生物学中的螺旋现象

李能国

生物世界纷繁复杂，从分子到细胞、器官、个体等维度随处可见螺旋现象。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、双螺旋和多螺旋。

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或平移与镜像重叠，就被称作具有手性或螺旋性。

无论是用甘蔗汁制的还是甜菜汁制的糖，其分子的几何形状都是右旋的。近年来人工合成了左旋糖，但这种糖只有甜味，不产生热量。这也从侧面说明了我们身体里的代谢酶只接受存在于自然界里的右旋糖。不过左旋糖也有它特殊的作用：正因为机体不能消化、吸收它，可它又具有甜味，所以将其用于制作低热值的甜食时就大有用处了。

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。

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，每条螺旋含10个碱基对，螺距为3.4nm。

DNA的双螺旋结构与其功能密切相关，一方面能携带海量的遗传信息，另一方面具有稳定的分子结构，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。近年来的研究还发现了左手螺旋DNA和三螺旋DNA。

细胞水平的螺旋现象

唐朝诗人孟郊写过一句诗：“妾心藕中丝，虽断犹连牵。”千百年来，人们用“藕断丝连”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、螺纹等几种类型，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，直径为3 um～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，使入侵者麻醉或被毒死。

典型的叶绿体的形状为椭圆形，但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，该实验便是利用了水绵独特的叶绿体。

器官水平的螺旋现象

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。

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。缠绕茎缠绕于其他物体上螺旋上升，依据缠绕的方向可分为左旋、右旋，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，被称为中性缠绕茎。

除结构是螺旋状的，有的植物的排列方式也是螺旋状的。石莲花、车前草的叶呈莲座状，正是由于螺旋式排列，使得长在最底层的叶子也能接受到阳光的照射。

鲨鱼等软骨鱼依靠肠内的螺旋状瓣膜来增加肠道的内表面，引导食物呈螺旋形前进。这样不但能延长食物在肠道中的时间，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，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。

人和动物的毛发和皮肤呈一定的倾斜度，许多毛发的倾斜方向是一致的，被称为发流或毛流。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，被称为发旋，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，避免被昆虫叮咬，还有良好的保温作用，是适应环境的一种表现。

个体水平的螺旋现象

草履虫的表膜有3 000多根纤毛，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。许多人在做图时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“飞蛾扑火”比喻自取灭亡，这种现象不能简单地用趋光性解释。许多昆虫根据平行光（比如月光）判别飞行方向，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，光线呈辐射状发射，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，这样就會以对数螺旋线的路径靠近光源，而不是径直扑向光源。

螺旋是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。螺旋现象与生命的起源、结构与功能、进化等有着极其密切的联系，它是自然的鬼斧神工，指引着人类不断探寻它的奥秘。