左右對稱與左右不對稱

1、左右對稱與左右不對稱現(xiàn)在來比較一下我們的左手和右手。毫無疑問，左手和右手是非常不同的。左手無論如何移動、旋轉(zhuǎn)都無法和右手重合。只要看到一只手，我們就能說出它是左手還是右手，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鏡像的照片放在一起，我們根本就無法區(qū)分。不只是雙手，我們的雙腳、兩耳乃至整個左半邊身體的外觀和右半邊身體的外觀之間都是鏡像對稱的關(guān)系。生物學上把我們這樣的身體結(jié)構(gòu)稱為左右對稱。需要注意的是，物體關(guān)于某一平面鏡像對稱并不足以使該物體呈左右對稱。如果該物體還關(guān)于其它點、線或面對稱，那就不能成為左右對稱。比如，一個典型的雙耳鋼精鍋可以分成鏡像對稱的兩半，但其中

2、的一半經(jīng)過旋轉(zhuǎn)可以和另一半重合，這顯然與左手和右手之間的關(guān)系大不一樣。不難發(fā)現(xiàn)鋼精鍋其實有兩個對稱面和一個對稱軸。在生物學上把這樣擁有一個對稱軸和數(shù)個（可多可少）對稱面的身體結(jié)構(gòu)稱為輻射對稱。與鋼精鍋不同，單柄炒鍋或者湯勺則是左右對稱的，它們只有一個對稱面。審視一下自己的身體，我們會發(fā)現(xiàn)除了左右之外，我們還能指出四個方向：上、下、前、后。由于要討論生物學問題，專業(yè)一點的話，我們應(yīng)該說是前端、后端、腹面、背面四個方向（畢竟我們這些直立行走的動物的體形不太具有代表性）。它們和左側(cè)、右側(cè)一起決定了三個相互垂直的軸，就如同立體坐標系中的xyz軸一般給了我們的身體一個清晰的規(guī)劃。顯然，身體的前后或腹背都

3、沒有左右那樣的對稱關(guān)系。鏡子里的肚子仍然是肚子，絲毫沒有和脊背混為一談的危險。我們把兩極沒有對稱關(guān)系的軸稱為極性軸或異極性軸；兩極間存在對稱關(guān)系的軸則稱為非極性軸或同極性軸。也就是說，前后軸和腹背軸都是極性軸，左右軸則是非極性軸。這兩個極性軸和一個非極性軸賦予了我們左右對稱的體形。留意一下世界上形形色色的生物，我們會發(fā)現(xiàn)動物界中絕大部分是左右對稱的，此外還能見到少數(shù)輻射對稱的成員，其它的對稱方式就更稀有了。在動物界之外的情況則大不相同根本就找不到左右對稱的成員（非左右對稱的生物也可以有左右對稱的局部，比如海星的觸手或樹的葉子）。這說明左右對稱的體形對于動物的生活方式而言具有非常大的優(yōu)勢，因此才

4、被保留下來并發(fā)揚光大的。那么就讓我們來看看動物的生活方式。如同名字中所反映的，動物有一個重要的特征就是運動，而且是主動的運動。動物界典型的營養(yǎng)方式是通過“吃”其它的生物來獲取營養(yǎng)，主動運動無疑給攝食提供了莫大的便利。盡管也有一些動物采取固著的生活方式，還有少數(shù)植物也會“吃”其它生物，但對于大體型和結(jié)構(gòu)復雜的動物來說，主動運動則是必不可少的。地球上的生物由于受到重力的影響，身體的近地端和遠地端通常都是不同的，這就構(gòu)成了一個極性軸在動物中一般即腹背軸。我們通常把朝向地面的一面稱為腹面，把與之相對的一面稱為背面。當然，對于具體的物種而言，腹面與背面的劃分是具有生物學意義的，而不只是一個幾何學上的概念

5、。比如，我們并不會把樹懶平時朝下的部分叫做腹部。對于主動運動的動物來說，最好還要有另一個極性軸前后軸。也就是說，我們最好向“前”運動。對于沒有前后軸的動物來說，水平方向的四面八方都是一樣的。這雖然看似方便，實則是向任何一個方向都不方便。不論是逃避敵害還是追擊獵物，能夠向一個方向快速而靈活地運動顯然比向各個方向的運動都不夠快速和靈活更有優(yōu)勢。動物取食與感覺的中樞通常位于身體的前端，在進化程度越高的動物中這一趨勢也越顯著。比如，我們脊椎動物的視覺、嗅覺和聽覺感受器都長在前端。你也許會覺得動物當然要向著頭的方向運動，而實際上動物的頭恰恰是運動賦予的。像植物那樣固定不動家伙們是不會進化出頭部的。由于動

6、物最普通的運動方向是水平方向的，因此前后軸典型的方向也是垂直于腹背軸的。如同腹背的劃分一樣，前后的劃分也是有生物學意義的。對于左右對稱的動物，我們通常把長有口的一端稱為前端。前端和后端有時也叫做口端和反口端。消化道的另一個開口肛門通常長在反口端，但也有的動物沒有肛門，還有的動物消化道呈U型，肛門長在口的附近。不過，我們這里只是討論一般的情況。腔腸動物雖然有口端反口端軸，但卻沒有前后軸，口端反口端軸大多被它們用來應(yīng)付地球引力了。有了相互垂直的腹背軸和前后軸這兩個極性軸的支撐，我們這些動物的體形似乎已經(jīng)非常的棒了。但如果我們兩側(cè)身體的質(zhì)量或形狀不對稱的話，我們還是無法成為運動健將。為了能筆直地向前

7、運動又能靈活地向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)，我們還需要一個垂直于前后軸和腹背軸所構(gòu)成的平面的非極性軸左右軸。有了這三個軸，我們的體形已經(jīng)堪稱完美。現(xiàn)今地球上善于靈活快速運動的動物無一例外都擁有左右對稱的體形。而且，左右對稱與運動的關(guān)系并不局限于生物界。人造的快速靈活運動的機器的外觀也幾乎都采用高度左右對稱的形式。注意這里的快速和靈活都很重要。人造衛(wèi)星雖然速度非常快，但它們位于固定的軌道上，并不需要隨時隨地改變運動方式。這樣的機器并不一定要做成左右對稱的。還需注意的是這里的運動是機器的運動而不是機器內(nèi)部零件的運動。正如我們不能把手的運動當成身體的運動。我們固然可以出于審美的需要把一些不動的東西比如房子做成左右

8、對稱的，但我們卻不得不把絕大多數(shù)用于靈活運動的東西做成左右對稱的?？吹竭@里你就知道有些科幻作家是怎樣的缺乏常識了：先進的外星人總是駕駛著輻射對稱的飛碟旅行和作戰(zhàn)！如果有朝一日我駕駛著左右對稱的戰(zhàn)斗機和科幻作家駕駛的飛碟在空中遭遇，我一定會給他們上上生動的一課。當然，也有人喜歡舉出一些反例，試圖說明身體結(jié)構(gòu)的對稱方式和運動并沒有相關(guān)。他們會說輻射對稱的水母過著自由游泳的生活，海星是主動攻擊的捕獵高手，而左右對稱的藤壺卻過著固著的生活。但是這些例子只是說明輻射對稱并非完全不適合運動，而左右對稱的生物也可以選擇固著的生活方式，并不能否定左右對稱與主動運動能力之間的相關(guān)性。而且，輻射對稱的動物全部是水

9、生的。水的浮力抵消了部分或全部的重力，使輻射對稱的運動劣勢變得不那么顯著了。再者，水母、海星等也稱不上是運動能力很強的動物。從進化的角度來看，左右對稱的動物比輻射對稱的動物出現(xiàn)晚，結(jié)構(gòu)也更復雜。左右對稱比輻射對稱多一個極性軸。極性軸數(shù)目的增加，對稱程度的降低都包含了更多的信息。由于細胞內(nèi)容物的不均一分布，一個典型的受精卵具有動物極和植物極。也就是說受精卵已經(jīng)具有了一個極性軸，它并不是球形對稱的，而是輻射對稱的。當然也有的研究者不喜歡把這樣擁有一個對稱軸和“無數(shù)個”對稱面的結(jié)構(gòu)稱為輻射對稱，而是稱為柱形對稱。從受精卵直到兩胚層（即內(nèi)胚層和外胚層）階段的胚胎都只有一個極性軸，就是后來的口端反口端軸

10、。因此腔腸動物這些兩胚層的家伙們也就順理成章地長成了輻射對稱的。中胚層的出現(xiàn)賦予了胚胎另一個極性軸腹背軸。三胚層的動物可以分為兩大類群：原口動物和后口動物。原口動物種類繁多，節(jié)肢動物、環(huán)節(jié)動物、軟體動物、線蟲等等都是原口動物。后口動物的種類不多，主要包括脊索動物和棘皮動物等。但后口動物的地位卻絲毫不可小視，地球上絕大多數(shù)的龐然大（動）物以及我們這些萬物之靈都是后口動物。中胚層的發(fā)生方式在原口動物和后口動物中是不同的，不過它們都給了自己的主人左右對稱的體形。當然，現(xiàn)實中的情況還要復雜得多。腔腸動物中也有少數(shù)具有左右對稱的結(jié)構(gòu)，而擁有中胚層的海星、海膽等棘皮動物卻長著輻射對稱的身體。19世紀初有的

11、科學家把棘皮動物和腔腸動物放在一個門中。后來人們知道其實棘皮動物比腔腸動物復雜得多，而且它們的幼體是左右對稱的，在以后的發(fā)育中又“回到”了輻射對稱。這似乎是一種倒退，不過我們知道進化原本是沒有方向的。上文中已經(jīng)討論過，我們會把汽車這樣快速靈活運動的機器的外觀做成高度左右對稱的。但是如果你打開汽車的引擎蓋，就會發(fā)現(xiàn)汽車的內(nèi)部是非常不對稱的（只是兩側(cè)的質(zhì)量大體相當）。雖然把汽車的內(nèi)部也做成左右對稱的更利于車身質(zhì)量的平均分配，但要在有限的空間內(nèi)把那樣復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做成對稱的幾乎是不可能的。和汽車相似，我們身體的內(nèi)部也不是對稱的。我們脊椎動物的心臟在身體的左側(cè)，肝臟和膽囊在右側(cè)。其實身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不對

12、稱在動物界是非常普遍的現(xiàn)象，只是結(jié)構(gòu)越復雜的動物內(nèi)部不對稱的現(xiàn)象也越顯著。也就是說，在我們身體的內(nèi)部左右軸也是一個極性軸。還有一些動物的外觀也是不對稱的，在昆蟲和線蟲中都有這樣的例子。當然最引人注目的還要數(shù)腹足類軟體動物。軟體動物門腹足綱的許多成員都長有螺旋形的殼，比如蝸牛和螺螄等，它們的螺殼不關(guān)于任何平面對稱。我們知道，螺殼有左旋和右旋之分。不過我們通常見到的螺殼多是右旋的，左旋螺殼不太容易見到。已知的70000種蝸牛中只有大約10是左旋的。另外，左旋螺殼的比例在不同地區(qū)的差異也很大。據(jù)統(tǒng)計，土耳其的446種蝸牛中有27是左旋的，歐洲中西部的330種蝸牛中有16是左旋的，而美國落磯山以東地區(qū)

13、的345種蝸牛全部是右旋的。所以，如果你生活在美國東部，你就不用費勁地去尋找左旋蝸牛了。這里外觀的不對稱與上文所述的左右對稱和運動的關(guān)系并不矛盾，因為這些外觀不對稱有的只是細微的差別就像汽車的天線位于某一側(cè)一樣并不會對運動構(gòu)成實際的影響。而具有顯著不對稱體形的腹足動物又恰恰是行動比較遲緩的。左右軸的極化給身體的結(jié)構(gòu)增加了更多的信息，也給發(fā)育出了新的難題。上文中我們談到了腹背軸的極化，而左右軸的極化似乎具有更高的“技術(shù)含量”，因為在腹背軸產(chǎn)生之前，胚胎是柱形對稱的。如同一個只有口端反口端軸的啤酒瓶，如果我們要在它的側(cè)面貼一個標簽并把這一面叫做背面，那么這個標簽貼在側(cè)面的任何一個方向都是一樣的，也

14、就是說具有隨機性?？墒亲笥逸S的極化卻不能是隨機的，它的方向必須是固定的，比如心臟總是在左邊，肝臟總是在右邊。這些性狀都是基因決定的。一些相關(guān)基因的突變會引起內(nèi)臟器官分布的異常。據(jù)統(tǒng)計，每8000個存活的新生兒中就有一個患有內(nèi)臟左右分布異常。這些發(fā)育異常大多伴有嚴重的生理缺陷，其中只有所有的內(nèi)臟都長成鏡像的一般才沒有缺陷。這種完全鏡像的個體大約20000個存活的新生兒中才有一個。人們估計實際上的比例或許還會高一些，因為這樣的個體沒有顯著的缺陷，容易被忽視。胚胎的左右不對稱發(fā)育向來是一個引人入勝的謎題。如今，科學家們發(fā)現(xiàn)的與左右不對稱發(fā)育相關(guān)的基因已經(jīng)有幾十個。其中，Nodal可能是近年來最搶眼的

15、一個。Nodal屬于轉(zhuǎn)化生長因子-（TGF- ）家族，它對于左右不對稱發(fā)育的作用已經(jīng)在小鼠、雞和爪蟾等脊椎動物中得到驗證。在這些動物的胚胎中Nodal蛋白特異地在左側(cè)表達并發(fā)揮作用，而敲除Nodal基因則會引起左右不對稱發(fā)育的紊亂。此外，研究者們還發(fā)現(xiàn)了Nodal同源蛋白在原始的脊索動物海鞘以及棘皮動物海膽中的作用。有趣的是，海膽胚胎中Nodal在右側(cè)起作用。由于棘皮動物和脊索動物同屬于后口動物，人們自然會想知道原口動物中是否也有Nodal的同源基因。今年年初自然雜志上的一篇研究論文報道了Nodal同源蛋白在蝸牛左右不對稱發(fā)育中的作用。加州大學伯克利一家實驗室的科學家們選取了一種右旋的蝸牛和一

16、種左旋的蝸牛進行研究，他們發(fā)現(xiàn)在右旋蝸牛胚胎中Nodal特異地在右側(cè)表達，在左旋蝸牛胚胎中Nodal則左側(cè)表達。這項有趣的研究把Nodal的歷史至少推到了后口動物和原口動物分道揚鑣之前。然而，人們對發(fā)育中左右軸極化的研究還只是非常初步的?，F(xiàn)在我們所知道的基因在胚胎左右兩側(cè)表達的差別必然是更早的差別引起的。這就像是一片片多米諾骨牌，每一片骨牌的運動都是由于前一片骨牌的碰撞。而第一片骨牌在哪里，人們還不得而知。從上文中的討論我們知道，第一片骨牌不能是隨機倒下的，否則就會有大約一半人的心臟長在右邊。那么，我們的胚胎又是如何判斷出哪邊是左哪邊是右的呢？要知道，左和右其實只是人們的約定俗成而已，它們之間

17、幾乎沒有物理上的差別。雖然物理學中有宇稱不守恒定律，但似乎并沒有證據(jù)表明弱相互作用在生命活動中的貢獻?；蛟S，這個難題對于上帝的信徒來說是一個好消息，他們可以說這第一片骨牌是上帝之手推倒的，只有他老人家才有這個本事。不過，我們知道自然界中一切現(xiàn)象的原因都只能從自然界中尋找。盡管，絕大多數(shù)物理定律經(jīng)過鏡像變換后仍然是成立的，但不對稱的現(xiàn)象在生化反應(yīng)中卻是非常普遍的。如果物質(zhì)的分子像我們的手那樣不能和自己的鏡像重合，我們就把它稱為手性分子。手性分子都有兩種鏡像異構(gòu)體，就像左手和右手的關(guān)系，而生化反應(yīng)通常只“認識”其中的一種。比如供給我們能量的葡萄糖都是右手型（D-型）的，而合成蛋白質(zhì)用的氨基酸（除了沒有手性的甘氨酸）都是左手型（L-型）的。這似乎給生物體提供了一個區(qū)分左右的途徑。當然，這并不是說生化反應(yīng)不符合物理規(guī)律，原則上我們確實可以把生物體內(nèi)的手性分子都同時翻一個個兒，而生命活動照樣可以繼續(xù)下去（目前的技術(shù)還無法做到）。然而，生物體并沒有必要去關(guān)心物理規(guī)律的對稱性，它們只要能在自己的體內(nèi)區(qū)分左右就夠了。這就好比假如你生活在中國或美國，你完全可以教自己的寶寶：“汽車有方向盤的一邊就是左邊”，雖然這種做法實際上不太“科學”，因為還有些國家汽車的方向盤是長在右邊的。我們可以設(shè)想，把一個L-丙氨酸分