小宇宙

• 圆圆

  2024-11-19
  当一条碳氢链与一个磷酸基及氧原子连结时，磷酸基的一端会带电荷，而另一端则不带电荷。这整个化合物会在带电端吸引水分子，并且在不带电的一端排斥水分子。这样的化学物质叫作磷脂质（phospholipid），它们彼此肩并肩排列在一起，不带电的一端会远离水分子，而带电端则指向水层。这就是为什么油滴入水中，会迅速形成一层膜的原因。所有这类脂质都具有自动卷折成滴的倾向，以隔离内外的物质。当脂质受到水分子两面包夹时，它们会形成双层膜结构。此时，不带电的疏水性尾巴朝内互向，两个亲水性的带电端则指向水层。借着这种方式，第一个膜便产生了一介于“内”与“外”之间的半透性界限；这是“自己”与“外界”之间的第一次区别。现今生物的膜由数种不同的脂质、蛋白质及碳水化合物所构成。它们的功能是那么复杂且经过精确划分，以至于我们到现在仍不能完全了解。但是第一个磷脂膜，并不像自然界所形成的其他囊状构造：它特别能聚集其他碳化物溶液，使彼此具有交互作用潜力的化学成分，保持在极接近的距离范围内。同时，它还有允许“养分”进入，并阻止水分跑掉的功能。这种“膜”使小宇宙的个别单位的细菌细胞的产生变得更有可能。大部分的科学家相信，在生命本身开始之前，脂质便已经结合蛋白质，制造出类似生命物质的半透明小包裹。没有任何生命可以在缺乏膜的情况下存在。
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  2024-11-19
  也许不只一次，可能是很多次，氨基酸、核苷酸、简单的糖类、磷酸盐以及它们的衍生物，在脂质的保护下，借着太阳提供的能量而成形、复杂化，并从外界吸收ATP和其他碳氮化合物当作“食物”。已经有实验室得到由脂类混合物自发产生的特殊复杂构造。例如，加州大学的迪玛（David Deamer）曾观察到：在适当条件下混合正确的组合成分，将使有些核苷酸遭脂球抓住并包围起来。脂球会因为表面张力先一分为二，每一半都各自进行内部的活动。接着，里面的触媒分子开始活跃地维持着脂膜。也许当局部小范围内的有用营养成分供给耗尽时，将造成原始细胞崩溃解散：但其他的原始细胞则可能同时于其他潮湿的环境中形成。由发散型生命结构及超循环所产生的核苷酸、核糖和磷酸盐的组合大分子链，可以自行复制并催化化学反应。这种分子链，核糖核酸（即RNA），是自然语言中的第一个句子。这些尚无法自我维生、但已高度结构化的早期RNA分子，处在由脂质缠绕的球体内，它们聚集于早期气候温和的地球上、温暖且富含有机物的水域中，在没有掠食者并有足够能量来源的情况下，持续向更复杂的形式进化。
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  2024-11-19
  RNA是一种多才多艺的单股分子链。它可以与另一条相当长的RNA互相配对或是和一小段附着氨基酸的核苷酸配对而产生所有的蛋白质，使有机物具有不同的形状及形态。RNA的组成是由四种不同的碱基（腺嘌呤、鸟粪嘌呤、胞嘧啶及尿嘧啶）个别再与磷酸以及核糖（一种五碳糖）结合成的。RNA主要分为三类，其中一种形式的RNA核苷酸序列，是第二种形式的信号（接收信号的RNA携带着氨基酸，且可与第一种形式配对）。在氨基酸一个接一个连接起来的时候，它们就排列成蛋白质，然后，这个蛋白质再反过头来加速RNA分子的进一步配对，产生更多的RNA。第一个具有薄膜的“自我维生物体”可能只是由RNA所主控。它们可以借着制造蛋白质，以产生更多的RNA而自我复制。较长的双螺旋状且较不易发生变异的DNA，则可能发展得较晚：它们逐渐产生铸模的功能，用来拷贝出一份份的RNA。DNA的基本单位也是四种核苷酸。每个核苷酸分子都是由碱基、糖及磷酸所组成。但DNA是以胸腺嘧啶代替RNA的尿嘧啶，而它的糖则是以脱氧核糖代替核糖。两股互相缠绕的DNA分子，都是腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，鸟粪嘌呤与胞嘧啶配对。即使最小的细菌也有数十万这种成对的组成，即所谓的碱基对（base pair）；而动物及植物细胞则有上百万的碱基对。排列成串的核苷酸密码导致蛋白质的形成，制造了更多的核苷酸，使它也加人了复制的阵线。这种化学物质的排列方式不只是散漫而自求生存的，它更是地球上所有生命生殖形式的祖先。
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  2024-11-19
  这些岩石可能是那群太古代细菌的坟场。经历几乎40亿年的时间，精确地说是38亿年，这些岩石在巨大的温度及压力变动摧残之下，几乎没有化石可以完整保存：但生命却在伊沙地层中留下一些痕迹。碳，这个生命的中心元素，在某些伊沙地层中含量极为丰富：而这些碳同位素（碳十二比碳十三）的比值，则很接近于光合作用生物的特征值。这是什么原理呢？在自然界中，碳元素有数种不同的物理形态，而其化学组成几乎完全相同。这些差异来自于碳原子核中的中子数目的不同。我们周围的碳大都是稳定的碳十二（C¹²）形式。小于百分之一为碳十三（C¹³），更少量的碳则以不稳定的放射性同位素碳十四（C¹⁴）形式存在。由于生物进行光合作用时，喜欢利用碳十二，因此，科学家分析碳十二与碳十三的比值，便可推断某些含碳沉积物是否来自光合作用产物。然而，碳十二的增加和两种碳形式的不对称比值，真的是细菌光合作用的结果吗？这些高含碳量的沉积物，代表的是细菌细胞壁、基因和蛋白质的残骸吗？伊沙地层的碳，是以石墨形式存在的，它们是页岩（一种由泥层所转变成的岩石）受到很大的压力和热量时所产生的。如果这些石墨是来自泥栖光合作用细菌的残留物，那么生命起源的年代，将会回溯到几乎和地表形成的同一时期。巴葛鸿在史瓦济兰发现的34亿年前的微生物化石，催生了一项惊人的论点：从无生命转变成细菌所花的时间，竟比自细菌进化成较大且较为人所熟悉的生物所花的时间要少。生命在地球形成后的极短时间内，便开始与地球相伴！的确，生物与其赖以为生的
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  2024-11-19
  除了利用滤光层保护自己之外，微生物还有其他聪明的策略，可以在远古时代太阳夺命的光线下求得生存。因此，细菌发展出能修补遭阳光灼伤的DNA的保护机制。这成为微生物小宇宙以及往后的欣欣向荣的生物圈之最有力的工具。例如，细菌DNA受紫外线照射最常造成的破坏，是形成“胸腺嘧啶二聚体”（thymine dimer），也就是两个相邻的胸腺嘧啶互相形成错误的键结配对，取代了原先该与腺嘌呤配对的正常模式，造成化学结构的混乱，使DNA分子失去正常的功能。除非修护酵素能修复这种错置，否则细菌就会死亡。这种修护酵素可以移去发生错误的部分（即胸腺嘧啶二聚体），并拷贝新的正确的DNA来取代。换言之，受到紫外线威胁的细菌早就已发展出DNA剪接技术了。这也正是今天基因工程技术所利用的机制之一。
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  2024-11-19
  性，如同生物学家的认知，是不同源基因彼此混合或结合的过程，但它并不等于生殖作用（reproduction）。因为，老的生物可以因为接受新的基因，而产生所谓的“性活动”，却用不着进行生殖。性，经常包含至少一个活的生物，但是第二个基因的来源，却不必一定是来自活体，它可以是病毒甚至是试管中的DNA。在早期地球的某个时期，当某只细菌使用了来自某个病毒、活细菌的新鲜基因，甚至死细胞所抛弃的老日DNA，以替换它自身某些遭阳光伤害的基因时，这个细菌便开始有了“性”。比起和生殖绑在一起，以减数分裂（meiosis）产生精子和卵子的动物性活动来说，这种更流畅、更频繁的细菌性生活，无形中增进了小宇宙的复杂性。由于细菌可以在任何时间进行基因混合，更不受限于只能在生殖过程中交换基因，因此，以遗传学观点来看，它们比动物具有更复杂的性关系。因为细菌的基因转移并不须建立在生殖作用上，这也使得我们需要稍微解释一下，才容易了解。细菌在开始进行性活动时，有两个参与者，而通常在结束时，只有其中一个能有性生殖后代，即细菌母体。这种重组后的细菌，现在带着两个来源的基因。它甚至不须进行生殖后代的工作，便可以带有90%的新基因。
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  2024-11-19
  当时世界上生活着9亿人口，在所有生物中仅仅占到百万分之一。然而，自从文明诞生以来，人类已经杀死了地球上83%的野生哺乳动物，以及一半的植物。现代人类对大自然的利用可谓达到了极致。植物，主要是森林中的植物，仍然占到生命物质的82%，而海洋中的生命只占到1%。在过去100年中，由于人类的消耗，这一比例仍在骤减。与此同时，少数被选中的生命形式，反而通过人类主导的繁殖进行了大规模扩张。在没有被我们赶尽杀绝的动物中，绝大多数都是被驯化的家畜家禽。以全世界的鸟类为例，70%都是鸡和其他被驯养的鸟类，野生鸟类只占到30%。而在所有哺乳动物中，96%都是家畜（以猪和牛为主）和人类，野生哺乳动物的比例只有4%。
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  2024-11-19
  早在20世纪60年代，独立行医的乔恩·L。卡尔松（JonLKarlsson）医生就对冰岛人进行过一项大型研究，其结果显示了精神疾病和创造力之间颇为有趣的联系。很多人都有这种感觉。例如，人们普遍认为艺术家都很古怪。不过卡尔松用科学方法证明了这一点。当然了，这一发现和他预计的或许并不全然一致。根据卡尔松的研究，以雷克雅未克克莱普精神病院里因为精神分裂症住院的病患为例，他们的一级亲属（即父母、兄弟姐妹和子女）显示出比其他冰岛人更杰出的创造力。卡尔松和他的团队深入研究了那些住院病患的家庭成员，发现其中奖学金得主、艺术家或一般知名人士（不限领域）的比例比预计的要高。就这么说吧，相比于普通人，那些因精神分裂症而住院的患者的近亲，其姓名在冰岛名人录上出现的概率要高30%，自己成为作家、出版书籍的概率更是高出50%之多。那么问题来了：这些家庭有何特别之处呢？这些不同的特征为何会牵扯在一起？还有，疯狂和创造力以遗传的形式紧密相关，这究竟意味着什么？直到半个世纪之后，这些问题才有了具体的答案。
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  2024-11-19
  这组“既具有实用性也具有风险性”的基因，或许能够成为一个突破口，从而解开神经生物学中最古老的谜题之一。尽管患有类似精神分裂症这样疾病的人健康状况往往比普通人要差，而且他们生育子女的数量也比普通人要少，但罹患疾病的人却在人群中持续存在，这该做何解释？一个答案是，精神分裂症和双相情感障碍体现的大脑特征对于个体甚至整个社会可能也会产生积极的效应。它们的影响力远远超过疾病本身，可能关系到某些神经生物学特征，让你产生不一样的思维模式。这些基因可能使人倾向于产生创造性的联想，让人更能容忍不明确的模糊概念。只要这些特征不占据主导地位（就像表现在精神病患者身上那样），它们就具有了实用性，能够为人们所用。因此，这些基因，以及我们大脑中与之相关的特征，得以在人群中继续存在。对于逐渐衰老的大脑而言，精神分裂症的某些神经生物学特征或许还能保护记忆。1或许在史前时代，当人类以紧密结合的小群体走出非洲时，这些特征，甚至原创性的想法，具有和现在一样深远的意义？
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  2024-11-19
  我之所以认为这些研究相当有趣，不仅因为它们对精神疾病做出了重要积极的评价，还因为我自己也是这些一级亲属中的一员。我纯粹就是觉得，自己有必要做更全面、更深入的了解，不光为了我自己，也为了我的大脑和我的家庭。但凡接触过这类亲属的人都应该知道，精神疾病的思维是原创性的。急性短暂性精神障碍首次发作之前，病患会表现出精神疾病的早期症状，其中很多现象类似于日常生活增强版的内省思维。这一段时间被称为前驱期。处于前驱期的人可能会抱怨自己遭到各种声音和想法的入侵和干扰，这些声音和想法并非由外部事物引发，而是他们思维中突然冒出的语音和图像内容的映射。对于每一个人来说，拥有内心独白和内心思想都是再正常不过的事，而对处于前驱期的人来说，这不过是强度的增加而己。这种不由外部事物引发的零散联想、思想和图像会越发频繁地出现，很多人还表示，自己意识的敏锐度也有所提高。精神疾病完全发展之后，对于毫无联系的想法和图像，患者会失去筛选整理的能力，并且出现旁白形式的幻听，表现出受迫害妄想，倾向于对看似无关的现象展开广泛联想，从而产生怪异的错觉，以及对环境理解的失能。精神疾病在导致额叶执行部分激活程度减少的同时，也会让大脑静息态网络过度活跃一而在我们休息和放空思想时，大脑的静息态网络往往最为活跃。研究还表明，在这些情况下，大脑的多巴胺网络会进入高速运转状态。这使得罹患精神疾病的人对于一些微不足道的小事开始给予关注，赋予其新的意义，并刻意提高其重要性。根据一个合理的理论，精神疾病的一个核心组成部分，其实是过滤机制的削弱。在大脑中所发生的一切到达意识层面之前，过滤机制都会对其进行筛选整理。就精神疾病而言，图像、声音、联想和注意力不仅没有被整理出来，反而不受控制地、突兀地出现在思想之中。形成意识的门槛降低了，从前无关紧要的内容被赋予了全新的重要意义。而根据另一个理论，富有创造力的健康人群同样拥有较弱的过滤机制。...
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  2024-11-19
  我们人类是需要未来的生物。未来在我们的思维中具有激励功能，并且和最基本的驱动力息息相关。但预见性并不是轻而易举获得的。在当前状态下，预见未来发生事件的前瞻性，既是一种能力，也是担忧、焦虑和怀疑的源头。诚然，我们人类能够预见和影响未来一为的不仅仅是自己，或许还包括广义上的人类文明，与此同时，我们所付出的代价是对于负面事件和想象中未来发生的灾难忧心忡忡、焦虑不安。因此，前额叶皮质不仅仅是计划的皮质，也是焦虑的皮质。前额叶皮质让我们担忧、焦虑、自我怀疑一在某些情况下，甚至会演变为恐惧。有些时候，这些消极情绪会占据上风，使我们陷入沮丧。这也就难怪许多人会想从高度文明的前额叶皮质的束缚中暂时挣脱出来。事实上，很多人都会有意识地这么做（迫使自己退回文明程度较低的状态。
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  2024-11-19
  在大脑皮质感觉处理的最初阶段（即初级阶段），不同感官之间解剖学意义上的连接其实很少。换句话说，视觉、听觉、触觉等感觉区域之间的互动极其有限。跨模态连接（即不同感官的连接）反而发生在人类特有的多模态联合区，而这些联合区则处于大脑的后期处理阶段。人类感官的连接整合，正是基于这类区域的结构。因此，这并非仅仅依靠学习就可以实现。即使我们只看到过一次某个物体，之后我们也能仅仅凭借触觉认出它来。多模态区域（也称多感官区域）的独特结构，决定了人类和其他灵长类动物能够将各种感官联系在一起，从而合成对周围世界的整体感知。联合区使人得以将不同类型的感觉整合在一起，最早对其做出系统描述的先驱人物之一，就是20世纪的杰出神经学家、美国诺曼・格施温德（Norman Geschwind，1926-1984）。格施温德针对人类大脑的顶下小叶进行了研究。他探究的区域包括角回，以及周围大脑皮质中向角回发送信号的一大片区域。格施温德阐述了角回在大脑中的位置和连接如何赋予该区域特殊的条件。这一区域为视觉、听觉、触觉的整合提供了一个多元交叉点，在人类和其他大型灵长类动物中，角回是一个“交通枢纽”。不同于哺乳动物边缘系统所决定的“原始的”情绪整合体系，类似角回这样的区域所创建的，是一个整合感觉印象的新皮质系统。一个事实是，角回这样的跨模态区域只在灵长类动物中得到了较好的发展和进化，和这一事实一致的是，有研究结果表明，包括人类在内的灵长类动物异平寻常地擅长整合感官信息。
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  2024-11-19
  关于这些鲜活生动的额外感觉（或称联觉），弗丽达是第一个向我描述的亲历者。在她眼中，数列是有形状的。从孩提时代开始，这些颜色和形状就没有变过。“一直到十几岁的时候，我都以为，每个人都能从字母中看到颜色、从数字中看见形状。我从没怀疑过这一点，自然也没问过别人。”20世纪50年代的时候，弗丽达的妈妈还是个小女孩，她说自己看见了不存在的颜色，因此接受了一次精神病学的评估测试。后来，弗丽达的妈妈一直对这件事讳莫如深。不过弗丽达对此并不介意。她告诉我，家族里的好几个成员都有类似的奇特症状。有一次，我随手翻开一本尘封已久的旧书一一苏联神经心理学家亚历山大·鲁利亚所著的《拥有无限记忆的人》，其中一处似乎相似的细节深深打动了我。1”该书的主人公S是一位拥有惊人记忆力的苏联记者。如果很长一段时间接不到新闻任务，他就会以记忆大师的身份出现在观众面前，靠表演记忆绝技赚钱养活自己。书中提到，S所拥有的感官感知能够自动紧密连接在一起。比如，字母和数字能够唤起某种特定的颜色或某一特定的属性，从而帮助S记住大量信息。
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  2024-11-19
  当细菌长到两倍体积大小时，会复制其单股DNA，并一分为二，产生两个各带有一组DNA的子细胞，完成无性生殖。或者，它们也进行出芽生殖，由母细胞长出另一个包含整套遗传物质的小细胞；一旦小细胞脱离母体后，再逐渐长到成菌的大小。它们也可将DNA装进孢子（spore）内。当细菌遇到长期干旱或其他逆境时，通常会在细胞外层形成保护壳，以孢子的形式度过。细菌孢子的寿命极长，它们甚至可以在干燥环境下“旱眠”数百年、数千年，以挨过长期的干旱和其他不良的环境，等到环境湿润或较适合生长时，再开始萌芽成长，再度发育为新个体。
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  2024-11-19
  如果把小宇宙的遗传性质应用到较大型的生物上，我们将会进入一个科幻小说般的世界。其中，绿色植物将与邻近的蕈类分享光合作用基因，或是人类可自玫瑰或海象身上取得基因，而发散出香味或长出象牙来。然而在小宇宙的世界里，这种简易的基因交换所暗示的意义，甚至更令人惊讶。如果所有的菌种之间，都能够分享彼此的细菌基因，那么严格来说，细菌世界并没有真正所谓的菌“种”之分。所有的细菌都是同一种生物，一种能以“星球规模”进行基因工程运作的实体。
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  2024-11-19
  然而，在20亿年前，地球仍然面临了被动吸收氧的物质遭到使用殆尽、氧气快速累积所引发的全球性大灾难。今天，我们对于大量燃烧石化燃料，使得大气二氧化碳含量自0。032%增加到0。033%，而感到忧心忡忡。人们担心过多二氧化碳吸收额外热量所产生的“温室效应”，会融掉两极冰帽，上升的海平面将淹没都市，造成大规模的死亡及破坏。然而，发生在显生宙的现代工业污染，根本不能和太古代真正的自然性污染相提并论。约在二十亿年前的太古代和元古宙时代，氧气在数千万年之内，以不可思议的速度增加。太古代到元古宙世界的大气含氧量，从原本的百万分之一增加到五分之一，也就是从0。0001%增加到21%。这是地球史上前所未见的大污染事件。在这种环境下，许多微生物很快就灭绝了。氧和阳光的联合是极为致命的，远比只有其中任何一种单独作用要危险得多。即使在今天，它们的组合仍是藏身于世界上任何阴暗角落的厌氧性生物之瞬间杀手。这些尚未适应氧气和光线的生物，一旦接触光和氧气，便会因其所引发的轻微爆炸而立即死亡。除了利用已有的生存模式如DNA复制、基因转移和突变以延续生命，微生物对这种猝变毫无防御能力。
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  2024-11-19
  大气含氧量维持在21%的稳定性，似乎是生物界在数百万年前所达成的默契。的确，这项“合约”到今天仍有效。如果氧浓度曾经高过这个百分比，化石记录肯定会透露过去曾发生全球大火的证据。目前，大气结构维持着“高，但又不至于太高”的氧浓度，使我们体认到生命可以清楚决定如何在危险和机会、风险和利益间保持平衡。当水在低水位时，即使是雨林和草地也很容易起火燃烧。如果氧浓度再提高几个百分比，活着的生物将开始“自燃”：而氧浓度若下降几个百分比，呼吸氧的生物则会感到“室息”。生物圈至少已经保存在这种令人愉快的介质当中，达数亿年之久。然而，这项条件究竟如何维持，至今仍然是个谜。
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  2024-11-19
  其实，海水和血液的盐浓度是相同的。我们细胞组织中的钠、钾和氯化物的比例相当接近海水成分。这些盐是动物在进行危险的陆地之旅时，以化合物的形式随身携带的。不论是在多高、多干燥的山巅，或是隐藏在多深的林间，我们流的汗水和落下的眼泪基本上都是海水。
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  2024-11-19
  在那场6600万年前的著名白垩纪末期生物灭绝事件当中，不只是恐龙，许多哺乳动物和海洋浮游生物都灭绝于此。而2。45亿年前恐怖的二叠纪一三叠纪大灭绝事件（Permotriassic extinctions），则毁灭了当时52%的地球生命（白垩纪末的灭绝事件只死了11%的生物，比较起来算是小巫见大巫）。科学家提出许多理论来解释这些灭绝事件，其中一种说法认为，在二迭纪一三叠纪之际，世界唯一的超级大陆盘古大地（Pangaea）在当时分裂成南北两块：而另外有关白垩纪大灾难的说法，则是因为有颗大陨石撞上地球。从5亿年前到今天，总共有四次比恐龙“遇难”还要凄惨的大灭绝事件。据说从统计数字来看，大约每隔2600万年左右，就会发生一次灭绝事件，这对某些天文学家，特别是加州大学柏克利分校的穆勒（Richard Muller）而言，特别有意义。他提出了“复仇女神”（Nemesis，太阳的一个假想姊妹星）的想法。这种假说认为，复仇女神会周期性地将欧特云（Oort Cloud，欧特云是依荷兰天文学家欧特的姓氏所取的，指的是冥王星外的陨石及宇宙碎屑聚集带，有可能是太阳系形成时的原始物质）中的陨石拉出原有的轨道，使陨石逐渐旋转着冲近太阳，其中有些陨石会撞上地球，造成生物圈的重大灾难。其他人则认为，太阳系在我们所处的螺旋状银河系平面上进行的规律的垂直运动，是造成大灭绝的原因。太阳绕着银河系中心转一趟大约要2。5亿年，它一路上上下下动个不停，在经过星体较浓密的地点，会周期性从欧特云吸引一堆陨石。
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  2024-11-19
  而且，假定现在所有库存的核武器都派上用场，这场全球规模的核战，预期会毁去30%到60%的臭氧层。大城市的火焰烟尘将直冲云霄并环绕着地球燃烧。在这场无止境的燃烧之后，全世界的平均温度会剧烈下降。辐射将危及人类的免疫系统，造成像艾滋病一样的世界性瘟疫。虽然如此，我们依然不相信微生物小宇宙的健康及稳定性，会因此而被动摇。辐射所导致的突变率增加，对微生物的进化并没有直接影响，因为，总会有大量因应辐射污染的突变种预备队伍，供进化作用所需。例如，在用来冷却核反应器的水流中，就曾发现抗辐射奇异球菌（Deinococcus radiodurans）的踪迹。此外，即使臭氧层遭破坏，使得紫外线辐射长驱直入，也不能毁灭基层微生物。或许可以这么说，辐射能刺激细菌的基因转移。