2041-8205/895/1/L11生物分子选择了两个结构上的手性体系中的一个，这两个体系通过镜面反射联系在一起。有人提出，这一选择是由宇宙射线做出的，宇宙射线已知在诱变过程中起着重要作用。研究表明，今天在地面上占主导地位的磁极化宇宙射线可以在它们诱导简单的手性单体结构变化的速度上施加微小但持久的手性偏差，而简单的手性单体是生物聚合物的基石。螺旋生物聚合物应该有更大的影响，特别是那些可能是核糖核酸和脱氧核糖核酸前体的聚合物。结果表明，相互作用既可以是静电的，只涉及分子电场的，也可以是电磁的，也可以是磁场的。有人争辩说，这种偏见可能会导致在进化时间尺度上出现单一的手性生命形式。如果这一机制占主导地位，那么生命系统的惯用手应该是普遍的。建议进行实验以评估此过程的有效性。
有生命的有机体由用特定的惯用手组织起来的分子系统组成。手性-或手性-按照开尔文的原始定义，是一个物体的几何属性，不能叠加在它的镜像上(开尔文1894)。在化学上，同一手性分子的镜像称为对映体。4两者具有相同的化学特性。
核糖核酸和脱氧核糖核酸(RNA和DNA)负责遗传信息的复制和存储，由具有相同手性的构建块组成的线性序列组成，称为核苷酸，其排列既不是周期性的也不是随机的，包含维持生命所需的遗传信息(Schrödinger 1944；Shannon 1948；Watson&Amp；Crick 1953；Shinitzky等人)。(2007年)。核苷酸的手性赋予了核酸螺旋结构。核酸是非常大的分子，手性单元之间的扭转角有系统地变化，如Ramachandran图(Keting等人)所示。(2011)，这表明即使是柔性生物聚合物也保持手性。因为RNA和DNA是由D-糖组成的(按照人类惯例，右旋)，更稳定的构象是右旋螺旋(见图1)。糖的同源性对螺旋的稳定性有重要影响，因此对遗传密码的保真度或误差控制也有重要影响。所有20个编码的氨基酸都是左撇子(同样是按照人类惯例)。有时，同一分子的两个对映体被活的有机体使用，但数量不同，它们执行不同的任务。
虽然到目前为止观察到的基于DNA/RNA的生命显然选择了一种功能性手性，我们称之为生活，但另一种选择，我们称之为邪恶，可能已经沿着一条独立的、同步的道路发展起来，做出了类似的进化选择，以应对共同环境的变化，除了非常小的影响，这是这封信的主要主题。然而，考虑到高复制率，在这两个选择之间实现精确的平衡似乎是不太可能的。有一个小的熵代价，但这肯定是由更大的信息存储设施和更高的复制可靠性来支付的(薛定谔1944)。
对于今天的DNA来说，辐射增加了基因突变的频率；这一点自Muller(1927年)的开创性工作以来就已经知道了，该工作表明突变率与辐射剂量成正比，其中大部分可归因于宇宙射线的电离。µ子成分在100 MeV以上的能量下主导着地面粒子的通量，贡献了宇宙射线辐射剂量的85%(Atri&Amp；Melott 2011)。µ子的能量足以穿透相当深的地方，而且它们平均而言是自旋极化的。自旋极化辐射的电离可以是对映选择性的(Zel'；dovich等人)。1977年)。因此，我们认为活的和邪恶的有机体的突变率是不同的。由于最早和最简单的生命形式可能有数十亿甚至数万亿代，突变率的微小差异就可以很容易地维持两种早期手性选择中的一种。
当巴斯德发现生物的同质性时，他认识到它是自然规律中某些不对称的结果：如果生命的基础是不对称的，因为它的起源是不对称的宇宙力，这是地球上的生命和宇宙之间的联系之一(巴斯德1860)。如果巴斯德还活着一个世纪以后，弱相互作用中奇偶破坏的发现(Lee&Amp；Yang，1956；Wu等人)。1957年)会强化他的观点。当物体的镜像在自然界中不存在时，由于弱相互作用中的宇称破坏，物体表现出物理手性。R
如果我们寻找一种通用的手性光源，使其始终发出一种偏振而不是另一种偏振，那么为了解释普遍的不对称性，我们再次被弱相互作用所吸引。一种选择是调用自旋极化粒子，它可以通过Čerenkov辐射或韧致辐射辐射一种感觉的圆偏振，并且可以优先光解单手手性分子(Vester等人)。1959年；Lahoti&；Takwale 1977；Gusev&；Guseva 2019年)。另一种选择是调用超新星中微子(Boyd等人，(2018年)。然而，较小的手性偏向不太可能导致同手性状态，仍然需要一些益生菌扩增机制。这表明，相反，在这两个生命系统的进化过程中，要考虑到对映选择性偏见。
首先，考虑一个小的手性分子的模型，它是较大的螺旋聚合物的一部分(见图1)，我们将其理想化为一个不相等的三脚架。在原点有一个顶点或目标，以及三个带有位置矢量的可区分的原子或群。这四个点的点电荷存在一个经典的静电场。引入一个伪标量(反射下改变符号)分子手性是有帮助的，它必须在反射时改变符号，并且有一个明确的选择是。
第二个简单的半经典模型将电荷和电流限制在围绕中心核电荷的球体表面，该中心核电荷被球体上的净电荷抵消。电流允许电磁手性，具有最简单的表达式。这两种模型适用于天然螺旋生物聚合物的小分子或单体。
我们的第三个简单模型涉及圆柱形的静电势，就像理发杆一样(见瓦格纳等人)。1997)，其中k>；为0。在这种情况下，可以选择分子手性作为活(恶)分子的手性。这些定义如图1所示。
带电的宇宙射线质子，其能量略高于π子产生的阈值，与高层大气中的氮和氧核相撞，产生π+，π−核(Gaisse2012)。π+在几米内衰变成μ+，半衰期约为2μs，半衰期为e+。由于介子没有自旋，衰变很弱，μ+和e+自旋方向优先与它们的运动方向反对齐，以便平衡伴随的中微子的反平行自旋(图2)。相关的磁偶极矩由下式给出。π−会衰变成μ−，e−具有优先对齐的自旋，但磁矩也是反对齐的(见图2和附录A)。
我们引入了一个伪标量--容积量(在磁石之后)来表示宇宙射线的物理手性。这由以下定义。
这里我们对所有第一类和动能T的宇宙射线进行平均，远远高于阈值，对于新创建的μ，对于新的e，在π静止框架中(见附录)。会进一步退化，因为宇宙射线通过粗略地散射电子而损失能量。此外，次级电子将大部分是未极化的，并进一步降低照射分子的宇宙射线的容限。
在今天的海平面上，大多数宇宙射线是平均通量~160m−2 s−1(Lipari 1993)的µ子。然而，通量和大气可能有很大的不同；年轻的太阳和它的风可能要活跃得多。我们称之为喷泉的原生生物场所可能位于岩石、水或冰之下，这可能会改变淋浴的性质和容纳量。
我们现在转向将宇宙射线的容限与分子手性相耦合的相互作用。我们寻求一种与产物成正比的效应，这种效应将区分暴露在相同宇宙射线通量下的活分子和邪恶分子-手性偏向。这种效应必须转化为最终突变率的差异，这一途径即使在当代生物学中也知之甚少。高能粒子可以局部激发电子(Rosenfeld，1928)。通常，去激励是快速且无辐射的，并且涉及振动和旋转模式。因此，这种内部转换可以引起分子结构的局部变化。宇宙辐射还会诱导电离，这会导致生物分子的电子结构发生变化，并可能导致突变。今天，DNA大概比第一种遗传生物聚合物更不容易出错。修复也可能是生命开始时的一个因素。
这里假设宇宙射线本身在空间上是均匀的，并且相对于分子是各向同性分布的。它们的宇宙线平均磁矩也被推定为严格反平行，尽管散射过程或外部磁场可以在和之间引入一个角度。这一点很重要，因为静电相互作用的手性部分涉及到一个给定的力，除非速度受到扰动，否则这个力就会消失。手性偏置的详细计算见附录B。
我们从不相等的三脚架开始(如附录B中的图B1所示)。考虑一条具有电荷Qe、质量Me、亚相对论速度和撞击参数矢量的宇宙线相对于原点处的目标。由于电荷q1e，轨道将受到库仑力的线性摄动。这将导致速度微扰δ，它与来自第二个原子的电场结合在一起产生一个二阶手性力。这会在目标处产生位移，并且位移的梯度等同于粒子通量中的手性变化。然而，在我们平均之后，这种变化就消失了。这是意料之中的，因为我们只涉及到两个原子。我们必须进行三阶微扰才能得到平均手征差。此外，如果两个三脚架腿的长度相等，手性偏置就消失了。这也是意料之中的，因为电荷Qi是乘性的，如果键的长度相等，那么几何结构本身就不是手性的。如果突变的概率是P，而活分子和邪恶分子的这个概率之差是δP，则(在附录B中导出)，其中α=~0.0073是精细结构常数。这太小了，不能引起人们的兴趣，但确实清楚地指出了在更大的影响中重要的因素。
接下来，考虑具有表面电荷和电流的球体(如附录B中的图B2所示)。最简单和最大的手性效应是电磁的，它来自于电偶极矩和磁偶极矩的结合。在这种情况下。Zel'；dovich等人通过完全不同的论证得出了类似的结论。(1977)。然而，似乎没有很好的理由说明为什么应该是非零。
第三个静电螺旋模型也是手性的(如附录B中的图B3所示)。我们引用一个各向同性的可变性κ，它是通过分子的宇宙射线轨迹的每单位长度的概率，它将导致重大突变。我们假设可变性κ既有径向分量，也有螺旋分量，就像静电势一样。我们发现三阶手征偏置包含两个螺旋因子和一个径向因子的项之和。如果结构与核糖核酸完全相似，那么偏向很可能是由具有轴对称可变性的项κ主导的。原来的宇宙射线正电子数量超过电子，当遇到活分子时，它们会径向向内偏转，而与邪恶分子相遇时，正电子会向外偏转。这意味着与碱基的相互作用必然比与磷酸糖骨架的相互作用引起更多的突变。整体手性偏置由给出。
最后，我们考虑了一个电磁螺旋模型，在该模型中，我们假设单个单体携带磁偶极子和电偶极子。然后，尽管磁体不像铁磁体那样排成一条直线，但可能有足够的近邻关联，从而产生电磁、手性偏置，这可能是静电偏置的两倍。
偏置(~10−7的keV电子，乘以理发杆模型中的容积值和正负电荷的分数差)是活体和恶体之间突变率的相对差异。在附录C中，我们使用日志
需要更多的研究来确定这些过程是否足以解释同性。特别是，有必要研究不同的簇射模型，以了解容积率的演变，并建立碰撞激发的量子力学模型。还有许多其他效应需要探索。例如，研究表明，由于电偶极-电四极相互作用，手性分子在特定表面的吸附可以使光学活性提高几个数量级(Wu等人)。2017年)。所研究的相互作用在生物环境中可能有相似之处。
天体生物学面临的一个关键问题是评估哪些环境子集是生命出现所必需的。陨石提供的碱基聚合的良好候选环境是小而温暖的池塘，这些池塘是由与地球早期火山活动相关的热液条件产生的(Pearce等人。2017年)。它们的湿循环和干循环已被证明促进核苷酸聚合成长链(Da Silva等人。(2015年)。任何具有活跃地质过程和水的岩石行星都有创造生命的潜力，因为它可能支持相当大的环境多样性，特别是基于表面的地点，包括海滩和海冰界面(STüeken等人)。(2013年)。Lingam&；Loeb(2018)概述了潮汐在没有明暗循环的环境中产生干湿循环或提供生物节律的生物学后果。偏振辐射的辐射只能导致少量的对映体过剩，不能解释在陨石中发现的大量过剩(15%)，必须寻求放大机制(Glavin等人)。2019年)。如果在陨石上发现的氨基酸是生物成因的，那么它们在地球上出现生命之前就已经存在很久了。
未来的太空任务将带着在小行星和火星次表面上收集的样本返回地球(Lauretta等人。2017年；Vago等人。2017年；Yamaguchi等人。(2018年)。这将提供对有机分子的性质和它们的手性的洞察力。由于宇宙射线在弱相互作用和生命系统之间提供了一种天然的联系，我们预测，如果发现了本土生物聚合物(即生命系统的痕迹)，它们将与地球上的生命具有同样的利手。(类似的言论也适用于未来从深层地下地点返回的样本。)。生命最先出现的地方，以及宇宙射线是否在其形成过程中起到了作用。
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