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
加载中,请稍候......