百年科学难题破解 生命分子镜像谜题终于有了答案

北京时间10月7日17时45分左右，瑞典皇家科学院宣布，2026年诺贝尔化学奖授予法国科学家亨利·卡根与日本科学家硖合宪三，以表彰他们在不对称有机合成中揭示非线性效应与自催化现象，从而破解了“同手性如何自发产生”这一延续百年的科学难题。华中科技大学化学与化工学院钟芳锐教授就此进行了详细解读。

钟芳锐用日常经验来类比“手性”：把双手掌心相对，左右手看似相似，却始终无法完全重合。化学世界中也有这类分子——组成一致，却如左右手般互为镜像、不能重叠，分别被称为“左手型”和“右手型”。生命对这两种镜像分子的选择近乎固执：蛋白质中的氨基酸几乎都是“左手型”，而DNA和RNA中的糖则全为“右手型”。生命体只采用单一镜像分子的现象，被称为“同手性”。但在实验室里，常规方法合成这类分子时，往往得到左右各半的混合物。这个矛盾困扰了科学界一百多年：既然化学反应不偏不倚地产生两种镜像分子，生命为何偏偏只选其中一种？

卡根的突破在于发现了“非线性效应”。过去化学家普遍认为，催化剂的手性纯度是80%，产物的手性纯度也大致相当。然而卡根在1986年发现，在某些催化体系中，即便催化剂本身手性纯度很低，产物的手性纯度仍可能远高于催化剂。微小的镜像偏差被“放大”了，这就是非线性效应。它颠覆了化学界的线性思维：原来并不需要极高纯度的催化剂，反应本身就能起到“纠偏”作用。

硖合宪三则实现了“自催化”反应。这个过程类似滚雪球：一个手性产物分子生成后，会充当催化剂，推动合成更多与自身手性相同的分子，如此循环，手性纯度持续放大。即使初始时只有极其微弱、几乎检测不到的手性偏向，经过多轮自催化，最终也能生成纯度超过99.5%的单一手性分子。诺贝尔奖委员会称这一反应为“最壮观的化学实验之一”。两人构成接力关系：卡根发现了放大镜的原理，硖合宪三则造出了真正能放大的机器。两人的工作合在一起，才拼出了从理论解释到实验验证的完整图景。

这一发现为理解“生命从无到有”提供了线索。地球生命大约诞生于40亿年前，那时原始海洋中的有机分子左右各半，毫无“偏爱”。可今天的生命却完全使用单一手性分子。这一转变如何发生？卡根与硖合宪三的工作给出一种可能：无需外部力量选择，化学反应自身就能完成任务。在早期地球的某个“化学汤”中，或许偶然出现了一点手性偏差，随后通过自催化反应不断放大，最终整个体系变为单一手性。这一机制甚至不需要生命存在，纯化学反应即可完成，从而为生命起源提供了化学基础。不过，生物同手性的真正来源仍是谜团——机制已被证明，路径尚未坐实。

这项研究最直接的应用在制药领域。最著名的案例是沙利度胺药物悲剧。上世纪60年代，该药以“左右混合”形式上市，结果R构型有镇静作用，S构型却有强致畸性，导致上万名畸形婴儿出生。这场灾难让制药行业意识到，必须只生产有效的那一种镜像分子。卡根的非线性效应理论告诉化学家，不必追求极致纯度的催化剂，设计合适的催化体系就能实现手性放大，这大幅降低了生产成本与工艺难度。胃药埃索美拉唑便是一例。卡根1984年改良了夏普莱斯的不对称氧化法，将硫醚选择性氧化成单一手性的亚砜。然而，自催化反应目前并非普适的手性合成方法，其底物范围极窄、对杂质极端敏感、放大生产存在工程难题以及产物具有随机性，都构成其走向广泛工业应用的巨大障碍。自催化目前更像一个用于验证理论、探索生命起源的精巧模型，而非通用工业合成工具。

除制药外，这项发现还可能影响农药、香料、新材料等领域。农药方面，不少杀虫剂只有一种对映体有效，另一半白白进入土壤和水体。香料方面，手性直接决定气味——柠檬烯左旋是柠檬味，右旋是橙子味。新材料方面，手性液晶早已用于显示，手性共价有机框架正被制成手性分离膜。未来五到十年，普通人可能看到以下变化：药更便宜、副作用更少；农药用量下降带来环境与食品安全收益；显示、防伪等终端产品中出现手性材料。

卡根曾在2001年与诺奖擦肩而过。当年诺贝尔化学奖授予诺尔斯、夏普莱斯和野依良治，表彰他们在“手性催化氢化反应”领域的贡献。但消息传到法国，学界哗然——被视为该领域“之父”的卡根不在获奖名单上。卡根被漏掉的直接原因之一，是诺贝尔奖有一条不成文铁律：同一奖项最多授予三人。2001年已有三位获奖者。这反映了诺贝尔奖评选的结构性特点：它奖励的是“领域”而非“个人”。当一个领域成熟到可获奖时，委员会必须在众多贡献者中选出不超过三人。谁最重要、谁最先发现、谁贡献最大，往往没有绝对客观的标准。

25年后，95岁的卡根终于等来了这枚奖牌。与其说这是“纠正错误”，不如说诺贝尔奖委员会找到了一个新角度。这次表彰的不再是2001年的“手性催化氢化反应”，而是1986年的“非线性效应”和硖合宪三的“自催化”。两个发现合在一起，回答的是一个全新问题：同手性如何自发产生。硖合宪三的研究历程也是一个关于“耐心”的故事。1953年，化学家弗兰克从理论上预言可能存在一种反应，产物能催化自身生成，从而把手性偏差不断放大。但从理论到实验，整整等了40多年。1995年，硖合宪三终于设计出具有自催化潜力的反应，又过了8年，到2003年，他才成功展示了一个初始手性偏差几乎为零、最终产物纯度超过99.5%的反应。卡根的等待更长：1986年发现非线性效应，到2026年获奖，整整40年。诺贝尔奖的评选逻辑本身就倾向于“等”，颁奖原则的核心是保证获奖成就经得起时间考验。今天的年轻科研人员面临压力，三五年内需产出可量化成果。但卡根和硖合宪三的故事提醒我们，有些问题值得用十年、二十年去回答。