请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版

教育圈的市场人 市场人的社交圈

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

扫一扫,访问微社区

只需一步,快速开始

快捷登录

搜索
热搜: 活动 交友 discuz
查看: 2028|回复: 0

《万物简史》-精简版(附PDF)

[复制链接]

5714

主题

7683

帖子

7698

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
7698
发表于 2017-11-26 16:17:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

[美]布莱森
「卡片作者」April
预计本篇需要85分钟

目录

  • Part 1 宇宙与地球
№.1 如何营造一个宇宙
№.2 欢迎光临太阳系
№.3 埃文斯牧师的宇宙
№.4 事物的测定
№.5 敲石头的人们
№.6 势不两立的科学
  • Part 2 原子时代与大陆漂移
№.7 基本物质
№.8 爱因斯坦的宇宙
№.9 威力巨大的原子
№.10 把铅撵出去
№.11 马斯特·马克的夸克
№.12 大地在移动
  • Part 3 处境危险的地球及生命的存活环境
№.13 砰!
№.14 地下的烈火
№.15 美丽而危险
№.16 孤独的行星
№.17 进入对流层
№.18 浩瀚的海洋
  • Part 4 生命的历程
№.19  生命的起源
№.20 小生物的世界
№.21 生命在前进
№.22 多灾多难的生命进程
№.23 丰富多彩的生命
№.24 令人惊叹的细胞
  • Part 5 进化论与人类始祖
№.25 达尔文的非凡见解
№.26 生命的物质
№.27 冰河时代
№.28 神秘的两足动物
№.29 永不安分的类人猿
№.30 一个星球,一次实验

----------------------------------------

  • Part 1 宇宙与地球
№.1 如何营造一个宇宙
№.2 欢迎光临太阳系
№.3 埃文斯牧师的宇宙
№.4 事物的测定
№.5 敲石头的人们
№.6 势不两立的科学


№.1 第一章 如何营造一个宇宙

本节导读

从我们第一次意识到天空的存在开始,广袤的天空就给我们留下了深刻的印象。天空有多高,宇宙有多大?相信我们都曾有过这样的疑问。浩瀚无垠的宇宙承载了人类太多的浪漫与想象,关于穿越星际的科幻小说、电影层出不穷……本篇,我们就以宇宙为起点,开始我们的《万物简史》之旅。



宇宙实在是太大了。而它的出现,又似乎是从极小极小的空间中开始的。

如果我们要重新创建一个宇宙,我们需要这样做:把一个质子缩小十亿倍,放进一个很小的空间;此外,你还要将从宇宙创建到现在之时的每个粒子塞进这个空间——这就是奇点。整个宇宙就是从奇点中膨胀扩展起来的。

宇宙的形成大约在127亿年前,这一瞬间被科学家们称为t=0的时刻。而它的产生又是如此之快,几乎在3分钟之内,就从那几乎算不上空间的奇点扩展成了我们美妙无比的宇宙。

宇宙的大爆炸理论是在20世纪20年代提出的,但直到40年之后,阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊两位天文学家的偶然发现才让这一理论流行起来。他们在实验中发现了无论如何也无法排除的本底噪音,这让他们苦恼的噪音却是人们一直在寻找的大爆炸残留的宇宙背景辐射,这种辐射是宇宙形成时候的遗迹。这种最古老的光穿过茫茫的空间,转化成了微波,到达地球。

关于宇宙大爆炸的原因有很多不同的理论。有人认为我们的宇宙在漫长的时间里,不断地产生毁灭,现在这个只是一系列周而复始的宇宙的其中一个;有的学者说大爆炸是由某种“真空能”决定的;还有理论认为我们所在的宇宙只是很多同时存在的宇宙的其中一个,而其他的宇宙说不定也在不停地爆炸着。

对于爆炸之后的事情,科学家们已经预测到了爆炸发生10-43秒之后的情况。根据膨胀理论,在爆炸后的瞬间,宇宙瞬间经历极端的扩大,于是在很短很短的时间内产生了引力,此外是电磁、强弱磁力,之后大量的质子、光子、电子也产生了。

但是最让人惊讶的是,只要宇宙膨胀的方式稍有不同,我们就不会出现在一个如此适合我们生存的完美空间中——宇宙本身可能就会因为引力过强而坍塌,或者因为引力稍弱而变成一片虚空。而我们现在的宇宙又在经历什么变化呢?也有很多不同的理论,有人认为宇宙在不断地膨胀;也有可能在不断坍缩,最后又重新成为一个奇点;还有人认为我们的引力就会永远这样巧妙,以支撑着宇宙的存在。

因此,对于宇宙,我们已经知道了一些事情,但不确定的还有更多。


№.2 第二章 欢迎光临太阳系

天文学的发展是积极且迅速的。现在,科学家们已经能够通过遥远星球的细微抖动,推算出行星的性质和运动规律,甚至适合居住的潜在可能性。

但这种迅速发展的状态也仅仅是从最近的30年才开始的。在那之前,人类对太阳系的了解还朦胧而神秘。直到1978年,一位年轻的天文学家詹姆斯·克里斯蒂才第一次发现冥王星还有一颗卫星——而这颗卫星其实是太阳系里最大的卫星,而冥王星本身甚至比我们的月球还要小。

为什么这一秘密发现得如此之晚呢?最重要的原因是,天文学家很少关注这颗遥远的行星;此外,冥王星本身距离我们实在太远,以至于我们见到的影像总是暗淡无光。因此,人们也直到7年之后,才第二次重新看到了那颗卫星。

提到冥王星,就不能不提到几乎是它的发现者,出身于古老而富裕家族的波西瓦尔·洛厄尔。他通过仔细的观察和缜密的计算,预测海王星以外还有一颗巨大的气态行星。但真正找到它的是一位叫作克莱德·汤博的年轻人,也是他同时发现了冥王星并非气态。因此,目前还有科学家猜测在冥王星之外,还有一个真正的巨大恒星——毕竟宇宙中的大多数恒星体系都是双星体,而我们的太阳系只有一个太阳,未免有些孤单。



冥王星在太阳系的地位很特殊,直到现在科学家们也没有弄清楚它有多大,由什么组成;此外,别的行星基本都在同一平面转动,只有冥王星的轨道是一个17°的斜角

我们需要知道的是,冥王星远远不是太阳系的终点,太阳系实在是太大了。穿过冥王星之后,我们就来到了有两光年直径的奥特星云。如果冥王星距离我们只有40个天文单位的话,奥特星云就距离我们5万个天文单位。

而太阳系之外对于我们来说就更加遥远了,就连离我们最近的比邻星,也要有4.3光年(注:光年,计量天体间时空距离的单位,一般被用于衡量天体间的时空距离,其字面意思是指光在宇宙真空中沿直线传播了一年时间的距离,为9 460 730 472 580.8千米)那么远。宇宙无边无际,它带来的可能性也是无穷的。有科学家计算过,按照恒星数量和可能拥有的星星数量的比例,发现仅仅在银河系,计算出的高等文明数量也有几百万个。

正如书中所说的:“宇宙是个又大又寂寞的地方,我们要多少邻居就可能有多少邻居。”


№.3 第三章 埃文斯牧师的宇宙

罗伯特·埃文斯在白天是一位受人尊敬的牧师,而到了夜里就成为了宇宙的探索者。每天晚上,他都会带着自己简陋的望远镜,到阳台上寻找即将消亡的恒星——超新星

当恒星坍缩的时候,它会发生剧烈的爆炸,释放出相当于1000亿颗太阳的能量,这就是超新星诞生的时刻。而由于我们距离任何恒星都太远了,再猛烈的爆炸都不会对我们造成伤害。事实上,埃文斯牧师所见到的也只是天空中淡淡的光点,而这束光也仅仅持续了一个月左右的时间。此外,由于这颗超新星的光是从几光年以外的距离传来的,所以我们看到的可能其实是很久之前发生的爆炸。


超新星

超新星隐藏在满天星斗的宇宙,其实是很不好发现的。埃文斯牧师却有一种记住星场的高超本领,到2003年,他已经发现了36次,而且超过了专业的天文望远镜所能观测到的范围。

超新星这个概念其实是一名脾气古怪,个性粗暴的天文学家弗里茨·兹威基创造的,他第一次将这些忽然出现在天空中的新的恒星与亚原子中子理论联系在一起,发现了超新星实际上是恒星坍缩成了中子星。也是他第一个意识到暗物质对宇宙引力的影响。可以说,他是一个聪慧过人的科学家。但由于他粗暴的为人,他的很多重大的成就都没有被同行认可。

目前,科学家已经将超新星分为几种不同的类型。其中一种叫作Ia,由于总以同一种方式爆炸,产生同样的质量,因此它已经成为“标准烛光”,作为一个重要的参数被用在各种计算当中。

最后我们还要感谢超新星的一点是,如果没有它们,很可能也不会有我们的存在。正是它的核聚变,创造了构成生物所必须的碳、铁等重元素——而这些在宇宙大爆炸中是没有出现的。

因此,就我们的太阳系来说,99.9%的物质都形成了太阳,剩下的漂浮物质一点点地碰撞累积,置换合并,形成了现在稳定运转的行星。而我们的地球还在雏形期的时候,它就可能已经开始产生大气了。在含有大量甲烷和硫的气体中,生命就这样不可思议地诞生了。


№.4 第四章 事物的测定

整个18世纪,科学家们都开始把研究兴趣转移到了自己生活的星球本身,我们生活的山川海洋有多远?地球的质量有多少?年龄有多大?它在宇宙中的位置又在哪里?要了解这一切,就需要在理论的基础上,在不同的地理位置,用精密的仪器进行无数次测定。科学家们为此经历了重重磨难,比如疾病、战争、不相容的文明,但这些挫折都无法阻挡他们追寻真理的步伐和了解地球的强烈欲望。

在1683年,哈雷为了一个关于行星轨道为何是“一条特殊而精确的曲线”的赌注而请教了大名鼎鼎的艾萨克·牛顿,从而让本来离群索居,性格孤僻的牛顿用两年时间完成了学术著作《自然哲学的数学原理》——这本晦涩但惊人的杰作让牛顿成为了为科学发展做出最大贡献的科学家之一,让他瞬间获得了同行们最高的赞誉和认可。这本书的核心就是著名的牛顿三大定律和万有引力定律,这也是人类第一次提出普遍意义上的自然规律。而这一定律也解释了许多之前无法理解的现象,比如行星的运动,潮水的来去……


艾萨克·牛顿

但是,牛顿提出的其中一个假说却引发了科学界不小的争议,即他认为地球的形状不是标准的球形,而是赤道略微鼓起的椭球形——这是因为自转产生的离心力导致的。而地球的形状往往是测量其大小的标准参数,因此很多科学家立刻对这一假设进行了实际的测量验证。

因此在1735年,水文工作者布格和军人数学家孔达米纳历经近10年的时间,用三角测定法测定穿越安第斯山脉的距离,以验证牛顿关于地球椭圆形状的论断假设。由于地形的曲折和团队合作的问题,这10年工作不仅千辛万苦,而且在快结束的时候发现已经有其他团队抢先证实了牛顿的假设。

而牛顿提出的另一个让大家十分振奋的假设就是可以通过测量铅垂线在一座大山旁的偏差来计算万有引力常数,甚至地球的质量。这一任务最终由英国皇家天文学家马斯基林和数学家赫顿完成。但不足之处在于由于无法精确估计大山的密度,所以关于地球的质量,测量结果也并不十分精确。后来,约翰·米歇尔和古怪但极为天才的思想家卡文迪许利用精密的仪器,足不出户就几乎准确估计了地球的质量。


№.5 第五章 敲石头的人们

在18世纪末期,詹姆斯·赫顿几乎是以一己之力创建了一门新的学科——地质学。这一学科迅速风靡欧洲上层社会,成为了富裕悠闲的绅士科学家们广泛的兴趣之一。


詹姆斯·赫顿

赫顿虽然具有观察地质的敏锐头脑,但在写作能力上却不敢恭维。他的地质学著作《地球论以及证据与说明》其实包含了很多开创性的见解,但由于他的文笔不仅生硬,而且有很多句法问题,很少有人看得懂。好在他的挚友约翰·普莱费尔将他的著作进行了改写,从而真正让他的思想为世人所知。

比如对于在山顶上发现古代海洋中生物化石这一现象,当时的科学家分为了两大阵营。“水成论”者认为这一现象是由海平面的升高和降低造成的;而“火成论”者认为主要是由于火山爆发和地震造成的。赫顿对此提出了生动的见解。他认为由于地球内部的热量缓慢积聚,不断创造新的山脉。而山顶的海洋化石是和大山一样,由于地质板块运动而隆起来的。

除了赫顿之外,当时还有很多科学家参与到了“敲石头”的地质学行列。比如默奇森对杂砂岩的研究,他的《志留纪体系》一书也盛极一时;再比如詹姆斯·帕金森博士(他同时在政治运动和医学方面也颇有建树,并且对“震颤性麻痹”的研究也做出了巨大贡献,后人又将这一疾病称为“帕金森综合症”)的《上个世纪的有机遗骸》;以及在地质学中影响最大的人物之一,查尔斯·莱尔。虽然在当时灾变论(地质变化是由突发的灾难事件形成)和均变论(地球的变化是缓慢的持续的)的论战中,莱尔坚定的均变论立场让他的某些结论是错误的,但他的《地质学原理》影响了一批又一批的后继者,甚至达尔文也将他视为偶像。

此外,这一时期关于地质学时代的划分和每个时代的年龄也是科学家们一大议题之一。对于这两个问题,即使最聪明的科学家(比如开尔文)在当时的科技发展背景下都不敢妄加判断。


№.6 第六章 势不两立的科学

令人费解的是,在当时那个痴迷于古生物化石的时代,人类第一次发现的恐龙骨头(在美国)居然被解剖学家维斯塔和其他人忽视了。这在很大程度上是由于当时人们抱有一种偏见,认为新大陆的所有生物都是弱小的,无力的,生殖能力差的。所以他们根本没有想到新大陆曾经出现过如此的庞然大物。这一论调在后来发现越来越多的恐龙化石时就被自然而然地推翻了。而数量众多的恐龙化石的发现和居维叶提出的关于物种灭绝的理论让“存在巨链”的信仰(即世界是精心安排的,世界上每种生物都有一定的位置,都有一个目的,且会永远存在)变得摇摇欲坠,也让宗教人士不快,因为这意味着上帝似乎极不友好地经常让某一物种消失。


恐龙化石

虽然在当时研究地质学的科学家都是富裕的绅士,但并不代表他们很有绅士风度。18世纪末期,很多科学家为了自己的野心和荣誉明争暗斗,最后两败俱伤。比如才华横溢但是心胸狭窄的理查德·欧文,在这一领域做出了杰出的贡献,比如发现了始祖鸟,命名了恐龙(虽然现在看来这种命名方式以及对恐龙的理解是错误的),但他的品行极差,比如把属于别人的功劳加在自己身上,不加掩饰地迫害自己不喜欢的人——如同样在这一领域做出很大贡献的曼特尔(比如抹杀他的贡献,将功劳独占)。后来,他的恶行被人所知,在科学界也渐渐失去了地位和名声。

但也不乏单纯热爱真理的古生物研究者,比如英国的玛丽·安宁,从未受过任何正统的训练,却用一生的时间采集了众多重要的化石,为科学家们提供了珍贵的第一手资料。

同时,在1898年,科学家们发现了“骨屋采石场”——大量的化石被发现,这无疑为科学家们提供了难得的研究机会。但不幸的是,在当时,还没有人能够清楚地知道这些化石的确切年龄,一直到欧内斯特·罗斯福的出现。

思考与讨论:

  1. 从小时候开始,我们就会疑惑:宇宙是从哪里来的?宇宙的边际又在哪里?读完了本节的内容,你对这些问题有了新的认识吗?你周围有没有孩子持有同样的疑惑,如果有机会,你会如何为他们解惑呢? 
  2. 现如今,牛顿定理早已被我们当做常识。但在当时,牛顿的发现所引发的震撼是难以想象的。你还记得牛顿的三大定理和万有引力理论吗?它的地位发展到今天,有了什么变化?为什么?(注:可查阅相关资料。)


----------------------------------------

  • Part 2 原子时代与大陆漂移
№.7 基本物质
№.8 爱因斯坦的宇宙
№.9 威力巨大的原子
№.10 把铅撵出去
№.11 马斯特·马克的夸克
№.12 大地在移动


№.7 第七章 基本物质

本节导读

当我们把目光从无尽苍穹收回转而看向自己的身边的事物时,你是否想过一个问题:这个世界是由什么构成的?目前发现的最基本单位是什么?

有言道,一沙一世界。那么,就让我们一起看看——这个小世界的发现史吧。

在这一章中,化学这一学科成为了主角。虽然在17、18世纪,化学和炼金术还没有被区分得十分仔细。比如在1675年,亨内希·布兰德认为他可以把人尿转化为黄金,并进行了一系列实验,却无意中发现了磷的存在——有趣的是,由于制作工艺复杂且成本高,这种物质在当时的价格真的超过了黄金。后来瑞典化学家卡尔·金勒发明了生产磷的简易方法,瑞典自身也成为了火柴(主要成分是磷)的主要生产国。但可惜的是,金勒凭着对实验物品的无限好奇,最终因为品尝了剧毒物而死在了实验台上。同时,由于多种复杂的原因,本是金勒最初发现的很多元素也没有为世人所知。

即使到了18世纪末,很多科学家还相信世上存在一种神秘力量可以赋予无生命物体以生命,这种力量在某些物质中存在,在某些物质中不存在。虽然看似无理,但这也是后来化学分为有机和无机两大部分的原因。此外,拉瓦锡用一本《化学概要》成功地把化学推进到现代。他从没有发现过任何一种元素,但他为别人发现的元素确定了性质和意义;并开创性地发现了物质不灭(物质只会变形和转化,但不会消失)的原理。可以说,他做的贡献比当时发现新元素的任何一个人都大。但很不幸,他的政治立场使他最终死在了法国大革命中。


拉瓦锡及其妻子

拉瓦锡太太后来与一名野心勃勃的英俊科学家本杰明·汤普森有过一段短暂的婚姻,而后者不仅是当时热力学的权威,也创立了旨在发展化学这门新兴科学的皇家研究所。由于化学在当时并不是一门绅士的学科,而是商人的科学——并不是那么入流。因此这一研究所逆流而上,成为了当时化学家们的重要组织和团体。汉弗莱·戴维是其中一个杰出的年轻人,他通过电解的方法发现了很多新元素。但可惜的是,最终沉迷于“笑气”(一氧化二氮)而去世。

此后,阿伏伽德罗对阿伏伽德罗常数的发现、伯采留斯创造的元素的缩写方式、门捷列夫发明的元素周期表,都在很大程度上成就了化学这一学科在当时社会中的稳定发展。后来,居里夫妇对镭和钋两类放射性元素的发现被昨天最后提到的欧内斯特·卢瑟福看到了潜在价值,通过半衰期的性质将其使用在了化石年龄的推算中。科学从此进入了一个新的时代——原子时代。


№.8 第八章 爱因斯坦的宇宙

在19世纪后期,物理学的很多领域已经获得了长足的发展,很多定律被发现,很多仪器被发明。当时的科学家们甚至认为物理学已经饱和,没有多少可以研究的东西了。

而马克思·普朗克并不这么想。他潜心钻研物理学,虽然也受过挫折,比如首先对熵进行了深入的研究,却发现已经有学者发表过一样的成果。但他并没有灰心,而是将重心转移到了光以太的研究中(以太是从笛卡尔时代就被提出,并一直备受推崇的一个假设,作为光在太空里传播的媒介)。

在此后的几十年里,几个重要的科学家的实验研究和论文成果将物理学推向了一个质变——宏观物理学正在向微观物理学转变。迈克尔逊和莫雷的光以太实验发现光无论在任何方向,任何季节都是一样的。这一结果第一次证明了牛顿定律并不是在全部情况下都适用;此后,42岁的普朗克提出了著名的“量子理论”,认为能量不是连续的波,而是一包一包的间断量子。这一理论成为了现代物理学的基石。而伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发表的三篇跨时代意义的论文正式将这个学科推到了一个新的高度——他在随后的几年里创立了狭义和广义相对论。狭义相对论的一个重要论点就是“能量和质量是等价的”,这一理论解释了为什么光速是不变的,也从真正意义上否定了光以太的存在。而广义相对论引入了引力的概念,认为时空是三维空间和可以变化的时间交织在一起的。


阿尔伯特·爱因斯坦

在爱因斯坦开创了一个新的时代之后,斯莱弗和哈勃两位研究者补充了相对论中的一个空白——宇宙常数的问题。事实证明,宇宙并不是恒定不变的,而是向外膨胀的,因此并没有一个固定的宇宙常数。后来,教士学者勒梅特据此提出了“烟火理论”(即宇宙由一个“原始的原子”五彩缤纷地爆发,然后一直四面八方地散开),其实就是后来大爆炸理论的雏形。


№.9 第九章 威力巨大的原子

物理学家们在宏观的宇宙中寻找真理的同时,开始在极微观的视角中关注原子内部的结构世界。

首先发现原子极小、众多而又永存的特性是约翰·道尔顿,他是一位天资极为聪慧的学者。他的著作《化学哲学的新体系》中阐述了对原子性质的见解,并提出了不同原子结合的方法。而对于这一假设,直到一个世纪之后爱因斯坦关于布朗运动的论文中才首次提出了原子存在的证据。


约翰·道尔顿

而第一位真正揭开原子时代面纱的科学家是欧斯内特·卢瑟福,同样是一位勇敢的天才。他在曼彻斯特大学潜心研究,终于确定了原子的结构和性质——原子其实是由极为微小但密度极大的原子核和相对而言宽敞、充斥着不断转动的电子的空间组成的。这就意味着两个物体在现实中没有办法完全触碰,因为带有负电荷的电子相互排斥,无论距离多近,也不可能真正相互碰撞。

但卢瑟福的发现却却引发了另外的难题。在宏观物理学意义上,飞速运行的电子如何能够维持能量的存在而不坠毁?质子为什么又能在保持正电极的情况下安然存在于原子核呢?对于后者,卢瑟福在11年后发现了中子可以抵消质子的正电荷。而对于前者,卢瑟福的同事尼尔斯·波尔提出了著名的“量子跃迁”理论,认为电子只会停留在某些特定的轨道上,会在某一条轨道上忽然消失,并在另一条轨道上出现。

科学家们发现电子有的时候表现得像波,有的时候像粒子。这种矛盾让物理学界一度陷入了绝境。薛定谔和海森伯分别提出了波动力学和矩阵力学来解释这两种全然不同的性质。最后,这种相互冲突的局面终于在量子力学的理论出现之际被打破——其核心是“海森伯测不准原理”,即认为电子是一种可以用波来描述的粒子,也同时告诉我们在一个电子被观察到之前,是无法预测它在任何特定时刻的位置的。薛定谔著名的思想实验“薛定谔的猫”就是说明了这种不确定性。

而原子中的这些物理特性都是爱因斯坦的相对论所不能解释的。因此最终,物理学拥有了两套规律:其中之一是爱因斯坦的相对论,适用于宏观的宇宙和运动;另一种便是用以解释微观世界的量子力学,强磁力和弱磁力。


№.10 第十章 把铅撵出去

小托马斯·米奇利是一名20世纪初美国通用公司的工程师,他可能为当时的企业获取了大量的收益,但在历史的长河中,他却是一个臭名昭著的人。


小托马斯·米奇利

在1921年,他发现了四乙基铅这一化合物可以防止发动机爆震的现象——虽然他也知道铅作为一种神经毒素对人体的危害极大。由于有利可图,一家合资企业成立了,叫做乙基公司,大规模地生产四乙基铅汽油。虽然工厂里的工人不断出现神经中毒的症状甚至死亡的后果,乙基公司面对记者的舆论却还是坚定地宣称自己的产品是无害的,工人是由于工作太辛苦才会出现精神性症状。因此,在以后的几十年里,这种有害的铅汽油毫无节制地生产着。

此后,米奇利还发明了氯氟烃来解决当时出现的冰箱泄露现象。这一产品也立马被那个时代所接受,这一化学物被用到了生活的方方面面。但半个世纪以后人们才发现,氯氟烃破坏了平流层里的臭氧,并吸收大量的热量(可以说是温室效应的罪魁祸首),而且由于其稳定性,一旦产生,就会在空气中悬浮很久。

让我们说回到科学家们对地球年龄的测定吧。20世纪40年代威拉德·利比发明了通过比较生物内部碳-14的衰变程度的放射性碳年代测定法,使得对古代遗骸和化石的年代测定成为可能。但是这种技术在经过了几千次的广泛使用以后也渐渐露出了缺陷。首先公式本身的衰变常数存在3%的误差;并且样品中的碳-14又很容易被污染;同时大气中本身的碳-14含量在不同的时代也是不稳定的,而且计算结果也有可能受到很多诸如饮食结构等因素的影响。

而无论是放射性碳年代测定法,还是后来发明的很多其他方法,都无法测定无机物(如岩石)的年龄——也就无法推测地球的年龄。而对此做出突破性贡献的,是在当时已经不再流行的地质学。

阿瑟·霍姆斯是一名英国教授,他在当时地质学完全不受重视的环境下凭借一己之力测定了地球的年龄——这一年龄虽然还不够精确,但依旧比之前科学家们的任何猜测都要准确。此后,运用新发明的统计火成岩里铅同位素的技术,年轻的克莱尔·彼得森历经7年时间,用陨石测定了地球的年龄。此间还建立了世界上第一个无菌实验室。他测定的地球年龄又比霍姆斯精确了很多:他宣布地球的确切年龄是45.5亿年,只和现在最精确的测量相差7000万年。

此后,彼得森立刻开始研究大气里铅含量超标的问题。他用格陵兰岛积雪的冰核来测定了这一时代铅含量的迅速攀升。这给当时如日中天的乙基公司带来了不小的压力,在1986年终于被迫停产含铅汽油。


№.11 第十一章 马斯特·马克的夸克

随着对原子理解的不断深入,在一段时间里,科学家们疯狂地制造原子粉碎器(或称回旋加速器),来探究原子究竟是由什么构成的。虽然粒子极不稳定,很难捕捉,但物理学家们还是发现了很多粒子。但由于建设原子对撞机的成本实在太高,发现更细微的粒子结构计划也就暂时搁置了。即使这样,现在发现的粒子的数量也大大超过了150种,还有100种可能存在。但科学家们并没有搞清楚这些粒子的关系——因为每个粒子内部,永远能撞击出更小的东西。

后来物理学家默里·盖尔曼发明了新的粒子分类法,在一定程度上明晰了这些粒子的关系。他认为所有受强核力支配的粒子都由更基本的粒子构成,这种粒子被称为夸克。夸克无色无味,有上、下、奇、粲、顶、底六种。它们和6种轻子,5种已知的玻色子和1种可能存在的玻色子,以及强核力、弱核力、电磁力三种物理力共同构成粒子的标准模型。这种标准模型的假设虽然很复杂,不完整(没有提到引力,也无法解释质量),但这已经是当时科学家所能想到的最简单的模型。


默里·盖尔曼

后来,又有物理学家提出了超弦理论,即认为构成物质的基本单位不是粒子,而是在11个维度中振动的弦。这种几乎让人无法理解的弦理论理论上能够很好地融合量子定律和引力定律;但随后,又进一步产生了更加晦涩的M理论。正如温伯格所说:物理学很可能没有一种终极理论——每一种解释都需要进一步地解释,而这样推下去的解释可能是我们永远无法理解的。

在科学家们研究细微世界的同时,天文学家发现,人类对于广阔无垠宇宙的探索也是不完整的。首先就是对“标准烛光”造父变星的新发现,促发了科学家们对于哈勃常数的重新计算和争论。有的科学家认为常数是50,宇宙年龄为200亿年;而另一派科学家认为常数是100,宇宙年龄自然也大了一倍。对宇宙年龄的精确计算是很难的,地球大气变化,星际尘埃这些因素都会造成观测结果的失真。因此,对目前为止137亿年的宇宙年龄的结论,很多科学家还是不认可的。

而对于宇宙的构成,我们也是知之甚少。兹威基认为,宇宙有至少90%都是由我们看不到的“暗物质”组成,对于其主要成分,包括WIMP(即弱互相作用大质量粒子,即大爆炸留下的看不见的微小物质)和MACHO(即晕状大质量致密天体,实际上只是黑洞、棕色矮星和其他光线很暗的恒星的另一种说法)两种不同的假设。


№.12 第十二章 大地在移动

关于大陆漂移的观点,最初是由一位富裕的业余地质学家弗兰克·泰勒在20世纪初提出的。由于他仅仅通过观察,没有拿出确凿的证据,当时这一理论被很多正统的地质学家当作不切实际的玩笑。

然而,一位气象学家魏格纳却接受了它,因为这一理论假设可以解释很多之前无法理解的地质现象,比如同类动物化石在它们不可能靠自己穿越的大洋两岸被发现。因此他提出了“泛大陆”的理论,认为世界的大陆原来是合在一起的,到了后来分裂成几块,漂移到现在的位置。他提出这一理论的时机不是很好,当时正值一战,因此没有引发太多的注意。而后来,1920年他的《海陆的起源》一书再版之后,引发了大家的争论。不幸的是,因为他没有地质学的学术背景,同时提出了在当时看来过于激进的理论,在当时很少有人支持他的观点,甚至有科学家对此加以极力的嘲讽和否认,虽然他们的确看到了支持大陆漂移说的证据。后来,地质学家霍姆斯通过对地球内部热辐射产生对流的现象,第一次提出大陆漂移学说。但直到10多年后,这一学说才真正受到科学家们的认可和追捧。



矿物学家哈里·赫斯在对这一学说寻找证据的方面做出了巨大贡献,他通过回声探测仪对海底地质的探测,发现海底有悬崖、沟壑、裂缝以及海底火山。20世纪50年代后,海洋学家对海底日益加深的考察,发现大西洋海底不断产生新的地壳,并向两边推开,形成跨越大洋的海底山脉,这一过程被称为海底扩展。之后物理学家布吕纳发现地球的磁场偶尔自行逆转时,当时的磁极就会被永久记录在铁矿石中。更重要的是,英国的两位教授通过对岩石磁极指向的研究发现,某些大陆曾发生过自转位移。最后,地质学家马修斯终于把前面的所有证据和自己的研究整合起来,证实了大陆漂移的假设。

而不久之后,这一理论进一步升级为“板块构造”。现在我们知道地球表面由8-12个大板块和20个小板块组成。而在不断漂移撞击的过程中,古代和现代陆块之间的关系也愈加复杂。此外,板块构造学说不仅解释了地球表面动力学,还解释了地震,山脉,冰期等内部活动。但今天仍然有许多地面特征是现在地质学家还不清楚的,需要慢慢的探索和发现。

思考与讨论:

读完本节的内容,你觉得一个新发现的诞生需要哪些条件(包括主观的和客观的)?请记录,可与朋友讨论。

很多我们现在习以为常的道理,其实也是一路跌跌撞撞走过来的——这个可说是科学史上的普遍规律了。那么,如果你曾经或正处于这样的经历,这些为了真理而奋战一生的科学家们又给你带来了怎样的启发?请记录,并不时提醒自己。


----------------------------------------

  • Part 3 处境危险的地球及生命的存活环境
№.13 砰!
№.14 地下的烈火
№.15 美丽而危险
№.16 孤独的行星
№.17 进入对流层
№.18 浩瀚的海洋



№.13 第十三章 砰!

20世纪50年代之初,一位地质学家尤金·苏梅克发现亚利桑那州的一个当时公认是地下蒸汽喷发导致的大坑中存在很多来自太空的硅石和磁铁矿——这其实是一个陨石坑。他和妻子将研究思路转向太空,开始在天文台不断观察寻找地球轨道的小行星。他们发现外太空存在着数量巨大的小行星,对地球一直是一个潜在的危险源。


陨石坑

寻找小行星在19世纪初就开始流行起来,但当时由于没有系统的记录,到20世纪,已经分不清哪些小行星是新近发现的,哪些又是之前发现过的。其实这种统计工作的意义不大,即使我们确认了这些小行星的轨道,我们也无法预测它们什么时候会向地球冲过来。就像1991年发现的1991BA号小行星,与地球危险地擦肩而过。而我们对此是什么事也做不了的,甚至连对它们飞向地球的预测都还做不到。

正当苏梅克对此进行深入的研究时,哥伦比亚大学另一位地质学家阿尔瓦雷斯正在研究博塔西昂峡谷中出现的、区分白垩纪和第三纪石灰岩的KT界限——一层淡红色的黏土。他将这层黏土出现的时期和恐龙突然灭绝的时期联系到了一起。而他的父亲——获得过诺贝尔物理学奖的老阿尔瓦雷斯,则将这层黏土与太空尘埃联系到了一起。他们将这种黏土样本送去化验,发现其中的铱含量超出了通常水准300倍——这种元素在太空中的含量远远高于地球。因此可以确定这些黏土来自太空。经过仔细推敲,父子两人得出结论,恐龙的灭绝是由于小行星撞击地球导致的。

这一论断,在当时的科学界也是不被认可的。因为已知的莱尔的“渐成论”对古生物学界的影响巨大,并且该父子两人都不是古生物学家,因此他们的假设在当时完全不被接受,普遍认为的是铱元素是由于火山爆发形成的。

为了验证自己的假设,阿尔瓦雷斯父子开始寻找证据。在经历了艾奥瓦曼森大坑的一次失败(曼森大坑出现的日期与恐龙灭绝的时代不相符)之后,他们终于在墨西哥尤卡坦半岛的另一处大坑发现了当时撞击的现场。更幸运的是,不久以后,科学家们又通过哈勃望远镜真正目睹了彗星撞击木星的威力,科学家们终于开始承认阿尔瓦雷斯的假说。


№.14 第十四章 地下的烈火

1971年,一位年轻的地质学家迈克·沃里斯在内布拉斯加州东部偶然发现了一个奇特的化石床:由十几头犀牛、骆驼、乌龟等动物组成的坟墓。这些动物存在的时代为中世纪。它们被发现埋在了3米的火山灰地下,但奇怪的是,那个地方从未出现过火山。

后来对这些化石的研究发现,这些动物都是由于吸入过多腐蚀性粉末而患了“腓骨营养不良”,在痛苦的折磨中死去。而这些灰末又是怎么出现的呢?沃里斯将这些粉末寄给同事们进行化验,发现它们来自1600公里以外黄石国家公园的一次规模庞大的火山爆发。


火山爆发

这时科学家们才开始重视起自己脚下的这片土地,开始研究地球的结构。很多研究者都试图从地球表面钻一个孔,直达地心,但都失败了。最接近的钻孔尝试也许是苏联科学家们的科拉钻孔,他们到达了12262米的深度。

由于无法直接地观测到地球的内部结构,科学家们开始通过波的传播间接地研究这个星球。奥尔德姆通过地震仪的观测推测地球有一个地核;莫霍洛维契奇发现了地壳与地幔的界限;而后来里氏震级方法的出现让科学家们可以将不同的地震进行程度上的比较和深入的研究。

研究发现,地震是相当普遍的,只不过因为震级太小没有被察觉。最常见的地震往往出现在两个板块相接之处,因为板块间的不稳定性,两者的压力往往是地震的来源。而两次地震间隔的时间越长,积聚的压力就越大,下一次爆发的严重程度就越高。

除此之外,还有一种跨板块的地震的出现更加没有规律。它并不发生在板块相接处,而且由于震中很深,涉及的范围很广,此外由于目前还不清楚出现的原因而无法预测,因此这种地震更让人担忧。

现在我们知道,地质结构从外而内包括一个岩石外壳、一个炽热的岩石地幔、一个液态的外核、以及一个密度很大的内核。有研究者猜测其中的液态外核是以某种形式转动的,易产生地球的磁场。而对于地球的地壳是如何出现的,也包含了“渐成论”(地壳是渐渐形成的)和“始成论”(地球史之初形成)两种学说。目前还没有定论。总体来说,我们对地球的了解还知之甚少。


№.15 第十五章 美丽而危险

美国黄石地质公园是一处火山活动形成的、布满着温泉和蒸汽地貌的风景秀丽的胜地,也是科学家们研究地质学的最佳场所。20世纪60年代,美国地质勘测局的克里斯琴森疑惑地发现,在这座公园中,他无论如何也找不到一座火山。当看到公园全貌的照片时,他忽然意识到整个9000平方公里的公园本身就是一座巨大的火山热点——这处绝美的风光地下,是危险而炽热的岩浆。


美国黄石地质公园

火山的类型主要包括两种。第一种是比较常见的,类似富士山的典型火山锥;而第二种是不造山的火山,但它们具有强大的破坏力,会一下子爆发,留下一个沉降式的大坑——黄石公园就属于这一种。公园中有几处超级热柱,曾经爆发时喷出的毒气可能对恐龙的灭绝造成了影响。这样的热柱一般都只存在于海底。而这一点只能表明黄石公园的地壳很薄,因此一旦爆发就是极为猛烈的。

黄石公园火山爆发的第一个严重后果就是铺天盖地的火山灰对庄稼和土壤的毁灭性打击;此外,火山爆发对气候也会产生极强的影响。上一次火山爆发以后出现了为时6年的“火山冬天”,人类的数量骤减到几千人,几乎灭绝。

在黄石公园,除了大规模火山爆发的潜在危险外,还包括热液爆发、岩崩等规模较小,但冲击也很强的危险。尤其在一个四季满是游客的旅游胜地,对他们来说,来黄石公园就是要冒风险的。

但无论如何,生命力是顽强的,即使在这样一个极端的环境下。一对生物学家布罗克夫妇在黄石公园的翡翠池中发现了世界上第一批极端微生物,它们生活在高温、高酸的环境中。同时科学家们还发现这种微生物中的耐热酶进行聚合酶链式反应,使基因的复制成为可能。


№.16 第十六章 孤独的行星

从我们目前已知的情况看,茫茫宇宙中只有地球上存在生命;而整个地球上适合我们生存的地带也少之又少,我们只能在陆地上生存,而且不能太高。到目前为止,从海洋到高山,已知生命的全部生存范围只有28公里左右厚。

人类无法在水中生存,不仅无法呼吸,也无法忍受水中的压力。因为相比于空气,水要重很多。因此在水下越深的地方,压力越强。除了类似裸潜这样的极限运动,一般情况下,人们是无法在水下存活的。即使是裸潜,也需要一定的条件和技能才能保住性命,比如短时间接触气压变化,使体内的氮来不及流入细胞;此外还需要逐步慢慢回到水面。到目前为止裸潜到达的最深位置只有72米。

除了无法生存在海下之外,人们生活工作如果长期接触海水,也会出现像减压病(弯腰病)之类的症状。这是由于在水压之下,体内的氮进入了细胞组织,阻塞了血管,造成细胞失氧。这一疾病长期困扰着水下工作者们。著名的生理学家、古怪的霍尔丹父子就为此做出了巨大的贡献。

即使狭窄,但我们在地球上还是找到了自己的立足之地。我们更应该庆幸的是我们生存在一个一切条件都恰好适合我们生存的地球上。总体来说,我们有四点值得感激的事情:首先就是与大小正合适的恒星相隔着远近正合适的位置。看看稍微近一点的金星和稍微远一点的火星我们就可以想象到,如果不是这个与太阳刚刚好的距离,我们的地球就会变成一个火热的地域,或者冰冷的不毛之地;第二点是地球本身是一个适合生命居住的行星,最重要的一点其实要感激我们脚下翻腾的岩浆,喷射出大量的气体,建立了保护我们避免受磁场侵害的大气层;此外,地球还是太阳系唯一一个双子星。月球作为一个很大的卫星,对地球保持着持久的引力,使它能够以适合的速度和稳定的角度运转,世界才有了四季更替,潮起潮落;最后,也是最重要的一点:我们出现在对于生命来说最恰当的时间里,地球正处于稳定期,有一定的困难,但从未出现过任何大灾难。



最后,地球上很多元素对我们生命的出现和维持也是极为重要的,而它对我们的重要性往往与我们接触到的地球表面的元素含量相关。但对一些微量元素和人造的化学元素,人类的耐受力就很弱。这似乎从反面证实了另一件事——不仅是我们选择了地球的环境,也是环境塑造了我们需要的条件。我们是后于这个环境出现,并适应与它的。这就是生命。


№.17 第十七章 进入对流层

大气对我们的保护作用是不言而明的。如果没有大气的话,地球会因为无法留住热量而变得极度寒冷,同时也无法抵御强烈的宇宙射线,根本无法存在生命。

地球上的大气并不很多,科学上认为大气被分成:对流层、平流层、中间层和电离层四类。对流层里面包含着我们赖以生存的氧和热量,是我们的保护伞;而由于臭氧层的吸收作用,再往上的平流层的温度会有所上升,但极度缺氧;到了中间层,温度又骤降90°,而在距离地面最远的热层,接受着太阳光直接的照射,温度可达1000-1500摄氏度。好在那里由于大气分子已经极度稀薄,几乎不会相互碰撞传递热量,否则我们的飞船在离开地球的瞬间就会被烧成灰烬。因此,只要我们稍稍离开地面,地球也是一个危险的地方。



这一点,我们无需去大气层的边缘就可以体会到。登山的极限运动员对此深有感触,在海拔几千米的高山上,生存不仅需要极大的意志力,长期居住的话也需要你之前很多代人的适应进化以获得耐受的基因。

空气感受起来虽然轻飘飘的,但其实蕴含着极大的质量和能量。只不过由于我们的身体在很大程度上也由液态构成,无法被外面的气压压缩。但一旦空气处于强烈的流动状态,比如飓风——高空中的急流,和我们还不完全清楚原因的“晴空湍流”,我们就会真切地感受到它带来的能量。

除了空气之外,天空中的雷雨也蕴含着大量能量。闪电的形成也与空气对流相关,雷雨云包含了上升气流和下降气流,并携带了正负电荷,在不断摩擦中产生能量。

空气的对流和海洋的对流过程是可以统一起来的。两者都是因为不同区域存在密度、强度的差异,而产生流动的过程。对流对于生命的维系是极为关键的,它为我们提供了一个稳定的循环系统。两者构成了季节变化、水源分布、甚至对空气中二氧化碳的吸收和保存(即“长期碳循环”过程)起到了至关重要的作用。虽然近代开始以来人类开始打破这个循环,在空气中排放出了过多的二氧化碳,使我们的生存环境变得越来越脏,但地球上海洋和森林强大的自我洁净功能还是挽救了地球。只是地球的承受程度是有限度的,如果某天碳排放量达到了一个阈限——大自然的生物圈已经无法消化的程度,我们面临的就只有自我毁灭的命运。


№.18 第十八章 浩瀚的海洋

在地球上,无论是周围的环境,还是生命本身,很大一部分都是由水构成的。可以说,没有水就没有生命的存在。但水作为一种化学物质来看,又具有极为奇特的属性。比如水到达冰点以后变成冰时体积会增大10%,就是说冰的密度小于水。我们要感谢这种不同寻常的特性,否则的话,海洋底部会布满冰层,最终整个海洋也会凝固成一个巨大的冰块;此外,构成水分子的氢原子不断变换着结合氧原子,这使得水可以粘合成一个湖泊,甚至海洋,并且存在表面张力,但又不会过分黏合。

虽然地球中水无处不在,但很大一部分的水对我们来说是有毒的。海洋中的水是不能摄入的,因为里面的盐分我们无法吸收代谢,反而会造成细胞脱水,肾脏负担加重,失去生命。而除去海洋中的水,地球上只有3%的淡水资源,里面还有很大一部分以冰原的形式凝固在南北极。海洋看起来似乎离我们十分遥远,但其实和我们的生命是极为相关的。不幸的是,我们对于海洋内部的理解还远远不够。直到1872年,人们才开始对海洋进行了真正意义上的第一次探索,并创建了海洋学这一学科。



现代的海洋探索始于20世纪前叶,查尔斯·毕比和奥迪斯·巴顿设计了世界上第一个探海球。虽然设备极为简陋,但两人还是凭借这个容器成功下降到海下900米左右。遗憾的是,由于技术局限,海下能见度有限,两人又没有受过专业的训练,所以他们的冒险对于海洋学的意义是不大的。后来,瑞士的皮卡尔父子设计了更为先进的探海艇“的里雅斯特号”,并成功潜到了海下11公里——这是人类第一次也是唯一一次达到了那样的深度。由于当时大家的注意力都在太空探索,科研经费和项目很难落到对海洋探索上,因此,在很长一段时间,甚至直到现在,大家对海洋下的世界还知之甚少。

即使这样,海洋学家们还是得到了几项重大的发现,包括发现大群生活在海底以细菌为生的生物群,而大量的细菌竟是依靠硫化氢的化学合成作用吸收养分来生存;以及发现了能够同时生活在极高和极寒温度下的“阿尔文虫”;最重要的是,还解释了在这么长时间内海洋盐分能维持稳定的因素——深海的喷气孔充当了盐分过滤器,把多余的盐分收进了地壳中。

思考与讨论

如果地球也有自己的意识的话,当他问了“我是谁”这个问题却毫无头绪的时候,你可以帮他回答吗?你将怎么回答?

了解了生命的存在是怎样的不易后,你对生命(包括草木鸟兽和身边的人)的看法是否有所改变?你对这个世界的态度是否也有些改变?请思考,并记录,同时鼓励和你的朋友分享这些观点。

----------------------------------------

  • Part 4 生命的历程
№.19 生命的起源
№.20 小生物的世界
№.21 生命在前进
№.22 多灾多难的生命进程
№.23 丰富多彩的生命
№.24 令人惊叹的细胞


№.19 第十九章 生命的起源

地球在形成之初是一个极端不适合生存的环境。没有空气,温差极大,还充满有毒的硫酸,世界一片荒凉。生命是如何在这样一个恶劣的环境中出现的呢。科学家们经过几十年的努力,终于有了一个大致的猜测。

构成生命最重要的物质是蛋白质,而不同类型的蛋白质是由200-1000多个氨基酸以某一个特定的顺序排列起来形成的。这从概率上讲几乎是不可能自发形成的。同时,光有蛋白质也还无法形成生命,我们还需要有复制功能的DNA,其他生命要素,以及将这些包裹起来的细胞膜。

化学家马克斯·佩鲁茨通过20年的研究,终于解决了这个难题。他假设,蛋白质现在表现出的这些特定的排列组合,其实是蛋白质形成之后,不断慢慢适应演化而来的。大自然中只要条件合适,就会不断出现自发的聚合过程。因此有理由假设,蛋白质是在最初形成之后,经过长期的选择和聚合,变得越来越复杂。



如果要构成生命,需要的元素其实很简单,只需要碳、氢、氧、氮等30多种元素混合,形成糖,酸和其他的基本化合物,这是生命出现的前提。但创造蛋白质(脱水缩合)的过程是需要条件的,理论上说,在原始海洋中,单核是很难聚合的。但它就这样发生了,这一点到现在还是个谜。

此外,科学家们还发现,这些条件一旦具备,生命就迅速地出现了。这种出现的速度让科学家们感到紧张,于是提出另一种可能性:早期生命可能来自外太空。这种学说一直被认为是极端的学说,直到带着众多氨基酸和复杂的糖的陨石在默奇森上空爆炸并滑落。这对于这种学说是一个天大的好消息,它证明宇宙是存在着丰富的有机化合物的。但这种“胚种说”依然没有回答生命是如何产生的,仅仅把出现生命的地点推到了外太空。

无论如何,生命始于一块化学物质的原始抽动,并开始繁殖,以最简单的细菌形式生活了20亿年;后来一些蓝绿藻渐渐学会利用空气中的氢,并排出氧,光合作用就这样诞生了;之后又渐渐出现了叠层石——这是世界上第一个生态系统。后来的20亿年里,依靠微弱而坚定的努力,空气中的氧含量上升到了差不多现在的水平,淘汰了一批厌氧的细菌之后,为下一个更复杂的生命阶段做好了准备。突然之间,产生了细胞器,线粒体支配着氧,释放能量。真核细胞出现了。


№.20 第二十章 小生物的世界

在人类出现之前很久,细菌就已经遍布世界的各个角落了。直到现在,我们也无法回避细菌,它们存在于我们的周围,我们的皮肤上,甚至内脏器官里。仅仅我们的消化系统就是100万亿细菌的寄主。我们的杀菌剂和抗生素是无法完全消灭细菌的——而且如果真的没有了细菌,我们也无法生存。

大多数细菌对我们来说都是无害,甚至有益的。有的细菌处理废料,净化水源,肥沃土壤;有的细菌在我们的肠胃里消化食物,合成对人体有用的维生素,同时抵御外来细菌的进攻。当然,也会有很多细菌的侵入对人的生存是有害的(有的是因为某些本来在人体某处的细菌忽然去了不该去的器官中)。并且我们对抗生素的滥用似乎也在不断培养出抵抗力更强的细菌。而它们唯一害怕的就是被称为噬菌体的病毒。当然,后者对人类来说也是更加可怕的。



此外,细菌的繁殖能力很强,还能共享进化的遗传信息,因此它们一旦突变出更有优势的细菌,就会立刻大规模更新换代;同时,它们几乎不可战胜。很多细菌可以在极为恶劣的情境下生存。比如沸腾的岩浆边,寒冷的深谷底,高浓度的硫酸里,甚至放射性核反应堆周围——事实上,有些细菌就以高放射性的元素为食。现在认为生存能力最强的是可以在月球上生存两年的链球菌。此外,地球深处还存在着无数吸收贵重金属的细菌,它们对这些金属,甚至石油天然气的储存起着无比重要的作用。而地球深处的细菌不像地表这些活跃的同伴,是比较懒惰的,往往几百年也不会分裂一次,似乎处于长期休眠的状态,但只要处于合适的条件,就会再次激活生命系统,开始繁殖。

随着人们对细菌的了解越来越深入,对于生物的传统分类——植物和动物,也开始受到质疑。R.H.魏泰克将生物重新划分为:动物界、植物界、真菌界、原生生物界和原核生物界五类。但这个方案并没有明确原生生物界的定义。卡尔·沃斯通过对细菌遗传连贯性的研究发现了另一种未知的基本生命种类——缺少脂质和肽聚糖的原始细菌。之后他把生物进行重新划分,分成23个“部”,它们存在于3大类下:细菌、原始细菌和真核细胞。虽然这一分类方式更加科学,但在当时并没有受到大家的认可。最主要的原因是把人类和其他我们可见的复杂动植物都放在了一个细小的分支上——这大概是很难接受的。


№.21 第二十一章 生命在前进

化石的形成是极其不易的,需要具备几个条件,包括生物死亡时恰好被埋在沉积物中,或在不接触氧气的情况下腐烂;同时要挺过地球不断地挤压、推动和折叠;最后还要在长眠几千万年后,被人发现和研究。因此,我们现在能够看到的化石都是极其侥幸留下来的古生物的线索。此外,化石由于形成的特殊性,陆地生物很少会死在沉积物里,反而是有利于海洋生物的保存。所以这一对古生物时代的记录方法是很不平衡的。因此,目前我们掌握的化石记录中,海生生物是最多的,比如出现于寒武纪大爆发,辉煌于奥陶纪,灭绝于二叠纪时代的三叶虫。


三叶虫

在19世纪,古生物学家对早期复杂生命形式的了解几乎都来自于三叶虫。它们对地球的支配时间很长,是恐龙出现时间的两倍。而在这漫长的时间里,它们也极速繁殖,发展出了不同的种类。但令人不解的是,在此之前并没有可见的生命形式,那么相对复杂又完全成型的三叶虫是如何跳离缓慢进化的规律,突然出现的呢?

直到20世纪初,古生物学家沃尔科特在落基山脉发现了布尔吉斯页岩,在那里静静躺着一批生命大爆发时代的化石,里面包含了那个年代众多的生物特征。后来,剑桥大学的莫里斯对这批收藏品进行了系统的分类,发现了许多从未发现过的“新的物种”——当然,后来才发现(这些化石被更加严谨的科学家们用支序分类法进行重新分类)其中很多生物都是现在存在的动植物的始祖。

但是,这些动物究竟是怎么来的,怎么突然从无到有的,目前还是个谜。


№.22 第二十二章 多灾多难的生命进程

纵观整个地球生物进化史,我们可以发现,生命的生存欲望是极为强烈的,但除非有某些重大的威胁性事件发生,否则它们没有多大想要改变的欲望和野心。就地衣来说,它们可以在环境恶劣的岩石上存活,它们的惯性极强,几乎仅仅是为了想要存在而存在,没有进化的欲望。

但需要承认,能有我们现在如此复杂的生命形式,其实是靠无数次简单生命做出冒险的尝试——比如海生生物离开了海洋,踏上危机四伏的陆地。这是一个不小的挑战,需要长出新的骨骼支撑自己的身体;同时还要学会如何从空气中直接摄取氧。它们不得不这样做,因为当时大陆渐渐在合并,沿海的栖息地越来越小;同时海里还出现了一位恐怖的捕食者——鲨鱼。



因此,植物开始在陆地中出现了,之后是螨虫、潮虫等细小的昆虫。而当时空气中含氧浓度是35%,十分利于动植物尺寸的增长,以至于后来出现了一米多长的节肢动物还有乌鸦般大的蜻蜓——顺便一提,有些昆虫在与天敌争斗的过程中逐渐学会了飞行。

总体来说,从陆地开始有生命以来,一共出现了四大王朝统治大地,包括原始两栖动物和爬行动物(如异齿龙)、原始哺乳类兽孔目爬行动物、恐龙王朝以及现在的哺乳动物时代。而每一次巨大的王朝转变,背后巨大的推动力就是物种灭绝。似乎没有什么物种能熬过漫长的时间,总会在某一次大灾难下消失,为新物种铺路。这对于它们来说是很残忍的,但对于地球本身来说却是不断更新、清理多余物种、有活力的表现。

到现在为止,地球在奥陶纪、泥盆纪、二叠纪、三叠纪和白垩纪依次经历了五次巨大的灭绝事件,其中规模最大的一次要数二叠纪灭绝,地球损失了多达96%的全部物种,但也为后面的恐龙出现清理了空间。我们还不清楚的是,这些灭绝发生的原因是什么。科学家们提出了众多假设,比如太阳耀斑、气候骤变、海平面变化、彗星撞击等,但由于对物种完全消失解释的困难性,以及目前我们掌握的化石还十分匮乏,这个问题还是个谜。


№.23 第二十三章 丰富多彩的生命

在生物学家卡尔·林奈发明了新的分类体系之前,科学家们对于新发现的物种经常会手忙脚乱。新的信息不仅要归档和整理,还需要与已知的信息进行比较。同时,过去的分类体系是十分随意的,分类标准也往往令人大跌眼镜。林奈对之前冗长的植物命名进行了简化,保留了能说明其最显著特点的部分。他按照生理特征进行分类,并使用双名命名法,这一方法直到今天也在沿用。


卡尔·林奈

他曾把动物界分为:哺乳动物、爬行动物、鸟类、鱼类、昆虫类和蠕虫六类。但后来人们又发现许多动物无法列入上述任何一类,如虾。这样又发展出了软体动物和甲壳动物类。直到1902年的一次会议上,不同动植物学家才开始接受统一的分类命名法则。但一直到现在,分类体系还很混乱,对于不同的门类区分,不同科学家有截然不同且大相径庭的分类数字。

不仅分类的数目不一,我们对物种的叫法也没能完全统一。导致不同地方的研究组往往对已经发现的物种做重复的命名,而同时,世界上还有97%的物种没有被发现。总之,目前对于物种的发现,分类和命名还处于初步阶段,而且困难重重。主要原因可能由于以下几点:大多数未被发现的生物一般都很小,容易忽略,比如其实布满我们周围的螨虫,或者土壤中无数的微生物;第二点可能是我们往往没有在合适的地点寻找新物种,往往是在碰运气;此外,这一方面的专门人才供不应求,要发现和记录的事情实在太多了,而积极从事分类研究的人并不多;最后,世界实在是太大了,我们能想到的存在生命的地方,认为不存在生命的地方,似乎都存在着生命。

因此,或许我们永远无法发现世界上的一切。但从另一个角度看,这似乎又让我们永远有所期待,永远都被世界惊喜。


№.24 第二十四章 令人惊叹的细胞

生命是从一个细胞开始的。从卵子受精的那一刻开始,细胞就开始分裂,加倍,为一个新生命的形成做好准备。从这开始,直到这个人死亡,体内的每个细胞都携带了他全部的基因密码,并承担了自己独特的工作,鞠躬尽瘁。

生物化学家德迪夫认为,人类拥有几百种不同的细胞,大小形态各异,并具有不同的功能;此外,不同细胞也具有不同的活力,比如皮肤细胞是死的,而内脏细胞几乎时刻保持活跃状态;同时,细胞的存活时间也各有所异,大脑细胞一般只能存活一个月,之后就由下一批新细胞进行更替;而肝脏细胞却能存活几年。

胡克是第一个对细胞进行描述的学者,这主要归功于他高超的显微镜制作技术。不过随后,这一光学技术立刻被荷兰一位布料商列文虎克所制作的显微镜所打败——正是他第一次观测到了细菌的存在。一个半世纪之后,生物学家布朗才突破了显微镜技术的瓶颈,看到了细胞核。而直到19世纪60年代,路易·巴斯德才站在前人的肩膀上,提出了现代生物学的基础——细胞学说。

人体内所有细胞的内部结构几乎相同,包含了细胞膜、细胞核,以及类似脂质的细胞质组织。在这样一个拥挤的空间里,无数的溶酶体、核糖体、蛋白质等物质时刻疯狂地高速运行,不断撞击,井然有序地完成任务:摄取能量、清理废物、与入侵者开战等。同时,细胞之间通过激素来进行各个部位的信息传递。值得注意的是,细胞内的线粒体本是被细胞俘获的细菌,经过几亿年的相互适应以后,线粒体在细胞中承担着最为重要的职责:将营养和氧气转化为生物可以消费的能量形式——ATP。



思考与讨论

生命的起源,到今天依然是个谜。那么,你觉得生命是如何诞生的呢?是否有证据支持你的观点?了解生命的起源是否会对我们的生活和目标产生影响?如果有,会是怎样的影响;如果没有,原因又是什么?

请试着思考以上的问题,给出你的答案,并和好友讨论。

----------------------------------------

  • Part 5 进化论与人类始祖
№.25 达尔文的非凡见解
№.26 生命的物质
№.27 冰河时代
№.28 神秘的两足动物
№.29 永不安分的类人猿
№.30 一个星球,一次实验


№.25 第二十五章 达尔文的非凡见解

在22岁的时候,达尔文的命运即将因为一次冲动的环球旅行而发生巨大的变化。他被一艘海军探测船“贝格尔号” 的船长菲茨罗伊选中,作为他旅途中的餐桌伙伴。他被选中很大程度上是因为达尔文当时刚刚获得了神学学位。但在以后5年的航行中,当菲茨罗伊发现达尔文越来越激进的自由主义态度时,大为光火,并与他争吵不断。

对于达尔文来说,这次航行是他事业的起点;对于整个时代来说,它更是一个新时代的开端。虽然在考察期间,他没有提出进化论的思想,却在不同的地区搜集了众多珍贵的化石标本,为他以后理论的提出提供证据;此外,他还发现一种新的海豚,并为珊瑚的成因提出了新的理论。

回到英格兰后,当他偶然读到马尔萨斯的《人口论》时,他才开始形成进化论的观点。但其实这个观点在这之前很久就有了,同时后来也发现,在达尔文出海的那一年里,园艺师马修在一本冷门书中提到了同样的看法。但达尔文是第一个用20年的时间将这一假设构建成系统理论的人,并且他在1844年完成了一部巨著——就是后来引起轩然大波的《物种起源》。


达尔文

由于当时的社会还浸润在基督教的信仰中,他知道出版这部手稿的风险是极大的,于是将它尘封在抽屉中,似乎到死也不想发表。但10多年后,当他发现年轻的博物学家华莱士也提出了相似的自然选择论时,他纠结许久,终于在自己小儿子感染猩红热去世后,在自己悲痛万分的时刻,将自己和华莱士的观点一起交给林奈学会,并出版了尘封已久的手稿,世界这才看到了《物种起源》。

人们好奇心的驱使,使这本书在商业上获得了巨大成功。但由于当时支撑理论本身的化石证据实在太少了,在科学界并没有引起太大的反响。这本书更重要的一个局限是,他无法解释物种到底是怎么起源的,以及如何将上一代的优势传递给下一代。其实这个问题,正在被同时代的一位修道院院士孟德尔和他院子里的豌豆解答着。他通过严密的科学实验发现了基因的两种特性——显性的和隐性的。

达尔文和孟德尔理论的结合构成了20世纪生命科学的基础,但两人并没有想到这一点。直到20世纪30年代,融合了这两种观点的“现代综合系统学”应运而生,两个人才终于得到了该有的赞誉。


№.26 第二十六章 生命的物质

所有人类的基因有99.9%的部分是相同的,就是这些让我们都成为人类;而那似乎微不足道的0.1%就是赋予我们个性、让每个人都不相同的基础。总体来说,基因和基因组让我们相似又独特。我们的基因存在于细胞核内部的46条染色体中,里面包含着由脱氧核糖核酸构成的生存和维持生命的指令——DNA。人体中每个细胞核内都压缩了近两米长的DNA,它们没有生命,却有着生命最强烈的生存本能——不断繁殖。

由于它本身呈现出强烈的化学惰性,在很长一点时间里,科学家们都没有重视这个在当时还被称为“核素”的物质,而且,仅仅由四个核苷酸构成的结构也未免过于简单。当时科学界认为,遗传的动力隐藏在细胞核外更加复杂的蛋白质中。

后来,研究终于发现,DNA其实是细胞的首领,它通过RNA这个“翻译官”指导着蛋白质的工作。著名的基因研究者摩尔根对果蝇进行了长达六年的研究,终于成功地培育出新的突变个体(白色眼睛的果蝇),并证明了外在的属性对应着特定的染色体,证实了染色体在遗传中的作用。后来,科学家艾弗雷将细菌与不同的DNA混合,终于使这株细菌出现了具有感染性的突变。这些成果无疑是重要的,对于最终破解DNA的结构奠定了基础。


摩尔根

DNA结构之谜最终由沃森和克里克两人解开,但他们的成就也是基于所有之前研究者发现的基础上,加上一点点偶然的机遇。此外,另一位女性研究者富兰克林无疑做出了最大的贡献。她用X射线晶体衍射获得了DNA结构的图像,但由于当时女性科学家处处受到排挤的局势,她不愿意将自己的研究成果和其他人分享——对于沃森来说,这是脾气古怪的表现。

现在我们知道,在基因进行复制的过程中,一般来说都是极为精准的,但在非常偶然的情况下,复制会发生错误,产生突变。而突变的结果可能产生更有适应性的基因,也可能出现更差的。经过数百代的传递和环境的淘汰,在某一地区的人形成了最适合当地环境的基因组,形成了现在人种的差异。

但到现在为止,我们对于基因的工作方式还知之甚少,因为实在是眼花缭乱。而从另一层面上讲,无论是人类,老鼠还是香蕉,我们的生命形式追根到底都是相似的:从DNA到RNA的信息传递。


№.27 第二十七章 冰河时代

1815年,位于印尼一个岛屿的一座火山坦博拉忽然剧烈爆发,并引发了大规模海啸,使十万人丧失了性命。这次火山爆发不仅给当地,也给整个世界的气候带来了影响:天气寒冷,庄稼颗粒无收,一直到6月还有霜冻。对人类来说,这是十分艰苦的一年;但那时全球气温仅仅下降了不足一度。这足以说明,地球恒温系统一旦有细微的变化,对人类来说都很难承受,更不用说循环出现的冰川期了。



人们对于冰川期的研究是从反常的地质现象开始的。当时,人们经常会发现北极的动植物尸骨出现在温暖的欧洲大陆,著名地质学家赫顿是第一个将此现象与大规模冰川运动联系在一起的人,但在当时没有得到广泛认可。后来,希姆帕尔创造了冰河时代这一术语,他当时的好朋友阿加西斯后来把他的观点占为己有,并开始从事这一领域的研究(两人后来成为死对头)。

不幸的是,无论阿加西斯怎么四处宣传,他的理论由于缺乏证据,同时很少有人见过真正的冰川,在当时也没有被承认。就连当时德高望重的地质学家莱尔即使后来开始支持他的理论,也没有明确表明立场。当然,这也是因为他的理论中有一个致命的弱点,阿加西斯无法解释冰河时代出现的原因。

詹姆斯·克罗尔给出了一个答案。他认为冰川期的出现可能是由地球轨道的变化导致的。地球轨道经历椭圆形到圆形再到椭圆形的周期性变化,由此引发了冰川的产生和消退。他的理论为人类了解地球做出了巨大贡献。后来,米兰科维契在这一理论背景下进行拓展,并对地球轨道变化进行了为期20年兢兢业业的计算,证实了冰川期与地球摄动的相关。除此之外,大陆分布等别的因素也需要一起考虑。但对这一点,我们还没有完全地搞清楚。

现在我们依然处于一个冰川期,只不过不那么剧烈和严重。而造成当前冰川期的主要原因,科学家们猜想是由喜马拉雅山(干扰气流的畅通)和巴拿马地峡(打乱洋流走向)的出现导致的。在此之前地球也无数次经历过冰期,其中规模最大的一次被认为是覆冰纪,似乎整个地球都锁在一层厚厚的冰盖中。要不是地球内部的火山和岩浆爆发拯救了这种局面,我们人类是不会出现的。

无论如何,目前地球的状况对人类来说是不容乐观的。北极的冰盖时刻不停地向下延伸,就算最强烈的地震也无法阻挡这一步伐。此外,认为“全球变暖可以在一定程度上抵消冰川期的到来”似乎是合情合理的,但其实正相反:气候变暖,海洋水分蒸发更加强烈,降水更加充沛,导致北极的冰层源源不断地生成。


№.28 第二十八章 神秘的两足动物

对人类祖先的发现和研究几乎一直都处于比较混乱的局面,很多重要的发现都处于偶然,或者在发现了之后很长一段时间都没有被承认。

1887年,一位荷兰医生杜布瓦凭着直觉到苏门答腊岛寻找古人类化石。本来这一地区并不是寻找古人类遗迹的最佳场所,但令人惊奇的是,他在爪哇找到了一小块珍贵的头盖骨化石,化石的主人并不是人类,大脑的尺寸大于所有类人猿,杜布瓦将这一物种命名为直立人。后来他又凭借发现的一条大腿骨而推测类人猿是直立行走的。此后南非研究者雷蒙德·达特又发现了另一个不同的类人种——非洲南方猿人;1924年,在中国的龙骨山,加拿大考古爱好者步达生又发现了新的化石人类型——北京人。

在这种发现新人种的浪潮中,随着越来越多的化石被发现,似乎越来越多的人种动物被发现,并在相互争吵的氛围中不断更换名称。此后在豪威尔的简化分类的建议下,古生物学经历了一个短暂平静的10年,之后又开始迎来另一轮研究热潮。到目前为止,有文献纪录的人科动物超过了20种,但具体都是什么,不同文献有各自的说法。

这种无法统一看法的局面主要是由于证据不足导致的,同时对于化石的发现往往时间和空间分布很不均匀,毫无规律可循。此外,化石研究显示,越是接近不同人种动物的分界线,两者的相似之处就会更明显。因此,有时候要确定一个化石究竟属于哪一类是很难确定的。

就现在我们了解的东西来说,我们人类的始祖是生活在热带雨林中、史前的黑猩猩。在大约700万年前,它们中的一群勇敢者走出了森林,来到草原(还有一种说法是说因为气候变冷,冰期来临,森林衰减变成了草原),非洲南方古猿出现了。此后,他们形成了不同的分支,其中一个我们现在还无法确定的分支成功地存活下来,并开始直立行走,渐渐学会使用工具(智人),大脑的容量在200万年的一段时间里突然变大,并出现了和语言相关的脑区——他们开始渐渐用智慧在世界中博取一席之地。


№.29 第二十九章 永不安分的类人猿

大约150万年前,人科动物开始学会制作世界上第一个先进工具——阿舍利工具,其实就是一把泪珠状的手斧。虽然这种工具几乎没有任何实际用处,而且十分沉重,但无论如何,这对于人类进化的长河中,都是一项巨大的成就。

阿舍利工具

但奇怪的是,这种工具似乎在不同地方有选择性地出现。哈佛大学古生物学家莫维士画了一条“莫氏曲线”,将使用阿舍利和不使用的地区区分开,结果发现,智人在这条线之外,包括东南亚、中国等地,都忽然丢弃了这一工具。这一点令人百思不得其解,到现在还没有定论。此外,还有更令人惊奇的发现,在澳大利亚一个干涸已久的谷底,居然发现了一块2.3万年前的人类的化石,远远大于在此之前科学家们认为的人类在澳大利亚存在的时间,我们现在也无法解释他们是如何穿越100多公里的水域,来到这片荒凉的陆地上的。

我们了解的东西还是太少了,很大一部分原因还是因为化石资源的匮乏。就目前来说,科学家认为古人类主要发生过两次大规模迁移。第一次是200万年前直立人走出非洲;第二次是10多万年前,我们的祖先,新的智人从非洲平原向外迁移,并取代了其他的人种动物,或者用其他学者所认为的说法,与他们融合共存。

由于化石记录给我们的证据实在太少了,人们开始转向新的技术:线粒体DNA研究。1987年伯克利分校一个权威科学小组的研究发现,现代人类在过去的14万年中生活在非洲,我们都是这群人的后代。这对于“多地区起源论”的支持者来说是一个不小的打击。然而,在2001年初,对另一个古老人种动物——蒙戈人标本的DNA研究发现了与现代人不同的基因序列,这似乎又在否定1987年所得出的结论。

无论如何,古人类学在这种不断矛盾的发现和理论创新中,慢慢发展着。


№.30 第三十章 一个星球,一次实验

在过去的五万年里,无论人类在哪里出现,那里的动物都会变得脆弱,容易灭绝。无论是在一两万年前的美洲大陆,手持尖矛的现代人类让30种大型动物遭受灭顶之灾;还是在17世纪的近代,人们为了娱乐而在毛里求斯残忍地捕杀了最后一批渡渡鸟(从人类开始出现在它们的世界,到它们彻底灭绝,仅仅过了70年的时间)。另外,很多动物灭绝的时间和情况也被我们粗心大意地忽略了。


渡渡鸟

澳大利亚的研究者弗兰克里和斯克顿发现,动物的灭绝除了人类的残忍杀戮之外,还有一些是因为十分荒唐的原因——比如,一个叫作斯蒂芬斯的孤岛上,一种古怪稀有的小鸟就因为人类带来的一只家猫而灭绝了。此外,在灭绝物种这件事上,狂热的动物标本收藏家的贡献是巨大的。一位富裕的银行家一生都在派人到各地带回动物标本。仅仅在夏威夷岛,由他导致灭绝的鸟类就不下9种。

这种灭绝的行为直到现在,在世界各地都在发生着。只要人类对某种生物产生兴趣,它们就岌岌可危。人类在整个宇宙的历史长河中,仅仅出现了短暂的一瞬,但却有幸成为了这个星球上唯一可以感受、欣赏,并有能力改变周围环境的生物。但我们在被赋予这项特权的同时,也需要了解,我们只有一个星球,我们有能力让它变得更好,而不是更糟。

正如爱德华·威尔逊在书中所说的:一个星球,一次实验。

思考与实践

读完本书,相信你可以感受到,地球可以走到今天,人类可以走到今天这样一个生机勃勃的世界——是何等艰难,又是何等幸运!

那么,你觉得,自己可以为这份幸运的延续做些什么呢?虽然我们能做的事情不多也不大,但对这个星球的万物来说,亦是不能忽略的推力之一。请认真想想这个问题,在生活中实践并坚持。

图片来源网络,如有侵删。

来源:熊猫书院  编辑:市场人
本文本仅供市场人(www.shichangren.net)内部学习交流使用