生命的螺旋結構

東方曉

雖然人類設計建筑與馬路時均偏好于筆直的線條，但大自然的選擇對此并不贊同，而更傾向于螺旋狀的卷曲結構。小到決定生命形態的DNA結構，乃至關乎我們后天性狀美丑的蛋白質結構及我們賴以生存的食物的主要組分淀粉，無一例外是螺旋結構。欲了解是什么決定了這樣的自然選擇及這種結構的益處，讓我們走近螺旋。

生物大分子螺旋

生物大分子DNA、蛋白質、淀粉、纖維素的結構中都存在著螺旋結構。我們所熟知的遺傳物質DNA是雙螺旋結構，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合，就誕生了綜合二者信息的新的生命。DNA最重要的結構是雙螺旋結構，但也可以形成其他結構,當雙螺旋體的一部分解開時，其中一條DNA鏈可以折疊回去，形成了三螺旋或其他結構。

與DNA雙螺旋結構相比，蛋白質中的螺旋是由氨基酸經脫水組成的單鏈螺旋，蛋白質末端運動自由度較大，可以組成三圈螺旋，三圈螺旋還可以轉變成折疊形狀。從這種意義上講，折疊是螺旋的一種特殊形式。

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

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

螺旋生物體

不僅生物大分子采取了螺旋的構型，而且有時整個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呈螺旋狀的緣故。螺旋藻是地球上最早出現的光合生物，研究表明，螺旋藻是所有已被發現的生物中營養成分最豐富，最全面，最均衡的海洋生物。它的細胞壁是由多糖類物質構成，極易被人體消化吸收，吸收率可達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，有清除血脂、疏通血管和保持血管彈性的作用，對防治心、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。胃液對許多細菌具有強烈的殺傷力，但對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，能夠分泌一種物質來中和周圍環境中的強酸，這是其過人之處。幽門螺旋桿菌很愛挑釁我們的免疫系統，往往激怒免疫系統發動初步的無情攻擊，導致發炎反應。因此感染幽門螺旋桿菌的人，會出現沒有癥狀的胃炎(也就是胃粘膜發炎)。人進入中年之后，會很容易得這些病，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現它們獨特的功能。水黽就是利用其腿部特殊的微納米螺旋結構效應在水面上行動自如，即使在狂風暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒而下沉。原來，這些取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內可以有效吸附空氣，在其表面形成一層穩定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤，從而表現出水黽腿的超疏水(即不浸水)特性。對其腿的力學測量表明：僅僅一條腿在水面的最大支持力就達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。螺旋結構是自然界最普遍的一種形狀，許多在生物細胞中發現的微型結構都采用了這種構造。那么，為何大自然對這種結構如此偏愛呢？在近期的《科學》雜志報道了這一現象的數學解釋。

美國賓州大學的蘭德爾·卡緬教授指出，從本質上來看，在擁擠的細胞(例如一個細胞里的DNA)中，非常長的分子聚成螺旋結構是一個較佳的方式。在細胞稠密而擁擠的環境中，長分子鏈經常采用規則的螺旋狀構造。這一構造有兩點好處：可以讓信息緊密地結合其中；還能夠形成一個表面，允許其他微粒在一定的間隔處與它相結合。例如，DNA的雙螺旋結構允許進行DNA轉錄和修復。

卡緬教授通過一個模型說明了這個問題：把一個能隨意變形、但不會斷裂的管子浸入由硬的球體組成的混合物中，管子就像是一個存在于十分擁擠的細胞空間中的一個分子。觀察發現對于短小易變形的管子而言，U形結構的形成所需的能量最小，空間也最少。而它的U形結構，在幾何學上與螺旋結構最為近似。

卡緬指出：“看來，分子中的螺旋結構是自然界能夠最佳地使用手中材料的一個例子。DNA由于受到細胞內的空間局限而采用雙螺旋結構，就像是由于公寓空間局限而采用螺旋梯的設計一樣?！边@是生物大分子采取螺旋結構的合理的數學解釋。然而為何生物體也以螺旋結構的形狀存在的原因仍不清楚，還有待進一步的研究。