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把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

2019-8-13 12:45| 发布者: admin| 查看: 114| 评论: 0
摘要: 本文由公众号 “把科学带回家” 提供给孩子最好的科学教育把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传物质的惊天大秘密?嗯,今天的实验会让你打开眼界,因为在日常的回收标志中,居然隐藏着生物,尤其是细菌传宗 ...
本文由公众号 “把科学带回家” 提供

给孩子最好的科学教育

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传物质的惊天大秘密?

嗯,今天的实验会让你打开眼界,因为在日常的回收标志中,居然隐藏着生物,尤其是细菌传宗接代的特技。

关键概念

三叶结、莫比乌斯带

材料和工具



剪刀

胶带纸/胶水



操作步骤

1. 先做若干条纸条。

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

2. 用其中的一条首尾相连,做一个圆柱形的结构。现在试一试在其中的一面上沿着边画一条线,看看这条线能不能穿到圆柱形里面的那一面去。

3. 现在把另一条纸条从中间扭一下,然后首尾相连。现在试一试在其中的一面上沿着边画一条线,看看这条线能不能画满所有的面。发现了吗?你画的线可以贯穿这个环的所有面。这意味着什么呢?

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

4. 现在用别的纸条做扭2次、扭3次、扭4次,然后首尾相连的环。接着在它们上面画一条线,看看这条线能不能贯穿整张纸呢?

5. 把扭了3次的那个环拿出来观察一下,它像什么,像不像回收符号♻️?

其实在回收符号最开始的设计思路中,三个扭分别代表重复使用(reuse)、减少消费(reduce)和回收利用(recylce)的意思。

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

6. 好了,见证奇迹的时刻到了。把回收符号沿着2条边中间的线剪开,观察一下你得到了什么形状?它像什么?不剪开的情况下,你能不能把这个纸条形成的结打开呢?

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

回收符号沿中线剪开

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

5扭的纸(上)沿中线剪开可以得到五角星⭐️(下)

实验原理

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

莫比乌斯带

实际上,纸条扭一次得到的结构叫做莫比乌斯带,它是一个只有一个面的结构,所以你可以用一条线贯穿它。回收符号也是这样。

你通过实验发现,扭了2次和4次的环不只一个面。

那么,回收符号从中间剪开以后,为什么出现了一个结呢?

这个结叫做三叶结(trefoi),它来自于莫比乌斯带的拓扑性质。许多文化里都用三叶结作为无始无终的永恒的标志。当然了三叶结的奥妙不仅于此。

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

三叶结

我们知道 DNA 是双螺旋结构,但实际上呢,有些生物的 DNA,比如细菌的质粒 DNA 还会首尾连起来,形成环状,有时它们就会连成回收符号的样子。

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环状DNA

那么问题来了。回收符号状 DNA 在复制的时候,相当于从中间剪开,变成了三叶结。

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DNA的复制(局部)

你可以自己试试。任凭你怎么转,不通过暴力手段的话,三叶结是解不开的。

如果 DNA 三叶结解不开,复制出来的新 DNA 还能独立出来吗?显然不能。

所以细菌怎么解决这个问题呢?

细菌也需要把三叶结剪开,不过它们用的剪刀,是一种叫做拓扑异构酶(topoisomerse)的蛋白质。

你可能会想,这 DNA 都断了还怎么用啊,那不就坏了吗?别担心,拓扑异构酶把打结的 DNA 剪开以后,还有其他的酶把破的地方重新连好,服务非常贴心到位。

当然了,不仅是扭成回收符号的 DNA 需要拓扑异构酶,许多环状 DNA 在复制后都不能把新的 DNA 自动分离出来,它们都需要拓扑异构酶帮忙。

所以为什么 DNA 要扭起来呢,不扭的话不就不需要这么麻烦了吗?

这是因为,细胞的大小有限,想要把包含几十亿字节基因信息的长长的 DNA 塞进去呢,最好的方法就是把它扭起来变成螺旋。扭成螺旋的 DNA 不但不占地方,还比较整齐不会像耳机线那样丧心病狂地打结。

另外,扭成麻花以后,DNA 的一些部位就被掩蔽起来啦,那么细胞就可以控制具体表达什么样的基因了。

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螺旋和超螺旋的形成

不过,三叶结的威力不仅在 DNA 中,许多天然分子(比如一些氨基酸)也是三叶结的样子。三叶结让这些分子产生了奇特的化学性质,比如一些蛋白质的活性位点就在三叶结的那个小结结上。

把回收标志从中间对半剪开,居然发现了生物遗传的惊天大秘密?|科学DIY

环状DNA三叶结的2种形式,实际上虽然都是三叶结,但图b的墒比图a的要高,切开花费的能量更低

因此许多科学家都在专心致志地寻找和制造三叶结状的分子。

亲爱的小伙伴们,

你有没有尝试“回收标志的秘密”?

想让更多小伙伴看到你的作品

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图片及参考资料来源:wikipedia,

http://www.ch.ic.ac.uk/motm/trefoil/

Nordlund, T. M. (2011). Quantitative understanding of biosystems: an introduction to biophysics. CRC Press.

http://juang.bst.ntu.edu.tw/BCbasics/Nucleic1.htm

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