为什么大多数人的心脏略微偏向身体左侧？为什么DNA几乎总是右旋？构成蛋白质的α螺旋也是如此。手性（或称"手性"）在生物学中无处不在，但其背后的原因却常常是个谜。对非对称六方金刚石--狮身人面像瓦的最新研究表明，它能够创造出复杂、可扩展的图案，阐明了生物学中手性的基本原理，解释了特定分子和生理取向的偏好。
格雷格-胡贝尔（Greg Huber）是一位生物物理学家，也是旧金山陈-扎克伯格生物中心（Chan Zuckerberg Biohub San Francisco）的研究员，他花了三年时间，利用一种生活在三角形晶格上的简单不对称形状--狮身人面像瓦--来探索这些问题以及更多问题。他和他的合作者克雷格-克内希特（Craig Knecht）、沃尔特-特朗普（Walter Trump）和罗伯特-齐夫（Robert Ziff）发现了与它的手性有关的意想不到的特性。他们的研究最近发表在《物理评论研究》杂志上。
狮身人面像瓷砖是不对称的，而且是"复制瓷砖"，这意味着它的形状可以由重复的、更小的副本组成。图片来源：Huber 等人，《物理评论研究》，2024 年
狮身人面像由六个等边三角形（六角形）组成，具有内在的手性，有左旋和右旋两种方向。它是目前已知的唯一一种非对称六面体，可以与自身的每一阶拼接，也就是说，所有按 n 倍缩放的狮身人面像都可以被 n-n 个更小的单位狮身人面像拼接。换句话说，一个 2 阶狮身人面像可以由 4 块狮身人面像砖拼成，一个 3 阶狮身人面像可以由 9 块狮身人面像砖拼成，以此类推。从单个单位狮身人面像开始，可能的瓷砖排列或布局数量一开始很少：1、1、4、16、......，但不会持续太久。
随着拼图中狮身人面像数量的增加，可能的布局数量也呈超指数增长。例如，阶 5 的狮身人面像有 153 种可能的布局（如下图所示），阶 6 的狮身人面像有近 72 000 种布局，阶 13 的狮身人面像则多达1030 种，即 10 到 30 的阶数！(也就是一个 1 加上 30 个零）。
具有低手性能量的 23 阶狮身人面像（左图，左手狮身人面像为蓝色，右手狮身人面像为红色）和具有高手性能量的 23 阶狮身人面像（右图）。来源：Huber 等人，《物理评论研究》，2024 年
瓷砖的不对称为探索手性提供了丰富的途径。就拿把两块瓷砖并排放置这个简单的问题来说吧。两块狮身人面像瓷砖可以有 46 种（或 47 种，取决于你如何计算）不同的方式组成一个对偶体。(相比之下，两个单位方格只有一种方式可以组成一个对偶体）。
而且，它们可以拼成具有低手性能量的形状，这意味着大多数相邻的狮身人面像都具有相同的方向或高手性能量。
由 25 块较小的狮身人面像瓷砖组成的 5 阶狮身人面像有 153 种可能的瓷砖排列方式。图片来源：Huber 等人，《物理评论研究》，2024 年
旧金山生物中心理论组组长休伯强调，这项工作不仅仅是抽象的练习。他指出，几何和手性都与生物学有着重要的联系，但往往被忽视。例如，病毒外壳具有基于相同晶格的几何对称性（"准等价原理"）。
"宇宙不应该偏爱一种手性而不是另一种手性，但在一个又一个尺度上，手性偏好出现了，"Huber 说。"手性可能非常神秘，而狮身人面像瓷砖令人惊讶的手性相互作用正是这项工作的动机。"
编译自/ScitechDaily