什么是左撇子植物,什么是右撇子植物?

植物中为何左撇子很少?

2009-03-16 16:02:30

植物的茎通常向哪个方向旋转?

科学家说的“左旋”含义都一样吗?

菜豆、紫藤、草、萝、金银花的茎是怎样缠绕的?

写下这个题目,我得立即声明:对这样一种提问,其实我也不知道答案,只不过我较早关注了这件事并收集了大量经验材料。那么谁能回答呢?据我所知,目前几乎没有人能够令人满意地回答这个问题。我请教过理论物理学家、植物学家、气象学家等,也查过许多文献,实话说,结果很不理想。相当多科学家在谈论这个问题时概念十分混乱。你会想:不会吧,你准是又在说科学和科学家的坏话!

前几年英国出版了一本畅销科普书《企鹅的脚为什么不怕冻?》。书中从多个角度(而非以“标准答案”的方式)回答了来自读者的大量博物学提问,展示了“科学说明”的复杂性。读此书,人们会感受到科学是有趣的,对于身边的问题做出令人满意的解答也常常充满了挑战。关于讨论植物左撇子还是右撇子的问题,完全可以列入下一版的《企鹅的脚为什么不怕冻?》,请若干科学家分头解释。甚至可以邀请普通读者猜猜答案,把各种说法全部记录在案,然后再一一检验,我想一定有趣。据我所知,几乎所有在农村长大的孩子从小就注意过植物茎的缠绕方式,可能还摆弄过,如故意让茎朝相反的方向转爬

桔梗科草质藤本植物珠子参

图1

图1,桔梗科草质藤本植物珠子参的花,摄于云南香格里拉。花冠紫蓝色,花大而美,在园艺中将大有作为。不过,目前为止未见植物园栽种。云南丽江玉湖、中甸纳帕海山边、泸沽湖沿岸有很多。值得注意的是花冠具有5次旋转对称性(也称辐射对称性),而柱头本身为3次旋转对称。这里根据《中国植物志》定名“珠子参”。《中国高等植物图鉴》称此植物为“大金线吊葫芦、鸡腰参、甜鸡露”

说了半天,什么左撇子植物?“左撇子”这个概念人们并不陌生,但说清楚与之相关的“植物的手性”,并不总是很容易。有了一定的经验后,我向初学者解说的最佳、最快速的办法是请大家看图形,而不是用文字解说

藤本植物珠子参茎的缠绕方式

图2,藤本植物珠子参茎的缠绕方式。左图和右图中有一个是真的,另一个是用软件做出来的镜像。哪个是真的?

在正式引入植物的手性概念前,还是先看图提问题、猜答案。图1是桔梗科植物珠子参,十分美丽。图2是珠子参未开放时的样子,此图还专门表现了其茎的缠绕方式,摄于云南丽江玉湖。当年植物学家、纳西学专家洛克在玉湖住了二十多年,美国地理学会赴中国云南探险队总部就设在那里,洛克是队长。在图2中,左图与右图差不多,其实它们互成镜像。其中一个是原图,另一个镜象。究竟哪个是真的?我不告诉你,等你有机会去云南亲自看一下吧!

什么是左旋和右旋?什么是左撇子和右撇子?

如果嫌丽江太远,到北京延庆松山看看旋花科的金灯藤也行。我拍摄图3的确切地址为:北纬40度30.74分,东经115度49.05分,海拔825 米,据此你可以方便地找到那些金灯藤。我保证,珠子参的旋转方向与金灯藤的一样

旋花科草质藤本植物金灯藤,也称日本菟丝子。茎右旋

图3,旋花科草质藤本植物金灯藤,也称日本菟丝子。茎右旋

如果你对金灯藤也没什么概念,但一定吃过菜豆、豌豆、豇豆或眉豆吧,找一株这样的豆科植物观察一下并不难。我提到的这些植物,都具有相同的旋转方向。但并不是说豆科植物茎的旋转方向都一样。如果把图3(或图2中的左图)所示的旋转方式定义为“右旋”,这样的植物的茎所具有的手性叫做“右手性”,如珠子参和金灯藤,它们都是右撇子植物。与之相反的旋转方式叫做“左旋”,如薯蓣科植物黏薯蓣是左撇子植物(见图4)

薯蓣科植物黏薯蓣,茎左旋

图4,薯蓣科植物黏薯蓣,茎左旋。摄于云南泸沽湖里务比岛。这个科的植物有许多是藤本,但手性并不一致,同一属中既有左旋的也有右旋的

并非所有藤本植物都有右旋或左旋的茎,如爬山虎、凌霄花、长春藤的茎是中性的,不向右转也不向左转,也可以说它无手性。那么它靠什么往上爬?靠卷须末端的吸盘

葡萄科木质藤本植物爬山虎,也称地锦

图5,葡萄科木质藤本植物爬山虎,也称地锦。其茎的手性是中性的,既不向左转也不向右转,既不是左撇子,也不是右撇子植物

为什么称“手性”而不称别的什么性呢?

手性这个词来自“手”,我们的双手虽然很像,但却是不一样的,左手和右手互成镜像。通过旋转、平移操作,两只手永远不可能重合起来,只有通过反射(镜像)操作,两只手才能重合起来,如拜佛时。用学术化一点的语言讲,在某种变换下具有不变性的图形或者物体,就具有此种变换下的对称性。如水鳖科植物波叶海菜花的花具有3次旋转对称性(见图6),鸢尾科和百合科的许多植物也如此。而兰科植物的花通常只具有左右对称性,即镜像对称性,如硬叶兜兰(见图7),蝴蝶兰也如此。实际上很难找到哪种兰花不是这样

水鳖科植物波叶海菜花,当地的摩梭人称之为“开普”

图6,水鳖科植物波叶海菜花,当地的摩梭人称之为“开普”。它的花具有3次旋转对称性

学过物理学、化学和分子生物学的读者都明白,我的上述定义与这些学科中讲的左与右的含义一致,比如DNA分子为右手双螺旋结构,具有右手性。电磁学中的左手定则、右手定则也与我的定义兼容

兰科植物硬叶兜兰的花具有近似的左右对称性

图7,兰科植物硬叶兜兰的花具有近似的左右对称性

所谓“右旋植物”或者 右撇子植物,用语言描述便是:

对于藤本植物的缠绕茎,想像着伸出右手,大拇指竖起,四指握拳。让大拇指顺着轴向(指向轴的两个方向的哪一个均无所谓。这一特点非常重要,也极有用),四指从掌根到指尖把握住植物茎螺旋,如果能做到茎螺旋的前进方向(不需知道是否是植物的实际生长方向)与大拇指的指向一致,那么此植物的茎是“右旋”的

反之是“左旋”的植物,或者说是 左撇子植物。描述起来有点嗦的,实际上很好判断,用眼睛一看就有结果了

了解“左旋”的另一个好办法是,看看藏区佛教信众如何转塔、转经轮吧

手性的争议

至此,左旋、右旋的定义应该够清楚的了,看文献不会有什么困难了吧?非也,大量的植物学文献可不是这样清晰

斯藤恩的经典著作《植物学拉丁文》中的一幅插图。左侧的螺旋是左旋的,右侧的螺旋是右旋的

图8,斯藤恩的经典著作《植物学拉丁文》中的一幅插图。左侧的螺旋是左旋的,右侧的螺旋是右旋的

新出版的《攀援植物行为生态学的理论与研究方法》实际上把上述我定义的右旋称作左旋,把左旋称作右旋;《中国植物志》在豆科“紫藤属分种检索表”中用到了“茎左旋”和“茎右旋”的概念,但没有下定义。根据它所描述的植物反向推理可以发现,它所说的茎左旋与茎右旋也是与我上述的定义正好相反的。其他例子还有许多,这里就不再赘述了

《中国植物志》是权威性著作,在分类与定名过程中有分歧时人们一般以《中国植物志》为准,那么关于手性我为何还要计较呢?

首先,《中国植物志》及许多植物书并没有明确给所使用的概念下定义,它没有清晰地定义什么叫左什么叫右,因为定义左和右是很困难的。通过反推,我们知道 《中国植物志》等描述的左旋与右旋与数理科学中普遍使用并且定义得很清楚的概念相悖。并且,植物学家自己的用法也不统一。著名植物学家、植物学史家斯藤恩的经典著作《植物学拉丁文》、德康多依父子、比斯科夫的用法与埃希勒、格雷的用法就是正好相反的。这一事实也提示我们,传统植物学的知识有一定的地方性。地方性、本土性倒并不一定是坏事,现在人们十分重视或者经常赞美“地方性知识”

在手性问题上无疑数理科学更严格。其实,左与右是相对的,只要定义清楚,哪个是左哪个是右均无所谓,事先约定一下就可以。本文作出约定,左与右的含义与数理科学家及部分植物学家的理解保持一致

博物学家达尔文早就注意到植物的手性。也许他为了避免混淆,采用了另外一套术语。达尔文把我所说的左旋称作“顺太阳方向”转动,把右旋称作“逆太阳方向”转动。他的意思是,从藤本植物生长端垂直往下观察,如果茎端的生长方向是像钟表上的时针一样绕某物旋转或者像东升西落的太阳一般运动,那么它就是“顺太阳方向”的

达尔文的定义有其优点,避免了左转右转的混淆,但也有缺点。其缺点在于,当我们处于树林中,特别是在光线不大好的情况下,见到某种复杂的藤本植物,在局部上可能无法确认藤子的哪一端是新的(即生长端)。按达尔文的办法,一旦对生长端判断错误,关于手性给出的结论就是错误的。而我们按数理科学给出的定义不会出现这类问题

关于植物手性还有许多值得研究和探讨的话题,比如植物缠绕方式的详细分类以及手性可能的成因。今天介绍的只是一些我自己的研究心得。感兴趣的读者朋友来和我一起研究这迷一样的手性现象吧

https://www.cdstm.cn/gallery/media/mkjx/smsj/200903/t20090316_327478.html

2021-04-17


海云青飞,生命进化规律破解者
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海云青飞 主要作品:《直立人归来》 - 《从零开始发明修行》 - 《悟道进化生物学》 - 《悟道相对论》