动能不对称的现象可能会重新定义分子物理学
科学家发现，分子可以在没有外力的情况下以非交互的方式相互作用，这一发现可能会改变我们对分子相互作用和生命进化的理解。来自缅因州大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员发现，分子在没有外力的情况下也能以非交互的方式相互作用。
重力和电磁力等基本力是交互的，即两个物体相互吸引或相互排斥。然而，在我们的日常经验中，相互作用似乎并不遵循这种对等规律。例如，捕食者会被猎物吸引，但猎物往往会逃离捕食者。这种非交互的相互作用对于生物体的复杂行为至关重要。
对于细菌等微观系统，非交互相互作用的机制一直由流体动力或其他外力来解释，以前人们认为类似类型的力可以解释单分子之间的相互作用。
宾夕法尼亚州立大学的理论物理学家 R. Dean Astumian 与合作者 Ayusman Sen 和 Niladri Sekhar Mandal 在著名的细胞出版社《化学》（Chem）杂志上发表了一项研究成果。
这种机制引用了反应物和生成物的局部梯度，这是由于每种化学催化剂（生物催化剂的一个例子是酶）都促进了反应。由于催化剂对梯度的反应取决于催化剂的特性，因此有可能出现一种分子被另一种分子排斥但又吸引另一种分子的情况。
关键因素：动力学不对称
作者在讨论中意识到，每种催化剂都有一种称为"动力学不对称性"的特性，它控制着对浓度梯度的反应方向，这就是"尤里卡时刻"。由于动力学不对称性是酶本身的一种特性，它可以发生进化和适应。动力学不对称性所允许的非对等相互作用在分子之间的相互作用中也起着至关重要的作用，并且可能在简单物质变得复杂的过程中起着至关重要的作用。
图示说明了两个粒子之间可能存在的四种相互作用，箭头表示该颜色的粒子由于另一种颜色的粒子周围的梯度而受到的力。左上角和右下角所示的相互作用分别表示两个粒子相互吸引或相互排斥的相互作用。右上角图形显示的是红色粒子吸引蓝色粒子，但蓝色粒子排斥红色粒子的情况。左下方的图形显示的是红色粒子排斥蓝色粒子，但蓝色粒子又被红色粒子吸引的情况。图片由 R. Dean Astumian 提供。图片来源：R.
关于非交互相互作用发生时的情况，其他研究人员之前已经做了大量工作。这些工作对"活动物质"领域的发展起到了核心作用。在这些早期研究中，非交互相互作用是通过加入特别的力来引入的。
然而，曼达尔、森和阿斯图米安的研究描述了单分子之间产生这种相互作用的基本分子机制。在这项研究的基础上，同一作者还展示了单个催化剂分子如何利用其催化反应产生的能量在浓度梯度中进行定向运动。
对生物分子机器和早期生命的影响
决定不同催化剂之间非交互相互作用的动力学不对称性也被证明对生物分子机器的方向性非常重要，并已被纳入合成分子马达和泵的设计中。
阿斯图米安、森和曼达尔的合作旨在揭示不同催化剂松散联合背后的组织原理，这些催化剂可能形成了最早的新陈代谢结构，最终导致了生命的进化。
Astumian说："我们还处于这项工作的起步阶段，但我认为理解动力学不对称性是理解生命如何从简单分子进化而来的一个可能机会。它不仅能让我们深入了解物质的复杂化，动力学不对称还可用于分子机器和相关技术的设计"。
参考文献 Niladri Sekhar Mandal、Ayusman Sen 和 R. Dean Astumian 的 "相互作用的活性催化剂之间非互惠相互作用的分子起源"，2023 年 12 月 29 日，Chem.
DOI: 10.1016/j.chempr.2023.11.017
编译来源：ScitechDaily
