生命為何偏愛螺旋結構

多姿多彩、妙不可言的生命現象，歷來都是人們最關注的課題之一。一批批生物學家在探索生物之謎的過程中，為之奮鬥以至獻身，以卓越的貢獻揚起生物學「長風破浪」的航帆。今天，當我們打開群星閃耀的生物學史冊時，對J．華生（Jin Watson）、F．克里克（Francis Crick）的傑出貢獻，不能不予以格外關注。就是這兩位科學巨匠，在五十多年前提出了「DNA雙股螺旋結構模型」的驚世觀點，翻開了分子生物學的新篇章。如果說在揭示生物演化發展規律、推動生物學發展方面，十九世紀達爾文演化論具有里程碑意義的話，那麼，DNA雙股螺旋結構模型的提出，則是開啟生命科學新階段的又一座里程碑。以它為起點，人類開始進入改造、設計生命的征程。

雙股螺旋結構的發現

儘管浩繁紛雜的生物千差萬別，但從最小的病毒到大型的哺乳動物，不論哪個種類，都能把自己的特性毫無例外的一代代傳承下去；但無論是親代與子代，還是子代各個個體之間，又總會存在差別，即便是雙胞胎。人們經常用「一母生九子，九子各別」和「種瓜得瓜，種豆得豆」兩句諺語，生動的概括存在於一切生物中的這一自然現象，並為揭開遺傳、變異的奧祕進行了不懈的探索。

有人早在十七世紀末，就提出過「預成論」的觀點，認為在性細胞（精子或卵細胞）中，預先包含著一個微小的新的個體雛形，所以生物能把自己的特性特徵傳給後代。不同的是，精原論者認為這種「微生體」存在於精子當中；而卵原論者則認為存在於卵子之中。

然而無論在精子還是卵子中，人們根本見不到這種「雛形」，所以這種觀點很快就被事實所推翻。取而代之的理論是德國胚胎學家沃爾夫提出的「漸成論」：在個體發育過程中，生物體的任何組織和器官逐漸形成。但這無法解釋遺傳變異的操縱者究竟是何物？

第一次提出了「遺傳因數」（後被稱作為基因）的概念是在西元一八六五年，奧地利遺傳學家孟德爾闡述了他所發現的分離法則和自由組合法則，並認為這種「遺傳因數」是決定遺傳特性的物質基礎，存在於細胞當中。

一九〇九年，丹麥植物學家詹森用「基因」一詞代替了孟德爾的「遺傳因數」。基因從此便被看作是功能的基本單位、生物遺傳變異的結構和生物特性的決定者。

一九二六年，美國遺傳學家摩爾根發表了赫赫有名的《基因論》。透過大量實驗，他和其他學者證明：基因是組成染色體的遺傳公司，它在染色體上占有一定的位置和空間，呈直線排列。這樣，就使孟德爾提出的有關遺傳因數的抽象假說落實到具體的遺傳物質──基因上，為後來研究基因結構和功能進一步奠定了理論基礎。

即使這樣，人們當時並不知道究竟基因是一種什麼物質。直至一九四〇年代，當科學家認識了核酸，特別是去氧核醣核酸（簡稱DNA），是一切生物的遺傳物質時，基因一詞才總算有了確切的內容。

一九五一年，科學家在實驗室裡研發出DNA結晶；

一九五二年，得到DNAX光繞射圖譜，發現進入細菌細胞後，病毒DNA可以複製出病毒顆粒……

有兩件事情，在此期間是直接促進了DNA雙股螺旋結構的發現：一是美國加州大學森格爾教授發現了蛋白質分子的螺旋結構；二是在生物大分子結構研究中獲得有效應用了X光繞射技術，為之提供了決定性的實驗依據。

美國科學家華生與英國科學家克里克的合作，正是在這種科學背景和研究條件下，透過分析研究了大量X光繞射材料，提出DNA的雙股螺旋結構模型，由此建立了遺傳密碼和範本學說。

此後圍繞DNA的結構和作用繼續開展研究，科學家們也取得了一系列的重大進展，並且於一九六一年成功破解了遺傳密碼，無可辯駁的證實了DNA雙股螺旋結構的正確性，從而使沃林、克里克和威爾金斯於一九六二年一起獲得諾貝爾醫學生理學獎。

生物大分子螺旋

雖然人類設計馬路與建築時都喜歡筆直的線條，但大自然並不贊同這種選擇，而是更偏愛螺旋狀的捲曲結構。決定生命形態的DNA結構、影響我們後天美醜特性的蛋白質結構，以及我們日常所需的食物的主要成分澱粉等，全部都是螺旋結構。

生物的大分子DNA、纖維素結構、蛋白質澱粉中，都存在螺旋結構。就連我們所熟知的包含著人體的遺傳資訊的遺傳物質DNA，也是雙股螺旋結構。父系與母系在受精卵中的各一條鏈相結合，就產生了結合了二者資訊的新生命。不過，雙股螺旋結構只是DNA最重要的一種結構，也可能形成其他結構。當雙股螺旋體的一部分解開時，就可以形成三螺旋或其他結構，而其中一條DNA鏈摺疊了回去。

蛋白質中的螺旋與DNA的雙股螺旋結構相比，是由胺基酸經脫水組成的單鏈螺旋，它末端運動有較大的自由度，可以組成三圈螺旋，三圈螺旋還可以變成摺疊的樣子。在這種意義上，摺疊可以說是螺旋的一種特殊形式。

人體中的蛋白質就是由摺疊結構與螺旋複合而成的複雜結構。比如：膠原蛋白作為人體中重要的蛋白質，就是由三條肽鏈扭成「草繩狀」三股螺旋結構，其中每條肽鏈自身也是螺旋結構。眾所周知，蛋白質占人體的百分之十六左右，而體內蛋白質的百分之三十至百分之四十是膠原蛋白，主要存在於骨骼、皮膚肌肉、內臟、牙齒與眼睛等處。

不僅僅是遺傳物質和蛋白質，我們的主要食物澱粉和所穿棉衣物中的主要成分棉纖維，也大多都是螺旋結構。

螺旋生物體

不僅生物大分子，整個生物體的組成部分或生物體的形狀，有時也可能是螺旋體的構型。大家常聽說的螺旋藻就是這樣的一種生物，其名字的由來就是因為在顯微鏡下觀察時形體呈螺旋狀。

地球上最早出現的光合生物就是螺旋藻。研究表明，螺旋藻是有已被發現的所生物中營養成分最豐富、均衡、全面的海洋生物。它的由多醣類物質構成的細胞壁，極容易被人體所消化吸收，吸收率可達百分之九十五以上。此外，螺旋藻中還富含各種活性物質如胡蘿蔔素、亞麻油酸等，能疏通血管、清除血脂和保持血管彈性，對防治心、腦血管疾病有很好的幫助作用。

幽門螺旋桿菌，它寄居在人體胃內，也是因呈桿狀、螺旋形而得名的。對許多細菌胃酸都具有很強的殺傷力，但是卻奈何不了幽門螺旋桿菌。因為埋藏在胃壁表面黏膜下方的幽門螺旋桿菌，可以分泌一種能中和周圍環境中強酸的物質；而且，幽門螺旋桿菌很愛對我們的免疫系統「挑釁」，經常刺激免疫系統發動初步的無情反擊，從而導致發炎，使感染幽門螺旋桿菌的人常會出現沒有症狀的胃炎（即胃黏膜發炎）。在進入中年之後，人們會很容易得這些病，這都是拜幽門螺旋桿菌所賜。

上述這些生物體本身都呈螺旋狀，不過有些生物還要透過螺旋形狀來實現它們的獨特功能。水黽之所以能在水面上行動自如，就是利用了其腿部特殊的微奈米螺旋結構效應，不管是狂風驟雨，還是在急速流動的水流中都不會沉沒。其原理是在這些取向的微米剛毛和螺旋狀奈米溝槽的縫隙內，可以有效的吸附空氣，從而在其表面形成一層穩定的氣膜，有效防止了水滴的浸潤，從而表現出超強的疏水（即不浸水）特性。科學家對水黽腿部進行力學測量後發現：一條腿在水面的最大支撐力，可以達到其身體總重量的十五倍。

生命為何「偏愛」螺旋結構

透過上面的講述我們可以得知，大自然中幾乎到處都存在著螺旋。而許多在生物細胞中發現的微型結構都採用了這種螺旋構造，它是自然界最普遍的一種形狀。

那麼，為什麼大自然會如此偏愛這種結構呢？科學家對此給出了合理的解釋。

美國賓州大學的蘭德爾．卡緬教授指出，從本質上來說，非常長的分子聚成螺旋結構在擁擠的細胞（如一個細胞裡的DNA）中，是一個比較合理的方式。在細胞稠密而擁擠的環境中，長分子鏈經常採用的是規則的螺旋狀構造。之所以這樣構造，好處主要有兩點：一是能使資訊緊密結合在裡面；二是可以形成一個表面，使其他微粒與它在一定的間隔處相結合。比如：DNA的雙股螺旋結構允許進行DNA轉錄和修復。

透過一個模型卡緬教授成功解釋了這個問題：將一根可隨意變形、卻不會斷裂的管子浸入由堅硬球體組成的混合物中，管子就好比一個存在於十分擁擠的細胞空間中的一個分子。觀察表明，U形結構的形成對於短小易變形的管子來說，所需的能量最小，空間也最少；而在幾何學上，它的U形結構與螺旋結構最為相近。

卡緬由此指出，自然界能最佳的使用手中材料，分子中的螺旋結構就是一個例子。由於受到細胞內的空間局限，DNA採用了雙股螺旋結構，就像是因為公寓空間的局限而採用的螺旋梯設計一樣。這就從數學上解釋了生物大分子採取螺旋結構的原理。然而為什麼生物體也以螺旋結構的形狀存在呢？原因還有待於進一步的研究。

延伸閱讀──認識基因工程

作為生物工程的一個重要分支，基因工程與細胞工程、酶工程、蛋白質工程和微生物工程共同組成了生物工程。而基因工程就是指對基因在分子尺度上進行操作的複雜技術，是透過體外重組後將外源基因導入受體細胞內，使這個基因在受體細胞內複製、轉錄、翻譯表達的操作。基因工程是先用人為的方法提取出需要的某一供體生物遺傳物質──DNA大分子，用適當的工具酶在離體條件下進行切割後，將它再與作為載體的DNA分子連接起來，然後一起與載體導入某一更易生長繁殖的受體細胞中，讓外源物質在其中「安家落戶」，進行正常的複製和表達，從而獲得新物種的一種嶄新技術。

根據這個定義我們可以看出，基因工程有這麼幾個重要特徵：

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種屏障，將任何一種生物的基因導入到新的生物體中，所以這種生物可以與原來生物毫無親緣關係。這種優勢是基因工程的第一個重要特徵。

第二，因為是一種確定的DNA小片段在新的寄主細胞中擴增，這就使少量DNA樣品可以「複製」出大量DNA，並且是許多絕對純淨的、沒有汙染任何其他DNA序列的DNA分子群。學界將這種改變人類生殖細胞DNA的技術稱作「基因系治療」，針對改變動植物生殖細胞的研究就是我們通常所說的「基因工程」。但無論如何稱呼，個體生殖細胞的DNA改變都將可能使其後代發生同樣的變化。　

目前為止，基因工程尚未用於人體，但在幾乎所有非人生命物體（從細菌到家畜）上做的實驗中都取得了很大的成功。實際上，用於治療糖尿病的所有胰島素都源於一種細菌，該細菌DNA中被植入了可以產生人類胰島素的基因，它便可自行複製胰島素。

許多植物在基因工程技術的幫助下便具有了抗病蟲害和抗除草劑的能力。在美國，大約有百分之二十五的玉米和百分之五十的大豆都是基因改造的。在農業中是否該採用基因改造動植物目前也已成為人們爭論的焦點。贊同者認為，基因改造農產品相對容易生長，也含更富有營養（甚至藥物），可以幫助減緩世界範圍內的饑荒和疾病；而在反對者看來，在農產品中引入新基因會產生副作用，甚至會破壞環境。　

不過仍然有許多基因的功能及協同工作方式現在是不為人類所知的，但基因工程可使寵物不再引起過敏、使番茄產生抗癌作用、使鮭魚長得比平常的大幾倍等等，很多人還是願意對人類基因做出這樣的修改的。畢竟，基因修復、基因工程和胚胎遺傳病篩查等技術除了可以用來治療疾病，還為改變其他人類特性諸如智力、眼睛顏色等提供了可能。

生命為何偏愛螺旋結構

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前 言

人類社會的發展史基本上可以概括為一部科技發展史。從茹毛飲血的洪荒時代進入到高速發展的資訊數位時代，科技充分顯示了它強大無比的穿透力和覆蓋面。

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