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”螺旋“在你我身边最常见的科学谜团,多少世纪都没破解过

作者:宇宙小百科

螺旋之谜

大自然有很多奥秘,你和我可以列出很多。但是你有没有注意到,我们周围有一个最常见和最令人困惑的谜团?

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螺旋结构是自然界最常见的形状之一,小到肉眼看不见

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,直径达数百公里的龙卷风,

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这就是所有这些结构。为什么大自然对这种结构有如此的偏好?

DNA:最著名的螺旋结构

1953年4月,科学家克里克和沃森在英国《自然》杂志上发表了他们的最新研究DNA模型。该模型具有双螺旋结构,这是人体每个细胞内的复杂遗传分子,其中代码包含构建,控制和维持生命体所需的所有信息。

具体来说,DNA分子是一个螺旋梯结构 - 步骤的"栏杆"由碳水化合物和磷酸盐组成,而步骤由四种基本化合物组成:腺嘌呤,胸腺,腺嘌呤,胞嘧啶(A,T,G,C),A始终匹配T和G始终匹配C。

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科学家们发现,这种组合允许DNA修复关键遗传信息中的缺陷:如果附着在DNA条单链上的四种化合物中的一种是有缺陷的,并且如果检查与另一条单链配对的化合物,则可以识别缺陷化合物。结果,细胞复制一种新的化合物,减少畸形的发生。

公平地说,DNA包含人类进化的密码,但为什么它是双重结构的呢?结构看起来非常完美。科学家们仍在努力寻找一个合理的答案。

神奇:植物和动物中的螺旋

奇怪的螺旋可以在植物和动物中找到。以动物,蜗牛为食

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海螺的壳是典型的螺旋结构。许多植物有更复杂的螺旋结构,松果

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和菠萝的茎,

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Pidu展示了奇怪的螺旋规则,这些规则在数学上是准确的。

香蕉种子呈螺旋状排列,有的顺时针排列,有的逆时针排列。植物学家发现,这两种螺旋结构只同时出现在某种"神奇"的组合中。例如,顺时针 21,逆时针 34,或顺时针 34,逆时针 55。有趣的是,这些数字属于一个特定的数字列,一个一个斐波那契,即1,2,3,5,8,13。21、34......每个数字是前两个数字的总和。

植物如何"知道"这个深奥的序列?没有正确的解释。

莫名其妙地,许多藤蔓攀缘植物实际上是螺旋形爬升的。

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这些植物如何喜欢这个几何曲线?对于攀缘植物来说,数亿年的进化使它们螺旋式上升:它们在捕捉其他结构的同时,将自己暴露在尽可能多的阳光下。对于菊花,它们的外层生长非常缓慢,这使得它们在卷曲时可以稳定地增加中心和边缘之间的距离。

力:阿基米德螺旋泵

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大约2300年前,古希腊的阿基米德发现了螺旋的能量和魔力,他认为这不仅可以帮助解决一些数学问题,而且是实用的。

有一次,阿基米德和同学们出门,看到农民们举着水桶挣扎着,从河里爬到高处的田间灌溉,不禁产生了深深的同情:"所以水效率太低,一块田浇水不知道多少桶!同学们不这么认为:"爷爷奶奶,人们都在做这个,你们有什么好办法呢?"

回过头来,阿基米德的眼睛总是闪过农夫的水,"你能让水流得高吗?阿基米德开始思考这个问题。渐渐地,一个念头浮现在他的脑海中:"做一个大螺旋,把它放在一个圆柱体里,这样当螺旋转动的时候,水就不能沿着螺旋沟高高走了?阿基米德画了一幅素描,并要求木匠做一个"奇怪的东西",从素描中取水。阿基米德把那东西移到河边,把一端放进河里,然后轻轻摇动手柄,"咕噜咕噜"一声,河水从顶端不断涌出奇怪的东西,果实由低到高。

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前来观看的农民被这种魔力所吸引,并钦佩阿基米德的聪明才智。不久,这种螺旋泵在尼罗河流域被广泛使用,被称为阿基米德螺旋泵。到目前为止,一些工厂已经使用这些泵来输送流体和颗粒物体。

除了泵之外,螺旋在今天还有更多用途,包括钻头,螺栓,弹簧,螺钉等,甚至在家中也是如此。你只需要注意 - 你会发现许多工具和材料都使用螺旋原理。

壮观:科里奥利效应

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当然,地球上最壮观的螺旋是飓风,但它也是最令人讨厌的螺旋。飓风的螺旋形可以扩散数百公里,加上每小时200多公里,最大破坏力相当于10万颗原子弹。

为什么飓风如此可怕?科学家发现,飓风的部分能量来自太阳,这增加了热带地区的蒸发,允许大量热量进入大气层。然而,飓风的螺旋形状来自科里奥利效应:地球的自转力经常导致所有物体向同一方向移动。在热带地区,离赤道越远,科里奥利效应越强。这种效应将新形成的飓风变成乌云,强风和大雨的密集螺旋。

在较温和的天气条件下,还可以看到科里奥利现象形成的螺旋力。这种力导致赤道以北的低压系统逆时针转动,就像南半球一样。人们通常认为,即使是抽水马桶的漩涡也是出于类似的原因而形成的。

对于飞行员来说,考虑到科里奥利效应,这是必要的:如果一架客机从欧洲直线飞向美洲,它可能会降落在目的地以北23,000公里处,这意味着飞机几乎将降落在北极圈内。为了避免这种情况,飞行员以螺旋路线飞行飞机,以补偿地球的自转效应。

一级方程式赛车手也知道使用螺旋线的好处。

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在激烈的比赛中,玩家遵循弧线路线,这使他们能够以尽可能少的减速通过弯道。通过这种方式,它们可以提高进入和退出的速度,提高游戏的性能。

困惑:你无法阅读的螺旋

虽然科学家已经做了很多研究,但在螺旋结构中还有很多秘密。摆在我们面前的例子是:我们手指和脚趾上熟悉的螺旋图案是如何形成的?与单一形式的DNA"指纹"不同,真正的指纹差异很大,即使同卵双胞胎彼此不同。但是,是什么决定了指纹的形状?这种形状可以预测吗?

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从宇宙的范围来看,天文学家希望弄清楚为什么80%的星系是螺旋化的。显然,无处不在的引力起着关键作用,但它究竟如何将灿烂的星系雕刻成奇妙的螺旋?这仍然是一个谜。

螺旋,你是美丽的,但你也是难以理解的。