【官方雙語】激光照射燈絲如何揭示 DNA 結構

這是生物學中最重要的圖像之一，因為它幫助我們弄清楚了 DNA具有螺旋結構，這張圖像還告訴了我們一些重要的細節。 那螺旋結構。它是由一位名叫羅莎琳德·富蘭克林的科學家所產生的。 利用一種稱為X射線晶體學的技術，而在本影片中，我想示範如何進行 DNA的螺旋結構可以通過這種圖像反向推導出來。我正在 從具有螺旋結構的物體開始，創造出類似這樣的圖像。在這種情況下 我不會使用DNA本身，我會使用燈泡的燈絲。我不會使用 X光，我將改用可見光。我將使用紅色激光。因此，首先，X光 晶體學是一種繞射現象。因此，我們首先來示範一下繞射。 我們將把激光穿過兩個狹縫。這是一個經典實驗， 楊氏雙縫實驗。你可能以前見過，因此我們僅快速地過一遍。 因此你將雷射光通過兩個狹縫，於狹縫之後便產生了兩個波前。 這裡我用白色表示波峰，用綠色表示波谷，以及 在不同區域，這些波將會相互建設性干涉或 彼此產生破壞性干涉。例如在此位置，由於存在一點點 兩條縫隙之間的傳播時間差，會發現其中一道波的波峰與另一道波的波谷相遇。 從另一個波動傳來的光線，反之亦然，因此它們互相抵消。你將看不到任何光線。 在這個地區，旅行時間的差異恰好使得如此。 來自一個狹縫的波峰與來自另一個狹縫的波峰相遇。它們相互加成，它們 建設性干涉，那些區域就會出現光線。因此，如果你將所有區域繪製出來， 最大相長干涉點與最大相消干涉點看起來會是 像這樣。因此，如果你在兩個狹縫前方放置一塊屏幕，你將看到所謂的 衍射圖樣中出現了多個亮度的峰與谷。這是該圖樣 我拿起了我的激光器。你會注意到這個圖案中間非常明亮，而它非常 快速地向外部移動時，會迅速變暗至相當昏暗的區域。如果你不是使用兩個狹縫，而是…… 當有許多狹縫，稱為衍射光柵時，亮度的衰減會緩慢得多。 你會得到一個均勻分佈的點。這是一個顯而易見的事實，但卻非常重要。 稍後再說。看，如果我傾斜衍射光柵，顯然會使圖樣也隨之傾斜。現在請看 如果我再放一個衍射光柵在第一個光柵前面，會發生什麼情況？ 與它成90度角時，我們得到這個點的網格，這其實很有道理，因為網格中的每一個點都來自於 第一個衍射光柵現已被第二個衍射光柵分為多個光點。 但看看我傾斜第二個衍射光柵時會發生什麼。激光指示器通常會 可更換的頭部，這些頭部內含不同類型的衍射光柵。 不同的雷射光模式。例如這個筆尖，我還沒有拆開過，我不清楚 內部有什麼樣的衍射光柵，但如果我將雷射光穿過它， 這是我想出的圖案，你看，我可以扭轉它來改變圖案。因此，儘管我不清楚 這裡面是什麼，我可以推斷出來，因為你看，這個模式和我之前得到的模式是一樣的。 當我手動移動兩個衍射光柵時。所以這一定是一回事。 這裡發生的事情，其實正是X射線晶體學的核心所在。它關注的是 看著你得到的圖案，然後逆向推敲出必須是哪種晶體 我透過X光照射來產生這種圖樣。如果你原本就不知道結構的話 如果你觀察這張繞射圖案，可能會假設DNA的結構類似於 兩個衍射光柵以一定角度相互放置，因為這兩幅影像都具有這種十字交叉的特徵。 但點陣並非DNA的結構。那麼，到底發生了什麼事呢？這才是有趣之處。 所以我砸碎了一個白熾燈泡，露出內部的燈絲，你瞧，當我用雷射照射時 透過燈絲，你會看到這個圖案，你幾乎可以看見同樣的十字形點狀排列。 中間我們使用兩個衍射光柵時所得到的那個位置 另一個也是如此，這是有道理的，因為如果你近距離觀察燈絲，就會發現它本質上是 就像一個鏡片一樣，雷射必須穿過兩個面，首先是第一個面。 春天時，它穿過的結構就像一個朝一個方向傾斜的衍射光柵，當 它從彈簧的另一側穿出，就像穿過一個衍射光柵一樣。 那是朝另一個方向傾斜的。所以這就跟我們目前這兩個的情況一樣。 衍射光柵傾斜於某一角度。看看我拉伸和壓縮時會發生什麼情況。 燈絲會改變那兩條點線之間的夾角，因此你可以根據夾角來推算出結果。 在這些線條之間，彈簧的音高取決於其纏繞的緊密程度，DNA也是如此。 要使這項技術奏效，所使用的光的波長需大致處於同一數量級。 其大小與彈簧線圈之間的距離相當，因此在DNA的情況下，你無法使用 紅光激光，你完全無法使用可見光，必須使用X光，它們是相同的。 數量級與DNA中原子間的距離相當，這就是為什麼它被稱為X射線。 結晶學。這個類比有兩種非常有趣的失效方式，第一種 是它的X射線晶體學，所以你在處理晶體，誰能想到你能培育出晶體呢 DNA晶體顯示，如果你的鹼基對少於一百個，實際上確實可以獲得這些結構 分子結晶化後，當您用X光照射時，就會產生您所看到的影像。 透過螺旋分子的重複模式，而我們則有一根燈泡燈絲的單一螺旋結構。 另一點是，DNA 是雙螺旋結構，而我們的設計中則是單螺旋結構。 你實際上可以在圖像中看到雙螺旋的證據，因為事實上，如果你…… 如果你有一個像DNA一樣的雙螺旋結構，那麼你會預期某些點會消失 這張圖像顯示的情況就是如此。這些缺失的點表示你看到的是雙螺旋結構。 難道不令人驚嘆嗎？兩位科學家沃森和克里克分析了羅莎琳德的影像， 富蘭克林創造了這些，而他們能夠從角度中推敲出所有這些內容。 在這些點中，DNA寬度與DNA螺距之比，其中螺距類似於 螺旋一圈的長度約為1.7，因此DNA的寬度是兩倍。 奈米，而一圈的長度為 3.4 奈米，根據此資訊以及這個事實 DNA 是雙螺旋結構，沃森與克里克得以推敲出各個成分的排列方式。 DNA的組成成分，基本上就是這些核苷酸如何相互結合，這就是它們的方式。 終於弄清了DNA的結構，實在太驚人了。此時此刻，你們中間許多人可能會覺得 好好想想，等一下，這個類比根本說不通，因為你的燈泡燈絲 你螺旋之間有不錯的間隙讓激光穿過，但DNA並非如此。 就像你觀察DNA分子內部的空間，裡面充滿了這些結構，毫無空隙。 延伸到中間的鹼基對，事實上這些鹼基對幾乎完全是 X光可以穿透，X光唯一能看見的是脊椎中的磷光分子。 DNA的螺旋結構即使如此仍能正常運作。順帶一提，當我觀察整個DNA結晶化過程時 我發現了一些令人驚嘆的DNA晶體生長的影像和延時攝影畫面，難道不是嗎？ 美麗之處在於，你利用了DNA能夠使偏振光旋轉的特性，並使用了兩個偏光鏡。 從不同角度來拍攝，以創造出這種彩虹效果，讓你能清楚看見細節。 這些水晶在生長過程中被拍攝下來，是由利恩·格萊德hill所拍攝，他運用相機創造出令人驚嘆的影像。 顯微鏡和科學真的非常棒，我強烈推薦你去看看他的作品，連結在這裡 希望您喜歡這段影片，如果喜歡的話，別忘了按讚訂閱，我們下次見。