今天我们来聊聊一个听起来有点儿“高大上”的概念——分形。分形是一种数学概念，理解起来其实并不复杂，它描述的是一种在不同尺度上呈现出自相似的模式。这类模式可以用一些简单的数学规则来构建，带来复杂而美丽的结构。

举个例子，如果有一个等边三角形，我们取三条边的中点，将它分为4个小三角形，然后再对每个小三角形重复一样的步骤。这样一来，随着长度尺度不断变小，这个三角形其实是由相同的缩小版三角形不断重复构成的。我们就构建出了著名的分形——二维版本的谢尔宾斯基三角形。

虽然这个概念听上去很奇妙，但它在宏观的自然世界中其实非常常见，比如植物的叶脉、海岸线、河流系统，里面都有分形的身影。但是，大多数自然分形都是不规则的，它们并没有遵循精确的数学公式，而是由随机过程产生的。它们在不同尺度上的结构也并不是一模一样的。

然而，规则的分形在自然界中确实非常罕见。我们比较熟悉的规则分形有蕨类植物，还有宝塔花菜。如果你仔细观察，一颗宝塔花菜其实是形状相同的小花菜组成的，非常规整。到目前为止，我们知道的自然规则分形都是由生物形成的，并且仅仅存在于宏观尺度上。

科学家一直好奇，在分子尺度上有没有规则的自然分形。我们都知道，有的分子结构具有一定的规则性，而且分子也可以自组装出各种奇妙的结构。那么按理来说应该可以形成分子水平的规则分形。

但问题的症结在于，想要组装出分形，就要保证在整个组装的过程中，在各个尺度上保证相同的形状特征，这其实相当困难。为了更直观地理解，我们可以想象这样一个场景：你在纸上密密麻麻点了一排小点，如果你离得很近看，它们是一个一个小圆点，但当你慢慢把纸拿得越来越远，慢慢地，一个个圆点似乎不见了，你眼中慢慢浮现出了一条平滑的线。分子的自组装也有类似的特性：几乎所有看起来很规则的自组装，随着尺度慢慢变化，在大尺度上的特征都会“面目全非”，完全背离了分形。

科学家曾经尝试通过人工合成的方式创造分形分子，但那需要格外精细的调控，外加各种苛刻的条件。这让人们一度认为，自然的分形分子似乎是个遥不可及的梦。

在一项发表在《自然》杂志的新研究中，一组国际研究团队偶然发现了自然界中第一个规则的分子分形。这是细长聚球蓝细菌中的柠檬酸合酶，也就是一种天然蛋白质，它可以自组装成我们刚刚提到的一种规则的分形图案，也就是谢尔平斯基三角形。

他们用电子显微镜拍到这种蛋白质的图像。它形成了美丽的三角形，并且随着分形增长，中间区域的三角形空隙变得越来越大，和之前人们见过的任何蛋白质组装都不一样。

那么，下一个自然而然的问题是，这种非同寻常的特例是如何出现的？

通常来说，蛋白质的自组模式都是高度对****称的，每条蛋白质链和相邻的链的排列方式都一样。正是这种对称的相互作用，让它们在大尺度上改变了特性。但新研究中的这种分形蛋白质，它的组装恰恰违背了对称规则。在不同位置上，蛋白质链产生的相互作用略有不同。这就成了构造谢尔宾斯基三角形的基础。

这种奇特的结构有什么作用吗？研究人员表示，在进化过程中，自组装通常会起到调控酶的作用。但这种酶似乎并非如此。

研究人员尝试对这种蓝细菌进行了基因改造，让它的柠檬酸合酶无法组装成分形。但它们仍然能在各种情况下良好生长。研究人员因此推测，这种分形的存在，可能只是一种无害的进****化意外。

为了验证这种猜测，他们在实验室中重现了分形排列的进化发展过程。他们用了一种统计方法来逆推出了数百万年前的分形蛋白的序列。他们通过生物化学方法制造出了这些古老的蛋白质，证明这种排列方式可以通过极少的突变而突然产生，随后很快在多个蓝细菌谱系中消失了，最后仅仅在细长聚球蓝细菌中完整保留下来。

虽然实验也许永远无法完全确定过去真实发生的事件，但这个特殊的结构和很多看似复杂的生物结构很像，它们似乎毫无理由地突然出现了，其实是因为它很容易进化出来。这也似乎在告诉我们，在许多尚未被发现的生物分子组装中，可能还隐藏着更多惊喜。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者名称： 吕同舟

审核：梁前进 北京师范大学生命科学学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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