手性对称性破缺：手性整合来源于最小时间自由能消耗

关键词：手性对称性，对称性破缺，热力学与统计物理，自由能原理

论文题目：

Chiral conformity emerges from the least-time free energy consumption

论文地址：

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2022.0074

手性是指物体或系统的镜像与其本身不可重叠，也就是左右对称性不相等的性质。在自然界中，手性广泛存在于化学、生物学和物理学等领域。在化学领域，手性研究主要关注分子的手性性质。许多有机分子都具有手性，这意味着它们存在两种镜像结构，即左手和右手。这些镜像结构被称为对映异构体，它们之间不能通过旋转或平移相互重叠。由于手性分子的镜像结构在生物活性和化学反应中可能具有不同的性质，因此手性研究在药物开发、食品科学和环境科学等领域具有重要应用价值。

手性现象是复杂系统研究的热点问题，它涉及到分子或物体的内部结构、相互作用和外界环境等多种因素。当两个物体或分子的手性相同，即它们镜像重合时，为同手性。

在手性对称性存在的情况下，由于某种原因，系统的最低能量状态不再具有手性对称性，即对称性破缺现象。手性的对称性破缺可以发生在不同的层面，从基本粒子物理学到化学和生物学等多个领域。在物理学中，手性对称性破缺可以通过弱相互作用来解释，其中包括左右手的手性粒子的不对称性质。在化学领域，手性分子的对称性破缺通常与分子的立体构型有关。在生物学中，手性对称性破缺对于生命体系的起源和功能也具有重要意义。

考虑到自然界中形式上非对称的产物，本论文描述了跨多个系统的手性对称性破缺（即“利手”，或几何旋转不对称性），范围从生物物理过程到宇宙创造中物质和反物质不成比例的产生。作者认为，这样的对称性破缺可能不一定涉及初始偏差方面的一些潜在的生成过程。相反，可以用社会中的利手标准的某些方面来进行类比，这些标准“随着时间的推移而演化，使事情运转起来”。

作者进一步刻画出“功”作为转移能量的普遍度量与自由能最小化的普遍原理之间的联系，以及它与最大熵产生原理的关系（如此前论文所述）。作者进一步论证了一种本体论，它以“行动量子（quanta of action）”的形式描述一切，为自由能原理提供了进一步的桥梁（作为系统主动推断自己存在的框架），并提出了一种普遍规律，其中能量流基于它们在最短时间内消耗自由能的能力，自然选择一些结构。基于其与最大口径原理（the principle of maximum calibre）的联系，这可以被认为是支持贝叶斯力学方法的“殊途同归”线。

一般来说，系统越大，标准化的好处就越大。同样，大型反应混合物更容易从非手性转变为手性，并进一步从外消旋体转变为手性纯物质。相反，与任何其他标准一样，手性标准在小型系统中是无用的。例如，当能量转换机械需要许多螺钉时，首先需要的是对于螺钉的标准。同样，作者认为应该预期分子机制的同手性会随着新陈代谢的增加而涌现，而不是从一些微妙的偏差中萌芽（图1）。

越来越有效的手性成分增加了能量的流入。作者通过速率方程发现，在手性反应中，自催化超越了催化作用；该系统采用并推进了一种形式的惯用手性，同时放弃另一种形式，因为它是无序的，甚至是破坏性的。

因此，热力学思想倾向于由系统与其周围环境之间的能量差异驱动的纯手性情景，而不是那些在镜像化合物之间存在微小能量差异的情景。从这个立场来看，陨石中氨基酸的对映异构体过量被视为证据，但不是早期推动手性整合的原因。出于同样的原因，来自太空的圆偏振光可能使原始化学合成略微偏向于一种对映体而不是另一种。尽管如此，由于热力学涨落的存在，这种早期的偏好可能只是转瞬即逝。基于这些讨论，作者认为从热力学和统计物理的角度推测生命的起源是“毫无意义的”，因为“不能靠热力学区分有生命和无生命”。