,从DNA螺旋结构（左）、组成蛋白质的氨基酸（中）到RNA与DNA中的D型核糖（右）无不显示出明显的手性偏好 | 图源：pixabay、wikipedia,由此引发了关于同手性的要紧问题：为何生命偏好某一手性呢？,不同科学家试图从不同角度回答这个问题，生物化学、细胞生物学、演化生物学等等……但近期，一支由旧金山Chan Zuckerberg生物中心（Chan Zuckerberg Biohub）的生物物理学家Greg Huber（中文名：胡伯光）教授领导的团队给出了一个很有趣的解题思路：借用古埃及狮身人面“神兽”的形象，打造“狮身人面学说”，尝试讲解生物体有限空间内的手性偏好之谜，研究论文发表在《物理评论研究》（PRR）上[1]（下图）。,
,狮身人面学说的缘起,，胡教授在旧金山组建了我们的生物物理理论课题小组，引入理论物理学工具，创建复杂的生物过程模型以展开研究。但具体的研究对象诞生得更早些，早在胡教授在加利福尼亚大学圣芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所（KITP）担任副主任的时候，他注意到了狮身人面几何图像的手性特点。尽管长久以来不为学界所关注，但他相信假如将这一古老几何形象用于密铺问题，兴许能揭示生物学中的手性偏好问题。,
,真实的狮身人面雕像与狮身人面几何图形 | 图源：danielharper.org,事实上，几何学与生物学之间的联系自上世纪中叶就被科学家所发现，特别在病毒学范围。1956年，剑桥大学的James Watson和Francis Crick（后因打造DNA双螺旋结构模型而成为1962年的诺贝尔奖得主）就预言了[2]等面体病毒颗粒应该有相同的亚基，以立方体对称的方法排列而成。到了60年代，病毒衣壳被结构生物学家Donald Caspar和生物物理学家Aaron Klug使用几何框架对病毒进行分类[3]，他们的想法来自著名建筑师R.Buckminster Fuller设计的测地线圆顶，并在两个人写作《常规病毒构建中的物理学原理》（Physical principles in the construction of regular viruses）[4]的一文中描述了病毒衣壳被中蛋白质分子排列的美妙物理几何学理论。,有志于将几何学与手性问题相结合，Huber和自己在密歇根大学（University of Michigan）的好友Robert Ziff教授讨论的这一想法，Ziff随后拉来了同事Craig Knecht和Walter Trump，这两位也对狮身人面课题研究兴趣浓厚。,
,Gregory Huber,四人一拍即合，课题小组随即成立。从底开始，团队开始从狮身人面二维图像密铺入手，步步深入探讨手性问题。虽然全球新冠肺炎疫情也影响了团队，研究脚步曾一度放缓，但功夫不负有心人。经过近5年多的潜心钻研，Huber团队的“狮身人面学说”终得发表。,千变万化的狮身人面密铺,具体来讲，团队从最基本的三角形几何图像开始，用6块等边三角形拼出最小的狮身人面二维图像（见下图），也成为1阶狮身人面像，表现出固有手性：头部向左即左手性（L-狮身人面像），头部向右便是右手性（R-狮身人面像）。,
,左手性 | 图源：参考文献[1],下面，四块1阶狮身人面像可以密铺成一个2阶狮身人面像，九块1阶狮身人面像可以密铺成一个3阶狮身人面像。以此类推，n阶狮身人面像由n x n个1阶狮身人面像密铺而成。,
,上图左上角为1阶狮身人面像，左下角为2阶狮身人面像，中间和右侧为四个3阶狮身人面像。| 图源：参考文献[1],因为1阶狮身人面像为不对称形状，那样若干1阶狮身人面像密铺便可能存在多种组合方法，比如仅两块1阶狮身人面像便可以通过46或47种不同方法成对，而简单的对称形状如正方形只能以一种方法组合。而更高阶的狮身人面像，如上图所示，3阶狮身人面像密铺就拥有4种不一样的组合方法。,而伴随密铺过程中1阶狮身人面像数目的增加，可能的组合方法也相应地呈指数增长：5阶狮身人面像有153种不同组合方法而形成，6阶是狮身人面像有近7.2万种组合方法，13阶狮身人面像内的组合方法更是达到惊人的10^30种，呈指数级方法增长。,
,5阶狮身人面像的153种拼贴组合方法 | 图源：参考文献[1],除去密铺出更高阶的狮身人面像以外，1阶狮身人面像也能以各种组合方法密铺出其他对称或不对称的多边形。基于如此的多边形（包含狮身人面像在内），研究职员开发出一套蒙特卡罗计算办法，通过给定的密铺图形生成给新的密铺图形，进而便捷从愈加庞大、愈加复杂的图形入手，结合手性能量和图形框架来探索其手性特点。,大千世界的手性偏好,回顾科学史，神秘的同手性问题有关研究断断续续超越100年了，最早可以追溯回1848年，法国化学家Louis Pasteur通过离别酒石酸盐镜像晶体，初次提出分子手性的定义。有趣的是，英国牛津大学习数学讲师Lewis Carroll在我们的《爱丽丝梦游仙境》（1865）和《爱丽丝镜中奇遇记》（1871）两本书中也透过镜子描述了神秘的手性现象。进入20世纪初，英国数学习物理学家Baron Kelvin男爵正式创造出“手性”这一术语[5]。不过直到50年代，特别在1953年这一生命起源有关可行性研究报告大丰收年份，英国布里斯托大学（University of Bristol）H.H.Wills物理实验室的F.C.Frank才提出了同手性演化的数学模型[6]，这一理论研究吸引了后面好几代化学家，并在40多年后才获得了实验验证[7]。,同样在50年代，同手性问题在物理学范围获得了重大突破。1956年，理论物理学家李政道和杨振宁提出了弱相互用途下是不是同手性的问题，即怀疑弱用途下宇称是不是守恒。随后，李政道联系了β衰变方面的专家、实验物理学家吴健雄，他们讨论了不少可能的实验验证策略。据吴健雄后来的回忆录讲述，她觉得虽然这是一个挑战，但也是“黄金机会”，她提出了用60Co来检验β衰变下宇称是不是守恒的实验[8]，并与美国国家标准局低温研究组合作[9]，最后证明了弱相互用途中的宇称不守恒（李政道和杨振宁后来凭此获得1957年的诺贝尔物理学奖，虽然吴健雄与诺贝尔奖擦身而过，但1978年她获得了首届沃尔夫物理学奖）。,一个多世纪以来，从微观粒子到生物分子，同手性问题一直吸引着各范围的科学家前来挑战。在同意《返朴》采访时，Huber教授说，他一直觉得宇宙不应该偏爱一种手性，伴随尺度的扩大，手性偏好渐渐显现出来，手性可能很神秘。,Huber的团队在仔细研究了狮身人面像千变万化的密铺方法之后，下一步就是将它与手性特点关联起来。为了更直观的呈现密铺图形内局部地区的手性分布状况，团队将L-狮身人面像设定为蓝色，R-狮身人面像设定为红色，以7阶狮身人面像为例，将所大概密铺方法重叠起来，意料之外发现图形边界形状与左（或右）手性偏好有关：,
,图源丨参考文献[1],如上图所示，7阶狮身人面像中，边角处不同地区明显偏蓝或者偏红，而且这一规律也能在狮身人面像密铺形成的对称图形中看到，如下图所示的12阶钻石图形。,
,图源丨参考文献[1],随后，研究职员引入手性相互用途能量（interaction energy），模拟了高能量与低能量，像高温与低温条件下手性狮身人面像的相互用途状况，当两块相同手性的1阶狮身人面像拼贴在一块，便视作低相互用途能量，而当两块手性相对的狮身人面像拼贴在一块，则视为高相互用途能量。研究职员因此假设，考虑到上述图形边界对手性偏好的影响，处于更低温度下的系统（n阶狮身人面像）会表现出唯一手性相态或者某一手性占据大多数图像的相态。,通过蒙特卡洛算法，以23阶L-狮身人面像为例（见下图），发目前高温条件下，相同手性的1阶狮身人面像几乎没办法相互用途，左右手性杂乱贴合，相互用途能量越高，最后越容易形成左右手性混乱分布的图像（右侧的狮身人面像）。而伴随温度的减少，更多1阶L-狮身人面像相互贴合，占据了图像中大多数的地方，相互用途变得更为有序，相互用途能量也偏低，使得更多相同的手性拼贴在一块，形成以左手性为主要手性偏好的最后图像（左侧的狮身人面像）。,
,图源丨参考文献[1],而且研究职员预计，伴随系统尺寸的变大，手性可能发生急剧变化，这也是团队将来的研究课题。毕竟，该研究提供了一个简化的基本手性模型，表明混乱中能产生秩序，一样的手性分子更会被与自己一样的分子所吸引。在这个意义上，Huber教授团队提出的狮身人面几何模型为解决手性之谜提供了一个出发点。,Huber还对《返朴》透露，我们的团队除去在《物理评论研究》上发表的论文结果以外，还有很多打造在狮身人面学说基础上的其他发现，不过尚未正式发表。比如，狮身人面密铺的热动力学，密铺边界波动时发生的现象等等，伴随将来更多成就的发表，狮身人面学说的内容将更加丰富，从中发现任何规律都能够帮助推进很多科学范围的进展，比如病毒衣壳的结构，或者磁性怎么样引发链式反应，最后都大概解开生命分子同手性谜题。,今年十月，Huber团队“移师”加利福尼亚大学旧金山分校（University of California San Francisco ），“狮身人面像”在21世纪的科学范围延续我们的传闻……,感谢Greg Huber教授对本篇文章尽心竭力的指导和修改建议。,
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