生物學中的螺旋現象

文 李能國

生物世界紛繁復雜，從分子到細胞、器官、個體等維度隨處可見螺旋現象。生物學中的螺旋現象從空間結構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；從螺旋線的數量上可分為單螺旋、雙螺旋和多螺旋。

分子水平的螺旋現象

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

無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。近年來人工合成了左旋糖，但這種糖只有甜味，不產生熱量。這也從側面說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。不過左旋糖也有它特殊的作用：正因為機體不能消化、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幾乎全是由左旋的氨基酸構成，只在細菌細胞壁和某些肽類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鏈形成的右手螺旋，每條螺旋含10個堿基對，螺距為3.4nm。

DNA的雙螺旋結構

DNA的雙螺旋結構與其功能密切相關，一方面能攜帶海量的遺傳信息，另一方面具有穩定的分子結構，占據有限的細胞空間，更能實現遺傳信息的復制和轉錄功能。近年來的研究還發現了左手螺旋DNA和三螺旋DNA。

細胞水平的螺旋現象

唐朝詩人孟郊寫過一句詩：“妾心藕中絲，雖斷猶連牽。”千百年來，人們用“藕斷絲連”表達無法割舍的感情。

植物導管的次生壁木質化增厚，形成環紋、梯紋、螺紋等幾種類型，藕的導管壁增厚部連續成螺旋狀，在藕被折斷時，螺紋導管內壁增厚的部分脫落，成為螺旋狀的細絲，直徑為3um～5um，像被拉長后的彈簧，一般可拉長至10cm左右。

刺細胞是腔腸動物特有的一種攻防武器，遍布于體表，在觸手上特別多。刺細胞里有充滿液體的刺絲囊和螺旋狀盤曲的刺絲，當受到刺激時，刺絲翻射出來，擊中目標，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，德國學者恩吉爾曼用水綿和嗜氧細菌進行實驗，證明了植物光合作用釋放氧氣的結構是葉綠體，該實驗便是利用了水綿獨特的葉綠體。

器官水平的螺旋現象

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。

植物的莖根據生長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，被稱為中性纏繞莖。

除結構是螺旋狀的，有的植物的排列方式也是螺旋狀的。石蓮花、車前草的葉呈蓮座狀，正是由于螺旋式排列，使得長在最底層的葉子也能接受到陽光的照射。

石蓮花

鯊魚等軟骨魚依靠腸內的螺旋狀瓣膜來增加腸道的內表面，引導食物呈螺旋形前進。這樣不但能延長食物在腸道中的時間，而且使營養物質的消化和吸收更加充分。

蛾類和蝶類成蟲的口器為虹吸式，左右下顎的外葉十分發達，組合成一條長喙，平時像鐘表的發條一樣呈螺旋式卷起，吸食時借血淋巴液的壓力即可伸直，吮吸花蜜或水滴。

人和動物的毛發和皮膚呈一定的傾斜度，許多毛發的傾斜方向是一致的，被稱為發流或毛流。毛流在體表可形成一個中心向外、周圍毛發呈螺旋狀的排列，稱為毛旋。毛旋如果位于頭頂，被稱為發旋，毛旋有左旋和右旋兩種。

在野生哺乳動物中，毛旋使雨水可以沿一定的毛流方向迅速下滑，也可使毛發排列緊密，避免被昆蟲叮咬，還有良好的保溫作用，是適應環境的一種表現。

個體水平的螺旋現象

草履蟲的表膜有3000多根纖毛，沿身體長軸呈縱行螺旋排列，纖毛由前到后不停地擺動,所以草履蟲的運動呈螺旋形旋轉前進。

蜘蛛織網是一個復雜的過程，一般蜘蛛網由經絲和緯絲組成，經絲自網中心向外輻射，蜘蛛在經線搭建完成后，從中心向外在經絲之間作螺旋運動，織出螺旋狀的緯絲。許多人在做圖時將蜘蛛網畫成由經絲和同心圓狀的緯絲組成，這是錯誤的。

人們用“飛蛾撲火”比喻自取滅亡，這種現象不能簡單地用趨光性解釋。許多昆蟲根據平行光（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，就能保持運動的方向。蠟燭或電燈是點光源，光線呈輻射狀發射，昆蟲在飛行過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，這樣就會以對數螺旋線的路徑靠近光源，而不是徑直撲向光源。

螺旋是自然界中最普遍、最基本的物質運動形式。螺旋現象與生命的起源、結構與功能、進化等有著極其密切的聯系，它是自然的鬼斧神工，指引著人類不斷探尋它的奧秘。