如果有一天，你照鏡子時發現鏡中的自己雖然與你一模一樣，卻遵循著完全不同的物理法則：做出相同的動作，得到的結果卻不盡相同; 看似完美對稱，實際表現卻截然不同。這樣的情節聽起來像科幻小說，但對某些分子而言，這正是真實存在的現象。以色列魏茲曼科學研究院（Weizmann Institute of Science）與耶路撒冷希伯來大學（Hebrew University of Jerusalem）的研究團隊最新發現，互為鏡像的手性分子（chiral molecules），竟然會讓電子感受到不同強度的磁場。這項刊登於《Science Advances》的研究，不僅挑戰了人們對手性分子的既有認知，也為「生命為何只選擇一種分子方向」這個困擾科學界超過150年的謎題，提供了新的解釋。

為什麼生命只偏愛其中一種分子手性？

手性分子最大的特色，在於它們具有兩種互為鏡像的形式，就像人的左手與右手，看起來十分相似，卻無法完全重疊。然而生命卻展現出令人費解的「偏心」。早在19世紀，科學家便發現，生物體中的蛋白質幾乎全部由左旋胺基酸組成，而構成DNA、RNA與多數醣類的分子則幾乎都是右旋。換句話說，生命在演化過程中，似乎只採用了其中一種鏡像形式。奇怪的是，根據化學與物理學的基本定律，兩種鏡像分子的能量完全相同，理論上不應該有誰比較有利的區別。究竟是什麼力量讓生命「偏愛」其中一種旋轉方向，一直是生命起源研究最重要的問題之一。如果能解開這個謎團，或許就能理解地球上第一批生物分子究竟是如何誕生。

破解謎團的關鍵，其實早在1999年就已出現。當時，魏茲曼科學研究院Ron Naaman教授團隊讓電流通過手性分子，意外發現兩種互為鏡像的分子，竟然會對電子產生不同程度的影響。

這種現象與電子本身的量子特性有關，電子除了帶有電荷，也具有類似一顆微小磁鐵的性質，具有南、北磁極，並帶有稱為自旋（spin）的量子特性，可決定電子的磁性方向。當電子穿越手性分子時，不是直線前進，而是沿著螺旋軌跡移動，因此會受到磁場影響。有趣的是，不同鏡像形式的手性分子，偏好通過不同自旋方向的電子：其中一種較容易加速某一種自旋方向的電子，而另一種則偏好完全相反的自旋。

然而這項發現仍無法回答最根本的問題：既然兩種分子只是偏好不同方向的電子，為何生命最後只選擇其中一種？後續研究陸續發現，兩種鏡像分子不只偏好不同自旋方向的電子，甚至連傳輸電子的效率也存在差異。起初不少研究人員懷疑這樣的差異只是實驗樣品受到污染所造成，但樣品純度極高，而且觀察到的差異遠超過污染所能解釋的程度，因此這項現象，一直沒有得到完整答案。

在最新研究中，Naaman教授與耶路撒冷希伯來大學Yossi Paltiel教授率領團隊，進一步分析具有手性結構的金、銀材料，以及多種生物手性分子，讓電流分別穿越它們的兩種鏡像形式。結果發現，電子在兩種鏡像材料中感受到的磁場強度竟然明顯不同。其中在手性金材料中，磁場強度差異甚至高達約30%。

研究團隊接著利用數學分析與電腦模擬，終於找到原因。

關鍵並不是磁場本身變強或變弱，而是電子真正感受到的磁場大小會因方向不同而改變。當磁場方向沒有完全對齊電子前進方向時，電子只能感受到部分磁場強度；而在兩種鏡像分子中，磁場排列方向恰好不同，因此電子實際接收到的磁場比例也不同，進而導致兩種鏡像分子展現出不同的物理與化學行為。

Paltiel教授表示，這項研究最大的突破，是發現兩種乍看完全相同的鏡像分子，其差異只有在電子開始移動時才會顯現。研究團隊指出，當分子靜止時，兩種鏡像形式幾乎沒有差別；但當電子沿著特定方向流動，並受到不同方向與強度的磁力作用時，兩者之間便會逐漸拉開差距，最終影響其化學反應與物理性質。這項研究的意義不僅限於化學與物理學，更可能為生命起源提供重要線索。

約三年前，美國哈佛大學（Harvard University）Dimitar Sasselov教授團隊提出一項引人注目的假說：地球上的生命，很可能誕生於遠古湖泊底部富含磁鐵礦（magnetite）的天然磁化表面。磁鐵礦是自然界磁性最強的礦物之一，研究團隊認為，正是這些帶有磁性的礦物表面，引導了生命最初的分子選擇。

當一個手性分子接近具有磁性的礦物表面時，分子內部的電子便開始移動，而具有相同磁性方向的電子會聚集到分子的其中一端。此時若電子的磁性方向與礦物表面的磁極相反，分子便會受到吸引；反之，若兩者磁極方向相同，則會彼此排斥。換句話說，如果礦物表面始終呈現固定的磁極，而兩種互為鏡像的手性分子又分別具有不同的磁性方向，那麼其中只有一種分子會被吸附到礦物表面，逐漸累積並形成穩定的晶體結構。依照哈佛團隊提出的理論，這樣的過程很可能發生在一種名為RAO的原始分子上，而這種分子後來進一步演化，最終形成了RNA。

這項假說一直存在一個難以解釋的問題。魏茲曼科學研究院Ron Naaman教授指出，如果磁性礦物真的能選擇特定的鏡像分子，那麼其中一種手性分子確實有可能逐漸占據優勢。但現實中的磁性礦物並非整塊都只有單一磁極，而是由許多磁區（magnetic domains）組成，同一塊礦物表面同時存在北極與南極方向。照理來說，兩種鏡像分子都應該有機會被吸附，而不應只留下其中一種。這也是生命起源理論長久以來的一項重大疑問。

最新研究正好補上了這塊缺失。

研究團隊發現，即使面對同時具有南、北磁區的礦物表面，兩種鏡像分子仍然會表現出不同的電子傳輸能力。其中一種鏡像分子能更有效率地將特定自旋方向的電子傳遞到分子邊緣，因此更容易與磁性礦物形成穩定的吸附狀態；另一種則相對較弱。更重要的是，研究人員還發現，當生物手性分子接觸金屬表面時，兩種鏡像形式之間原本存在的磁性差異還會被進一步放大，甚至足以只讓其中一種手性分子穩定累積，而另一種則難以保留下來。這項發現，為哈佛團隊提出的生命起源理論提供了重要的物理機制證據。

研究指出，在生命演化早期，原始分子RAO很可能是右旋（right-handed）形式較容易被磁性礦物保留下來，因此逐漸成為自然界的主流。後來所有RNA皆由這種右旋分子演化而來。而蛋白質的合成過程是依據RNA進行，並會保留原有的手性關係，因此當RNA全部採用右旋形式時，最後形成的蛋白質便自然全部採用左旋胺基酸。這也解釋了生命為何會出現今日所見的「右旋核酸、左旋蛋白質」這種高度一致的特徵。

研究團隊認為，這項成果不僅有助於解開困擾科學界超過150年的「生命為何只選擇單一手性」之謎，也為生命起源提供了新的證據。如果早期地球的磁性礦物表面確實能夠持續偏好其中一種手性分子，那麼生命的「左右之分」便可能不是偶然，而是受到電子、磁場與材料特性的共同影響，在漫長演化過程中逐步形成。換句話說，生命最初的選擇，或許早已在數十億年前古代湖泊底部的一塊磁鐵礦上悄然決定。

Naaman教授指出，在許多生物反應中，分子的鏡像形式往往決定其功能是否正確。若工業製程使用了錯誤的手性分子，最好的情況只是效果不佳；最糟的情況，則可能對人體健康或環境造成危害。研究團隊認為，未來可望利用磁性材料表面精準控制手性分子的結晶過程，只讓所需的鏡像形式被保留下來，大幅提升製造精準度。若這項技術成熟，未來有望應用於藥物、肥料與農藥等產品製造，不僅提高產品效果，也能降低副作用與環境風險，為精準化學與綠色製造開啟新的發展方向。

資料來源：

https://wis-wander.weizmann.ac.il/chemistry/glimpse-origins-life-through-deceptive-mirror