1.1 碳原子的秘密

古希腊哲学家德谟克利特在2000多年前提出了著名的原子学说，认为自然界存在着不可分割的最小微粒，称为原子；宇宙间万物就是由众多的原子以不同方式排列组合而成；生命也不例外。现代科学关于物质结构的基本理论与古希腊的原子学说的主要观点基本一致，即原子是构成元素的最小单位，并且是构成分子的基本单元。在构成生命的形形色色元素中，碳是最基本和最重要的一种，生命的主要属性可以说都源于碳元素的各种特性。因此，地球上所有生物体又都被统称为“碳基生命”。要了解生命就首先要了解碳原子。

1.1.1 搭建分子的超级“玩家”——碳原子

150年前，俄国科学家门捷列夫（Mendeleev D）编制了世界上第一个化学元素周期表。为了纪念这一发现，联合国宣布2019年为“国际化学元素周期表年”。现在的化学元素周期表上共有118种元素，其中碳作为第6号元素位于表中的第2行第4列；这意味着碳原子拥有两个电子层和6个电子，其内层具有2个电子，外层有4个电子。根据价键理论，最稳定的原子应具有8个外层电子；因此，碳原子在化学反应中既不容易失去电子，也不容易得到电子，而是通过与别的原子共用双方的外层电子形成共价键（Covalent Bond）；碳原子能够形成的最多共价键数为4。也就是说，碳原子是拥有4个可以形成化学键的价电子的最小原子。

碳原子这样的结构决定了其在形成分子过程中的化学键特征。碳原子的价电子到原子核的距离很近，从而对这些用于成键的电子具有较好的控制力，使得以碳原子为骨架形成的化合物通常既不会太活泼而容易分解，也不会太稳定而妨碍可塑性。其他种类的元素都不具备这个特点。例如14号元素硅虽然与碳一样在最外层具有4个价电子，但由于硅原子有3个电子层，比碳原子多了一个，使得其原子核对最外层电子的控制力远小于碳原子核，导致在硅原子搭建的硅骨架上形成的化合物在实际中极其不稳定。尽管有些科幻小说提出了所谓的“硅基生命”；但在地球和宇宙的其他天体上找到这种生命形态的可能性很小。这正是因为硅原子之间相互难以形成稳定的化学键，而硅原子与氧原子或氢原子形成的共价键又过于稳定。

经典价键理论认为，核外电子绕原子核运动的轨道是不连续的，可以按照离核的远近分出不同的电子层，例如氢原子有一个电子层，而碳原子则有两个；每一电子层又根据能量不同由一个或多个电子亚层组成；电子亚层总共有4个，分别用字母s、p、d、f来表示；例如碳原子的内层只有s一个电子亚层，外层则有s和p两个电子亚层；每个电子亚层上又有不同的电子运行轨道。美国化学家鲍林（Pauling L）在此基础上提出了杂化轨道理论，其核心观点是，在原子之间形成化学键时电子的能量将重新分布。他认为，在同一个电子层中，能量相近的不同类型的几个原子轨道在成键时，可以互相叠加重组，成为数目相同、能量相等的新轨道，这种新轨道叫杂化轨道。按照杂化轨道理论，杂化轨道之间成键通常要满足最小排斥原理，具有很强的方向感；碳原子的价电子是通过杂化轨道成键的，使得以碳原子为骨架形成的化合物具有特定的空间结构。例如，在形成甲烷分子的过程中，碳原子最外电子层受到氢原子的影响，其固有的1个2s轨道和3个2p轨道重新组合，形成4个sp ³ 杂化轨道，每个sp ³ 杂化轨道中各有一个未成对电子，它们再和4个氢原子形成4个相同的C—H键，其中4个杂化轨道间的夹角均为109°28'。因此，生成的甲烷分子的空间构型为正四面体，C位于正四面体的中心，4个H位于四个顶角（图1.1）。甲烷分子的正四面体是如此之具有代表性，以致中国科学院上海有机化学研究所选它来做所徽；一本著名的国际有机化学期刊也用它来做期刊的名称——Tetrahedron。

碳原子成键的方向性引出了碳原子化学键的最重要特征：复杂多样。碳原子有4个价电子，有能力通过共价键连接4个原子或基团，如甲烷分子；如果连接碳的原子或基团不一样，通常就会产生一对空间结构对映但不能重合的异构体，称为手性分子（详见下文的讨论）。更重要的是，碳原子之间能够以各种方式连接，有单键，有双键，有三键；由碳原子形成的分子骨架有多种形式，或长长的直链，或有许多分叉的支链，或像苯环那样的环形链；在这些骨架上可以连接其他元素的原子或者基团，形成不同种类和不同形状的分子。可以说 ，在元素周期表中，没有哪一种元素能像碳一样以如此之多的方式彼此结合 。生物往往又被称为有机体，这类以碳原子通过“碳碳键”为主干搭建而成的各种类型的碳化合物分子就是有机体的基本化学材料，因此被称为“有机化合物”（简称有机物）；而研究碳化合物的组成、结构和性质等的科学就被称为有机化学（Organic Chemistry）。

在有机物中，氢是与碳结合方式最多的元素。仅由碳和氢两种元素组成的碳氢化合物被有机化学家称为烃（Hydrocarbon），包含烷烃、烯烃、炔烃、环烃及芳香烃等。烃通常是许多具有更为复杂分子结构类型的有机物的基体。最简单的烃是甲烷分子，由一个碳原子和4个氢原子结合而成。微生物或植物都能制造甲烷。人们把探测到甲烷视为生命存在的重要证据。2015年9月，美国宇航局发布了一条轰动全球的消息：在火星上发现了液态水，从而为火星上可能存在微生物等低等生命提供了重要的依据。但是，仅仅发现水并不能直接证明火星上有生命存在。因此，欧洲航天局2016年启动了“火星天外生物学”（Exobiology on Mars）计划，首要目标就是探测火星大气中的各种成分，尤其是甲烷等罕见气体。利用探测器携带的高灵敏度光谱仪，可以探测到火星大气层中可能存在的低浓度甲烷气体，并进一步分析火星上的甲烷是由微生物产生的，或仅仅是地质活动的副产品；假如在火星上探测到甲烷与乙烷或丙烷等其他复杂烃类气体同时存在，就可认为火星上探测到的甲烷来自生命活动。

1.1.2 生命有序性之源——手性分子

碳原子在形成分子时，其共价键的杂化轨道之间要满足最小排斥原理，从而产生特定的分子构型。显然，不同的碳化合物具有不同的空间结构。例如，甲烷分子是一个正四面体，其中碳原子位于正四面体的中心（图1.1）。又例如，芳香烃是一类具有环状的碳原子骨架的有机化合物，通常具有典型的苯环结构（图1.2）。研究者发现，苯分子的6个碳原子和6个氢原子都在一个平面内，因此它是一个平面分子，六个碳原子组成一个正六边形，其中有3个碳碳双键；所有的键角都为120°（图1.2）。

如果与碳原子相连的4个原子或基团不一样，碳化合物形成的空间结构将是不对称的；而这个碳原子就称为不对称碳原子（为了便于理解，图1.3A采用了简单的平面分子表达式）。这种不对称空间结构的存在奠定了有机分子的一个基本性质：手性（Chirality）。以只含一个不对称碳原子的甘油醛为例，同一个分子存在着两种空间构象，如同镜子里和镜子外的物体那样，在结构上表现为镜像对称（图1.3B）；但由于是三维结构，这两种甘油醛分子不管怎样旋转都不会完全重合，就像左手和右手那样表现出手性，因此就被称为手性分子。有机化学对手性分子有不同的命名法，其中一种简单的叫D/L命名法，右手性用D表示，左手性用L表示；即置不对称碳原子在中心，—CHO位于上方，—CH ₂ OH位于下方，（+）—甘油醛的羟基在右边，称为D构型；其对映体（-）—甘油醛的羟基在左边，称为L构型（图1.3B）。

在有机化合物中，手性分子大多数都含有不对称的手性碳原子；反过来说，含有一个或一个以上手性碳原子的分子通常都是一个手性分子。同一个手性分子尽管化学分子式是一样的，但其两个对映异构体在物理和化学性质方面却会有一定的差别，广为人们所知的是旋光现象。法国著名科学家巴斯德（Pasteur L）在1848年分离出两种酒石酸（二羟基琥珀酸）的结晶，发现一种晶体能使平面偏振光向左旋转（用-来表示）；而另一种则能使平面偏振光向右旋转（用+来表示），二者偏转的角度相同。这种旋光性从此就成为手性分子的主要标志。

几乎所有的有机化合物都是手性分子。例如，在构成蛋白质的20种天然氨基酸中，除了结构最简单的、没有手性碳原子的甘氨酸是非手性分子，其他19种氨基酸全都是手性氨基酸（图1.4A）；而在构成遗传信息载体的脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）中，脱氧核糖和核糖也都同样是手性分子（图1.4B）。值得注意的是，这些手性分子在生物体内的构成是高度不对称的，人们不可能在蛋白质中找到D型氨基酸，或者在核酸分子中找到L型核糖。换句话说，生物体中手性分子具有高度的均一性，几乎所有氨基酸都是L构型，所有核糖都是D构型，其他类型的单糖也大多属于D型糖。

生物体中手性分子的偏好性引出了两个重要的问题：生物体的手性分子偏好性是如何形成的？自然界是否存在着由D型氨基酸和L型核糖组成的镜像生命？前一个问题涉及生命的起源、生物体内的化学反应机制等，现在还没有很明确的答案。一般认为，现存的生物体内的手性化合物合成通常从一开始就要利用特定手性分子，即生物分子自身催化出手性形式的偏好性；例如L型氨基酸所构成的酶在生物体内会优先选择L型氨基酸或其所构成的分子进行催化反应，而对其对映异构体则无此偏好性。过去实验室里合成的手性分子往往是对映异构体混合物；如果二者等量混合使得旋光性相互抵消就被称为“外消旋体”。不久前研究者使用了一种“不对称催化合成”方法来实现选择性的手性分子合成；该领域的手性催氢化反应研究和手性催氧化反应研究工作在2001年获得了诺贝尔化学奖。此外，人体对手性药物的反应也提示两个对映异构体具有不同的生物学效果。手性药物往往只有一种对映异构体有效，而另一种则无效；有时药物的另一半异构体不仅无效，而且还会产生严重的副作用。20世纪60年代的“反应停”事件就是一个惨痛的教训。反应停是当时开发的一种新药，主要用于治疗妊娠恶心和呕吐。人们很快就发现，服用了反应停的孕妇生出的婴儿很多四肢残缺。后来的研究发现，导致这些畸形儿的罪魁祸首是反应停中的左手性化合物；即药物公司生产的反应停实际上是由两种对映异构体组成的外消旋体，其中R构型的右手性化合物有镇静作用，但S构型的左手性化合物对胚胎却有很强的致畸作用。这一事件最终导致世界范围内诞生了12000余名畸形的“海豹婴儿”。

至于镜像生命是否存在的问题，法国科学家巴斯德早在1860年就已经提出来了。然而，一个多世纪过去了，人们并没有在自然界中找到过镜像生命。研究者于是把目光转向了实验室，希望用人工的方法合成镜像生命，即D型氨基酸构成的蛋白质，以及基于L型核糖的核酸分子。1992年，美国科学家首次报道了具有99个氨基酸长度的D型和L型HIV-1蛋白酶的化学全合成；他们的工作还表明，D型蛋白酶只切割D型异构体底物，而L型蛋白酶则只切割L型异构体底物 。2016年，中国科学家构建了非洲猪瘟病毒聚合酶的镜像分子，它可以合成含有44个核苷酸的L-DNA链，以及6个核苷酸长度的L-RNA 。2019年，德国科学家合成了由D型氨基酸构成的一种流感病毒DNA连接酶的镜像版本，为建立一个完整的遗传信息复制的镜像系统打下了基础 。此外，研究者正在尝试构建用于合成蛋白质的核糖体的镜像版本；这项工作一旦成功，研究者就基本实现了完整的镜像生物系统的人工合成。

从这些研究成果中可得出一个结论：蛋白质和核酸的镜像生物大分子不仅能够选择相应的对映异构体为底物，而且也能够正常工作并完成相同的化学反应。如果这个结论成立，就可以推导出这样一个假设：手性生物分子的对映异构体之间并没有什么自然选择的优势，地球上的生命对分子手性的偏好性是一个随机产物，正如美国物理学家费曼所推测的那样：“最早的几个分子采取这种方式而不是别的方式形成，完全是偶然的，必须采取这一种或者那一种方式，或左或右，然后它就复制自己，然后不断繁殖下去” 。

虽然地球上生物体内手性分子的选择可能是随机的，但是这种生物分子的手性偏好性却反映出更基本的物理现象——宇称对称的破坏（Parity Violation）。宇称不守恒定律是杨振宁教授与李政道教授在1956年共同提出的，即互为镜像的基本粒子在弱相互作用中的行为不对称。一位法国科学家通过理论分析提出：弱相互作用力的不守恒特点会导致手性分子的手征结构的能态（Energy State）不守恒，即一种手性分子的能态与它的镜像分子相比，存在一点微小的差别 。这种手性分子的宇称不对称现象不久前已经被首次观测到了 。也就是说，我们可以从生物分子的手性偏好性引申出一个基本的推论：生命作为自然界演化出来的产物，建立在最基本的物理定律——宇称不守恒定律之上。

欧洲原子能研究中心的研究人员在1996年末首次直接观测到，基本粒子的转换过程存在着时间不对称现象。由此可见，曾经被认为具有完美对称性的时间和空间，实际上存在着对称性的破缺。当代科学揭示，宇宙的演化正是源于时空的对称性破缺。这种对称性破缺使得世界向复杂而有序的方向演化，推动了众多新事物的产生与发展，并导致了各种物质或物体间出现形形色色的差异。可以这样说，生命的诞生与演化就是深深地植根于这种基本粒子的对称性破缺。微观世界的对称性破缺是生命有序性产生的基础，也是生命多样性形成的前提（图1.5）。