重印手性之謎-從左到右
手性的定義
現在是時候安全地討論手性了。
手性(= =慣用手)來自希臘語單詞◎?ρ(cheir)，指的是左手和右手的區別。手性和手性物質只有兩種:左旋和右旋有時，為了比較，可以加上另壹種無手性作為參照，稱為“中性手性”。左撇子用learus或l表示，右撇子用dexter或d表示，中性手性用m表示。
手性可以用對稱性來解釋。旋轉對稱(有時稱為輻射對稱，不準確)在植物中很常見，這意味著存在壹個旋轉對稱軸。比如東北的石竹、矮牽牛、黃瓜的花壹般旋轉對稱5次，每旋轉2 π/5 = 360/5 = 72，花就重疊壹次。再比如鳶尾屬植物往往有三個旋轉對稱。此外，還有平移對稱性、伸縮對稱性等等，但手性體現的對稱性與這些不同。左手和右手的單壹平移和旋轉不能使它們完全重合，需要鏡面操作才能使它們重合，所以手征對稱也叫鏡面反射對稱。簡單來說，鏡中之物與手中之物正好相反。正因為如此，鏡子不是展示物體的完美之選。不知道別人有沒有這樣的經歷。剛開始我習慣根據鏡子裏的影像操作工具，過了壹段時間才習慣。
我以前是學地質的，大學壹年級會學結晶學和礦物學，用的是武漢地質學院潘兆屯主編的教材。1984，礦物學專家曹先生在北大俄語樓給我們授課。通常是用三輪車從北京大學12樓(現已拆除)運壹車木頭模型。我們在課堂上講晶體對稱性的時候，反復擺弄大小模型。班裏學的晶體有47種，其中有5種單形(名字都挺專業的，比如三面多面體、四面多面體、六面多面體、五面四面體、五面八面體)都有“對應物”，也就是左右形狀都有。這裏不可能具體解釋。妳只需要知道，現代地質學從壹開始就接觸到了手性的概念。
在化學中，組成相同但空間結構互為鏡像的分子稱為手性分子。
手性分子的性質有時相似，有時差別很大，甚至對人有益。化學式為C17H20O的諾卡酮的兩種對映體的柚香相差750倍(根據宋的文章，見國外科技動態2001，11)。當然，這並不完全是由那種物質的結構決定的，因為在人類嗅覺中起作用的受體也是由手性分子組成的。壹些昆蟲激素也具有手性選擇性。有些手性激素只能吸引雄性，而它們的對應物只能吸引雌性。在藥物中，當藥物名稱相同但手性構型不同時，其性質也不同。例如，四唑的左旋形式是驅蟲藥，而右旋形式是抗抑郁藥；甲狀腺素鈉的左旋形式是甲狀腺激素，而右旋形式是降血脂藥等。(據袁可、戴立新《技術術語研究》2002年第2期)。備受爭議的沙利度胺作為壹種合成藥物，是兩種對映體的混合物。有人指出，壹個對口單位有治療作用，另壹個可能有害。所以後來的制藥行業和患者對藥物的分子手性非常敏感。
圖1:蝴蝶的四個翅膀(每邊兩個)左右對稱。蝴蝶落在新比利時紫菀的花瓣上。攝於北京。
手性可以描述的東西非常多，從星系旋臂、行星自轉、大氣氣旋到礦物晶體、有機分子、安培電流、弱相互作用宇稱不守恒等等。在植物學中，手性也是壹個重要的形態特征。對稱形態學(如楓葉和兜蘭，但不是絕對對稱，絕對對稱只能在數學中找到)和攀援纏繞植物的莖藤都涉及到利手。對於螺旋來說，兩個手性的名稱是相對的。原則上其中壹個可以任意定義，另壹個正好相反。事實上，歷史上人們給出了不同的定義。60年代《知識就是力量》翻譯的蘇聯文章中，右撇子的稱謂與現在流行的稱謂正好相反。定義沒有對錯，關鍵是要說清楚。
圖2:兜蘭兩邊的長花瓣是對稱的。註意主花瓣(主萼片)的兩側並不完全對稱。
圖3:卡特蘭左右對稱。註意嘴唇(舌頭)的上半部分並不完全對稱。
關於螺旋的手性，我們定義為:伸出壹只手，讓拇指指向螺旋的軸向(不考慮生長方向)，其他四指握拳，於是從手掌到四指指尖有壹個“向前”的方向。如果螺旋的前進方向(不求生長方向，要求與拇指方向壹致)與伸出的左手重合，那麽螺旋就是左撇子，如果與右手重合，就是右撇子。這很難說，但是妳看看圖形，馬上就明白了。這類似於電磁學中的安培定則，解釋了兩種情況:1)載流直導線的電流方向和感應磁場方向。讓右手大拇指指向電流方向，四指向前方向為磁場方向。2)載流螺線管中的電流方向和螺線管的感應磁場方向。讓右手四指指向從手掌到手指的電流方向，拇指指向感應磁場的北極。電磁學的右手定則(此時俗稱弗萊明定則)也被用來表示電場、磁場和運動方向的壹般關系。在閉合運動導線切割磁力線產生感應電流的情況下，伸出右手，使右手掌面向磁北極，拇指指向導線運動方向，然後四指指向感應電流方向。這些都是中學物理的內容，就在這裏復習壹下吧。
植物手性也可以這樣定義:在生長或運動的壹端，從縱軸看，如果螺旋是順時針的，就是左旋的；如果螺旋是逆時針的，它就是右旋的。這兩個定義是等價的，但是第二個定義遠沒有第壹個定義方便實用，容易混淆本身。左旋螺旋稱為左螺旋；右旋螺旋稱為右螺旋。在氣象學中，定義是壹樣的。在北半球，左旋氣旋可以在低壓區形成，右旋氣旋可以在高壓區形成。南半球正好相反。
對於我後腦勺的“旋轉”，它相對於我自己的身體向左旋轉。從頭頂上看，我的頭發是逆時針旋轉的。這個人的“旋”符合右撇子法則，應該算右撇子！
T.A.Cook在《生命的曲線》中使用的手性定義與我們的定義相當，但過於復雜，不敢恭維。《生命的曲線》幾乎整本書都在講旋轉和手性，用的就是這個約定俗成。
但正如庫克所說，“然而，在這裏我要對植物學家使用的壹些術語提出強烈反對。他們稱繩子的左旋螺旋為“右旋”，因為這根繩子是右撇子織的。那麽稱金銀花為‘左撇子’的理由是什麽？”事實上，我也發現壹些植物書籍中隱含的定義非常尷尬。我們贊同庫克的用法，金銀花是左撇子，也就是左撇子。
那麽植物界是如何定義手性的呢？陳榮道《植物的畫法》(中國林業出版社2002年第2版)中說:“從左向右纏繞的莖稱為左旋纏繞莖，如牽牛花、紫藤、旋花等。從右向左扭轉的叫右旋纏繞莖，如啤酒花、五味子等。”(第144頁)定義本身就不清楚。妳說的“從左到右”和“從右到左”是什麽意思？這就好比壹個大師在千裏之外發射前預測火箭會向左偏離15cm，這是沒有意義的，因為可以避免被證偽。如果妳在壹個方向向左看，妳可以在另壹個方向向右看。植物也壹樣，壹定要明確生長方向，左右的概念要明確，否則左就是右，右就是左。但是舉的例子幾乎很清楚，因為啤酒花和五味子的手性是壹樣的，按照我們的定義是左旋，按照他說的是右旋。根據所舉的例子，我們可以猜測他們的定義與數學科學和我們的定義正好相反。我們習慣稱牽牛花為右撇子，啤酒花為左撇子。詳見下文。“近似”之所以明確，是因為紫藤的手性比較復雜。從下面可以看出，紫藤植物既有左旋的，也有右旋的。
歐陽中燦和劉繼興合著的《從肥皂泡到液晶生物膜》(湖南教育出版社“科學家談物理”系列之壹，1994)可以證明利手在數學和物理領域的用法。“地球上發現的生物氨基酸分子大多是左旋的，所有的天然蛋白質都是由左旋氨基酸組成的。然而，由這些左旋分子組成的蛋白質和遺傳物質DNA大多具有右旋螺旋結構。有些生物，如螺旋細菌、螺旋向上的藤蔓和海螺，大多是右撇子。”(第127-128頁)書中還用圖形清晰地展示了左手和右手的含義。可以明確的說，這和我們的理解完全壹致。
在化學中，手性分子是通過它們的光學特性來識別的。不同手性的分子具有不同的旋光性。能使平面偏振光順時針旋轉的對映體稱為右旋，標記為(+)或d，反之稱為左旋，標記為(-)或l，當等量的對映體分子混合在壹起時，不再引起平面偏振光的旋轉，液體沒有旋光性，稱為外消旋，記為(+/-)或DL。
圖4:右利手定義示意圖。拇指指向軸向，其他四指表示從掌根到指尖的螺旋旋轉方向。從這個定義可以看出，當拇指倒置，再次握筆時，手性不變，對於這張圖來說，仍然是右撇子。對於植物來說，不需要確定植物莖的新舊方向(對於藤本植物來說，有時候真的很難確定哪端是新的，哪端是舊的)，無論拇指指向哪邊，確定的手性都是不變的。右邊是衛矛科的鞭毛南蛇藤，右撇子；中間是杠柳(蘿藦科)，右旋。不難看出柳條。北大圖書館南門前的鐵柵欄上有壹個。要看刺南蛇藤，最近拿下了北京的百望山。
1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA雙螺旋結構模型，他們構建了壹個右旋雙螺旋結構。當堿基排列呈現這種結構時，分子能量處於最低狀態。在沃森的《雙螺旋:發現DNA結構的故事》(科學出版社中文版1984)中，有很多DNA結構圖，都是右撇子。這個雙螺旋顯示了DNA分子的二級結構。那麽DNA的二級結構中只有右利手嗎？答案是否定的，雖然大部分DNA分子都是右旋的，比如A-DNA、B-DNA(最活躍的構象)、C-DNA，但是Rich in 1979提出了壹種局部左旋的Z-DNA結構。現在已經證明這種左手Z-DNA結構只是右手雙螺旋結構模型的補充。21世紀是信息時代或生活信息時代。僅在北京，就有很多DNA雙螺旋的建築雕塑，其中壹個巨大的雙螺旋模型矗立在北大後湖北大生命科學學院的壹個研究所前。很容易把它想象成DNA模型，但實際上是錯誤的，因為雕塑是左手的，整體是左手的。就算Z-DNA可以左撇子，也只能是局部的。所以雕塑整體是左手雙螺旋是不合適的，至少暗示了DNA的壹般結構是錯誤的。
圖5:北大後湖附近的左手雙螺旋雕塑。壹般來說，DNA的雙螺旋是右旋的，只有Z-DNA可以局部左旋。用這種左手模型來暗示壹般的DNA結構是不合適的。當然，藝術可以超越現實。
從天文學到地球科學，從化學到生物學，手性幾乎無處不在。2001諾貝爾化學獎授予分子手性催化的主要貢獻者。在1968中，W.S.Knowles用過渡金屬元素制成含手性配體的配合物，並以此為催化劑生產手性產物。後來，名古屋大學的野依良治開發了壹種更有效的催化劑。1980美國B.Sharpless發現了氧化反應的手性催化劑，極大地促進了手性藥物的化學合成。到2000年，全球手性藥物銷售額已達6543.8+023億美元，占藥物總銷售額的三分之壹。65438-0998全球最暢銷的500種藥物中，單壹對映體銷售的手性藥物占壹半以上。
2002年6月13日，英國《自然》雜誌發表了加拿大科學家L.Jesson和S.Barrett關於植物花柱手性的論文，指出兩個等位基因中有壹個控制花柱的左右，右邊占優勢。有人評價說，這部作品意義重大。