一本有趣又有料的科学书(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:大象公会

出版社:中国画报出版社

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一本有趣又有料的科学书

一本有趣又有料的科学书试读:

“一天”到底有多长

上我们睡觉之前,经常会说“一天又过去了”,可是每个人入晚睡的时间不一样,那“一天”是不是也不一样呢?“一天”到底有多长呢?答案很简单,昼夜轮替和地球自转并不是精确对应的。天文学上,地球的“一日”有两种定义:其一,太阳连续两次经过某地的中天的时间间隔。所谓中天,顾名思义指的是天体在天空中最高点的位置,这便是太阳日;其二,某远处“不动”恒星连续两次经过某地的中天的时间间隔,这便是恒星日。单从这个定义来说,它指的就是地球的自转周期,也就是“一日”。

由此可见,一天的长度取决于所选参照系。所谓远处“不动”的恒星,夜空中任何一颗恒星都与我们有数光年乃至数百光年之远,地球公转造成的距离变化可以忽略不计,这使得它们几乎像是钉在天穹上,只有太阳在这个恒星背景里自西向东一年一圈缓慢移动;而太阳日,也就是我们平常所说的“一天 24 小时”,意义也就显而易见了。相对地球而言,太阳显然不是一颗“不动”的恒星,计算太阳日,公转因素不可忽略。

上图为太阳日和恒星日对比的简化示意图,图中 A、B 分别代表前后一天的太阳位置,最右端的五角星代表遥远恒星。由于地球在一天的时间里已经相对太阳公转过一定角度,它需要通过自转,把这个角度“补”回来,才能让太阳再次达到最高点,因而太阳日比恒星日要长。

我们在中学地理中都学过,地球的自转周期约为 23 小时 56 分 4 秒。为了更直观地区分恒星日和太阳日,若取公转和自转角速度恒定,则可以用“一天”和“一年”的长度来估算上面这个数值。在 365 天里,公转角度为360°,所以一天公转约 0.9863°;地球自转补回上面算出的角度,完成一个太阳日,即需要旋转 360.9863°,用时 24 小时;由此可以得出地球自转360°需要的时间为 23 小时 56 分 3.9347 秒。

当然,如上所言这只是估算,数值只取大略,速度也假设恒定。实际情况有不少复杂细微之处。首先,众所周知,地球的公转角速度不恒定,而是在轨道近日点的最大值和远日点的最小值之间变化,所以严格来讲,24 小时只是以年为单位,“平均”一个太阳日的时长。实际上一年当中只有四天与这个值比较精确地吻合,而最长和最短的一天相差可达 50 秒左右。

因此,24 小时被称作一个“平太阳日”,而具体每一天则被称为“真太阳日”或“视太阳日”。问题在于,如果太阳日时长只取决于公转角速度,那么一年中最长的一天自然就应该在公转轨道的近日点(1 月 3 日附近),最短的一天在远日点(7 月 4 日附近),但是,实际情况并不是这样。想要对此进行解释,就要提到“黄赤交角”,即地球公转轨道(黄道)面与赤道面的夹角如何影响太阳相对于地球观察者的视运动。上文已经提到,若以地球为参考系,太阳是在一个稳定的恒星背景下自西向东一年一圈缓慢移动,不妨视为绕地球“公转”。为叙述清晰,此处先排除前面讨论过的公转角速度值变化,假设轨道为正圆,角速度不变。

以地球为参考系,按黄赤交角调整后,图中夏至与冬至所处的大圆即为太阳“绕地公转”的轨道面简化示意图,其与水平大圆即赤道面的交点,即为二分点。

不难看出,太阳在二分点处相对地球的角速度,存在一个垂直于赤道面的分量,所以与赤道方向平行的角速度分量就小于二至点处,在地球上的观察者看来,越接近二分点附近,相邻两个正午间太阳的位移就越小,太阳日时长递减。反之,在从分点到至点的“公转”过程中,太阳日时长递增。所以,如果单独考虑黄赤交角的影响,最长的一天应该在二至点,最短在二分点。

综合以上考虑的自转和公转因素,最长的一天也就变成了更接近近日点的冬至,最短的一天则是更接近远日点的秋分。

回到开头提到的恒星日,严格来说它的长度也在变化。通常所说的“平恒星日”是以春分点时的自转周期为标准,而春分点本身也在空间中极为缓慢地运动着。

首先是岁差的因素,即约25800 年为周期,地轴本身的指向也会发生漂移,也就是说,上文所述的“稳定恒星背景”也在以这个周期相对地球旋转。所以,目前真正的地球自转周期大约要比这个标准长 0.0084 秒。

其次,由于潮汐、大地震、板壳运动乃至冰川融化,再加上其他天体引力场的影响,导致地球本身的自转速度也不稳定。也正是因为这些影响的不确定性,导致闰秒不能像闰年一样计算,只能根据国际权威机构的实测决定。一年下来,自转周期的误差就很难忽略了。

为什么冥王星不是行星

006年,冥王星的名字被人们移出了行星的名单。事隔10年之后,2也就是2016 年 1 月,美国加州理工学院发现第九大行星可能存在的证据,人们再次针对冥王星到底是不是行星进行了讨论:国际天文联合会(IAU)在2006年重新定义了行星,冥王星被取消了行星资格,降为“矮行星”,全世界的教科书都为之改写了。也就是说,以前我们在课本中学到的关于冥王星是行星的认知,全部被推翻了。可是,冥王星为什么不是行星呢?它为什么会被开除出行星呢?

这个影响深远的决定并不是心血来潮,冥王星的行星地位自从发现以来就饱受质疑。19世纪40年代,奥本·勒维耶分析天王星轨道摄动后发现了海王星,这颗行星被誉为“在笔尖上发现的行星”。但海王星的观测位置与理论位置仍不完全相符,人们因此推测这是受另一颗行星摄动的结果。于是从上一个世纪之交开始,搜寻海王星之外的“X行星”就受到了天文学界的关注。终于在 1930 年,美国天文学家克莱尔·汤博发现了一颗新行星,并命名为“冥王星”。九大行星图

可令人失望的是,冥王星的质量远不如人们希望的那样大,它在 1931 年被估计为地球质量的1 倍,1948 年减少到0.1 倍,1976 年再缩小到0.01 倍,两年后又缩小了一半。而且,冥王星的轨道离心率和轨道倾角也大得出奇,相比其他八大行星同心圆般的轨道,它的轨道完全不在同一个平面上。看来,冥王星质量小又特立独行,难当“X行星”的大任。直到20世纪 80 年代,人们仍在寻找真正的 X 行星。

到 1989 年,航海家 2 号飞掠海王星时传回的数据表明,我们一直以来都夸大了海王星的质量,经过这一修正,海王星的理论位置与观测位置完全吻合,不再存在摄动,X 行星失去了存在的必要,但对冥王星身份的质疑却更加强烈了。

随着观测技术的进步,我们从20世纪 90 年代起在海王星轨道之外发现了越来越多的天体,许多都与冥王星相差不大,都有着又扁又倾斜的轨道,特别是在 2005 年 1 月,我们发现了体积比冥王星稍小而质量比冥王星略大的阋神星。这些遥远的天体明显与冥王星关系密切,称为“类冥天体”,而与传统上的八大行星相去甚远。

正是在这些新发现的天体的背景下,国际天文联合会才在 2006 年重新定义了行星:除了直接环绕恒星公转以外,行星还必须有足够的引力使自身成为球体,并且扫清轨道上的其他天体。满足前两点而不能满足第三点的天体则称为“矮行星”,只满足第一点的统称为“太阳系小天体”。

根据这一定义,第一批确定的矮行星包括了冥王星和近年发现的阋神星、鸟神星和妊神星,而谷神星作为最大的小行星也令人意外地列入其中,它们的质量加起来也只有月球的一半左右。除了这 5 颗正式公布的矮行星以外,还有许多尺寸较大的天体也被视作矮行星的候选者,比如冥卫一、赛德娜、亡神星、创神星、潫神星等,共计 200 多颗,来自太阳系内多个不同的区域。据估算,太阳系内尚未发现的矮行星可能要超过 1 万颗。

上述列表便是半径大于400千米的候选矮行星,但这也引出了许多争议,比如谷神星在成分和演化上与其他四者明显不同却被归为同类,而与谷神星相同起源的大多数小行星被分为“太阳系小天体”,这一定义会令小行星与矮行星的概念含混不清。然而小行星分布极其广泛,的确与熄火彗星、奥尔特云天体、柯伊伯带天体等难以区分,要想对太阳系内所有天体都做出清晰的分类绝非区区几代人所能实现。于是在 2011 年发往冥王星的新视野号任务中,冥王星仍被总监阿兰·施特恩称为行星。

为什么欧洲国家的国旗大多是三色旗

个国家的国旗上面的图案都具有特别的意义,而绝大多数的每欧洲国家都采用三种颜色的旗帜作为自己国家的国旗,这究竟是为什么呢?从总体来看,欧洲国家的三色旗大致可以分为两类:三种颜色水平排列的和三种颜色竖直排列的,两类三色旗有着不同的起源。

把条纹水平排列的国旗多是“纹章传统色旗”,国旗的颜色通常取自王室徽章的颜色。纹章标记颜色放在上方,盾的颜色放在下方。这一类旗帜在中欧尤其常见,奥地利、德国、匈牙利、卢森堡、摩纳哥、波兰、圣马力诺、西班牙、乌克兰的国旗都来源于此。

把条纹竖直排列的国旗则带有明确的革命含义,它们诞生在法国大革命以后。法国国旗是最典型、影响也最大的三色国旗,蓝白红三色被称作“法兰西色”,象征“自由”“平等”“博爱”的精神,但这三种颜色最初结合的时候与这种象征含义无关。

1789 年 7 月,法国大革命爆发前夕,巴黎民兵戴上了红色和蓝色的帽章,红、蓝是象征巴黎的颜色。当月17日,拉法叶侯爵在市政厅献给法王路易十六一枚这样的帽章,国王将白色的王室徽章与之并置,于是有了蓝白红三色的结合。

对三种颜色这样排列,革命领袖们也表示同意,但将白色解释为“自由之色”。蓝白红三色的帽章被制作出来,在巴黎受到狂热追捧,不久之后,巴黎大街小巷都飘扬起蓝白红三色旗。

由此,蓝白红正式成为法国的代表颜色,除 1815—1830 年波旁王朝复辟期间,法国一直使用蓝白红三色旗作为国旗,并将其视为法国国家精神的象征。

受法国影响,后世许多革命和独立运动的领导人都使用颜色条纹竖直排列的旗帜,以象征“革命”“独立”“反压迫”等含义。不过在使用的时候,通常会采用自己民族的传统色以替换蓝白红三色,比利时、爱尔兰、安道尔的国旗来源都是如此。

意大利的绿白红三色旗最早是拿破仑建立的南阿尔卑斯共和国旗帜,和法国大革命有直接渊源,在成为意大利国旗后,它被赋予意大利的土地(绿色)、阿尔卑斯山上的白雪(白)和爱国者的热血(红)这三种象征意义。

革命意义的国旗喜欢带上象征,传统的水平排列旗难免也跟风“与时俱进”。比如德国国旗,黑红金三色最初取自神圣罗马帝国徽章颜色,后来固定为德意志民族的传统色,今天则解释为:黑色代表勤勉与力量,红色象征国民热情,金色代表重视荣誉。

在这两类之外,还有一系列三色旗,既是水平排列,却又不是源自传统的纹章,这就是俄罗斯和许多东欧国家的蓝白红三色旗。这类旗子被称为泛斯拉夫色旗,它们起源于荷兰国旗。

今天的荷兰国旗也是蓝白红三色,然而最初却是橙白蓝,这是奥兰治王子威廉一世的纹章传统色。17 世纪,橙色开始逐渐被红色取代,一说是因为红色在海上更容易被识别,另一说认为这是企图瓦解奥兰治王室的荷兰议会的政治举动,还有一说是因为橙色染料不可靠的缘故。

到1795 年,荷兰国旗正式改为红蓝白三色,和其他的纹章传统色旗一样,它的颜色也是水平排列的。

荷兰国旗直接影响了俄国。17 世纪末,彼得大帝到荷兰学习先进技术,把红白蓝三色旗带了回去,并亲手改造设计为使用此三色的商船旗,这种商船旗后来成为了俄国国旗。

接着,俄国国旗又成了斯拉夫国家和周边其他国家的范本。1804 年,第一次塞尔维亚起义前,被派至俄国寻求帮助的塞尔维亚代表带回了俄国的三色旗,他们将颜色顺序上下颠倒,改成了自己的旗帜。1848 年,布拉格举行泛斯拉夫会议期间,红蓝白正式成为泛斯拉夫色。

在这一时期,塞尔维亚、奥地利的一些斯拉夫省、斯洛伐克与斯洛文尼亚等都采用了此三色的旗子,但颜色排列顺序各不相同。虽然泛斯拉夫色旗的红蓝白三色有着共同起源,但在今天都有了各自不同的解释,通常是某种品德或自己国家的自然景观。如俄国的白蓝红三色就被认为代表俄国横跨寒带(白)、亚寒带(蓝)、温带(红)的辽阔国土。

此外还有一些国家,其历史也受到俄国的深刻影响,虽然它们没有采用泛斯拉夫色,但是水平条纹的设计也是受俄国国旗影响,白俄国、立陶宛、爱沙尼亚、拉脱维亚等都在此列。

金属光泽从哪儿来

属具有独特的质感,而且金属光泽别具特色,那么问题来金了,金属光泽究竟是从何而来呢?其实,这个问题既是一个物理问题,也是一个化学问题,但归根结底是个物理问题。

我们平时见到的金属光泽,实际上是强烈的镜面反射,只要能将大量入射光线集中地反射回来,就会产生金属光泽,水面上的油渍甚至昆虫的外骨骼都有这样的特性。然而相比其他各种材料,金属的镜面反射能力就值得一提了。

镜面反射大概算得上是中学物理最简单的概念,我们对它的理解往往集中于“反射面非常光滑”这一点上。然而简单想一想,并非所有材料经过抛光都能像金属那样熠熠生辉:比如大理石地板足以映出人的倒影,却仍然一派幽黑;陶瓷也可以做到细腻光滑,却从来不能闪烁银光;反之,一口破铝锅,哪怕用钢丝球磨得一塌糊涂也仍能泛出白花花的光晕,所以,材料特性也是影响光反射的重要因素。

中学化学告诉我们,金属元素的最外层电子通常较少,易于丢失,表现为强烈的还原性。而在金属晶体内部,这几个外层电子会被金属原子“放弃”,在整个晶体内部构成一个自由电子的汪洋大海,相当于一个弥漫的等离子体,这不仅给金属带来了良好的导电性,还带来了对可见光强大的反射能力。前者比较简单,在中学课上就已经讲过;而要理解它们对可见光的反射,就需要一些额外的扩展知识了。电磁波

首先,光是电磁波,一组交互变换的电场和磁场。当它抵达金属表面上的时候,电场部分就会在自由电子的汪洋大海中掀起一波涟漪,并在此过程中消耗能量。如果用术语描述,就是“电磁波激起了等离子体振荡”。

宏观物体有一个固有频率,只与物体自身有关,而与外力无关,比如无论怎么敲打玻璃杯,玻璃杯发出的声音频率都一样;等离子受高频电磁波扰动而振荡时也会有一个固有频率,称为“等离子体频率”,它只与等离子体中的自由电子密度有关,而与电磁波的强度无关,但接下来的事情就与宏观世界非常不同了。

在我们的经验里,给振子施加外力,无论力的大小如何都能让振子运动起来,只是振幅不同;但是在微观世界里,量子效应就会表现出来:电磁波既是波也是粒子,这种粒子就是光子,它的能量只由电磁波的频率决定。

一个光子进入等离子体,必须消耗能量激发一个等离子体频率的等离子振荡,剩下的能量才会继续传播;而如果一个光子的能量不足以激发这样一个振荡,就会被原封不动地弹开,无论多少光子都没有区别,不像宏观世界里那样可以累积起来。

换句话说,一个光子轰击在金属表面上,当且仅当它的频率大于等离子体频率时才能被吸收,否则就会被反射走。然而等离子体中的自由电子密度相当大,这就让金属中的等离子体频率相当高,通常要达到紫外线波段,频率更低的可见光就会被强烈反射,所以在同样的光滑程度下,金属对可见光的反射能力就比一般材料高出数倍。

但是出于另外一些更加复杂的机制,有些金属还能吸收某些特定波段的可见光,于是显出特有的颜色。

比如金由于相对论效应,可以吸收蓝紫色光,显出明亮的黄色;铜由于两个亚电子层之间的电子跃迁,可以吸收蓝色到黄绿色的光,表现出端庄的红色,而且比其他的金属暗一些。

所以可以预料,其他含有大量自由电子的材料也可能显出金属光泽,比如石墨由于独特的蜂窝状片层结构,每个碳原子都有一个富余的电子,这些电子几乎是自由的,所以煤炭和铅笔芯都有一种金属光泽。

而对于那些非常缺乏自由电子的材料,比如各种绝缘体,电磁波就不会遭遇这样的等离子体振荡,直接作用于材料的价电子,引起电子跃迁,消耗一部分能量,在宏观上通常表现为某些频率的可见光被吸收了。这不但让这些材料反光率更低,也让这些材料的颜色较金属更加丰富。

另外,还有一些材料,比如玻璃和许多晶体,能通过一系列的耦合作用,把光子传递到材料的另一侧,就表现为透明。这将涉及更加复杂的物理过程,这里就不再赘述了。

旋涡和地球自转有没有关系

我们的日常生活中旋涡很常见,马桶、浴缸在放水的时候都在会产生旋涡。那么旋涡究竟是怎样产生的呢?它的旋转与地球自转有关吗?地球自转示意图

旋涡是我们对流体的涡旋的日常称谓。流体涡旋的成因多种多样,地球自转引发的科氏力仅仅是其中一种。实际上,每个流体涡旋都存在于一个复杂的力场中,单一原因很难造就流体涡旋。

我们经常误认为,浴缸、水池放水时形成的旋涡与地转偏向力有关。网络上也有许多相关文章,这里简单说明:

首先,地转偏向力的弧形运动效果能够被肉眼识别,在地球表面需要数百乃至数千千米的空间,浴缸水池的空间并不能形成因地转偏向力影响的涡旋;其次,浴缸旋涡是因为水流与缸壁摩擦的结果:水因自身重力直线向出水口中心运动,但水与缸底相接处是流体与固体相接,缸底一旦有一些细微的凹凸不平,固体表面就会形成相对于水体运动的切向力,“搓”出涡流,不断放大,形成肉眼可见的急速涡旋。

更宏观的海洋水流涡旋也与地转偏向力关系不大,它一般是外力引发的正向水流与逆向水流相遇挤压形成旋涡,或者单一方向流体在大幅度转弯时本身形成涡流。我们有时会在数百千米的海域看到海水呈涡流状运动,就是因为不同洋流交汇或者某一洋流急速转弯造成的。

我们常见的与地球自转有关的流体涡旋是大气气旋(低压)和反气旋(高压)系统。地表某处出现强低气压中心后会快速吸引周围大气向中心运动,大气在长距离运动中受气压梯度力、地转偏向力(科氏力)和摩擦力的共同作用,宏观上形成一个巨大的气旋。但是这种涡旋直径一般达数百乃至上千千米,一个浴缸显然是装不下的。

iPad会让你的孩子近视吗

今我们正处于一个电子时代,电子产品随处可见,计算机、如手机、iPad,每一个家庭都有,而这些电子产品也成了很多孩子的最爱。那么,经常玩iPad会让孩子近视吗?

几乎所有的眼科建议都包括了“电子设备的显示器会损伤你的视力,尤其是对发育期的儿童有害”,这一观点因此被大多数人不假思索地当作事实,从而相信孩子更应该使用纸质书籍。

这种观点还得到了相当多的“数据支持”,比如美国的近视率从20世纪70 年代开始攀升了 2/3,这段时间恰恰也是家庭计算机普及的时间;抽样调查也表明,使用计算机或者看电视的时间长度与近视发病率有极高的相关性;而在世界各地,电视、计算机乃至手机开始大规模普及后,近视率也都会相应地攀升。由此可见,电子设备损伤视力的说法真的已经铁证如山了。

这样普遍的观念也反映在电子阅读的产品竞争中,无论是亚马逊、索尼,还是巴诺书店的电子阅读产品,都一致采用了“电子墨水”这一反光材料,“阅读体验上接近真实纸张”在这一选择中占据了相当重要的地位,而各类平板计算机的液晶显示器则被许多消费者认为容易引起视觉疲劳,不适于长期阅读。

但是从20世纪末开始,这一所谓传统的理论就不断受到挑战。

1996 年,加州大学伯克利分校针对计算机使用量和近视的关系做了一次研究,结果发现“没有显著证据表明使用计算机比其他近距离操作更能提高近视风险”,也就是说相比读书看报、数据录入、缝纫刺绣等耗费眼神的事务,长时间观看屏幕并未对视力造成更多损害。近视的真正因素是视物过近,而与你看的东西是什么并无直接关系。

甚至,近距离视物与近视的关系也在接受质疑。2007 年的一项研究持续跟踪了514名3年级美国小学生,结果发现,到8年级的时候,有20%的学生罹患近视,所有因素中相关性最强的是遗传:双亲近视的儿童,近视发病率是双亲无近视的儿童的 5 倍;单亲近视的儿童,近视发病率是双亲无近视的儿童的2倍。“近距离视物的时间长度”这一颇受重视的因素反而没有显著的相关性。这一观点在2006年一项针对1000名新加坡小学生的研究中也获得了支持,“那些罹患近视的儿童并没有比其他孩子多看书”。

这些反传统的研究虽然也遭遇了不少反驳,比如近视发病率的确与学历呈现明显的正相关,许多研究也表明,学生在学习上花费时间越多就越容易近视。但是用显示器阅读和用纸张阅读在提高近视发病率上仍然没有统计意义上的差别。

另一方面,我们又的确经常听到“计算机视觉综合征”,表现为眼球干燥、眼睛疲劳、视觉模糊甚至头痛、重影,它的主要诱因是人眼在凝视物体时眼球肌肉会处于紧张状态,而降低眨眼频率,诱发暂时性的近视。但这种效应同样不是电子显示器的专属,纸质阅读也会降低眨眼频率。

所以电子阅读中“液晶屏幕容易引起视觉疲劳”的观点也受到了挑战:2012年瑞士应用科技大学的一项研究认为,无论液晶屏幕还是电子墨水屏幕,在引起视觉疲劳上都没有区别,消费者会产生这样的印象是因为液晶屏幕在相当长的一段时间里分辨率都较低,而经过最近几年的技术进步,屏幕分辨率不断提高,这两种媒介的差异已经消失了。

除了视物距离和眨眼频率以外,电子屏幕还有一种可能损伤视觉的因素,即显示器的原理是发光,而传统媒体的原理是反光。这使得显示器的明暗对比非常强烈,为了适应快速变化的光强,眼球内部的肌肉就不得不频繁调整,造成视觉疲劳;而显示器一旦处于光线强烈的环境中,又会显得异常昏暗,辨认困难,迫使瞳孔放大。

这的确是一个问题,但我们仍然有很多弥补措施,眼科医生通常建议显示器亮度不要超过环境3倍,或低于环境的1/3,调整角度防止颈部疲劳,并经常转移视线,这些方法都能有效缓解视觉疲劳。

综上所述,iPad 或者其他电子设备的显示器的确能造成视觉疲劳乃至诱发近视,但是这些负面效应同等地出现在纸张等传统媒体上,用纸张取代显示器没有可取的实践意义。只有避免长时间视物过近,经常参加户外活动,才是保护视力的真正方法。

进化论如何解释生物的拟态

要了解进化论是否能解释生物的拟态,首先要知道生物拟态想究竟是什么。这里举一个例子,在北京山区随处可见的核桃美舟蛾,其前翅宽阔而平整,上面的渐变色图案构成了一种强迫透视,仿佛卷起来的枯叶或树皮。

如果用进化论解释拟态,就如同用力学解释斜坡上的滑块,直接套公式即可:如果某个基因突变能使个体拥有拟态的性状,这些个体就能获得更高的存活率和繁殖成功率,反过来提高这一基因突变在种群中的频率,最终使拟态成为种群的普遍性状。换句话来说,没有拟态能力的动物,已经被自然选择淘汰了。

但拟态现象的确是一个相当庞大复杂的课题,如果还想更加细致地理解其中的突变和选择机制,我们只能以少数案例为基础,介绍一些最常见的原理和模式。

长期以来,生物体形成复杂图案的能力给公众留下了一个巨大的疑惑:“人类这么聪明,想要组织几百人搞一个变色方阵尚且需要训练很久,而这些数以十亿计的色素细胞连意识都没有,如果没有一种冥冥之中的力量,怎么‘知道’自己应该长成什么颜色,怎么在大尺度上展现出有序的图案呢?”细胞分化图

其实细胞的确不知道自己应该长成什么样,但也不需要知道,因为细胞分化并不是一次封闭的自决行为,而是一套交互的开放过程,它们所处的位置决定了分化的方向。

从受精卵开始,状态不同的细胞就能合成不同的信息物质,扩散到细胞周围或者镶嵌在细胞表面,这令生物体内的信息物质处处不同;同时,每个细胞表面都有丰富的受体,不同的种类和浓度的信息物质能够触发细胞内不同的信号传导,进而关闭或打开不同的基因,最终令不同位置的细胞分化成不同的形态。

这个过程看似盲目,实则高度精确。这首先是因为每一种受体蛋白都高度专一,只能识别特定的信息物质或标记物质;其次是因为细胞内的信号传导需要层层递进,对基因表达的调控非常精准;最后,信息物质不是一次释放完成,而是随着每一个细胞的每一次变化不断反馈和改变,细胞得以循序渐进地校对自己的状态,直到分化完成。这整个过程统合起来,就是发育生物学的分子机制了。

既然这种由粗到细的反馈过程可以达到相当高的精度,那么昆虫产生复杂的拟态就不需要任何自觉,更不需要任何素描基础,每一个细胞都只是根据各种信息物质的浓度按部就班地分化罢了。这就排除了那种“生物将自己的意志作用于进化”的胡思乱想。

但要理解这些图案的进化来源,还有一个新的困惑摆在面前:如果自然选择的压力足以让昆虫进化出那样精致的拟态,也就意味着捕食者具有相当敏锐的识别能力。既然生物的发育过程如此的精确稳定,那么如果最初的图案完全没有拟态功能,那么即便发生了一点变化也于事无补,又怎么能被自然选择相中,积累起来呢?

产生这种困惑的主要原因是公众普遍认为“随机突变”都是“细微的变化”,绝大多数的基因突变也的确符合这种认识,但仍然有很多例外的情况,能令基因层面的微小突变在宏观层面产生显著的变化。

为了理解这个佯谬,我们需要引入一个名为“细胞自动机”的数学模型,它由“计算机之父”冯·诺依曼于20世纪 50 年代提出,本质上也是一种计算机,但与我们现在通用的寄存器计算机截然不同。它没有任何读写操作,就是在平面上画出许多一样的方格,所有方格都根据周围方格的颜色,按照一套统一的变色规则在每个回合里同时变色。计算的数据被转化成图案输入给它,它在若干回合之后仍以图案的形式返回运算结果。某些规则的细胞计算机由此可以实现通用计算机的功能。

冯·诺依曼构思这种计算机最初仅仅是从细胞复制中得到了灵感,但随着人们越来越了解生物现象的分子机制,我们发现多细胞生物当真是一部庞大而又复杂的“细胞自动机”,所有细胞都有相同的基因组,互相传递和反馈信息,并据此有选择地表达基因,实现复杂有序的宏观功能。理论逐渐上升为实践,在当代的神经学、发育学、行为学等研究中,根据细胞自动机的原理,用超级计算机模拟活组织的行为是一项重要而有效的手段。

回到生物图案上,受精卵的极性就是初始图案,细胞内的基因组就是图案生成的变化规则。正如细胞自动机中一点微小变化就能产生截然不同的运算结果一样,某些与图案相关的基因突变也能在发育中不断放大,显著改变生物图案的外观。

所以,同一个物种会因为不同的基因型而表现出不同的图案,常见的是各种蛙类和甲虫。这样的基因对自然选择格外敏感,因为它使基因层面的微小变化放大为图案层面的显著变化,当然也就大幅提高了自然选择的效率,让拟态的进化格外迅速。很多同属的昆虫基因组极其类似,但是外表差异非常明显,就是因为少数几个突变改变了全局的图案输出,最终影响了它们拟态的能力。比如多见于中国南方的铃钩蛾属,它们常常拟态成鸟粪。而最著名的例子当属英国的桦尺蠖:在19世纪以前,所有的桦尺蠖都是带有黑斑的灰白色,绝妙地模仿了桦树皮的材质。但随着工业革命推进,树皮都被煤烟染成了黑色,桦尺蠖原本的伪装不再有效。直到1848年,人们首次记录到纯黑色桦尺蠖,于是在接下来的不到1个世纪的时间里,这种黑色桦尺蠖就成了绝对主流,重新避开了鸟类的法眼。

这个现象很早就受到了生物学家的关注,生物学家也很快用实验确定了变色的原因:单纯地将白色桦尺蠖置于黑色环境中并不能使它们变黑,只有引入黑色个体并不断杀死白色个体,才会在若干代之后让种群普遍变黑,这说明是“随机突变+自然选择”而不是“煤灰诱导”改变了桦尺蠖的颜色,但具体的遗传细节直到最近几年才有了眉目:一个转座子在与翅膀相关的基因中插入了重复序列。这在所有真核生物的基因组中都会频繁发生,但此次插入扩大了桦尺蠖的黑色素细胞分布范围,才在强大选择压力下成为主流。

此外,一个更加惊人的例子出现在袖蛱蝶属。近年,有人在狐眼袖蝶身上发现了一个超级基因,它包含了7个等位基因,对应着7种图案。这在昆虫的翅膀图案中也非常普遍,但超级基因形成的每种图案都能拟态苹绡蝶属中的某个物种。这是因为苹绡蝶属的蝴蝶取食茄科植物,体内富集了肝毒性的双吡咯烷;而狐眼袖蝶专吃西番莲科植物,体内富含细胞毒性的生氰糖苷。它们互相拟态可以让捕食者误食一种之后也厌恶另一种,增加警戒效果,这称为穆氏拟态,也就是这种基因脱颖而出的背后力量。

而该属的另外两个成员,诗神袖蝶和艺神袖蝶则互相拟态,它们各自有5种图案,并且一一对应,这表明超级基因在袖蛱蝶属的图案演化中并非特例。

在野外观察中,生物拟态的案例无穷无尽,我们还无法查明每一次拟态背后的基因机制,但总而言之,生物拟态不但丝毫没有超越进化的范畴,反而是进化论最典范的案例。人类对自然的认识会越来越深刻,“随机突变,自然选择;优胜劣汰,适者生存”也会展示出越来越多的惊人细节。

向日葵是怎样转头的

上流传着一个有趣的笑话:“其实我一直有个疑问,都说向日网葵跟着太阳转,那么太阳从西边下去又从东边出来的时候,向日葵会怎么样,一个猛甩头?你想想,你漫游在向日葵丛里,在太阳即将升起时,几十万棵向日葵一个猛甩头,从此以后你被吓得生活不能自理。”看完这个笑话,有人就要问了:晚上向日葵真的会齐刷刷地转头吗?

这个答案其实非常简单:第二天太阳出来以后,向日葵才慢慢转回去,自然也就没有“唰地一回头”这种事。

想要解释这种现象,就得从任何生物现象背后都有的复杂的生化机制说起。初中生物介绍过,植物生长素的浓度控制着地上部分的向光性和地下部分的背光性,这种植物激素由分裂旺盛的组织产生,同时受光照影响在背光侧富集,让植物的向光侧和背光侧表现出不同的生长速度,发生定向弯曲。而植物不同部位的细胞对生长素的敏感程度不同,超过最适浓度的生长素反而抑制生长,所以植物的不同部位在光照下的弯曲方向也不相同。

复习过初中知识点,我们不难明白,植物只有生长点周围才能表现出明显的向光性,比如叶芽、花芽、根尖,所以“葵花朵朵向太阳”的现象也只有在向日葵初开的生长阶段才能看到,授粉完成开始结实之后,向日葵就再也不会跟着太阳转,而是受重力影响低下了头,但有观察者称,成熟的向日葵向东低头者偏多。

为了进一步地了解其背后机制,我们不妨涉猎一下生长素的生化作用机理。最常见的植物生长素是3-吲哚乙酸,具有低浓度时芳香如茉莉、高浓度时恶臭如大粪的奇特性质,现在人工合成的1-萘乙酸或者3-吲哚丁酸也有同样的作用,都是结构类似的羧基杂环化合物。

作为一种激素,与受体结合成复合物之后能发生一系列反应,主要包括两种:一种是与细胞膜上的蛋白质作用,向细胞膜外侧泵出更多的氢离子,过程较快,十分钟就有效果;另一种是激活或抑制特定的基因,影响细胞的发育命运,过程较缓慢。

对于前者,我们知道氢离子的相对浓度越高溶液的酸性越强,而植物的细胞壁会随着酸性增强而软化,减弱了对细胞形状的约束,这些细胞吸水后在内部压力下扩张变大。特别的是,细胞膜上的载体蛋白只分布在背向生长点的一侧,同时受光照影响而迁移,这就让生长素总能精确地分布到远离生长点的背光侧,也只让那里的细胞壁酸化扩张,宏观上就表现成了向光性。

对于后者,生长素激活和抑制特定基因以后,在叶芽中可以促进细胞生长、叶片扩大、维管束分化,在花芽中可以让植物形成更多雌花、促进雌花子房壁形成,甚至在未受精的情况下单性结实,这对农业生产,尤其是水果种植有着重要意义,人工合成的1-萘乙酸等比天然的3-吲哚乙酸更加稳定,所以采用喷洒的外施方法即可见效。

然而这也在公众信任危机下滋生出了一系列恶意的谣言:大个水果、无籽水果都是打了激素的,会影响孩子发育,甚至有避孕药催熟的说法广泛流传。这也都是初中生物忘干净的后遗症:激素是高度专一的调节物质,没有专门的受体就没有专门的功效。生长素与脊椎动物的生长激素(蛋白质)没有任何共性,对人体也没有任何影响,催熟水果用的乙烯与性成熟也不会有任何关系;同时动物激素对植物生长也没有任何功效。

为什么绝大多数海螺都向右旋转

海边生活的人往往有过沙滩拾贝的乐趣,内陆长大的人也曾在捉过雨后的蜗牛,于是有不少人都注意到,几乎所有的螺壳都向右旋转,左旋的极其罕见。这就是一个著名的“眼皮子底下的学术难题”,即动物左右轴向的进化问题。那么,为什么绝大多数海螺都向右旋转呢?

螺壳是一个静止的物体,并非真的存在左右运动,所以为了排除观察方向带来的分歧,软体动物研究中将螺壳的旋转方向定义为螺顶朝上、螺壳拂面朝向观察者时,螺壳开口所在的侧面方向:左边是左旋香螺,开口在左侧;右边是涡螺,开口在右侧。

根据目前的统计,软体动物门腹足纲,即各种螺、蜗牛、蛞蝓等,是全体生物中仅次于节肢动物门昆虫纲的第二大纲,有6万到8万个物种,约占全体动物界物种总数的5%,但在已经记录的 3 万多个腹足纲动物中,左旋的只略多于一千种,其中左旋的海螺少于2%,左旋的蜗牛略多,约有5%。

对于这一强烈不平衡的现象,早期的观点认为螺壳的旋转方向与地球自转有关,但这个说法实在站不住脚,这是因为在螺壳这样小的尺度上,科里奥利力的微弱影响根本不足讨论,而且无论南半球还是北半球,都是右旋螺更多。

而在目前的解释中,我们更多地注意到螺壳旋向与繁殖之间的关系。例如,腹足纲的软体动物普遍采用侧面扭合的方式交换精子,不仅螺壳旋转,连同生殖系统在内的所有脏器也会一同旋转,集中在身体的一侧,所以就像螺丝和螺母那样,一只螺几乎只能和自己同样旋向的另一只螺交配。新腹足类的典型外观:生殖系统的开口全都集中在旋向一侧

这是一种有趣的现象,如此简单的性状如果能直接影响繁殖,就一定会受到选择压力的影响:在一个螺类种群中,如果存在旋向变异的少数个体,其交配机会就将大大减少,进而被自然选择淘汰。这等效于一种非常强烈的性选择,最终实现了种群内部的“派系清洗”,同时也给螺壳旋向的最初来源提供了一种较清晰的假说:

腹足纲虽然庞大,但全部源自晚寒武纪的一个元祖种群,这个元祖种群在进化旋转的螺壳时,交配问题也日渐突出。“右旋派”和“左旋派”互相不能交配,却占据完全相同的生态位,这必然形成激烈的竞争,最后只有一方胜出。至于哪一方胜利,就是个随机问题了,就好像抛起的硬币必然以某一面落地,但是我们没有必要分析正面朝上的原因,如果再抛一次,也许就是背面朝上。

从目前的化石来看,腹足纲的进化历程还算清晰。有壳软体动物元祖趴在海底,随着体形增大,贝壳也逐渐隆起,这增加了倾倒或者被掠食者翻过来的危险,于是那些贝壳生长不均匀,盘成螺旋的个体反而幸存下来。此后的进化逐渐增强这种适应性,所有软组织都不对称了。

而这种派系纷争一旦决出胜负,就会千秋万代地保留下来,因为这种偏向在每一次繁殖中都能得到强化,所以“右旋派”直到今天都是主流,只有在那些极小的种群中,“左旋派”才可能因为随机突变局部翻盘,进而建立一个新物种。如果这种假说正确,我们很可能会发现左旋螺的基因多样性远远低于右旋螺。

但这也引发了另一种争议:某些罕见物种既有左旋的也有右旋的,它们通常不能交配,也就意味着它们存在着生殖隔离,那么是否意味着它们是两个物种?进一步地,那些右旋物种中的左旋突变个体,是否也要成为另一个物种?

到目前为止,针对它们的研究还未充分展开,我们甚至不大清楚同一个物种的两个旋向是否生活在同一个种群内。但有一种较合理的解释是,一个“物种”实际上意味着一个独立的“基因库”,如果旋向不同足以隔断两个群体的基因交流,那么它们就理应区分为两个物种;但那些零星的突变个体在组建起自己的基因库之前,就不能称为一个物种,而只能视为健康的畸形。

猫和狗的味觉怎样

以说,我们身边的喵星人和汪星人,有的简直过着让人羡慕可的生活:有专门的猫粮狗粮,还需要专门的“铲屎官”。也许你会说,猫和狗也太矫情了,还要有专门的猫粮狗粮,跟人吃一样的不就行了吗?那你有没有想过,同一碗饭,在猫和狗那里是什么味道?这可不是一个无聊的问题,动物的味觉是非常重大的适应性问题,在宏观进化上有着举足轻重的地位;同时,这类变化又单纯地发生在分子层面,是理解微观进化和宏观进化的良好样本。

具体来讲,脊椎动物从两栖类开始就进化出了“味蕾”,它们是味觉识别的基本单元,分布在舌头、上颚乃至咽喉局部,尤其人类是个中翘楚,肥大的舌头上分布着 9000 多个味蕾,在哺乳动物中首屈一指。以人为例,舌头上分布着四种基本类型的乳头,除了丝状乳头以外,周围都有味蕾分布一个完整的味蕾

味蕾非常像蒜头,由很多梭状的味觉细胞集结成团,埋在口腔上皮的浅表处,并通过味孔与口腔沟通。这些味觉细胞表面带有不同的受体,每一种都专门负责一种味觉,综合起来,每个味蕾都能分辨所有的味觉。进一步地,我们根据功能将味觉细胞分成了三种:

第一种由胶质细胞特化而来,它们表面含有很多钠钾离子泵,用来排除另外两种细胞在神经冲动中释放的钾离子,同时钠离子是咸味的主要成因,所以它们也与咸味有关,但具体机制尚不明了。

第二种是接受细胞,它们的细胞膜表面镶嵌了很多G蛋白偶联受体,这些受体在细胞外侧暴露的部分能特异性地与某些物质结合,同时在细胞内侧激活一系列信号通路,最终改变细胞的状态。接受细胞在结合甜味、鲜味和苦味物质后,最终会泵出许多ATP(三磷酸腺苷),并发起一个动作电位。

第三种细胞是前突触细胞,它们被接受细胞释放的ATP激活,并释放出5 羟色胺抑制接受细胞,同时,水合氢离子可以直接作用于前突触细胞,并形成动作电位,产生酸味。

在这三类味觉细胞中,接受细胞是最关键的一种,因为镶嵌在细胞表面的G蛋白偶联受体相当多变,它们暴露的部分就像锁芯一样,可以因不同的构型而匹配不同的物质。除了味蕾中的接受细胞,G 蛋白偶联受体也广泛分布在真核生物的其他部位,是激素、生物胺、趋化因子、神经递质、引发嗅觉的气味分子等信号分子最常见的受体,以至于 40%的现代药物都把它们当作靶点。目前研究确定的三种味觉感受细胞

G蛋白偶联受体的专一性和多样性意味着它们更容易受基因突变影响,最终改变动物的宏观行为:除了酸和咸这两种味觉普遍出现在所有哺乳动物身上以外,甜、鲜和苦等味觉会随着G蛋白偶联受体的变化在不同的脊椎动物身上产生强烈的差异。总的来说,动物能尝到什么味道,与它能吃到什么物质高度吻合。

就拿猫来说,它们的味蕾与人类的非常类似,但在基因比对中,我们发现它们的鲜味受体基因比人类少了 247 对碱基,而碱基负责编码感受甜味的G蛋白偶联受体,所以猫对甜味几乎无感——的确,猫科动物都是单纯的肉食动物,对果实不感兴趣,也缺乏消化植物的能力;而对于肉中常见的氨基酸和脂肪,猫科动物的味觉都算正常。

但另一方面,猫只有不到 500 个味蕾,所以相同的食物在猫嘴里既没有甜味也更加寡淡,所以它们更倾向于用嗅觉来判断食物好吃不好吃,尤其是肉中的脂肪香味,这就是为什么猫尝不出甜味却很喜欢吃冰激凌的原因,冰激凌在它们嘴里和一大坨肥肉味道类似。

而狗作为人类最古老的伙伴,最大的原因就是它们也是杂食动物,能与人类吃到一处去,它们的味觉与人类没有明显差别,但只有 1500 个味蕾,所以像猫一样,它们更倾向于用鼻子推断食物的味道,那里的G蛋白偶联受体更多。

味觉除了辨认食物成分,还有奖励或惩罚进食行为的功能。某种味觉信号对人类来说非常讨厌,但对狗来说可能就是另外一回事儿:狗的狼祖先在食物短缺时能顶风闻出3千米之外的尸体,并且为腐肉中已经分解的氨基酸感到兴奋。某些在人类看来是恶臭朽烂不堪的东西,对狗来说却是别有风味的鲜美小吃。

另外还有一些非常经典的动物味觉案例,都与G蛋白偶联受体有关,比如啮齿动物,尤其是鼠科的成员,有一些特殊的偶联受体能感受到淀粉的味道,这与它们爱吃植物的根茎和种子密切相关。相比之下,人类的祖先在树上摘取果实,因此对单糖和双糖更加敏感,对淀粉就很无知。

更著名的是大熊猫,与其他食肉目的哺乳动物相比,它的鲜味受体基因发生了两个移位突变,失去了对谷氨酸的味觉,而谷氨酸正是肉食鲜味的主要来源,所以大熊猫身为肉食动物却不爱吃肉——而且这一基因突变大约发生在 420 万年前,而化石证据表明大熊猫从 700 万年前就开始吃竹子,这意味着大熊猫的食性转变要早于基因突变,也就是说在长达 200 多万年的时间里,大熊猫的祖先都怀着对肉食的渴望咀嚼着味道清淡的竹子。

所以,味觉的演化虽然与动物的宏观适应性密不可分,但未必就是适应性的原因,而更可能是适应性的结果:哺乳动物的食性具有相当高的后天可塑性,它们可能因为饥饿等原因尝试不曾接触过的食物,如果这种尝试提高了它们的存活率,后续的味觉突变就会用奖励或惩罚强化这种选择,让它们逐渐适应一个新的生态位,就像啮齿动物的淀粉味觉那样;与此同时,无用的味觉会堆积有害突变,最终失效,就像猫的甜味觉和大熊猫的鲜味觉那样。

最后再举一个不幸的例子:和绝大多数感官一样,鲸类的味觉在哺乳动物中最迟钝,它们在 5300 万到3600 万年前之间失去了咸以外的所有味觉,甚至包括用来甄别毒性的苦味觉,这可能是由于它们习惯整吞,缺乏咀嚼辨认的机会,也可能是咽喉的触觉是它们主要的进食奖励。但随着人类活动加剧,石油泄漏和海水富营养化都能产生许多毒性强烈的环境和食物,迁徙中的鲸不能用苦味分辨其中的威胁,常常误食,死于非命。

为什么哺乳动物很少有毒

便对生物缺乏了解的人也能说出许多有毒的脊椎动物,但是即说起有毒的哺乳动物,几乎就没有人能回答上来了。这倒不是因为人们孤陋寡闻,而是因为在已知的 5000 多种哺乳动物中,真正有毒的不超过 10 种,而且大都位于相对边缘的支系上,这是一个很值得思考的现象。

在所有用毒素进攻的哺乳动物中,最重要的谱系是“真无盲肠类”。这个类群地位未定,包括许多前食虫目的成员,其中有多个物种都长有相似的毒牙,比如鼩鼱科的北短尾鼩和南欧水鼩,鼹科的欧洲鼹鼠,以及沟齿鼩科的 4 个物种。

以具有代表性的沟齿鼩来说,它们生活在古巴和海地,体长只有 30 厘米左右,但在当地已经算得上巨大。“沟齿”指的是在两颗尖利的下门牙背侧有一沟槽通往颌下腺,其中的唾液含有神经毒素,可以使较大的猎物瘫痪,这让它们除了昆虫以外还能猎食体形更大的青蛙和蜥蜴。根据基因比对,真无盲肠类(图标中为真盲缺大目)与哺乳动物中关系较近的类群的演化关系

真无盲肠类其他几个有毒物种也有类似的特点:门牙有槽或凹,唾液有毒,可以麻痹体形较大的猎物,北短尾鼩甚至能捕捉比自己还大的老鼠,这在进化学上具有鲜明的标本价值。

真无盲肠类是哺乳动物中相当古老的类群,仍然以沟齿鼩为例,它们大约在 7800 万年前的白垩纪就已经和其他哺乳动物类群区分开来,与世隔绝地生活在加勒比海的孤岛上,保留了很多古老的性状——早期哺乳动物的化石中的确有许多类似的沟槽牙,这暗示着哺乳动物一度和其他脊椎动物一样善于用毒,但现存物种普遍放弃了这一能力,只在某些边缘和古老的类群中保留了下来。

对于这种变化,比较普遍的解释是作为恒温动物,哺乳动物具有相当高的新陈代谢速率,因为早期物种体形较小,很难捕食较大的猎物,用毒就可以一次获得很多食物,增强了适应性。

但随着哺乳动物在新生代成为地球的主宰,体形越来越大,毒液就显得越来越难用了:积累毒液需要时间,毒液发作也需要时间,而且猎物越大需要的毒液越多,等待的时间也越长。科摩多巨蜥作为最大的有毒生物,捕猎一次可能需要追踪猎物几个星期,但几乎没有任何哺乳动物能承受同样的等待。

所以总的来说,当目标体形较小、运动较慢的时候,用毒液攻击可能是一种不错的策略,但对于体形更大,速度更快的猎物来说,毒液就显得得不偿失了,而后者才是哺乳动物的生活常态。

好在更快的新陈代谢和发达的神经系统也带来了强大的力量和敏捷的反应,格斗是一种更加有效的掠食技能,毒液彻底成为累赘的性状,被进化抛弃了——作为佐证,毒蛇往往捕获小型猎物,而捕获大型猎物的蟒蛇就采用暴力挤压,没有毒牙。

除了毒牙,有些哺乳动物还有一种特殊的“毒距”,现代仅存的例子是鸭嘴兽。它们无论雌雄,在出生时根骨(就是足跟那块骨头)都有一根特化的距,状如利爪,但只有雄性成年以后仍能保持这个结构,并且相当有力,可以承受自己的体重。

每年6月到10月是鸭嘴兽繁殖的季节,一个与这根大刺相连的肾状毒腺就会活跃起来,让雄性鸭嘴兽暂时拥有注射毒液的能力。它们每次排出的几毫升毒液中包括了至少 19 种多肽,又可以分为 3 类:防御素类多肽,源自脊椎动物免疫系统普遍存在的抗微生物多肽,可以嵌入细胞的膜系统,使其破裂;C 型利尿钠肽,这种物质与体液平衡有关,可以引发血管舒张和血压降低;神经生长因子,除了与神经元的生长和生存有关,还控制胰岛与免疫系统的活动。

毒距同样有着古老的渊源,哺乳型巨齿兽生活在 1.65 亿年前的中侏罗纪,是现存所有哺乳动物祖先的旁系,它们的后足上就有一根毒距;张和兽生活在 1.25 亿年前的早白垩纪,是有袋类和胎盘类最后一个共同祖先的旁系,它们的后足化石上也有一根明确的毒距,和鸭嘴兽一样。

这在很大程度上暗示了毒距曾经是早期哺乳动物的普遍性状,但有袋类和胎盘类并没有延续这个性状,其中的原因尚不明确,这可能与四肢结构有关——大部分中生代哺乳动物的运动方式都接近匍匐,后肢可以向后环抱,鸭嘴兽仍然保留这样的髋关节,但有袋类和胎盘类的四肢垂直于地面,这使得后肢足跟不再容易刺向敌人;抑或只是巧合——袋鼠和我们的共同祖先刚好是缺乏毒距的那一群,所以后代也都缺乏这个性状。

在注射之外,用毒还有另外一种方法,即在组织内或皮肤中积累大量毒素,让捕食者吃一堑长一智,就像河豚或者箭毒蛙那样。这是一种纯粹的消极防御,在现存哺乳动物中并不真正存在,但有几个争议性的例子。

原猴亚目懒猴科的懒猴属在灵长目中相当基底,它们在腕部有特化的汗腺,可以分泌引起过敏反应的分泌球蛋白,也有一些挥发性物质。懒猴平时舔舐这个腺体,沾在梳子似的下门牙上,并用来梳理自己和孩子的毛发,所以咬它们或者被它们咬都可能引发过敏和剧痛。但不幸地是它们生活在东南亚,承受着栖息地破坏、传统医学药用捕猎和宠物贸易的三重致命威胁,现已濒临灭绝。原猴亚目普遍有梳状的下门齿,用来梳理毛发

另两个更有争议的例子是刺猬和非洲冠鼠。刺猬也是真无盲肠类的成员,本身缺乏毒素,但是经常杀死蟾蜍,用蟾蜍的毒素涂抹自己的针刺。啮齿目的非洲冠鼠则会咀嚼夹竹桃的树皮,将其剧毒的汁液涂在自己的毛发上,这部分区域还被白色的毛发标注出来,警示捕食者。

毒素无法被化石保存,但仍然可以推测,现代哺乳动物不在体内积累毒素与它们缺乏毒牙的原因类似,灵活的肌肉和发达的神经系统已经让哺乳动物拥有了足够的防御策略。

而且脊椎动物在组织内积累的毒素通常无法自身合成,无论河豚、箭毒蛙还是蝾螈,毒素都来自食物富集,这不但会提高代谢成本,还会限制它们的取食范围,对新陈代谢旺盛的哺乳动物来说得不偿失。

最后,哺乳动物虽然缺乏毒液和毒刺,但空前地“发明”了毒气,大多数哺乳动物都有肛门腺,用来润滑直肠,而食肉目鼬科和臭鼬科的肛门腺格外发达,其油状分泌物中含有许多低分子量的硫醇类物质,遇到危险就像喷雾一样释放出来,营造出昏天黑地的恶臭环境,并足以让捕食者暂时失明。

这种策略在其他几种运动缓慢的哺乳动物身上也同样生效,比如穿山甲和大长鼻犰狳。相比笨拙地积累大量毒素,少量高效的招数才更能体现出哺乳动物的睿智狡猾。

蛤蟆真的能冬眠一百万年吗

733 年,两名瑞典哥特兰的采石工人在矿坑中破开一块砂岩,其1中竟然匍匐着一只灰黑色的蛤蟆,蛤蟆双目紧闭,仿佛是在昏睡,对外界的刺激反应微弱。监工格拉贝格观察了很久,终于失掉耐心,一铲子拍死了它,工人只好把那具小小的尸体扔进了垃圾堆。

但是当天下午,格拉贝格却懊恼地反省自己“屠戮了一个神奇的生命,它可能在那囚牢里生活了几百年”。然后,他把那只被拍扁的死蛤蟆送到斯德哥尔摩,访问了多个学者,最后把它保存在阿克洛城堡的小博物馆中,直到 1760 年才不知所踪了。

当然,这并不是个例。根据英国的《奇异时代》杂志在 2007 年的统计,从 16 世纪开始,从旧大陆的欧洲到新世界的北美,西方各国至少有 210 起此类报告。可是,蛤蟆真的能冬眠这么长时间吗?

在今天看来,这块包裹蛤蟆的砂岩距离地表 3 米深,属于志留纪的哈姆拉构造,距今 4.2亿— 4.4 亿年,当时的地球与今天相比面目全非,不但两栖动物没有进化出来,就连欧洲大陆也位于南半球的赤道附近。如果那只蛤蟆是在砂岩沉积的时候埋进去并存活至今,那么不止进化论,整个生物学都要被重建了,好在这不是真的。

首先,没有任何证据能证明蛤蟆真的曾被密封在石头里,甚至没有可信的岩石碎片。如此的无稽之谈无法成为主流科学的议题,即便是在生物学尚未建立的 1733 年,格拉贝格在哥本哈根的博物学者那里也没有得到任何积极的回应,唯一有耐心的学者也只将它当作一个误会,讨论了蛤蟆在什么样的情况下会被困在石头的缝隙当中。

不但如此,“石中蛙”就是一个典型的都市传闻:最初只是几个零星罕见的报道,但随着媒体发展和受众关注,见证者激增起来,事情也越闹越大;待到热潮消退,见证者又迅速减少了,好像这件事从来没有发生过。

其实,这种说法的出现,与当时的社会背景有很大的关系。在维多利亚时代的英国,随着产业革命深化,大都会和中产阶级催生了旺盛的娱乐需求,马戏团、魔术师、幻想小说都繁荣起来,煤炭和钢铁的需求又让地质学成为英国的热门学科。竟然有一大批不正规的地质学手册都提到地层中不但有生物化石,还有蛤蟆封在里面,引得媒体也“见得风,是得雨”,想要搞些大新闻了。比如1862年的伦敦国际展览会上出现了一块发掘自地下90米的煤炭,矿工在里面放了一只蛤蟆,说是有上百万岁。此举激怒了当时的动物学家巴克兰(1826—1880),伦敦当局在他投诉后也果断撤下了这一展品。

最滑稽的是 1856年《伦敦新闻画报》宣称,法国在建的地铁隧道挖开了侏罗纪的石灰岩层,竟有一只翼展达 3 米的翼手龙飞了出来,这出石中蛙与恐龙热结合起来的闹剧在宣传上出了偏差,却没有人担责任,直到今天还有人信以为真。20世纪后,随着新的媒体和娱乐的出现石中蛙越来越罕见了,从20世纪80 年代以后几乎再也没有报道过。

除了发现的时间有迹可循,发现者也值得一提:他们无一例外地都没有地质学背景,石中蛙都是意外收获;那些古生物学和地质学的学者们年复一年地在野外勘探,敲开石块,反倒没有发现任何石中蛙。

当然,主流学界对此也并非完全无动于衷,从 19 世纪初就开始了有针对性的实验。最直接的是观察蛤蟆封在石头里究竟能活多久:把实验动物用石模封闭后埋在地下,一年后绝大多数都已腐烂,但的确仍有个别存活的个体,尤其是用多孔的石灰岩封闭时,存活率会更高一些;但是继续封闭到第二年,就绝无生还了。也就是说,我们不能认同蛤蟆能在石头里活那么久,不管它们当初是如何进去的。

另外,石中蛙也未必全是恶意造谣,有很多情况都能引发“蛤蟆在石头里活了很久”的误会,比如冬眠的蛤蟆躲进石缝深处被人挖出来,或者石头破开的时候恰好有蛤蟆跳过来。但还有一种情况会真的形成石中蛙:蛤蟆喜欢钻到缝隙里躲避白天的日照和危险,有时就会钻进岩石的空穴中。这样的空穴如果位置恰当,就可能有积存雨水,并有昆虫等不断钻入,蛤蟆不需要离开空穴就能吃好喝好,延续生命,于是定居下来,最后长得比洞口还大,就真的出不去了。

这样的情形在城市下水道附近浇筑的混凝土块里非常多见,那里不但常有水源,而且非常吸引地面昆虫,蛤蟆在里面可能长得很大。

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