生命的螺旋结构

东方晓

虽然人类设计建筑与马路时均偏好于笔直的线条，但大自然的选择对此并不赞同，而更倾向于螺旋状的卷曲结构。小到决定生命形态的DNA结构，乃至关乎我们后天性状美丑的蛋白质结构及我们赖以生存的食物的主要组分淀粉，无一例外是螺旋结构。欲了解是什么决定了这样的自然选择及这种结构的益处，让我们走近螺旋。

生物大分子螺旋

生物大分子DNA、蛋白质、淀粉、纤维素的结构中都存在着螺旋结构。我们所熟知的遗传物质DNA是双螺旋结构，它包含着人体的遗传信息。在受精卵中父系与母系的各一条链相结合，就诞生了综合二者信息的新的生命。DNA最重要的结构是双螺旋结构，但也可以形成其他结构,当双螺旋体的一部分解开时，其中一条DNA链可以折叠回去，形成了三螺旋或其他结构。

与DNA双螺旋结构相比，蛋白质中的螺旋是由氨基酸经脱水组成的单链螺旋，蛋白质末端运动自由度较大，可以组成三圈螺旋，三圈螺旋还可以转变成折叠形状。从这种意义上讲，折叠是螺旋的一种特殊形式。

人体中的蛋白质就是螺旋与折叠结构复合而成的复杂结构。比如，人体中重要的蛋白质——胶原蛋白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。人体中有16%左右是蛋白质，胶原蛋白占体内蛋白质总量的30%～40%，主要存在于皮肤肌肉、骨骼、牙齿、内脏与眼睛等处。

除遗传物质与蛋白质外，我们的主要食物淀粉的结构和所穿衣物（棉）中的主要成分棉纤维，也多是螺旋结构。

螺旋生物体

不仅生物大分子采取了螺旋的构型，而且有时整个生物体的形状或生物体的组成部分也可以是螺旋体。我们熟悉的螺旋藻就是这样的一种生物，其得名就是由于其形体在显微镜下观察时呈螺旋状的缘故。螺旋藻是地球上最早出现的光合生物，研究表明，螺旋藻是所有已被发现的生物中营养成分最丰富，最全面，最均衡的海洋生物。它的细胞壁是由多糖类物质构成，极易被人体消化吸收，吸收率可达95%以上。此外，螺旋藻还富含胡萝卜素，亚麻酸和亚油酸等活性物质，有清除血脂、疏通血管和保持血管弹性的作用，对防治心、脑血管疾病很有益处。螺旋藻是人类的朋友，而下面的另一种螺旋状的生命体就不能算是人类的朋友。

寄居在胃里的幽门螺旋杆菌，也是因其呈杆状、螺旋形而得名。胃液对许多细菌具有强烈的杀伤力，但对幽门螺旋杆菌却奈何不得。幽门螺旋杆菌埋藏在胃壁表面的黏膜下方，能够分泌一种物质来中和周围环境中的强酸，这是其过人之处。幽门螺旋杆菌很爱挑衅我们的免疫系统，往往激怒免疫系统发动初步的无情攻击，导致发炎反应。因此感染幽门螺旋杆菌的人，会出现没有症状的胃炎(也就是胃粘膜发炎)。人进入中年之后，会很容易得这些病，这都是幽门螺旋杆菌的祸害所致。

除上述生物体本身呈螺旋状外，而有些生物却借助螺旋形状实现它们独特的功能。水黾就是利用其腿部特殊的微纳米螺旋结构效应在水面上行动自如，即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没而下沉。原来，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吸附空气，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，从而表现出水黾腿的超疏水(即不浸水)特性。对其腿的力学测量表明：仅仅一条腿在水面的最大支持力就达到了其身体总重量的15倍。

生命为何爱螺旋？

由上述得知，大自然几乎到处都存在螺旋。螺旋结构是自然界最普遍的一种形状，许多在生物细胞中发现的微型结构都采用了这种构造。那么，为何大自然对这种结构如此偏爱呢？在近期的《科学》杂志报道了这一现象的数学解释。

美国宾州大学的兰德尔·卡缅教授指出，从本质上来看，在拥挤的细胞(例如一个细胞里的DNA)中，非常长的分子聚成螺旋结构是一个较佳的方式。在细胞稠密而拥挤的环境中，长分子链经常采用规则的螺旋状构造。这一构造有两点好处：可以让信息紧密地结合其中；还能够形成一个表面，允许其他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。

卡缅教授通过一个模型说明了这个问题：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，管子就像是一个存在于十分拥挤的细胞空间中的一个分子。观察发现对于短小易变形的管子而言，U形结构的形成所需的能量最小，空间也最少。而它的U形结构，在几何学上与螺旋结构最为近似。

卡缅指出：“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。”这是生物大分子采取螺旋结构的合理的数学解释。然而为何生物体也以螺旋结构的形状存在的原因仍不清楚，还有待进一步的研究。