觀察自然界中纏繞的莖和攀緣植物的卷鬚,它們的纏繞方向和生長方向有什麼關係?

題目：

觀察自然界中纏繞的莖和攀緣植物的卷鬚,它們的纏繞方向和生長方向有什麼關係?
這跟螺線管中電流的方向與其北極方向的關係是否相同?

解答：

植物的莖根據生長方式可以分爲:直立莖、纏繞莖、攀緣莖和匍匐莖.
纏繞莖是指莖本身纏繞於其他的支柱上升,纏繞的方向有左旋(逆時針方向),如:牽牛、馬兜鈴和菜豆等；有右旋（順時針方向）,如：忍冬等；有的可以左右旋的,稱中性纏繞莖,如：何首烏.
因此,牽牛是纏繞莖.
葡萄和絲瓜是屬於攀緣莖中的卷鬚攀緣(攀緣莖還有氣生根、葉柄、鉤刺和吸盤攀緣另外4種).
葡萄屬於鼠李目的葡萄科,爲藤本植物,依靠卷鬚攀緣.
絲瓜屬於堇菜目的葫蘆科,爲攀緣草本植物,同葡萄一樣,依靠卷鬚攀緣.
「新教科書」）第八章「電與磁」第二節「電生磁」的「動手動腦學物理」欄目中的彩色圖,都是同一張彩色照片——牽牛花的莖.「舊教科書」封四中的 「封面說明」是：「這株牽牛花莖的纏繞方向與它的生長方向有什麼關係?」「新教科書」以這張照片提出了這樣三個問題：「觀察自然界中纏繞植物的莖和攀援植物的卷鬚,它們的纏繞方向和生長方向有什麼關係?這跟螺線管中電流的方向與其北極方向的關係是否相同?對於不同的植物,這種關係都一樣嗎?」
當我在中學第一次面對「舊教科書」時,我不時的納悶：編者爲什麼將這張照片選作封面圖?封四中的「封面說明」針對這一植物照片提出的問題與物理有什麼關係?我對此一直在思考,一直在尋找著答案「新教科書」在學完「電生磁」後,以這張照片提出的以上三個問題.使我從中得到啓發：牽牛花莖的纏繞方向與它的生長方向的螺旋關係似乎與物理有聯繫.特別是與物理學中的「電與磁」聯繫很大,同時也與我們的日常生活聯繫很大.這種關係大到宏觀宇宙空間,小到微觀世界.可見,編者獨具匠心.我們只有獨具慧眼.才可略知這張照片中蘊藏著這種螺旋關係的深刻含義.
一、自然界中纏繞植物的莖和攀援植物的卷鬚.它們的纏繞方向和生長方向有什麼關係
我們日常生活中也常見到一些參天大樹,而這些樹之所以高大,就是這裡我們所要講的植物的一種器官——莖的發達的緣故,一般喬木類植物都是這種莖.我們把這種背地面而生的莖叫做直立莖.然而,植物並不都是直立、高大的,有些植物的莖本身細長而柔軟,不能直立只能纏繞在其他物體上向上生長,這種莖叫做纏繞莖.如牽牛花、金銀花的莖.另外,還有一些植物如黃瓜、葡萄等,它們的莖雖然也是細長柔軟的,但它們既不能直立生長,也不能纏繞到別的物體上,可是它們卻可以借著莖上生出的卷鬚盤卷在別的物體上從而使莖向高處生長,這種莖叫做攀援莖.上面我們所談的莖都起著連接根和葉的橋樑的作用,並在根和葉之間不停地傳送著營養物質.
大家都知道,植物的葉子有向光性運動,植物的莖總是向上生長有「負向地性運動」,以便得到陽光而進行光合作用,根總是向下生長有「向地性運動」,以便得到水和肥料,植物的這種向光、向地和負向地性等運動,統稱爲「向性運動」.植物之所以會產生向性運動,主要是生長素作用的結果.攀援植物的卷鬚和纏繞莖,在接觸支持物的一面生長素含量少,生長較慢；而對面含生長素多,生長較快,因此它們就螺旋式地纏繞在支持物上.
牽牛花（Ipomoea Nil）,別名子午鍾、喇叭花、尊金鐘.旋花科.一年生纏繞莖草本植物,具短毛.葉爲心臟形,通常三裂.秋季開花,花冠漏斗形,上面有5個淺淺的裂隙,花色有紫紅、粉紅、白等色.花期6～10月,一般清晨開放,中午閉合.原產熱帶美洲,我國各地普遍栽培供觀賞.性喜陽光,播種一周即可發芽,生長茂盛,分枝多,常種植於庭院、籬邊、棚下成綠簾花屏.種子卵圓形,有黑色、白色,可入藥,治水腫腹脹、大小便不利等症.
牽牛花的莖纏繞本領非凡,它利用莖尖的「運動」能夠依附支架不斷向上爬攀.莖的頂端10cm～15cm一段,由於各個方向的表面生長速度不一致,能在空間不斷改變自己的位置,而且始終以一定的方向旋轉著,即做有一定方向的「轉頭運動」,並以此爲半徑,在其圓周內遇到依附物後,就會把依附物纏繞起來,攀向高處去爭取陽光和雨露.有趣的是,牽牛花（還有扁豆、馬兜鈴、山藥等）向左旋轉纏繞而上,其纏繞方向爲反時針方向旋轉,即它的纏繞方向和生長方向有右手性的規律（歷史上達爾文、華萊士等大博物學家、生物學家都觀察到攀援植物的手性.達爾文專門寫過《攀援植物的運動和習性》一書,書中描述了42種攀援植物,其中11種是左旋的,這個觀察結果和我們今天的觀察很接近；而有些植物如金銀花、菟絲花、雞血藤等始終向右旋轉,其纏繞方向爲順時針方向旋轉,即它的纏繞方向和生長方向有左手性的規律；而何首烏卻是「隨心所欲」地轉頭,有時左旋,有時右旋,也就是它的纏繞方向和生長方向是無手性的.
那麼,有手性的這些纏繞莖植物爲什麼會有固定的纏繞方向呢?科學家最新研究表明,植物旋轉纏繞的方向特性,是它們各自的祖先遺傳下來的本能.遠在億萬年以前,有兩種攀援植物的始祖,一種生長在南半球,一種生長在北半球.爲了獲得更多的陽光和空間,使其生長發育得更好,它們莖的頂端就隨時朝向東升西落的太陽.這樣,生長在南半球植物的莖就向右旋轉,生長在北半球植物的莖則向左旋轉.經過漫長的適應、進化過程,它們便退步形成了各自旋轉纏繞的固定的方向.以後,它們雖被移植到不同的地理位置,但其旋轉纏繞的方向特性卻被遺傳下來而固定不變.而起源於赤道附近的單援植物,由於太陽當空,它們就不需要隨太陽轉動,因而其纏繞方向沒有固定,可隨意旋轉纏繞.可見,分清植物的左旋、右旋在實踐中具有重要意義.若錯把左旋植物以右旋方式纏繞在支架上,則很快就會自行脫落；若繞的方向與其習性相同,則會纏得更緊,順利向上攀援,生長發育良好.
二、纏繞植物的莖的纏繞方向和生長方向跟螺線管中電流的方向與其北極方向的關係是否相同?
「新教科書」在「電生磁」這一節中,首先通過奧斯特實驗現象的直觀演示,使學生觀察到「通電直導線的周圍有磁場,磁場的方向跟電流的方向有關」的電磁現象,同時使學生確信電流及其周圍的磁場是同時存在而不可分的事實,以建立起電流的磁效應的概念.然後讓學生把導線纏繞成螺線管,從各條導線產生的磁場疊加在一起,磁場就會強得多的實驗事實入手,引出問題,讓學生自己去探究通電螺線管外部的磁場與哪種磁體相似,接著再探究並總結、表述通電螺線管兩極的極性與電流方向之間的關係,以培養學生的空間想像力和表述能力.之後又讓學生實驗、探究電磁鐵磁性的強弱與哪些因素有關,以培養學生動手動腦的實際應用和研究能力.筆者認爲,在以上教學活動結束之後,並不要求活動的主導者向活動的主體提示或給出安培定則,而是通過學生完成「動手動腦學物理」活動,觀察和研究以牽牛花的莖的照片提出的問題.總結並表述出安培定則的內容：用右手握住螺旋管,讓彎曲的四指指向電流的方向,與四指垂直的大拇指所指的方向就是螺旋管的北極、這是判斷通電螺線管磁極的方法,這個方法叫做安培定則.一孔之見,「新教科書」講完「電生磁」後,並沒有直接給出這一定則,其目的恐怕就是讓學生學習手性的概念在物理中的應用,學到螺旋的手性意義的科學知識,通過「動手動腦學物理」,體會、領悟科學的方法——通電螺線管的右手螺旋定則.同時,讓學生認識自然,探索自然的奧祕,還要保護自然,利用自然,使它爲人類造福.可見,新課標教材的「新」,不僅體現在教學目標、知識內容和教材的結構上,更重要的體現在理念上.它倡導探究式的學習,強調科學與實際、科學與社會的聯繫.讓學生在有趣的物理學習中,學到科學知識,體驗、領悟科學的方法,逐步樹立科學的價值觀.
三、螺旋結構是自然界最普遍的一種形狀
奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物質運動形式.這種螺旋現象對於認識宇宙形態有著重要的啓迪作用,大至渦旋星系,小至DNA分子.都是在這種螺旋線中產生.然而,爲何大自然對螺旋結構如此偏愛呢?
從本質上來看,螺旋結構是在一個擁擠的空間,例如一個生物細胞稠密的環境裡,長分子鏈經常採用規則的螺旋狀構造,這不僅讓信息能夠緊密地結合其中,而且能夠形成一個表面,允許其他微粒在一定的間隔處與它相結合.例如,DNA的雙螺旋結構允許進行DNA的轉錄和修復.採用螺旋結構是受空間的局限,例如DNA由於受到細胞內的空間局限而採用雙螺旋結構,就像是公寓由於空間局限而採用螺旋梯的設計一樣.
在生命科學中,生命遺傳物質——脫氧核糖核酸（DNA）的結構多數都是右旋的雙螺旋結構.一些生物,如螺旋形細菌、蔓生植物向上盤繞以及海螺等均以右旋占絕大多數.
在粒子世界中,微觀粒子的自旋也有左旋和右旋之分.神奇的超導現象正是由於電子與振動晶格的相互作用使具有相反方向自旋和角動量的電子結成「超導態」而產生的,在這個意義上說,是電子左旋和右旋的合作成就了超導現象.
在化學中,有一些化合物,分子的結構不同,化學性質也不同.如分子結構相對簡單的礦物的晶格就有左旋和右旋的.用眼睛觀察它們的結晶體,可明顯分辯出晶格的旋向.比如,左旋分子結構的薄荷腦具有獨特的香味,而右旋分子結構的薄荷腦則幾乎沒有這種香味.構成味精的穀氨酸鈉分子左旋起調味作用,右旋則無調味作用.
在藥品中,藥品名稱相同但手性構型不同時,藥性也不同.如四米唑的左旋體是驅蠕蟲藥,而右旋體是抗抑鬱藥；甲狀腺素鈉的左旋體是甲狀腺激素,而右旋體是降血脂藥；氯黴素分子向右旅有藥性,向左旋則無藥性；左旋多巴對早期帕金森氏病有效,右旋多巴可引起血和血尿中血紅蛋白含量增加.
在日常生活中,我們也總會碰到許多的螺旋形物品.常見的連接件螺栓,它的螺紋多是右旋,螺紋右旋是爲了便於右手安裝時用力（大多數人爲右撇子）.而絞擰的繩索則多是左旋.繩索左旋則是因爲單股用右手捻,右手捻自然成右旋,併合後就絞成左旋.
在氣象學中,在北半球,低壓區形成左旋的氣旋,高壓區形成右旋的氣旋.南半球則正好相反.這是受地球自轉影響的原因.破壞力極大的颶風和龍捲風都是旋轉的氣流,有的是左旋,有的是右旋.
在宇宙中,物質運動必然會產生磁場,天體和磁場是不可分割的整體,只要天體存在,它周圍就一定有磁場存在.各類物質結構由於運動方向的不同,運動速度的差異,會產生無數大小不一、強弱不同的磁場旋渦,這種磁場旋渦就是神祕的「黑洞」.由於磁場具有力和能的特徵,所以「黑洞」雖然構成物質密度很小,但因爲它有極快的旋轉運動速度,當組成它的物質凝聚向一個方向做有序運動時,便產生很大的能量和極強的引力.宇宙中一些分散的呈氣態的氫、氧類物質和呈固態的矽、鐵類塵埃物質,受「黑洞」吸引力作用,在「黑洞」附近運動方向發生變化,向其中心高速旋進,會形成圍繞「黑洞」中心運動的圓形氣體塵埃環.國外有報導,哈勃望遠鏡已拍攝到「黑洞」周圍邊緣呈翹曲狀的塵埃圓盤,這就更形象地證實了「黑洞」的旋渦性質和真實形態以及旋渦多呈漏斗狀的特點.如地球上大氣運動產生的熱帶氣旋——「颱風」,從衛星圖上可以清晰地看到「颱風」的圓形旋渦狀雲團.還有江河湖海中的水渦流也是圓形旋渦狀的,水渦流同樣有很大的能量和吸引力,當物體接近時會被吸引進漩渦之中.
大自然爲何偏愛螺旋形結構,答案就是中學語文中的一篇習文.
我愛上了螺旋形
不知從何年何月開始,我通過觀察事物的各種現象,發現自然萬物都有自己天然的圖形.爲了求生存,很多生物的身體變成最能適應環境的形狀.在千姿百態,紛繁複雜的圖形中,最生動、最有魅力的要算螺旋形了.
放眼眺望,哪裡有生命,哪裡有運動,哪裡就有螺旋形的身影.
透過天文望遠鏡,我看到浩瀚的銀河系是個巨大的螺旋形,螺旋形的中心是恆星最密集的部分,稱爲銀核,銀核四周聚集著大量的恆星,構成銀盤、銀河系在旋轉,在運動.呵,多麼壯觀的天體運動!
站在葡萄架下,乍一看,我以爲葡萄的枝條和卷鬚互相糾纏著,雜亂無章.但是仔細一看,枝莖上的一條條卷鬚,都是螺旋形的,它們巧妙地將葉子擺在朝著陽光源的位置上,讓其進入充分的光合作用.螺旋形的卷鬚呵,扶葉遞光,有條不紊.
自然界中的螺旋形,奧妙無窮,人間傑出的美術家也望塵莫及.瞧,公山羊頭上螺旋形的犄角,造型何等矯健；暴風把烏雲吹成螺旋形,氣勢何等雄渾；變色龍將長尾巴捲成螺旋形,神態何等悠閒；鸚鵡螺殼上的螺旋彩花紋,結構何等完美；聲音從法國號的螺旋形銅管里飄逸而出,音色何等悠揚