生命世界中的螺旋现象

李能国 （江苏省常州市教育教研室 213001）

   摘  要 生物学中常见螺旋现象。本文从分子、细胞、器官、个体、动物行为等层次，

           列举生命螺旋的类型，阐明其结构、功能、发生的奥秘。

   关键词 生命  螺旋现象  结构  功能 

    生命世界纷繁复杂，但从生命分子到细胞、器官、个体、动物行为，随处可见螺旋现象。生物学中的螺旋现象，从空间结构上可分为平面螺旋和立体螺旋；从螺旋方向上可分为左手螺旋和右手螺旋；从螺旋线的数量上可分为单螺旋、双螺旋或多螺旋；从本质上可分为物质或结构螺旋和行为动作螺旋。

1  分子水平的螺旋现象

    人的掌心向上时，左手和右手不能重叠，它们彼此互为镜像。如果一个物体不能通过旋转和平移与镜像重叠，就被称作具有手性或螺旋性。葡萄糖、核糖和脱氧核糖是右旋；除甘氨酸之外，自然界中的氨基酸可分为左旋和右旋两种，生物界中各种蛋白质几乎全是由左旋的氨基酸所构成，只在细菌细胞壁和某些肽类抗生素中，存在右旋的氨基酸。

    α- 螺旋是一种蛋白质的二级结构，每3.6个氨基酸残基螺旋成一圈。指甲、毛发、蹄、角等结构的成分都是呈α-螺旋的纤维蛋白，称为α- 角蛋白；胶原蛋白是脊椎动物中最普遍的一种蛋白质，由3条α- 螺旋的肽链构成，3条链再相互扭成一股右手螺旋。胶原纤维由许多胶原蛋白以氢键相连，氢键可以随时破坏和形成，所以胶原纤维具有弹性。微管蛋白的两个亚基螺旋排列，盘绕而成中空的微管，纺锤丝、鞭毛、纤毛等都是微管构成，肌动蛋白的单体是哑铃形的，相连成串，两串以右手螺旋形成肌动蛋白丝，即微丝^[1]。

    通常DNA分子是由两条走向相反的多核苷酸长链形成的右手螺旋，每一螺旋含10个碱基对，螺距为3.4nm。双螺旋的表面有一个大沟和一个小沟，在此可发生特异核苷酸序列与特异的DNA结合蛋白质之间的相互作用，活化或抑制结合位点或其附近的基因^[2]。DNA的双螺旋结构，与其功能密切相关，一方面能携带巨大的遗传信息，同时分子结构稳定，占据有限的细胞空间，更能实现遗传信息的复制和转录功能。近来研究发现了左手螺旋DNA和三螺旋DNA。

2  细胞水平的螺旋现象

    细菌的形态有球形、杆形和螺旋形之分，螺旋菌菌体回转如螺旋，螺旋数目的多少及螺距大小随菌种不同而异，梅毒的病原体就是一种螺旋菌。螺旋藻是一种可食用蓝藻，多细胞组成的螺旋状盘曲的不分枝的丝状体。

    唐朝诗人孟郊的诗句：“妾心藕中丝，虽断犹连牵。” 千百年来，人们用藕断丝连的成语来表达无法割舍的感情。植物导管的次生壁木质化增厚，形成环纹、梯纹、螺纹等五种类型，藕的导管壁增厚部连续成螺旋状，在藕被折断时，螺纹导管内壁增厚的部分脱落，成为螺旋状的细丝，直径约3～5um，像被拉长后的弹簧，一般可拉长至10cm左右。

    刺细胞是腔肠动物特有的一种攻防武器，遍布于体表，在触手上特别多，刺细胞里有充满液体的刺丝囊和螺旋状盘曲的刺丝，当受到刺激时，刺丝翻射出来，击中目标，并分泌毒素，使猎物或入侵者麻醉或毒死。

    典型的叶绿体形状为椭圆形，但是水绵的叶绿体呈螺旋带状。1880年，德国学者恩吉尔曼用水绵和嗜氧细菌进行实验，证明了植物光合作用释放氧气的结构是叶绿体，就是利用水绵独特的叶绿体。

3  器官水平的螺旋现象

3.1  螺旋结构

    许多植物的部分茎或叶特化成螺旋的卷须状，借以攀援在其他物体之上。常见的具有茎卷须的植物有葡萄、栝楼和黄瓜等；具有叶卷须的植物有豌豆和菝葜等，豌豆的卷须是小叶的变态，菝葜的卷须是托叶的变态。

    植物的茎根据生长方式可以分为：直立茎、缠绕茎、攀缘茎和匍匐茎。缠绕茎是以茎缠绕于其他的物体上，螺旋上升，依据缠绕的方向可分为左旋、右旋，牵牛、马兜铃和菜豆等植物的茎为左旋；忍冬等植物的茎为右旋；何首乌的茎左右旋都可以，称中性缠绕茎。

    鲨鱼等软骨鱼依靠肠内的螺旋状瓣膜来增加肠的内表面，引导食物螺旋形前进，不但延长食物在肠中的时间，而且使营养物质的消化和吸收更加充分。

    蛾类和蝶类成虫的口器为虹吸式口器，左右下颚的外叶十分发达，组合成一条长喙，平时像钟表的发条一样呈螺旋式卷起，吸食时借血淋巴液的压力即可伸直，吮吸花蜜或水滴。

3.2  螺旋排列

    植物的叶片以螺旋方式排列在茎上的，较典型的是石莲花、车前草的叶，呈莲座状，正是由于螺旋式排列，使得长在最底下的叶子，也能接受到阳光的照射。不具有光合作用功能的鳞茎上的鳞片叶、竹笋上的竹箨也呈螺旋排列。花是适应生殖的变态短枝，萼片、花瓣、雄蕊和心皮均为变态叶，许多植物的花序、花瓣、雄蕊、雌蕊、种子、果实等也呈螺旋状排列，如玉兰的雄蕊和雌蕊多数，螺旋状地排列在长轴形的花托上；菊科植物的头状花序是许多小花组成，这些小花按照顺时针方向或逆时针方向层层螺旋排列；松科植物的叶、芽鳞、雄蕊、苞鳞、珠鳞和种鳞均螺旋状排列。 

    人和动物的毛干和皮肤呈一定的倾斜度，许多毛发的倾斜方向是一致的，称发流或毛流。毛流在体表可形成一个中心向外，周围毛发呈螺旋状的排列，称为毛旋，毛旋如果位于头顶，亦称为发旋，毛旋有左旋和右旋两种。在野生哺乳动物中，毛旋使得雨水可以沿一定的毛流方向迅速下滑，也可使毛发排列紧密，避免昆虫叮咬，还有良好的保温作用，是对环境的一种适应。毛发对于人类的作用已退化到微不足道的地步，但其排列形式却保留了下来，通常人都有一个发旋，多位于头顶部，或偏左偏右，少数人有两个或三个发旋，甚至有位于头前部的发旋。发旋的位置对人类的发型设计有一定的影响。

4  个体水平的螺旋现象

    软体动物门腹足纲的外壳呈螺旋形，多数种类为右旋，少数为左旋。贝壳可分含螺旋盘曲内脏器官的螺旋部和容纳头足的体螺层两部分，螺旋部一般由许多螺层构成，有的种类退化如鲍、宝贝等，壳顶是介壳最早形成的部分，体螺层是介壳最后形成的一层。腹足类在个体发育的担轮幼虫期，身体也是左右对称的，只是到了面盘幼虫后期，才发生扭转，说明其祖先的身体是左右对称的，在进化的历程中，介壳和内脏团发生扭转，使贝壳在容积不变的情况下，其表面积减小了，从而减小水的阻力，有利于保持身体平衡，同时外套腔开口转移到体前，水在腔内循环流畅，排泄作用等得以正常进行。

5  动物行为中的螺旋现象

    草履虫的表膜有纤毛3500多根，沿身体长轴呈纵行螺旋排列，纤毛由前到后不停地摆动,所以草履虫的运动是呈螺旋形旋转前进。

    蜘蛛织网是一个复杂的过程，一般蜘蛛网由经丝和纬丝组成，经丝自网中心向外辐射，蜘蛛在经线搭建完成后，从中心向外在经丝之间作螺旋运动，织出螺旋状的纬丝，许多图片将蜘蛛网画成由经丝和同心圆状的纬丝组成，这是错误的。

    人们用“飞蛾投火”的成语比喻自取灭亡，飞蛾投火现象不能简单地以趋光性来解释。许多昆虫根据平行光判别飞行方向，比如月光，只要将身体与平行光保持一定角度，就能保持运动的方向。蜡烛或电灯是点光源，光线是辐射状发射的，昆虫在飞行过程中需要不停地变换身体的角度，以保持身体与光的一定角度，这样就会以对数螺旋线的路径靠近光源，而不是径直扑向光源，寻求自我毁灭。

    从原子到分子、细胞、个体、水流、气流、星球、星云等，螺旋是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。生命现象中螺旋，与生命的起源、结构与功能、进化等有着极其密切的联系，包含着内在的合理性和外在的美丽，是自然的鬼斧神工，也是人类不断探寻的奥秘。

参考文献：

[1]陈增阅.1997.普通生物学.北京：高等教育出版社，26

[2]W.D.斯坦菲尔德，J.S.科洛麦，R.J.卡诺等.2002.分子和细胞生物学.北京：科学出版社，47