生命分子为何会分“左右手”？详解2026年诺贝尔化学奖，他们改变了药物发现，帮助理解生命起源

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

一些分子，例如氨基酸，存在两种互为镜像的异构体。然而，在生物体内只含有其中一种镜像形式。这种化学不对称性是如何产生的，长期以来一直是化学家们的未解之谜。Henri B. Kagan和硤合宪三因发现了这一难题的解决方案，荣获2026 年诺贝尔化学奖。

2026 年 10 月 7 日，诺贝尔化学奖获奖名单揭晓，奖项授予了授予法国化学家Henri B. Kagan和日本化学家硤合宪三，以表彰他们“在不对称有机合成中发现非线性效应和自催化现象”。

生命的化学具有化学家所称的“同手性”（homochiral）特征，这个词源自希腊语中表示“相同”和“手”的词汇。就像手一样，所有氨基酸都存在两种互为镜像的形态，但在细胞中的蛋白质里，却只出现其中一种，另一种在自然界中极为罕见。

长期以来，化学家一直困惑于同手性是如何产生的。当他们开始尝试用能够生成两种镜像分子的化学反应进行实验时，试管中总是得到等量的两种产物。然而，化学家们努力希望只生成其中一种镜像分子，因为在开发与生物体相互作用的分子（例如药物）时，通常只有一种镜像分子才具有所需的效果。

2026 年诺贝尔化学奖表彰了推动化学家实现导致同手性的化学反应的发现。诺贝尔化学奖委员会主席Heiner Linke表示，Henri Kagan和硤合宪三解决了困扰化学界一个多世纪的谜题——手性如何自发产生。他们所开发的化学反应令人叹为观止。

1986 年，Henri Kagan迈出了决定性的第一步，他发现了一种操控化学反应的新方法，使他能够生成比以往认为可能更高的镜像异构体过量（即对映体过量）。随后，硤合宪三进一步推进了研究。1995 年，他发表了一项关键成果，描述了自己设计出首个具有实现手性潜力的化学反应。2003 年，他终于取得成功，展示了一种仅生成两种可能镜像异构体中的一种的化学反应。除生命本身外，此前无人能实现这一壮举。

Henri Kagan和硤合宪三的研究，让我们知道了手性是如何产生的，更重要的是，他们的发现对从事药物合成反应设计的化学家具有决定性意义。

他们破解了化学不对称之谜

生命的分子让化学家们感到棘手。想象一下，你是一名按订单制作钥匙的锁匠。问题在于，当你生产钥匙时，总会得到两个互为镜像的版本，但其中只有一把能打开锁——如果顾客用另一把钥匙尝试开锁，锁可能会被损坏。遗憾的是，区分这两把钥匙非常困难，因此顾客只能把两把钥匙都买下来。

化学家们在开发新药时也面临类似挑战。许多药物分子存在两种互为非等同镜像的异构体：其中一种具有治疗作用，而另一种则可能引发不必要的、有时甚至有害的副作用。这种现象的根本原因与生命的基本化学特性有关：生命在化学上被称为“同手性”，就像双手一样，所有氨基酸都以两种镜像形式存在，但只有其中一种存在于细胞的蛋白质中，另一种在自然界中极为罕见。DNA 中的糖分子也是如此：它们有两种不同的镜像结构，但生命过程也只使用其中一种。

化学家们长期以来一直困惑于同手性是如何产生的。2026 年诺贝尔化学奖授予了Henri Kagan和硤合宪三，以表彰他们破解了这一难题。Henri Kagan发现了一种操控化学反应的新方法，能够产生远超以往认为可能的镜像异构体过量比例。他的发现对从事药物、香料、香精及新材料合成反应开发的化学家而言具有革命性意义。

硤合宪三设计了化学史上首个仅生成一种可能镜像异构体的化学反应——Soai 反应。除了生命本身，此前无人能实现这一壮举。Soai 反应也被认为是有史以来最令人惊叹的化学实验之一。

2026 年诺贝尔化学奖的成果，源于一连串思想，其最初的一环可追溯至 19 世纪中期。这一切始于“微生物学之父”路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）对一种对葡萄酒生产至关重要的物质——酒石酸的研究。

酒石酸揭示了分子可以互为镜像

巴斯德通过显微镜观察他想研究的大部分物质。当他的同事们声称，酒石酸有时会使偏振光向右偏转，而有时则完全不影响光线时，他产生了浓厚兴趣。他培养了酒石酸晶体，并在显微镜下进行观察，结果发现它们存在两种变体，彼此互为镜像。他用镊子将它们分开并分别溶解。当他让偏振光穿过这些溶液时，一种使光线向右偏转，另一种则向左偏转；但如果将两种液体混合，则光线不受影响。

他的这个实验让化学家认识到，某些物质存在两种互为镜像的异构体。最终，这些物质被称为手性物质，而彼此互为镜像的两种分子则称为对映异构体。

手性分子

生命的同手性令研究人员困惑

1857年，巴斯德进行了一次重要观察，他研究了细菌在发酵酒石酸不同对映异构体时会发生什么。结果发现，细菌会主动发酵存在于葡萄中的、使光线向右偏折的对映异构体，却对其镜像分子毫无兴趣，后者保持原状未被改变。由此，生命的化学具有某种手性特征的观点首次浮出水面。后来，当研究人员开始研究生命的构成单元时，他们发现，天然存在的氨基酸总是使偏振光向左偏折，而 DNA 双螺旋中的糖类分子则相反，会使光线向右偏折。

生命分子中只含有两种可能的对映异构体中的一种，这一发现引出了下一个问题：在生命起源之初发生了什么，使得生命的化学过程呈现出单一的同手性？当化学家进行形成手性分子的反应实验时，试管中总是得到两种对映异构体等量混合的结果。那么，为什么生命只使用氨基酸的一种镜像形式？同手性又是如何产生的呢？

一些化学家曾认为，手性化学是生命特有的现象。然而在 20 世纪初，德国化学家Willy Marckwald成功实现了首次不对称化学反应，即生成的一种对映异构体多于另一种。其中的关键在于他使用了一种催化剂，在这次反应中，催化剂具有手性，因此促进了其中一种镜像分子的生成，而非另一种。虽然差异非常微小，但这一发现本身已是一次突破。

不对称化学反应

2026 年诺贝尔化学奖思想链条中的下一个关键环节，诞生于 1953 年。 它由一篇科学论文中提出的纯理论推导构成。

生命中的手性现象的数学解释

布里斯托大学的Charles Frank是一位理论物理学家，他在一篇论文的引言中描述了一位同事告诉他，化学家们至今仍不明白生命不对称性是如何产生的，据这位同事说，一个数学上的解决方案将对化学家有所帮助。对此，Charles Frank提出了一种化学反应模型，该模型需要满足三个条件——

• 存在一种手性催化剂和一个不对称反应。

• 其中一个镜像的形成被某种方式增强，而另一个则被抑制。

• 该化学反应会生成催化剂本身，这种现象称为自催化，会产生自我增强效应，导致反应中某一对映异构体的数量呈指数级增长。
  

一种满足所有这三个条件的化学反应，可能导致同手性。这一模型在化学家中广泛传播，也成为了一个化学谜题。

如上所述，Willy Marckwald在 20 世纪初成功实现了第一个条件，但直到后来研究人员才设计出具有实际意义的不对称化学反应，该领域的先驱者分别于 2001 年和 2021 年获得诺贝尔化学奖。

而 2026 年的诺贝尔化学奖的工作则实现了剩余两个条件。

Henri Kagan 跳出传统思维框架

早在 1980 年代初，Henri Kagan是当时致力于改进不对称化学反应的众多化学家之一。他们的目标是尽可能制备出高纯度的对映异构体，例如用于制药生产。在 1960 年代初，沙利度胺事件就已表明实现这一目标的重要性：当时有成千上万的婴儿因镇静剂沙利度胺导致出生缺陷。研究人员在分析事故原因时发现，造成危害的是因为该药物分子存在两种镜像异构体，其中右手型具有镇静、止吐的有效成分，而左手型是强烈的致畸剂，会严重干扰胎儿血管生长，导致胎儿四肢无法正常发育。

为了驱动不对称化学反应，研究人员通常使用由两部分组成的催化剂：一种作为反应动力的金属原子，以及一种确保反应具有不对称性的手性物质。

由于研究人员希望在产物中获得纯的对映异构体，他们通常会在催化剂中使用尽可能纯净的对映异构体。然而，他们假设如果将两种镜像对映异构体混合用于催化剂，产物中的比例也会相应相等。换句话说，他们认为催化剂的对映性会直接传递给产物的对映性，并且两者之间存在线性关系。

而Henri Kagan开始质疑上述假设。作为一名训练有素的化学家，他花时间更深入地思考催化剂本身。实际上，没有人真正了解它的工作原理——在化学反应过程中，金属原子与手性分子显然发生了相互作用，但问题在于——这种作用是如何发生的。

金属原子通常会同时与多个分子相互作用。因此，Henri Kagan推测，在化学反应过程中，催化剂中的金属至少会吸引两个手性分子。如果右旋和左旋的对映异构体结合在一起，就会形成三种催化剂形式——右-右、左-右和左-左。

那些右-右和左-左的催化剂会产生互为镜像的产物，但左-右催化剂又会如何反应呢？

Henri Kagan 成功增强了不对称性

Henri Kagan发现了一种“例外情况”——手性催化剂中存在左-右组合的“混杂”形式，其反应活性远低于右-右或左-左形式。因此，当改变催化剂中对映体比例时，产物对映体比例并不呈线性关系，而是得到一条曲线。这种现象说明催化剂的手性传递机制并非简单的线性叠加，而是涉及不同催化剂形态之间的活性差异。

Henri Kagan 发现的新现象

改变催化剂中对映体比例时，产物对映体比例并不呈线性关系

实际上，这意味着他发现了一种增强产物中某一对映体生成的方法。因此，他满足了Charles Frank模型中的第二个条件。1986 年，他描述了至少三种表现出被化学家称为“非线性效应”的不对称反应。这是一个历史性突破，许多化学家开始探索这一新现象。其中一位是东京理科大学的硤合宪三，他最终为 2026 年诺贝尔化学奖的思想链补上了最后一环。

试错法为硤合宪三带来了成果

硤合宪三研究了一种具有显著非线性效应的不对称化学反应。当他仔细分析该反应催化剂和生成产物的结构时，发现它们之间存在明显的相似之处。这一发现激发了他的灵感——或许他可以设计一种反应，使催化剂通过自催化过程自行生成？

1990 年代初，已知存在多种自催化反应，但均不具备不对称性。通过尝试大量不同的分子，硤合宪三成功找到了一种能够自我生成的对映体物质——5-嘧啶基烷醇。他在 1995 年发表的一篇论文中描述了这项革命性的实验——他最初使用了 5-嘧啶基烷醇的一种对映体过量 2%，最终获得了 87% 的过量。该反应具有自我增强特性，符合Charles Frank提出的所有 3 个条件，但尚未达到生命所需的 100% 对映体纯度。

优雅的 Soai 反应解决难题

又过了 8 年，硤合宪三继续寻找理想的自催化过程。2003 年，他终于成功展示了一种化学反应，该反应生成了过量的某种对映异构体，而这种异构体又能自我复制。这是自生命起源以来，人类首次成功地从非手性分子组合中创造出手性。

Soai 反应与自催化过程

Soai 反应被认为是迄今为止最精巧的化学实验之一，当他启动这一催化过程时，两种对映异构体都会生成，但由于过程受偶然性支配，其中一种对映体会略微多产生一些。这种微小的过量足以使该对映异构体主导整个化学反应，最终可占产物的 99.99%。当他重复该反应时，另一种对映异构体也可能占据主导地位；他最终得到的对映异构体取决于反应开始时的偶然情况。

化学家们获得了前沿新工具

Soai 反应是一种人工过程，不同于生命化学，但它激发了化学家们对理解生命起源的新热情。如今，世界各地的研究人员正试图重复硤合宪三成果，但目标是制备同手性的氨基酸和糖类。

Henri Kagan发现的非线性效应已成为化学家设计新化学反应的重要工具。化学反应具有非线性特征，能为化学家提供有关其发生机制的信息。利用这些信息可以优化化学反应过程，从而获得尽可能纯净的产物对映异构体。这对于所有生产用于与生物体相互作用的物质的企业至关重要，例如制药、香料、香精和农用化学品。在某些情况下，这种效应在新材料的生产中也同样重要。

2026 年诺贝尔化学奖所表彰的发现，让化学家们获得了日常工作中可使用的全新基础工具，但更重要的是，这些发现有助于解开化学领域最重大的谜团之一：如何产生像所有生命体中所存在的同手性。

参考资料：

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2026/press-release/