【手性科普】彩票搖獎機的彩球又往那個方向螺旋？

為了吸引眼球，不是故意但有心地做一回標題黨！^_^
PS: 劉華杰博士，北京大學哲學系，北京大學科學傳播中心教授，博士生導師
劉老師博客 http://blog.sina.com.cn/flora

彩票搖獎機的彩球又往那個方向螺旋？
導言：
廚房水池的排水總是往那個方向螺旋？
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日常生活中這些看似簡單的現象，透射出宇宙萬物的哲學現象，科學需要冷靜的思考與觀察，哲學家劉華杰的研究也許能給人們很多啟發——

紫藤的纏繞莖與手性
劉華杰

在生機勃勃、綠意盎然的植物世界中，有很多藤本的攀緣植物。它們或者相互纏繞，或者借助其他的支撐，螺旋而上，在炎炎盛夏為人們帶來滿眼翠綠和處處蔭涼，在涼爽金秋為人們帶來累累收獲。如果仔細觀察這些植物，就會發現它們的莖蔓螺旋往往是朝向特定方向的。這種現象蘊涵著自然界的一個基本屬性——手性。
手性
手性（chirality）一詞源于希臘詞“手”(cheir)，指左手與右手的差異特征。手性及手性物質只有兩類：左手性和右手性。有時為了對比，另外加上一種無手性（no chirality）作參照，可稱它為“中性手性”。左手性用l表示，右手性用d表示，中性手性用m表示。左手（性）與右手（性）單靠平移和旋轉不可能使兩者全完重合，必須做鏡像操作才能重合，所以手性對稱性也叫鏡像對稱性。
關于螺旋的手性，現在通常的定義是：伸出一只手，讓大拇指指向螺旋的軸向，另外四個手指握拳，于是由手掌到四個指尖有一“前進”方向；如果螺旋正好與伸出的左手相符，則此螺旋為左手性（垂直軸向觀看，螺旋是順時針的）的，反之為右手性的（垂直軸向觀看，螺旋是反時針的）。在氣象學中，定義也是一樣的。在北半球，低壓區能夠形成左手性的氣旋，高壓區能形成右手性的氣旋。南半球情況正好相反。
手性所能描述的事物極其多樣，大至星系旋臂、行星自轉、大氣氣旋，小到礦物晶體、生物大分子和有機小分子、安培電流、弱相互作用的宇稱不守恒等等。在植物學中，手性也是一個重要的形態特征。如楓葉、兜蘭等植物的形態，以及攀緣和纏繞植物的莖蔓旋向，都呈左右對稱，都涉及到手性。當然，絕對的對稱、完全能夠重合的兩片楓葉并不存在于自然界，絕對的對稱只能在數學中找到。
從天文學到地球科學，從化學到生物學，幾乎處處都有手性顯身影。2001年諾貝爾化學獎就授予分子手性催化的主要貢獻者，1968年諾爾斯（w.s.knowles）用過渡金屬元素制造出含手性配體的絡合物，以它為催化劑，生產出有手性的產物。后來日本名古屋大學的野依良治開發出更有效的催化劑。1980美國的夏普萊斯（b.sharpless）發現了氧化反應的手性催化劑，極大推動了手性藥物的化學合成。到2000年，全球的手性藥物銷售額已達千億美元，占藥物總銷售額的三分之一。1998年全球暢銷的500種藥物中，單一對映體銷售的手性藥物占一半以上。2002年6月13日英國《自然》發表加拿大科學家杰森（l.jesson）和巴雷特（s.barrett）研究某植物花柱手性的論文，指出兩個等位基因中的一個控制花柱的左右，其中向右是顯性的。有人評價這一工作具有重要意義。
具手性的植物
達爾文、華萊士等大博物學家、生物學家，都十分重視植物的手性，但研究并不深入。達爾文還寫過《攀緣植物的運動和習性》，書中列出一張表，描述了42種攀緣植物，其中只有11種具有左手性。這比例與我們日常的觀察差不多。無手性的藤本植物有凌霄、扁擔藤、三葉地錦、長春花等。多數藤本植物莖蔓的螺旋是右手性的，如牽牛、杠柳、扁豆、大蒼角殿（bowiea volubilis，也叫博威花）、菟絲子、木耳菜、蝙蝠葛、蘿藦、北馬兜鈴、刺苞南蛇藤、獼猴桃、金魚花（mina lobata）等。左手性的則是少數，達爾文當年列出的11種左手性植物為：
薯蕷屬tamus communis（dioscoreaceae）；
南五味子科sphaerostemma marmoratum（shizandraceae）；
蓼科蓼屬(polygonum dumetorum)；
白丹花科白丹花屬(plumbago rosea)；
馬鞭草科大青屬(clerodendron thomsonae)；
鴨嘴花屬的adhadota cydonaefolia；
茜草科的loasa aurantiaca；
茜草科的scyphanthus elegans；
金雞納屬siphomeris 或 lecontea；
馬內蒂屬的manettia bicolor；
忍冬屬的lonicera brachypoda(caprifoliaceae)。
《生命的曲線》（the curves of life）一書作者庫克（t. a. cook），當年曾為英國皇家植物園丘園鑒定標本。在收集到的24種攀緣植物中，他發現只有6種表現左手性：
蓼屬的polygonum baldschuanicum (烏茲別克的布哈拉)；
木蘭科南五味子屬的kadsura chinensis (中國)；
桑科葎草屬的humulus lupulus，即啤酒花；
忍冬屬的honeysckle；
亂子草屬的muhlenbeckia chilensis (智利)；
喇叭其藤（lapageria rosea）（智利）。
在中國，筆者本人觀察到的具有左手性的植物也有一些，如：
木蘭科的五味子schisandra chinensis，見于吉林；
桑科的啤酒花humulus lupulus，見于保定；
桑科的葎草humulus scandens ，見于華北、東北；
忍冬科的金銀花lonicera japonica，見于北京、東北；
薯蕷科穿龍薯蕷dioscorea nipponica，見于東北；
蓼科的何首烏polygonum multiflorum，見于北京中國醫學科學院藥用植物園；
還有下文將提到的一種紫藤。在北京、昆明和西雙版納，筆者還見過幾種不知道名字的草本和木本左手性植物。筆者從小就注意觀察植物的手性，總結起來看，左手性的植物確實較少。

手性與種屬劃分
有一段時間，筆者一直堅信一種植物（指生物學上的“種”）只能有一種手性，或者左手性或者右手性（當然還有沒有手性的）。除開唇形科植物和兜蘭等同一植物左右對稱的情況不算，不大可能一個物種的攀緣或者纏繞莖蔓生長在一種環境中為左手性，在另外一種環境中卻為右手性。根據是，植物表觀的手性特征是整體特性，它必然由植物體內部微觀結構和性質所控制，特別是有可能是基因控制的。對于一種特定的物種，植物內部的組織結構是差不多的，不可能導致完全不同的宏觀外表結構上的差異。當然這只是一種猜測，可能對，也可能被證偽。筆者也曾問過幾位從事生物學工作的朋友，他們也確認手性是區分物種的重要標志，一個物種一般不可能具有兩種互成鏡像的手性。
達爾文曾記錄過一種頻繁雙向旋轉的植物有齒鈕扣花（hibbertia dentata），同一種植物時而具有左手性時而具有右手性。不過，這能否算得上一種特殊類型，還不能確定，因為有些沒有手性的攀緣植物隨機地往上爬，時左時右，與達爾文說的情況很難區分。
《長白山植物藥志》中畫有一幅菟絲子（cuscuta japonica）的圖，既有左手性又有右手性。筆者懷疑畫得不對，經多次野外核對，見到的菟絲子只有右手性，沒有發現左手性。可以初步斷定畫錯了。還有某兒童百科全書，畫了作為蔬菜的蕓豆攀緣莖，畫得也很隨意，有兩種手性，也可以判定畫錯了。另外還見到中國科學院植物園冀朝禎繪制的長瓣兜蘭（paphiopedilum dianthum tang et wang），兩側瓣的卷曲方向似乎也是隨意畫上的：有一枝全畫成了左手性，另一枝全畫成了右手性，這就違背了兜蘭每朵花自身的左右對稱性。
這說明即使在植物學界，手性在描述植物外在特征時，也沒有得到應有的重視。翻翻各種植物教材和植物手冊，很少有在講植物的莖蔓時或者描述某種植物時，專門指出它的手性特征，一般只說“藤本纏繞”，實際上缺少了一項重要的信息。周云龍主編的《植物生物學》（1999年版）一書，只在“莖的生長習性與分枝”中提到莖的幾種形式，也沒講手性纏繞問題。《中國植物志》是個例外。
筆者早就注意到中國極常見的豆科植物紫藤的莖蔓是右手性的。西安、保定、北京大學校內、中山公園內及北京西三旗育新花園內的紫藤，無一例外都是右手性的，從粗壯的根部粗藤到細小的新枝都呈右手螺旋生長。這種叫（中國）紫藤（w. sinensis）。
但在一次不經意間，筆者見到一株紫藤的小細枝竟然以左手螺旋纏繞在一起，而且全株紫藤各個部分無一例外都是左手性的。不遠處另一棵紫藤也是如此。這是筆者第一次見到紫藤可以具有左手性。后來在香山中科院植物園（南園）中又發現兩棵左手性的紫藤，此園中其他紫藤仍然是右手性的。這種左手性的紫藤叫多花紫藤（wisteria floribunda），原產于日本。它的外形特點是：奇數羽狀復葉，小葉13~19片（6~9對）。在中國科學院藥用植物園中，也發現許多左手性的紫藤。這似乎意味著筆者以前的猜測被證偽了。筆者猜想，紫藤屬（wisteria nutt.）可能要分出不同的種或者亞種。