首個已知分形分子是自然數學的奇跡

對于數學愛好者來說，分形是一種令人著迷的模式，它具有重復的、人造的外觀結構。現在，科學家發現了第一個已知的分形蛋白質。

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

在自然界中，分形特征出現在雪花、閃電和河網等事物中。分子似乎是發現分形的最佳場所，因為它們可以排列成各種有趣的形狀，但在現有的所有分子目錄中，還從未出現過規則分形。

據報道，德國馬克斯·普朗克研究所和美國菲利普斯大學的科學家們發現了第一個規則分子分形。這是一種藍藻用來生產檸檬酸鹽的酶，這種酶被發現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”。

從一個等邊三角形開始。然后從中間打出一個倒三角形，這樣就有三個小三角形組成一個大三角形，中間有一個三角形空洞。然后從每個較小的實心三角形中打出一個倒三角形，這樣就有三個第二個形狀或九個原始形狀的三角形組成了一個較大的三角形。你可以一直這樣做下去，每個三角形都變小，這就是謝爾賓斯基三角形分形圖案。

這項研究的第一作者弗蘭茲斯卡·森德克說：“我們是偶然發現這種結構的，當我們第一次用電子顯微鏡拍攝它的圖像時，幾乎不敢相信我們看到的一切。蛋白質構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組裝。”

為了弄清這種蛋白質是如何形成如此有趣的結構的，研究人員使用電子顯微鏡對其進行了更詳細的分析，發現它的自組裝并不對稱。研究人員發現，不同的蛋白質鏈在分形的不同位置產生了略微不同的相互作用，從而形成了引人注目的結構。

那么，這個數學奇跡在細菌生物學中是否有特定的作用呢？為了弄清這個問題，研究小組對這種微生物進行了基因改造，使這種蛋白質不能形成分形結構，但這種細菌仍能正常生產檸檬酸鹽。

這啟發了研究人員對另一種可能性進行研究： 這種結構相對容易進化，因此它只是偶然發生的，不需要有特定的目的。他們利用祖先序列重建技術追溯了數百萬年來可能的進化過程，然后用生物化學方法制造出了這些古老的蛋白質。

令人驚訝的是，他們發現這種分形結構出現得相當快，只經過了幾次突變。但這種結構很快就在其他藍藻品系中消失了，直到最近在一個物種中才被發現。

該研究的資深作者格奧爾格·霍赫伯格說：“雖然我們永遠無法完全確定過去發生的事情的原因，但這一特殊案例確實具有看似復雜的生物結構的所有特征，這種結構只是突然出現的，沒有任何好的理由，因為它非常容易進化。”

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，這可能不是一個特別令人滿意的解釋，但從好的方面來說，這確實表明可能還有更多的分子分形等待著人們去發現。

這項研究發表在《自然》雜志上。