书城教材教辅科学知识大课堂——趣味科学
37266200000012

第12章 趣味发明(12)

现在我们就要讲到这门科学给想得到蛛丝的人们的启发。它激发了美国一位名叫斯蒂芬·隆巴迪的分子生物学家的灵感。这位美国马萨诸塞州内蒂克陆军研究实验室的年轻研究人员,从军事角度考虑,他觉得蜘蛛丝有许多重大的用途,分子生物学给他开辟了一条新的思路。

他想:既然分子生物学已经发展到这一程度,我们何必非得要求由蜘蛛去生产蛛丝呢?我们不能请别的容易培育和繁殖迅速的生物——比如细菌——来帮帮忙吗?

隆巴迪进行了一系列的实验,他从一种名叫黄圆纺织娘的蜘蛛中分离出一种基因,它带有生产蛛丝蛋白的密码;再把这种基因移植到一种细菌体内,使这种细菌具有了分泌蜘蛛蛋白的能力。隆巴迪再用这种蛛丝蛋白抽拉出一根4英寸长的蛛织丝。

这种由细菌分泌出的蛛丝蛋白制成的蛛丝,具有属于真正的蛛丝的优异性能。它的拉伸强度是同样粗细的钢丝强度的5倍到10倍;它具有极强的韧性,可以拉伸到原来长度的18%而不断裂。而且,将它和蚕丝相比较,它具有蚕丝的质地和手感,但比蚕丝结实,又比蚕丝容易染上色。

虽然这个消息于1991年2月26日在美国《华尔街日报》公布时,隆巴迪得到的由蛛丝蛋白抽拉出的蛛丝才不过只有4英寸长,但它给人们带来的希望和由此所产生的兴奋心情却远远超过了4英寸蛛丝的价值,因为这一成果向人们展示的是一条崭新的、可行的,而且价廉物美可以批量生产蛛丝的道路。

这是因为培植细菌比饲养蜘蛛要容易得多,也简单得多。细菌繁殖快,对生活条件的要求也很简单。这样,人们把制造蛛丝蛋白的复杂工作交给细菌来完成,不需要很复杂的设备就可以得到源源不断的蛛丝蛋白,再把这种蛛丝蛋白放进抽丝器里以极快的速度抽拉出极细的蛛丝,而后,人们就可以得到各种各样的蛛丝品。

在美国军方看来,隆巴迪的发明给改善(改革)军用品带来美好的前景。他们希望不久的将来可以用蛛丝制造重量轻、强度大的军用品。例如织成防弹背心,用来取代现在采用的凯夫拉尼龙防弹背心;用来制作头盔、降落伞和降落伞绳;制作帐篷、军装、睡袋、被褥等,也许还可以用来制作光纤材料。

当然,蛛丝蛋白的出现也给纺织界和服装商人展现一片美好的前景,他们设想,将来可以用这种原料织造出美丽的面料,以便做高贵的时装、西装和礼服,做领带、丝袜……如果说,蜘蛛在童话中曾经以它的蛛丝不可能被人类所利用而感到骄傲,那么,现在就该由它们来感到惊异了。它们一定会感到十分纳闷:蜘蛛生产蛛丝的专利,从老祖宗到现在,严格保密已经将近4亿年,怎么到了20世纪的90年代第一春,就被人类给复制出来了呢?

地球生命大爆炸

生命的起源

《圣经》上说,上帝创造了一切。

上帝第一天创造天地,第二天创造空气,第三天创造草木、菜蔬,第四天创造昼夜,第五天创造鸟兽鱼虫,第六天创造人。

第七天,上帝安息,因为要创造的都创造了。

公元1654年,爱尔兰大主教厄谢尔经过“考证”,得出了上帝在公元前4004年10月26日上午创造地球的结论。

瑞典着名科学家林奈(1707年~1778年)则认为:上帝曾经创造了1万个以上的物种,这些物种从来没有演化或改变模样,也不曾灭绝过——因为上帝绝不会将其所创造的物种再取走。

“神创论”一度非常盛行。一直到今天,还有一些人依然对比深信不疑。人们认识世界需要有一个过程。当无法解释某些自然现象的时候,人们总是想:该是有超自然的力量在支配吧?何况宇宙诞生、地球诞生、生命诞生这样极为重大的事件呢?

地质记录和化石证据证明,厄谢尔的结论和林奈的观点是不对的。

我们都认识这样一位老人:秃顶、大胡子、目光敏锐。他的名字叫查理·达尔文。

达尔文是英国人,生于1809年,1882年去世。1831年到1836年,他乘海军勘探船“贝格尔号”环球旅行,在动植物和地质等方面进行了大量的观察和采集,于1859年出版了震动当时学术界的《物种起源》。他认为,生物最初是从非生物发展而来,现代生存的各种生物,有共同的祖先。在进化过程中,通过变异、遗传和自然选择,生物从低级到高级、从简单到复杂,种类由少到多。这一学说的诞生,成为向“神创论”挑战的一个里程碑。

达尔文令人景仰。但是,人们在景仰他的同时,忽略了这样一个事实:达尔文深深地困惑着。这个困惑使他的晚年焦躁不安。

按照进化论的说法,现代生物有共同的祖先,生物的进化是渐变的。但是,从隐生宙到显生宙,怎么会突然出现那么多的生物呢?打一个比方。达尔文的进化论认为,生物有共同的祖先,就像地球上最初只有一棵小树苗,小树苗在成长的过程中逐渐分杈,直到枝繁叶茂。而不断发现的化石告诉人们,显生宙一开始不是只有一棵树苗,而是突然就有了一片小树林。

在这片小树林中,只有一小部分树长大和繁衍。

达尔文无法解释。达尔文之后的许多年,大家也无法解释。

这不能怪我们的科学家们。古生物学不承认童话、神话和幻想,甚至不承认看起来十分合理的推断。科学就是科学。古生物学上的一切问题,都要通过“化石”来解决。

惊人的发现

1942年,地质学家何春荪到云南澄江帽天山勘探磷矿。他是最早到澄江进行地质研究的人,可惜他不是古生物学家。

1984年,年仅34岁的古生物学家侯先光在帽天山发现了娜罗虫化石——以往只在加拿大伯吉斯山生物群中出现过的古老节肢动物化石。他是最先发现帽天山“天大的秘密”的人。比伯吉斯山生物群早1500万年的澄江生物群,从此在科学界大放异彩。

1985年,张文堂和侯先光发表了关于澄江生物群研究的第一篇论文。此后,侯先光、孙正国又陆续写出一批论文。

1987年,陈均远和侯先光在澄江做了大规模的化石发掘工作,并根据研究成果发表一系列论文,震撼了科学界。着名古生物学家、德国的塞拉赫教授称:“澄江生物群就像是来自天外的信息……”

1990年以后,以陈均远教授为首的跨国科学研究小组,为破解寒武纪生命大爆炸之谜,多次在帽天山地区进行大规模发掘活动。

1991年,陈均远等古生物学家在着名的《调查与探险》杂志发表论文,并构思了第一幅寒武纪早期的水下生命景观图,引起许多人注意。《纽约时报》根据有关科学家建议,将这一生物群列入“20世纪最令人惊奇的发现之一”。

1991年,以中国科学家为主的国际性合作研究计划开始展开,一些重要成果相继在极具权威性的国际性科学杂志上发表,引起全球新闻媒体的追踪报道。

1992年,着名的《自然》杂志以澄江发现的微网虫化石作为封面。1992年夏季是澄江化石发掘史上成果辉煌的一年。朱茂炎是第一块完整奇虾类化石的发现者,周桂琴是第一块完整巨虾类化石的发现者。

1995年,陈均远教授在中国南京主持召开了“寒武纪大爆炸国际学术讨论会”,这是有史以来第一次以“寒武纪大爆炸”为议题的国际性学术讨论会。寒武纪大爆炸是借用炸药或原子弹爆发时的突发性,来类比赛武纪早期所发生的一次生物突发事件。

澄江生物化石群所处的时代为寒武纪大爆炸后期。从各方面的证据判断,这一爆炸事件从开始到结束,整个时间短于300万年,可能只有100~200万年。在短短几百万年的时间,生物大量出现,而完全没有祖先的痕迹。几百万年的时间当然很长,但用生命历史35亿年这一尺度来衡量,几百万年只是一瞬间。因此,澄江化石群撼动了达尔文学说。

探求生命的奥秘

在古生物学中,一直有一个很吸引人的大谜题,那就是到底有没有发生过寒武纪大爆炸。伟大的达尔文一方面正确地坚持了唯物主义,一方面却不相信大突变。他在一封信中说:“如果我的天择说必须借助于突变,那么我将弃之如粪土。”

现在澄江生物化石群证实,大爆炸事件在53亿年前确实发生过。

我们在陈均远教授饱经风霜的脸上找到多年野外发掘的痕迹,也从他的眼睛中看到了智慧之光。作为澄江化石群发掘的主持者,他和他的同事们采集到了1万多块化石!

寒武纪生命大爆炸的确是一件不可思议的事。面对这么多复杂生命的突然出现,许多人试图以各种假设来解释它。

约翰霍普金斯大学的史坦利教授提出过收成原理说。

美国达拉斯的物理学家柏克纳·马歇尔提出过含氧量上升说。

瓦楞泰提出过发育调探机制说和细胞说。

马克斯利提出过重组生殖说。

陈均远教授提出了广义演化论。

“演化生物学正在酝酿着一场科学革命,寒武纪大爆炸学派是这场科学革命的主导者,正一步步地撼动自达尔文以来所建构的演化科学框架。这场革命与演化物理学、新热力学及复杂科学的合流势在必行,新的演化理论不久即将出现,并最终发展成为一个新的科学理念。”

陈均远教授说。

“科学家们的解释不一,说明对于寒武纪早期生物群的研究,到目前为止还只是处于非常初步的阶段。科学界对于寒武纪大爆炸之谜的探讨,目前所触及的也只是群山的一隅——帽天山。帽天山附近还有许多重要的化石产地,有待于进一步发掘和研究。已经采集到的化石显然只是当时生物群留下的极小的一部分,目前对其生命的含义也只是略窥一二而已。只有不懈地努力和研究,才可望揭示这个远古生命世界的奥秘。”陈均远教授又说。

这是一个探求地球生命奥秘的课题。

这是一个需要在未来1000年探求的课题。

中国云南澄江生物化石群,为人类探求这个课题提供了窗口和可能。

以火灭火

在库帕尔所写的《草原》一书里,记载了这样一个故事:美洲的草原上失了火,一群旅客都着急得有点惊慌失措了,只有一个老猎人在观察,在沉思。以后的情况,书中是这样描写的:

“是行动的时候了,为了我们全体都有救,现在大家要听我的。”老猎人昂起头,像军队的指挥官下命令似的,决心采取断然的措施。

“现在行动已经太迟了,可怜的老头子!”米德里顿叫道,“大火距离我们只有400来米,而且风又这样猛烈地向我们吹来。”

“这些我都知道,只要你们听我的,火并没有什么可怕。请大家立即动手,消灭掉我们面前的这块干草,清出一块地方来。”

大家想不出别的办法,看到老猎人是那样的自信,而且又已带头动手,也就只好跟着行动起来。在很短的时间内,就清出了一块直径约5米的空地。老猎人让妇女们把携带的东西搬到空地的一边去,并用被褥把那些容易着火的衣物盖起来。这些预防措施做好后,老猎人就走到这块空地的另一边。那里大火已经像一堵高大的围墙,向旅客迅速逼来。他拿了一束非常干的草放在枪尖上点起来,等到这束干草烧旺了,老猎人就把它扔到近旁的高树丛里,然后起到空地上,耐心等待着自己行动的结果。

他放的这把火贪婪地扑向新的燃料,一会儿连附近的干草也烧着了。

“现在大家可以看到我们这条火龙如何去扑灭那逼近我们的火墙了。”老猎人安慰着受惊的人群说。

“这不是更危险了吗?”吃惊的米德里顿大声叫道,“你不但没有把大火赶走,反而把它引到身边来了。”

老猎人放的这把火愈烧愈旺,同时向三个方向蔓延开来;但在第四个方向——人们所在的地方,却因燃料稀少熄灭了。这火龙按着老猎人的意愿向前猛扑过去了,留给人们的是愈来愈大的空地。这片刚出现的还在冒着烟的空地,比用镰刀割出的空地都光得多,直到这时候,受惊的人群才认识到:老猎人的简易灭火法真是有效。因为随着火龙的伸展,不仅人们有了安全的空地,而且一些方向上的火墙已经减弱下去,眼看就要熄灭。虽然这时黑烟还呛得人们难受,但人们已一致向老猎人投出了感谢的目光。

这种跟草原上或森林里的大火作斗争的方法,并不简单,只有那些极有经验的人才能掌握。

一般情况下,火总是顺着风的方向燃烧的,但在故事里,老猎人却能让自己放的火迎着火焰烧去,显然这是很不简单的。

不过你可不要因为这么一说就产生一种错觉:以为老猎人真能顶风放火了。其实,不管什么时候火焰总是顺着风的方向的。以蜡烛的火焰为例来说吧。火焰中的空气受了热(参与燃烧),体积膨胀,比重减小,于是上升;别处的空气立刻来补充。这样就形成了向上的微弱的风,火焰自然也就向上晃动。

在草原上的大火燃烧时,风虽然是从燃烧着的草原那边向旅客吹来,但在火焰前离火很近的地方,是有相反气流向火焰吹的。正像蜡烛燃烧时,空气既从左边吹来,又从右边吹来(实际是从四面吹来)一样。这种情况使得老猎人巧妙地挽救了自己和其他人。老猎人的具体做法是:他先仔细地观察和考虑,等到发现有相反的气流向大火流去时,才动手顺风放火,使自己放的火顺风向大火扑去。这种做法成败的关键在于:掌握好时机。放火太早了,相反气流没出现,放的火自然是烧向自己,造成更坏的局势。放火太晚了,放的火还没有扑向火墙去,火墙就已经烧着了自己。放火必须不早不迟。

掘墓人死亡之谜

埃及古代的许多法老陵墓都先后被人扒开,许多人从中发了大财。20世纪初,又有人发掘出公元前14世纪的吐坦哈蒙墓,但参加发掘的人都先后死去了,这件事给世人留下了一个谜。

事情是这样的。20世纪初,英国考古学家卡尔特带着他的助手们,一边细心查阅埃及历代国王陵墓的资料,一边进行仔细勘查。几年后终于在埃及利比利沙漠的山崖间发现了未被扒开的吐坦哈蒙法老地下陵墓。

这座陵墓修建得十分巧妙,墓穴入口完全是隐蔽的,很难被发现。挖掘工作直至进行到第六年,仍未找到陵墓之门。后来,工人们在一间倒塌的小屋中,偶然发现了一条通向墓穴的阶梯,顺梯而下很快就找到了入口。墓穴的门封砌得很严,仔细一瞧,能看出上面盖有一个奇特的印记。印记上画着一只胡狼和几个被捆绑着的俘虏。考古学家的助手们看到这个印记后,一个个心里直“发毛”,因为害怕这是凶兆。

陵墓被打开了。墓室中停放着一个体积很大、用金箔包着的棺椁。棺材共有6层,1~4层是木制的,第5层是石制的,最里层是用纯金制成的棺材,约有136千克重。棺材里躺着一个头戴珍贵王冠的木乃伊,其面部还覆盖着一个金制假面具。

这座陵墓的发掘,是考古工作中最有价值的一项。撇开别的贵重物品不说,仅取出的黄金就有200多千克。