方舟子的Blog

                              （上）

    以太是希腊语的译音，意思是“上天的空气”，在古希腊神话中，指天神呼吸的纯净空气，与凡人呼吸的下层浑浊空气不同。

    哲学家也喜欢“上天的空气”。古希腊哲学家认为世界由水、气、火、土四种元素组成。特别看重几何学的柏拉图（公元前427－347）把四元素几何化，认为组成它们的原子形状分别是体现其性质的一种正多面体。但是正多面体共有5种，还剩下的一种柏拉图认为对应的是第五种元素，宇宙和天体即由这种最高元素构成。柏拉图的学生亚里斯多德（公元前384～322）把这种元素称为以太。从此以太成了一个自然哲学的概念。

    在亚里斯多德的自然哲学体系中，水、气、火、土是构成地球的元素，它们是变化的，并做直线运动。而以太是充满太空和构成天体的元素，它是永恒不变的，并做完美的圆周运动。中世纪西方哲学家基本上接受了亚里斯多德的说法，只是做了一点小改动：以太的密度是会变化的，构成天体的以太密度要比充满太空的以太介质的密度要大一些。

    牛顿力学的创立颠覆了传统观念，证明天体和地球一样由相同的物质构成，遵循相同的物理定律，例如万有引力定律。天体不再被认为是由以太组成的。但是太空中充满以太这个观念却不仅没有被抛弃，反而有了一定的科学依据，由哲学观念变成了科学假说。

    万有引力定律告诉我们，两个物体不互相接触，也彼此存在吸引力，即使二者的距离非常遥远，这种力也依然存在。那么，这种超距离作用是如何产生的呢？力可以不接触就传递开去，这是难以想像的，似乎应该有一种介质来传递引力，牛顿(1642～1727)和其他许多人都假定这种媒介就是以太。不过，牛顿在这个问题上的立场并不一致。在其他场合，他拒绝提出假说来解释引力的性质。而据牛顿的朋友说，牛顿后来干脆说引力直接遵循上帝的旨意。

    当考虑到光的传播时，问题更大。第一个有关光的性质的科学假说是荷兰科学家惠更斯(1629～1693)提出的。他认为光是一种波。光的衍射现象很容易让人想到光是一种波，就像水波的衍射一样。但是要用波动来解释光的直线传播、反射、折射等各种光学现象却不容易。惠更斯提出了一个后来被称为“惠更斯原理”的学说阐明波面在媒体中的传播性质，在此基础上用作图法巧妙地解释了各种光学现象，让光的波动学说有了理论依据。

    但是光如果是一种波的话，根据当时的知识，这就意味着它需要借助某种介质来传播，就像声波以空气为介质、水波以水为介质传播一样。然而，波义耳（1627～1691）已证明在真空中声音不能传播，光线却可以传播——你可以透过真空看到东西。这表明在真空中有某种比空气还要细微的介质来传播光波。惠更斯认为这种光波介质就是以太。

    如果光是一种通过以太介质传播的波，而我们能够看到星光，说明以太介质充满了太空。牛顿认为这将会阻碍天体的运行，但是既然所有的观察都表明天体的运行并没有受到什么介质的影响，没有证据能够证明这种介质的存在，就不应该认为光的传播需要介质，那么光就不是一种波。

    牛顿提出了一个针锋相对的学说，认为光是一种极其细小的微粒，而且它们的运动遵循他发现的三大运动定律。光的微粒学说很容易解释光的直线传播和反射：光微粒的运动速度极快，所以光做直线传播；光线反射是由于光微粒碰撞反射面引起的。但是用微粒学说来解释光的折射和衍射却很困难。为了解释折射现象，牛顿不得不假定存在一种以太介质，它传递振动的速度比光要快，折射被认为是在不同地方的以太介质的密度和弹性不同引起的。至于这种以太介质究竟是什么东西，牛顿承认他不清楚。

    光的波动学说和微粒学说基本上还只是见仁见智的理论思辨，它们的接受程度，主要取决于其倡导者的影响力。但是在牛顿系统地提出微粒学说时，惠更斯已经死了，没有重量级的人物能跟牛顿对抗，何况惠更斯的学术地位还不如牛顿。由于牛顿的巨大影响力，此后相当长时间内，光微粒学说占了主导地位。

    但是进入19世纪后，形势开始逆转。英国物理学家托马斯·杨(1773～1829)、法国物理学家菲涅耳(1788～1827)用干涉实验证明了光是一种波。1850年，法国物理学家傅科(1819～1868)用实验证明了光在水中的速度比在空气中慢，这一结果与微粒学说相冲突（认为光在水中的速度比在空气中快），而符合波动学说的预测（在水中光波波长减小），牛顿的学说被推翻了。此后，英国物理学家麦克斯韦(1831～1879)建立电磁学，他的电磁方程计算出电磁波在真空中的速度恰好等于真空中的光速，表明光就是一定频率范围内的电磁波。德国物理学家赫兹（1857～1894）用实验证实了这个预见。波动学说取得了全面的胜利。

    波动学说的胜利也是以太学说的胜利。当时的物理学家仍然认为，正如机械波的传播需要特定介质，包括光波在内的电磁波的传播也需要特定介质，这种介质必须充满所有的空间，惠更斯的以太因此又复活了。

    而且，麦克斯韦电磁方程要求所有的电磁波在真空中都以恒定的速度（也即光速）传播。在牛顿力学中，这要求有一个绝对的参照系，否则参照系发生变化，电磁波的相对速度也应该跟着变化。静止地充满宇宙的以太被认为就是麦克斯韦电磁方程所需要的绝对参照系。

    在这个时候，以太的存在是科学推理的结果，对物理学家来说，假定以太的存在是最自然不过的事了。

                               （中）

    到了19世纪，光被证明是一种波之后，光波的传播介质——以太——的存在，就被认为是理所当然的事情。如果要理解光的性质，就必须理解其介质的性质。反过来，从已知的光波性质，又可以推导出以太应该有什么样的性质。

    这些推导，都是根据机械波的研究，这就使得以太的性质显得非常古怪。机械波是机械振动在介质中的传播，声波、水波、绳波都是机械波。其中绳波最简单。把绳子的一端固定，拿起另一端抖动，就可以看见有一个波形在绳子上传播，连续不断地进行周期性的上下抖动，就形成了绳波。波在绳子上的传播速度取决于绳子的弹性和质量。绳子的弹性越大，质量越小，波速就越快。光波和以太似乎也应该遵循同样的关系。1746年，瑞士大数学家欧拉(1707-1783)估计以太的弹性至少要比空气大1000倍，而密度至少要比空气少1亿倍。

    机械波有纵波和横波两种。振动方向与波传播方向一致的波叫纵波，例如声波。振动方向与传播方向垂直的波叫横波，例如绳波。当光的波动学说刚刚被提出的时候，光波被认为是和声波一样的纵波，以太被认为是一种弹性流体。光被证明是一种波的同时，也被发现光波不是纵波，而是一种横波，其振动方向与传播方向垂直。

    但是流体是不能传播横波的，只有固体才能传播横波，因此以太必须是固体。横波的传播速度取决于介质的弹性力和密度。光波的传播速度如此之快，表明以太必定是一种非常坚刚的固体介质，但是以太却又没有对星体之类的大物体的运动造成任何阻碍作用，这似乎是自相矛盾的。有人因此提出，以太也许是一种像果冻一样的物质，在物体运动速度较低时，它就像流体，而在物体振动频率很高时，它又像固体。这样，地球、天体能够轻易地在以太中运行，而以太又有足够的坚刚来支持光的传播。

    光速在真空中是一个固定的常数，这说明以太是静止不动的。虽然物体能在以太中穿行，但是以太本身是不动的，而以太又迷漫了整个太空，这样，所有物体的运动都可以看成是相对于以太在运动，以太在一定意义上就相当于绝对空间。

    所以，如果以太存在，它就为所有运动提供了一个绝对参照系，可以根据它来测量物体的运动速度，例如地球相对于以太的速度。当地球绕着太阳公转，就会产生“以太漂移”，这是地球穿过静止的以太时，出现的以太风，就像你坐在行驶的车中，把手伸到窗外，能感受到风一样。以太风应该会对光速产生影响，可以利用这一点来测量地球的速度。1879年，麦克斯韦给美国航海年历局写了一封信，询问是否能够通过观察木星的卫蚀来测量地球的绝对运动。他指出，如果地球相对于以太在运动，那么沿着地球运动方向（也就是以太风的方向）发出一个光信号，它的速度就会受到反方向“吹”的以太风的影响，到一定距离后反射回来，来回往返的时间，要略大于同样的光信号在垂直于地球运动的方向在相等的距离往返的时间。这个差异将会极其微小，麦克斯韦认为是无法测出的：地球公转的速度只有光速的万分之一，而当时对光速的测量精确度只能达到大约5％。

    当时年仅25岁的美国物理学家迈克尔逊（1852～1931）刚好在美国航海年历局，看到这封信受到了启发。他发明了一种利用光的干涉现象精密测量距离的仪器——干涉仪，能够用它测出互相垂直的两束相干光的速度差异。这个仪器的主要部分是一个半透明的镜子，两个分别放在与光源水平和垂直的相等距离上的反射镜。一束光照射到半透明的镜子上，一部分穿透镜子，一部分被反射，分离成了互相垂直的两束相干光，分别射到两个反射镜上。这两束光波再分别反射回来，互相重叠时，就会出现干涉条纹：在某些区域加强，在另一些区域则削弱，形成稳定的明暗条纹。如果两束光分别在干涉仪等长的水平臂和垂直臂上往返的时间出现微小的差异，就会使干涉条纹发生变化。

    如果干涉条纹发生变化，有可能是以太风引起的，也有可能是仪器误差引起的，例如水平臂和垂直臂的长度存在微小的差异，也会让光的传播时间出现差异。在实际操作中，不可能让两臂的等长精确到不对光的传播产生任何影响。迈克尔逊想到了一个巧妙的办法解决长度误差问题：他让水平臂和垂直臂的位置对调，让它们交替地处在和地球运动方向平行和垂直的位置上，比较在对调前后的干涉条纹有无变化，这样就可以消除长度误差产生的差异。

    1881年，迈克尔逊做了第一个以太漂移实验。1887年，迈克尔逊和莫雷(1838～1923)合作，对仪器进行了改进，进一步减少误差，重复了实验。后来人们提到以太漂移实验，一般指后一个实验。

    这个实验后来被称为史上最著名的失败实验。后人在提及这个实验时，有一些不准确的说法。比如说这个实验未能发现两束光的速度有差异。实际上，他们测量到了微小的差异，但是远小于预期的结果。计算表明，如果以太存在，他们应该能观察到0.4条干涉条纹的移动，而实际上他们只观察到0.01条干涉条纹的移动，这可能是实验误差。

    另一种说法是，迈克尔逊做这个实验的目的是为了验证以太是否存在。实际上这并非迈克尔逊的目的。和当时其他物理学家一样，迈克尔逊已假定以太的存在，他只是想要测量出以太的存在会产生的影响，但是未能得到预期的结果。从这个意义上说，它是一个“失败”的实验。

    还有一种说法，这个“失败”的实验证明了以太不存在，宣布了以太的死刑。但是迈克尔逊、莫雷和当时的物理学家都不这么看。他们仍然相信以太的存在，迈克尔逊－莫雷实验没能测量到以太的作用，应该有别的解释。一种解释是，地球在运动时带着周围的以太一起运动，这样在地球上就不存在以太风，迈克尔逊－莫雷实验也就测不出光速的差异。这是迈克尔逊本人接受的解释。

    另一种解释是爱尔兰物理学家菲茨杰拉德（1851～1901）和荷兰物理学家洛伦兹(1853～1928)先后在1889年和1891年独立地提出来的。它指出，当物体运动时，物体内的电磁力会让运动方向上的物体长度缩短。因此，在迈克尔逊－莫雷实验中，与地球运动方向平行的水平臂的长度会变短，让光程也变短，刚好抵消了以太风对光速的影响，以太风的作用也就测量不出来了。洛伦兹提出这个解释的时间虽然比菲茨杰拉德晚，但是做了更系统的阐述并给出了公式，因此这个解释有时被称为洛伦兹收缩。

    还有一些人则改进以太风实验，试图得到预想的结果，但是都失败了。莫雷在1905年与米勒(1866～1941)合作改进实验，据说得到非常确定的阳性结果，但是仍然过小。就在这一年，爱因斯坦发表了狭义相对论，从一个全新的角度解决了以太的问题。

                                     （下）

    1905年被称为爱因斯坦的“奇迹年”。这一年，还在专利局当职员的爱因斯坦接连发表了4篇影响深远的论文，解决了困扰当时的物理学界的一些最重要的难题，改变了我们对时间、空间、物质和光的看法。其中最著名的是第3篇论文，它提出了狭义相对论。虽然迈克尔逊－莫雷的以太风实验后来经常被做为兆示相对论的关键实验介绍，但是爱因斯坦提出相对论并不是为了解释该实验的结果。它只是当时一系列关于以太的实验之一而已，爱因斯坦并没有认真对待它。

    这是一篇非常奇特的论文。它没有引用任何文献，只提到了5个前辈科学家的名字：牛顿、麦克斯韦、赫兹、多普勒和洛伦兹。前面提到，洛伦兹为了解释迈克尔逊－莫雷以太风实验的“零结果”，根据麦克斯韦方程推导出当物体运动时，物体内的电磁力会让运动方向上的物体长度缩短，因而抵消了以太风的影响。这套方程式被称为洛伦兹变换。爱因斯坦认为洛伦兹变换反映了更普遍的自然规律，而不是电磁力的作用。根据两条物理原理也可以推导出洛伦兹变换：相对性原理和光速不变原理。

    相对性原理最早是伽利略提出来的，它认为对于任何不做加速运动的参照系（即惯性参照系），运动定律都是等价的。例如，不管你是在一辆时速100公里的车上，还是在时速40公里的车上，运动定律都应该是一样的，二者没有区别。从麦克斯韦方程可以得出，光在真空中总是以恒定的速度（每秒30万千米）传播。如果电磁现象也适用相对性原理的话，那么不管是在快车还是在慢车上测量光速，测得的结果都应该是相同的。但是根据经典力学，这是不可能的，因为任何物体的运动速度的测量结果和参照系的选择有关。如果在路边测量一辆车的时速是100公里，那么在时速40公里的车上测量，它的时速就应该变成了60公里，而不会还是100公里。光速也应该类似，用不同的参照系测量的结果不应该恒定不变。

    这样，相对性原理和光速不变原理就出现了矛盾，要么相对性原理不对，要么麦克斯韦电磁规律不对。因此当时的物理学家认为电磁规律不适用相对性原理，麦克斯韦电磁理论只在相对以太静止、也就是相对绝对空间静止的参照系中才成立。但是爱因斯坦认为相对性原理和光速不变原理都是成立的，只不过我们必须改变绝对时空的观念。

    把相对性原理和光速不变原理结合起来，就能推导出洛伦兹变换，由此又可以推导出一些“奇怪”结果，例如运动物体的长度收缩、时间变慢效应。时空变成相对的了。经典力学假定存在一个对所有的观察者来说都是一样的绝对空间和时间。假设有人在路边射箭，甲在旁边观看，他看到射手和靶之间的距离是10米（空间间隔），箭从射出到中靶用了1秒钟（时间间隔）。乙在行驶的车上同时观看了整个过程。乙看到的结果会和甲一样吗？常识和经典力学都认为是一样的，都是10米和1秒。爱因斯坦则认为这个常识是不对的，根据相对论可以算出甲和乙看到的空间间隔和时间间隔实际上并不一样。空间和时间是相对的，取决于观察者所在的参照系。如果绝对时空不存在，那么就无需假定存在迷漫太空的以太做为绝对参照系。在狭义相对论中，以太成了多余的东西。如果以太不存在，迈克尔逊－莫雷的以太风实验当然只能获得“零结果”。

    在同一年，爱因斯坦发表有关光电效应的研究结果，从另一方面解决了以太的问题。1887年，赫兹发现光照射到金属上时，金属会发射出电子，称为光电效应。1902年，匈牙利－德国物理学家勒纳（1862～1947）指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而逸出的现象，并发现逸出的电子的能量高低与入射光的强度无关，而随着光的频率增加而增高。这个发现没法用光的波动理论来解释。但是如果把光看成是由粒子组成的能量流，就可以解释光电效应。这样，光就可以当成是具有波的性质的粒子，粒子是不需要靠媒介来传播的，光波的传播也就不需要以太这种介质了。以太存在的另一个理由也消失了。

    但是并不是所有的物理学家都愿意立即抛弃一度被认为是理所当然的观念。洛伦兹仍然相信我们需要假定以太的存在，继续使用以太的概念，认为它与相对论并不矛盾。甚至爱因斯坦本人也做了让步。他在1920年在洛伦兹所在的莱顿大学做了一个“以太与相对论”的报告，试图调和相对论和以太论。他指出，狭义相对论虽然不需要以太的概念，但是并没有否定以太，而根据广义相对论（把时空相对性推广到引力现象），空间具有物理性质，在这个意义上，以太是存在的。他甚至说，根据广义相对论，没有以太的空间是无法想像的。爱因斯坦所说的“以太”其实只是把广义相对论中的度规场换了个说法，并不具有物质性，和传统意义上的以太没有相似之处。

    此后还有人继续寻找以太存在的证据。从1920年开始，米勒做了一系列以太实验，并在1925年宣布测量到地球与以太之间的相对运动。迈克尔逊和其他人立即重复米勒的实验，但是没有人能证实其结果。1929年，米勒本人也承认他的实验结果可能是错误的。

    但是要人们彻底地埋葬一个沿用已久的传统观念并不那么容易。直到现在还有人时不时地试图复活以太，即使他们所谓的“以太”和历史上的“以太”除了名称相同，没有任何别的关联。不过，对大多数物理学家来说，“以太”已和“燃素”、“热素”一样，成为了过时的概念。以前的物理学家相信、寻找以太的历史成了反面教材，在某些人看来似乎是一种可笑的愚蠢举动。这种看法并不公平。在19世纪，物理学家们有很好的理由相信以太的存在。即便以太风实验没能检测到以太的作用，也还可以有别的合乎逻辑的解释，并没有否定以太的存在。甚至相对论也只是认为假定以太的存在是多余的，并没有否定以太的存在。只有在经过了多年的实验和辩论以后，物理学家们才逐渐有了比较一致的看法，既然以太无法被检测到，也难以解释其奇怪的性质，还不如抛弃这个概念，更加简单。“不应无必要地增加实体。”中世纪英国哲学家奥卡姆的威廉曾经写下的这句被称为奥卡姆剃刀的简短格言，后来也被当做科学研究和理性思维的一条原则。以太的概念在现在就是被奥卡姆剃刀给“喀嚓”掉的：我们不再相信以太的存在，因为没有必要假设以太的存在。

2009.10.14., 10.21, 11.4.

（《经济观察报》2009.10.26., 11.2., 11.16）

    1660年11月22日，英国化学家波义耳等12人在伦敦格雷欣学院开了一次会。此前，这些人已形成一个研究新兴的实验科学的“无形学院”。在这次会议上，他们决定把这个小圈子变成正式的学会。这个设想得到了刚刚复辟的查尔斯二世的支持，国王成了学会的保护人，因此就被叫做“伦敦王家学会”。王家学会是至今还存在的最古老的科学团体，相当于英国的国家科学院，其会员也就相当于国内所谓“院士”，而其实其学术地位比国内院士高得多，按其网站的说法，当选王家学会会员是仅次于获得诺贝尔奖的荣誉，可以在名字后面牛气地署上FRS（王家学会会员的英文缩写）的头衔。人类历史上最伟大的一些科学家，例如牛顿、法拉第、达尔文、麦克斯韦，他们没有机会获得诺贝尔奖，却都是FRS。

    王家学会代表的是英国的科学传统，而这个传统有时也能通过家族血缘来延续。从王家学会建立至今350年，只产生了大约8000名会员，却有许多人来自同一个家族。会员档案中有一栏即是记载其与其他会员的亲属关系。最显赫的是达尔文家族。从达尔文的祖父到达尔文的曾孙，6代人中代代都有人成为FRS，达10人之多。

    达尔文的曾祖辈默默无闻，修家谱要从祖父辈算起。他的祖父伊拉兹马斯（1731～1802）是当时的名医，连国王都请他当御医，但是他不去。他一边行医一边研究植物学和发明各种各样的器械，还是个诗人，在诗中表达过生物进化的思想——不过达尔文提出进化论并非从他爷爷的奇思妙想那里得到的启发。伊拉兹马斯在30岁时就成了FRS，后来自己也搞了一个对英国工业革命起过重大推动作用的科学学会，为了走夜路时不至于摸黑（当时可没有路灯），选在月圆之夜聚会，所以叫月亮学会。通过这个学会他认识了达尔文的外祖父韦奇伍德（1730～1795）。韦奇伍德是英国历史上最著名的陶器工艺家，由于发明了一种测量高温的温度计，韦奇伍德在1783年当选FRS。

    伊拉兹马斯能文能理能工，对女人很有杀伤力，两任妻子两位情人共给他生了13个子女，活到成年的有10个。老大学医做解剖时不幸划破手指感染早逝，继承衣钵的重任交给了三儿子罗伯特（1766～1848）。罗伯特用两年时间就获得了医学博士学位，毕业论文有一项重大发现（证明眼球在盯着看时还在不由自主地做微小运动），因此得以在王家学会的会刊上发表。由于这个原因，再加上伊拉兹马斯的影响力，罗伯特不到22岁就当选FRS。不过这篇论文是伊拉兹马斯帮着写的，按现在的说法叫“包装院士候选人”。此后罗伯特果然也成为名医，但是在科学上再无建树，他对科学所做的最大贡献，是生下了达尔文(1809～1882)。

    达尔文原本也是要继承其祖其父的衣钵的，但是他忍受不了手术台上淋漓的鲜血，只好从医学院退学改学神学。毕业后做为一名业余博物学家随贝格尔号环球航行5年，一路寄回国的大量标本让达尔文还没回国就在英国科学界出了名，由业余博物学家成了著名博物学家。回国3年后，达尔文当选FRS，年仅30岁。当然，那时达尔文还只是崭露头角，他此后的成就是没有哪个选举他的人意料得到的。达尔文成了王家学会的骄傲，王家学会在1890年专门设立“达尔文奖章”奖励在达尔文开创的生物学领域做出重大贡献的人。

    达尔文倒是有一点继承了其父的衣钵：他也娶了韦奇伍德家的人为妻，娶的是外祖父的孙女爱玛。他们共生下了10个子女，其中有3个夭折。于是有一个流传很广的谣言称，由于达尔文是近亲结婚，其子女不是夭折就是痴呆或短命。其实按当时的医疗条件达尔文子女的夭折率并不算高，而他成年的子女也都身心健康，不仅长寿，而且男孩子后来都干出了一番事业，其中有三个当选FRS：数学家、天文学家乔治（1845～1912），植物学家弗朗西斯（1848～1925），最早从事科学仪器的工业化生产的工程师霍勒斯（1851～1928）。这三人全都被英王授予爵位，弥补了达尔文至死还是一介平民的遗憾。其中弗朗西斯算得上是达尔文的学术继承人，和达尔文一起开创了实验植物学，为此在1912年获得达尔文奖章。

    达尔文的孙子的职业更为多样化，其中有名列世界高尔夫名人堂的体育作家、艺术家、诗人，只有一位从事科学研究：乔治的儿子查尔斯·高尔顿·达尔文（1887～1962）。他师从卢瑟福和玻尔，是著名物理学家，在第二次世界大战期间担任英国国家物理实验室主任。他在1922年当选FRS，后来也成了爵士。

    查尔斯的妻子是个数学家，这样的家庭成为科学之家顺理成章：他们的5个子女有4个是科学家或工程师。不过其中没有人成为FRS。达尔文家族第六代“院士”靠达尔文的孙女来养育：乔治的外孙、生理学家理查德·达尔文·凯恩斯（1919～）（经济学家约翰·凯恩斯的侄子），霍勒斯的外孙、神经生物学家霍勒斯·巴洛（1921～）。这两人都是达尔文的母校剑桥大学的教授。

    达尔文家族第七代（达尔文的曾曾孙）的名人中有历史学家、作家、音乐家，但是没有科学家，FRS的传统可能就此中断。中国古人有云：“君子之泽，五世而斩”，而达尔文家族连续6代，代代出“院士”，这样一个难以打破的传奇记录，靠的恐怕不只是祖先的恩泽。

2009.11.9

（《中国青年报》2009.11.11）

    国内一些“专家”，在国外一些“专家”的指导下，起草了一份《动物保护法（专家建议稿）》，涵盖范围之广，规定之详细，大概都走在了世界前列。这里说的动物保护，不是指的保护濒危动物，而是指的保护一般动物不受虐待，其实是指“动物福利”。国外涉及动物福利时，往往还要区分一下温血动物和冷血动物，比如动物实验如果用到温血动物（哺乳类和鸟类），会受到某些限制。如果连冷血动物也要“保护”，连奥巴马总统在镜头前拍死一只苍蝇也要指责，就被当成了笑话。
    但是这个“专家建议稿”却是要对动物一视同仁，明文规定所要保护的动物包括腔肠动物、软体动物、昆虫、哺乳动物等等一切动物。这么一来，就未免让人觉得管得太宽了。比如它规定“禁止开展动物争斗的实验”，则恐怕连小孩玩蚂蚁打架游戏也是犯法的了。
    科学家开展动物争斗的实验，当然不是为了好玩，更不是出于虐待动物的阴暗心理，而是为了弄清楚影响动物争斗的因素。从腔肠动物到哺乳动物，几乎所有的动物都会为了争夺食物、配偶、领地而争斗，人类也不例外，因此研究争斗行为并不是因为像有些“专家”那样吃饱了饭没事干，说不定还能帮助解决人类社会的某些问题。我不知道世界上还有哪个国家准备禁止开展动物争斗的实验，动物争斗实验是当前动物学研究的一个热点。哈佛医学院克拉维兹实验室就是专门做果蝇争斗实验的，被戏称为“果蝇搏击俱乐部”。北京大学饶毅实验室现在也建立了类似的俱乐部，在以后也许就有受处罚、取缔之虞。
    果蝇是一种小型的苍蝇，身长大约只有普通家蝇的一半。一般人对果蝇的印象，也就是它们会被腐烂的水果吸引来翩翩飞舞，很难想像它们还会互相打架。如果果蝇不是很偶然地成了被研究得最为透彻的实验动物之一，大概也不会有人注意到它们还很好斗。上个世纪初，美国遗传学家摩尔根要研究遗传学问题，没能申请到培养哺乳动物的经费，改养起了果蝇，从此让果蝇成了遗传学研究的重要工具。1915年，摩尔根的学生斯特提万特在养果蝇时首次注意到，让两只雄蝇去追求同一只雌蝇，它们会打起来：张开翅膀互相追逐，并用头相撞，很快会有一只认输逃走。
    以后又有人陆续抓果蝇打架，不过都是把多只果蝇扔一块儿打群架，不容易看出个所以然。等到本世纪初果蝇搏击俱乐部在哈佛轰轰烈烈地开张，才遵循搏击规则，在圈起来的场地里捉对厮杀。比赛场地是一个铺了一层琼脂的培养皿，中间滴了一滴苹果汁做为奖品。为了刺激雄选手，在苹果汁上还放一只无头雌蝇——无头苍蝇是不会跑的，但是能吸引雄蝇，雄蝇只对雌蝇的下半身感兴趣。然后放两只雄蝇让它们打起来，用录像机拍摄下整个比赛过程。
    在拍摄了2000多场比赛之后，研究人员有一些有趣的发现。雄蝇的战术还真不少。最温和的战法是俯身向对手冲去，或者是朝对手竖起翅膀，做威慑状。这么做与对手没有肢体接触，属于不战而屈人之兵的高明战术。但高明的战术未必能奏效，所以往往还要贴身肉搏：伸出一条脚去刺对手；用后肢站起来向对手猛扑过去；或者双方都站起来，挥舞前肢击打对手。最激烈的是双方扭打在一起，满地打滚。
    正所谓“先下手为强”，谁先发动进攻，谁的胜算就比较大，而且第一次攻击越猛烈，胜算就越大。如果第一次攻击采用的是温和的战术，胜算是3比1。但是如果一开始就发动猛烈进攻，胜算就提高到16比1了。而且第一次比赛的结果还会对以后的比赛产生影响。如果第一次比赛的失败者休息30分钟以后重上战场，几乎不可能获胜，不管对手是前一次的胜利者还是第一次遭遇。看来果蝇对自己的失败会有惨痛的记忆，影响了以后的发挥。
    和女人一样，雌蝇之间也会打架。不过她们温和得多，从来不使用“拳击”、“扭打”这类激烈手段，倒是经常用撞头、推挤这类雄蝇很少用的战术。和雄蝇不同的是，雌蝇的打架往往没有产生明显的胜利者。雌、雄果蝇在争斗中的不同表现，与一种叫fru的基因有关。让雄蝇带上fru基因的雌蝇版本，雄蝇打起架来就很像“娘们”。反之，让雌蝇带上fru基因的雄蝇版本，她们将像雄蝇一样剽悍。
    用果蝇做研究材料的好处是很容易做遗传实验，可以在实验室里培育出战斗力超强的果蝇。每次比赛之后，让最顽强的选手留下后代，在其后代中再继续挑选顽强的选手做种……这样持续培育几十代后，就得到了一支超级搏击队。拉起这么一支队伍的目的不是为了去参加果蝇奥运会，而是为了把它们和一般选手做比较，看哪些基因发生了变化。初步的研究发现至少有42个基因与果蝇的争斗行为有关，非常复杂。
    很显然我们没法拿人来做类似的遗传学实验，但是研究表明人类的争斗行为也有一定的遗传基础。通过调查发现，孪生子更容易表现出相似的好斗倾向，即使他们从小就被分开抚养。但是这类调查的结果并不是那么确定，也很难靠它来发现有关的基因。通过动物实验，能帮助我们理解人类暴力行为的生物学基础，也许有一天能让我们的社会变得更和平一些。

2009.10.26

（《中国青年报》2009.11.4）

    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）