生命的螺旋結(jié)構(gòu)

東方曉

雖然人類設(shè)計(jì)建筑與馬路時(shí)均偏好于筆直的線條，但大自然的選擇對(duì)此并不贊同，而更傾向于螺旋狀的卷曲結(jié)構(gòu)。小到?jīng)Q定生命形態(tài)的DNA結(jié)構(gòu)，乃至關(guān)乎我們后天性狀美丑的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及我們賴以生存的食物的主要組分淀粉，無一例外是螺旋結(jié)構(gòu)。欲了解是什么決定了這樣的自然選擇及這種結(jié)構(gòu)的益處，讓我們走近螺旋。

生物大分子螺旋

生物大分子DNA、蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素的結(jié)構(gòu)中都存在著螺旋結(jié)構(gòu)。我們所熟知的遺傳物質(zhì)DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)，它包含著人體的遺傳信息。在受精卵中父系與母系的各一條鏈相結(jié)合，就誕生了綜合二者信息的新的生命。DNA最重要的結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)，但也可以形成其他結(jié)構(gòu),當(dāng)雙螺旋體的一部分解開時(shí)，其中一條DNA鏈可以折疊回去，形成了三螺旋或其他結(jié)構(gòu)。

與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)相比，蛋白質(zhì)中的螺旋是由氨基酸經(jīng)脫水組成的單鏈螺旋，蛋白質(zhì)末端運(yùn)動(dòng)自由度較大，可以組成三圈螺旋，三圈螺旋還可以轉(zhuǎn)變成折疊形狀。從這種意義上講，折疊是螺旋的一種特殊形式。

人體中的蛋白質(zhì)就是螺旋與折疊結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。比如，人體中重要的蛋白質(zhì)——膠原蛋白就是由三條肽鏈擰成“草繩狀”三股螺旋結(jié)構(gòu)，其中每條肽鏈自身也是螺旋結(jié)構(gòu)。人體中有16%左右是蛋白質(zhì)，膠原蛋白占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的30%～40%，主要存在于皮膚肌肉、骨骼、牙齒、內(nèi)臟與眼睛等處。

除遺傳物質(zhì)與蛋白質(zhì)外，我們的主要食物淀粉的結(jié)構(gòu)和所穿衣物（棉）中的主要成分棉纖維，也多是螺旋結(jié)構(gòu)。

螺旋生物體

不僅生物大分子采取了螺旋的構(gòu)型，而且有時(shí)整個(gè)生物體的形狀或生物體的組成部分也可以是螺旋體。我們熟悉的螺旋藻就是這樣的一種生物，其得名就是由于其形體在顯微鏡下觀察時(shí)呈螺旋狀的緣故。螺旋藻是地球上最早出現(xiàn)的光合生物，研究表明，螺旋藻是所有已被發(fā)現(xiàn)的生物中營(yíng)養(yǎng)成分最豐富，最全面，最均衡的海洋生物。它的細(xì)胞壁是由多糖類物質(zhì)構(gòu)成，極易被人體消化吸收，吸收率可達(dá)95%以上。此外，螺旋藻還富含胡蘿卜素，亞麻酸和亞油酸等活性物質(zhì)，有清除血脂、疏通血管和保持血管彈性的作用，對(duì)防治心、腦血管疾病很有益處。螺旋藻是人類的朋友，而下面的另一種螺旋狀的生命體就不能算是人類的朋友。

寄居在胃里的幽門螺旋桿菌，也是因其呈桿狀、螺旋形而得名。胃液對(duì)許多細(xì)菌具有強(qiáng)烈的殺傷力，但對(duì)幽門螺旋桿菌卻奈何不得。幽門螺旋桿菌埋藏在胃壁表面的黏膜下方，能夠分泌一種物質(zhì)來中和周圍環(huán)境中的強(qiáng)酸，這是其過人之處。幽門螺旋桿菌很愛挑釁我們的免疫系統(tǒng)，往往激怒免疫系統(tǒng)發(fā)動(dòng)初步的無情攻擊，導(dǎo)致發(fā)炎反應(yīng)。因此感染幽門螺旋桿菌的人，會(huì)出現(xiàn)沒有癥狀的胃炎(也就是胃粘膜發(fā)炎)。人進(jìn)入中年之后，會(huì)很容易得這些病，這都是幽門螺旋桿菌的禍害所致。

除上述生物體本身呈螺旋狀外，而有些生物卻借助螺旋形狀實(shí)現(xiàn)它們獨(dú)特的功能。水黽就是利用其腿部特殊的微納米螺旋結(jié)構(gòu)效應(yīng)在水面上行動(dòng)自如，即使在狂風(fēng)暴雨和急速流動(dòng)的水流中也不會(huì)沉沒而下沉。原來，這些取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi)可以有效吸附空氣，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤(rùn)，從而表現(xiàn)出水黽腿的超疏水(即不浸水)特性。對(duì)其腿的力學(xué)測(cè)量表明：僅僅一條腿在水面的最大支持力就達(dá)到了其身體總重量的15倍。

生命為何愛螺旋？

由上述得知，大自然幾乎到處都存在螺旋。螺旋結(jié)構(gòu)是自然界最普遍的一種形狀，許多在生物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的微型結(jié)構(gòu)都采用了這種構(gòu)造。那么，為何大自然對(duì)這種結(jié)構(gòu)如此偏愛呢？在近期的《科學(xué)》雜志報(bào)道了這一現(xiàn)象的數(shù)學(xué)解釋。

美國(guó)賓州大學(xué)的蘭德爾·卡緬教授指出，從本質(zhì)上來看，在擁擠的細(xì)胞(例如一個(gè)細(xì)胞里的DNA)中，非常長(zhǎng)的分子聚成螺旋結(jié)構(gòu)是一個(gè)較佳的方式。在細(xì)胞稠密而擁擠的環(huán)境中，長(zhǎng)分子鏈經(jīng)常采用規(guī)則的螺旋狀構(gòu)造。這一構(gòu)造有兩點(diǎn)好處：可以讓信息緊密地結(jié)合其中；還能夠形成一個(gè)表面，允許其他微粒在一定的間隔處與它相結(jié)合。例如，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)允許進(jìn)行DNA轉(zhuǎn)錄和修復(fù)。

卡緬教授通過一個(gè)模型說明了這個(gè)問題：把一個(gè)能隨意變形、但不會(huì)斷裂的管子浸入由硬的球體組成的混合物中，管子就像是一個(gè)存在于十分擁擠的細(xì)胞空間中的一個(gè)分子。觀察發(fā)現(xiàn)對(duì)于短小易變形的管子而言，U形結(jié)構(gòu)的形成所需的能量最小，空間也最少。而它的U形結(jié)構(gòu)，在幾何學(xué)上與螺旋結(jié)構(gòu)最為近似。

卡緬指出：“看來，分子中的螺旋結(jié)構(gòu)是自然界能夠最佳地使用手中材料的一個(gè)例子。DNA由于受到細(xì)胞內(nèi)的空間局限而采用雙螺旋結(jié)構(gòu)，就像是由于公寓空間局限而采用螺旋梯的設(shè)計(jì)一樣。”這是生物大分子采取螺旋結(jié)構(gòu)的合理的數(shù)學(xué)解釋。然而為何生物體也以螺旋結(jié)構(gòu)的形狀存在的原因仍不清楚，還有待進(jìn)一步的研究。