性不对称的氨基酸。左旋的紫外光得到的 ee 值在 -0.20(±0.14)% ~ -2.54(±0.28)%，右旋的紫外光得到的 ee 值在 +0.90(±0.33)% ~ +2.06(±0.34)%[4]。 Takano 等人对还对一氧化碳、氨和水的混合气体照射 3 MeV 的质子束，得到了一大堆有机聚合物。他们随后用偏振紫外光照射聚合物，得到了 ee 值分别为 +0.44(±0.31)%（右旋光）和 -0.65(±0.23)%（左旋光）的丙氨酸[5]。
3.1.2 结晶
结晶过程会发生自发对称性破缺，得到具有手性的晶体。例如，Viedma 发现，氯酸钠（NaClO3）本身没有手型，却会结晶得到具有手性的晶体。当然，如果没有外界扰动，得到的晶体会是左手右手各一般数量，总体上来看还是左右相等的。但有意思的是，如果在结晶的过程中沿一个方向搅拌（别忘了，顺时针和逆时针的搅拌也会形成一对互为手性的涡流），晶体数量上就会出现手性优势。最后，要么所有的晶体都变成左手，要么所有的晶体都变成右手。但是搅拌的方向和晶体最后的手性取向没有关系，是随机的[6][7]。
Noorduin 等人则进一步发现，如果结晶过程中使用圆偏振光照射，则最后所有的晶体都会确定地变成一致的手性。这就存在因果性了[8]。
3.1.3 界面
在固—液界面或者气—液界面上，也会出现手性选择的现象。例如手性晶体的某些表面本身也具有手性。它们会选择性地吸附液体中与其手性相匹配的分子。而气—液界面上，本身没有手性的分子可以通过定向排列，形成二维的手性分子聚合物膜。比如，一种叫做「Nε- 硬脂赖氨酸硫乙酯」的氨基酸在水—空气的界面上可以定向排列成纯左手性和纯右手性的肽[9][10]。这个过程其实和结晶中的对称性破缺是类似的。
3.2「赢者通吃」——手性优势的放大
一旦分子的某种手性出现一点点的优势（就像圆偏振光诱导出的那样），这种优势就会在合适的条件下被不断累积和放大。结晶过程中得到 ee=100% 结果的情况，其实就是初始诱导出的微量手性优势，在结晶过程中不断放大的结果。
3.2.1 自催化反应中的手性放大
自催化反应指的是反应的产物本身又是反应的催化剂。1990 年，Soai 等人最早发现了可以放大手性优势的自催化反应[11]。1999 年，Soai 后续研究发现了一系列反应，加入微量 ee=0.00005% 的手性产物作催化剂，就可以得到最终 ee>99.5%，产率 >99% 相同手性的产物，放大倍率最高可达 1 千万（10^7）倍[12][13]。
3.2.2 分子聚合中的手性放大
从手性小分子聚合成高分子聚合物的过程中也能观察到普遍的手性放大现象。1995 年，Green 等人在聚异氰酸酯中观察到了这种现象[14]。 只需要少量的聚合物单体，就可以得到几乎纯手性的聚合物链。后续很多研究都证实了这种现象[15][16][17][18]。
4. 第二条逻辑线：初始「手性」的起源
从第一条逻辑线中，我们已经可以看到，手性可以在许多条件下自发涌现，而一旦出现一点点的手性优势，这种优势就会被不断放大。那么，类似的情形应当也能够导致地球生命中最终剩下唯一的手性。但尚未解决的问题是，最开始引发这一切的那一丢丢手性优势，是怎么来的呢？
这是目前「手性原则」起源问题中更困难的部分。我们无法回到过去，也尚未找到外星生命，没有任何真实可观测的案例，只能靠猜测和实验模拟。因此，在初始手性的起源问题上，出现了许多靠谱和不靠谱的猜想。这些猜想大致可以分为三类。
4.1 普遍起源
这一类猜想认为，或许整个宇宙都存在微弱的手性优势，这是放之四海而皆准的物理规律。而为了给这类猜想寻找依据，大家盯上了杨振宁、李政道提出、吴健雄实验验证的「宇称不守恒」。这里我们不去过多解释什么是「宇称」了，总之，一些物理学家认为，「宇称不守恒」影响手性分子中的电子，会让其中一种手性的能量比另一种手性更低，从而在含量上更占优。这个能量被写作 ΔEpv. 更进一步地，诺奖得主萨拉姆（和格拉肖、温伯格一起提出了弱电统一理论）提出一个「萨拉姆相变」理论，认为这种手性优势的产生是在极低（大约 [19]。
这种「普遍起源」的假说有两个比较严重的瑕疵。
第一，ΔEpv 太小了。即使 ΔEpv 确实存在，据理论估计，一般的手性分子，ΔEpv 也大约在 10^-15 kcal/mol。熟悉化学的朋友可以看得出来，这是一个非常非常微小的能量差。而由它造成的手性优势，也就大约只有 1/10^15。目前没有任何实验技术能够测量得到如此微弱的差异。人类目前最精密的光谱学技术在红外光，测量精度可以达到 ΔE/E~10^-14[20]。 但 10^-15 kcal/mol 的 ΔEpv 至少需要 ΔE/E < 10^-16 的精度，还差至少 100 倍。
第二，「萨拉姆相变」所需要的极低温（
因此，目前没有任何实验可以证明这类「普遍起源」的猜想。实际上，历史上有好几个实验为了蹭热门，声称他们观察到了 ΔEpv 的现象，但都被后续的跟进实验否定了。而且，这种假说未免太过「宏大」，太过突出地球特殊论，并不被大部分科学家看好。由此也可见，诺奖得主也会提出各种不靠谱的猜想，不要把诺奖得主的话奉为圭臬。
4.2 局部起源——星际空间
星际空间中的局部起源猜想，是目前很有竞争力的一个猜想，也是我本人比较支持的一类猜想。这种猜想认为，手性优势起源于形成行星系统的分子云内，然后具有优势手性的分子被传递到了地球上，成为原始地球继续积累手性优势的种子。
这种猜想不但没有地球特殊论，还有许多间接的实验和观测证据。在第 3 部分我们已经知道了，圆偏振紫外光可以诱导出手性优势的有机物和有机物晶体。这样的圆偏振紫外光，已经在有大量恒星形成的猎户座大分子云 OMC-1（又叫 M42 星云）[21] 和猫爪星云 NGC6334[22][23] 中被观测到了。 而星际空间中第一个具有手性中心的分子——甲基环丙烷——也被探测到了[24]。 我几年前还写过一篇文章介绍了这个成果[25]。 这说明星际空间中很有可能有条件因为圆偏振紫外光而积累出手性优势。
此外，科学家已经在陨石样品的检测中，发现了多种具有手性优势的氨基酸[26][27][28][29]。它们的手性优势和地球生物中的一致。而这些陨石和彗星，被认为是保留了太阳系形成之初材料的「太阳系活化石」。因此，很有可能这类物质就是原始地球之上手性优势的种子。
4.3 局部起源——地球环境
最后一类猜想认为，手性优势起源于原始地球本身的局部小环境。在第 3 部分的各种实验中，我们已经知道，偏振光、搅拌方向这样的外部物理环境可以引起微弱的手性优势。地球上有很多机会可以形成带有手性的涡流：台风、龙卷风、水里的漩涡，都是涡流。虽然没有证据，但原始地球上的涡流也有可能造成局部的手性优势，随后被继承和放大。但是，这类局部起源存在一个比较致命的缺陷：不同半球、不同海洋里的物质有可能各自涌现出相反的手性优势，从而在统计意义上仍旧保持中性。这似乎并不足以让整个地球上的物质获得完全一直的手性优势。
5. 总结
以上就是目前科学家对于「手性」起源问题的大致了解。地球上的生物共享相同的手性，既是演化的神奇之处，也遵循普遍的化学原理。手性优势起源于星际空间，被传递到原始地球之上，是目前看来比较合理，有希望进一步得到验证的假说。近年来，关于这方面的研究相当活跃，有众多模拟实验在模拟星际空间中的环境，并试图合成出更复杂的具有手性的分子。另外，也有一些天文学家在提出技术方案，试图通过天文观测直接观测到星际分子的手性优势。