首個已知分形分子是自然數(shù)學(xué)的奇跡

對于數(shù)學(xué)愛好者來說，分形是一種令人著迷的模式，它具有重復(fù)的、人造的外觀結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一個已知的分形蛋白質(zhì)。

即使對數(shù)學(xué)家來說，分形的定義也很棘手，但一般來說，它們是由更小的結(jié)構(gòu)組成的幾何圖形，而這些結(jié)構(gòu)本身又與整體相似。在實踐中，這意味著如果放大分形的一部分，就會看到類似的結(jié)構(gòu)，如此類推，直至無窮。

在自然界中，分形特征出現(xiàn)在雪花、閃電和河網(wǎng)等事物中。分子似乎是發(fā)現(xiàn)分形的最佳場所，因為它們可以排列成各種有趣的形狀，但在現(xiàn)有的所有分子目錄中，還從未出現(xiàn)過規(guī)則分形。

據(jù)報道，德國馬克斯·普朗克研究所和美國菲利普斯大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了第一個規(guī)則分子分形。這是一種藍藻用來生產(chǎn)檸檬酸鹽的酶，這種酶被發(fā)現(xiàn)可以自然地組合成一種特殊的分形圖案，這種圖案被稱為“謝爾賓斯基三角形”。

從一個等邊三角形開始。然后從中間打出一個倒三角形，這樣就有三個小三角形組成一個大三角形，中間有一個三角形空洞。然后從每個較小的實心三角形中打出一個倒三角形，這樣就有三個第二個形狀或九個原始形狀的三角形組成了一個較大的三角形。你可以一直這樣做下去，每個三角形都變小，這就是謝爾賓斯基三角形分形圖案。

這項研究的第一作者弗蘭茲斯卡·森德克說：“我們是偶然發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的，當(dāng)我們第一次用電子顯微鏡拍攝它的圖像時，幾乎不敢相信我們看到的一切。蛋白質(zhì)構(gòu)成了這些美麗的三角形，隨著分形的增長，我們在它們中間看到了這些越來越大的三角形空隙，這完全不同于我們以前見過的任何蛋白質(zhì)組裝?！?p>

為了弄清這種蛋白質(zhì)是如何形成如此有趣的結(jié)構(gòu)的，研究人員使用電子顯微鏡對其進行了更詳細的分析，發(fā)現(xiàn)它的自組裝并不對稱。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同的蛋白質(zhì)鏈在分形的不同位置產(chǎn)生了略微不同的相互作用，從而形成了引人注目的結(jié)構(gòu)。

那么，這個數(shù)學(xué)奇跡在細菌生物學(xué)中是否有特定的作用呢？為了弄清這個問題，研究小組對這種微生物進行了基因改造，使這種蛋白質(zhì)不能形成分形結(jié)構(gòu)，但這種細菌仍能正常生產(chǎn)檸檬酸鹽。

這啟發(fā)了研究人員對另一種可能性進行研究： 這種結(jié)構(gòu)相對容易進化，因此它只是偶然發(fā)生的，不需要有特定的目的。他們利用祖先序列重建技術(shù)追溯了數(shù)百萬年來可能的進化過程，然后用生物化學(xué)方法制造出了這些古老的蛋白質(zhì)。

令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)這種分形結(jié)構(gòu)出現(xiàn)得相當(dāng)快，只經(jīng)過了幾次突變。但這種結(jié)構(gòu)很快就在其他藍藻品系中消失了，直到最近在一個物種中才被發(fā)現(xiàn)。

該研究的資深作者格奧爾格·霍赫伯格說：“雖然我們永遠無法完全確定過去發(fā)生的事情的原因，但這一特殊案例確實具有看似復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)的所有特征，這種結(jié)構(gòu)只是突然出現(xiàn)的，沒有任何好的理由，因為它非常容易進化?！?/p>

對于那些在幾乎感覺是人造的東西中尋找意義的人們來說，這可能不是一個特別令人滿意的解釋，但從好的方面來說，這確實表明可能還有更多的分子分形等待著人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。