這個解釋起來其實要數(shù)學和物理很好不知道你要詳細到什么地步的所以……
（以下內(nèi)容摘自網(wǎng)絡）PS.如果滿意請采納~謝謝~~ :）
DNA為什么是雙螺旋結構
（撰文：夏烆光）
內(nèi)容提要:本文從力學的角度出發(fā)闡明：蛋白質分子為什么是螺旋式的結構?DNA為什么是雙螺旋結構?核苷酸分子為什么只能有四種類型?以及它們的自我復制功能為什么是唯一的?反過來,從蛋白質分子和DNA分子的螺旋狀結構中證明,微觀粒子存在著螺旋式前進的運動規(guī)律.進而,證明廣義時空相對論所給出的理論結果本身的正確性.
一 引言
1909年,丹麥植物學家約翰遜用“基因”一詞取代了孟德爾的“遺傳因子”.從此,基因便被看作是生物性狀的決定者,或者說,被看成是生物遺傳變異結構和功能的基本單位.1926年,美國遺傳學家摩爾根發(fā)表了著名的《基因論》.他和其他學者用大量的實驗證明,基因是組成“染色體”的“遺傳單位”.基因在染色體上占有一定的位置和空間,并呈現(xiàn)為直線排列.這樣一來,就使孟德爾關于“遺傳因子”的假說,體現(xiàn)到具體的遺傳物質——基因這一概念上.這個結論,為后來進一步研究基因的結構和功能奠定了最初的理論基礎.盡管情況如此,但當時的人們并不知道“基因”究竟是一種什么樣的物質.直到上個世紀40年代,當生物科學工作者弄清楚了“核酸”,特別是脫氧核糖核酸（簡稱DNA）,乃是一切生物傳宗接代的遺傳物質時,“基因”這一概念才有了確切的生物學內(nèi)涵.其間,1951年科學家們在實驗室里獲得了DNA的結晶體；1952年又獲得了DNA的X射線衍射圖譜.在此基礎上,于1953年,年僅25歲的美國科學家詹姆斯?沃森與37歲的英國科學家西斯?克里克共同闡明了這個劃時代的學術成果,——他們從DNA（脫氧核糖核酸）的X射線衍射圖上解讀了它的“雙螺旋結構”.DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn),開創(chuàng)了分子生物學的新時代,它使生物大分子的研究跨入了一個嶄新的研究階段,并使遺傳學的研究深入到了分子層次,從而邁出了解開“生命之謎”的重要一步.
應該承認,當時的兩項科學成就對DNA“雙螺旋結構”的發(fā)現(xiàn)起到了至關重要的作用.一是,美國加州大學森格爾教授發(fā)現(xiàn)了蛋白質分子的螺旋狀結構；二是,X射線衍射技術在生物大分子結構研究中得到了實際的應用,從而有了觀測分子內(nèi)部結構的實驗手段.正是在這樣的科學背景和研究條件下,才促使沃森來到英國劍橋大學與克里克合作,致力于研究DNA的結構模式.他們通過對大量X射線衍射實驗結果的分析與研究,提出了DNA的雙螺旋結構模型.這項研究成果發(fā)表在1953年4月25日英國的《發(fā)現(xiàn)》雜志上.在隨后的日子里,科學家們便圍繞著DNA的結構和作用,陸續(xù)地展開了進一步的研究工作,取得了一系列的重大進展,并于1961年終于成功地破譯了“遺傳密碼”,以雄辯的實驗依據(jù)證實了DNA雙螺旋結構這個結論的正確性.沃林、克里克、威爾金斯等三人,因此而共同分享了1962年諾貝爾醫(yī)學生理學獎.（參見[1]）
二核苷酸只有四種結構模型
基因（DNA）是自然界唯一能夠自我復制的生物分子.正是由于DNA的這種精細準確的自我復制功能,為生物體將其祖先的生物特性傳遞給下一代提供了保證.現(xiàn)代生物學研究已經(jīng)清楚地證明,NDA是由大量“核苷酸分子”組成的生物“大分子”.核苷酸分子有四種類型,它們按著不同的順序排列,構成了含有各種遺傳信息的生物基因（DNA）.基因是包含著特定遺傳信息的脫氧核糖核酸片段.
實驗證明,“大腸桿菌”是一個品系繁多的大家族,其中有成千上萬種不同的類型.生物學的研究發(fā)現(xiàn),一些品系的大腸桿菌,本身缺少指導合成某些特殊營養(yǎng)物質的基因,因此,它們必須從培養(yǎng)基中直接攝取營養(yǎng)物質才能生活,——這樣的大腸桿菌,被生物學稱之作“營養(yǎng)缺陷型”.例如,大腸桿菌K不能合成蘇氨酸（T）和亮氨酸（L）；而它的另一個品系則不具備合成生物素（B）和甲硫氨（M）的能力.實驗表明,如果把這兩種大腸桿菌中的任何一種單獨放在缺少T、L、B、M的培養(yǎng)基上都不能生長.但是,當我們把這兩種品系的大腸桿菌混合在一起,然后放到缺少TLBM這四種物質的培養(yǎng)基上,卻奇跡般地長出了新菌落.這是為什么呢?簡單地說：就是因為在大腸桿菌K的DNA中,缺少T、L兩種基因,而只含有B和M兩種另外的基因；同樣,在另一個品系大腸桿菌的DNA中,雖然不具備B和M基因,但卻含有前者所缺少的T、L兩種基因.把這兩種營養(yǎng)缺陷型的大腸桿菌放在一起,就等于把四種基因放在一起來進行培養(yǎng).這樣一來,前一品系細胞中的DNA,就有可能通過細胞膜進入后一品系的細胞中,使兩種類型的DNA之間進行基因重組,從而形成含有T、L、B、M四種基因的新型大腸桿菌.
我們說,生物學的這一重大發(fā)現(xiàn),僅僅證明DNA本身具有雙螺旋結構,但是,這里并沒有指出,形成這種雙螺旋結構的物理原因是什么.作為深入的學術研究,完全有必要弄清以下問題：1、蛋白質分子為什么是螺旋狀的結構?2、DNA分子為什么是雙螺旋式的結構?3、核苷酸分子為什么只有四種類型?4、由核苷酸分子所構成的DNA分子,能夠唯一自我復制生物分子的原因是什么?而本文將從力學的角度上,探索并嘗試地回答這些新問題.
三蛋白質分子為什么是螺旋結構
這里,我們先來回答：蛋白質分子為什么是螺旋狀的結構?為了回答這個問題,必須先來簡單地介紹一下微觀粒子的運動特征.根據(jù)《廣義時空相對論》的理論結果知道,微觀粒子的運動規(guī)律是：在不?！白孕钡耐瑫r,又繞著某個軸線、以一定的旋轉頻率和旋轉半徑不停地“公轉”.加上粒子本身的直線運動,就自然地構成了一種螺旋式的前進運動.這里雖不是在討論理論物理問題,但為使大家對這個結論確信無疑,還是需要簡單地介紹一點廣義時空相對論的相關理論.
誠如所知,在廣義時空相對論中（參見[2],§21）,我曾經(jīng)指出：若曲線M(t)是給定參數(shù)t的方程,利用基本矢量τ,μ來表達二階導數(shù)d2M/dt2,并注意到,如果參數(shù)t代表著時間,則二階導數(shù)d2M/dt2就是M點運動的“相對加速度”.把等式
dM/dt =τds/dt (1）
對參數(shù)t微分,就得出：
d2M/dt2 =τd2s/dt2+(dτ/dt)·(ds/dt) (2）
按照復合函數(shù)的微分法則,則有：
dτ/dt =(dτ/ds)·(ds/dt)
再將
dτ/ds = kμ （3）
代入等式(2）中,便可以得出：
d2M/dt2 =τd2s/dt2+μk(ds/dt)*2 (4）
由此可見,相對加速度d2M/dt2可分成兩項：一個是切向加速度矢量；另一個是法向加速度矢量.
下面,我們用運動時鐘的讀數(shù)t*來替換方程(4）.為此,需要把曲線的特別參數(shù)s寫成如下的函數(shù)關系：s = s(t*).這里,我們約定：一階導數(shù)s’(t*)是站在動點M上的觀測者,用運動時鐘所得出地關于動點M的絕對速度.這個絕對速度可以是常數(shù),——對應著沒有外力作用的保守體系；也可以是時間坐標t*的函數(shù),——對應著外力作用引起的絕對速度的變化.同時,我們還要約定：運動是勻加速的.由此而來,把上式對運動系的時間坐標t* 微分兩次,便可以得出：
ds = s’(t*)dt* (5）
以及,
d2s =[s’(t*)dt*]’dt*=s’’(t*)dt*2 (6）
令絕對速度
υ= s’(t*)
以及絕對加速度
η= s''(t*)
于是,便可以得出：
ds =υdt*；
以及,
d2s=ηdt*2 (7）
由于這里是“純量”之間的微分運算,所以不必考慮絕對速度和絕對加速度的方向.再者,由于這里只限于討論“絕對加速度”為常數(shù)時的情況,因此,我們將(5）和(7）式同時代入(4）式,便可以得出：
d2M/dt2 =(ηdt*2/dt2)τ+ k(υdt*/dt)2μ (8）
不難看出,上式等號右邊的第一項代表了動點M的切向加速度,而第二項代表了它的法向加速度.等式左邊的二階導數(shù)d2M/dt2則是靜止觀測者、用靜止的鐘、所得出的動點M在曲線M(t)上運動的“相對加速度”.顯然,這個“相對加速度”乃是“切向加速度”與“法向加速度”的矢量合成結果.
下面,我們來研究在均勻引力場中,物質的運動方程.為了簡便起見,這里選擇微觀粒子沿著X軸方向的運動為運動的正方向.這里區(qū)分為兩種運動狀況來加以考慮.
第一,粒子在自由空間中的曲線運動
按照廣義時空相對論的觀點：在相互作用傳播速度有限性的前提下,運動系上的鐘、與靜止系上的鐘,不可能絕對地同步地記錄到一個運動事件的兩種不同的時間坐標t*和t.因此,如果利用不同的參變數(shù)t和t* 來表示(4）式的話,則相應的數(shù)學形式也就有所不同.根據(jù)本文討論的需要,我們直接按照廣義時空相對論的理論結果,寫出運動時鐘的純量讀數(shù)t* 和靜止時鐘的純量讀數(shù)t之間的關系：
dt* =ξdt,或 dt*/dt =ξ (9）
其中,
ξ= c/(c2 +υ2)1/2 (10）
對于自由空間中的勻速運動,(8）式中的η= 0,并且υ是常數(shù),由此而來,(8）式右端的第一項等于0. 以及ξ是常數(shù).于是,把(9）式代入(8）式便可以得出：
d2M/dt2 = k[υ2c2/(c2 +υ2)]μ (11）
再把關系式
V = υc/(c2 +υ2)1/2 (12）
代入上式,則有：
d2M/dt2 = kV2μ (13）
我們用曲率半徑ρ= 1/k代入上式,則有：
d2M/dt2 = (V2/ρ)μ (14）
這就是“勻速圓周運動”的基本公式.這一結果表明：在一個與外界沒有任何聯(lián)系的封閉的自由空間內(nèi),物體的絕對線速度υ和相對加速度都是常數(shù),且其方向指向圓心.它的運動軌跡則是一個封閉的圓周.當體系本身具有恒定的初速度υ0時,它的運動軌跡就是一條等螺距的螺旋線.
第二,粒子在均勻引力場（η= Const.）中的運動
按照(9）式,則有：
dt*2/dt2 =ξ2 = c2/(c2 +υ2) (15）
在η等于常數(shù)的情況下,將(15）式代入(8）式,并引入相對加速度符號a(t) = d2M/dt2,得出：
a(t)=τηc2/(c2+υ2)+μkc2υ2/(c2+υ2) (16）
然后,再引入符號V2/ρ=ω公2ρ,以及ω自2 r =(ηV2/υ2), 其中,ω公為粒子的公轉頻率,ω自為粒子繞著質心“自旋”的角頻率,r代表微觀粒子本身的半徑,則上式就可以改寫成：
a(t)=(ω自2 r)τ+ (ω公2ρ)μ (17）
這就是在均勻外力作用下（η≠0）,微觀粒粒子的運動方程.不難理解,如果沒有這種均勻外力的作用,微觀粒子就不會具有自旋分量,即上式中的第一項.
在上式中,如果把第一項代表切線方向的相對加速度,第二項代表了主法線方向的相對加速度.而切線τ方向的相對加速度代表著微觀粒子的“自旋”,而主法線μ方向的相對加速度代表著微觀粒子的“公轉”.這兩種加速度的合成結果,導致微觀粒子在前進運動的同時,伴隨著自旋以及繞著前進方向為軸線的公轉.其軌跡是一條螺旋線.不言而喻,所有化學元素的分子,例如氮（N）、氫（H）、碳（C）的分子等都是微觀粒子,因此,它們一定會呈現(xiàn)螺旋式的運動狀態(tài).在這種運動狀態(tài)的影響下,由碳水化合物所構成的蛋白質分子必然會出現(xiàn)螺旋狀的結構.
四核苷酸的類型與雙螺旋結構的原因
根據(jù)微分幾何的理論結果,我們知道
d2M/dt2 =τd2s/dt2 +μk(ds/dt)2 (18）
以及
d2M/ds2 = kμ (19）
現(xiàn)在,我們把上式的二階導數(shù)d2M/ds2再對具有“內(nèi)蘊意義”的參數(shù)“s”微分,就得出了它的三階微分關系式.不過,這里并不是直接把二階導數(shù)d2M/ds2 = kμ對特別參數(shù)“s”進行微分,而是把這個式子右端的矢量μ和曲率k的乘積進行微分.由于從這里出發(fā)會使問題大為簡化,所以,我們的討論將從對矢量μ的微分開始,然后所得出的不變式來表示三階導數(shù)d3M/ds3、以及d3M/dt3.不過,這里不準備進行具體的分析與討論,而是直接地引用微分幾何的理論結果（參見[3],第69—72頁）,寫出三階微分鄰域的不變式如下：
dτ/ds = kμ；dμ/ds = - kτ+ζβ；dβ/ds = -ζμ (20）
其中,β是副法線方向上的單位矢量.它的方向垂直于由τ和μ相交后所構成的平面.上式中各公式的符號是選擇了“右旋坐標系”時的情況.倘若是改為“左旋坐標系”,對于曲線M(t)的定向運動來說,在切矢量τ改變方向時,在切線單位矢量τ與主法線單位矢量μ確定的旋轉方向下,公式(20）所確定的副法線單位矢量β將改變自己的正方向.所以,由方程(20）所確定的不變式“ζβ”也隨之改變符號,即：由（+ζβ）變成了（-ζβ）；為了保持曲線M(t)的不變式ζ的符號,必須在公式(20）中改變矢量“β”的符號.這樣一來,在左旋的坐標系中,相伴三面形單位矢量導數(shù)的“基本關系式”可以寫成下列的形式：
dτ/ds = kμ；dμ/ds = - kτ-ζβ；dβ/ds = -ζμ (21）
其中,“ζ”是曲線的“撓率”,而r = 1/ζ是曲線的“撓率半徑”.其中,符號“ζβ”的“正”與“負”,代表著參數(shù)相同的兩個粒子之間的“自旋方向”剛好相反.
下面,我們?nèi)β/ds = 0,——它代表著微觀粒子的自旋軸的方向始終平行于粒子的前進方向,且β的數(shù)值不跟隨著粒子的運動路程而變換.結果,上式就可以化成：
dτ/ds = kμ；dμ/ds = - kτ-ζβ (22）
上式表明,剛體的任何運動都可以分為兩個部分：一是遠離坐標原點的平行移動；二是繞固定軸的轉動.換言之,在每一個給定的瞬間,物體的運動都是由兩個基本的運動所組成：第一,平移——此時物體在每一給定的時間內(nèi),它的各個部分都具有相同的運動速度.第二,轉動——此時物體上的某一條直線固定不動,而物體的其它部分則繞著這個固定的直線旋轉.而這種旋轉可以分成兩個部分,一個是繞著固定旋轉軸的“公轉”,另一個是繞著粒子質心的“自旋”.正如（17）式所示,第一項代表著粒子圍繞著質心的“自旋”；而第二項代表著圍繞前進方向的“公轉”.
不難理解,在上述約定的前提條件下,當粒子在前進（dτ/ds＞0）、或后退（dτ/ds＜0）的過程中,相伴三面形T(M,τ,μ,β)的頂點M都同時包含著“平移”和“轉動”兩個方面.這里所包含的平移和轉動,總共可以分成四種情況,分別由下列四個關系式來單獨地確定：
dτ/ds = kμ；dμ/ds = - kτ+ζβ；…………①
dτ/ds = kμ；dμ/ds = - kτ-ζβ；…………② （23）
dτ/ds = - kμ；dμ/ds = kτ-ζβ；…………③
dτ/ds = - kμ；dμ/ds = kτ+ζβ；…………④
在上述四個關系式中,曲線上的每個動點M聯(lián)系著一個相伴三面形T(M,τ,μ,β),它是由曲線上對應點發(fā)出的“切矢量”、“主法線矢量”、“副法線矢量”所構成的“直角三面形”.這些關系式不僅給出了平移的“正方向”與它的“反方向”,而且給出了每種情況下的轉動.單純地就轉動而言,這些公式一方面給出了“左旋公轉”與“右旋公轉”的情況；另一方面給出了頂點M圍繞著自己的質心“左旋自旋”與“右旋自旋”的情況.當相伴三面形的頂點M移動時,動點M所描繪的運動軌跡就肯定是一條螺旋狀的曲線.值得指出的是,在粒子構成的“自旋”中,η≠0是至關重要的.正是基于自旋的存在,所以才能出現(xiàn)以上四種獨立的運動類型.這里,如果我們把η≠0看成是地球引力場的作用,那么,上式所代表的自旋一定與引力場的性質有關.
普遍的規(guī)律,對于兩個基本相同的粒子來說,只有它們的自旋相反時,才能發(fā)生“耦合作用”而成對地出現(xiàn).并且,只有自旋相反的粒子之間實現(xiàn)了耦合,其狀態(tài)才是最穩(wěn)定的狀態(tài).基于這一考慮,我們大膽地推測：核苷酸分子總是成對地耦合在一起.假如情況真地象我們推測的那樣,再考慮到每個核苷酸分子的運動軌跡都是螺旋式的結構形狀,那么,由這些成對存在著的核苷酸分子所構成的DNA分子,就必然具有雙螺旋式的結構特征.另外,由于粒子的自旋運動來自于所在星球的引力特征,以,地球上生物的DNA分子,在一定程度上受到了地球引力的影響.
為了形象的理解上述觀點,我們不妨反過來思考,即從DNA分子的雙螺旋結構中,反過來考慮微觀粒子螺旋式的運動狀態(tài).廣義時空相對論業(yè)已證明,只有這種螺旋式的運動狀態(tài),才能體現(xiàn)出微觀粒子“波動性”與“粒子性”的對立統(tǒng)一.——即微觀粒子的“波粒二象性”.如果不是這種運動狀態(tài),將難以解釋微觀粒子的“波粒二象性”.實際上,這種理解方法在物理學中被經(jīng)常地運用.例如,在中學物理中,人們就是利用“鐵粉”在磁場中的分布狀況,來證實“磁力線”的存在.正如所知,磁力線本身是看不見的,所以人們只好通過鐵粉在磁場中的分布狀態(tài),來間接地證明磁力線本身的分布狀況.有了鐵粉的分布狀況,就間接證明了磁力線的形狀.
再者,由于只有那些自旋相反的核苷酸分子才能夠相互耦合而成對地出現(xiàn),并且這些自旋相反的核苷酸分子的耦合結果只能具有以下四種可能,因此說,所有核苷酸分子只有T、L、B、M四種類型.為了明確,我們把（23）式中的四個式子間的可能耦合列成下表.
耦合條件 公轉方向相同公轉方向相反
自旋方向必須相反
①—②,③—④
①—③,②—④
上表列出了核苷酸分子各種可能的耦合關系.從上表所列出的耦合關系可以看出,核苷酸分子的耦合情況只能是表中所列出的“四種組合”,即：①—②,③—④,①—③,②—④.在給定的、均勻的引力場中,這四種結構特征應該是唯一的.所以,地球上生物體的DNA分子只能有四種類型,并且這四種類型DNA分子的自我復制功能也是唯一的.進一步地考慮,生物體的遺傳特征,在一定的程度上取決于所在星球上的引力特征.改變引力場,有可能改變DNA分子的形狀.
五結論
總之,通過上述討論,回答了四個問題：一是蛋白質分子螺旋結構特征的力學原因.二是,核苷酸分子成對出現(xiàn)的力學原因；三是,由于核苷酸分子的成對出現(xiàn),所以DNA分子必定是雙螺旋結構；四是,由于同種核苷酸分子的耦合只能有四種情況,所以導致了DNA分子只能有四種類型,以及它們唯一的自我復制功能.再者,通過蛋白質分子的螺旋結構和DNA的雙螺旋結構特征,反過來證明了微觀粒子的運動形態(tài)的螺旋式特征.而且,只有這種螺旋式的運動特征,才能真正體現(xiàn)出微觀粒子的波動性與粒子性的統(tǒng)一,進而證明廣義時空相對論的正確性.
參考文獻：
[1]《DNA雙螺旋結構發(fā)現(xiàn)的前前后后》 作者：徐九武,科報網(wǎng),《生命科學的里程碑》.
[2]《廣義時空相對論》夏烆光著,人民交通出版社,北京,2003年1月 第一版.
[3]《微分幾何教程》[蘇] С.П.芬尼可夫 著,施祥林、徐家福 譯,高等教育出版社,1954
年 7月第一版.