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举个栗子:左右对称与左右不对称,有多神奇?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-16) 258次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:左右对称与左右不对称,有多神奇?

现在来比较一下我们的左手和右手。毫无疑问,左手和右手是非常不同的。左手无论如何移动、旋转都无法和右手重合。只要看到一只手,我们就能说出它是左手还是右手,而不必看到手的主人。然而,左手和右手又是那么相像,如果把左手的照片和右手镜像的照片放在一起,我们根本就无法区分。不只是双手,我们的双脚、两耳乃至整个左半边身体的外观和右半边身体的外观之间都是镜像对称的关系。生物学上把我们这样的身体结构称为左右对称。需要注意的是,物体关于某一平面镜像对称并不足以使该物体呈左右对称。如果该物体还关于其它点、线或面对称,那就不能成为左右对称。比如,一个典型的双耳钢精锅可以分成镜像对称的两半,但其中的一半经过旋转可以和另一半重合,这显然与左手和右手之间的关系大不一样。不难发现钢精锅其实有两个对称面和一个对称轴。在生物学上把这样拥有一个对称轴和数个(可多可少)对称面的身体结构称为辐射对称。与钢精锅不同,单柄炒锅或者汤勺则是左右对称的,它们只有一个对称面。

审视一下自己的身体,我们会发现除了左右之外,我们还能指出四个方向:上、下、前、后。由于要讨论生物学问题,专业一点的话,我们应该说是前端、后端、腹面、背面四个方向(毕竟我们这些直立行走的动物的体形不太具有代表性)。它们和左侧、右侧一起决定了三个相互垂直的轴,就如同立体坐标系中的 xyz 轴一般给了我们的身体一个清晰的规划。显然,身体的前后或腹背都没有左右那样的对称关系。镜子里的肚子仍然是肚子,丝毫没有和脊背混为一谈的危险。我们把两极没有对称关系的轴称为极性轴或异极性轴;两极间存在对称关系的轴则称为非极性轴或同极性轴。也就是说,前后轴和腹背轴都是极性轴,左右轴则是非极性轴。这两个极性轴和一个非极性轴赋予了我们左右对称的体形。

留意一下世界上形形色色的生物,我们会发现动物界中绝大部分是左右对称的,此外还能见到少数辐射对称的成员,其它的对称方式就更稀有了。在动物界之外的情况则大不相同——根本就找不到左右对称的成员(非左右对称的生物也可以有左右对称的局部,比如海星的触手或树的叶子)。这说明左右对称的体形对于动物的生活方式而言具有非常大的优势,因此才被保留下来并发扬光大的。那么就让我们来看看动物的生活方式。如同名字中所反映的,动物有一个重要的特征就是运动,而且是主动的运动。动物界典型的营养方式是通过“吃”其它的生物来获取营养,主动运动无疑给摄食提供了莫大的便利。尽管也有一些动物采取固着的生活方式,还有少数植物也会“吃”其它生物,但对于大体型和结构复杂的动物来说,主动运动则是必不可少的。

地球上的生物由于受到重力的影响,身体的近地端和远地端通常都是不同的,这就构成了一个极性轴——在动物中一般即腹背轴。我们通常把朝向地面的一面称为腹面,把与之相对的一面称为背面。当然,对于具体的物种而言,腹面与背面的划分是具有生物学意义的,而不只是一个几何学上的概念。比如,我们并不会把树懒平时朝下的部分叫做腹部。

对于主动运动的动物来说,最好还要有另一个极性轴——前后轴。也就是说,我们最好向“前”运动。对于没有前后轴的动物来说,水平方向的四面八方都是一样的。这虽然看似方便,实则是向任何一个方向都不方便。不论是逃避敌害还是追击猎物,能够向一个方向快速而灵活地运动显然比向各个方向的运动都不够快速和灵活更有优势。动物取食与感觉的中枢通常位于身体的前端,在进化程度越高的动物中这一趋势也越显着。比如,我们脊椎动物的视觉、嗅觉和听觉感受器都长在前端。你也许会觉得动物当然要向着头的方向运动,而实际上动物的头恰恰是运动赋予的。像植物那样固定不动家伙们是不会进化出头部的。

由于动物最普通的运动方向是水平方向的,因此前后轴典型的方向也是垂直于腹背轴的。如同腹背的划分一样,前后的划分也是有生物学意义的。对于左右对称的动物,我们通常把长有口的一端称为前端。前端和后端有时也叫做口端和反口端。消化道的另一个开口——肛门通常长在反口端,但也有的动物没有肛门,还有的动物消化道呈 U 型,肛门长在口的附近。不过,我们这里只是讨论一般的情况。腔肠动物虽然有口端-反口端轴,但却没有前后轴,口端-反口端轴大多被它们用来应付地球引力了。

有了相互垂直的腹背轴和前后轴这两个极性轴的支撑,我们这些动物的体形似乎已经非常的棒了。但如果我们两侧身体的质量或形状不对称的话,我们还是无法成为运动健将。为了能笔直地向前运动又能灵活地向左转和向右转,我们还需要一个垂直于前后轴和腹背轴所构成的平面的非极性轴——左右轴。有了这三个轴,我们的体形已经堪称完美。现今地球上善于灵活快速运动的动物无一例外都拥有左右对称的体形。

而且,左右对称与运动的关系并不局限于生物界。人造的快速灵活运动的机器的外观也几乎都采用高度左右对称的形式。注意这里的快速和灵活都很重要。人造卫星虽然速度非常快,但它们位于固定的轨道上,并不需要随时随地改变运动方式。这样的机器并不一定要做成左右对称的。还需注意的是这里的运动是机器的运动而不是机器内部零件的运动。正如我们不能把手的运动当成身体的运动。我们固然可以出于审美的需要把一些不动的东西——比如房子——做成左右对称的,但我们却不得不把绝大多数用于灵活运动的东西做成左右对称的。看到这里你就知道有些科幻作家是怎样的缺乏常识了:先进的外星人总是驾驶着辐射对称的飞碟旅行和作战!如果有朝一日我驾驶着左右对称的战斗机和科幻作家驾驶的飞碟在空中遭遇,我一定会给他们上上生动的一课。

当然,也有人喜欢举出一些反例,试图说明身体结构的对称方式和运动并没有相关。他们会说辐射对称的水母过着自由游泳的生活,海星是主动攻击的捕猎高手,而左右对称的藤壶却过着固着的生活。但是这些例子只是说明辐射对称并非完全不适合运动,而左右对称的生物也可以选择固着的生活方式,并不能否定左右对称与主动运动能力之间的相关性。而且,辐射对称的动物全部是水生的。水的浮力抵消了部分或全部的重力,使辐射对称的运动劣势变得不那么显着了。再者,水母、海星等也称不上是运动能力很强的动物。

从进化的角度来看,左右对称的动物比辐射对称的动物出现晚,结构也更复杂。左右对称比辐射对称多一个极性轴。极性轴数目的增加,对称程度的降低都包含了更多的信息。由于细胞内容物的不均一分布,一个典型的受精卵具有动物极和植物极。也就是说受精卵已经具有了一个极性轴,它并不是球形对称的,而是辐射对称的。当然也有的研究者不喜欢把这样拥有一个对称轴和“无数个”对称面的结构称为辐射对称,而是称为柱形对称。从受精卵直到两胚层(即内胚层和外胚层)阶段的胚胎都只有一个极性轴,就是后来的口端-反口端轴。因此腔肠动物这些两胚层的家伙们也就顺理成章地长成了辐射对称的。中胚层的出现赋予了胚胎另一个极性轴——腹背轴。三胚层的动物可以分为两大类群:原口动物和后口动物。原口动物种类繁多,节肢动物、环节动物、软体动物、线虫等等都是原口动物。后口动物的种类不多,主要包括脊索动物和棘皮动物等。但后口动物的地位却丝毫不可小视,地球上绝大多数的庞然大(动)物以及我们这些万物之灵都是后口动物。中胚层的发生方式在原口动物和后口动物中是不同的,不过它们都给了自己的主人左右对称的体形。

当然,现实中的情况还要复杂得多。腔肠动物中也有少数具有左右对称的结构,而拥有中胚层的海星、海胆等棘皮动物却长着辐射对称的身体。19 世纪初有的科学家把棘皮动物和腔肠动物放在一个门中。后来人们知道其实棘皮动物比腔肠动物复杂得多,而且它们的幼体是左右对称的,在以后的发育中又“回到”了辐射对称。这似乎是一种倒退,不过我们知道进化原本是没有方向的。

上文中已经讨论过,我们会把汽车这样快速灵活运动的机器的外观做成高度左右对称的。但是如果你打开汽车的引擎盖,就会发现汽车的内部是非常不对称的(只是两侧的质量大体相当)。虽然把汽车的内部也做成左右对称的更利于车身质量的平均分配,但要在有限的空间内把那样复杂的内部结构做成对称的几乎是不可能的。和汽车相似,我们身体的内部也不是对称的。我们脊椎动物的心脏在身体的左侧,肝脏和胆囊在右侧。其实身体内部结构的不对称在动物界是非常普遍的现象,只是结构越复杂的动物内部不对称的现象也越显着。也就是说,在我们身体的内部左右轴也是一个极性轴。

还有一些动物的外观也是不对称的,在昆虫和线虫中都有这样的例子。当然最引人注目的还要数腹足类软体动物。软体动物门腹足纲的许多成员都长有螺旋形的壳,比如蜗牛和螺蛳等,它们的螺壳不关于任何平面对称。我们知道,螺壳有左旋和右旋之分。不过我们通常见到的螺壳多是右旋的,左旋螺壳不太容易见到。已知的 70000 种蜗牛中只有大约 10%是左旋的。另外,左旋螺壳的比例在不同地区的差异也很大。据统计,土耳其的 446 种蜗牛中有 27%是左旋的,欧洲中西部的 330 种蜗牛中有 16%是左旋的,而美国落矶山以东地区的 345 种蜗牛全部是右旋的。所以,如果你生活在美国东部,你就不用费劲地去寻找左旋蜗牛了。

这里外观的不对称与上文所述的左右对称和运动的关系并不矛盾,因为这些外观不对称有的只是细微的差别——就像汽车的天线位于某一侧一样——并不会对运动构成实际的影响。而具有显着不对称体形的腹足动物又恰恰是行动比较迟缓的。

左右轴的极化给身体的结构增加了更多的信息,也给发育出了新的难题。上文中我们谈到了腹背轴的极化,而左右轴的极化似乎具有更高的“技术含量”,因为在腹背轴产生之前,胚胎是柱形对称的。如同一个只有口端-反口端轴的啤酒瓶,如果我们要在它的侧面贴一个标签并把这一面叫做背面,那么这个标签贴在侧面的任何一个方向都是一样的,也就是说具有随机性。可是左右轴的极化却不能是随机的,它的方向必须是固定的,比如心脏总是在左边,肝脏总是在右边。这些性状都是基因决定的。一些相关基因的突变会引起内脏器官分布的异常。据统计,每 8000 个存活的新生儿中就有一个患有内脏左右分布异常。这些发育异常大多伴有严重的生理缺陷,其中只有所有的内脏都长成镜像的一般才没有缺陷。这种完全镜像的个体大约 20000 个存活的新生儿中才有一个。人们估计实际上的比例或许还会高一些,因为这样的个体没有显着的缺陷,容易被忽视。

胚胎的左右不对称发育向来是一个引人入胜的谜题。如今,科学家们发现的与左右不对称发育相关的基因已经有几十个。其中,Nodal 可能是近年来最抢眼的一个。Nodal 属于转化生长因子-β(TGF- β)家族,它对于左右不对称发育的作用已经在小鼠、鸡和爪蟾等脊椎动物中得到验证。在这些动物的胚胎中 Nodal 蛋白特异地在左侧表达并发挥作用,而敲除 Nodal 基因则会引起左右不对称发育的紊乱。此外,研究者们还发现了 Nodal 同源蛋白在原始的脊索动物海鞘以及棘皮动物海胆中的作用。有趣的是,海胆胚胎中 Nodal 在右侧起作用。由于棘皮动物和脊索动物同属于后口动物,人们自然会想知道原口动物中是否也有 Nodal 的同源基因。今年年初《自然》杂志上的一篇研究论文报道了 Nodal 同源蛋白在蜗牛左右不对称发育中的作用。加州大学伯克利一家实验室的科学家们选取了一种右旋的蜗牛和一种左旋的蜗牛进行研究,他们发现在右旋蜗牛胚胎中 Nodal 特异地在右侧表达,在左旋蜗牛胚胎中 Nodal 则左侧表达。这项有趣的研究把 Nodal 的历史至少推到了后口动物和原口动物分道扬镳之前。

然而,人们对发育中左右轴极化的研究还只是非常初步的。现在我们所知道的基因在胚胎左右两侧表达的差别必然是更早的差别引起的。这就像是一片片多米诺骨牌,每一片骨牌的运动都是由于前一片骨牌的碰撞。而第一片骨牌在哪里,人们还不得而知。从上文中的讨论我们知道,第一片骨牌不能是随机倒下的,否则就会有大约一半人的心脏长在右边。那么,我们的胚胎又是如何判断出哪边是左哪边是右的呢?要知道,左和右其实只是人们的约定俗成而已,它们之间几乎没有物理上的差别。虽然物理学中有宇称不守恒定律,但似乎并没有证据表明弱相互作用在生命活动中的贡献。或许,这个难题对于上帝的信徒来说是一个好消息,他们可以说这第一片骨牌是上帝之手推倒的,只有他老人家才有这个本事。不过,我们知道自然界中一切现象的原因都只能从自然界中寻找。

尽管,绝大多数物理定律经过镜像变换后仍然是成立的,但不对称的现象在生化反应中却是非常普遍的。如果物质的分子像我们的手那样不能和自己的镜像重合,我们就把它称为手性分子。手性分子都有两种镜像异构体,就像左手和右手的关系,而生化反应通常只“认识”其中的一种。比如供给我们能量的葡萄糖都是右手型(D-型)的,而合成蛋白质用的氨基酸(除了没有手性的甘氨酸)都是左手型(L-型)的。这似乎给生物体提供了一个区分左右的途径。当然,这并不是说生化反应不符合物理规律,原则上我们确实可以把生物体内的手性分子都同时翻一个个儿,而生命活动照样可以继续下去(目前的技术还无法做到)。然而,生物体并没有必要去关心物理规律的对称性,它们只要能在自己的体内区分左右就够了。这就好比假如你生活在中国或美国,你完全可以教自己的宝宝:“汽车有方向盘的一边就是左边”,虽然这种做法实际上不太“科学”,因为还有些国家汽车的方向盘是长在右边的。

我们可以设想,把一个 L-丙氨酸分子按在身体的正中,让它的羧基指向口端的腹侧,甲基指向反口端的腹侧,那么它的氨基所指的就是背侧的左边,氢原子所指的就是背侧的右边。这种靠摆弄一个氨基酸分子来确定左右的方式毕竟有些匪夷所思,不过生物体内的大分子,比如蛋白质,核酸、多糖等也都是有手性的,而它们还可以构成更大的复合物,比如染色体,还有对细胞的形态和胞内物质运输起重要作用的细胞骨架等。假如通过它们来区分左右就会“现实”得多。当然,这个模型目前还只是个假说,此外也还有其它的一些模型,也都停留在假说的阶段。总之,到揭开左右不对称的谜底还有相当长的路要走。

你是不是也觉得左右对称和左右不对称的现象很神奇呢?

(作者:内含子,生物化学与分子生物学博士)


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