冬日的世界

主持人的話：看似一片肅殺的冬日世界其實充滿了故事，從溫血的飛鼠到沉睡的黑熊，從不懼嚴寒的山雀到冰凍的昆蟲和蛙，故事每時每刻都在延展，只有熱愛自然的人才能發現其中的妙趣以及故事主角們那令人驚嘆的生存智慧。《紐約時報書評》這樣評價我們本期向大家推薦的這本書：“結合科學視角和詩人的靈魂，海因里希用動物在最寒冷季節中那新穎、別致、時而出人意料的生存之道迷住了我們。”是的，貝恩德·海因里希，這位曾經的伐木工人，如今佛蒙特大學生物系的榮譽退休教授、《科學美國人》《紐約時報》等多家媒體的撰稿人，通過這本《冬日的世界》向我們展現了大自然的神奇與詩意。

海因里希的語言自然而高效，我們所摘選的這本書的第一章雖然不是講述具體某一種生物的故事，但卻生動地為我們勾畫出所有故事之所以發生的大前提。每個對我們這個世界懷有好奇心的人讀來都會浮想聯翩。

好書妙在分享，歡迎大家推薦科普佳作。

第一章 火與冰

微觀生命是在約35億年前——前寒武紀時期——進化出來的，那是生命最早且最長的重要時期，覆蓋了大約90%的地質時間。沒人知道當微觀生命開始時地球確切的樣子，但我們確實知道曾幾何時地球是個酷熱的、如地獄般的地方，且大氣中缺乏氧氣。早期的微生物，很可能是藍細菌或類似細菌的生物，發明了光合作用，將日光作為一種能量來源。它們從空氣中吸入食物——二氧化碳，同時產生廢棄物——氧氣，進一步改造了大氣，繼而改造了氣候。它們發展出DNA以儲存信息，發明了性，為自然選擇提供差異，從此進化開始了，它是一個永無止境且在很大程度上難以預測的進程。

分子指紋分析顯示，現今地球上的每種生命形式都源自同一個類似細菌的祖先。那個祖先最終分化出了三支主要現存的生命分支：古細菌、細菌和真核生物（由含有細胞核的細胞組成的生物，包括藻類、植物、真菌和動物）。

第一批古代生物，即在地球大氣出現氧前的那些并不利用氧的生物的余黨，在今天可能仍然改變不大地活著。很多人認為它們就是現今只生活在少數仍保留了古代的、對我們而言如地獄般環境的消耗硫的細菌。這些棲息地包括溫泉和深海熱泉噴發口，那里的水溫在300℃（水仍保持液態而未變成蒸氣，因為在3600米左右的深度，水經受著巨大的壓力），由海床向上噴涌。其中一個生活在熱水噴發口邊緣的物種是延胡索酸火葉菌（Pyrolobusfumarii），除非加熱到至少90℃，否則它不能生長，它能忍受113℃的高溫。當地球逐漸冷卻，新的環境出現，新的單細胞和后來的多細胞生物從這些或類似的物種中進化出來，入侵日新月異且更涼快的環境。

過了很久之后，一些細胞通過入侵其他細胞也逃離了它們祖先生活的環境，發現新環境有利于生存，便開始適應那里。這種一開始是寄生的生物最終進化出了與它們的寄主合作或共生的關系。也許在這些最終互利的結合中，最改變命運的一樁就是前寒武紀的藍細菌成功進入其他細胞且最終變成了葉綠體，而它們的寄主變成了綠色植物。

多細胞生物和我們今天所看見的奇妙多元的生命，具有獲取太陽能的能力之后或同時，發生了另一個關鍵的細胞侵入過程，即寄生轉變成共生。有了來自植物的氧氣，就有了能量和耗氧菌，而當它們中的一些入侵其他細胞時，它們就變成了線粒體，而它們的寄主變成了動物。線粒體是細胞能量或動力使用的源頭，擁有了線粒體同時又獲得了氧氣，這就大大加快了能量消耗的速度。它使多細胞動物的進化成為可能。關于利用線粒體驅動的高能耗生活方式的終極表述之一，當然就是像戴菊那樣在北方冬季仍保持著對我們而言幾乎無法想象的高度且持續活力的動物。

由線粒體產生的代謝火焰可以被扇得更高，只要有足夠的氧氣存在，或者它們也能被降得很低。生命是利用火焰的過程，更重要的是控制火焰的過程。它產生熱，而熱經常與生命同義。

對我們而言，溫度是用冷熱的標尺衡量的一種感覺。物理學上，它是分子運動。我們能用溫度計測量它，因為一個物體的分子運動越大，分子間距越大。我們以水銀（或其他液體）在圓柱的標尺上爬升的位置來測量這種分子間距。像這樣的分子運動并不是生命，而是生命的前提。

另一方面，熱是進入和離開系統時會改變溫度的能量。一些物體必須吸收更多的能量（比如，從太陽那里），然后它們的分子才開始運動，并提高溫度。卡路里是能量單位，1卡路里被定義為將1克水提升1℃所需的能量。加熱如石頭這樣的物質所需的能量要比加熱水所需的能量要少得多。同樣地，能量也不是生命，而是它的前提，生命對能量的需要永不滿足。因此，真正神奇的是在冬季生命得以延續甚至繁榮，但那時陽光很微弱。

溫度沒有上限。在太陽系內，太陽表面溫度約為6000℃；中心溫度比表面溫度約高出3000倍，即18000000℃。另一方面，宇宙的低溫極限是有限的。這是所有分子運動停止及熱能含量為零的那點。那個溫度排除了活著的可能，但是從我將討論的對冬日世界的適應上看，它并不一定會毀滅生命。生命，起碼在理論上，可以在宇宙最低溫度時保持暫停。

攝氏溫標是這樣定義的：水分子結束晶體結構變成液體時為0℃，液態水在海平面沸騰時為100℃，在0℃到100℃之間，水的熱能含量被平分成100個單位。物質的零能量含量，或宇宙中的最低溫度極限，在開氏溫標上被定義為0K，它對應的是-273.15℃或-459.7。因為據我們所知，生命是以水為基礎的，我們中的大部分人熟知，活躍的細胞生命被局限在水的凝固點和沸點（它們會隨壓強和溶質的變化而變化）之間狹窄的溫度區間里，在這段區間里控制能量利用率是可能的。人體大部分由水組成，當我們細胞里的水凝結，也就是變成冰，它就會切碎細胞膜并殺死我們。

水在生態層面對生命的影響與它在細胞層面上對生命的影響一樣深遠。在北溫帶，每年秋天我們都能觀察到水的不同物理特性的生態效果。地球上的大多數生物經歷過的水是從山上往下流的透明液體，只能被障礙物限制。一年中的部分時間，我們中的某些人也會看到粘在樹上和山坡上、把樹林裝點得像仙境一樣的、白色粉末狀的水。這種物質可以被堆成堆、打成洞，然后做成人類或野獸的居所。它可以聚集并變得又密又深，以至于我們不能踩穿它。它能阻止植物吸收光，還可能壓壞它們。在北方地區，當地球的傾斜度合適時，它可能經過長時間的聚集形成冰川、改變地貌、擠壓山脈和谷地。僅1℃甚至更少的差別，水還可以變成一種透明的、像玻璃一樣的物質，它封住湖的表面，讓我們從上面安然無損地走過。

冬日的世界里幾乎每樣東西的命運都最終由水的結晶來決定。只是在幾個小時的時間內，結晶就可以改變地球的物理表面，而在幾百萬年的進程中，它深遠地改變了所有必須同這個從液體到晶體的神奇過程斗爭的生物的生理、形態和行為特征。

每年秋天，冬日的世界悄然而至，無情地靠近那些居住在北半球的生物。隨著它的到來，黑夜變得越來越長、越來越冷。來自太陽的能量更少能到達地面了。最先是表層土中的水凝結成堅硬的殼（除非它已經被雪覆蓋了）。流動最快的溪流和小河是最后結冰的，因為冷空氣與水的介面持續混合。導致水結冰的寒冷來自水上方貼著它的空氣。水至少比空氣暖和一點點。當水被攪拌（像在快速流動的溪流中那樣），表面不會那么快冷卻到0℃。

某個夜晚，不可避免的事發生了：所有的水都凍成了冰。氣溫降到了讓在池塘邊緣漂浮的沼澤草的莖、小枝和樹葉上的水分子的分子動力減慢到足夠讓它們身陷穩定的晶體位置中。這些莖、小枝和樹葉于是起到冰晶形成中成核點的作用。像臺球滾落袋中，水分子被鎖定了，起先是不加區別地發生在任何它們遇到的物體上，然后是靜止了的其他分子上，形成一個冰的網格。這些分子剩下的一點點能量現在以熱能釋放，即熔化熱，每克變成冰的液態水需要釋放76.7卡的熔化熱。（這些熱能不足以引起可觀的池水或湖水的溫度上升，因為它很快就會被大得多的水體吸收。然而，從其他水體分離出來的一個小水滴突然結冰，經常會引起好幾攝氏度的可觀的“放熱效應”。）

剛形成的冰晶像鋒利的手指在水的表面上延伸著。它們相遇、聯鎖，到了早晨整個池塘都可能覆上了一層透明的冰窗，從地理上將水里的生物和陸地上的生物隔絕開來。幾乎就在一夜之間，人可以名副其實地在水上行走，當然這不是一種超自然能力，而是水在溫度低于0℃時的物理特性使然。

在池塘里的水汽變成冰時，一些很顯著、簡單卻又極其重要的事情發生了。它們可以和云中的水汽變成冰時所發生的事情相類比。在云中，冰晶會下落是因為水和冰比空氣和氣相水要重。然而水在從液態變成固態時會變輕。如果反過來，冰晶剛在池塘表面形成就會立刻沉底。接近水底的熱量一開始會持續融化下沉的冰晶，但在某個時刻接近池底的溫度會達到0℃或更低。于是，水會從底部開始向上結冰，而不是從上而下。這個現象的生態結果將使北方沒有水體。夏季的陽光將只會融化上層的冰，而雄心勃勃的水體一出現就會很快變成巨大的永凍冰。

在生態上，水的另一個重要特性是，它的密度隨溫度變化而變化。冷水比熱水的密度大，所以冷水會下沉、熱水會上升。空氣也是如此。但是水的這種變化并不均勻。水在4℃時密度最大。因此，當湖水在春天從0℃升溫到4℃時，隨著冰的融化，表面的水會下沉。密度較大的水會取代較冷的底層水和其中的營養物質，然后它們上升到表面，給上面的生命提供養料。

在地質學上，地球經歷了有規律的反復出現的冰河時代，其規律來自于地球傾斜的天文周期。現在，在米蘭科維奇循環[以它的發現者米蘭科維奇（MilutinMilankovich）命名]中正值7000年前開始的冷卻期。但現在我們卻相反地在經歷全球變暖，因為天文周期帶來的冷卻效應被人類引發的氣候變化覆蓋了。燃燒化石燃料產生的二氧化碳氣體在大氣中聚集的速率超過了它被森林中的樹木和其他植物吸收的速率。二氧化碳像隔熱毯一樣發揮著作用，困住太陽的熱能。和天文周期允許進化適應的逐漸變化不同，這種在地球歷史上的新現象是突然的。它會影響到戴菊，以及我們人類。