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大自然为何爱“螺旋” 美国科学家找到数学答案


http://www.sciencehuman.com   科学人 网站  2005-03-12

 

雅典奥运会开幕式上,激光打出的DNA双螺旋形式让人惊叹。


    国际先驱导报文章 螺旋结构是自然界最普遍的一种形状,DNA以及许多其它在生物细胞中发现的微型结构都采用了这种构造。然而,为何大自然对这种结构如此偏爱呢?美国宾夕法尼亚州的物理学家认为,他们找到了这一问题的数学答案。他们的研究成果发表在近期的《科学》杂志上。

    “为何螺旋结构是现在这个样子?过去的回答是——由分子之间的引力决定的。但这只能回答螺旋结构是如何形成的,而不能回答为什么它们是那种形状。”宾州大学的天文和物理学系教授兰德尔·卡缅指出,“从本质上来看,螺旋结构是在一个拥挤的空间,例如一个细胞里,聚成一个非常长的分子的较佳方式,譬如DNA。”

    在细胞的稠密环境中,长分子链经常采用规则的螺旋状构造。这不仅让信息能够紧密地结合其中,而且能够形成一个表面,允许其它微粒在一定的间隔处与它相结合。例如,DNA的双螺旋结构允许进行DNA转录和修复。

    为了显示空间对螺旋形成的重要性,卡缅建立了一个模型,把一个能随意变形、但不会断裂的管子浸入由硬的球体组成的混合物中,就好比是一个存在于十分拥挤的细胞空间中的一个分子。通过观测,他们发现对于这种短小易变形的管子而言,Ц形结构的形成所需的能量最小,空间也最少。而螺旋当中的Ц形结构,在几何学上最近似于在自然界的螺旋中找到的该种结构。

    “看来,分子中的螺旋结构是自然界能够最佳地使用手中材料的一个例子。DNA由于受到细胞内的空间局限而采用双螺旋结构,就像是由于公寓空间局限而采用螺旋梯的设计一样。”卡缅指出。[国际先驱导报]

 

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植物在太空失重条件下生长呈螺旋式上升模式

    太空研究发现植物在失重条件下生长新模式———

    你有没有想过在太空中,没有了重力,植物将怎样生长?美国科学家通过太空实验对苔藓类植物在无重力条件下的生长状况进行了研究,结果出乎意料,这些植物并没有像预期的那样散乱生长,而是长出了一种很有规律的螺旋形状。

    按照研究者们的预先想法,这种植物应该在太空中无序生长。普通的角龄藓是一种相对低级的植物,其末端细胞会受到地球重力的影响,在黑暗的环境中,不受光线影响的它们会一直向上生长。但在1997年和2003年先后两次进行的太空实验中,角龄藓都长成螺旋状,其中后一次实验搭载的正是后来失事的哥伦比亚号航天飞机,事故发生后机上大多数硬件都被找到,11个苔藓实验盘仍然可以用于科学研究。在两次实验过程中,宇航员都进行了严格的控制,在航天飞机进入地球大气层之前,他们就“锁定”了实验植物的生长环境,帮助科学家得到原始的太空状态数据。

    在地球上,重力控制着苔藓的生长方向,这种作用力来自地球的核心。科学家们认为,在没有重力的外太空,苔藓应该毫无阻力地四处生长,然而结果却远非如此,苔藓细胞按照一个车轮的顺序相继长出,两次实验结果基本相同。因此可以说,重力掩盖了苔藓的自主生长模式,这种模式只有在重力消失的情况下才能显现出来。 [竞报]

   

 

 

 

 

 

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