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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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黑夜给了我们什么?   

2013-06-28 07:48:27|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:Lewind

“黑夜给了我黑色的眼睛,我却用它寻找光明!”这是已故著名诗人顾城一首脍炙人口的现代诗。其实,黑夜所给予我们的,远比我们所想象的要多得多。因为,黑夜才是我们的故乡,是我们在进化长河中漂泊的起点。无论愿意与否,我们的身体上都已经留下了黑夜不可磨灭的印记。

 

遁入黑夜的祖先

tumblr_mebeym9Zj91rv9mruo1_500黑夜是可怕的。这几乎是写在我们本能之中的一种感受。因为黑夜意味着未知与不确定,意味着危险的降临。早在我们还是原始人的时候,黑夜就是比白昼更可怕的时段,随时都要提防潜藏在暗影之中的猛兽。而这一切,都是源于视觉在黑夜之中的失效。

然而,对于黑夜,我们的哺乳动物祖先或许会有不一样的思考。在它们看来,黑夜意味着安全,意味着自由。因为刚刚进化出来的哺乳动物是非常弱小的物种,在这个弱肉强食的世界上处于食物链网的底部。黑夜是它们天然的保护伞。

说到这个话题,很多人误以为最初的哺乳动物要躲避恐龙的捕食。其实不然,哺乳动物几乎是与恐龙同时出现在三叠纪末期的。在那个时候,统治地球的虽然也是爬行动物,但还不是恐龙。不过,卵生的恐龙在“龙口”方面的优势很快就体现出来了。哺乳动物在种群数量上劣势明显,形势岌岌可危。

哺乳动物该何去何从?进化为它们指了条明路:明着打不过,就躲到暗地里去。于是,哺乳动物与恐龙最终平分秋色,各占半壁江山——只不过不是地理上的一半,而是时间上的一半。早期的哺乳动物基本都选择了夜间出来活动。

恐龙为什么夜里不能活动呢?因为恐龙像其它爬行动物一样,是冷血动物,体温随着环境温度变化。温度可是非常非常重要的。大家都有过发烧的经历:体温提高2度,我们就已经非常难受了;再提高2度,甚至会有生命危险。这是因为,我们的细胞里无时无刻不在发生着各种各样数以亿计的生物化学反应。这些反应不会自发进行,需要各种称为酶的蛋白质去催化。而温度会影响这些酶的催化活性。

对于人类来说,进化已经把酶的最适温度锁定在了37摄氏度左右。一旦偏离这个温度,酶的效率就会大打折扣,于是细胞纷纷停工怠工,人也只有死路一条了。所以温血动物必须时刻保持体温的恒定。

对于冷血动物来说,由于体温无法恒定,所以它们的酶能够适应更宽的温度范围。但是,蛋白质的脆弱性决定了这种适应是很有限的。到了夜里,恐龙的身体状态同样不佳,只怕捕食不成反被捕。

 

“黑色”的眼睛

虽然哺乳动物在黑夜中是安全的,但为了适应黑夜中的生活,它们也付出了代价。恰恰就如顾城诗中所说:黑夜给了它们“黑色”的眼睛——无法感受色彩的眼睛。

大多数人恐怕都不知道,除了部分灵长类动物之外,绝大多数哺乳动物都是色盲。是的,你没看错:抓线团的猫咪是色盲,会看红绿灯的导盲犬是色盲,就连在斗牛场上面对红布怒不可遏的公牛也是色盲。

进化是个吝啬鬼,没好处的事情它一概不干。任何一个蛋白质,只要其功能并非生存所必须的,进化就会把它淘汰掉,把省下来的能量和原料用在更有用的地方。

眼睛之所以能够看到色彩斑斓的世界,靠的是视网膜上视细胞表面的一种蛋白质,叫做视蛋白。不同的视蛋白对不同的颜色更为敏感。恐龙等爬行动物有四种不同的视蛋白,分别对应于红、绿、蓝、紫,波长从长到短,覆盖了整个可见光谱范围。所以现在很多学者都认为恐龙的颜色可能并不是《侏罗纪公园》里面那种单调的灰色,而是更为靓丽多彩的颜色。这样一来,它们敏锐的彩色视觉才会有用武之地。

如果没有用武之地,视蛋白就只有被淘汰掉的命运。哺乳动物本身就是活生生的例子。由于生活在黑夜之中,彩色视觉完全派不上用场,结果哺乳动物一气失去了两种视蛋白,只剩下了接收紫色和红色的视蛋白。如此一来,整个中波长的区域全都空了出来。为了弥补这一点,接收红色的视蛋白在进化中向紫色一端靠了靠,最敏感的波长已经偏移到了黄色区域。然而,这也改变不了哺乳动物是色盲的本质。

 

红色的果子

至于灵长类动物以及我们人类,重新获得彩色视觉有着重要的意义——找成熟的果子吃。灵长类动物不再像其它素食哺乳动物那样吃叶子,转而食用能量价值更高的植物果实,这是进化上的生存优势。

果实在成熟以后,为了吸引鸟类食用,帮助自己传播种子,它们进化出了迥异于绿色树叶的红色果皮,方便彩色视觉发达的鸟类在高处发现自己。小孩子都知道:成熟的水果更甜更好吃。而水果成熟的标志就是果皮的颜色。于是,成熟果实中更高的糖分所带来的生存优势,最终导致灵长类在进化中重获彩色视觉。

这个看起来像是天方夜潭的故事却是真实发生过的,有着分子生物学上的铁证。人类的彩色视觉来自三种不同的视蛋白,除了哺乳动物都有的紫、红两色,还多了一个对绿色敏感的视蛋白。而这个新出现的绿色视蛋白与爬行动物的绿色视蛋白完全没有进化上的关联,反而更接近我们的红色视蛋白。也就是说,我们的绿色视蛋白来自红色视蛋白在进化中的小小突变。

既然是系出同门,性质定然也彼此接近。如果去看看人类三种视蛋白感光特性的曲线,你就会发现:绿色与红色视蛋白对应的吸收峰只差了30纳米。要知道,可见光的波谱范围将近400纳米。也就是说,人类的绿色和红色视蛋白几乎是功能重叠的。这样的彩色视觉实在是太勉强了,与爬行类和鸟类比起来,人类最多也就能算是色弱而已。

此外还有一个分子生物学上的证据:人类的绿色和红色视蛋白的基因都位于X染色体上,而且是紧挨在一起的。这说明,其中一个基因是另一个基因偶然倍增之后,再慢慢变化而成的。这样的配置很容易发生问题,导致其中一个基因失效。正因为如此,人类有着极高的红绿色盲发病率,达到了总人口的8%。这个异乎寻常的比例远高于其它基因疾病的发病率。

 

折翼的哺乳动物

其实,彩色视觉的退化所带来的影响甚至超越了视觉与色彩本身。在《侏罗纪公园》里,大家都见识过统治天空的风神翼龙。可是为什么哺乳动物最终没有进化出一种占领天空的物种呢?

你或许会认为,原因在于恐龙的直接后裔——鸟类,已经占领了天空,没有生存空间留给后来者了。可是要知道,哺乳动物进化出了地球上最巨大的水生动物——蓝鲸,以及其它种类繁多的鲸豚类水生哺乳动物。先来者似乎并不一定就是阻碍。

另一方面的原因,大概就是因为视觉了。当高飞在天空之上的时候,距离的增加导致地面上物体的运动速度感降低了,飞快的奔跑变成了视野里的缓慢移动。这时,哺乳动物对运动极其敏锐的灰度视觉就不再那么有用了,而鸟类对色彩高度敏感的彩色视觉更有利于辨识不同的目标。

对了,的确有一类哺乳动物会飞,那就是蝙蝠。在黑夜中,蝙蝠选择了回声定位的方式来取代视觉。可是,与光线相比,声音有一个不可避免的弱点:随距离的增加而快速衰减。另外,声音的传播比光线更容易互相干扰,不利于远距离通讯。所以,用耳朵“听路”的蝙蝠是个“近视”。

近视开车就不能开得太快,蝙蝠大概也明白这个道理。进化赋予它们的解决之道就是高速转弯的技能。蝙蝠在空中急转弯的动作简直是匪夷所思,是鸟类根本无法完成的。显然,这样的动作只能在体型较小的前提下完成。这就注定了蝙蝠不可能进一步进化成为巨大的飞行物种。

 

从嗅觉到大脑

当然了,有所失就必有所得。黑夜中的哺乳动物虽然不能看到颜色,但却获得了地球上最敏锐的嗅觉——一种在黑夜中一样可以发挥作用的感官。

嗅觉所依赖的是鼻腔内一种叫做嗅蛋白的蛋白质,而且还是视蛋白的近亲呢。不过,光线的本质是电磁波,差异的只是波长。一种视蛋白可以负责一个很宽的波长范围。气味的本质则是空气中不同的小分子,每个都不一样。于是,嗅蛋白的种类远远多于视蛋白,达到了成百上千种。以鼻子好使而著称的狗和鼠,都有一千多种不同的嗅蛋白。

在哺乳动物中,嗅觉严重退化的就要属人类和水生的鲸豚类了。在水中,嗅觉无法发挥作用,退化是必然的事情。对于人类来说,自从远离狩猎生活,进入文明社会,嗅觉就很难再影响人类的生存质量了。所以,吝啬的进化也就逐渐收回了嗅蛋白的使用权。人类基因组计划告诉我们,人类只剩下了384种不同的嗅蛋白。

然而,嗅觉对我们的影响也不仅仅只是味道这么简单。对于大多数哺乳动物来说,它们通过嗅觉分辨猎物、亲友、敌人。于是,负责嗅觉的嗅脑获得了很大的发展,并与哺乳动物的情感和行为联系到了一起。它们对于食物和异性的追逐,对于敌人的厌恶与反击,全是由嗅脑主导的。这最终导致了大脑边缘系统的发展,成就了功能更强大的脑,为地球上唯一的智能生物——人类的出现奠定了物质基础。

黑夜到底给了我们什么?或许可以说:黑夜给了我们色弱的眼睛,以及我们懂得去寻找光明的智慧头脑。

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本文已发表于《瞭望东方周刊》。

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