方舟子的Blog

你很可能在中学化学课堂上听到德国化学家凯库勒（1829～1896）在梦中发现苯环结构的故事。如果你的化学老师忘了讲，那么你很可能在某一本面向少年儿童的科普读物中读到它。这个故事的背景是这样的：已知一个苯分子含有6个碳原子和6个氢原子，碳的化合价是4价，氢则是1价，有机物的碳原子互相连接形成碳链，那么在饱和状态下每个碳原子还应该与2个（在碳链中间）或3个（在碳链两端）氢原子化合，算上去6个碳原子应该和14个氢原子化合，比如己烷就是这样的。苯分子只有6个氢原子，说明它的碳原子处于极不饱和状态，化学性质应该很活泼。但是苯的化学性质却非常稳定，说明它和不饱和有机物的结构不一样。

苯究竟有什么样特殊的分子结构呢？这个问题把当时的化学家难住了。凯库勒也对此百思不得其解。故事说：一天晚上，凯库勒坐马车回家，在车上昏昏欲睡。在半梦半醒之间，他看到碳链似乎活了起来，变成了一条蛇，在他眼前不断翻腾，突然咬住了自己的尾巴，形成了一个环……凯库勒猛然惊醒，受到梦的启发，明白了苯分子原来是一个六角形环状结构。

凯库勒是在1865年发表有关苯环结构的论文的。1890年，在柏林市政大厅举行的庆祝凯库勒发现苯环结构25周年的大会上，凯库勒首次提到了这个梦。和后来的流行版本略有区别的是，他说他是在火炉前撰写教科书时做的梦的。这个故事很快传遍了全世界，不仅一般人觉得有趣，心理学家更是对它感兴趣。一百多年来，众多心理学家在提出有关梦或创造性的理论时，都喜欢以此为例。据说它是研究创造性的心理学文献中被举得最多的一个例子。

一个人是否做过某个梦，由他说了算，空口无凭，别人不好判断真假。凯库勒既然在25年后当众亲口说他做过这么个蛇梦，我们看来只好相信他了。不过凯库勒做的可不是一般的梦，而是与科学发现有关的，那就有可能找到支持或反对它的间接证据。美国南伊利诺大学化学教授约翰·沃提兹在上个世纪80年代对凯库勒留下的资料做了透彻的研究，发现有众多间接证据能够证明凯库勒别有用心地捏造了这个梦故事。

其实关键的证据有一条就够了。凯库勒说他是受梦的启发发现了苯环结构的，如果我们能够证明在凯库勒之前已经有人提出了苯环结构，而且凯库勒还知情，那么我们就可以认为凯库勒没有说真话。事实的确如此。沃提兹发现早在1854年，法国化学家奥古斯特·劳伦在《化学方法》一书中已把苯的分子结构画成六角形环状结构。沃提兹还在凯库勒的档案中找到了他在1854年7月4日写给德国出版商的一封信，在信中他提出由他把劳伦的这本书从法文翻译成德文。这就表明凯库勒读过而且熟悉劳伦的这本书。但是凯库勒在论文中没有提及劳伦对苯环结构的研究，只提到劳伦的其他工作。

所以，凯库勒是没有必要从梦中得到启发的。凯库勒编造这么个离奇故事的原因，可能正是为了不想让人知道他的重大发现与法国人有关。在当时的德国反法情绪很盛行，年轻时曾在巴黎留学的凯库勒也受到感染。沃提兹发现凯库勒在一封信中把法国人叫做“狗崽子”。或许可以说，这是一种“爱国主义”的剽窃行为。

在凯库勒之前，还有别人提出苯是环状结构，其中值得一提的是奥地利化学家约瑟夫·洛希米特，他在1861年出版的《化学研究》一书中画出了121个苯及其它芳香化合物的环状化学结构。凯库勒也看过这本书，在1862年1月4日给其学生的信中提到洛希米特关于分子结构的描述令人困惑。所以即便凯库勒在1865年时已忘了劳伦提出的苯环结构，也还可以从洛希米特的著作那里得到启发，不必靠做梦。不过，洛希米特把苯环画成了圆形，而劳伦则是画成正确的六角形，更接近于凯库勒提出的结构式。所以我倾向于认为凯库勒是从劳伦那里抄来的想法。

1990年，在沃提兹的组织下，美国化学协会举办了一次关于苯环结构发现史的研讨会。自此真相该大白了吧？并不。不仅科普文章、大众媒体继续对凯库勒的梦津津乐道，科学史学者、科学哲学家、心理学家也继续煞有介事地研究凯库勒的梦。我查到在1995年《美国心理学杂志》还刊登了一篇长达20页的研究“凯库勒发现苯分子结构的创造性认知过程”的论文，探讨凯库勒的梦是什么样的心理状态。2002年举行的第4届创造性与认知国际会议上也还有人举凯库勒的梦为例。一个有趣的虚构故事是很难被枯燥的事实真相所取代的，尤其是当它可以被用来做为支持自己的学说的例证时更是如此。

2008.2.4.

（《中国青年报》2008.2.20）

(XYS20080220)

在人们的心目中，沙漠是没有生机的。其实并非如此。在美国亚利桑那的沙漠，光是生活在那里的蚂蚁就有100多种，其中最常见的是以采集种子为生的红色收获蚁。夏天雨季是它们的繁殖季节。每个夏天，一旦开始下雨，长着翅的年轻蚁后和雄蚁就试图飞出巢寻偶，但通常被工蚁给硬拽了回去。突然有一天，一般是在第二或第三场雨之后第一个晴朗的下午，各个巢中的年轻蚁后和雄蚁似乎不约而同地都被放了出来，开始了它们一生中唯一一次的飞翔。成千上万只年轻蚁后和雄蚁密密麻麻地飞到同一块地方交配。

交配之后雄蚁继续聚在一起等死，它们只能再活一两天。蚁后则分散飞走，独自找个合适的地点降落下来，脱掉翅，开始挖巢。在这个过程中，绝大部分蚁后都被鸟、蜥蜴吃掉，或被同种、异种的工蚁杀死了。只有不到1％的年轻蚁后设法挖好巢躲起来开始产卵，等到工蚁孵化出来，日子就开始好过了。这些劫后余生的蚁后能够活上15～20年，最多的时候一个蚁巢能够同时有上万只工蚁忙进忙出。

年轻的工蚁只在巢内活动，负责照看蚁后、幼蚁和储存食物。年纪大一些了才开始参与外部事务。与外部有关的活动分为四种：每天早晨几只工蚁先出去侦察周围的情况；然后负责采集的工蚁再成群结队地到侦察蚁指定的地点搬运食物；另有一些工蚁负责巢的建造、维修工作，把挖出的土搬到洞口倒掉；还有一些则是清洁工，负责把巢里的垃圾清理出去。

哪一只工蚁干哪一项工作是不是天生就决定了？或者虽然不是天生的，但是一旦选择了做哪项工作就终身不变呢？在通常情况下工蚁选择了干哪一行似乎就一直干下去，但是长期研究收获蚁的斯坦福大学生物学家黛博拉·戈登用一系列实验证明工蚁会随着环境的变化而按一定的规律变换工种。

戈登给不同工种的工蚁用不同颜色的涂料标记，以便追踪它们。她在蚂蚁的采集地点放上许多种子，让蚂蚁知道有了新的食物来源。这时，侦察兵、维修工和清洁工都纷纷改变角色，参与抢运这些食物。在另一个实验中，戈登从附近抓来10只与收获蚁竞争食物的另一种蚂蚁，放在收获蚁巢的周围。收获蚁发现这些竞争者后，派出更多的侦察兵，其中有的是维修工和清洁工变来的。戈登做的第三个实验是在蚁巢洞口放一些牙签，增加维修工的工作量。为此参与维修工作的蚂蚁增多了，但是新增加的维修工都是没有被标记的，它们是从本来只负责洞内事务的年轻工蚁转变来的。

这些实验结果表明，工蚁是会变换工种的，但是不同工种的级别不一样：维修工的级别最低，只能从年轻工蚁那里获得补充，维修工一旦改而从事其他工种，就不会再回头去做维修工了；而采集工的级别最高，采集工是不会再改而从事其他工种的，即使其他工作有需要，它们宁愿闲着也不去帮忙。采集食物是蚁巢的头等大事，也是最辛苦的工作，采集工要摆这样的架子是可以理解的。

那么由谁来决定哪只工蚁从事什么工种或变换工种呢？你可能会想到蚁后。其实蚁后的“后”是人类所赋予的，她并非蚁巢的统治者，而只是一个生育机器，除了进食和产卵，几乎不会干其他任何事情。她不可能了解蚁巢和周围环境发生的变化，也不可能对工蚁发号施令。事实上，大部分工蚁在出生后就与蚁后失去了联系，特别是在成为采集工之后，就只待在洞穴靠外的部分，连洞穴深处都不去了。

不可能有哪一只蚂蚁能够管理一万大军。在蚁巢中没有统治者或管理者。每只工蚁要从事什么工作，是它自己决定的。那么它如何决定是继续现在的工作、闲着还是改换工种？这可能取决于两个因素：一个是环境因素（发现新的食物来源、竞争对手等等）的直接刺激，另一个是间接从其他工蚁那里得来的信息。观察过蚂蚁的人都会注意到，蚂蚁最喜欢干的一件事是互相碰触角打招呼，这实际上是在闻对方身上的味道，从中可以知道对方是不是同一个巢的、在从事什么工作、是否成功等信息。

一只闲着的工蚁其实并没有完全闲着，还在不停地和经过的工蚁打招呼。它可以根据它接触到的某个工种工蚁的数量、接触频率和它们的状况来决定自己是继续闲着等待从事同一工作，还是立即改变工种。比如说，我们可以设想，一只闲着的维修工如果接连碰到5只成功运回食物的采集工，它就知道采集工作很繁忙，自己有必要也参与进去。计算机模拟表明，每只工蚁都遵守类似的简单规则，就会出现人们观察到的有序变化。

只要每个成员都自觉地严格遵守同一套规则，那么不需要有统治者，整个社会也可以有序地运行，甚至比有统治者的社会还和谐。这也许让人羡慕，可惜人不是蚂蚁：人是有自由意志的。

2008.1.31.

（《中国青年报》2008.2.13）

(XYS200080213)

《扬子晚报》登了一则新闻《老汉换心后”变”小伙 老伴不满要离婚》

http://news.163.com/08/0206/03/4405J9QT00011229.html

一名读者询问我对此的看法。其实我在2004年写的一篇文章《记忆岂能移植？》已谈到这个现象，收入《方舟子破解世界之谜》一书（陕西师大出版社2007年8月出版）

2004年11月8日－11日在中国科技会堂召开了“2004年北京国际科教电影电视展评研讨会”。这是我的朋友、中央电视台科教频道“科技之光”主编赵致真先生组织的一个国际性活动，已举办过两届，在国际科教电影电视届深受好评。这一次共有19个国家184部作品参加了评比。我观看了几部参赛作品，也阅读了入围作品的介绍。其中有一部入围作品引起了我的注意。这是由新西兰自然历史公司选送的作品《移植记忆》，该片不久前曾在美国“发现”频道上播放过。大家可能还记得，1999年高考作文的题目叫做“假如记忆可以移植”，要考生由人体器官移植的成功而设想假如记忆也可以移植，会出现什么样的情况。不过这部电视片虽然也与器官移植有关，却不是科幻作品。其简介称：

“当医学发展到新的前沿领域，越来越多的人接受挽救生命的移植手术。但是，在接受新的心脏、肺或肝的同时，接受者是否可能也接受了捐献者的喜好、憎恶、记忆、情感特征和性倾向呢？越来越多的证据表明他们能。《移植记忆》讲述的是一个有力的人类故事，考查了一些奇异的事例，人们在移植手术之后立即从其器官捐献者那里继承了个性特征和记忆。它介绍了几个捐献者的家人，他们发现亲人活在另一个人体之内的，也许不仅仅是一个器官。它也介绍了科学家们的工作，他们挑战我们重新思考记忆储存在哪里，它们是否能从一个个人转移到另一个个体，甚至在我们肉体死亡之后仍然存在。”

该片举了一些例子：一个8岁的女孩在移植了一名被谋杀的10岁女孩的心脏后，开始做噩梦，其噩梦帮助警察破了案。一个害羞、内向的妇女在做了器官移植后变得更为自信，并梦见了她从未见过的捐献者。一个接受器官移植的患者在手术后奇怪地有了和捐献者一样的音乐品味。等等。

这个“科学发现”实际上在几年前就已经被介绍到了中国。例如早在2000年，《北京青年报》上就有一篇文章，在介绍了美国女戏剧教师西尔维亚做了心脏移植手术，对食物和衣服的口味都变得与捐献者一样之后，将之与中国古代神医扁鹊给人换心改变了换心人的记忆的神话联系起来，称：

“由此看出心脏移植的确将造成人的性格和记忆的一同转移，至少是部分的转移。这也就意味着扁鹊换心故事所反映的潜在科学意义。西尔维亚的奇异性格、爱好变化传到科学界后，引起了激烈争论。有的科学家认为，心脏细胞有记忆功能。心脏转换到另一个人身上以后，储存在心脏中的某些性格、爱好的记忆也随之转移到换心人身上。我国的中医早就有‘心之官则思’理论，而且，我们都有过这样的经历，遇到不高兴的事时，常常不是‘头疼’，而是感到‘心里难过’。这样一想，你便会觉得心脏细胞有记忆功能的说法不一定是无稽之谈。换心人的奇迹会促使我们对心脏无思维功能的传统观念进行反思。也许，脑和心均为思之官，只不过分工不同罢了。”

移植器官后把捐献者的记忆也移植过去，这种传说在西方流传已久，甚至在移植器官的梦想变为现实之前就已有了这种幻想，例如法国幻想小说家雷纳德（Maurice Renard）在1920年出版的一本小说中，就讲过这样一个故事，一个钢琴家在一场事故中失去双手，移植了一名杀人犯手，从此这名钢琴家有了杀人的冲动，并掌握了那名杀人犯的扔刀术。类似的故事后来大量地出现在西方小说和电影中。1991年好莱坞出了一部电影《身体器官》，内容是有一名监狱心理医生在车祸中失去了一只手，被移植上一名杀人犯的手之后，对这只手失去了控制。影响所及，中文艺术作品也有类似的情节。几年前香港出了一部很叫座的电影《杀手仁心》，说的就是杀手被移植了警察的心脏之后，也移植了警察的性格与爱情。

从科学的角度看，这种说法纯属无稽之谈。记忆的机制是当前神经生物学的一个热门课题，许多细节还没有研究清楚，但是人的记忆是储存在大脑皮层中的，不可能通过移植手、肾脏、心脏、肝脏之类的器官而加以改变，这是个科学定论。西方也一直有人鼓吹所谓“细胞记忆”说法，认为人的部分记忆是储存在细胞或DNA序列中，例如消化器官的细胞中储存着一个人对食物的记忆，DNA序列中储存着祖先或前生的记忆等等。这种说法在生物医学界被公认为伪科学。但是某些伪科学、邪教人士却大肆宣扬。美国邪教“科学教派”的教主哈伯德（L. Ron Hubbard）在其传教著作《丹尼提》（Dianetics）中就有这种说法（这本书曾经在1988年被三联书店做为科学著作引入中国）。

没有任何证据表明细胞具有记忆，那些相信细胞记忆的人经常引用的就是移植记忆这种靠不住的“证据”。一个人在被移植了器官之后，出现了与捐献者类似的行为，这种现象是否的确存在，本身就很成问题。那些很奇妙的事迹，就像见鬼的故事一样，其真实性很值得怀疑。某些不那么奇妙的事迹，例如器官移植后口味发生了变化，有可能是真的，但是并非没有其他更合理的解释。例如，在器官移植时或之后接受的药物治疗，手术对心理的冲击，移植之后获得新生的感觉，自我心理暗示，等等，都有可能使患者的某些行为发生改变。特别是自我心理暗示的威力更是强大，而自己又无法觉察出来（潜意识里认为既然别人的器官长在自己身上了，自己的行为就应该变得和他一样）。每年全世界有50多万人接受器官移植，在如此多的人当中，出现某些巧合，甚至是很奇妙的巧合，并不是非常不可思议的事。

也正因为有如此之多的人接受器官移植，更不应该以讹传讹，以免引起不必要的恐慌。国内外都有许多急需器官移植的患者是从被处死的犯人身上获得器官的，吓唬他们会继承了犯人的记忆，是多么不负责任！更可怕的是，由于人体器官紧缺，医学界正在试验用其他动物特别是猪的器官来取代，如果记忆能够移植，岂不意味着将来被移植了猪心脏的人也有了猪的记忆，会出现猪一样的行为？新西兰自然历史公司以制作科教片闻名于世，他们选送的另一部片子《蜘蛛威力》在开幕式上放映，获得了与会者一致的好评。但是即使是享有盛誉的科教公司也难免会有宣扬伪科学的劣作，影响也会更坏。

2004.11.10.

（为《中学生天地》“研究性学习”课题的报道而写）

同学们之所以在从事研究性学习课题时出现一些困惑，一个主要的因素是因为不是十分清楚它的目的，把目标定得太高，抱的希望太大，在现实中就很容易失望。从事研究性学习课题的主要目的在于“学习”，学习科学研究的方法，体验科学研究的乐趣，而不是要做出重大科学发现、发明。想要在中学阶段就做出重大科学发现、发明，几乎是不可能的事，对此一定要有清醒的认识。在这项学习中，过程要比结果更重要。在做完一个课题之后，你对科学研究有了切身的体会，也许就从此对科研感兴趣而在以后以科研为职业。即使以后从事的是与科研无关的工作，你在研究过程中学到的科学方法也会对你的生活产生正面的影响。

所以在确立课题时，一定不要好高骛远，而要从小处入手。它应该是自己感兴趣的某个学科的问题，根据自己已经掌握的知识就可以加以研究、解决的。它应该是自己可以用实验、观察或调查进行严格验证的，而不是只是空想。

在确定课题之前，还要对它做好计划和预算，它需要的经费应该不多，是自己承担得起的，不需要用到尖端的仪器，所需要花费的时间也不应太长。如果是一项长期的研究项目，就容易厌倦，很难一直保持兴趣。在寻找课题时可以借鉴别的同学的经验，查阅、参考别的同学做过的课题，也许可以从中获得启发。

因为这是研究性学习，要有一定的原创性，所以你还要知道是不是有别人已经做过相同的课题，如果有人做过了，其结果是不是令人满意，你有没有必要再做一遍。这就需要做文献检索的工作。在课题开始之后，你可能还需要经常查阅资料以解决碰到的难题。在网上用谷歌、百度进行搜索，也许就可以找到你所需要的资料。但是这样获得的资料未必可靠，也可能不全面，还需要查阅更专业的文献，要用到论文数据库。这些数据库在家里或学校里可能没有权限使用，那么可以去公共图书馆或大学图书馆，它们应该都有这些数据库。如果这些图书馆的资料不对中学生开放的话，可以找老师给你开证明提出使用申请。

最好不要一个人做课题，要找几个志同道合的同学组成一个团队，可以相互讨论、相互支持。最好能有相关学科的老师做指导。如果在研究过程中遇到了老师、同学们都无法解决的问题，可以尝试向大学、研究所的专家请教。可以从大学、研究所网站上找到专家们的电子邮址，发电子邮件询问。有的专家可能没有时间或兴趣回答中学生的问题，对这类邮件可能会置之不理，那就多试几个专家。如果英语好的话，甚至可以尝试与国外的专家联系。

在课题完成之后，应该做个总结，把结果写成论文，按照一般论文的格式，报告你的研究材料、方法、结果，对研究结果进行讨论，并一一注明参考文献。也许你得到的结果并不是你预想的，这未必就没有总结的价值。有时候，一个“失败”的研究其实预示着一个新的课题和结果。写成的论文要发表出来和“同行”交流，供大家评议。你的“同行”可能只是你的同班或同校同学，可将论文发表在班级、学校刊物上。当然也可以登在网站上与其他学校的中学生交流。如果你的研究成果有一定的学术价值，说不定还可以在正式的学术期刊上发表呢。

不管你的研究结果的结局如何，只要你在研究过程中学到了如何确定可操作的课题，体验了在观察的基础上提出假说并加以严格的检验的科学研究过程，你的学习目的就达到了。

2007.12.13.

(XYS20080202)

裸鼹鼠其实并不全裸，在它们的身体两侧，从头到尾长着大约40根像猫的胡须一样的长毛。它们并不是皮毛的残余，而是对触觉极其敏感的触须，触动其中任何一根触须，都能让裸鼹鼠把头伸向刺激点。裸鼹鼠终身生活在黑暗的地下，眼睛派不上用场，就是靠这些触须来辨认方向的：前进时，摆动头部，后退时，则摆动尾巴，都是为了让触须触摸到隧道壁，就像我们在黑暗的地道中用手扶着墙壁走一样。它们的眼睛高度退化，几乎完全丧失了视觉，大脑皮层中负责视觉的区域也大大减小，被改为用于感受触觉了。

几年前，这个现象引起了伊利诺大学芝加哥分校的汤姆斯·帕克等人的兴趣。他们想：既然裸鼹鼠的触觉如此敏感，它们的皮肤中会不会含有什么特殊成分？实验的结果出乎意料，在裸鼹鼠的皮肤中没有发现多了什么成分，反而少了一种基本的化学物质——“P物质”。

P物质是什么物质呢？它也是意外发现的产物。1931年，英国生理学家戴尔正在研究神经递质的作用（他因此在1936年获得诺贝尔奖）。当时已知的神经递质是乙酰胆碱。戴尔让其研究生冯·欧拉做一个实验，证明小肠释放的乙酰胆碱能刺激小肠的收缩。冯·欧拉发现从兔子的小肠提取出来的溶液的确能引起小肠收缩。为了证明收缩是由乙酰胆碱引起的，冯·欧拉又加入药物阿托品。阿托品能阻断乙酰胆碱的作用，如果收缩是乙酰胆碱引起的，就会被阿托品抑制住。然而小肠却还在收缩，这就说明在小肠提取液中另外还有一种能刺激小肠收缩的物质。冯·欧拉和实验室的另一名研究人员随后发现这种活性物质在脑组织里最多。他们把它从编号“P”的制剂中提取了出来，又不知道那究竟是什么东西，就把它叫做P物质。这个临时乱叫的名称后来就沿用了下来。

P物质做为一种神经递质，有多项功能，最主要的一项功能是把疼痛信号从周围神经传导到中枢神经，从而在大脑皮层中产生痛觉。既然裸鼹鼠体内没有P物质，是不是就意味着它们对疼痛没感觉了呢？如果我们用手去触摸一个温度在45摄氏度以上的炽热灯泡，就会感到烧痛而立即缩手。在手上涂一些辣椒素再去摸热灯泡的话，反应更厉害。但是裸鼹鼠的脚掌却对热灯泡无动于衷，涂上辣椒素也不起作用。

为了证明裸鼹鼠对疼痛的麻木是由于缺乏P物质导致的，帕克等人往裸鼹鼠的脚掌中注射进疱疹病毒。这些疱疹病毒经过了改造，加了能制造P物质的基因。疱疹病毒沿着脚掌里的神经末梢迁移，几天后跑到了脊髓附近的神经细胞中，躲在那里制造P物质。不出所料，这些接受了“基因疗法”的裸鼹鼠有了正常的痛觉，它们的脚掌一碰到热灯泡，立即就缩了回去。

痛觉虽然很讨厌，对动物的生存却是至关重要的，例如，如果我们对热产生的痛失去了知觉，碰到炽热的物体不知道缩手，皮肤就会被烫伤。那么是什么原因让裸鼹鼠丧失了P物质，变得不怕痛了呢？

不怕痛有时也有好处，比如，在战斗中受伤不觉得痛的话，就不会退缩。裸鼹鼠在面对天敌入侵时的确非常勇敢，甚至为了保护集体而不惜牺牲自己，是否就与它们不怕痛有关？不过这种情形毕竟不是经常发生的，值得为此而牺牲痛觉的种种益处吗？

裸鼹鼠也有可能不是为了不怕痛而失去痛觉的，不怕痛可能只是一个副作用。P物质还有其他的功能。其中一个功能是让血管舒张。在特殊的生活环境中，这一功能可能会危及裸鼹鼠的生存。裸鼹鼠动则几十只、上百只挤在一块，又是在地下，呼出的二氧化碳难以扩散，这样，环境中二氧化碳的浓度很高。在其他哺乳动物中，高浓度的二氧化碳会导致P物质被释放到肺血管中，让肺血管舒张，发展下去就会导致肺水肿、死亡。也许，正是为了能在高浓度二氧化碳的环境中安然生活，裸鼹鼠才丧失了P物质？帕克等人做的实验表明，裸鼹鼠由于没有P物质，对二氧化碳有极强的忍受能力。在二氧化碳浓度达到15％时，小白鼠就出现了严重的肺水肿，但是二氧化碳浓度增加到50％，裸鼹鼠还没有出现肺水肿的迹象。

为了研究某种蛋白质的功能，有时需要用到“基因剔除技术”，把制造该蛋白质的基因剔除掉，看看动物体内少了这种蛋白质后，会出现什么变化。这项技术的发明者去年获得了诺贝尔奖。不过，不用我们人类费心，裸鼹鼠自己就剔除了P物质，天生就是研究P物质功能的很好材料，可以用它来阐明疼痛机理、发现镇痛方法。基础研究看似无用，但在研究过程中经常会有有用的意外发现。人们对裸鼹鼠的研究，本来只是出于对一种有着奇异习性的有趣动物的好奇，谁能想到竟能衍生出有望造福人类的实用价值？

2008.1.27.

（《中国青年报》2008.1.30）

(XYS20080130)

（摘自《方舟子带你走近科学》，陕西师范大学出版社2007年11月出版）

2002年诺贝尔奖的化学奖由一位默默无闻的日本公司开发人员田中耕一分享，成了重大新闻，使他成了媒体的焦点。但是2002年获奖者中本该最引人注目的人物，是获得生理医学奖的南非裔英籍生物学家、现在美国索尔克生物研究所担任教授的西德尼·布伦纳（Sydney Brenner）。他是公认的当代最伟大的生物学家之一，终于在75岁高龄时，去掉了“最聪明的没有获得诺贝尔奖的人”的绰号。对田中耕一是否有资格获奖，充满争议，而对布伦纳的获奖，却人人认为当之无愧。事实上，布伦纳完全可以得两个诺贝尔奖。他在1971年和2000年就两次获得有“美国诺贝尔奖”之称的拉斯卡奖。有一位中国学生给他写信问怎么才能得诺贝尔奖，在2002年12月10日诺贝尔奖颁奖宴会上，布伦纳即以回信做为致辞，对自己的获奖幽了一默：

“亲爱的中国学生：

首先你必须选择好一个合适的工作地点，并且必须找到有人慷慨地资助你的工作。例如，你可以试试剑桥和英国医学研究委员会。然后你还必须发现合适的动物来研究，例如你可以试试一种虫子，一种可能名叫线虫的虫子。然后，你还需要选择优秀的同事，那些愿意参加你必须做的艰苦工作的人。他们可以有像约翰·苏尔斯顿（John Sulston）和罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）这样的名字。当然你还必须确信他们会找到其他同事和学生来协助面临的艰苦工作。最后，也是最重要的，你必须选择合适的诺贝尔奖委员会。它必须是开明和非常有眼力的，而且必须有一位其裁决绝对不可置疑的优秀主席！如果你做到了这一点，你就会被带到这种地步，能够代表你所有的同事，感谢每一位让你有机会在此出席并发表讲话的人士。”

（2002年诺贝尔生理学或医学奖获得者布伦纳。）

当然，布伦纳不过是以这种方式面面俱到地对各方人士鸣谢一番。不过，他也提到了使他获奖的真正原因：一种叫做线虫的虫子。线虫是这一届诺贝尔生理医学奖的真正明星，三位获奖者都以它为研究材料。而首创线虫研究，为分子生物学研究开辟一个全新领域的，正是布伦纳。

1960年代初，新生的分子生物学开始进入全盛时期，布伦纳在其中扮演了重要角色，与同事一起发现了将遗传信息从基因传递给蛋白质的中介物质信使RNA，并用遗传学实验推断遗传密码子必定是三联体（即三个核苷酸编码一个氨基酸）。这是值得授予诺贝尔奖的重大发现。在1962年，布伦纳和DNA双螺旋结构的发现者克里克进行了一系列讨论。两人都认为分子遗传学的开拓工作已经完成，遗传的基本奥秘已被发现，接下来只有细节工作可做，而他们都不屑于去做。在生物学中，还有两个领域在当时还处于蒙昧状态，值得去开天辟地，即发育生物学和神经生物学。克里克选择了神经生物学，而布伦纳则同时想研究发育和神经系统。与克里克采用纯理论方法不同，布伦纳打算继续用实验方法做研究，想要明白在从一个受精卵经过细胞分裂、分化成不同种类细胞而成为生物体的发育过程中，基因起到了什么作用，以及基因是如何指定了神经系统的结构和功能。这就必须发现合适的生物做为研究材料。

在分子生物学研究的早期，生物学家们集中解决遗传的分子机制问题，几乎全都以病毒和单细胞生物（细菌、酵母菌）为材料。对初步的研究来说，多细胞生物太过复杂了，单细胞的微生物才是进行遗传学研究的理想材料，容易培养，繁殖迅速，基因数目相对较少，而且表现型简单。直到今天，它们仍被广泛应用于分子生物学研究。但是单细胞生物显然不可能用于研究发育和神经系统，必须使用多细胞生物。但是如果一开始就用高等生物，则难以入手。进化论告诉我们，最简单的生物和最复杂的生物之间，都存在类似的基本规律。在分子水平上，生物界基本上是同一的。分子生物学的成功，很大程度上是由于使用最简单的生物做为模型，再将其结果推广到整个生物界。布伦纳决定遵循同一原则，寻找一种尽可能简单的多细胞生物做为研究材料。在1963年，他在提交英国医学研究委员会的报告中，首次提出研究线虫。稍后，他选定了秀丽隐杆线虫（C. elegans）这种线虫。

（布伦纳让秀丽隐杆线虫变成了重要的实验材料。）

秀丽隐杆线虫是一种非常原始的动物，身长只有大约1毫米。但是它却是一种“典型”的多细胞生物：从一个受精卵开始，经过细胞的分裂、迁移、分化这个复杂的发育过程，长成成虫。性成熟后生成精子、卵子，交配、生殖，然后衰老、死亡。它有一套神经系统，有一个“大脑”（神经环），因此也表现出学习、记忆和行为能力。它只有6对染色体（人有23对），却含有近2万个基因（人大约3万个基因），在基因水平上并不简单。有几个特点使线虫成为理想的实验动物。它的生活周期很短，3天后就性成熟，平均寿命只有大约13天，因此适合于做遗传实验，在短期内就能观察到实验结果。它的自然生活环境是土壤，以细菌为食，很容易在实验室中培养，可将它养在生长大肠杆菌的培养皿中。线虫绝大多数是雌雄同体的（极少数是雄性），而且自我授精，因此容易保存基因突变。它的身体结构很简单，而且细胞数目是固定的，成虫全身细胞数目都是959个，因此可以追踪每一个细胞的命运。它的身体是透明的，适合于在显微镜下观察和操纵每一个体内细胞。

（线虫胚胎发育过程的电子显微镜照片。）

遗传学说到底，就是一门研究基因突变的后果的科学，因此如果没法找到合适的突变体，再好的实验材料也没用。布伦纳发现用乙基硫代甲烷可以诱发线虫的基因突变，在1967年，获得了第一个线虫突变体。1974年，布伦纳在《遗传学》杂志上发表了一篇有关线虫遗传学的论文。在这篇划时代的论文中，布伦纳将遗传学分析方法和用观察细胞分裂的显微方法结合起来，证明能够在许多基因中引发突变，然后观察这些突变对器官发育的影响。一个全新的研究领域因此确立了起来。

本届诺贝尔生理医学奖的另两位获奖者都曾经在布伦纳的指导下工作。苏尔斯顿在1969年到布伦纳实验室工作，用显微镜观察线虫细胞谱系，也就是说，每一个细胞都是哪个细胞的后代，一直追溯到所有身体细胞的共同“祖先”——受精卵。他发现细胞的传代极为精确，在不同的线虫个体中，细胞谱系都一模一样，它们有着完全相同的细胞分裂和分化程序。在现在，在线虫的生活史中每一个细胞的起源和命运都已被确定，是唯一一种多细胞生物的细胞“命运图谱”已被我们掌握了的。在追踪细胞谱系时苏尔斯顿发现某些细胞在发育过程中在特定的时刻必然要死亡。在发育过程中，线虫共生成了1090个细胞，也就是说，其中131个将会死亡。这种死亡并不是随机的，而是被精确地控制的，被称为“程序性细胞死亡”。那么必然有基因参与这个控制。苏尔斯顿发现了与细胞死亡有关的第一个基因nuc-1。

（苏尔斯顿和霍维茨都曾经在布伦纳指导下工作，并一起获得诺贝尔奖。）

霍维茨1974年到布伦纳实验室做博士后研究，之后到麻省理工学院当教授。他继续布伦纳和苏尔斯顿的工作，有系统地寻找控制程序性细胞死亡的基因。在1980年代，首次发现了两个真正控制细胞死亡的基因ced-3和ced-4。之后，又发现另一个基因ced-9在对抗ced-3和ced-4，保护细胞。他并发现了在人类基因组中，也有一个类似ced-3的基因。事实上，我们现在知道，在线虫中发现的基因，大多数都很容易在人类中找到类似的基因，而许多人类基因被转入线虫之后，也执行相同的功能。因此，对线虫的研究，不仅有助于我们了解生命的基本现象，而且也有重大的医学价值。人类的发育同样存在程序性细胞死亡，这个过程如果出现错误，该死的细胞不死，不该死的细胞却死了，就会导致疾病。

诺贝尔生理医学奖一般只授予非常特定的工作。本届授予的是“器官发育和程序性细胞死亡的遗传调控”。线虫的用途并不限于此，在许多研究领域也获得广泛的应用，特别是，如布伦纳当初所预料的，用线虫研究神经系统的遗传调控，也是硕果累累。目前全世界研究线虫的分子生物学家有好几千人（根据参加国际线虫大会的人数估算），在某种程度上，这些人都可以说是布伦纳的徒子徒孙。在科学史上，像布伦纳这样以一人之力开创了一个生机勃勃的领域，是很罕见的，其影响之大，可与摩尔根首创用果蝇研究遗传学相媲美。有的人需要诺贝尔奖为自己增辉，而有的人的获奖却是让诺贝尔奖增辉。布伦纳的获奖无疑是属于后者。诺贝尔奖奖给不该奖的人，错过了该奖的人，在历史上屡见不鲜。布伦纳的长寿使得诺贝尔奖没有新添遗憾。

（本泽在布伦纳之后成了生物学界“最聪明的没有获得诺贝尔奖的人”。）

一个饶有兴趣的问题是：在布伦纳之后，谁是生物学界“最聪明的没有获得诺贝尔奖的人”？我想许多人会同意把这个桂冠给予加州理工学院教授西摩尔·本泽（Seymour Benzer）。和布伦纳一样，本泽是参与开创分子生物学的重要人物，在50年代用实验证明基因突变是由于DNA序列的改变导致，并提出每个生物系学生都学过的顺反子学说。60年代起，他转而以果蝇为材料，研究基因与动物行为、发育的关系，做出了一系列重大发现（包括发现第一种控制动物行为的基因——一种控制果蝇生物钟的基因），使得果蝇这个经典遗传学的英雄，在寂寞多年之后，在分子生物学时代重新成为热门的动物模型。这些都是影响深远的开拓性工作，本泽也获得了几乎所有重要的生物医学奖项（拉斯卡奖、格拉芙奖、沃尔夫奖等等），独独缺一个诺贝尔奖。但是他已经80多岁了（生于1921年），未必有布伦纳那么幸运。【注：本泽已在2007年11月30日逝世。诺贝尔奖留下无法弥补的遗憾。】

2002.12.16.

生活在东非地下的裸鼹鼠早在1842年就已被科学界发现并命名了，但是直到上个世纪80年代被发现是一种奇特的真社会性哺乳动物之后（参见《推测出来的动物》，本版2008年1月16日），它才成了动物界中的明星，近年来还在迪斯尼的动漫《麻辣女孩》中出演重要角色。后来发现在非洲鼹形鼠中还有达马拉兰鼹鼠也是真社会性的，夺去了裸鼹鼠的部分光彩。不过，裸鼹鼠还有一项特征仍然足以让它去角逐最奇异的哺乳动物的头衔：它是变温的冷血动物。

我们在上小学时就已经知道，哺乳动物和鸟类是恒温动物，能够让体温保持恒定，不随外界温度的变化而变化。但是裸鼹鼠虽然是哺乳动物，却基本丧失了这一功能。它们和冷血动物一样，主要通过与环境的热交换来调节体温：要升温，就跑到上层的洞穴，紧贴被太阳晒热的墙壁；要降温，就躲到寒冷的底层洞穴。它们有时也通过大家扎堆挤在一起来取暖。它们的皮肤为此变得裸露无毛，因为皮毛不仅不再能起到调节体温的作用，反而会妨碍热交换。

裸鼹鼠为什么变成变温动物了呢？保持恒定体温的优势在于生理活动基本不受外界温度变化的影响，在夜间和比较恶劣的天气都能出来活动，有更多的时间用于觅食和寻偶。不过，裸鼹鼠生活在地下，和天气多变的地面相比，地下冬暖夏凉，温度变化不大，保持恒定体温就不那么重要了。但是，同样在地下生活的其他十几种非洲鼹形鼠都是恒温的，与裸鼹鼠的习性最接近的达马拉兰鼹鼠也是恒温的。究竟还有什么因素使得裸鼹鼠比其他鼹形鼠更需要放弃恒温功能呢？

在所有非洲鼹形鼠中，裸鼹鼠是体型最小的。我以前介绍过，由于体积小的物体的表面积相对比较大，使得小动物的身体比大动物更容易丧失热量，要保持恒定的体温也就更加困难（参见《不可能的小人国》，本版2007年10月31日）。裸鼹鼠的身体体积（也即产热总量）大约是达马拉兰鼹鼠的20％，但是身体表面积却大约是达马拉兰鼹鼠的40％，这样，散热速度就是其2倍。裸鼹鼠如果要像达马拉兰鼹鼠那样维持恒定的体温，就必须以2倍的速度加速产生体热的代谢过程，以增加体热的生产弥补体热的散失。这就需要大量地摄入食物和氧气。但是裸鼹鼠的食物主要是低能量的块茎，而地下氧气又非常稀薄，为此要付出的代价太高昂了，所以还不如干脆就不再试图去维持恒定体温了，尽量降低基础代谢率节省能量。裸鼹鼠的基础代谢率是所有哺乳动物中最低的，与爬行动物的相当。

那么，裸鼹鼠为什么要有这么小的身体呢？在非洲鼹形鼠中，裸鼹鼠所生活的地区是最热最干旱的，年降雨量平均只有200～400毫米，一年就集中下几天雨。鼹形鼠的主要食物——块茎储存着大量的水分和养分，同样由于体积和表面积的比例关系，块茎越大，就越不容易失水干燥，因此干旱地区的植物倾向于制造少量但是大型的块茎，而不是众多的小块茎。越是干旱的地区，块茎会越大，但是数量也越稀少。有的块茎的重量能是裸鼹鼠体重的上千倍，碰巧挖到一个的话，一窝裸鼹鼠一年的口粮就全有了。

但是在地下乱挖地道，刚好碰上块茎的几率极低，而且只有下雨的那几天、土壤比较潮湿时才适宜挖地道，即便如此，挖地道也要耗去大量能量，是静止时的3～5倍。很可能挖了几天地道、精疲力竭了也还一无所获。在如此严酷的条件下，独居的鼹形鼠存活的机会极为渺茫，要提高生存机会，必须组织起来，分头去找食物，有谁碰巧找到了就一起分享。独居的鼹形鼠只生活在比较湿润的地区，而干旱地区的鼹形鼠都是社会性的，这并非偶然。

一群裸鼹鼠分头去找稀少的食物，当然是成员数量越多，找到食物的机会越大。但是成员数量多了，也意味着吃饭的嘴多了，找到的食物又会不够分了。既要增加个体数量，又不增加对食物的总需求量，那就要把每一个成员的饭量减小，也就是说，让它们的身体变小。

所以，进化的结果就是，社会成员的数量增加了，但是体型变小了。一窝裸鼹鼠平均有七、八十只，能多达300只，但是每只工鼠的体重只有大约30克。达马拉兰鼹鼠的体重是裸鼹鼠的5倍，但是一窝成员的数量就少多了，平均有十几只，最多也就40只。达马拉兰鼹鼠的社会习性也不如裸鼹鼠复杂、精致，寻找食物的效率可能也不如裸鼹鼠，毕竟，100只小老鼠分散开去，找到食物的几率要比10只大老鼠的大多了。在进化史上，达马拉兰鼹鼠出现的时间比裸鼹鼠晚。也许达马拉兰鼹鼠正往裸鼹鼠走过的路上走，成员数量会变得更多，但是体型也会变得更小，最终小到无法维持恒定体温，并脱掉了皮毛，成为另一种裸鼹鼠呢。

2008.1.19

（《中国青年报》2007.1.23.）

(XYS20080123)

（摘自《方舟子带你走近科学》，陕西师大出版社2007年11月出版）

2004年7月28日，当代最伟大的生物学家之一、DNA双螺旋结构的共同发现者克里克（Francis Crick）在美国圣地亚哥逝世。克里克晚年在圣地亚哥的索尔克生物学研究所工作，我曾经在该所做过博士后研究，与他有数面之缘，聆听过他的教诲，不过给我印象最深的，还是他那辆挂着“ATCG”（表示DNA的碱基配对）车牌的宝马车总是早早地停在专用车位上。9月27日，索尔克研究所举行追悼仪式，在该所工作的一个中国人来函建议我写一篇纪念文章。我正在构思的时候，10月6日，又传来了威尔金斯（Maurice Wilkins）逝世的消息。这两名英国生物学家在1962由于他们在1953年发现核酸（DNA）的分子结构及其在生物物质信息传递中的作用，而与美国生物学家沃森（James Watson）分享诺贝尔生理医学奖，现在他们又在同一年先后逝世，而且两人年纪相同，都出生于1916年（克里克早出生半年）。但是两人的共同之处还不止于此：与沃森是科班出生的生物学家不同，克里克和威尔金斯原来是物理学家，在第二次世界大战结束之后才转行搞生物学研究。

（克里克奠定了分子生物学的一系列理论基础，为分子生物学的确立做出了无与伦比的贡献。）

（“双螺旋的第三人”威尔金斯。）

第二次世界大战在某种意义上说，是一场科技战争，尤其是像英国这种人力和物力资源都缺乏的岛国，更倚重科技的进步来改变战争的进程。大批的物理学家、数学家被征召为军方服务，破译密码，研制雷达、声纳、计算机、核武器。克里克1937年从伦敦的大学学院物理系本科毕业后，又开始攻读物理博士学位，但是1939年战争爆发，他被迫中断学业，为英国海军部工作，研制磁性水雷和感音水雷。威尔金斯比克里克晚一年获得物理学士学位（剑桥大学），但在1940年读完了物理学博士（伯明翰大学），其论文与雷达有关，在战争期间他参与研制雷达，1943年又到美国伯克利参与曼哈顿计划研制原子弹。战争结束后，这些曾经为战争的胜利立下汗马功劳的物理学家的出路成了问题。许多人必须改行。其中不少年轻的物理学家，在大物理学家波尔和薛定锷的激励下，投身到生物学的研究。此时的物理学界，在经历了相对论和量子力学两场革命后，进入了所谓“常规科学”时期，似乎已没有重大问题可解决，满足不了雄心勃勃的年轻物理学家的求知欲。而生物学相对来说还是一块未开垦的神秘领域，特别是生物的遗传，在当时还是一个谜。波尔和薛定锷都认为通过研究生命现象有可能发现新的物理定律，向物理学家们发出了号召。克里克和威尔金斯后来都强调薛定锷在1944年出版的《生命是什么？》一书对他们的影响，使他们从事生物物理研究——用物理方法研究生命现象。克里克先是研究细胞中磁性颗粒的运动，在听说剑桥大学卡文迪许实验室新成立了一个研究组用X射线衍射法测定蛋白质的结构后，便要求转到那里做博士论文。差不多同时，威尔金斯也到伦敦的国王学院用X射线衍射法测定DNA的晶体结构，以后又来了一位女化学家弗兰克林（Rosalind Franklin, 1920-1958）与他一起工作。当X射线照射到生物大分子的晶体时，晶格中的原子或分子会使射线发生偏转，根据得到的衍射图象，可以推测分子大致的结构和形状。不过，不理解DNA的生物学功能，单纯根据晶体衍射图，有太多的可能性供选择，是很难得出正确的模型的。

（沃森在获得诺贝尔奖以后，成为了分子生物学的领军人物，在1968年担任冷泉港分子生物学实验室主任，将它变成了研究分子生物学的世界中心。）

（弗兰克林因为长期接触X射线，患癌症过早地逝世。）

但是这两位测定DNA结构的人，当时却对DNA的重要性，DNA究竟在细胞中干什么一无所知，对他们来说，DNA无非是一种普通的生物大分子，能测定一种生物大分子的结构就算得上有了科研成果，如此而已。克里克的论文题目是“多肽和蛋白质：X射线研究”，与DNA更无关系。1951年，23岁的年轻的遗传学家沃森从美国到剑桥大学做博士后，挂着的课题项目是研究烟草花叶病毒，其真实意图却是要研究DNA分子结构，因为他深知DNA的重要性。沃森碰巧与克里克分享一个办公室，便说服他一起研究DNA分子模型，因为他需要克里克在X射线晶体衍射学方面的知识。据他的回忆，他到剑桥后发现克里克也是“知道DNA比蛋白质更为重要的人”。但是按克里克本人的说法，他当时对DNA所知不多，并不觉得它在遗传上比蛋白质更重要，只是认为DNA做为与核蛋白结合的物质，值得研究。对一名研究生来说，确定一种未知分子的结构，就是一个值得一试的课题。正是因为沃森坚信DNA是遗传物质，并且理解遗传物质应该有自我复制、携带遗传信息和突变的特性，很快就做出了重大发现。1953年，在威尔金斯和弗兰克林拍摄到的DNA衍射照片的基础上，沃森和克里克提出了DNA双螺旋模型，给生物学带来一场革命。1958年，年仅38岁的弗兰克林因患癌症逝世（因为长期接触X射线引起的），使得1962年诺贝尔奖委员会给这个发现颁奖时，已无需因为一次最多只能奖给三个人而为取舍大伤脑筋了。在这三个人中，威尔金斯可以说是稀里糊涂得了诺贝尔奖（他的自传的题目叫《双螺旋的第三人》，很准确地反映了这一点），克里克则是在沃森的鼓动下被动地获奖，而只有沃森一开始就志在必得。

（弗兰克林拍摄的DNA的X射线衍射照片表明DNA是双螺旋，成了沃森和克里克构建DNA双螺旋模型的重要依据。沃森是背着弗兰克林偷看了这张照片的。）

（沃森和克里克在他们搭建的DNA模型前合影，此时他们已功成名就。）

测定DNA的结构，是威尔金斯科研生涯的顶点，也是终点，从那以后，他基本脱离了科研，忙于教学、行政工作和从事反对核武器等社会活动。沃森和克里克则成为了分子生物学的领军人物，特别是克里克，为分子生物学的确立做出了无与伦比的贡献。在1957年，克里克预言了基因控制蛋白质合成的机制，指出遗传信息仅仅体现在DNA的碱基序列上，还需要一种连接物将碱基序列和氨基酸连接起来。这个“连接物假说”，很快就被实验证实了：后来发现的转运RNA就是克里克预言的连接物。1958年，克里克提出了两个学说，奠定了分子生物学的理论基础。第一个学说是“序列假说”，它认为一段核酸的特殊性完全由它的碱基序列所决定，碱基序列编码一个特定蛋白质的氨基酸序列，蛋白质的氨基酸序列决定了蛋白质的三维结构。第二个学说是“中心法则”，遗传信息只能从核酸传递给核酸，或核酸传递给蛋白质，而不能从蛋白质传递给蛋白质，或从蛋白质传回核酸。在1961年，克里克等人在噬菌体中用遗传学方法证明了蛋白质中1个氨基酸的顺序是由3个碱基编码的（称为1个密码子），在破译遗传密码的问题上也做出了重大的贡献。到1970年代，克里克认为分子生物学的基本问题都已解决，分子生物学研究也将进入乏味的“常规科学”时期，于是改而探索另一个未知领域：意识。这也许是一个很合乎逻辑的选择，因为克里克最重要的研究工具就是思考，利用别人获得的数据，靠推理和建构模型来解决问题。

现在也有大批物理系的毕业生改行从事分子生物学研究，原因还是出路问题。当前的生物学研究要比物理学研究活跃得多，工作机会也多得多。但是他们当中恐怕没有多少人有像他们的前辈们那样要在生物学领域进行一场革命的雄心壮志了，分子生物学也已非常成熟，早就过了可以由其他领域的人士来从事革命的草创时期。克里克这样的天才的出现，终究只是一个不可再现的科学奇迹。

2004.10.14.

人类经常被称为社会性动物，但是和蜜蜂、蚂蚁、白蚁之类的社会性昆虫相比，其社会性就不值一提了。社会性昆虫的成员不仅在工作方面有天生的严格分工，而且连生殖也分工了：只有一只“后”负责繁殖后代，其他的雌性昆虫则都丧失了繁殖功能，成为忙碌的“工作者”。这种现象称为“真社会性”。它是怎么进化出来的呢？

这些社会性昆虫有一个与其他昆虫不同的特征，它们并不是只生不养，而是花费了很多时间照料后代。因此，美国密歇根大学生物学家理查德·亚历山大在1974年提出了一个观点，认为时间延长的母爱是进化出真社会性现象的主要因素。很多人不同意这个观点。他们反驳说，如果母爱对真社会性的产生这么重要的话，为什么母爱最强烈的脊椎动物，特别是鸟类和哺乳动物，不存在真社会性？为什么只有昆虫才有真社会性？

亚历山大本来可以回答说，他并没有说母爱是产生真社会性的充分条件，有了母爱就一定会产生真社会性。而且，跟昆虫相比，鸟类、哺乳类的种数少得多，其进化史也短得多，可能还没机会进化出真社会性出来。但是亚历山大却采取了一个非同寻常的举动。他根据自然选择的原理，预测如果存在一种真社会性的脊椎动物的话，将会有什么样的特征。

亚历山大根据白蚁巢的情形，归纳出一种真社会性脊椎动物的窝必须有什么特征：它必须是非常安全的，否则等于是为天敌提供粮仓；为了适应不断增加的群体数目，它必须是能够扩展的；它的附近必须有充足的食物，这样群体的成员才不至于为了争夺食物而竞争；食物必须是不必冒什么风险就可以轻易得到的，群体的成员才不会因为怕担风险谁也不愿觅食。

根据这些真社会性动物窝的必备特征，亚历山大预测，真社会性脊椎动物的窝不可能像蜜蜂、蚂蚁的窝一样建在树上或树中，因为没有哪种树可以大到容纳一个真社会性的脊椎动物群体。这种窝只能全部埋在地下。在所有的脊椎动物中，只有哺乳动物能完全在地下生活（两栖类、爬行类和鸟类都不行），所以这种脊椎动物一定是哺乳动物。地下生活的哺乳动物以啮齿动物最多，所以真社会性脊椎动物最有可能是啮齿动物。

一般的地下啮齿动物（比如鼹形鼠）以草根为食，亚历山大认为这种食物的量太少，只适合于独居动物自己分开了去找。真社会性脊椎动物应该以大型的树根或块茎为食物。

这类脊椎动物的天敌（例如蛇）将能够钻进它们的地下窝中，但是不可能在那里横行，一只或数只英勇的个体会不惜牺牲将入侵者驱逐出去。这会导致真社会性动物中主管繁殖的“后”和“工作者”进化出不同长度的寿命和生殖功能。

那么，这种脊椎动物最可能生活在哪里呢？它们应该生活在有雨季和旱季交替的热带，因为这种地区的植物为了度过旱季，普遍具有大型的根和块茎储存水分和养分，是这种动物的最佳食物。这种动物的窝应该建造在坚硬的粘土之下，才不会有天敌通过挖掘将它们的窝暴露在露天之下一举歼灭。这两点表明，非洲的林地和灌木丛将会是它们的最佳生活地点。

在1975和1976年间，亚历山大在美国各大学巡回报告，介绍他对真社会性脊椎动物的预测。当他在北亚利桑那大学做介绍时，听众中有一位哺乳动物学家对他说，他对这种真社会性动物的介绍，象是在描述一种生活在东非的地下啮齿动物裸鼹鼠，并建议亚历山大与研究这种裸鼹鼠的南非开普敦大学生物学家珍妮佛·加维斯联系。加维斯这时正在研究裸鼹鼠的生理和生态，但对它们的社会行为一无所知。她正奇怪为什么抓来的裸鼹鼠在实验室里都不能生育，在收到亚历山大的来信后，才想到它们可能是真社会性动物。

1977年，加维斯在野外挖了一窝40只裸鼹鼠在实验室中养育。经过3年的观察，证实了裸鼹鼠的确是一种真社会性的脊椎动物。在野外，裸鼹鼠一窝大约有七、八十只，能多达300只，但是只有一只鼠后和一到三只雄鼠能繁殖，其他都是不育的工鼠，而它们的习性，与亚历山大预测的完全相符。后来加维斯及其学生又发现还有一种非洲鼹鼠——纳米比亚的达马拉兰鼹鼠也是真社会性动物，它们的个头较大，成员数量较少（一窝最多40只），但是其习性也符合亚历山大的预测。

神创论者往往指责进化论无法预测，只会当马后炮，不是科学。某些物理学背景的人士，也喜欢说进化论不象物理学那样能够做精确的预测，言下之意是说进化论即使是科学，也是属于比较“低等”的。生物现象要比物理现象复杂得多，预测也困难得多，但是，进化论史上也有过许多精彩的预测，亚历山大对真社会性脊椎动物的预测，以及达尔文对天蛾的预测（《达尔文的兰花》，本版2006年7月19日），就是很好的例子。

2008.1.12.

（《中国青年报》2008.1.16）

(XYS20080117)

文革时期最流行的革命歌曲之一《大海航行靠舵手》有一句至今还经常被引用的歌词：“万物生长靠太阳”。如果当时有人胆敢质疑它，不仅要犯政治错误，恐怕还要被视为缺乏科学常识。没有阳光，植物就不能生存；没有植物，就不会有草食性动物；没有草食性动物，就不会有肉食性动物。所以所有的动植物都直接或间接地依赖阳光而生存。

用生态学的术语来说，阳光是能源，植物是生态系统中利用能源的生产者，而动物则是消费者。一个生态系统离不开阳光和植物，正如一个社会不能没有能源和生产者。一位学植物学的网友在一篇文章中就这么说：“所以地球上任何生态系统中的主人，其实都是植物，没有它们合成有机质，其他一切生物都生存不了。说得再明白点：离开了动物，植物照样可以活下去；离开了植物，动物却完全无法活下去。”

有些读者可能会想到，有一些地方终年不见天日，虽然那里没有植物，但是有动物。例如在某些黑暗的溶洞的溪流中，生活着穴鱼，一生不见阳光，眼睛完全退化了。但是它们的食物是从阳光世界漂流来的动物和植物，那个黑暗世界并非自给自足。

另外一个更黑暗也更广阔的世界是深海。照射到海上的阳光，将会被海水吸收，越深处的海水，能得到的阳光越少。有一部分阳光能够穿透到海面以下200米，但是量已少到不足以让植物进行光合作用了。而到了海面以下1000米，就几乎没有阳光了。在阳光稀少甚至完全没有的深海，是没有植物的。但是却生活着众多的动物。在海洋最深处也不例外：1960年，美国科考队员乘深海潜艇首次下到了世界最深处——10000多米深的马里亚纳海沟底部，居然看到一条鱼和一只虾在游动。这又是怎么回事呢？

深海里的许多动物其实并非深海的永久居民。它们夜间会游到浅海进食（比如吃浮游植物），太阳升起后再躲回到更安全的深海。有些深海动物则是来自浅海的捕食者，例如抹香鲸有时能潜到水深2000米处追捕大乌贼。许多深海的永久居民（例如深海海底的海星、海胆）的食物实际上也来自浅海——从上面掉下来的食物碎屑，例如浅海动物的粪便和尸体，最终还是来自浮游植物和其他植物光合作用的产物。如此说来，即便是暗无天日的深海，也是“万物生长靠太阳”的了？

1977年，当中国刚刚结束文革的时候，美国科学家潜到厄瓜多尔西边加拉帕戈斯裂谷水深2500米处，在那里发现了海底温泉——深海热液口。它们是海底火山活动的结果，是意料之中的：海水从地壳裂缝渗入进入，被岩浆加热，同时溶解了一些矿物质。这些温度能达380摄氏度的炽热海水从一些出口像间歇泉一样从地底下喷射回来，与周围冰冷的海水接触，溶解的矿物质沉淀了下来，在出口形成了“黑烟囱”。完全出乎意料的是，就在这些温泉周围，生活着丰富的动物群：长度超过2米的巨型管虫、软体动物、海葵、蛞蝓、螃蟹、虾、鱼等等。

在这个特殊的环境中生活，需要能耐高温，例如巨型管虫能够忍受80摄氏度的水温。需要能忍受从地底喷射出来的硫化氢（臭鸡蛋气体）、重金属等对其他动物是致命的物质。还需要能对付强酸环境，那里的海水的pH值低于3，比醋还酸，所以那里的软体动物没有壳——由碳酸钙组成的壳会被酸溶解掉。那里的海水产生的巨大压力能达到海平面气压的1000倍，所以动物身体不能有任何含空气的组织，否则将会被压扁。

但是最意外的是：这是一个不依赖阳光的自给自足的生态系统。维持生态系统的能源正是“有毒气体”硫化氢，其生产者是某些能耐100摄氏度以上高温的化能自养型细菌。硫化氢不断地从热液口喷出，与海水中的氧发生反应，释放出能量，细菌就利用这些能量将二氧化碳合成有机物。有的动物，例如软体动物，就以细菌为食。有的动物，例如巨型管虫，则与细菌共生，细菌长在管虫的组织中，管虫吸入硫化氢、氧、二氧化碳供细菌利用，细菌排出的代谢废物成为管虫的食物，管虫排出的废物则又成为蟹、虾的食物。当然，还有些动物，例如鱼类，是靠捕捉其他动物为生的。

自1977年以来，在世界许多地方都发现了深海热液口生物群落，那里的生物绝大部分都是从未发现过的新物种，平均每10天就会发现一个新物种。但是到现在只有1％的海底被考察过，我们对那里的生物仍然几乎一无所知。有研究人员估计，可能有多达1亿种物种生活在深海，比地球其他地方的所有物种都多。没有阳光的生命世界一点都不比阳光世界逊色。

深海热液口的动物和细菌并非完全不需要来自“上面”的东西：它们不能没有氧气，而氧气乃是植物光合作用产生的。所以，那里的生命终究还是依赖阳光的。

2008.1.6.

（《中国青年报》2008.1.9）

(XYS20080109)