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生命为何偏爱螺旋结构（第1页）

生命为何偏爱螺旋结构

多姿多彩、妙不可言的生命现象，历来都是人们最关注的课题之一。一批批生物学家在探索生物之谜的过程中，为之奋斗以至献身，以卓越的贡献扬起生物学“长风破浪”的航帆。今天，当我们打开群星闪耀的生物学史册时，对J·沃森（JinWatson）、F·克里克（FrancisCrick）的杰出贡献，不能不予以格外关注。就是这2位科学巨匠，在50多年前提出了“DNA双螺旋结构模型”的惊世观点，翻开了分子生物学的新篇章。如果说在揭示生物进化发展规律、推动生物学发展方面，19世纪达尔文进化论具有里程碑意义的话，那么，DNA双螺旋结构模型的提出，则是开启生命科学新阶段的又一座里程碑。以它为起点，人类开始进入改造、设计生命的征程。

*双螺旋结构的发现

尽管浩繁纷杂的生物千差万别，但从最小的病毒到大型的哺乳动物，不论哪个种类，都能把自己的性状毫无例外地一代代传承下去；但无论是亲代与子代，还是子代各个个体之间，又总会存在差别，即便是双胞胎。人们经常用“一母生九子，九子各别”和“种瓜得瓜，种豆得豆”两句谚语，生动地概括存在于一切生物中的这一自然现象，并为揭开遗传、变异的奥秘进行了不懈的探索。

有人早在17世纪末，就提出过“预成论”的观点，认为在性细胞（**或卵细胞）中，预先包含着一个微小的新的个体雏形，所以生物能把自己的性状特征传给后代。不同的是，精原论者认为这种“微生体”存在于**当中；而卵原论者则认为存在于卵子之中。

然而无论在**还是卵子中，人们根本见不到这种“雏形”，所以这种观点很快就被事实所推翻。取而代之的理论是德国胚胎学家沃尔夫提出的“渐成论”：在个体发育过程中，生物体的任何组织和器官逐渐形成。但这无法解释遗传变异的操纵者究竟是何物？

第一次提出了“遗传因子”（后被称作为基因）的概念是在1865年，奥地利遗传学家孟德尔阐述了他所发现的分离法则和自由组合法则，并认为这种“遗传因子”是决定遗传性状的物质基础，存在于细胞当中。

1909年，丹麦植物学家约翰逊用“基因”一词代替了孟德尔的“遗传因子”。基因从此便被看作是功能的基本单位、生物遗传变异的结构和生物性状的决定者。

1926年，美国遗传学家摩尔根发表了赫赫有名的《基因论》。通过大量实验，他和其他学者证明：基因是组成染色体的遗传单位，它在染色体上占有一定的位置和空间，呈直线排列。这样，就使孟德尔提出的有关遗传因子的抽象假说落实到具体的遗传物质——基因上，为后来研究基因结构和功能进一步奠定了理论基础。

即使这样，人们当时并不知道究竟基因是一种什么物质。直至20世纪40年代，当科学家认识了核酸，特别是脱氧核糖核酸（简称DNA），是一切生物的遗传物质时，基因一词才总算有了确切的内容。

1951年，科学家在实验室里研制出DNA结晶；

1952年，得到DNAX射线衍射图谱，发现进入细菌细胞后，病毒DNA可以复制出病毒颗粒……

有两件事情，在此期间是直接促进了DNA双螺旋结构的发现：一是美国加州大学森格尔教授发现了蛋白质分子的螺旋结构；二是在生物大分子结构研究中获得有效应用了X射线衍射技术，为之提供了决定性的实验依据。

美国科学家沃森与英国科学家克里克的合作，正是在这种科学背景和研究条件下，通过分析研究了大量X射线衍射材料，提出DNA的双螺旋结构模型，由此建立了遗传密码和模板学说。

此后围绕DNA的结构和作用继续开展研究，科学家们也取得了一系列的重大进展，并且于1961年成功破译了遗传密码，无可辩驳地证实了DNA双螺旋结构的正确性，从而使沃林、克里克同威尔金斯于1962年一起获得诺贝尔医学生理学奖。

*生物大分子螺旋

虽然人类设计马路与建筑时都喜欢笔直的线条，但大自然并不赞同这种选择，而是更偏爱螺旋状的卷曲结构。决定生命形态的DNA结构、影响我们后天美丑性状的蛋白质结构，以及我们日常所需的食物的主要成分淀粉等，全部都是螺旋结构。

生物的大分子DNA、纤维素结构、蛋白质淀粉中，都存在螺旋结构。就连我们所熟知的包含着人体的遗传信息的遗传物质DNA，也是双螺旋结构。父系与母系在受精卵中的各一条链相结合，就产生了结合了二者信息的新生命。不过，双螺旋结构只是DNA最重要的一种结构，也可能形成其他结构。当双螺旋体的一部分解开时，就可以形成三螺旋或其他结构，而其中一条DNA链折叠了回去。

蛋白质中的螺旋与DNA的双螺旋结构相比，是由氨基酸经脱水组成的单链螺旋，它末端运动有较大的自由度，可以组成三圈螺旋，三圈螺旋还可以变成折叠的样子。在这种意义上，折叠可以说是螺旋的一种特殊形式。

人体中的蛋白质就是由折叠结构与螺旋复合而成的复杂结构。比如，胶原蛋白作为人体中重要的蛋白质，就是由三条肽链拧成“草绳状”三股螺旋结构，其中每条肽链自身也是螺旋结构。众所周知，蛋白质占人体的16%左右，而体内蛋白质的30%～40%是胶原蛋白，主要存在于骨骼、皮肤肌肉、内脏、牙齿与眼睛等处。

不仅仅是遗传物质和蛋白质，我们的主要食物淀粉和所穿棉衣物中的主要成分棉纤维，也大多都是螺旋结构。

*螺旋生物体

不仅生物大分子，整个生物体的组成部分或生物体的形状，有时也可能是螺旋体的构型。大家常听说的的螺旋藻就是这样的一种生物，其名字的由来就是因为在显微镜下观察时形体呈螺旋状。

地球上最早出现的光合生物就是螺旋藻。研究表明，螺旋藻是有已被发现的所生物中营养成分最丰富、均衡、全面的海洋生物。它的由多糖类物质构成的细胞壁，极容易被人体所消化吸收，吸收率可达95%以上。此外，螺旋藻中还富含各种活性物质如胡萝卜素、亚麻酸和亚油酸等，能疏通血管、清除血脂和保持血管弹性，对防治心、脑血管疾病有很好的帮助作用。

幽门螺旋杆菌，它寄居在人体胃内，也是因呈杆状、螺旋形而得名的。对许多细菌胃液都具有很强的杀伤力，但是却奈何不了幽门螺旋杆菌。因为埋藏在胃壁表面黏膜下方的幽门螺旋杆菌，可以分泌一种能中和周围环境中强酸的物质；而且，幽门螺旋杆菌很爱对我们的免疫系统进行“挑衅”，经常刺激免疫系统发动初步的无情反击，从而导致发炎，使感染幽门螺旋杆菌的人常会出现没有症状的胃炎（即胃粘膜发炎）。在进入中年之后，人们会很容易得这些病，这都是拜幽门螺旋杆菌所赐。

上述这些生物体本身都呈螺旋状，不过有些生物还要通过螺旋形状来实现它们的独特功能。水黾之所以能在水面上行动自如，就是利用了其腿部特殊的微纳米螺旋结构效应，不管是狂风骤雨，还是在急速流动的水流中都不会沉没。其原理是在这些取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，可以有效地吸附空气，从而在其表面形成一层稳定的气膜，有效防止了水滴的浸润，从而表现出超强的疏水（即不浸水）特性。科学家对水黾腿部进行力学测量后发现：一条腿在水面的最大支持力，可以达到其身体总重量的15倍。

*生命为何“偏爱”螺旋结构

通过上面的讲述我们可以得知，大自然中几乎到处都存在着螺旋。而许多在生物细胞中发现的微型结构都采用了这种螺旋构造，它是自然界最普遍的一种形状。

那么，为什么大自然会如此偏爱这种结构呢？科学家对此给出了合理的解释。

美国宾州大学的兰德尔·卡缅教授指出，从本质上来说，非常长的分子聚成螺旋结构在拥挤的细胞（如一个细胞里的DNA）中，是一个比较合理的方式。在细胞稠密而拥挤的环境中，长分子链经常采用的是规则的螺旋状构造。之所以这样构造，好处主要有2点：一是能使信息紧密地结合在里面；二是可以形成一个表面，使其他微粒与它在一定的间隔处相结合。比如，DNA的双螺旋结构允许进行DNA转录和修复。

通过一个模型卡缅教授成功解释了这个问题：将一根可随意变形、却不会断裂的管子浸入由坚硬球体组成的混合物中，管子就好比一个存在于十分拥挤的细胞空间中的一个分子。观察表明，U形结构的形成对于短小易变形的管子来说，所需的能量最小，空间也最少；而在几何学上，它的U形结构与螺旋结构最为相近。

卡缅由此指出，自然界能最佳地使用手中材料，分子中的螺旋结构就是一个例子。由于受到细胞内的空间局限，DNA采用了双螺旋结构，就像是因为公寓空间的局限而采用的螺旋梯设计一样。这就从数学上解释了生物大分子采取螺旋结构的原理。然而为什么生物体也以螺旋结构的形状存在呢？原因还有待于进一步的研究。

延伸阅读——认识基因工程

作为生物工程的一个重要分支，基因工程与细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。而基因工程就是指对基因在分子水平上进行操作的复杂技术，是通过体外重组后将外源基因导入受体细胞内，使这个基因在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。基因工程是先用人为的方法提取出需要的某一供体生物遗传物质——DNA大分子，用适当的工具酶在离体条件下进行切割后，将它再与作为载体的DNA分子连接起来，然后一起与载体导入某一更易生长繁殖的受体细胞中，让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术。

根据这个定义我们可以看出，基因工程有这么几个重要特征：

第一，在不同寄主生物中，外源核酸分子的繁殖能跨越天然的物种屏障，将任何一种生物的基因导入到新的生物体中，所以这种生物可以与原来生物毫无亲缘关系。这种优势是基因工程的第一个重要特征。

第二，因为是一种确定的DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增，这就使少量DNA样品可以“拷贝”出大量DNA，并且是许多绝对纯净的、没有污染任何其它DNA序列的DNA分子群。学界将这种改变人类生殖细胞DNA的技术称作“基因系治疗”，针对改变动植物生殖细胞的研究就是我们通常所说的“基因工程”。但无论如何称呼，个体生殖细胞的DNA改变都将可能使其后代发生同样的变化。

目前为止，基因工程尚未用于人体，但在几乎所有非人生命物体（从细菌到家畜）上做的实验中都取得了很大的成功。实际上，用于治疗糖尿病的所有胰岛素都源于一种细菌，该细菌DNA中被植入了可以产生人类胰岛素的基因，它便可自行复制胰岛素。

许多植物在基因工程技术的帮助下便具有了抗病虫害和抗除草剂的能力。在美国，大约有25％的玉米和50％的大豆都是转基因的。在农业中是否该采用转基因动植物目前也已成为人们争论的焦点。赞同者认为，转基因农产品相对容易生长，也含更富有营养（甚至药物），可以帮助减缓世界范围内的饥荒和疾病；而在反对者看来，在农产品中引入新基因会产生副作用，甚至会破坏环境。

不过仍然有许多基因的功能及协同工作方式现在是不为人类所知的，但基因工程可使宠物不再引起过敏、使番茄产生抗癌作用、使鲑鱼长得比平常的大几倍，等等，很多人还是愿意对人类基因做出这样的修改的。毕竟，基因修复、基因工程和胚胎遗传病筛查等技术除了可以用来治疗疾病，还为改变其他人类特性诸如智力、眼睛颜色等提供了可能。