Η ανακάλυψη της δομής του DNA

Η ανακάλυψη της δομής του DNA πραγματοποιήθηκε με μία σειρά πειραμάτων, κυρίως πειραμάτων κρυσταλλογραφίας. Η ανάλυση των κρυστάλλων DNA περιελάμβανε ερμηνεία φαινομένων περίθλασης, τα οποία βασίζονται στην κυματική φύση του φωτός. Εμείς μπορούμε να δούμε κάποιες από τις πτυχές αυτών των πειραμάτων, αναλύοντας φαινόμενα περίθλασης του φωτός, απλά και με καθημερινά υλικά.

A. Περίθλαση σε λεπτό σύρμα

Όταν το φως πέσει πάνω σε ένα λεπτό αντικείμενο, δημιουργούνται φαινόμενα περίθλασης. Αυτό γίνεται γιατί οι άκρες της επιφάνειας του αντικειμένου λειτουργούν ως δευτερογενείς πηγές κύματος, οπότε το φως εκτρέπεται από την ευθύγραμμη πορεία του και διαχέεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Έτσι, όταν μία δέσμη φωτός πέσει πάνω σε ένα λεπτό σύρμα, θα δημιουργηθούν δύο πηγές κύματος, μία στην πάνω επιφάνεια του σύρματος και μία στην κάτω. Το αποτέλεσμα είναι να γίνει σύνθεση των κυμάτων, οπότε, σε μία επιφάνεια πίσω από το σύρμα, θα βλέπουμε ενισχυτικές συμβολές και αποσβέσεις (περισσότερα για την περίθλαση, εδώ).

Μπορούμε να το διαπιστώσουμε αυτό εύκολα, εργαζόμενοι ως εξής:
Στερεώνουμε ένα laser-pointer στη μία άκρη της αίθουσας, ώστε η ακτίνα του laser να είναι οριζόντια.
Στερεώνουμε ένα κομμάτι λεπτού σύρματος (όπως αυτό της εικόνας 1), ώστε να είναι οριζόντιο.

wire

Εικόνα 1

Τοποθετούμε το σύρμα μπροστά από την ακτίνα laser (δεν έχει σημασία η απόσταση ανάμεσα στην πηγή του laser και το σύρμα), σύμφωνα με τη διάταξη που φαίνεται στο πιο κάτω διάγραμμα:

diagram

Σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού (ώστε να είναι ορατό το αποτέλεσμα, βλέπουμε στον απέναντι τοίχο της αίθουσας μία εικόνα, αντίστοιχη της εικόνας 2.

single

Eικόνα 2

Παρατηρούμε ότι οι συμβολές είναι σε διεύθυνση κάθετη από τον προσανατολισμό του σύρματος που χρησιμοποιήσαμε.
Από την απόσταση ανάμεσα σε δύο σημεία ενισχυτικής συμβολής, μπορούμε να υπολογίσουμε το πάχος του σύρματος, σύμφωνα με τη σχέση
d x/l = λ    (1)
όπου,
d = το πάχος του σύρματος
l = η απόσταση ανάμεσα στο σύρμα και στον απέναντι τοίχο
x = η απόσταση ανάμεσα σε δύο φωτεινές κηλίδες (σημεία ενισχυτικής συμβολής)
λ = το μήκος κύματος του laser (532 nm, για την περίπτωση του πράσινου laser, που χρησιμοποιήσαμε).

Εναλλακτικά (σε περίπτωση που η απόσταση δύο διαδοχικών κηλίδων είναι πολύ μικρή), μπορούμε να μετρήσουμε την απόσταση x ανάμεσα σε ν κηλίδες, αλλά σε αυτή την περίπτωση η σχέση (1) διαμορφώνεται ως εξής:

d x/l = (ν-1) λ

Β. Περίθλαση σε λεπτό ελατήριο
Αν αντί για λεπτό σύρμα χρησιμοποιήσουμε ελατήριο, θα πάρουμε στην επιφάνεια πίσω από το ελατήριο μία εικόνα, που όπως θα δούμε, είναι χαρακτηριστική της ελικοειδούς δομής του ελατηρίου.
Στο φαινόμενο αυτό στηρίχθηκε η τεχνική με την οποία ανακαλύφθηκε η δομή του DNA. Τα πειράματα αυτά έγιναν το 1952 από τη  Rosalind Franklin και το Raymond Gosling. Εκείνοι χρησιμοποίησαν ακτίνες Χ, με τις οποίες ακτινοβόλησαν κρυστάλλους DNA και ανέλυσαν τις εικόνες περίθλασης που πήραν σε φωτογραφίες, όπως αυτή της εικόνας 3, που έχει γίνει διάσημη, ως φωτογραφία 51.

Photo 51

Εικόνα 3

Μπορούμε πάρουμε μία ιδέα για τον τον τρόπο με τον οποίο έβγαλαν τα συμπεράσματά τους, κάνοντας τα ακόλουθα:
Τοποθετούμε ένα λεπτό ελατήριο (θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το ελατήριο από ένα στυλό διαρκείας), όπως αυτό της εικόνας 4. Το ελατήριο θα παίξει το ρόλο του DNA, στο πείραμα των Franklin και Gosling.

springΕικόνα 4

Σε αυτή την περίπτωση, αν το laser πέσει ταυτόχρονα σε δύο συνεχόμενες σπείρες, οι οποίες σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία φ, θα πάρουμε μία εικόνα αντίστοιχη με αυτή της εικόνας 5, καθώς κάθε σπείρα θα προκαλέσει φαινόμενα περίθλασης.

 laser-spring

Εικόνα 5

Εφόσον ο άξονας των συμβολών είναι κάθετος στον άξονα του σύρματος (εικόνα 6), η γωνία που σχηματίζουν οι ακτίνες στον τοίχο, είναι ίση με την ακτίνα που σχηματίζουν οι σπείρες στο ελατήριο (εικόνα 7).

 spring-laser-perpendicular

Εικόνα 6

 spring-laser-parallel

Εικόνα 7

Με αντίστοιχο τρόπο, ήταν δυνατό, από την εικόνα που πήραν η Franklin και ο Gosling να υπολογιστούν στοιχεία όπως το βήμα της έλικας του DNA (από τη γωνία φ και άλλα δεδομένα), ή η ακτίνα της έλικας.
Από τη σχέση 1 που προαναφέρθηκε, καταλαβαίνουμε ότι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας θα πρέπει να είναι συγκρίσιμο του μεγέθους του αντικειμένου. Αυτός ήταν και ο λόγος που οι πιο πάνω ερευνητές χρησιμοποίησαν ακτίνες Χ για τη μελέτη του DNA και όχι ορατό φως.
Από τη φωτογραφία  51 μπορεί επίσης κάποιος να διαπιστώσει ότι το μόριο του DNA συγκροτείται από δύο έλικες.

Μπορείτε να παρακολουθήσετε μία ανάλυση της φωτογραφίας 51, στο πιο κάτω animation (θα χρειαστεί να αποδεχτείτε την εκτέλεση του flash) :


Το animation πρέρχεται από τον ιστότοπο DNA Learning Center.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *