生命中奇妙的对称美

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5．8亿年前的瓮安动物化石群生态复原图，显示生活在海床表面的①珊瑚虫、②水螅虫和③生活在海床沙砾屑间隙内，用蠕动方式进行运动的小春虫。它们应该是最古老的两侧对称动物


      对称性在自然界中的存在是一个普遍的现象。99％的现代动物是左右对称祖先的后代；连海葵这种非左右对称动物的后代，也存在对称性；对称性甚至在左右对称和非左右对称动物分化之前就已具有…  …在植物界，我们有多少次惊异于那些具有完美对称性蕨类、铁树的叶子和娇艳的花朵？生命里如果没有对称性会是什么样子呢？如果动物只两条腿，要么象人一样令人畏惧；要么不能生存。如果人不是左右对称，只有一只眼睛、一只耳朵和半个脸…  …世界就不再美好了。

      人具有独一无二的对称美，所以人们又往往以是否符合“对称性”去审视大自然，并且创造了许许多多的具有“对称性”美的艺术品：服饰、雕塑和建筑物。

      对称性对于人，不仅仅是外在的美，也是健康和生存的需要。如果只有一只眼睛，人的视野不仅变小、对与目标的距离判断不精确，而且对物体的立体形状的认知会发生扭曲。如果一只耳朵失聪，对于声源的定位就会不准确：因为当人对声源定位时，大脑需要声音对于听者的方位仰角线索，也需要到达左右耳间的时间和强度差线索。对于野外生存的动物，失去声源定位的能力，意味着生命随时会受到威胁。左右手脚需要默契的配合。对于花朵，如果花冠的发育失去对称性，雄蕊就会失去受粉能力，不能传种接代，物种将绝灭。

      生命从最原始的单细胞动物向多细胞后生动物演化，最早拥有了以“对称性”为特征的复杂性：例如从单倍体生物到二倍体生物。二倍体生物都能进行两性繁殖，有雌有雄；每个个体都有来自于父母的染色体和相应的基因，虽然隐性基因并不表现出来。在越来越多基因被克隆出来以后，寻找控制对称性状的基因，成为寻找新发现的有力线索。一般相信，某些对称性状是有若干对基因所控制的，也决定某些非对称性状的特化。

      在科学研究中，对称性给科学家们提供了无限想象的空间，也是揭示新发现和否定错误观念的手段。生命科学家不止探讨认识生命活动的本质，而且也探讨存在于生命中的美、为什么这么美？

      人大脑的两个半球，从它们的沟回和细胞排列层次看，非常相似，具有完美的对称性；这种对称性之于两手、两脚的对称性无异，似乎功能应是一样的。美国科学家斯佩里（Roger  W.  Sperry）从1960年代初开始，对癫间病人实施胼胝体切断手术，把大脑一分为二，发现它们能独立工作，功能并不一样。这一成果开创了心理学和脑功能定位研究的新纪元，他因此于1981年荣膺诺贝尔医学奖。随着功能核磁共振、光学成像和PET技术的发展，人类对大脑功能的分化定位的认识有了长足的进步；从功能上看，左右大脑是完全不对称的。但是在低级中枢，间脑、脑干、小脑和脊髓，在功能和形态上都表现完美的对称性。

      虽然对称性——左右对称或圆形对称的起源至今仍是一个迷，但是循着“对称性”的思路，我们可以找到许多非常有意义的生命科学课题。为什么雌果蝇能通过翅膀的摩擦产生声音吸引雄果蝇交配，而雄果蝇刚好在第二个触角有分化的听器官接受声刺激；反之，雌果蝇没有听器官，而雄果蝇不会发声音？再如，既然神经元的兴奋特性取决于突触后膜受体通道的特性和神经突触前膜所释放的递质特性，为什么在形态上，神经系统中兴奋性的突触是非对称的，而抑制性突触是对称性的？事实上，对称性也存在于分子结构上；有手性对称分子，旋转对称分子。按照这样的思路，发现了新的信号受体、受体亚基，或许有一天我们会从中得到启示改造蛋白质，进而设计、发明新的药物。

      科学，有时是运气，有灵感的闪现，有幸遇上中意的合作伙伴、得心应手的课题，撞上了那个发现的时机；有时是艺术，你在精雕细刻之中得到了应有的回报；有时是理性使然，你对于文献和自己已有的知识、技能有纯熟的驾驭；有时是枯燥乏味的重复，在重复中静静等待那激动一刻的到来。我们在科学生活中可以体念到大自然造化所赐予的、无所不在的对称美，为平常而有时枯燥的日常工作增添了无穷的乐趣！  



References:  

Finnerty  JR,  et  al:  Science.  2004  May  28;  304(5675):1335-7.

Hileman  LC,et  al.  Proc  Natl  Acad  Sci  U  S  A.  2003  Oct  28;100(22):12814-9