他们教会分子分清左右手

如果一把钥匙能打开锁，它的镜像版本却未必可以。分子的世界也有类似现象，两种分子的组成相同，空间结构互为镜像，却可能在人体内产生不同作用。生命对这些「镜像分子」有着鲜明的偏好。组成蛋白质的绝大多数氨基酸采用同一种手性，DNA 中的糖也有固定的手性结构。然而，在没有手性影响的条件下，许多化学反应会生成等量的两种镜像产物。生命为何选择了其中一边，微小差异又如何被放大，长期困扰着化学家。

就在刚刚，2026 年诺贝尔化学奖被授予法国化学家亨利·卡根（Henri B. Kagan）和日本化学家硖合宪三（KensoSoai），以表彰他们在不对称有机合成领域发现了非线性效应与自催化。两人将平分 1200 万瑞典克朗奖金（折合人民币约 802 万元）。卡根出生于 1930 年，是原巴黎南大学荣休教授；硖合宪三出生于1950 年，是东京理科大学荣休教授。他们的研究展示了一个重要过程，反应开始时很小的镜像分子比例差异，可以通过化学机制不断放大，最终使其中一种占据几乎全部产物。相关发现既为研究生命的化学起源提供了线索，也帮助化学家更有效地制造所需分子。

从葡萄酒中的晶体，到生命的「左右手」要理解这次获奖，需要回到 19 世纪中叶的一次实验。法国科学家路易·巴斯德研究与葡萄酒有关的酒石酸盐晶体时，发现其中存在两种互为镜像的形态。他用镊子将晶体分开，分别溶解，再让偏振光通过溶液，发现两组溶液使偏振光向相反方向旋转；混合后，旋光效应则相互抵消。后来，化学家将分子与其镜像不能重合的性质称为「手性」，两种互为镜像的分子称为「对映异构体」。人的左右手可以帮助理解这个概念，即使形状相似，也无法通过简单旋转完全重合。

1857年，巴斯德又观察到，细菌会利用其中一种酒石酸，对它的镜像版本却没有同样的兴趣。随着研究深入，科学家发现，生命的许多重要组成分子都表现出这种选择性。蛋白质中的手性氨基酸通常采用 L 型，DNA 中的脱氧核糖则采用 D 型。化学家将这类偏向同一种手性的现象称为「同手性」。随之而来的问题是，生命形成之前，如果两种镜像分子最初数量接近，化学反应怎样才能让其中一种取得压倒性优势？ 1953年，英国理论物理学家查尔斯·弗兰克提出了一种数学模型。他认为，一套反应若能促进一种镜像产物的形成，同时抑制另一种，并让产物进一步催化自身生成，就可能将最初的细微不平衡不断放大。理论给出了可能的路径，但要找到真正满足条件的化学反应，仍需要实验突破。卡根发现，催化剂的微小偏好可以被放大在不对称合成中，化学家利用手性催化剂，让反应更倾向于生成某一种对映异构体。这项能力对制药尤其重要。人体内的酶和受体具有特定的空间结构，两种镜像药物分子与它们结合时，可能产生不同效果。因此，制造所需的对映异构体，并控制另一种的含量，是许多药物生产过程中的重要要求。上世纪 80年代，研究人员通常认为，催化剂中两种手性成分的比例，与最终产物的手性偏向大体呈线性关系。催化剂越纯，产物的选择性就越高；催化剂中混入另一种镜像成分，选择性就会相应下降。卡根开始追问，催化剂在反应中究竟以什么形式发挥作用。当时常见的一类催化剂，由金属和手性分子共同构成。金属可能同时结合多个手性分子，因此，当两种镜像成分混合时，就可能形成三类组合，可以通俗理解为「左左」「右右」和「左右」。

关键在于，混合的「左右」组合，其反应活性未必与另外两类相同。 1986年，卡根报告了三种具有非线性效应的不对称反应。在相关体系中，「左右」组合催化反应的速度更慢，使剩余活跃组合的手性偏向更加突出，最终产物中某一种对映异构体的优势，超过了催化剂原有的优势。换句话说，催化剂最初只有一定程度的手性偏好，产物却可以表现出更强的偏好。化学反应能够放大不对称性，成为这一发现最重要的意义。硖合宪三让产物继续催化自己卡根证明了不对称性可以被放大，硖合宪三则进一步寻找能够自行强化这种优势的反应。上世纪 90年代初，他注意到，某些反应中的催化剂与产物结构相似，由此产生了一个想法，如果产物本身也能充当催化剂，新生成的分子是否会继续促进更多同类分子的形成？经过大量实验，硖合宪三找到了后来以他名字命名的「Soai反应」。此前，自催化反应已经为人所知，但它首次在实验中实现了手性差异的自催化放大：产物既是反应的结果，也会充当催化剂，帮助生成更多与自己手性相同的产物。起始时两种镜像分子即使只存在极小的比例差异，经过连续反应，也能形成接近单一手性的产物。 1995 年，他报告的一项实验中，起始物里某一种对映异构体的过量比例只有 2%，反应结束后，产物的对映体过量值达到 87%。

这里的「过量」指两种对映异构体所占比例的差值。2% 的对映体过量，相当于两者约为 51% 和 49%；87% 则相当于约 93.5%和 6.5%。原本接近均分的差距，被反应大幅放大。其核心是自催化，产物能够促进自身生成，而新生成的产物又继续参与催化，使最初占优势的一方获得进一步增长的机会。硖合宪三又持续研究了八年。2003年，他展示了从非手性起始条件出发，通过反应中的随机波动产生微小手性差异，再将差异不断放大的过程。根据数据，最终一种对映异构体可以占产物的99.99%。重复实验时，另一种镜像也可能取得优势，最终偏向哪一边，取决于反应初期的偶然差异。

原本看似微不足道的波动，能够在自我强化的反应中改变最终结果，弗兰克半个世纪前提出的理论由此获得了具体的实验支持。两位科学家的发现，为理解同手性如何形成提供了重要依据，但硖合反应是人工设计的化学体系，与生命早期环境中的反应不同。它证明了微小差异能够通过化学过程发展为近乎单一的手性产物，尚不能据此确认地球上的生命当年就沿着同一路径形成。与此同时，研究人员正在尝试将相关思路用于氨基酸和糖等生命分子，希望进一步理解生命的手性选择如何出现。对于实际合成，卡根发现的非线性效应也成为研究反应机制的重要工具。催化剂与产物的手性关系，可以帮助化学家判断反应中的活性物种如何组合，并据此优化条件，提高所需对映异构体的纯度。相关研究涉及药物、香料、农用化学品和新材料等领域。从巴斯德用镊子分开两种晶体，到卡根和硖合宪三让化学反应自己作出选择，研究者花了一个多世纪才逐渐弄清：分子世界最初哪怕只有一点点偏向，也可能演变成生命中随处可见的秩序。