方舟子的Blog

    今年诺贝尔生理学或医学奖授予了3名美国科学家，以表彰他们“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”，让一般公众第一次听说“端粒”这个术语。

    这几天在网上搜索这个名词解释的人想必不少。虽然曾经有一位知名时评家教育我们，现而今维基百科完全可以替代科普文章了，但是还是有资深科技记者抱怨说，看了半天维基百科有关端粒的解释也没看懂。如果没有相应的生物学知识，的确是不容易看懂的。于是国内报道纷纷以讹传讹说端粒酶“这种染色体的自然脱落物将引发衰老和癌症”云云。

    端粒酶并不是什么“染色体的自然脱落物”，三位获奖科学家的研究当初也不是抱着揭开人类衰老和癌症之谜这么实际的动机，而是想要解决遗传学上的一个难题，它涉及到细胞中的遗传信息是怎么被完整地复制下去的。

    每个细胞中都有一整套遗传信息，它们是用一类叫做核苷酸的化学物质来编写的。这样的核苷酸共有四种，分别简称A、T、G、C，这就是编写遗传信息的“字母”，它们的排列组合就是遗传信息的编码。许许多多“字母”一个挨一个互相连接，组成一条长长的链条，也就是我们经常听到的遗传物质DNA。

    每个DNA分子实际上是两条链条绞在了一起。这两条链条并不是随随便便放一块的，而是按照A配T，G配C的方式一一对应起来，也就是说，如果一条链上的某个位置是A，那么在另一条链上的相应位置必然是T。如果已有了一条DNA链，就可以根据配对的原则，用零散的“字母”合成另一条链，遗传信息就是这么复制下去的。

    组成DNA的“字母”是核苷酸。核苷酸的基本结构是一个5个碳原子组成的环，环上连着碱基、磷酸基和羟基。它们各有用处：碱基决定了这个核苷酸是什么“字母”，而磷酸基和羟基是连接各个核苷酸的桥梁。某个核苷酸的磷酸基和前面核苷酸的羟基结合，一个个地串起来形成DNA链。这样，在这条链的一端，就剩下一个磷酸基没有结合，根据磷酸基在碳环上的位置，我们把它叫做5′端；而在链的另一端，则剩下一个羟基没有结合，我们把它叫做3′端。如果一条DNA链的走向是5′端到3′端，那么和它配对的另一条链的走向就是3′端到5′端。

    细胞分裂的时候，一分为二变成两个子细胞，原来的遗传信息也要复制一分传给子细胞。这时，原先结合在一起的两条DNA链在中间分开，一边分开，一边各以其中的一条旧链做为模板，按配对的原则合成新的DNA链，组成两个DNA分子。这个过程需要一种叫做聚合酶的蛋白质来完成。聚合酶只能合成5′->3′方向的DNA，而且前面必须已先有DNA或RNA（和DNA类似但不完全相同的物质）做为引物才能开始合成。问题就来了。其中一条旧链的起点是3′，聚合酶用它做为模板合成一条5′->3′的新链，可以一直合成下去。但是另一条旧链的起点是5′，聚合酶没法用它做模板合成3′->5′方向的DNA。

    怎么办呢？细胞解决这个问题的办法是在这条旧链的起点前面的某个地方放一小段RNA做为引物，聚合酶就从这个引物开始合成一小段5′->3′的DNA，一直合成到复制起点。然后在前面再放一段RNA引物，再合成一小段DNA……最后就出现了许多小段的DNA，被许多RNA引物分隔开。然后，这些RNA引物被清除掉，由另一种聚合酶填补上DNA，这样就形成了一条完整的DNA新链了。

    这条DNA新链真的就完整了吗？并没有。聚合酶在填补引物留下的空缺时，前面必须已有DNA在那里，它才能往上填。对那些在中间的空缺，这没有问题。但是在最末端的那段空缺，前面没有DNA，它就填不了了。这样，DNA每复制一次，末端就会丢失一截。

    人体细胞的遗传信息分布在46条染色体上，一条染色体就是一条DNA双链。细胞每分裂一次，染色体也复制一次，染色体末端就要丢失一截，相当于遗传信息少了一小段文字。遗传信息的复制必须非常忠实，有时改变一个字母都会引起突变导致大麻烦，何况每复制一次少一段文字呢？

    所以细胞必定有某种办法来保护染色体末端的信息不丢失。这个巧妙的办法就是今年诺贝尔奖获得者发现的：在染色体末端有一长串不带遗传信息的DNA，叫做端粒。这样染色体每次复制时丢失的是一小段端粒，不会影响到染色体携带的遗传信息的完整性。

    但是染色体每复制一次端粒就短一截，复制几十次后端粒就没了，这时如果继续复制下去，遗传信息就要开始丢失了，细胞就会病变、死亡。所以一般细胞只能分裂几十次就衰老、死亡，不能无限分裂下去。有一个学说认为细胞分裂次数有限就是衰老的原因，而这是由于端粒越来越短导致的。

    如果有办法修复端粒，是不是就能永葆青春了呢？今年诺贝尔奖获得者的另一个发现是，在细胞中有一种叫端粒酶的蛋白质，能修复端粒。但是在一般的细胞中端粒酶的活性非常低，起不到什么作用。不过有一类细胞的端粒酶活性倒是非常强，因此它们可以无限地分裂下去，长生不老，那就是——癌细胞！

    所以如果我们想要长生不老而去增强端粒酶的活性，反而可能搞得到处长癌。不过，我们可以根据癌细胞的这个特点，研制出针对端粒酶的疫苗，就有可能用来预防、治疗癌症。现在就有一些这类药物在进行临床研究。这是当初意料不到的。对端粒的研究，本来只是科学家们出于好奇，要解决遗传学的一个难题而已。

2009.10.12.

（《中国青年报》2009.10.14.）

    中国的科研经费基本上由国家提供，而且重大的科研项目大多由政府部门先立项再由科研人员申请，政府如何资助科研项目在很大程度上影响着中国科研的未来走向。政府部门显然也很有信心指导中国科学的发展，最面面俱到的部署是2006年2月发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》。距离这个规划的完成恰好还有10年的时间。我们要展望未来10年中国的科学发展，不妨就以这个纲要做为蓝本。

    这份长达4万多字的纲要几乎涵盖了科学技术的所有领域，当前科研前沿的问题都没有遗漏，紧跟世界科技潮流，并不具有多少中国特色。如果把其中关于发展中医药的寥寥几句剔除掉，也可以把它当成世界科学技术发展的规划纲要。

    这份纲要把科技发展分成“重点领域及其优先主题”、“重大专项”、“前沿技术”、“基础研究”等4个方面部署。重点领域是指在国民经济、社会发展和国防安全中重点发展、亟待科技提供支撑的产业和行业，涉及能源等11个领域。重大专项是指要在一定时限内完成的重大战略产品、关键共性技术和重大工程，共有16项。前沿技术方面涵盖生物技术、信息技术、新材料技术、先进制造技术、先进能源技术、海洋技术、激光技术、空天技术等领域的27项前沿技术项。基础研究方面除了基础学科、交叉学科和新兴学科建设，还确定要解决生命过程的定量研究和系统整合等8个科学前沿问题，开展人类健康与疾病的生物学基础等10个面向国家重大战略需求的基础研究，部署蛋白质研究、量子调控研究、纳米研究、发育与生殖研究等4项重大科学研究计划。

    在这些规划中，最引人注目的是被称为“重中之重”的重大专项。16个重大专项中民用的9个现在已全面启动，预计共投入6900亿元。随后发布的课题申报指南，更让人感到这些专项手笔之大。例如“重大新药创制”科技重大专项今年5月5日正式启动实施，“十一五”阶段（2008－2010年）已确定970项课题，课题经费53亿元人民币，要完成30个新药临床研究，提出新药注册申请或取得新药证书，并完成100个创新药物的临床前研究，获得临床研究批件或提出临床研究申请。

    这份纲要计划实现8个目标，这些目标非常宏伟，在各个领域都想要成为世界一流：掌握一批事关国家竞争力的装备制造业和信息产业核心技术，制造业和信息产业技术水平进入世界先进行列；农业科技整体实力进入世界前列，促进农业综合生产能力的提高，有效保障国家食物安全；能源开发、节能技术和清洁能源技术取得突破，促进能源结构优化，主要工业产品单位能耗指标达到或接近世界先进水平；在重点行业和重点城市建立循环经济的技术发展模式，为建设资源节约型和环境友好型社会提供科技支持；重大疾病防治水平显著提高，艾滋病、肝炎等重大疾病得到遏制，新药创制和关键医疗器械研制取得突破，具备产业发展的技术能力；国防科技基本满足现代武器装备自主研制和信息化建设的需要，为维护国家安全提供保障；涌现出一批具有世界水平的科学家和研究团队，在科学发展的主流方向上取得一批具有重大影响的创新成果，信息、生物、材料和航天等领域的前沿技术达到世界先进水平；建成若干世界一流的科研院所和大学以及具有国际竞争力的企业研究开发机构，形成比较完善的中国特色国家创新体系。

                            二

    这些目标如果能够全部实现，甚至只要部分实现，中国在10年后就会成为在各个科研领域都达到世界先进水平的科技强国。但是，制定雄心勃勃的规划是一回事，能否实现则是另外一回事。中国许多科技官员的思维仍然停留在计划经济的时代，认为科技发展是可以精确、定量地规划，按部就班地实现的。然而，这种类似于工程建设的做法，只适用于某些技术应用项目，这些项目的科学问题已经基本解决，也已具备了比较成熟的技术，只要有足够的经费和人手，就基本可以得到想要的结果，其实现只是个时间问题。这份规划列举的新中国成立以来的重大科技成就，例如“两弹一星”、载人航天、杂交水稻、陆相成油理论与应用、高性能计算机等，都属于此类。

    这份规划确定的16项重大项目中的大部分，例如新一代宽带无线移动通信、高分辨率对地观测系统、载人航天与探月工程等，也属于这种情况，其实现是可以预料的，有的已经部分实现。例如载人航天工程已三次成功发射载人飞船，并实现了航天员在空间出舱按计划活动，接下来将利用载人飞船技术改装、发射空间实验室，开展微重力科学和空间生命科学、空间天文和空间物理等方面的科学研究。探月工程工程已经实现绕月探测，接下来，在2012年前后将实现月球软着陆和自动巡视勘察，2017年前后实现自动采样返回。

    有的项目的技术已经相当成熟，早已有了现成的产品，但是受社会因素的干扰而阻碍了其推广。例如计划投入约200亿元的“转基因生物新品种培育”科技重大专项。人类种植转基因作物已有近20年的历史。转基因技术通过在传统作物中转入外源基因，让其具有抗虫、抗病、抗除草剂等性能，减少农药和杀虫剂的使用，既能增加产量，也有利于保护环境。对转基因新品种的研究，美国一枝独秀。欧洲则由于受政客和极端环保组织的打压，转基因作物被有系统地妖魔化，公众对转基因作物的安全性问题产生了疑虑。尽管欧洲委员会曾经认定过转基因新品种与传统育种的新品种相比并非更不安全，甚至更为安全，但是其在欧洲的发展仍然举步维艰。在这种情况下，正是中国乘机赶上的大好机会，在转基因品种的研发和推广方面有望进入世界先进水平的行列。但是，欧洲反对转基因作物的声音近年来也传入了中国，更有国外极端环保组织在中国的代言人经常在国内媒体上发布反对转基因作物的新闻，在中国公众中制造恐慌。导致早已研发出来并完成各种安全评价程序的抗虫害转基因水稻迟迟无法进行商业化种植。在未来的10年，中国很可能培育出更多的转基因生物新品种，但是能否获得批准种植，则不是个科学研究问题，而是个科普问题和政治社会问题，取决于中国公众对转基因作物能否有更理性的认识，中国政府部门是否有在这个问题上对抗社会舆论的决心。

    还有的项目则有很大的不确定性，而且限于中国现在的科技水平，能否如期实现就很成问题。以“重大新药创制”科技重大专项为例。中国在新药研发方面本来非常落后，与发达国家的水平相差极大。60年来中国自主研究的新药获得国际承认的寥寥无几，经常在国内媒体上被提及的只有青蒿素一种。但是这个“重大新药创制”专项给每个新药研究课题的经费不超过500万元，却要在短短的两年时间完成30个新药临床研究，这无异于试图实现科技大跃进。即使在新药创制最为发达的美国，也不太可能实现这个目标。在美国，一种新药从开始研发到获得批准，平均需要8.5年，花费数亿美元。

    不过申请到这个重大专项的科研人员是不会担心在明年交不了差的。他们想必不至于相信在短短的两年内就能奇迹般地发现、验证这么多的新药。他们大概会以这几种方法交差：把模仿国外药物的仿制药当成新药向药监局申报；不遵循新药验证的规范程序，缩短研制时间；用中成药申报；把已有的药物稍做改变，包装成新药申报。这是历年来的常规做法，不然中国哪来那么多“新药”？

    这样的“新药”当然只能在国内自己用，无法获得国际认可，成了中国人自己使用的中国特色的药。一个药物如果被证明了真正有效，是会很快传遍世界各国的。药物的疗效没有国界。一种只在一个国家使用的药物，其真实疗效如何总是令人起疑。规划的制定者很清楚这一点，所以还希望能走向世界，“重大新药创制”科技重大专项还要求在十一五期间“争取1－2个具有我国自主知识产权的创新药物能够在发达国家完成或基本完成临床试验”，就是想要让它获得发达国家的承认。新药的临床研究一般分成三期，I期临床试验时间持续数月，II期临床试验时间持续几个月到两年，III期临床试验时间持续一年到四年，即使试验过程一切顺利，并把各期临床试验完成后总结、申请下一期试验所需要的时间忽略，至少也要花上两、三年的时间才有可能基本完成临床试验。这个专项现在距离十一五结束还只剩1年，连临床试验的时间都没有了，还好那只是“争取”，而不是强求。

    现代药物的开发是大军团作战，需要众多不同领域学科的专家的通力合作：生理学家、生物化学家和分子生物学家在细胞、分子水平上研究生理、病理和设计药物，有机化学家合成药物，毒物学家研究药物的毒理，药理学家研究药物的药理，计算机专家对药物进行模拟和分析，医生对药物进行临床试验和观察疗效，统计学家统计治疗结果，等等。而新药开发的第一步，是从研究人体的生理功能开始的：生理学家研究人体在正常状态下的各种生理功能和变化规律，生物化学家研究生命过程中的化学变化，分子生物学家则研究参与生命过程的各种分子的功能和相互作用。因此新药研发是建立在生物医学基础研究之上的。中国新药研发的落后，首先体现的是基础研究的落后。

                              三

    规划纲要对中国基础研究也进行了面面俱到的规划。但是基础研究与技术应用、工程建设不同，它的发展更具有不确定性。在科学史上，重大的科学成果很少是被事先规划出来的，很多重大科学发现纯属偶然。基础研究更依赖长期的积累和循序渐进，不是靠短期的激励就能取得成效的。基础研究的发展固然离不开经费的支持，但是基础研究成果却不是靠加大资金投入就能生产出来的，至少还有两个因素至关重要：学术人才和学术环境。这两个因素的提升，却不是短时间内可以做到的。

    一流的学术研究需要由一流的学术人才来从事。科学研究在现在的中国已经不是一个很吸引人的职业，难以吸引到最好的学生，这从近年来各省的高考状元普遍选择经济、金融专业即可看出。学习科学专业的学生，最好的一部分又选择到国外深造，之后又选择留在了国外。如果从世界科学的发展来看，这并非坏事，这些人才也许在国外更能发挥其才能，对科学发展做出更大的贡献。但是对中国本土的科学发展而言，人才流失却是一个严重的挑战。另一方面，教育腐败和浮夸的社会风气，严重影响着国内科技人才的培养。虽然历经多年的扩招，中国获得博士学位的人数在2008年已超过美国成为世界第一，但是其中大部分缺乏必要的学术素质和学术训练。而占据学术高位的资深科研人员却未必有能力、热情或精力真正领导科研。这就导致了这样一种局面，即使政府加大对基础研究的支持，却难以找到胜任的人员来承担重大课题。

    从国外引入人才是一个救急的办法。从“长江学者”、“百人计划”到新近启动的“千人计划”，都以吸引留学人才回国为目标。“千人计划”更是号称以从国外引进高层次的学者为重点，以期大幅度提升中国的科学研究、技术开发和自主创新实力。但是，这些人才引进计划在实施中都出现了种种问题。享受这些计划的待遇的归国人员很多并没有符合其引进要求，算不上杰出。虽然也有许多已在国外学术界证明了自己的实力的华人学者被以这些计划的名义引进，而实际上他们仍然全职在国外工作，到国内的活动不过相当于度假，对国内的科研并无实质性的参与，国内院校不过是利用他们的名声来获取国家科研经费。少数高层次人才即使真正全职回国，往往也异化成科技官员和公众人物，而不再是潜心科研的学者。获取在国外无法得到的权力和名声，本来就是其回国的动机。这些人的回国，很难说能对中国科学发展起到多大的正面推动作用。

    中国与发达国家差距最大的，还在于科研体制的落后。现在的科研体制仍然在沿用计划经济时代的官本位体制，学术权力掌握在行政官员手中。一批非专业出身或已脱离专业研究的行政官员决定着重大项目的资金分配和成果评估。在这种体制下，科研经费的发放就可能成为关系户的分钱游戏，有时到了荒谬的地步。还以“重大新药创制”科技重大专项为例，“十一五”计划第一批课题申报指南的发布时间为2008年8月29日，受理申报材料的截止日期为2008年9月4日；第二批课题申报指南的发布时间为2008年9月23日，受理申报材料的截止日期为2008年10月13日。在如此短的时间内完成如此多的科研经费的申报，其效率之高，称得上奇迹。这样的经费发放，显然只是在方便那些事先知道信息的关系户。难怪获得这一项目经费支持的人，很多也是其他重大项目经费的常客，并无新药创制的背景或经验。这样的重大项目会取得什么样的实际成果，也就可想而知。

    重大科研项目究竟取得了什么成果，是否如期完成，同样由官员决定。他们并无进行专业评估的能力，但是至少会数数，论文的数量成了评价一项科学项目的成果的“客观”标准。从来没有一个国家像中国这样如此看重论文数量，特别是所谓SCI（科学引文索引）收录的期刊上发表的论文的数量。即使是从国外引进的高层次人才，也入乡随俗地宣传自己曾经在高档次期刊上发表过多少篇论文，并保证在某个课题完成时将发表多少篇论文交差。中国国际科技论文总数已跃居美国之后的世界第二位，在未来的10年内成为世界第一论文强国也并非不可能。但是发表论文固然是发表科研成果的正常渠道，论文本身却不等于科研成果，论文数量的膨胀更不等于科学成就的跃进。何况，如果考虑到在这种重数量不重质量的学术评估体系刺激下的数据造假、抄袭和一稿多发，论文数量所代表的意义更要大打折扣。

    总之，在未来的10年，也许我们可以看到这样的一幅前景：在某些已较成熟的技术应用和工程领域，在有足够资金保证的情况下，中国有望如期完成规划，例如空间科学和技术方面。在其他一些更为落后的领域，难以有实质性的成果，大量的资金投入最终收入的可能只是一些表面文章，例如新药创制项目。而基础研究领域的前景更不容乐观，或许不过是制造出更多的论文，让一个个重大项目变成了一串串论文数目。科学的发展有自己的规律，并不存在大跃进。中国科学要快速发展，更迫切需要的是科技人才的培养、科研体制的改革和学术环境的改善。这必将是一个长期的过程。计划通过加大资金投入在短短的10年内让中国一跃成为科技强国，只是一个美好的梦想。

2009.9.23.

（《经济观察报》2009.10.12.）

    在维多利亚女王时代的英国，采集蝴蝶是一项非常流行的爱好，其中最受追逐的标本之一是一种在中国也产的灰蝶科蝴蝶，英国人称为大蓝蝶（中名嘎霾灰蝶）。实际上这种蝴蝶既不是很大，也不是很蓝。它并不是一种特别美丽的蝴蝶，被特别看重的原因可能是其难得：它数量稀少，而且生长在人迹罕至的荒野，每次采集相当于一次远征。

    即便如此，仍然有大量的大蓝蝶被采集制作成了标本。至今还有大约3000个大蓝蝶标本收藏在英国的博物馆里。在19世纪末就已经开始有人呼吁对它进行保护。进入汽车时代以后，到大蓝蝶栖息地采集更加方便了，有的地方的大蓝蝶已经绝迹，保护变得更为迫切。1930年，英国建立了第一个大蓝蝶保护区，围起栅栏，雇了一名铁匠在那里看守不让人采集标本，停止在那里烧荒，并禁止放牧。那里原来生活着一个较大的大蓝蝶种群，但是在受保护9年之后，就一只不剩了。

    此后还有更多的大蓝蝶保护区逐渐建立起来，但是大蓝蝶的数量却越来越少。1950年代时英国大约还有数万只大蓝蝶，到1972年时只剩下了300多只。1975年英国通过的野生动植物保护法首次把大蓝蝶列为法定保护对象，但已无济于事。1979年，英国最后一只大蓝蝶死去。

    大蓝蝶在英国灭绝的前夕，牛津大学杰里米·托马斯等人追踪残存的大蓝蝶的生活史，发现了大蓝蝶灭绝的秘密。早在上个世纪20年代，英国著名博物学家佛罗霍克在研究了大蓝蝶20年之后，已发现了它与蚂蚁存在着奇妙的关系。托马斯等人的研究表明这一关系要比人们想像的还要奇妙得多，也重要得多。

    大蓝蝶对生活的要求极为挑剔，离不开一种百里香植物和一种红蚁。每年的六、七月间，是英国大蓝蝶飞翔的季节。每只大蓝蝶成虫的寿命只有四、五天。在短暂的生命结束之前，雌大蓝蝶必须找到合适的百里香产卵。这些百里香必须是生长在红蚁巢的边上，而且含苞待放。她把卵产在百里香的花蕾里。一、两周后，幼虫孵化出来，就以百里香的花为食。在吃了大约两周的花宴，蜕了三次皮之后，幼虫掉到了地上，等待路过的红蚁发现它。

    大蓝蝶幼虫靠分泌蜜汁吸引红蚁。红蚁发现大蓝蝶幼虫后，会用触角拍打它，让它分泌蜜汁，然后把它带回地下蚁巢。在蚁巢里，其他红蚁和红蚁幼虫围上来，分享大蓝蝶幼虫的蜜汁。等到蜜汁被吃完，大蓝蝶幼虫失去了利用价值，就有生命危险，所以它还必须能够保护自己，像红蚁幼虫那样蠕动，散发出红蚁的气味和声音，让红蚁误以为大蓝蝶幼虫是它们当中的一员，允许它继续在蚁巢中住下去。

    大蓝蝶幼虫必须在蚁巢中整整待上10个月，不仅能躲避天敌，而且还有营养丰富的食物供享用。在给了红蚁一点小甜头后，大蓝蝶幼虫在蚁巢内四处走动大吃红蚁的卵和幼虫，把自己吃成大胖子。在这种情况下，大蓝蝶幼虫仍然危险重重。如果蚁巢中有蚁后，她会误以为大蓝蝶幼虫是一只以后也将变成蚁后的超级红蚁幼虫，从而发出化学信号让工蚁把它杀死。如果蚁巢的规模太小，或者红蚁又搬来了一只大蓝蝶幼虫，红蚁的卵和幼虫不够吃，大蓝蝶幼虫最终也会饿死。

    所以大蓝蝶幼虫藏身的蚁巢规模要足够大，不能有竞争同伙，还不能有蚁后。在满足了这些苛刻条件之后，大蓝蝶幼虫才能在蚁巢内安全度过秋、冬、春三季，在蚁巢内结茧、化蛹，在夏天来临时变成蝴蝶，从蚁巢中走出，飞翔而去。

    如果没有红蚁的收养，大蓝蝶不可能生存。红蚁本身对生活环境也有一个要求：它们喜欢温暖，在朝南向阳的山坡筑巢，而且地面上的草的高度最好少于2～3厘米。如果草的高度太高，把阳光遮住了，蚁巢的温度太低，红蚁幼虫会冻死。

    大蓝蝶的栖息地被划为保护区后，禁止烧荒和放牧，反而让那里草的长势失去控制，让大蓝蝶更快地灭绝。即使是在没有保护的地区，山坡的放牧也越来越少。本来，还有野兔吃草能对之有所制约，但是在1950年代，一种传染性很强的病毒入侵英国，让野兔患上致命的粘液瘤病，野兔的数量锐减99％。随着草皮越长越高，大蓝蝶依赖的那种红蚁迅速消失，被另一种较耐寒冷的红蚁取而代之，这种红蚁也喜欢吃大蓝蝶幼虫的蜜汁，但能识破伪装，将它杀死。等到草皮高度超过10厘米，连百里香也难以生长、繁殖了。

    这些发现来得太迟，无法拯救英国大蓝蝶的灭绝。但是大蓝蝶在其他国家还有幸存，可以从那里引进。英国逐渐恢复了52处百里香草地，并进行管理，通过割草、放牧绵羊控制草皮的高度，红蚁数量也随之上升。1983年起，大蓝蝶被从瑞典带到英国释放，它们逐渐在30多个地方成功地繁衍下来。到2008年，英国大蓝蝶的数量已多达数以万计。大蓝蝶成了第一个成功获得重生的濒危蝴蝶物种，这一切都是由于对它的习性和灭绝的原因有了较为透彻的了解。英国大蓝蝶因人类的盲动而灭绝，因科学的进展而重生。生态学的研究让人类有了逆转环境恶化的能力，但是如果环保不建立在科学的基础上，想当然地采取行动，结果反而会更为糟糕。

2009.09.20

（《中国青年报》2009.9.30）

                              （上）

    人类很早就知道，生物靠繁殖产生下一代。但是在古代，几乎所有的文化中都流传着某些生物，特别是低等的、龌龊的生物，在一定的条件下能够自发产生的说法。人们普遍相信腐烂的肉会变出苍蝇和蛆，朽木会自己长出蛀虫，汗会生出虱子，海底的烂泥会生出鱼，地里的烂泥会生出青蛙和老鼠……中国古代除了有“肉腐出虫，鱼枯生蠹”这种比较普通的说法，还有“腐草为萤”的浪漫传说，直到李时珍编写《本草纲目》时，还一本正经地把萤火虫是从腐草化生的当成事实来讲。

    这些动物的确经常被发现从腐烂的东西中突然长出来，而它们的卵又小得难以看到，人们就会想当然地认为它们是自发产生的。不仅一般人这么认为，哲学家、博物学家也普遍相信生命能从无生命物质自发产生。中国古代学者对此只有零星的叙述，古希腊哲学家却将它做为一个学说提出来，其基本观点是，在阳光产生的热量的作用下，粘土（水和泥土的混合物）能够自发地产生生物。这些说法被亚里士多德综合了起来，构成了一个精致的体系。此前古希腊哲学家提出自发发生说主要是为了说明生物最初是怎么产生的，但是亚里士多德不相信宇宙有开端，他只是把自发发生做为当今生物的繁衍方式之一。

    自发发生说是亚里士多德动物学体系的一个重要组成部分，他用他的自然哲学对此做出了似乎很合情合理的解释。亚里士多德认为，地球上的所有东西都是由土、水、气、火四种元素组成的，不同的元素又是由冷－热、干－湿这四种两两互相对立的原始性质按不同比例组合而成的。这些元素和原始性质在生物体各部位的混合就决定了生物的性质。当然，生物之所以是活的，是因为它们有“元气”。“元气”实际上是两种元素——气和火——的混合，因此非生命物质中也有，无处不在。为什么粘土中会自发产生生命呢？因为粘土中含有水，水中含有气，而所有的气都含有元气，一旦气和元气被包裹起来，在热的作用下，就会快速地形成生命。形成什么样的生命，则取决于四种元素和原始性质的比例。

    这位古代最伟大的博物学家把自发发生当成了低等生物的主要产生方式。例如，他认为所有的贝壳类动物都是从泥土中自发产生的，不同的材料生出了不同的贝壳：粘土长出了牡蛎，泥沙长出了蛤蜊和扇贝，岩石的空隙长出了藤壶和帽贝等等。许多昆虫也是自发产生的：树叶上的露珠、腐烂的泥土或粪便、树干、动物的毛发、肉、排泄物等等都能生出各种各样的昆虫。这些结论显然是根据不严谨的观察得出的。

    亚里士多德的自发发生说看上去似乎与基督教关于上帝创造生物的教义相矛盾，但是在基督教在西方世界占据统治地位后，却没有被当成异端。基督教神学家从其《圣经》中找到了一句“神说，水要多多滋生有生命的物”，认为这指的就是自发产生生命，从而采纳了亚里士多德的观点。从此亚里士多德的自发发生说被后来的西方学者不加怀疑地普遍接受达两千年之久。直到17世纪，佛兰德斯医生和化学家范·赫尔蒙特（1580–1644）还这么指导人们如何造出老鼠：把被汗湿透了的内衣和麦子一起放到罐中，不加盖放三七二十一天，等汗发酵了，恶臭渗透进了麦子，麦子就会变成老鼠！而如果把一种叫罗勒的植物夹在两块砖头之间，放在阳光下晒，就会生出蝎子。

    最早想到用实验来验证自发发生说的是意大利医生雷第（1626－1697）。当然，他不可能对有关自发发生的种种千奇百怪的说法都一一去验证，所以他选择了流传最广、被所有人一致接受的一个说法：腐肉生蛆。他在1668年报告了他的实验结果。他的实验非常简单，但是却算得上是历史上第一个严格的生物实验：他甚至设了对照组。他在4个广口瓶中放进死蛇、鱼和牛肉，然后盖上盖子。做为对照，他在另4个广口瓶中一一放上同样的东西，但是让瓶口开着。他注意到苍蝇在开口的瓶子进进出出，几天后，腐烂的肉长出了蛆。但是在盖了盖子的瓶中，虽然肉也腐烂、发臭，却没有蛆。他改用纱布封住瓶口，虽然空气能进瓶子，但是苍蝇进不去，腐肉同样不会长蛆。他抓了蛆来养，发现它们最后变成了苍蝇。把死苍蝇或死蛆放进装了肉的封口瓶中，腐肉不会长蛆。但是如果放的是活的苍蝇，就会长蛆。

    这样，雷第就证明了腐肉中的蛆不是自发产生的，而是苍蝇产的卵变来的。雷第没有再用其他的昆虫做实验，他觉得从这个腐肉生蛆的实验已可以推断其他昆虫也不会是自发发生的。不过，雷第仍然相信自发发生在某些条件下是可能的，例如，他相信植物组织中的瘿虫和动物体内的寄生虫就都是自发发生的。1700年有人发现瘿蜂在植物中产卵才生出瘿虫，而对寄生虫的生活史的发现，则是19世纪的事了。

    不管怎样，雷第的实验极大地动摇了人们对自发发生说的信心。恰好在此时，荷兰人列文虎克（1632-1723）在显微镜下发现了微生物。于是人们又想，虽然蛆之类的动物看来是不能自发产生的，微生物这种简单的生物总还是可以从非生物变来的吧？不然它们怎么这么多，到处都是？列文虎克本人倒是相信微生物也是繁殖而来的，但是其他博物学家却不相信微生物这么简单的东西能够自我繁殖。有关自发发生的争论从动物世界转移到了微生物世界。

    1718年，法国显微镜学家约伯洛特（1645－1723）模仿雷第的方法，试图解决有关微生物能否自发发生的争端。他把干草浸液煮沸后分成两部分，一部分放在密闭的瓶中，一部分放在开口的瓶中。开口瓶中的浸液长满了微生物，密闭的瓶中则没有。为了证明密闭瓶中的干草浸液也能滋养微生物，他把封口去掉，不久里面也长出了微生物。

    法国大博物学家布封（1707-1788）不相信约伯洛特的实验结果。他去英国旅行时见到英国显微镜学家、天主教神甫尼达姆（1713-1781）。尼达姆也相信自发发生说，甚至相信泡在水中的麦芽能自发产生小蠕虫。在布封的鼓励下，尼达姆用肉汤做材料重复了约伯洛特的实验，却发现不管肉汤有没有煮过，瓶子是否封闭，几天后肉汤中都长出了微生物。他得出结论说，在任何物质中，都存在一种活力，能够自发长出新生命。尼达姆在1748年发表其实验结果。

    意大利修道士斯巴兰扎尼（1729-1799）认为尼达姆的实验方法有问题。尼达姆是先煮沸肉汤再封口，此时已有空气带着微生物跑进了瓶子中了。斯巴兰扎尼改进了实验方法，先把瓶口封好，再加热煮沸。斯巴兰扎尼比较了不同煮沸时间的结果。他在1767年报告说，煮沸时间比较短的肉汤中还能长出微生物，但是煮沸时间长达半个小时到45分钟后，只要瓶子保持密闭，肉汤中就再也不会有微生物。尼达姆反驳说，经过这么长时间的煮沸，肉汤已无法滋养生命。于是斯巴兰扎尼打断瓶颈，不久微生物就在肉汤中长出来了。

    但是斯巴兰扎尼的实验并没有结束争论。其他人重复了斯巴兰扎尼的实验，有的得出了和斯巴兰扎尼一样的结果，有的却相反，发现再怎么消毒、密封也会长出微生物来。还有的人说，要从肉汤里长出微生物来需要新鲜的空气“刺激”，斯巴兰扎尼煮肉汤的时候，把瓶子里面的空气也给煮得失去了刺激能力，外面新鲜的空气又进不去，所以才长不出微生物来。

    不管理论上怎么争，斯巴兰扎尼已经证明了只要恰当地消毒、密封，食物就不会腐烂变质。法国厨师阿培尔（1750-1841）受到启发，发明了罐头技术，把食物放进干净的玻璃瓶中，塞上软木塞，煮沸，之后用蜡封口，就可以长久保存。1800年拿破仑悬赏12000法郎，征求能为军队提供补给食品保藏技术。阿培尔在1810年提交了其技术，获得了奖金。

                              （中）

    当古希腊哲学家提出自发发生说时，它只是一个哲学学说。到了17世纪，雷第试图用实验来验证它，它就变成了一个科学假说。但是实验却没能获得公认的结论。一直到19世纪，微生物能否自发发生，仍然是一个争论非常激烈的问题。

    19世纪中叶的法国，成了两军交战的战场。而这场争论，有着深刻的政治和宗教背景。此时，受到天主教会支持、代表着极端保守势力的拿破仑三世上台，当权者非常害怕再来一场社会革命。自发发生说被与无神论、唯物论、社会主义和其他激进的社会思潮联系在一起。如果生命能够自发产生，那么生命就不必靠上帝来创造。顺理成章地，许多人把自发发生说看成是在反对正统的宗教教条，乃至是在对抗法国政治和社会权威。于是一个学术问题，就成了政治和宗教问题。批判自发发生说，很容易获得政府和教会的支持。

    在这场争论中，自发发生说的旗手是著名博物学家、卢昂自然历史博物馆馆长普歇(1800-1872)。自1855年起，普歇向法兰西科学院提交一系列论文报告证明自发发生的实验结果，并在1858年出版了一部专著。他声称，在严格控制的实验条件下，已被彻底煮过的养料在密闭的烧瓶中冷却后，仍然能长出微生物。由于普歇认为养料煮沸后原来的微生物已经都被杀死了，而且他在实验时确保瓶中的养料不会受到外界的污染，那么从中长出的微生物，就被认为是从养料中自发产生的。

    普歇是一名曾经做出过重大成果的学术权威，他的观点在法国科学界和公众中都引起强烈反响。不过，在相信自发发生说的人们当中，普歇其实比较另类。他并不是一个社会激进派，而是试图把自发发生说与正统宗教调和起来，认为自发发生并不是随机发生的，而是在上帝的指导下进行的。但是，自发发生说的反对者仍然认为普歇的观点是异端和无神论的，必须证明那是错误的。法兰西科学院悬赏2500法郎，将奖给对自发发生说的问题有新的理解的人，其实就是要奖励人们去推翻普歇的结果。

    年轻的巴斯德（1822-1895）响应了这一号召。虽然巴斯德有时被描绘成一个虔诚的天主教徒，但是他参与自发发生说的争论，却不是完全出于宗教或政治的原因，而是他的学术研究的兴趣所致。此时巴斯德在研究葡萄酒发酵的原因。1789年，法国著名化学家拉瓦锡提出发酵是一个化学过程，是空气和葡萄汁起反应的结果。这个观点逐渐成为学术界的主流。但是这个说法面临着一个问题：在酵母发酵过程中总能发现大量的微生物，它们是从哪里来的？要么是发酵后受到感染，要么是在化学反应中产生的，也就是自发发生。但是也有少数人认为这些微生物才是发酵的因素，酵母是一种活的微生物，发酵是微生物的活动引起的。

    巴斯德相信的是微生物发酵学说，因此他必然要反对自发发生说。从1860年2月到1861年1月，巴斯德向法兰西科学院递交了5篇短文报告他为了否定自发发生说所做的实验结果。1861年巴斯德把这些论文扩展成一篇论文，赢得了科学院的大奖。

    在这些论文中，巴斯德介绍他是如何用一系列实验来否定自发发生说的。他的实验材料是煮沸的含糖酵母液，用来做为细菌的养料。实验目的是为了说明培养液中的微生物来自漂浮在空气中的微生物。在一个实验中，培养液被放在密封的瓶子，输入用过滤或加热消毒过的空气，培养液中不会有细菌。随后输入没有处理过的空气，微生物就出现了。

    巴斯德最著名的实验是“鹅颈瓶”实验。他设计了一种特殊的瓶子，这种瓶子是开口的，但是瓶颈又细又长还扭曲了一下，象天鹅的脖子。他把瓶子里的培养液煮熟，再慢慢地冷却，新鲜的空气还能进到瓶子里面去，但是携带着微生物的尘土却被瓶颈堵住，掉不到培养液中去，培养液就长不出微生物来。要是把瓶颈敲掉，培养液很快就长出了微生物。

    巴斯德认为空气中的微生物浓度和环境状况、空气运动和海拔高度有关。他在山上的不同高度打开装着煮过的培养液的瓶子，发现海拔越高，培养液被微生物污染的可能性就越小。在高山上，20个装了培养液的瓶子，只有1个长出了微生物。普歇用煮过的干草浸液做材料重复了巴斯德实验，却得出不同的结果：即使在海拔很高的地方，所有装了培养液的瓶子都很快长出了微生物。普歇认为，只要有氧气的刺激，微生物就会从培养液中自发地生出来。

    1864年1月，法兰西科学院指定一个委员会来解决巴斯德和普歇的争论，要求两人在委员会的监督下，分别到大教堂屋顶、气球、山顶上取空气样品做实验。这个委员会的成员都是巴斯德的朋友或支持者。普歇在这一年的6月为抗议委员会不公平，退出了竞赛。于是委员会宣布巴斯德获胜。巴斯德成了法国英雄。

    如果普歇不退出竞赛，他倒是很可能获胜。普歇和巴斯德都以为，虽然他们用的实验材料不同，但是经过煮沸都能有效地灭菌。这个假定是错误的。当时不知道的是，普歇所用的材料——干草浸液中含有一种耐高温的细菌枯草杆菌，它的孢子在120°C温度下能存活20分钟，一般的煮沸并不能把它们杀死，因此培养液一旦冷却，枯草杆菌的孢子就会复活，迅速繁殖。所以，普歇的实验结果并无问题，但是他做出了错误的解释。

    即使是巴斯德的实验，也不像他报告的那么完美。巴斯德的实验记录现在已公开了，根据这些记录可以知道，他的实验只有一小部分（占10％）得到了他想要的结果，绝大部分都失败了，培养液中长出了微生物，但是巴斯德不认为它们是自发发生的，而归咎于实验错误，不做报道，而只报道符合他的观点的结果。

    在这次竞赛之后，自发发生说在法国没有了市场，巴斯德本人也转而研究其他问题去了。现在的教科书经常把巴斯德的鹅颈瓶实验做为否定自发发生说的决定性实验，从此自发发生说就被彻底推翻了。果真如此吗？其实，巴斯德的实验并没有证明生物不能自发地从非生物产生——想要用实验证明某个东西不可能发生，本身就是个不可能完成的使命。巴斯德实验只是表明了，现在的生物不太可能从非生物材料中自发产生。在巴斯德实验之后，有关自发发生说的争论并没有从此消声匿迹。只不过，这回战场改换到了英国，争论的背景也换了，改成了与进化论有关。

                          （下）

    在巴斯德与普歇就生物能否自发产生的问题争得热火朝天的同时，达尔文《物种起源》的发表引发了生物学上另一场更为重大的辩论。这场有关生物是否进化而来的大辩论也包含了有关自发发生论的辩论。达尔文的进化论被许多人认为为自发发生论提供了支持。进化论本身并不解决生命起源的问题，但是如果生命不是一直存在的，而是有个起点，那么，最初的生命要么是神创的，要么就是从非生命物质自发产生的。

    达尔文之前的进化论先驱者们，例如达尔文的祖父伊拉兹马斯·达尔文和拉马克，都相信生命能够自发产生。达尔文本人在公开场合回避了这个问题，但是在1871年致植物学家约瑟夫·胡克的信中，他设想，如果把铵盐和磷酸盐放在温暖的小水洼中，在光、热、电等等的作用下，就会形成有可能变成原始生命的蛋白质。在现在这样的蛋白质一形成就会被生物吃掉，但是在生命诞生之前，那就是另一回事了。达尔文的“斗犬”托马斯·赫胥黎为这个假说起了个名字，叫“无生源说”。

    达尔文、赫胥黎并不相信在现在生物还能自发产生，而只是把自发发生视为在远古时期生命起源的一种可能性。但是在其他进化论者看来，并没有必要去区分这两者。如果生命在以前能够自发产生，那么在现在，如果有合适的条件，为什么就不能自发产生呢？英国病理解剖学家巴斯琴（1837-1915）就是这么认为的。在19世纪60和70年代，他做了很多证明生命能够自发产生的实验，成为英国最主要的自发发生论支持者。巴斯琴的实验和普歇的实验类似，也是把培养基加热消毒、密封、冷却之后，如果从中发现了有微生物生长，他就认为是从无生命物质中自发产生的。

    巴斯琴之所以支持自发发生论，不仅是因为他相信进化论，还因为他不相信巴斯德提出的病菌论。病菌论认为传染病是由细菌引起的，这在当时是一个革命性的学说，如果它成立的话，有关疾病的传统理论和疗法都要因此发生根本的改变，招致了许多医生的反对。这些医生也因此成为自发发生论的支持者，巴斯琴的实验成了他们反对病菌论的依据。

    巴斯德当然认为巴斯琴的实验结果是受到了外界细菌的污染所致。他们在1876～1877年间发生了激烈的争论。巴斯德邀请巴斯琴到法兰西科学院当众解决争端，巴斯琴一开始同意了，却没有露面。巴斯琴在英国的主要对手是另一名进化论者、达尔文和赫胥黎的朋友、著名物理学家丁铎尔（1820-1893）。在1876年，丁铎尔发表一系列实验报告证明巴斯琴等人的自发发生实验都是由于受到悬浮在空气中的微生物的污染。他用光照射空气，可以看到微生物颗粒让光发生了散射。然后他发明了一个简单的办法来清除空气中的微生物颗粒。他在一个密闭的盒子的内壁涂上甘油，放置几天后，盒内空气中的微生物颗粒都沾到了甘油上，再用光照射，就会发现盒内空气已变得干净了。在这种干净空气中放置煮沸过的肉汤，放几个月也不会变质，而在普通空气中，肉汤几天就变质了。

    但是有人试图重复丁铎尔的实验，却失败了，放置在干净空气中的肉汤还是很快就变质了。这促使丁铎尔进一步研究实验失败的原因，不是由于干净空气中还有微生物颗粒，也不是由于微生物会从肉汤中自发产生，而是由于肉汤靠简单的煮沸还不能做到完全无菌：虽然煮沸能杀死细菌，却杀不死细菌孢子，细菌孢子即使被煮上几个小时也还活着，一旦肉汤冷却，就又开始繁殖了。丁铎尔因此发明了一种既简单又比较有效的灭菌方法。把培养基煮沸15～30分钟，然后在37摄氏度保温过夜，让培养基中的孢子长成细菌，再煮沸15～30分钟杀死新长出的细菌。如此重复三次，就可以杀死培养中的细菌和孢子。经过这样处理的培养基，在不被空气中的微生物污染的条件下就不会再“自发产生”微生物了。

    丁铎尔实验很有说服力地说明了，普歇、巴斯琴等人证明微生物能自发产生的实验要么是由于受到空气中的微生物颗粒的污染，要么是由于培养基没有做到完全无菌。在丁铎尔实验之后，要为自发发生说辩护变得越来越困难，相信它的人越来越少。从这个意义上说，丁铎尔实验才是推翻自发发生说的最后实验。

    但是严格地说，不论是巴斯德实验还是丁铎尔实验都没有否定生物自发发生的可能性，它们只是表明那些证明自发发生的实验都靠不住。从逻辑上看，要证明自发发生不可能存在，是不可能的。但是科学理论并不能只依靠简单的逻辑思辨。科学理论要能被接受，还需要有实验的基础。今天的生物学家已无人相信自发发生说，是因为从来没有实验能够真正证明它的确存在，而且微生物培养实验已无数次地证明，只有把微生物接种到灭菌的培养基上才能长出微生物。况且，微生物其实有着非常复杂的结构，难以想像它们能够从非生命物质自发产生。

    然而，否定自发发生说，并不等于否定生命起源的无生源说。虽然神创论者至今试图用巴斯德的实验来否证无生源说，但是正如赫胥黎早已指出的，这二者并不是一回事。今天的生物学家都同意，有细胞的生命不可能在现在的地球自发产生，但是也都认为最初的生命可以从非生命物质自发产生。这是因为，第一，原始的地球条件跟现在大不相同；第二，生命的诞生并不需一蹴而就产生细胞，从非生命到生命有一个漫长的进化过程。这就是生命起源的“化学进化”假说，这个假说已在实验室得到了一定程度的验证。古希腊圣贤对生命自发起源的设想并不那么离谱。

2009.8.26., 9.2., 9.16

（《经济观察报》2009.8.31, 9.14, 9.21.）

问：我觉得今年夏天特别热，甚至在有空调的房间里都能感觉到。这是不是表明地球气候正在变得更加炎热？

答：是的，地球气候确实正在变得更加炎热。根据联合国政府间气候变化委员会最新（2007年）的报告，全球平均气温在过去的100年中上升了0.74摄氏度，在过去的150年中，最暖的12年中有11年出现在1995年到2006年，其中1998年和2005年是最热的两年。造成这种变暖的原因很可能是人类活动导致的。

人类在过去150年的工业化过程中燃烧煤、石油和天然气等化石燃料，把大量温室气体（主要是二氧化碳）排放到大气中。这些温室气体就像培育蔬菜的玻璃温室一样让地球表面温度升高。变暖的气候也会带来更多的极端气候，例如热浪、暴雨、干旱等等。

不过，仅凭感觉夏天更热并不足以证明变暖。全球气候变暖是科学家根据统计数据得出的结论和预测，这就像说某国的人均预期寿命是70岁，但这并不意味着任何一个人都会在70岁死去。如果仅凭一个更炎热的夏天来证明变暖，那么一个更寒冷的事件（例如2008年中国南方的雪灾）是否证明了气候的趋势是变冷？当然不是。气候是天气的平均状态，具体的天气事件和长期的气候变化趋势并不能直接划等号。可以确定的是，根据气候模型的预计，你很可能在未来遇到更多更热的天气，但是由于天气系统非常复杂，由多种因素决定，某一个特定的天气事件是否可以归结于全球变暖，这需要仔细研究，找到造成这种天气的具体原因。

（编写：柯南）

问：怎么计算一个人的二氧化碳足迹？

答：近些年来，地球气候变暖问题引起了人们越来越多的注意。在促进地球变暖的各种所谓温室气体中，二氧化碳占据了一个主要地位，而二氧化碳恰恰又是与人们日常生活息息相关的一种气体。我们生活中的每一项活动，从自身需要的呼吸，到生火做饭和取暖，到使用电器，到乘车坐飞机旅行，都是一个消耗能量的过程。这些能量来源于各种含碳的矿物（如煤炭和石油及其衍生燃料）的氧化过程。二氧化碳便是这一过程中不可避免的副产品。那么，一个人在他的日常生活中，会因为这些活动导致多少二氧化碳的排放呢？这个问题的答案就是所谓一个人的二氧化碳足迹，也就是说他在地球上留下多少二氧化碳。

当然，每个人的二氧化碳足迹是没法科学地计算的，而只能根据他的生活方式和消费习惯做一个粗略的估计。日常生活中对二氧化碳排放量影响比较大的主要是住房、食物和旅行。比如说，在大城市里住公寓，因为公寓维修、取暖和空调等等每年就平均排放三到十吨的二氧化碳。如果住单独的大房子，排放量还会更多，也就是二氧化碳足迹会更大。普通的轿车如果开上一万公里，也会造成十吨二氧化碳的排放。坐飞机旅行对二氧化碳排放影响更大。一次短途飞行就会（平均每位乘客）排放半吨二氧化碳，而长途飞行平均一次就排放两到三吨的二氧化碳。人们吃的食物在生产过程中也会直接地或间接地（通过损耗能量）造成二氧化碳的释放。尤其是在现代社会，在超级市场买来的食物往往是从千万里外的产地运来的，在运输过程中便消耗了大量的能量并产生二氧化碳。美国的一个自然保护组织估计美国人在食物上平均每人每年排放四吨二氧化碳。

在计算二氧化碳足迹的时候，光知道能源的使用量也并不全面。因为各种不同能源的使用造成的二氧化碳排放量也不同：由水电站发的电排放的二氧化碳比用烧煤发的电就会少得多。因为具体到个人没办法追究其用电的来源，这只能按照其所在地电源的估计平均值来计算。燃烧煤炭每发一度电差不多要产生一千克的二氧化碳，而水电每度则不到一百克。由此可以看出水电站的优势。

知道自己的二氧化碳足迹以及它们的来源可以帮助每个人有意识地检查自己日常生活中的习惯性行为，继而采取行动减少二氧化碳的排放。比如尽可能地节省能源的使用，减少外出旅行等等。

（编写：程鹗）

问：日常生活中有什么办法能做到减少排放二氧化碳？

答：首先你应该考虑节省电能。由于目前中国大部分发电厂是用燃烧煤的方式发电，而燃烧煤会向大气中排放二氧化碳，省电就意味着减少了二氧化碳的排放。你可以选择：1、用节能灯代替白炽灯，同样亮度的节能灯的功率只有白炽灯的几分之一。如果每个家庭都这样做，可以减少大量的二氧化碳的排放。2、选择耗电少的电器，例如节能型的空调、冰箱和洗衣机。目前这些电器在销售的时候都标明了能耗等级。尽量选择节能型的产品。3、使用替代能源。目前最适合家庭使用的替代能源是太阳能。尽管太阳能发电尚未产业化，太阳能热水器技术已经相当成熟。与电热水器和燃气热水器相比，太阳能热水器几乎不会带来二氧化碳的排放。

其次，减少不必要的浪费、延长产品的使用寿命和回收也可以减少二氧化碳的排放。例如，制造一部手机或一张纸都会导致一定数量的二氧化碳被排放到大气中。如果你能尽量延长手机的使用寿命，也就间接减少了排放。同样，回收纸可以减少森林砍伐，而森林可以吸收二氧化碳并把它贮藏起来，因此循环利用纸也就减少了排放。

第三，选择二氧化碳排放更少的出行方式。尽量选择公共交通而不是自驾车，因为这样平均到每个人的二氧化碳排放更少。如果要开车，选择耗油量小的汽车。

（编写：柯南）

问：做饭做菜时有什么办法能节省能源？

答：选用合适的、节能的烹饪工具：一、应根据家庭人数的多少选用大小合适的饭锅，饭锅过大只会浪费能源。二、用高压锅煮食可以节省烹煮时间，不仅减少能耗，而且能保存更多食物中的营养。三、尽量使用微波炉烧水、烹饪。微波炉加热的速度快，能源效益高，和电炉相比，可以使用电量减少25～50％。电磁炉的能源效率也比较高。四、选用传热性能良好的煮食器皿，并且保持清洁以发挥最佳效率。

在烹饪时养成节能的习惯：一、冷冻的食物先自然解冻后再煮，这样可以节省解冻耗费的能源。二、烹煮加的水量只要符合需要即可，不要加水过量，每一点多加的水都要耗费能源加热，延长了烹煮时间。三、烹煮过程中尽量盖上锅盖，减少热量散发，可缩短烹煮时间节省更多能源。四、食物一旦煮沸，就可以调小火候，通常并不需要用大火才能维持沸腾。五、不必等食物煮好了再熄火，可以提前一、两分钟熄火，用炉灶的余热完成烹煮。六、做好计划，烹煮完就用膳，不要过早烹煮，因为给食物保温或再次加热只会浪费能源。

这些方法能省的能源对一个家庭来说可能很有限，但是如果许多家庭都如此，节省的能源加起来就很可观了。

（编写：方舟子）

问：在日常生活中有什么做法能够帮助保护水资源？

答：水是人类生活中不可或缺的资源之一。我们所居住的地球有一个非常庞大的水循环的生态系统，为我们提供着似乎源源不绝的水资源。我们能利用的不仅是随着雨雪降落的水，还有江河湖中的地面水源和通过打井等措施汲取的地下水源。人们从远古时代就学会了兴建水利工程，更好地利用这一资源。

然而，随着人口的增长、集中和工业化的发展，水资源在现代社会中反而正在遭受到各种威胁，以至于许多地方经常发生缺水危机，或因为饮用水的不健康而导致医疗卫生危机。人类生活对水资源的影响主要集中在过分开采使用、因为地球变暖的综合因素导致很多地方的水资源减少乃至消失和水污染等方面。

我们日常生活中的许多看似微小的生活习惯也可以影响到水资源的安全。比如随手把过期的药物或其它化学用品冲入下水道，就会增加水循环中不健康的化学物品和重金属元素。日常生活中的各种污染物，比如机油、蓄电池、杀虫剂和化肥等等，如果不妥善处理而随便丢弃的话，它们最终都很可能被雨水冲刷进我们的用水系统中。

节约用水更是一项保护水资源的重要措施。节约用水不但直接减少对水资源的消费和开采，而且会减少自来水供应过程中对能量的消耗，减少温室气体的排放。这样也能帮助我们的水资源不至于因为冰川的融化而消失。

（编写：程鹗）

问：有些家庭在厨房水池下安装了粉碎机。这对环保有好处么？

答：象绝大部分环保问题一样，这个问题并没有一个简单的黑白分明的好与坏的答案。想要搞清楚这一点，我们需要了解一下粉碎机的工作机理以及城市主要的垃圾处理方法。

家庭在做饭时，会产生一些有机垃圾，如果皮和碎菜叶等。饭后，会有些不会再吃的剩饭剩菜以及不可或不愿食的食物残余物，如肉皮、骨头等。一般情况下，人们将这些东西装到垃圾袋（一般是塑料袋）里，然后扔到垃圾箱中。在几乎所有的美国家庭和一部分的中国家庭中，人们把这些垃圾（除了坚硬如骨头的东西）倒到厨房水池中，推到装在水池下的粉碎机里绞碎，然后放水冲到下水系统中。

如果一个城市有非常完善的下水处理系统，用粉碎机处理废弃食物，不失为一个环保的办法，因为这样做不仅可以减少塑料垃圾袋的使用，还可以减少填埋垃圾的占地和焚烧垃圾对环境的污染。

粉碎机并不费电。一般粉碎机的功率在500到1000瓦之间，比普通台式计算机略高。每次使用粉碎机的时间很短，一般在几秒钟到一分钟（据被粉碎的垃圾数量而定）。粉碎机用水也不多。每天的用水量平均相当于冲几次坐式便桶。

对菜叶果皮等有机垃圾，最好的处理办法是自然母亲的方法——腐烂法，也就是让微生物、真菌和小动物等去分解处理它们，让它们回归自然。有些城市具有此等处理垃圾的能力，但大部分城市并不具备相应的技术和设施。

总之，在一般的中国城市，用粉碎机来处理与食物有关的有机废物，不失为一种环保的选择。

（编写：太蔟）

问：我给孩子购买玩具的时候如何选择比较环保的玩具？都有哪些需要注意的事项？

答：选购玩具的时候你可以考虑两个环境方面的因素。一个因素是你所选购的玩具是否会带来环境健康问题。例如，一些玩具可能使用了含铅的油漆，儿童在接触这些玩具的时候可能会把铅摄入体内（尤其是低龄儿童有时候喜欢吮吸玩具）。一些玩具可能使用了有毒的偶氮染料。还有一些塑料玩具可能添加了邻苯二甲酸酯类增塑剂，这些有毒的重金属和有机物对于正处于生长发育阶段的儿童特别有害。例如儿童铅中毒可能导致智力发育迟钝，而邻苯二甲酸酯类物质可能导致儿童性早熟。

另一个需要考虑的因素是玩具在丢弃后是否会对环境造成影响。例如一些电动玩具（例如遥控玩具汽车）可能使用了镍镉电池作为电源。但是镍镉电池中的镉是有毒的金属，随意抛弃含有这种电池的玩具可能导致镉污染。

当然，还有一个非常重要的因素需要考虑，那就是要避免选择那些对儿童可能产生身体伤害的玩具（例如尖锐或易脱落的物体，含有小磁铁等等）。

在中国，包括玩具娃娃和塑胶玩具在内的几类玩具已经实行了强制认证制度。在选购玩具的时候，尽量选择有认证标志的玩具。

（编写：柯南）

问：如何选择比较环保的家具？

答：为了保护森林资源，购买木制家具时，应选择来自可持续森林的产品，避免使用由珍稀木材制成的家具。寻找商品的 FSC（森林管理委员会）标签是选购环保家具的一个便捷方法，该标签是木制产品的“绿色标签”，表示原料木材来自经营良好的森林，相关森林的经营开发符合对环境适宜、对社会有益并且经济可行的标准。来自废弃家具和建筑的木材或有缺陷的木材经处理后也能制成质量很好的家具，还有一些家具由回收的金属和塑料制成，购买这类产品可以减少资源消耗。另外，竹林生长速度很快，因此竹制产品是很环保的选择。

除了材料差异，家具的设计特征在环保程度上也有很大差别。耐用、容易修理维护的家具可以使用很长时间，减少购买新家具的需求，既节约资源也为消费者省钱，因此即使价格贵一点也是值得的。容易拆装、回收成本低（例如使用的材料较为单一、易于分类处理）的特性则使家具在废弃后能便捷地进入资源回收渠道，而不是终结在垃圾场里。家具中的漆、胶、阻燃剂等化学物质会持续释放出挥发性有机化合物（VOC），污染室内空气，因此环保家具的另一项重要指标是VOC排放量必须符合国家标准。

（编写：碧声）

问：如何做到“绿色购物”？

答：“绿色购物”意味着当你购物的时候，你要考虑到你的决定对环境的影响，即应该优先选择那些节能和节省资源的商品，而且还要避免不必要的消费。具体的原则包括：1、购买能源利用效率高的电器，这样可以减少电能消耗，也就间接减少了温室气体的排放。如今许多家用电器都标明了能效以方便选购。2、购买非一次性的产品。例如，尽管镍氢充电电池比一次性电池更昂贵，由于前者可以反复使用数百次，这大大减少了资源的消耗并减少了可能的污染。3、不购买那些近乎“买椟还珠”的过度包装的商品，这种商品不仅浪费钱，更浪费资源。4、抑制过度的消费欲望，尽量不购买自己几乎用不着的商品，例如不要过于频繁地更换手机。5、购买再生的产品，例如再生纸和再生塑料制品。

（编写：柯南）

问：化妆品会不会对环境或健康造成危害？

答：人类至少从古埃及时代就开始使用化妆品，至今经久不衰。化妆品的原料和制造工艺也随着时代的变迁而改变。今天的化妆品大都采用石油化工材料制作，因此会含有一些对健康不利的化学成分。另外，化妆品中的色彩有些是依靠掺杂含重金属元素而实现的，这些成分很微小，但也是对健康和环境的一种隐患。

因为化妆品五花八门，种类繁多，而且更新换代非常快，其产品往往既没有经过上市前严格的安全实验，上市后也没有严格的监察管理。因此大多数化妆品的成分构成并不为人确知，其潜在的危害也就无法完全了解。幸运的是，化妆品是外用的，而且用量很小，因此至今没有因为使用化妆品而中毒或得病的确切报告。

化妆品往往使用精致而小巧玲珑的容器，这些容器除了装化妆品外没有别的什么用途，只能作为垃圾丢弃。它们不仅在生产过程中消耗能量和资源，作为垃圾也会加重对环境的污染。

（编写：程鹗）

问：我家里有蟑螂和蚂蚁。杀虫剂是杀死它们的最好方法么？

答：杀虫剂不是杀死它们的最好的办法，因为杀虫剂会给家里和环境（通过垃圾）带来污染。预防蟑螂和蚂蚁的最好方式，是根本不让它们有机会进到室内，即便进到室内也无法生存。我们可以把门窗的缝隙封好，安上密实的纱窗。我们可以在地面和墙壁上不留缝隙和孔洞，并去除所有可能滋生害虫的卫生死角。蟑螂和蚂蚁除了巢穴，还需要食物和水才能生存。如果我们把所有食物都封装或冷藏好，不留食物残渣，并及时扔掉垃圾，蟑螂和蚂蚁就断了食物来源。另外，我们应检查厨房和卫生间的管道，修好所有的泄漏处，蟑螂和蚂蚁便没了水源。如果采取以上全部措施，蟑螂和蚂蚁便不会在家里为害了。

另外一个不用杀虫剂去除害虫的办法，是在家里养几条壁虎。壁虎是蟑螂的天敌。它身形小巧，能钻到许多人无法碰到的几角旮旯去消灭害虫。即便壁虎钻不到蟑螂的老巢，它也会等在洞口，出来一个消灭一个。

如果想用化学方法消灭害虫，硼酸是最好的选择。硼酸被美国国家环境保护局（EPA）推荐为控制蟑螂、白蚁、火蚁等害虫的杀虫剂。硼酸会影响这些害虫的新陈代谢，并腐蚀掉它们的外骨骼。可以用硼酸与其它物质（如糖）做成诱饵。直接用干燥硼酸也可以得到同样的效果。直接使用硼酸，硼酸会落进地板的缝隙。蟑螂走过这些缝隙时，脚上便可能沾上硼酸。当它们再试图整理自己的时候，会用嘴舔进硼酸。这会让蟑螂在三到十天内死亡。

（编写：太蔟）

问：使用家用杀虫剂应注意哪些问题？

答：杀虫剂有毒。在使用家用杀虫剂时，一定要先认真阅读杀虫剂包装上的说明，按指令操作。在喷药时，除喷药人外，其他人和宠物要离开室内。喷药人一般应戴橡皮手套和防护眼睛，穿长袖外衣和长裤，穿橡皮靴子。袖口和裤腿不要塞到手套或靴子里头去，防止杀虫剂进入。另外，在喷药时，不要抽烟、喝水或吃东西，也不要揉眼睛和碰嘴。

在喷完药后，应开门窗通风几个小时，还应该用热肥皂水擦洗会接触食物的表面（比如饭桌、灶台等）。用热肥皂水清洗脸部和手。喷药时穿的衣物用具要认真清洗，且不要和正常衣物混洗。

（编写：太蔟）

问：夏天到了，我准备买一些家庭用的驱蚊、灭蚊产品，它们会对人体健康产生什么影响吗？它们对环境是否有毒？

答：你应该购买家庭用的驱蚊、灭蚊产品，例如家用杀虫喷雾剂、电热蚊香片或蚊香液以及避蚊胺。不要在家庭中使用剧毒农药用于灭蚊，那些农药尽管可能对蚊子有很好的杀灭作用，但是对人体也常常有较大的伤害。

目前在商店能买到的家用灭蚊产品通常是采用拟除虫菊酯作为主要成分。拟除虫菊酯是在天然的除虫菊酯（来自除虫菊的一种化学物质）的基础上人工制造的。目前已经有上千种不同的拟除虫菊酯。它对于蚊子而言是一种“神经毒剂”。

在灭蚊产品中最常用的是丙烯菊酯，这是最早人工合成的拟除虫菊酯之一，对人体的毒性低，在正常使用的情况下可以不用担心中毒问题。而且由于它容易分解，进入环境中也不会产生累积效应。它是较安全的一种灭蚊药物。不过，并非所有的拟除虫菊酯都一样安全。例如，根据美国环保署，氯菊酯经口进入人体“有可能致癌 ”。

最常见的驱蚊药物是避蚊胺。蚊子不喜欢对避蚊胺的气味，因此会远离涂抹了它的人体。避蚊胺也对人体很安全，因为使用避蚊胺而产生不良反应的病例很罕见。

（编写：柯南）

问：有人把从宠物店买来的国外动物放生，这样做会有什么危害？

答：国外动物，一般属于本地没有的物种。如果被释放到生态环境中，外来物种可能会对本地物种带来很严重的不良影响。国外动物或在本地没有天敌，从而数量激增，侵蚀本地物种所需的生存资源，或直接捕食本地物种。国外动物一般还携有本地没有的病毒或细菌。一旦这些病毒或细菌扩散开来，可能对对这些病原没有免疫力的本地物种带来毁灭性的打击。

一个例子，是巴西龟。巴西龟又叫红耳龟。原产巴西。巴西龟长得非常小巧可爱，很适合做宠物。有人把它进口到中国。许多中国家庭把它当宠物饲养。因为龟在中国文化里的特殊地位，一些主人选择放生巴西龟。许多主人没有想到的是，小巧可爱的巴西龟竟成了生态危害。巴西龟的适应性和繁殖力都非常强。把它们放生后，因为基本没有天敌，它们数量急剧增长，侵蚀生态资源，对本土野生龟与类似物种的生存带来了严重威胁。

（编写：太蔟）

问：去海边游玩过的朋友往往会带回一些美丽的珊瑚和贝壳做纪念。如何才能让它们继续健康持久地生存呢？

答：珊瑚和贝壳是美丽的。去海边游玩过的朋友往往会带回一些珊瑚和贝壳做纪念。可惜的是，这样带回的只是它们无生命的骨骼和外壳。在自然生态中鲜活的它们动起来，更是艳丽无比，精采万端。这一点，在热带海洋中潜过水、参观过水族馆或是看过海洋动物科教电视节目的人们，会有很难磨灭的记忆。

除了给我们人类带来奇幻的美丽外，珊瑚和贝壳（尤其是珊瑚）还是海洋生态重要的部分。珊瑚礁为海岸提供了良好的防侵蚀保护，也是海边沙摊的主要原材料来源。珊瑚对海水水质及温度非常敏感，可以做为海洋生态状况的哨兵。

近年来，由于人类的活动（向海洋里排放未处理好的废水，以及过频的旅游），海岸线附近的珊瑚礁群落受到了负面的影响。为了保护这些美丽的动物，我们人类应该严格控制向海洋排污，治理有出海口的河流，并将海岸线旅游业对珊瑚礁的影响减至最少。

（编写：太蔟）

    自生命起源到现在的数十亿年间，地球上大约出现过数十亿个物种，而现存的物种只有大约数百万个，也就是说，地球上曾经出现过的物种，99％以上都已灭绝。没有一个物种能够永世长存，现存的物种以后也会一个一个地灭绝。物种灭绝是一个一直在发生的过程，大部分（约占三分之二）的灭绝是由于不同物种之间的竞争、环境的变化等进化因素，分散地发生的，被称为背景灭绝。但是剩下的三分之一的灭绝，却是集中发生的，在比较短的时间内，仿佛祸从天降，许多物种一起灭绝，被称为大灭绝。

    物种大灭绝让地层中的化石分布出现了断层，某类群的化石完全消失了，而被新的化石类群所取代。地质学家根据古生物化石类群的更替现象来划分地质年代，把地质年代划分为古生代、中生代和新生代三个时期，每代之下再分为几个纪。

    古生物化石的更替现象在代与代更替时表现得最明显。从古生代的最后一个纪（二叠纪）到中生代的第一个纪（三叠纪），化石分布存在着最显著的跳跃，表明发生了生物史上最大的一次灭绝：在古生代大量存在的三叶虫到了二叠纪末期（约2亿2500万年前）再也找不到，而且96％的海洋生物物种也都灭绝了。从中生代的最后一个纪（白垩纪）到新生代的第一个纪（第三纪）的化石分布变化也非常明显，这一次的物种大灭绝规模虽然比不上三叠纪大灭绝，却最为著名：在中生代盛极一时，曾经主宰大地两亿年的恐龙，到了白垩纪后期（约6500万年前）完全不见了，同时灭绝的还有大约70％的海洋生物物种。

    生物史上的大灭绝并非只有这么两次。上个世纪80年代末的一项研究表明，生物大灭绝在历史上共发生过大约23次，大约每2600万年发生一次，似乎具有周期性。对于物种大灭绝的发生是否真的如此频繁和有规律，还有争议。但即使是最保守的估计，也认为至少有5次物种大灭绝是非常明显的。物种大灭绝即使不是有规律的周期性现象，也是反复发生过的。那么它为什么会反复地发生？

    恐龙的灭绝最为著名，研究它的人也最多，形形色色的“恐龙灭绝理论”不断地被提出。气候变化、火山爆发是经常被提到的因素。有的恐龙灭绝理论比较有创意，比如说哺乳动物把恐龙蛋吃光了。有的理论则到了荒谬的地步，比如说恐龙是集体自杀的，是被外星人吃光的等等。

    终于，有一个恐龙灭绝理论得到了大多数人的认同。1980年，曾获诺贝尔物理学奖的路易斯·阿尔法雷兹等人提出，恐龙灭绝是由于一颗小行星撞击地球引起的。这样的撞击爆发出巨大的能量，相当于几十万颗原子弹在地球上同时爆炸，足以引起物种的大灭绝。这听上去有点匪夷所思，但是并非空口无凭。阿尔法雷兹等人发现处于白垩纪和第三纪边界的岩层含有高浓度的稀有元素。稀有元素在地球岩层中虽然稀少，在陨石中却含量很高，因此这种异常现象表明在白垩纪后期，曾经有一颗大陨石跟地球相撞。1990年，在墨西哥的尤卡坦半岛发现了一个直径长达180公里陨石坑，被认为就是那次撞击留下的。

    现在已很少有科学家怀疑，在6500万年前曾经发生过一次惊天动地的陨石大碰撞。但是，在那个时间段发生过陨石大碰撞不等于就是它引起了物种大灭绝。在其他地质时期也有曾经发生过陨石大碰撞的迹象，但是当时的化石分布却无任何异常。不少科学家仍然坚持认为火山频繁爆发、气候变化或哺乳动物的兴起才是恐龙灭绝的主要因素。其它的几次大灭绝，我们连发生过陨石碰撞的迹象都难以找到。物种大灭绝是不是还有别的更普遍的因素？

    如果我们能够统计各个地质时期物种灭绝的规模，说不定能从中发现什么规律。但是一个物种的化石数量往往非常稀少，对它们进行统计容易造成误差，如果统计属（相似的物种组成一个属）或科（相似的属组成一个科）的灭绝情况，就要准确得多。这是个极为繁琐的工作。芝加哥大学古生物学家塞普科斯基在图书馆泡了10年，统计化石数量最为丰富的海洋无脊椎动物各个属、科产生和灭绝的时间。这项工作在1993年完成后，又激发了其他人去统计其他类群的古生物的情况。

    把这些数据汇合在一起，计算各个地质时期灭绝的科的数量，不出所料，通常灭绝的规模不大，但是时不时的，会出现灭绝的高峰，最高的5个峰，对应着最大的5次灭绝。这样的结果似乎没有什么新颖之处。但是在1998年，有两位物理学家换了个角度分析塞普科斯基的数据，统计灭绝规模的分布情况，有了出乎意料的发现：灭绝规模每增加一倍，发生的几率就减少为四分之一。

    这表明生物灭绝和地震、森林大火、沙堆坍塌一样，发生的频率也遵循幂律。当我们见到大事件时，总是习惯于认定它必然是由某种特殊的原因引起的。但是我们以前介绍过，幂律表明，大事件的发生因素与小事件的发生因素相同，它们的出现纯属偶然，是处于临界状态的系统发生连锁反应的结果，并没有特别的“大”因素（参见《野火烧不尽》，本版2009年9月9日）。当我们挖空心思要为物种大灭绝寻找特别的原因时，是否也误入歧途？也许，全球生态系统和地壳、森林、沙堆一样也处于临界状态，物种大灭绝和背景灭绝的发生因素并无不同，乃是普通的进化过程中一个罕见的，但是自然而然地发生的结果。

2009.9.14

（《中国青年报》2009.9.16）

    原本湛蓝的洛杉矶天空，变成了灰、红混杂。远处安吉利斯国家森林冒着浓烟。这是洛杉矶郡历史上最大的一场森林大火，从8月26日烧到现在火势才得到部分控制，已烧掉了约6万公顷的林地，占整片森林的20％以上。美国森林服务局认定这场大火的起因是有人纵火。这个认定并不意外。除了被闪电点燃，90%以上的野火都是人为引起的，不管是有意还是无意。人类与森林的接触日益紧密，森林野火发生的频率也就越高。就在同一时间，全美各地还有十几处森林大火在烧着。但是为什么只有安吉利斯的大火严重到成为了新闻？

    一场火灾要能发生和维持，取决于热、燃料和氧气三要素。这三要素只要缺了一个，温度不够高、燃料匮乏或氧气有限，火就无法传播，会慢慢熄灭。在这些要素中，影响野火大小的主要是燃料：树木的湿度、形状、大小、多少、彼此之间的距离、在地面上的排列状况等等都影响着火势的传播，而树木的情况又与树的种类和年龄有关。还有许多环境因素也能影响火势：风能把火吹旺，雨能把火浇灭，河流能阻碍火的传播……有没有什么一般规律能让我们预测一场野火的规模（即森林被焚面积）呢？比如说，哪种规模的野火最为典型？

    1998年，美国康奈尔大学研究人员用计算机模型对森林野火进行模拟。他们在网格上种虚拟的树，每一步骤在某个格子上种一棵，种在哪一个格子上是随机的，每个格子只能种一棵。随着时间的推移，网格上的树就逐渐地多起来。然后，每隔一定数量的步骤之后，程序就往网格上扔下一根虚拟的火柴，扔在哪里也是随机的。如果扔的那个格子上有树，树就被点燃了。如果这棵树相邻的四个格子上有树，火就传了过去。

    他们反复地运行这个程序，统计每次虚拟野火的规模，并没有找到典型的野火规模，却发现野火的发生遵循幂律，野火的规模越大，发生的频率就越低。

    我们以前介绍过，地震、沙堆崩塌的规模大小与发生的频率关系都遵循幂律（参见《像沙堆一样崩塌》，本版2008年6月4日）。幂律表明，大事件和小事件都是由相同的因素引起的，并没有特别的“大”因素。地壳或沙堆处于自组织的临界状态（自身逐渐形成的高度敏感的不稳定状态），在这种情况下任何规模的地震或坍塌都可能发生，大规模地震或坍塌的出现纯属偶然，并无其他的特殊因素，是不可预测的。

    看来发生野火的虚拟森林处于自组织的临界状态，那么真实的森林野火是否也如此呢？康奈尔大学的研究人员统计了发生在美国和澳大利亚的森林野火，同样没有找到典型的野火规模，并且它们也遵循幂律。看来森林的确是处于自组织的临界状态。这一发现不仅不能用来预测野火的规模，反而表明大规模野火的发生是不可预测的。

    不过，研究人员通过计算机模拟发现的另一个现象，却对如何控制野火的规模很有启发。他们用不同的点火频率进行模拟。有的模拟每种125棵树扔一根火柴，有的每种500棵树扔一根火柴，有的则每种2000棵树才扔火柴。点火的频率越低，发生大火的频率就越高。在频率低到每种2000棵树才扔火柴时，这时网格上已密密麻麻布满了树，扔下的火柴通常点燃大量的树木，在许多情况下甚至烧光了所有的树。

    他们把这称为“黄石公园效应”。在1972年之前，黄石公园对野火采取零容忍政策，一旦发现野火就尽量将其扑灭。这就像是模拟程序中超低的点火频率，也出现了类似的后果：1988年黄石公园突发大火，烧掉了32万公顷的森林，占黄石公园面积的36％。

    对任何野火都强行扑灭，这样做让森林不再处于临界状态，而是处于更不稳定的超临界状态：森林里充满了老树、死树、矮树、野草，地面堆满了树枝、树皮、枯叶，这些全都是上好的燃料，只要有了火源，就会熊熊燃烧起来，不可抑制地蔓延开去。野火是不可能完全制止的，只会推迟其爆发，推迟得越久，后果就可能越严重。

    美国林业部门后来意识到了野火也是森林自然生态一个不可或缺的部分，对自然因素引起的野火不再扑灭，任其燃烧（除非威胁到生命、财产的安全）；林务员时不时地还在严格控制下有选择地放火烧掉一部分森林。但是要让森林恢复被破坏了近百年的自然平衡还需要时间。如果美国林业部门早一点放弃对野火零容忍的政策，也许1988年的黄石公园大火就可以避免，安吉利斯国家森林所在的加州也不至于近年来连连爆发森林大火了。

2009.9.6.

（《中国青年报》2009.9.9）

    北大医学部一位副教授因为在他家门口见到中国政府出资免费补叶酸的广告，便在网上发了篇文章质疑有关部门“强补叶酸”的做法。据他说，大多数人已经从食物中得到了充足的叶酸，而高叶酸可能促进癌细胞的生长，导致肿瘤发病的增加。他因此义愤填膺地说：“难道我们的国家真的富到了可以乱花钱，让大家得病的地步了吗？”

    实际上，中国现在还只是在推荐补叶酸，并没有强补叶酸。美国才是强补叶酸，在这位医学部副教授看来，这简直是在投毒。那么被他说得如此恐怖的叶酸究竟是什么东西呢？真的那么可怕吗？

    1931年，英国生理学家露西·威尔斯在印度做研究时发现当地贫穷妇女怀孕时容易得一种恶性贫血，在酵母菌中有一种营养因子可以预防和治疗这种疾病。这种因子起初被叫做“威尔斯因子”，10年后，它首次被从菠菜叶子中分离了出来，因此被定名为叶酸。

    叶酸是一种B族维生素，是细胞分裂合成DNA时不可缺少的成分。如果从膳食中摄入的叶酸太少，DNA的合成就会减少，进而减少了细胞分裂。所有分裂的细胞都会因此受到影响，但是那些快速分裂的细胞受的影响更严重，例如红细胞的生产减少了，就出现了贫血。

    后来让叶酸名声大震的是一种叫神经管缺陷的出生缺陷。人类胚胎在第3周时，出现了一个叫神经板的区域，它的中间部分下陷，边缘隆起，形成神经褶。两侧神经褶逐渐向内侧合拢，到第27天左右，闭合形成神经管。神经管以后分化成脑和脊髓。

    如果神经管没有闭合，就出现了神经管缺陷。这是最严重也最常见的出生缺陷之一，每1000名新生儿中，就有1～2个有神经管缺陷：有的是大脑没有发育好，这种畸形几乎无一例存活；更多的是脊柱骨没有发育好，脊髓突出或暴露在外面，叫脊柱裂。脊柱裂会出现瘫痪、大小便失禁、智力障碍等症状。

    神经管缺陷的发生与多种因素有关。上个世纪50年代，研究人员注意到其中一个重要因素是营养不良。在贫困人口中，神经管缺陷的发生率总是比较高。而且，在冬天和早春受孕的婴儿患脊柱裂的比例比较高，是不是因为受孕时，母亲不容易吃到新鲜蔬菜和水果呢？

    到了60年代，研究人员做动物实验发现，缺乏叶酸能够导致神经管缺陷。随后开始对人进行研究。在80年代和90年代初做的几项临床试验都表明，在孕妇怀孕前和怀孕早期补充高剂量叶酸，能够有效地防止神经管缺陷，让神经管缺陷的发生率降低60～75％。孕妇摄入的叶酸量越高，出现神经管缺陷的风险就越低。

    根据这些研究结果，美国公共卫生服务部在1992年建议所有的育龄妇女每天摄入400微克叶酸。叶酸广泛地存在于各种食物中，富含叶酸的食物包括深绿色叶子蔬菜、柑橘、豆类、全谷等。不幸的是，食物中的叶酸很不稳定，在收割、储存、加工、烹饪过程中，一半以上的叶酸活性都会丧失掉。叶酸是水溶性维生素，水煮时更容易丧失。而且，天然叶酸不容易被人体吸收，只有大约50％能被人体吸收。以叶酸含量最高的叶子蔬菜为例，它们的叶酸含量虽然能高达160微克/100克，但是在考虑到食物叶酸的不稳定性和可吸收性后，每天要吃1千克叶子蔬菜才能满足孕妇对叶酸的要求，这显然是难以做到的。因此，与北大那位副教授说的相反，大多数人难以从食物中获得充足的叶酸。根据美国农业部的估计，多数美国育龄妇女每天从食物中摄取的叶酸只有200微克。

    幸运的是，人类早在1945年就成功合成了叶酸。合成的叶酸极其稳定，可以储存几年都不丧失活性，而且几乎能100％被人体吸收。服用叶酸制剂比靠膳食补充叶酸要可靠得多。虽然医生一般都会建议孕妇服用叶酸制剂，但是神经管缺陷是在怀孕的第一个月发生的，这时候孕妇都还不知道自己已怀孕，等到发现怀孕再补充叶酸就来不及了。为了避免这种情况，怀孕前就应该补充叶酸，但是有大约一半的怀孕是计划外的，为保险起见，所有育龄妇女都应该每天补充叶酸制剂。

    但是并不是每个育龄妇女都知道叶酸的重要性，即使知道了也只有少数人能每天坚持服用叶酸制剂。在食品中添加叶酸，让所有人“强补叶酸”才是最彻底的办法。美国食品药品管理局在1996年做出决定，强制要求自1998年1月起粮食制品添加一定量的合成叶酸。根据添加量估计，每个美国人每天因此额外补充大约200微克的叶酸，再加上从其他食物摄入的叶酸，基本可以满足孕妇身体对叶酸的要求。效果非常明显，在强制添加叶酸实施一年后，美国神经管缺陷发生率降低了26%。加拿大也在1998年采取同样措施，效果更明显，神经管缺陷发生率降低了46%。

    全民强补叶酸有可能使某些人的叶酸摄入量过高，但是说高叶酸会导致肿瘤发病率增加则是危言耸听。目前没有发现叶酸摄入过高有什么副作用。但是高叶酸可能干扰对维生素B12缺乏症的诊断。大约五分之一的老年人缺乏维生素B12，最初的症状是出现贫血。如果他们摄入的叶酸过多，就不会贫血，医生可能因此没有发现他们缺乏维生素B12，耽误了治疗。不过，每天摄入的叶酸要高达1毫克以上才会出现这种情况，按现在的叶酸添加量，是不太可能发生的。公共卫生政策乃是权衡利弊的结果，为了下一代的健康，有时不得不要让其他人群做出一定的牺牲。

2009.8.30

（《中国青年报》2009.9.2）

                              （上）

    “一尺之棰，日取其半，万世不竭。”这是《庄子》记载的惠施的话，现在经常有人把它当做是有关物质无限可分的命题，其实庄子是把它和“卵有毛”、“鸡有三足”等用来狡辩的谬论列在一起的，并不真把它当回事。

    与惠施差不多同时的古希腊哲学家倒是认真地探讨过类似的问题：把一个物体切成两半，再切成两半，如此反复地切，是不是能够没完没了地切下去，还是切到一定程度就无论如何切不了了？德谟克利特（约公元前460－370）认为切到最后就会切到最小的组成部分，再也切不动了。

    德谟克利特用另外一个思想实验来说明这一点。他让我们想像在海边漫步，问道：海里的水是不是连续的？如果一直把水分割下去会怎样呢？他打了一个比方，沙滩远远地看去是连续的，走近了看则是由一粒粒沙子组成的。他设想，如果把水分割成越来越小的水滴，最终会是再也没法分割的“水粒”。因此表面上看是连续的物体，都是由不连续的最小粒子组成的。德谟克利特把这种没法再分割的粒子称为原子，希腊语的意思就是“不可分割”。

    德谟克利特的原子观点是从其老师留基伯（约公元前500－440）那里继承并发展而来的。它最初被提出来，是为了解决古希腊哲学家争论不休的另一个问题：世界是不是变化的？赫拉克利特（约公元前535－475）认为一切事物都在变化中，留下了一句名言：“人不能两次走进同一条河流。”巴门尼德（约公元前520－450）则认为世上根本没有真正的变化，一切变化都是假象。你也许觉得让巴门尼德亲眼看看一些变化就能让他哑口无言，不过巴门尼德并不相信亲眼所见，他认为感官是不可靠的，只有纯粹的抽象推理才能获得正确的认识。做为一名哲学家，他的使命是用推理来破除感官假象。

    巴门尼德是这么推理的：真空是不可能存在的，因为真空就是无，说某种东西是真空，相当于说它是没有东西，这是自相矛盾的。既然真空不存在，那么运动是不可能的，因为物体运动需要真空，没有真空的话就没有物体移动的空间。巴门尼德进而否认存在多个事物，唯一真实存在的只有一个包含了一切的无限事物，它是不会变化的。它如果发生了变化，就意味着要从“无”产生“有”，或者让“有”变成“无”，这都是自相矛盾，不可能的。所以一切运动、变化都是虚假的。

    你也许会觉得巴门尼德的推理偷换概念、牵强附会。不过要驳倒它，却不是那么容易。留基伯试图用原子论来调和“变”与“不变”，“有”与“无”的矛盾。事物的组成单位原子是不变的，不能产生也不能消灭，但是原子之间的重新组合会改变了事物的形状，让它在表面上发生了变化。留基伯同意巴门尼德所说的，事物的运动必须要有真空，但是他认为，既然我们能够感觉到事物的运动，那么一定存在真空。真空和原子，是组成宇宙的两种基本元素。

    巴门尼德的学生芝诺从另一个角度否定运动的存在：你要走完全程，需要先走过给定距离的一半，为此又必须先走过一半的一半，一半的一半的一半……直至无穷，这样的话你相当于呆在原地了。芝诺还有一个更著名的悖论：长跑冠军阿基里斯永远追不上乌龟，也是玩类似的“无限”游戏：当阿基里斯到达乌龟的起跑点时，乌龟又走了一小段路了，阿基里斯必须再走过这一小段路，而乌龟又向前走了．这样，阿基里斯可无限接近，但永远追不上乌龟。为了解决这些运动悖论，留基伯否认事物可以无穷地分下去，假定存在不可再分的最小单位原子。

    德谟克利特把留基伯的原子论创建成了一个精致而完备的体系。根据这个理论体系，宇宙只由原子和真空这两种基本元素构成。原子是最小的、不可分割的、不可见的物质粒子，永恒地存在于无限的虚空之中，既不能被从无中创造，也不能被消灭。原子在数量上是无限的，在形式上是多样的。原子在真空中随机地运动，偶尔能够碰撞在一起结合成团。这些结合有的比较稳定，有的较不稳定。不稳定的结合将很快地分离，而较稳定的结合保留下来，并结合进越来越多的原子。事物的任何变化都是原子的结合和分离引起的。德谟克利特还试图用原子的形状来说明物质的性质，例如水原子是圆球形的，而火原子则有锐利的边缘。

    德谟克利特原子论与现代原子理论有多大的相似之处，其实并不是很重要，更重要的是他在其中体现出来的还原论和决定论的科学思想：试图根据少数基本观念解释整个世界，并且以数学为工具，加以定量的研究。德谟克利特也提出了机械论思想，把宇宙当成一个高度复杂的机器。同时，德谟克利特也是彻底的唯物主义者，在对世界的解释中否认任何超自然的精神因素。他认为神根本就不存在，是原始人由于恐惧和无知，为了解释未知事物而臆造出来。灵魂也不是什么神秘的东西，也是由原子构成的，只不过是最精致、最活泼的原子，人体死亡，原子分离，灵魂也随之消失。

    很显然，在一个几乎所有的人都信奉神灵、迷信超自然力量的社会，德谟克利特的思想观念会被认为是离经叛道的，必然会招致激烈的批评。据说柏拉图（公元前427－347）极其讨厌德谟克利特，曾经声称应该把德谟克利特的著作全部烧掉。柏拉图本人倒是相信原子的存在，并提出了自己的原子论来解释气、土、火、水四种元素的性质，但是在其全部著作中却只字不提德谟克利特。

    柏拉图的学生亚里斯多德（公元前384-322）却完全不相信原子的存在，在著作中对原子论做了一系列反驳。我们现在能够知道留基伯、德谟克利特的原子论思想，在一定程度上还得感谢亚里斯多德对他们的观点的转述，因为他们的著作都已佚失了。亚里斯多德不相信真空的存在，也不相信原子的存在。他认为物质是连续的，可以无限分割下去，不存在不可分割的最小单位。亚里斯多德对原子论有一些具体的责难。例如，原子论认为原子处于不停的运动之中，亚里斯多德问道，原子一开始是怎么运动起来的呢？换句话说，谁给了原子第一推动力呢？按当时的共识，物体要运动起来，就必须有力的作用。

    这个时候的争论还处于哲学争论的阶段，不可能通过实验来证明孰是孰非。古希腊哲学家也不习惯用实验来解决争端。他们宁愿只靠推理来提出和证明某个观点。但是只靠推理往往不能给出定论，一个观点能否被接受，就要诉诸其提出者的名望和权威了。亚里斯多德比德谟克利特更出名也更权威，人们也就更愿意相信他。结果，在德谟克利特之后相当长时期内，除了伊壁鸠鲁（公元前341-270）、卢克莱修（约公元前99～前55）等少数唯物主义哲学家，几乎没有人相信原子论。伊壁鸠鲁对原子论做了一番改造，却给它带来了更多问题。他认为原子不论其大小、形状，都在以相同的速度运动，缓慢地直线下降。果真如此的话，原子又怎么能够相互碰撞呢？伊壁鸠鲁不得不假定，原子在下降过程中，偶尔会突然转向，撞到了一起。

    到了中世纪，天主教会认为亚里斯多德的自然哲学与基督教信仰兼容，将其钦定为不可质疑的官方哲学。这个时候，如果在西方世界还有人公开相信原子论，就会被视为异端，有生命危险。原子论的复兴，在文艺复兴之后才有可能。

                              （中）

    到了文艺复兴时期，宗教势力的压迫在西方世界减弱，又有西方学者对原子论感兴趣。伽利略（1564–1642）就是这个时期最早相信原子的存在的学者之一。但是要让人们接受原子论，首先必须解决一个问题：真空到底存不存在？

    当时的学者普遍认为真空是不可能存在的，就连伽利略也接受亚里斯多德关于“大自然讨厌真空”的说教。伽利略的追随者托里切利（1608-1647）在1643年制造出了气压计：他把一根玻璃管灌满了水银，再倒立放进一碗水银中，玻璃管中的水银柱会下降，顶端部分变空了。那是不是真空？许多人仍然认为那不是真空，而是存在某种不可见的物质。1646年，法国物理学家、哲学家帕斯卡（1623-1662）听说了托里切利的气压计实验，做了重复，认为它证明了真空的存在，而玻璃管里的水银之所以不会全流走，是因为空气压力的缘故，气压的高低可以用气压计测出来。一旦真空被证明是存在的，反对原子论的一大理由就不成立了。法国科学家伽森狄（1592—1655）根据托里切利和帕斯卡的气压实验，提倡原子论，并首次把原子的集合称为“分子”。

    在英吉利海峡的另一头，波义耳（1627-1691）也做了很多真空实验，也相信原子论。但是他不相信原子的运动是随机的，认为原子怎么运动和向哪里运动要由上帝来决定。波义耳相信原子论，还与他热衷于炼金术有关。炼金术士相信物质是由不可见的微粒组成的。这种微粒论与原子论很相似，不同的是炼金术士认为微粒还可以分成内、外两层，水银能够穿透金属微粒，改变其内层结构，从而能将其他金属变成金子。

    牛顿（1642–1727）同样是个炼金术士，他也相信微粒论。他甚至认为光也是由微粒组成的。另一位大学者、法国数学家笛卡儿（1596-1650）也支持原子论，虽然他并不相信真空的存在。此时的原子论与古希腊时期并无太大的不同，仍然只是一种哲学学说，要让人们接受它还必须诉诸权威。有笛卡儿、牛顿这两位大权威的支持，原子论很快就被普遍接受了。不幸的是，这两位权威对原子的看法在细节上存在分歧，和其他哲学学说一样，分歧难以靠争论来解决，要接受哪个版本的原子论，取决于你更愿意相信谁，甚至取决于你是哪国人——多数法国科学家接受笛卡儿的原子论，而在英国则倒了过来，相信牛顿的版本。

    真正为原子论提供了实验依据的不是物理学家，而是化学家。但是在此之前，还有一个障碍需要清除：什么是元素？亚里斯多德认为世界由气、火、水、土四种元素组成（在天上还有第五种元素——以太）。这个观点被视为真理信奉了两千年。炼金术士在此基础上增加了三种元素：汞、硫和盐，但并非指具体的物质，而是分别用来代表金属性、可燃性与非金属性、溶解性。波义耳在1661年发表《怀疑派的化学家》，对亚里斯多德的四元素学说和炼金术的三元素学说都进行了批判，认为这些传统的元素都不是真正的元素。他提出，元素应该是指既不能由其他物质生成，也不能相互转换，无法再分解的某种原始、简单的东西。他并提出，元素的种类有很多，什么东西能被算是元素，要用实验来确定。一百多年后，法国化学家拉瓦锡（1743-1794）在1789年出版的《化学概要》一书中，列出了33种元素，尽管其中有些元素其实是化合物，而且他把光、热也当成元素，但是这是第一张现代意义上的元素表，包含了许多真正的元素，例如氧、氮、氢、硫、磷、碳、铜、锡、铁、锰、汞等等。

    拉瓦锡明确地把元素定义为无法用任何方法分解的物质，并根据实验结果提出了质量守恒定律：在化学变化中物质的质量是守恒的，物质不能被创造也不能被消灭。另一位法国化学家普鲁斯特（1754－1826）根据一系列实验结果，在1799年提出定比定律：每一种化合物，不论是用什么方法制备的，其组成元素及质量都有确定的比例。这条定律在今天看来是明显不过的了，它其实是化合物的定义。但是在当时，化合物和混合物的概念还没有做出明确的区分，因此这条定律的提出受到了许多化学家的反对，他们认为元素能够以任何比例相互结合。

    这两条定律都很容易用原子论来解释。更关键的实验是在1803年由英国化学家道尔顿（1766-1844）做出的。他发现，如果一种元素的质量固定，那么和它结合的另一元素在各种化合物中的质量一定和它成简单的整数比，而不会是分数。用原子论来解释这条倍比定律是最简单不过的了。在1808年出版的《化学哲学的新体系》一书中，道尔顿根据这些定律系统地提出了原子论。

    道尔顿认为，元素是由极为微小的微粒——原子组成的。一种元素的所有原子全都一样，但是与其他元素的原子不同。不同元素的原子能够根据其相对重量（原子量）区分开来。一种元素的原子能和其他元素的原子形成化合物，组成一种化合物的不同元素的原子总是有固定的比例。在化学变化中，原子不能被创造、分割或毁灭。化学反应不过是改变了原子结合的方式。这样，道尔顿把原子论从哲学学说变成了有坚实的实验基础、可以预测和验证的科学理论，为化学研究奠定了理论基础，让化学真正成为了一门科学。

    但是就在道尔顿系统提出原子论的这一年，原子论遇上了一点麻烦。法国化学家盖－吕萨克（1778–1850）发现气体化合体积定律，在同温、同压下，参加同一反应的各种气体的体积互成简单的整数比。例如，氢气和氯气化合生成氯化氢时，三者的体积比为1:1:2。也就是说，一体积的氢气和一体积的氯气生成了两体积的氯化氢。根据道尔顿原子论，同体积气体中所含原子的数目必然相同，这就意味着一原子的氢气和一原子的氯气生成了两原子的氯化氢。这又意味着生成一原子的氯化氢需要0.5原子的氢气和0.5原子的氯气。但是这就与原子是化学反应中不可分割的最小微粒的说法相矛盾了。因此道尔顿干脆否认盖－吕萨克的实验结果。

    之所以会出现这个矛盾，是由于在道尔顿原子论中，没有分子的概念，把所有的物质都看成是由原子直接组成的。意大利化学家阿伏伽德罗（1776–1856）在1811年提出，一个气体分子可由两个或两个以上的相同原子组成，例如氢气分子和氯气分子都是双原子分子，而且在同温、同压下，相同体积的气体都含有相同数目的分子。根据这个观点，从气体化合体积定律可以推导出，一分子的氯化氢需要0.5分子的氢气和0.5分子的氯气，但是这与原子论并不矛盾，因为0.5分子的氢气和0.5分子的氯气分别是一原子的氢气和一原子的氯气，原子并没有被分割。

    阿伏伽德罗的分子论完善了原子论，完满解释了气体化合体积定律，虽然道尔顿本人并不领情。但是这仍然留下了一种可能性：固体、液体不是由原子组成的，而是连续的，只有在蒸发成气体时，才生成了原子。的确也有一些事实让人怀疑固体是否是由原子组成的。比较精确的实验结果发现，在不同的制备条件下，和1克氯气反应的钠的质量会有轻微的变化，并不是像原子论预测的那么确定。合金更成问题。它们的化学成分变化很大，但是却和纯金属一样稳定。

    原子论的最大缺陷是，原子无法被直接观察到，这让许多物理学家无法相信原子是真实存在的。到了19世纪末，原子是否真实存在，成了科学争论的一大热点。

                               （下）

    到了19世纪末，对化学家来说，已无人会质疑原子的存在。这一点并不奇怪，现代化学就是建立在原子论的基础上的，如果不相信原子的存在，也就不可能去研究化学。偶尔有几个顽固分子，例如在担任政府高官期间利用权力禁止教原子论的法国有机化学家贝特罗（1827–1907），此时也都改变了立场。

    但是对物理学家来说，就是另一回事了。在许多物理学家看来，原子仅仅是一种理论假设而已，甚至是没有必要的假设。例如，德国籍物理化学家奥斯特瓦尔德（1853－1932）等人相信唯能论，认为能量是唯一真实的实在，各种现象都可以用能量及其相互转化来解释，物质、原子、分子的概念都是多余的。

    在反对原子论的物理学家中，影响最大的是奥地利物理学家马赫（1838–1916）。他承认原子是一个有用的概念，可以用来解释很多现象，但是这并不等于原子就是真实存在的。由于原子不能被直接观察到，所以马赫认为它只是一个假想的概念而已。在科学史上，也曾经有过类似的概念，例如用来解释燃烧的“燃素”、用来解释热的“热质”，后来都被证明是不存在的。同理，原子也是不存在的。

    只有少数物理学家坚定地捍卫原子论，其中嗓门最高的是统计力学的创建者、奥地利物理学家玻尔兹曼（1844–1906），他的统计力学是建立在原子论的基础上的，如果原子、分子不是真实存在的话，他的主要学术成果也就成了泡影。为此他与马赫、奥斯特瓦尔德展开了激烈的论战。但是在战斗中他显得很孤单，由于无法说服大多数物理学家接受原子论，玻尔兹曼心灰意冷，患上了严重的忧郁症，最终付出了生命的代价——于1906年9月5日自杀身亡。

    可惜的是，在玻尔兹曼自杀两、三年后，原子的存在就被实验直接证实了，原子论在物理学界取得了完全的胜利。原子（或分子）存在的直接证明首先来自对“布朗运动”的研究。1827年，苏格兰植物学家布朗（1773-1858）用显微镜观察水中的花粉时，发现花粉在做不规则的抖动。他接着观察水中的灰尘，发现它们也在抖动，表明这种无规则运动并不是由于生命运动引起的，液体中各种不同的悬浮微粒都能做布朗运动。那么如何解释这个现象呢？1905年，爱因斯坦（1879-1955）在一篇论文中指出，布朗运动是由于周围液体分子的不平衡碰撞导致的，这个现象是分子（以及原子）存在的直接证据，并建立数学模型做了理论计算。1908年，法国物理学家贝兰（1870–1942）用实验证实了爱因斯坦的计算结果。

    贝兰的实验结果出来后，许多反对原子论的物理学家都改变了立场。1909年奥斯特瓦尔德公开表示接受原子论。除了布朗运动的实验，让奥斯特瓦尔德觉得原子论真实可信的还有英国物理学家汤姆孙（1856–1940）对电子的发现。它是汤姆孙于1897年在研究阴极射线管时发现的。阴极射线管是一种抽了真空的玻璃管，一端有电极。给阴极射线管加上电流，就有发光的射线从电极射出。汤姆孙注意到，带正电的板会吸引射线，而带负电的板则排斥射线，因此该阴极射线是带负电的。他推导出阴极射线是由带负电的粒子（即电子）组成的，并计算出电子比最小的原子（氢原子）小大约2000倍，因此它们是原子的组成部分，而不是带负电的原子。由于用不同材料做的电极都能发射电子，汤姆孙认为所有的物质都必定含有电子。

    电子的发现不仅证实了原子的存在，而且表明原子并不是不可切割的，还有比原子更小的粒子。由于物质一般并不带电，既然电子带负电，那么原子内部必然还有带等量正电的部分。汤姆孙设想，原子是一团带正电的云，里面撒着一些电子，就像是撒了葡萄干的布丁。

    怎么验证这个葡萄干布丁模型呢？需要有某种东西小到能够穿透原子。恰好在1900年左右，人们发现放射性现象，有些矿物质会自发地发射出几种射线，其中一种射线是由带正电的阿尔法粒子组成的。1911年，英国物理学家卢瑟福（1871—1937）用阿尔法粒子当子弹射向金箔。阿尔法粒子大约比电子重7400倍，如果葡萄干布丁模型是正确的，那么阿尔法粒子就能全部轻易地穿透金原子，照亮金箔后面的屏幕。

    实验出现了意想不到的结果。虽然大部分粒子穿透了金箔，但是有相当一部分出现了折射，还有少数粒子被反射了回来。这个结果实在令人吃惊，用卢瑟福的话说，就像是海军用15英寸的巨炮射击一张纸，炮弹却被弹回打到了自己。卢瑟福因此认为汤姆孙的原子模型是错误的，并提出原子是由集中了原子的质量、带正电的原子核和带负电的电子组成的，那些发生折射、反射的粒子是正好撞上了坚实的原子核。

    有了卢瑟福的发现，原子的存在已毫无疑义，对原子结构的研究诞生了量子力学。但是马赫至死不相信原子的真实性，毕竟，原子是没法看到的！要用显微镜看到原子似乎超出了人类的认识极限，然而，在1981年，人们用扫描隧道显微镜首次实时地观察到了单个原子在物质表面的排列状态。用这一技术，人们还能对单个原子进行操作，把一个原子从一个地方搬运到另一个地方。如果马赫活到现在，也不会怀疑原子的真实存在了。

    虽然马赫等人对原子论的批评最终被证明是错误的，但是这一争论是相当重要而且有益的。它是正当的学术争论，迫使相信原子论的人们去寻找能够确凿地证明原子的存在的实验证据，让原子论完全、彻底地摆脱了哲学思辨的阴影，让物理和化学有了更坚实可靠的基础。

2009.7.29, 2009.7.31., 2009.8.12.

（《经济观察报》2009.8.3, 10, 24）

【方舟子按：中新网、搜狐等网站从《中国青年报》转载此文时，把标题窜改成与内容不符的《肤色与生殖能力密切相关 “白人”生育劣势明显》，而“万维读者”盗用此文，则干脆将作者名字给删了。】

    黑猩猩的皮肤天生是什么颜色的？“当然是黑色的！”你也许会不加思索地回答。其实你看到的是黑猩猩毛发的颜色。留意一下小黑猩猩的脸、脚掌等没有被毛发覆盖的部分，你会看到它的皮肤颜色其实非常淡。

    在几百万年前的东非，我们人类的祖先和黑猩猩的祖先相揖而别，走上了不同的进化道路。我们可以设想，人类祖先的模样和现在的黑猩猩有些类似，也是深色的毛发覆盖着浅色的皮肤。当人类祖先脱掉了毛发，变成“裸猿”，浅色的皮肤完全暴露了出来，同时也就变成了“白猿”。但是，为什么今天非洲的原住民的皮肤颜色全都很深，以至被夸张地称为“黑人”呢？

    肤色的深浅主要取决于皮肤中黑素的多少和大小。在阳光中的紫外线的刺激下，黑素颗粒的数量和大小也会增加，也就是所谓被晒黑了。黑素是人体制造的天然防晒霜，用来吸收阳光中的紫外线。紫外线如果不被屏蔽掉，不仅会灼伤皮肤，更严重的是，会损害皮肤细胞中的DNA，进而诱发恶性的皮肤癌——黑素瘤。肤色越浅越容易得皮肤癌，例如，美国白人黑素瘤的发病率是美国黑人的十倍。

    显然，人类祖先在脱掉毛发后，必须保护皮肤免受非洲强烈阳光的伤害。答案似乎显而易见：人类祖先的肤色变深，是自然选择的结果，以预防皮肤癌。但是这个答案存在一个漏洞。皮肤癌通常要在长年累月遭受紫外线的损害后才会发生，发作时病人往往已进入了生殖期，早已留下了后代，而自然选择是通过控制后代的多少发挥作用的，对皮肤癌患者的影响很小。

    应该还有别的因素让肤色浅的人的生育能力大受影响，自然选择才会有用武之地。研究发现，肤色浅的人如果暴露在强烈的阳光下，血液中的叶酸就会受到破坏，含量迅速下降。叶酸是一种B族维生素，是细胞分裂合成DNA时不可缺少的成分，任何涉及到细胞快速增殖的生理过程都需要叶酸，叶酸缺乏会影响到许多生理机能。对男人来说，体内缺乏叶酸会影响精子的生产。对女人来说，怀孕时体内缺乏叶酸会导致流产，或者让胎儿出现神经管缺陷，生下无脑儿或脊柱裂（脊椎没有完全闭合）婴儿。这些都与生殖能力的高低直接相关，让肤色浅有了明显的生殖劣势，这可能是人类祖先肤色变深的主要原因。

    在十几万年前，现代人的祖先走出非洲，逐渐扩散到世界各地。当人类祖先迁移到高纬度地区时，肤色又成了问题。在高纬度地区，阳光不像低纬度地区那么强烈，紫外线辐射量大为减少，黑素做为天然防晒霜起到的保护作用很有限，过多了反而对身体有害。原来，紫外线虽然会破坏叶酸、损伤皮肤，却也有一个至关重要的功能：刺激皮肤合成维生素D。人体所需要的维生素D大约有90％是在紫外线的刺激下由皮肤合成的，剩下的10％才从膳食中摄取。

    肤色深的人在热带地区生活时这不是个问题，虽然紫外线大部分被黑素屏蔽了，但是漏网的那一小部分已足够用来合成维生素D了。但是他们到了高纬度地区，就没法获得足够多的紫外线来合成维生素D了。维生素D帮助肠道吸收钙、磷，如果体内缺乏维生素D，就会进而导致体内缺乏钙、磷，影响骨骼的生长，出现佝偻病，这种病在婴幼儿时期就会出现。女性如果在儿童时期缺维生素D，会使骨盆畸形，以后会难产。

    因此在高纬度地区，肤色深成了严重的生存劣势，这些地区的人类的肤色又逐渐变浅了。做为这个观点的一个佐证，在所有人群中，女性的肤色一般比男性的浅，她们皮肤中的黑素要少大约3～4％，虽然人们往往认为这是由于男性偏爱浅肤色女性的结果（进化论把这叫做性选择），但是其深层原因可能与育龄女性对钙的需求量要比男性大得多有关，特别是在妊娠和哺乳期，女性对钙的需求量更大，因此女性肤色较浅，是为了能够让更多的紫外线穿透皮肤，制造更多的维生素D。

    你也许会想到，这个观点有一个反例：生活在北极圈周围的因纽特人（以前叫爱斯基摩人）的肤色并不像北欧人那么浅。不过，因纽特人大量地吃海鱼和海豹油脂，这些食物富含维生素D，已足够满足他们的需求，因此他们肤色变浅的压力没有那么大。而且，因纽特人是在大约5000年前才向北迁移，他们的肤色还来不及发生进化。

    几百年来，人类在世界范围内再次发生了大迁徙，许多肤色浅的人群迁移到了热带地区，而许多肤色深的人群则迁移到高纬度地区。他们的肤色更没有时间发生适应当地气候的进化。何况自然选择的结果并非总是完美，即使是原住民，也有很多人会缺乏维生素D或叶酸。这些人本来要被自然选择所淘汰，但是文明社会不允许一切都“顺应自然”。建议儿童、孕妇补充维生素D制剂，孕妇补充叶酸制剂，成了各国医学界的通行做法。但是医学建议并不能保证人人会遵守，在日常食品中添加营养素是一个更有效也更便宜的措施。今天，美国等发达国家销售的牛奶都普遍添加了维生素D，而美国政府更是在1998年1月起强制要求所有的粮食制品都必须添加叶酸。现代医学让人类具有了抗拒自然选择的能力，可以惠及每一个人，但是它的实现，却需要全社会的认同和参与。
   
2009.8.23

（《中国青年报》2009.8.26）