首個(gè)已知分形分子是自然數(shù)學(xué)的奇跡

對于數(shù)學(xué)愛好者來說，分形是一種令人著迷的模式，它具有重復(fù)的、人造的外觀結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)已知的分形蛋白質(zhì)。

即使對數(shù)學(xué)家來說，分形的定義也很棘手，但一般來說，它們是由更小的結(jié)構(gòu)組成的幾何圖形，而這些結(jié)構(gòu)本身又與整體相似。在實(shí)踐中，這意味著如果放大分形的一部分，就會看到類似的結(jié)構(gòu)，如此類推，直至無窮。

在自然界中，分形特征出現(xiàn)在雪花、閃電和河網(wǎng)等事物中。分子似乎是發(fā)現(xiàn)分形的最佳場所，因?yàn)樗鼈兛梢耘帕谐筛鞣N有趣的形狀，但在現(xiàn)有的所有分子目錄中，還從未出現(xiàn)過規(guī)則分形。

據(jù)報(bào)道，德國馬克斯·普朗克研究所和美國菲利普斯大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)規(guī)則分子分形。這是一種藍(lán)藻用來生產(chǎn)檸檬酸鹽的酶，這種酶被發(fā)現(xiàn)可以自然地組合成一種特殊的分形圖案，這種圖案被稱為“謝爾賓斯基三角形”。

從一個(gè)等邊三角形開始。然后從中間打出一個(gè)倒三角形，這樣就有三個(gè)小三角形組成一個(gè)大三角形，中間有一個(gè)三角形空洞。然后從每個(gè)較小的實(shí)心三角形中打出一個(gè)倒三角形，這樣就有三個(gè)第二個(gè)形狀或九個(gè)原始形狀的三角形組成了一個(gè)較大的三角形。你可以一直這樣做下去，每個(gè)三角形都變小，這就是謝爾賓斯基三角形分形圖案。

這項(xiàng)研究的第一作者弗蘭茲斯卡·森德克說：“我們是偶然發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的，當(dāng)我們第一次用電子顯微鏡拍攝它的圖像時(shí)，幾乎不敢相信我們看到的一切。蛋白質(zhì)構(gòu)成了這些美麗的三角形，隨著分形的增長，我們在它們中間看到了這些越來越大的三角形空隙，這完全不同于我們以前見過的任何蛋白質(zhì)組裝?！?p>

為了弄清這種蛋白質(zhì)是如何形成如此有趣的結(jié)構(gòu)的，研究人員使用電子顯微鏡對其進(jìn)行了更詳細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)它的自組裝并不對稱。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同的蛋白質(zhì)鏈在分形的不同位置產(chǎn)生了略微不同的相互作用，從而形成了引人注目的結(jié)構(gòu)。

那么，這個(gè)數(shù)學(xué)奇跡在細(xì)菌生物學(xué)中是否有特定的作用呢？為了弄清這個(gè)問題，研究小組對這種微生物進(jìn)行了基因改造，使這種蛋白質(zhì)不能形成分形結(jié)構(gòu)，但這種細(xì)菌仍能正常生產(chǎn)檸檬酸鹽。

這啟發(fā)了研究人員對另一種可能性進(jìn)行研究： 這種結(jié)構(gòu)相對容易進(jìn)化，因此它只是偶然發(fā)生的，不需要有特定的目的。他們利用祖先序列重建技術(shù)追溯了數(shù)百萬年來可能的進(jìn)化過程，然后用生物化學(xué)方法制造出了這些古老的蛋白質(zhì)。

令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)這種分形結(jié)構(gòu)出現(xiàn)得相當(dāng)快，只經(jīng)過了幾次突變。但這種結(jié)構(gòu)很快就在其他藍(lán)藻品系中消失了，直到最近在一個(gè)物種中才被發(fā)現(xiàn)。

該研究的資深作者格奧爾格·霍赫伯格說：“雖然我們永遠(yuǎn)無法完全確定過去發(fā)生的事情的原因，但這一特殊案例確實(shí)具有看似復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)的所有特征，這種結(jié)構(gòu)只是突然出現(xiàn)的，沒有任何好的理由，因?yàn)樗浅Ｈ菀走M(jìn)化?！?/p>

對于那些在幾乎感覺是人造的東西中尋找意義的人們來說，這可能不是一個(gè)特別令人滿意的解釋，但從好的方面來說，這確實(shí)表明可能還有更多的分子分形等待著人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》雜志上。