得诺奖的分子手性研究是怎么回事？
对分子手性的研究获得了今年诺贝尔化学奖。然后我就看到满屏都在讲手性。那些文章有的一看就是用AI写的，发的人其实自己也不太懂。这次获奖的内容属于有机化学，但是也跟生物化学有关系。我就来讲一讲今年诺贝尔化学奖究竟是什么内容。
首先说一下什么是手性。手性当然跟手有关。大家看右手和左手，看上去是很像的。但是你没法把左手和右手重叠在一起，一个最明显的区别，大拇指的方向是不一样的。这就是为什么右手戴不了左手的手套，左手也戴不了右手的手套。但是为什么左手和右手看上去很像呢？那是因为它们具有镜像对称性。将右手照镜子，镜子里的右手就可以跟左手重叠了。用化学术语来说，左手和右手构成了对映异构体。
为什么会有这个化学术语呢？那是因为很多化学分子也存在着手性。这是法国伟大的科学家巴斯德发现的。巴斯德在很多科学领域都有重大的发现，包括生物学、医学、化学、食品工艺等等。那个时代没有诺贝尔奖，否则巴斯德拿诺贝尔奖可以拿得手软。巴斯德在化学上的最重大的发现，就是发现了分子有手性。
他是通过研究酒石酸发现的。酒石酸是葡萄发酵酿酒时产生的一种酸。在巴斯德之前，已经有法国科学家研究过酒石酸，发现用偏振光照射酒石酸的溶液，光线会往右旋。酒石酸可以通过化学反应来合成。但是，化学合成的酒石酸，如果用偏振光来照，光线就没有发生旋转。
为什么生物来源的酒石酸和化学来源的酒石酸有不同的旋光性呢？它们的化学性质、其他物理性质都是一样的。巴斯德对这个问题很感兴趣。他将化学合成的酒石酸结晶变成了晶体，在显微镜下看，发现有两种晶体，是互为镜像对称的。他将这两种酒石酸的晶体分开，做成了溶液，用偏振光分别照它们，发现有一种光线是往右旋的，有一种光线是往左旋的。由于化学合成的酒石酸，右旋的和左旋的对映异构体含量是相等的，混在一起用偏振光去照，旋转方向互相抵消，被消旋了。但是生物合成的酒石酸，只有右旋的酒石酸，光线才表现出转动。
巴斯德的这个发现很重要，它表明：第一，化学分子是会表现出手性的，有左旋的和右旋的之分。第二，生物产生的化学分子对手性有偏好，只产生一种手性的分子，叫做手性同质性。不只是酒石酸是这样的，很多生物分子也是这样。最明显的是氨基酸，生物产生的氨基酸基本上都是左旋的（个别有右旋的，我们忽略不计了），但是如果是化学合成的氨基酸，那么就同时产生左旋的和右旋的氨基酸，量是一样的。还有，DNA上面有糖分子，都是右旋的。
为什么生物产生的对映异构体通常只有一种呢？这是怎么来的？从生物化学的角度来说，这很容易解释。那是因为在生物体内合成这些化学分子的时候，用到了酶作为催化剂。酶跟底物结合的地方形状比较特殊。如果偏好的是右手构型的底物，那么只有它能结合上去，左手构型的就结合不上去了。
但是这还是没有解释这种偏好是怎么来的，就是说，怎么进化来的？生物是进化而来的。生物并不是一开始就存在的，先经历过了化学进化，生命起源了，才有生物进化。生命分子先于生命出现，它的手性同质性是怎么通过化学进化出现的？普通的化学反应不会产生手性同质性，这种手性同质性是通过什么化学反应产生的？
不仅生物学家对这个问题感兴趣，化学家也对这个问题感兴趣。比如说，合成的药物两种手性都有，但是药物是要给人吃的，人体只能利用其中的一种异构体，例如只能利用右旋的异构体，左旋的异构体人体利用不了，就浪费了。有时候人体利用不了的那种异构体还会对人体造成伤害。其中最著名的是上个世纪六十年代的“反应停”事件，一种异构体是能够抑制孕期反应的药物，但是另一种异构体会导致胎儿畸形。所以化学家，特别是制药的化学家，就希望能够用什么办法，让化学合成的药物会偏向某一种手性构型。这叫做非对称反应。
这个问题其实很早就解决了。在一百多年前，在上个世纪初，德国化学家已经发现，可以通过手性催化剂来增加最后的产物当中某一种手性构型的含量。比如说，用一种金属结合上右手构型的化合物作为催化剂，产物中右手构型的化合物含量就会比左手构型的多。但是这是一开始就要加入某种构型的化合物作为催化剂，是人工已经选择过了，催化剂一开始就有手性差异了，还是没法解释生物手性同质性的来源。
1953年，英国理论物理学家查尔斯·弗兰克从他的同事那里听说化学家们搞不明白生物的手性同质性是怎么来的。他就研究了这个问题，提出手性同质性要产生，需要满足三个条件。除了要有手性催化剂导致不对称反应之外，还需要两个条件。首先，要有自我催化，一种催化剂催化产生的产物也有这种催化剂。这在有机化学反应中并不罕见。一个最简单的例子，乙酸可以催化乙酸乙酯的水解，产生的产物是乙酸和乙醇，乙酸又回头作为催化剂，继续水解乙酸乙酯。这样催化剂就越来越多了，反应就被放大了。
但是光有手性催化剂能自我催化还不行，因为手性催化剂只是让产物当中某一种构型的手性偏多，另一种构型的产物还是会产生的。这样，每一次反应的结果就会导致你想要的那种构型的产物被稀释了，占的比例会越来越少，而另一种构型的比例会越来越高。所以还需要满足另一个条件，需要有相互抑制性，就是反应的结果会导致我们不想要的那种构型的产物越来越少，将它的产生给抑制住了，而我们想要的那种构型的产物比例越来越高。这叫非线性。
我刚才说了，由手性催化剂产生不对称反应，很早以前就已经发现了。一开始某种构型占的比例没有多出多少，后来化学家们继续去研究这个问题，某种构型占的比例越来越高，甚至已经高到了百分之九十几了。关于这个非对称反应的问题的研究已经在2001年和2021年得过两次诺贝尔奖了。
这次获得诺贝尔奖的法国化学家亨利·卡根本来应该在2001年就已经得奖，但是那次三个名额都用完了，没有给卡根。当时还引起了法国政府的抗议。这一次总算把奖给他了，幸好他非常长寿，已经95岁了还健在，才还有获奖的机会。卡根这次为什么能够获奖？就是因为他解决了弗兰克提出的三个条件当中的一个关键的条件：产生非线性效应。
我前面说了，要产生非对称反应，需要用到手性催化剂。以前人们想到的是，手性催化剂中如果某种构型的化合物越纯，最终产生某种构型的化合物比例也就越高。你想要的构型要非常纯，纯度达到百分之九十几，那么手性催化剂的纯度也要达到百分之九十几。这是一般人的想法，这就叫线性效应。
但是，卡根认为这是不需要的，在手性催化剂当中，某种手性构型占的比不一定要非常纯。以前的设想是，一个金属原子跟一个手性分子结合，变成一个手性催化剂，是一对一的关系。但是卡根认为不是一对一的关系。一个金属原子往往是同时跟几个分子结合，至少是跟两个分子结合。我们就以一个金属原子跟两个分子结合为例。结合的分子有两种手性构型，一个右旋的，一个左旋的。两个结合的点，有可能结合的都是右旋的，也可能结合的都是左旋的，也有可能一个结合的是左旋的，一个结合的是右旋的，总共三种可能性。
假如我们想要得到的是右旋的化合物。在做催化剂的时候，就让右旋的要比左旋的多。比如说是三比一的关系，75%右旋，25%左旋。结合上去以后，用很简单的排列组合一算，就可以知道大约56%结合的两个分子都是右旋的，38%结合的一个是右旋的，一个是左旋的，还有6%的可能性结合的两个分子都是左旋的。
两个分子都是右旋的，产生的是右旋的产物。两个分子都是左旋的，产生的是左旋的产物。而一个分子是右旋的，一个分子是左旋的，起不到催化剂的作用，所以它可以排除掉。我们只需要考虑56%两个都是右旋的，和6%两个都是左旋的情况，比例就变成了大约是十比一了。本来是三比一的，变成了十比一，这不就被放大了吗？这就叫做非线性。
所以弗兰克提出的三个条件当中，已经满足了两条了。剩下的最后的一条是自我催化。需要找到一种手性催化剂，它既有非线性的效应，也能够自我催化。这就是今年获奖的日本化学家硖合宪三发现的。
他一开始加入的那种制造催化剂的分子，是看不出有手性的，因为一半是左旋的，一半是右旋的，混在一起没有手性，化学术语叫做外消旋。跟金属结合，产生的催化剂就有一半是左旋的催化剂，一半是右旋的催化剂。如果是严格地各占百分之五十，那么就没有用了。实际在制备的时候会有一点点的波动，比如说右旋的要比左旋的多出百万分之零点五这么一点点。但是由于非线性的效应，又具有自我催化的效应，这种稍微偏多的手性催化剂会越来越多，就会导致最终右旋的产物的量会变得非常多。
第一轮的反应，要加入底物、反应物、催化剂，等到底物和反应物都用完了，这一轮的反应结束了，测的结果，右旋的产物占了百分之五十七，而一开始只是多出了百万分之零点五。由于底物和反应物用完了，就再加入底物和反应物进去，不需要再加催化剂，继续反应。第二轮结束之后，右旋的产物占了百分之九十九了。再来一轮反应，右旋的产物就变成了占百分之九十九点九，几乎是百分之百了。所以一开始是没有手性的，是外消旋的，但是反应的结果变成了几乎是手性同质的，只有一种手性了。
这可以解释生物的手性同质是怎么起源的。是不是因此这个问题就解决了？不是，因为这只是生物手性同质性起源的一种可能途径，还有别的途径也可以导致手性同质性，有的途径甚至不需要通过化学反应，通过物理过程也可以产生。这是圣地亚哥Scripps研究所的女研究员丹娜·布莱克蒙德发现。生物分子不需要通过化学反应，只让它结晶、溶解、结晶、溶解……不停地结晶、溶解。摸索好条件之后，最后出现只有一种手性。比如说氨基酸，一开始是两种构型的都有，经过了不停地结晶、溶解，最后会出现只有左旋构型的氨基酸。
布莱克蒙德对生物手性同质性的来源研究得比较透彻，这可能是生物手性同质性来源的另外一个途径，甚至有可能是更可能的一个途径。所以，这次化学奖还有一个名额本来应该给布莱克蒙德，为什么没给？一个原因可能是要给有机合成的研究，但是实际上布莱克蒙德也做有机合成的研究，研究了硖合反应的机理，这方面的研究她也应该得奖。还有一个原因，就是对女性的歧视。这次获得自然科学诺贝尔奖的，就没有一个女的。
2026.10.7.录制
2026.10.16.整理