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诺贝尔化学奖揭晓!一个微小偏差,如何让分子“选边站”?|科技观察

市场资讯 10.07 20:45

(来源:封面新闻)

封面新闻记者 边雪

当地时间10月7日,瑞典皇家科学院宣布,将2026年诺贝尔化学奖授予法国科学家亨利·B·卡根(Henri B. Kagan)和日本科学家硤合宪三(Kenso Soai),以表彰他们“发现不对称有机合成中的非线性效应和自催化”。两位科学家将平分1200万瑞典克朗(约合 801 万元人民币)奖金。

“很多分子存在两种不同的版本。就像我的双手,它们互为镜像,看起来相似,却无法彼此完全重合。”2026年诺贝尔化学委员会主席海纳·林克在发布会上解释说,这类分子被称为“手性分子”,英文“chiral”一词就来自希腊语中“手”的含义。

问题也由此出现:如果化学反应可以产生一对“左右手”完全不同的分子,为什么生命却往往只选择其中一种?这也是今年诺贝尔化学奖所触及的核心问题。

一对“镜像分子”,为什么生命只选一个?

在化学世界里,有些分子的原子组成和连接方式完全相同,却存在两种互为镜像、无法完全重合的结构。这种性质被称为“手性”,两种镜像结构则称为对映体。

这并不只是一个抽象的几何问题。对于生命系统而言,分子的空间结构非常重要。诺贝尔委员会在今年的奖项解释中指出,氨基酸等分子可以以两种镜像形式存在,但生命体中的蛋白质却主要使用其中一种形式,这种现象被称为“同手性”(homochirality)。

这就形成了一个长期存在的科学谜题:如果在一般的化学反应中,两种镜像分子在原则上具有对等地位,那么生命最初为什么会“偏向”其中一个?

发布会现场,林克把今年的诺奖工作称为“基础化学”,因为它并不是简单寻找一种新的材料或新的化学用途,而是在追问一个更底层的问题:化学体系中的微小不对称,究竟能不能自己被放大?

长期以来,化学家尝试通过反应制造具有特定手性的分子,但如果没有特殊机制,反应往往会得到两种镜像分子的混合物。对于药物研发来说,这尤其重要,因为同一分子的两个镜像版本,在与人体中的其他分子相互作用时,可能产生不同的效果。

因此,化学家不仅希望“制造一个分子”,还希望能够控制它究竟采取哪一种空间结构。卡根和硤合宪三的工作,正是在这里改变了人们对不对称化学的认识。

从一个微小偏差,到明显的“单边倒”

卡根首先解决的是一个看似简单、实际上非常关键的问题:在不对称有机合成中,能不能把一个很小的手性差异进一步放大?

1986年,卡根发现了一种控制化学反应的新方法,使一种镜像分子的生成比例能够超过此前理论和实验上普遍认为的水平。诺贝尔委员会认为,这是理解“不对称放大”的一个关键步骤。

最值得关注的是“非线性”,如果一个反应是线性的,那么输入端的变化大致会对应输出端的成比例变化。但在一些不对称催化体系中,情况并非如此:催化体系中原本非常微小的手性差异,最终可能被明显放大。

这意味着,化学体系中的一个微小“偏心”,并不一定会被平均掉,它可能恰恰成为下一步变化的起点,而这为后来理解自然界中的手性选择提供了重要思路。

如果说卡根研究的是“如何把小差异放大”,那么硤合宪三进一步提出了一个更加令人惊讶的问题:如果反应产生的产物本身,又能反过来帮助产生更多同样的产物,会发生什么?

答案在于自催化。

当产物开始“帮助自己产生”

在普通化学反应中,催化剂可以加速反应,但自催化体系更加特殊,反应产生的物质本身可以参与促进后续反应。

如果这种机制又与手性联系起来,就可能出现一种具有反馈特征的化学过程:最初只有非常微弱的手性差异,但生成的手性产物又促进更多具有相同手性的产物生成,于是原本微小的差异被一轮又一轮地放大。

硤合宪三沿着这条路径继续推进。诺贝尔委员会介绍,1995年的一项研究为一种可能具有“同手性”的化学反应提供了重要线索;到了2003年,硤合宪三展示了一种反应,在其中最终只形成了两种可能镜像结构中的一种。按照诺贝尔委员会的说法,在此之前,除了生命本身之外,还没有人实现这样的化学结果。

这项工作后来成为著名的“硤合自催化反应”研究体系。在今年的诺贝尔化学奖发布会上,林克用了一个相当醒目的评价:“他们所开发的化学反应是惊人的。”他同时表示,卡根和硤合宪三的工作为一个存在了一个多世纪的化学谜题提供了答案:同手性如何能够自发出现。

这里的“自发”并不是说分子凭空产生了某种意识或者选择,而是说,在特定化学反应和反馈机制下,一个原本很小的手性不平衡,可以通过非线性效应和自催化过程被不断放大,最终使体系明显偏向一种手性。

从这个意义上说,今年的诺贝尔化学奖奖励的并不只是两个具体的化学反应,而是一种对于化学体系如何产生“不对称”的新认识。

这不仅是“左右手”的故事

今年诺贝尔化学奖之所以受到关注,还有一个现实原因:手性控制与现代药物研发密切相关。

在药物分子中,三维空间结构可能直接影响分子与人体靶点之间的相互作用。对于化学家而言,如果希望精准制造某一种具有特定空间结构的分子,就必须掌握不对称合成的方法。诺贝尔委员会明确指出,卡根和硤合宪三的发现已经成为设计药物制造反应的重要基础。

更有意思的是,它还触及了一个更加宏大的问题:生命为什么是“不对称”的?我们今天看到的生命世界,并不是完全左右对称的。蛋白质中的氨基酸具有特定的手性偏好,而糖类等重要生物分子也表现出手性选择。生命最终为何形成这样的“单边选择”,一直是科学界长期讨论的问题。

今年的诺贝尔化学奖并不能简单地说“破解了生命起源”,也不能理解为已经完整解释了生命为什么选择某一种手性,生命起源涉及化学、地质、生物学等多个层面的复杂过程。但卡根和硤合宪三的工作至少回答了其中一个关键的化学问题:一个最初非常微小的手性不平衡,确实可以通过非线性效应和自催化机制被放大,最终形成高度明显的手性偏向。

这让“生命为什么呈现单一手性”不再只是一个只能从结果倒推原因的问题。从1986年卡根发现不对称放大的重要现象,到硤合宪三后来建立能够实现高度手性选择的自催化反应,两项研究跨越了数十年,却最终在同一个问题上汇合:如何让化学从一个原本可能“左右各半”的体系,走向明显的“偏向一边”。

自然界中的巨大差异,有时并不是从一个巨大的变化开始,而可能始于一个微小得几乎可以忽略的偏差。今年的诺贝尔化学奖告诉人们,在合适的化学机制下,这样的微小偏差不仅不会消失,还可能被不断放大,最终改变整个体系的走向。

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