纏繞植物莖的纏繞方向性及其原因探究

王和友

人教版八年級(jí)物理課本上的右手螺旋定則一節(jié)中提到：牽牛花纏繞的莖纏繞方向與右手螺旋定則是一致的，要滿足右手螺旋定則，四指彎向它的纏繞方向，則大拇指的指向就是它的生長(zhǎng)方向（如下圖）。那么，植物莖的纏繞方向有何特性，其原因又是什么呢？

為了尋找答案，我對(duì)下列幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了探究。

自然界中纏繞植物的莖和攀緣植物的卷須，它們的纏繞方向和生長(zhǎng)方向有什么關(guān)系？

我們?cè)谌粘Ｉ钪谐３Ｒ?jiàn)到一些參天大樹(shù)，這些樹(shù)之所以高大，就是因?yàn)檫@些植物的一種器官——莖很發(fā)達(dá)的緣故，一般喬木類植物都是這種莖。我們把這種背地面而生的莖叫作直立莖。然而，植物并不都是直立、高大的，有些植物的莖細(xì)長(zhǎng)而柔軟，不能直立只能纏繞在其他物體上向上生長(zhǎng)，這種莖叫作纏繞莖，如牽牛花、金銀花的莖。另外，還有一些植物如黃瓜、葡萄等，它們的莖雖然也是細(xì)長(zhǎng)柔軟的，但它們既不能直立生長(zhǎng)，也不能纏繞到別的物體上，可是它們卻可以借助莖上生長(zhǎng)的卷須盤(pán)卷在別的物體上，從而向高處生長(zhǎng)，這種莖叫作攀緣莖。上面我們所談的莖都起著連接根和葉的橋梁作用，在根和葉之間不停地傳送著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

大家都知道，植物的葉子有“向光性運(yùn)動(dòng)”，植物的莖總是向上生長(zhǎng)有“負(fù)向地性運(yùn)動(dòng)”，以便得到陽(yáng)光而進(jìn)行光合作用；根總是向下生長(zhǎng)有“向地性運(yùn)動(dòng)”，以便得到水和肥料。植物的向光、向地和負(fù)向地性等運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)稱為“向性運(yùn)動(dòng)”。植物之所以會(huì)產(chǎn)生向性運(yùn)動(dòng)，主要是生長(zhǎng)素作用的結(jié)果。攀緣植物的卷須和纏繞莖，在接觸支撐物的一面生長(zhǎng)素含量少，生長(zhǎng)較慢；而另一面含生長(zhǎng)素多，生長(zhǎng)較快，因此它們就螺旋式地纏繞在支撐物上。

由此我觀察到：若把牽牛花的莖以向右旋的方式纏繞在支架上，則很快就會(huì)自行脫落；若繞的方向與其習(xí)性相同，則會(huì)纏得更緊，順利向上攀緣，生長(zhǎng)發(fā)育良好。

通過(guò)上述分析，我展開(kāi)了思考：不同植物的旋轉(zhuǎn)方向會(huì)不會(huì)不同呢？

歷史上，達(dá)爾文、華萊士等大博物學(xué)家、生物學(xué)家都觀察研究過(guò)攀緣植物的習(xí)性。達(dá)爾文專門(mén)寫(xiě)過(guò)《攀緣植物的運(yùn)動(dòng)和習(xí)性》一書(shū)，書(shū)中描述了42種攀緣植物，其中11種是左旋的，如牽牛花、扁豆、馬兜鈴、山藥等植物的莖向左旋轉(zhuǎn)纏繞而上，其纏繞方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颍此鼈兊睦p繞方向和生長(zhǎng)方向有右手性的規(guī)律；有些植物如金銀花、菟絲花、雞血藤等始終向右旋轉(zhuǎn)，其纏繞方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较颍此鼈兊睦p繞方向和生長(zhǎng)方向有左手性的規(guī)律；而何首烏卻是“隨心所欲”地旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)，有時(shí)左旋，有時(shí)右旋，也就是說(shuō)它的纏繞方向和生長(zhǎng)方向是不固定的。

在查閱資料的過(guò)程中，我漸漸意識(shí)到，植物的不同旋轉(zhuǎn)方向和地理位置有關(guān)，于是接著探究了第三個(gè)問(wèn)題。

纏繞植物的莖的纏繞方向和生長(zhǎng)方向在南北半球有什么不同？通過(guò)觀察和查閱相關(guān)資料，我們很容易得知，大部分情況下，在北半球，形成的螺旋沿著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，在南半球，形成的螺旋沿著順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

科學(xué)家最新研究表明，植物旋轉(zhuǎn)纏繞的方向特性，是它們各自的祖先遺傳下來(lái)的本能。億萬(wàn)年以前，有兩種攀緣植物的始祖，一種生長(zhǎng)在南半球，一種生長(zhǎng)在北半球。為了獲得更多的陽(yáng)光和空間，以便生長(zhǎng)發(fā)育得更好，它們莖的頂端就隨時(shí)朝向東升西落的太陽(yáng)。這樣，生長(zhǎng)在南半球的植物的莖向右旋轉(zhuǎn)，生長(zhǎng)在北半球的植物的莖則向左旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的適應(yīng)、進(jìn)化過(guò)程，它們便逐步形成了旋轉(zhuǎn)纏繞的固定方向。之后，它們雖被移植到不同的地理位置，但其旋轉(zhuǎn)纏繞的方向卻被遺傳下來(lái)而且固定不變，植物這種固有的盤(pán)旋方向是由它們的基因決定的。那么，又是什么因素影響了它們的基因呢？

植物的發(fā)源地是北半球還是南半球決定它們生長(zhǎng)過(guò)程中盤(pán)旋的方向。經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的繁衍，這種特性在遺傳基因中被固定了下來(lái)，甚至后來(lái)把它移植到另一個(gè)地方也很難改變。

還有就是植物的“喜光性”。植物都有追逐陽(yáng)光的習(xí)性，比如一棵大樹(shù)，向著陽(yáng)光的一面肯定長(zhǎng)得茂盛。太陽(yáng)在轉(zhuǎn)動(dòng)，藤蔓植物也就隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，越長(zhǎng)越長(zhǎng)，就繞成一個(gè)螺旋形了，一般南北半球的植物繞向是正好相反的。而起源于赤道附近的攀緣植物，由于太陽(yáng)當(dāng)空，它們就不需要隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而其纏繞方向沒(méi)有固定，可隨意旋轉(zhuǎn)纏繞。

隨后我進(jìn)行了科學(xué)觀察：站在葡萄架下，乍一看，我以為葡萄的枝條和卷須互相糾纏著，雜亂無(wú)章。但是仔細(xì)一看，發(fā)現(xiàn)枝莖上的一條條卷須都是螺旋形的，它們巧妙地將葉子長(zhǎng)在朝著陽(yáng)光的位置上，讓其充分進(jìn)行光合作用。螺旋形的卷須啊，扶葉遞光，有條不紊。還有就是向日葵，這是最典型的喜光性植物，它的花總是向著太陽(yáng)盛開(kāi)。

（編輯 零零柒）