回顾

     

上一篇博文中介绍了自然界中的一些对称现象和对称美（http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=201926），通过几张图片我们也发现对称现象形式多样。比如一朵有5个花瓣的花，绕它的轴旋转一周，有5个位置看上去是完全一样的，每旋转2π/5的角度其保持形状重合不变，表现为旋转对称性；又如人体或一些动物的形体一边与另一边完全相同，可以折叠重合，它具有左右对称，表现为折叠对称性；再如竹节或串珠，平行移动一定的间隔，图形完全重复，它具有平移对称性；还如一个具有对称中心的物体，上面的一点沿其与对称中心的延长线能找到与其一模一样的点，此为反伸对称性。也有集上述所有对称性于一体的，如上文提到的苯分子。与这些自然界的对称美接触的久了，人们对对称性的感受逐惭形成一项美学准则，并广泛应用于建筑、造型艺术、绘画以及工艺美术的装饰之中（如天坛、泰姬陵、茶具等）。

     

手性

     

除了上面提到的对称性以外，还有一类物体无论是旋转、平移还是反伸，都无法重合。只有在镜子中，它们才能展现其对称性，即所谓的镜像反射对称性。正如我们的左右手一样，所以也叫做手性对称性。

 

手性（chirality，＝handedness）一词源于希腊词“手”χειρ (cheir)，指左手与右手的差异特征。手性及手性物质只有两类：左手性和右手性，左手性用learus或者L表示，右手性用dexter或者D表示。

     

手性所描述的事物很多，如宇观上的星系旋臂、行星自转，宏观上的大气气旋、植物蔓藤，介观上的矿物晶体，微观上的有机分子，还有电流、弱相互作用的宇称不守恒等等。这些手性事物都有感观上的或是人为定义上的方向性和螺旋性。

             

                 

                     涡状星云                卫星拍摄的台风云图

          

那么究竟该怎样来定义和区分左右手性呢？在中学物理课本里介绍判断电流感生磁场、磁场感生电流以及磁场对电流产生的阻力的方向时曾介绍过Ampere右手法则和Flemin左手法则，这里也可以用同样的方法区分手性。一般这样定义左旋和右旋：伸出一只手，竖起大姆指指向螺旋的前进方向，另外四指握拳指尖指向旋转的方向，如果与伸出的左手可以相符，称为左旋，与右手相符则称为右旋。

 

动植物表现出的手性

     

历史上达尔文、华莱士等博物学家和生物学家都曾给宏观上的生物手性现象给与了大量关注，例如达尔文就写过Movement and Habits of Climbing Plants（《攀缘植物的运动和习性》）一书。书中列出一张表，描述了42种攀缘植物，其中多数藤本植物茎蔓的螺旋是右手性的，只有11种具有左手性。

右旋与左旋

图片摘自http://www.leftyworld.net/ziran/ziran.htm

   

穿龙薯蓣(Dioscorea nipponica)      啤酒花(Humulus lupulus)

图片摘自http://www.oursci.org/magazine/200301/030113-1.htm

    

          常青油麻藤(Mucuna sempervirens)              野大豆(Glycine soja)

图片摘自http://antpedia.com/?1099/viewspace-5188 

珍贵的法螺左旋贝。在海边拣到的贝壳中，螺纹都是从顶端起始，以顺时针方向分布，这究竟是怎么回事？有没有逆时针分布花纹的贝壳呢？事实上这是大自然的规律。许多东西都是自左向右或顺时针的。这叫右旋贝。左旋贝是有的，不过是百万分之一，十分罕见。（http://discovertech.blog.163.com/blog/static/155735912007115112816236/）

比目鱼小时候眼睛是对称分布的，长大后就逐渐移向某一侧，有的成为双眼同在左边的“左撇子”，有的则变为同在右侧的“右撇子”。比目鱼左右撇子的比例，与其具体是哪一个种类，在什么海域生活有关，分布很有规律。这又成为鱼类学家很感兴趣的一个课题。（http://www.leftyworld.net/ziran/ziran.htm ）

                              

生物形态手性的起源

              

上述生物在个体水平上所表现出来的形态的手性差异，其根源是什么仍旧是个谜。根据古生物学的研究发现，在软体动物刚刚进化的寒武纪，最早的单瓣贝壳中右旋并不占优势，也就是说，那时没有明显的手性偏好。在演化过程中，贝类的壳体可以发生向右或者向左的扭转，两种方向的进程都是可能的。但是大自然有选择的作用，哪怕当初仅仅造成了十分微弱的差别，这种有意无意转变的结果就被一点一点放大，若干代后，足以产生较大的差别。这一解释意味着，现在右手性螺壳居多，有许多偶然成份。如果让生命重新进化一遍，人们没有理由肯定还会得到右手性居多的螺壳。这只是一种解释。

              

上述解释中动植物对某种单一手性的偏爱可能已经深入其骨子里，换句话说就是被写进了其遗传信息的载体——DNA中了。生物个体被深深地烙上了左手性或右手性的烙印。2002年6月13日Nature曾发表了加拿大科学家Jesson和Barrett研究茄属植物刺萼龙葵（Solanum rostratum）的花柱手性的论文，指出两个等位基因中的一个控制花柱的左右，其中向右是显性的。这一工作对于揭示生物形态手性的起源或许具有重要的启示作用。

摘自Nature，2002，417：707

分子的手性

            

     待续……

             

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