螺旋結構是自然界zui普遍的一種形狀,DNA以及許多其它在生物細胞中發現的微型結構都采用了這種構造。然而,為何大自然對這種結構如此偏愛呢?美國賓夕法尼亞州的物理學家認為,他們找到了這一問題的數學答案。他們的研究成果發表在近期的《科學》雜志上。
“為何螺旋結構是現在這個樣子?過去的回答是——由分子之間的引力決定的。但這只能回答螺旋結構是如何形成的,而不能回答為什么它們是那種形狀。”賓州大學的天文和物理學系教授蘭德爾·卡緬指出,對數螺旋
“從本質上來看,螺旋結構是在一個擁擠的空間,例如一個細胞里,聚成一個非常長的分子的較佳方式,譬如DNA。”
在細胞的稠密環境中,長分子鏈經常采用規則的螺旋狀構造。這不僅讓信息能夠緊密地結合其中,而且能夠形成一個表面,允許其它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。
為了顯示空間對螺旋形成的重要性,卡緬建立了一個模型,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,就好比是一個存在于十分擁擠的細胞空間中的一個分子。通過觀測,他們發現對于這種短小易變形的管子而言,Ц形結構的形成所需的能量zui小,空間也zui少。而螺旋當中的Ц形結構,在幾何學上zui近似于在自然界的螺旋中找到的該種結構。
“ 看來,分子中的螺旋結構是自然界能夠*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。”卡緬指出。