生物學(xué)中的螺旋現(xiàn)象

文 李能?chē)?guó)

生物世界紛繁復(fù)雜，從分子到細(xì)胞、器官、個(gè)體等維度隨處可見(jiàn)螺旋現(xiàn)象。生物學(xué)中的螺旋現(xiàn)象從空間結(jié)構(gòu)上可分為平面螺旋和立體螺旋；從螺旋方向上可分為左手螺旋和右手螺旋；從螺旋線(xiàn)的數(shù)量上可分為單螺旋、雙螺旋和多螺旋。

分子水平的螺旋現(xiàn)象

人的掌心向上時(shí)，左手和右手不能重疊，它們彼此互為鏡像。如果一個(gè)物體不能通過(guò)旋轉(zhuǎn)或平移與鏡像重疊，就被稱(chēng)作具有手性或螺旋性。

無(wú)論是用甘蔗汁制的還是甜菜汁制的糖，其分子的幾何形狀都是右旋的。近年來(lái)人工合成了左旋糖，但這種糖只有甜味，不產(chǎn)生熱量。這也從側(cè)面說(shuō)明了我們身體里的代謝酶只接受存在于自然界里的右旋糖。不過(guò)左旋糖也有它特殊的作用：正因?yàn)闄C(jī)體不能消化、吸收它，可它又具有甜味，所以將其用于制作低熱值的甜食時(shí)就大有用處了。

除甘氨酸之外，自然界中的氨基酸可分為左旋和右旋兩種，生物界中各種蛋白質(zhì)幾乎全是由左旋的氨基酸構(gòu)成，只在細(xì)菌細(xì)胞壁和某些肽類(lèi)抗生素中存在右旋的氨基酸。

通常DNA分子是由兩條走向相反的多核苷酸長(zhǎng)鏈形成的右手螺旋，每條螺旋含10個(gè)堿基對(duì)，螺距為3.4nm。

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)與其功能密切相關(guān)，一方面能攜帶海量的遺傳信息，另一方面具有穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，占據(jù)有限的細(xì)胞空間，更能實(shí)現(xiàn)遺傳信息的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄功能。近年來(lái)的研究還發(fā)現(xiàn)了左手螺旋DNA和三螺旋DNA。

細(xì)胞水平的螺旋現(xiàn)象

唐朝詩(shī)人孟郊寫(xiě)過(guò)一句詩(shī)：“妾心藕中絲，雖斷猶連牽。”千百年來(lái)，人們用“藕斷絲連”表達(dá)無(wú)法割舍的感情。

植物導(dǎo)管的次生壁木質(zhì)化增厚，形成環(huán)紋、梯紋、螺紋等幾種類(lèi)型，藕的導(dǎo)管壁增厚部連續(xù)成螺旋狀，在藕被折斷時(shí)，螺紋導(dǎo)管內(nèi)壁增厚的部分脫落，成為螺旋狀的細(xì)絲，直徑為3um～5um，像被拉長(zhǎng)后的彈簧，一般可拉長(zhǎng)至10cm左右。

刺細(xì)胞是腔腸動(dòng)物特有的一種攻防武器，遍布于體表，在觸手上特別多。刺細(xì)胞里有充滿(mǎn)液體的刺絲囊和螺旋狀盤(pán)曲的刺絲，當(dāng)受到刺激時(shí)，刺絲翻射出來(lái)，擊中目標(biāo)，并分泌毒素，使入侵者麻醉或被毒死。

典型的葉綠體的形狀為橢圓形，但水綿的葉綠體呈螺旋帶狀。1880年，德國(guó)學(xué)者恩吉爾曼用水綿和嗜氧細(xì)菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了植物光合作用釋放氧氣的結(jié)構(gòu)是葉綠體，該實(shí)驗(yàn)便是利用了水綿獨(dú)特的葉綠體。

器官水平的螺旋現(xiàn)象

許多植物的部分莖或葉特化成螺旋的卷須狀，借以攀援在其他物體上。常見(jiàn)的具有莖卷須的植物有葡萄、栝樓和黃瓜等，具有葉卷須的植物有豌豆和菝葜等。

植物的莖根據(jù)生長(zhǎng)方式可以分為直立莖、纏繞莖、攀緣莖和匍匐莖。纏繞莖纏繞于其他物體上螺旋上升，依據(jù)纏繞的方向可分為左旋、右旋，馬兜鈴和菜豆等植物的莖為左旋；忍冬等植物的莖為右旋；何首烏的莖左、右旋都可以，被稱(chēng)為中性纏繞莖。

除結(jié)構(gòu)是螺旋狀的，有的植物的排列方式也是螺旋狀的。石蓮花、車(chē)前草的葉呈蓮座狀，正是由于螺旋式排列，使得長(zhǎng)在最底層的葉子也能接受到陽(yáng)光的照射。

石蓮花

鯊魚(yú)等軟骨魚(yú)依靠腸內(nèi)的螺旋狀瓣膜來(lái)增加腸道的內(nèi)表面，引導(dǎo)食物呈螺旋形前進(jìn)。這樣不但能延長(zhǎng)食物在腸道中的時(shí)間，而且使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收更加充分。

蛾類(lèi)和蝶類(lèi)成蟲(chóng)的口器為虹吸式，左右下顎的外葉十分發(fā)達(dá)，組合成一條長(zhǎng)喙，平時(shí)像鐘表的發(fā)條一樣呈螺旋式卷起，吸食時(shí)借血淋巴液的壓力即可伸直，吮吸花蜜或水滴。

人和動(dòng)物的毛發(fā)和皮膚呈一定的傾斜度，許多毛發(fā)的傾斜方向是一致的，被稱(chēng)為發(fā)流或毛流。毛流在體表可形成一個(gè)中心向外、周?chē)l(fā)呈螺旋狀的排列，稱(chēng)為毛旋。毛旋如果位于頭頂，被稱(chēng)為發(fā)旋，毛旋有左旋和右旋兩種。

在野生哺乳動(dòng)物中，毛旋使雨水可以沿一定的毛流方向迅速下滑，也可使毛發(fā)排列緊密，避免被昆蟲(chóng)叮咬，還有良好的保溫作用，是適應(yīng)環(huán)境的一種表現(xiàn)。

個(gè)體水平的螺旋現(xiàn)象

草履蟲(chóng)的表膜有3000多根纖毛，沿身體長(zhǎng)軸呈縱行螺旋排列，纖毛由前到后不停地?cái)[動(dòng),所以草履蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)呈螺旋形旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。

蜘蛛織網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，一般蜘蛛網(wǎng)由經(jīng)絲和緯絲組成，經(jīng)絲自網(wǎng)中心向外輻射，蜘蛛在經(jīng)線(xiàn)搭建完成后，從中心向外在經(jīng)絲之間作螺旋運(yùn)動(dòng)，織出螺旋狀的緯絲。許多人在做圖時(shí)將蜘蛛網(wǎng)畫(huà)成由經(jīng)絲和同心圓狀的緯絲組成，這是錯(cuò)誤的。

人們用“飛蛾撲火”比喻自取滅亡，這種現(xiàn)象不能簡(jiǎn)單地用趨光性解釋。許多昆蟲(chóng)根據(jù)平行光（比如月光）判別飛行方向，只要將身體與平行光保持一定角度，就能保持運(yùn)動(dòng)的方向。蠟燭或電燈是點(diǎn)光源，光線(xiàn)呈輻射狀發(fā)射，昆蟲(chóng)在飛行過(guò)程中需要不停地變換身體的角度，以保持身體與光的一定角度，這樣就會(huì)以對(duì)數(shù)螺旋線(xiàn)的路徑靠近光源，而不是徑直撲向光源。

螺旋是自然界中最普遍、最基本的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式。螺旋現(xiàn)象與生命的起源、結(jié)構(gòu)與功能、進(jìn)化等有著極其密切的聯(lián)系，它是自然的鬼斧神工，指引著人類(lèi)不斷探尋它的奧秘。