地球上的蜗牛是左旋还是右旋,为什么?

海云青飞 点评:地球上的蜗牛为什么是右旋居多?至今还是个不解之谜


你见过那只左旋的蜗牛吗?

文章作者:龚雨晴(先进材料国际化示范学院16级本科生)

指导老师:文 韬(特聘研究员)

雨过之后,我们在路边经常会见到一种小动物——蜗牛。你是否留意过它们螺旋状的外壳呢?它们的螺旋都是朝着同一个方向的吗?

蜗牛的壳是左旋还是右旋?事实上,生活在地球上的蜗牛,他们的壳大多是右旋的;“左撇子”的蜗牛极其少见(图1)。类似的还有海边的贝螺类生物,他们也大多为右手螺旋结构,左手螺旋比较少见

蜗牛右旋和左旋比例是多少?

加拿大一个研究团队统计了55,000种贝螺,左旋个体大约只占5%

具有右旋 (dextral, 左侧) 和左旋 (sinistral, 右侧)结构的“同型巴蜗牛(bradybaena similaris)”

图1. 具有右旋 (dextral, 左侧) 和左旋 (sinistral, 右侧)结构的“同型巴蜗牛(bradybaena similaris)”。[1]

但是,这一规律在个别属种中也有特例。例如,坚螺科的一个属种Amphidromus。这个属种的螺旋方向没有选择性,左、右手螺旋的比例几乎相等(图2)

Amphidromus螺的左旋和右旋螺壳,罕见地呈现出左右旋比例相等的情况

图2. Amphidromus螺的左旋和右旋螺壳,罕见地呈现出左右旋比例相等的情况[2]

对于贝螺类生物左旋个体的数量远远大于右旋个体的现象,目前比较公认的解释是: 贝、螺的旋向和繁殖有关;只有旋向相同的两个个体才能进行繁衍。在漫长的演化过程中,这种旋向差异被不断地累积放大,形成了今天我们所见的,一种旋向占据绝对优势的局面

这种螺壳旋性的差异是“手性”在生命体中的一个缩影。手性是存在于宇宙中的普遍现象。从氨基酸、DNA、各种生命体,到行星、星系等,这些事物在其存在形态和运动方式上都具有手性的特征。手性对于我们所在的世界、对于地球上的生命都具有重要的意义。自巴斯德发现酒石酸的光学对映异构体,人类打开了手性世界的大门,一百多年来科学家们在手性世界的探索中取得了许多成果。大到宇宙、小至中微子,都具有手性的特征。宇宙中,我们所处的星系是手性的。在自然界中,许多动物和植物也会表达手性,除了上面所提到的贝、螺类生物的外壳,藤蔓植物也会选择性地形成右手螺旋结构。此外,生命体中存在着大量的手性分子,例如氨基酸存在左旋和右旋两种结构(图3)。但有趣的是,和蜗牛的壳一样,这些分子也是某一对映异构体占据主导地位。例如,构成生命体的必需氨基酸都为L-型,而构成遗传物质DNA的脱氧核糖都是D-型。在亚原子水平,手性与弱相互作用的宇称不守恒有关,只存在左旋中微子,没有发现右旋中微子的存在。在不同尺度上,这些手性事物都有感观上的方向性和螺旋性(图4)

左旋和右旋氨基酸分子

图3. 左旋和右旋氨基酸分子

宇宙中手性无处不在,手性在不同尺度上的表现形式

图4. 宇宙中手性无处不在,手性在不同尺度上的表现形式

由于生命具有显著的手性特征,因此手性对于物种演化,以及生物体内的化学反应具有直接的影响。特别地,手性在药物的研发中有着至关重要的作用。对于手性药物而言,其D-型与L-型对映异构体的活性可能会相差巨大,导致发挥同等作用时所需的药物剂量相差甚远。更为重要的是,有些手性化合物的对映异构体与其本身会表现出完全不同的作用效果。一种构型的分子可以用于疾病的治疗,但其对映异构体可能就是致畸致癌的毒药。例如,D-(-)青霉胺是代谢性疾病和Pb、Hg等重金属离子的中毒治疗剂;L-(+)青霉胺却会导致骨髓损伤,引起嗅觉、视觉的减弱。因此,寻找到某一特定构型的高效合成方法以及有效的手性拆分,是新药物开发中的重中之重

1860年巴斯德在《关于分子不对称性研究》中提出,“分子的旋光性也许是生命的唯一判据,因为自然有机物分子的不对称性,是至今在死的化学和活的化学之间唯一明确的分界线”。[3]

许多年前的贝螺类始祖,为什么选择了左旋而不是右旋呢?

这只是当年大自然抛硬币似的一次随机选择,还是有着其它我们尚未探知的内容?

为什么构成生命体的必需氨基酸都是L-构型,但是构成遗传物质DNA的脱氧核糖都是D-构型?

L-构型与D-构型之间的切换是如何同生命进行关联?

这些都是存在于生命之中的复杂而又有趣的问题。对于人类而言,手性是一个永恒的话题,是一座充满着挑战的高峰,或许也是破解生命奥秘的钥匙。在这个不对称的世界中,我们不仅可以看到自己的过去,也能预见自己的未来。这是一座充满挑战而难以翻越的高峰,也许未来有一天,我们能破译手性中蕴含的生命奥秘

所以,你现在想去找寻那只左旋的蜗牛吗?

References:

[1] https://phys.org/news/2019-02-right-left-handed-gene-story-snail.html

[2] https://www.guokr.com/article/437095/

[3]王文清,鲍亮.电弱中性流宇称不守恒与生物分子手性均一性[J].生命科学,1999 :123-125.


海云青飞,生命进化规律破解者
宗教已经过时了,死了以后再活,这是要多低的智商才会相信这种鬼话
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海云青飞 主要作品:《直立人归来》 - 《从零开始发明修行》 - 《悟道进化生物学》 - 《悟道相对论》