书名：寻秘自然
ISBN：978-7-115-59896-7
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著 汪 诘
责任编辑 赵 轩
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本书由著名科普作家汪诘创作，主要围绕生命起源、探秘寒武纪、物种灭绝、地磁倒转、球状闪电、湍流之谜、快速射 电暴、恒星光变等八个令人着迷的科学现象展开探寻。
本书立足于弘扬科学精神，通过富有冲击感的画面和巧妙的故事向读者展现科学家如何通过严谨的手段与合理的猜想去 解开自然界中的诸多谜题。
本书不仅仅传播科学知识，更重要的是传播科学精神，从而让读者领悟什么是真正的科学精神。
一部优秀的自然科学纪录片，会影响很多人的一生。
20世纪 80 年代，美国科学家卡尔·萨根主导制作的科学纪录片《宇宙》（Cosmos），首次在全球掀起了科学纪录片的热潮，数以亿计的观众为它痴迷。30 多年后，另一位美国科学家尼尔·泰森拍出了《宇宙时空之旅》向萨根致敬。
科学是一种知识体系，也是一种思维方式，这里的“科学”可不是指科学成就。
其实，我也是被卡尔·萨根种下种子的孩子之一，但我没能成为科学家，而是成了一名职业科普作家。
大国崛起，不仅仅是经济的崛起，更需要科技和文化的崛起。过去的中国孩子，他们看着欧美的科学纪录片探索宇宙；我期待在未来，全世界的孩子都会看着中国的科学纪录片成长。
然而，长城不可能在一天建成，既要仰望星空，更要脚踏实地。
为此，我从 2019 年开始，走上了科学纪录片的创作之路，《寻秘自然》这个系列的影片从 2020 年开拍，截至 2022 年 6 月，已经完成两季，共八集，分别讲述了八个自然之谜：生命起源、探秘寒武纪、物种灭绝、地磁倒转、球状闪电、湍流之谜、快速射电暴和恒星光变。
这八个自然之谜是大自然留给人类的思考题，等待着科学家们找到最终的答案。
我非常荣幸，能与国内知名的人民邮电出版社合作，共同推出《寻秘自然》的图文版。
在从事科普创作的十多年间，我越来越觉得，这是一项令我甘愿奉献一生的伟大事业。传播科学，不仅仅是传播科学知识，更重要的是传播科学精神。
我相信：
一个人拥有科学精神，可以改变自己的人生；
一群人拥有科学精神，可以改变民族的未来。
汪诘
2022 年 05 月 24 日 于上海
生 命是我们这颗蓝色星球上最伟大的奇迹。天空、陆地、海洋，生命无处不在。生命的诞生，恐怕是宇宙中最神奇的戏法。自古以来，有无数的先贤大儒都问过这样的一个问题：我们从何处来？或许你会想，科学家们不是早已证明，人类都是从古猿进化而来的吗？可是，我可以继续追问：古猿又是从哪里来的呢？如果这么不停地追问下去，最终就会到达问题的起点—— 生命到底是如何从一个毫无生机的自然界中诞生的呢？
哲学家们为此思考和争辩了几千年，从未停歇。而自现代科学诞生以后，科学家就从哲学家那里接过了这个问题。在这一卷生命演化的壮丽诗篇中，进化论向我们解释了生命诞生后的这一切是怎么发生的。但是，这一切到底是怎么开始的呢？换言之，进化论必须面对一个终极谜题：第一个生命是如何诞生的？
生命起源是人类都想破解的自然之迷
40亿年前的奇迹时刻地球在太阳系中刚刚形成时，是一个炽热的岩浆球。在这种“炼狱”般的环境中，没有可能诞生生命。后来，彗星的作用及地球自身的演化，使地表出现了大量的水，地球也慢慢冷却了下来，最终形成了海洋和陆地。
地球形成之初，只是一个毫无生机的岩浆球
宇宙中的过客不仅为地球带来了水，还可能带来了最初的生命
生命到底是地球的“原住民”还是“外星移民”
现有的最佳证据——加拿大魁北克省的微生物化石表明，地球上最早的生命，出现在距今37.7亿至42.8亿年间。
这些最古老的生命到底是如何出现的呢？从逻辑上来说，只有两种可能：一种可能是，生命从地球的自然环境中自发生成（自然发生假说）；另一种可能是，生命是被陨石从宇宙的其他地方带到地球上来的（宇宙胚种假说）。然而，宇宙胚种假说显然无助于我们解答生命起源的问题，因为它只不过是把这个问题甩给了宇宙中的其他星球，并没有真正回答生命到底是怎么诞生的。所以，科学家们最感兴趣的假说，还是自然发生假说，因为只有这个假说，才真正触达了生命起源的本质问题。
假如展开想象，我们或许可以幻想这样一幅景象：大约40亿年前的地球，混沌初开，毫无生机。在一个奇迹般的时刻，地球的某一个角落，一小团由碳、氮、氧、磷等元素组成的物质，突然抽动了一下，第一个生命就这么诞生了。
然而，科学研究不能凭想象。再合理的想象，也需要证据的支撑。这也是科学研究与哲学思辨的区别之一。科学家们需要弄清楚的是：从无生命的物质到有生命的物质，这一切的转变到底是如何发生的呢？而科学有一个最重要的特征：可重复性。要想提出一个令人信服的解释，那么我们就必须要在实验室中再现生命创生的伟大时刻！
地球上最早的生命看起来就是这样的
目前看来，生命的形成具有一定的偶然性
再现创生的伟大时刻1953 年，在美国芝加哥大学的一间实验室里，有两个人向这个谜题发起了挑战。
一个叫斯坦利·劳埃德·米勒的年轻人，和他的研究生导师——1934年诺贝尔化学奖得主—— 哈罗德·克莱顿·尤里教授，将水、甲烷、氨、氢气与一氧化碳这5种物质，密封在无菌状态下的玻璃管和烧瓶内模拟原始地球大气。然后把烧瓶和玻璃管连接成一个回路。在这个精巧的装置中，其中一个烧瓶装着半满的海水，另一个烧瓶则含有一对电极，以此模拟太古时代的地球环境。
他们首先将液态水加热产生水蒸气，然后给另一个烧瓶中的电极通电，产生电火花，这就模拟了闪电。水蒸气在经过电极之后，会在实验装置的底部重新冷凝成水。实验进行了一周，米勒和尤里惊讶地发现，在这些冷凝水中产生了一些黄绿色的有机物。虽然这些黄绿色的物质并不是生命，只不过是一些氨基酸之类的有机化合物，但米勒和尤里欣喜若狂，他们认为这是生命诞生的重要线索。
米勒-尤里实验在当时引起了极大的社会反响。生物学家们纷纷奔走相告，仿佛进化论的壮丽诗篇那缺失的序章终于被找到了，“生命从哪里来”这个终极哲学之问也随之被解答。当时的新闻报道给人的感觉，就好像只要把一些化学物质放到试管中用力地摇一摇，生命就会从里面爬出来......尽管从逻辑上来说，这个实验的结论其实无法解答生命起源问题，可人们还是乐于夸大它的作用，假装得到了满意的结论。
米勒-尤里实验结果一经发布，就引发了媒体与普通人对于生命起源的兴趣
然而真相是：当时的实验者对原始大气中的水、甲烷、氨、氢气与一氧化碳这5种物质的配比完全不清楚，即便碰巧实验条件和原始大气相同，但结果也只是合成了一些小分子有机物，这离最终形成生命还有“十万八千里”。他们合成的最主要物质是氨基酸，这是构成蛋白质的“零件”，而蛋白质又是构成细胞的零件，所以，实验中合成的只不过是生命的零件的零件。
从小分子有机物到氨基酸，再从氨基酸到蛋白质，再从蛋白质到核酸，再从核酸到一个单细胞生命，在这一系列过程中，每一步都需要跨越一道巨大的鸿沟。
从小分子有机物到单细胞生命是一个极其艰难的变化过程
假如我们将一个氨基酸分子想象成一个小球，无数个氨基酸分子要在碰撞中随机地组成一个极其复杂的蛋白质分子，其概率就好像有一只猴子在打字机上随机地乱敲，结果出来了一部《西游记》一样。这种概率已经小到了荒谬的程度。
显然，大自然肯定不是这么干的。这么复杂的一个蛋白质分子，是不可能突然出现的。唯一合乎逻辑的生命诞生过程，也应当是一个简单的有机小分子，在特定环境中不断地演化，逐渐成为一个复杂的有机大分子。无数个有机大分子又通过随机组合，形成了第一个具备生命特征的分子团。而这个至关重要的第一个有机分子团，必须具备一个神奇的功能—— 自我复制。
自我复制有多难分子团每一次自我复制所产生的随机性错误，才是大自然演化的终极奥秘。科学家们真正面临的挑战是，第一个能够自我复制的有机分子团，到底是在什么样的环境中诞生的呢？
从逻辑上来说，有两个必不可少的条件：一是需要有一个能让有机分子自由活动的环境，这样才有可能让小分子聚集成大分子；二是需要存在一个天然的物理屏障，这样才能保证小分子能聚集的同时又不容易散开。那么，地球上是否存在这样的天然环境呢？在哪里最有可能出现这样的天然环境呢？
满足第一个条件看上去并不难，只需要一个液态环境。因为在干燥的陆地上，由于重力的作用，稍大一点儿的分子就会落在地上。不容易移动，极其不利于大分子之间的接触，也就很难形成更加复杂的大分子结构。
不过，在纯粹的液态环境中也有一个麻烦：分子在液体中会均匀地扩散开来。这就好像我们把一块方糖扔到一瓶水中，那么糖分子最终一定会均匀地扩散在水中，而不可能反过来重新聚集成一块方糖。这是由热力学第二定律决定的。这种效应也不利于大分子稳定聚集在一起形成复杂结构，所以，生命诞生的环境必须满足第二个条件—— 天然的物理屏障。
生命的诞生不仅需要水，更需要独特的物理环境
什么是热力学第二定律
这恐怕是所有物理定律中最难说清楚的定律之一。而且“热二”（热力学第二定律的简称）的表述形式也特别多—— 不下10种，比如最早的表述是这样：不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。或者这样：不可能从单一热源吸收能量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。这两种表述算是最通俗易懂的，但是严谨程度不够。后来的科学家继续把这条定律发展成这样：在一个系统的任意给定平衡态附近，总有这样的态存在，即从给定的态出发，不可能经过绝热过程得到。又发展成这样：对于一个有给定能量、物质组成、参数的系统，存在这样一个稳定的平衡态，即其他状态总可以通过可逆过程达到。现在被广泛接受的对“热二”的表述为：任何孤立系统中的熵（系统混乱程度的度量值）只能增大不能减小。
分子只有在特定条件下才能形成更加复杂的结构
或许有些人会质疑：这些所谓物理法则，是不是限制了科学家们的想象力，从而成为一种思维禁锢呢？
这种质疑是站不住脚的，如果脱离已知的物理法则去思考生命的起源，就好像不懂力学定律却要制造火箭一样，永远只能是空想。
在地球上能满足第一个条件的环境，科学家们首先想到的就是海洋，但问题是海洋很难满足第二个条件，因为海洋中的水太多了，分子无法自然聚集起来，这两个条件似乎存在着矛盾，很难同时满足。直到1977 年发生了一件令生物学家们激动不已的事情，让生物学家们看到了一个过去未曾想过的奇特环境！
海底“黑烟囱”揭开生命起源之谜1977年，阿尔文号潜艇在太平洋中著名的加拉帕戈斯群岛附近的海域，潜入了将近2500米深的海底。在这片完全漆黑、压力巨大的环境里，科学家们发现了数十个不停地喷着黑色和白色烟雾的丘状体——含有硫化物的炽热液体从直径约15厘米的丘状体中喷出，附近的水温超过300摄氏度。科学家们形象地把这些喷着烟雾的丘状体统称为海底“黑烟囱”。令人震惊的是，在这样一个似乎是生命禁区的地方，人们发现了生命！
海底“黑烟囱”附近的水温超过300摄氏度，但这里仍有顽强的生命
两年后的1979年，更多的生物学家乘坐阿尔文号回到这里，对海底“黑烟囱”进行了一次全面的考察，这次考察刷新了人类对生命的认知。在这样的极端环境中，竟然存在着一个完整的生物群落，从细菌到各种蠕虫，再到“虾兵蟹将”，应有尽有。这些生物不需要氧气，仅靠海底火山口的热量以及各种硫化物就能获取维持生存所需的能量。其中，嗜热细菌甚至能够在350摄氏度的高温海水中存活。海底“黑烟囱”的发现，彻底刷新了人们对生命的旧有认知，激发了一大波科学家的热情。那么，这些“黑烟囱”到底是怎么形成的呢？
原来，在深邃的大洋底下，隐藏着地壳板块之间的裂缝，顺着裂缝继续深入，则是更接近地心的岩浆池。每当海水渗入这些裂缝，就会被加热到几百摄氏度，由于温度高的水比温度低的水密度更低，这些滚烫的水就会从裂缝中喷涌而出。与此同时，来自地球深处的各种化学物质也被抛洒出来，这样一来，构成生命物质的“材料”就有了。
接着，高温海水遇冷降温，被抛洒出来的化学物质也就慢慢沉淀下来，在大洋底部形成厚厚的沉积物。而这些沉积物往往有着非常疏松的结构，就像海绵，布满了微小的孔洞。这些孔洞会形成类似喇叭口的结构，这样一来，物质就会“进去容易出来难”了。于是，在这样的环境中，生命起源所需要的两个重要条件，奇迹般同时具备了。
海底“黑烟囱”生态示意
在“黑烟囱”附近有充足的水，其中的各种有机分子可以自由活动。然后，它们又容易被密密麻麻的孔洞结构困住，使得小分子有机会碰撞聚合成大分子，大分子进一步聚合成更大的分子，复杂结构就在这样的碰撞、聚合中逐渐形成了。
实际上，在大洋深处也并不是完全黑暗的。有一次，科学家关掉了深潜器的灯光，在深度约5000米的一片漆黑环境中，他们在涌出热水的裂隙出口发现了光线，这种光线可能会被很早以前的生物利用。果然，后来科学家们在“黑烟囱”附近发现，有一种虾的背上有感光区，它能够感知蓝绿光线。
可能你以为，要寻找生命起源于海底“黑烟囱”的证据，那就必须要到深深的大洋底部去。其实不必，因为地球上的海洋与陆地一直都在变迁中，远古时期的海洋到了今天就有可能成为陆地。所以，我们完全有可能在陆地上找到“黑烟囱”的遗迹。
深海中的一种虾为了适应环境，进化出了能够感应光线的身体结构
10多亿年前的汪洋大海最深处，如今成了陆地，生命起源的证据因此被人类发现
河北兴隆的“黑烟囱”遗迹2002 年的 5 月，北京大学李江海教授的课题小组，在河北兴隆县的安子岭，发现了距今14.3亿年的保存完整的海底“黑烟囱”的遗迹！14 亿年前，华北地区还是一片汪洋大海，而兴隆一带，正处于大裂谷最深的海底。在海底“黑烟囱”的附近，生成了大量的硫化物矿石。这些从当地700多米深的地下挖出的符合海底“黑烟囱”特征的矿石，就是最好的证据。
兴隆县“黑烟囱”遗迹被发现以后，吸引了大量的国内外研究者，很多重要的研究成果陆续发表出来。其中，2007年8月，地质学家柯斯基在《冈瓦纳研究》上发表了一篇论文，该文指出：他在这些“黑烟囱”的化石中发现的东西，和今天科学家在海床上发现的古生菌的结构几乎完全一样。这是生命起源于海底“黑烟囱”假说的一项有力证据。
“黑烟囱”的化石中存在与海床上相同的古生菌痕迹
生命的“黑烟囱”起源假说，是目前科学界接受度最高的一种假说。在全世界任何一个自然科学博物馆，讲解员都会给你讲生命从海洋爬上陆地的故事。它甚至影响到了人类探索外星生命的方向。如果说“黑烟囱”假说是成立的，那么在木卫二（欧罗巴）和土卫二（恩克拉多斯）冰封的大洋底下，就完全有可能存在生命。
不过，到目前为止，生命诞生于海底“黑烟囱”的观点，我们还只能说它是一种假说，因为一个理论是否成立，最关键的还是要看实验数据是否支持。遗憾的是，科学家们目前并不能在实验室中重现生命诞生的奇妙过程。
其实，“黑烟囱”假说并不是生命起源的唯一解释。最近这几年，就有一些学者提出了一种完全不同的生命起源观点，这种观点指出，生命很可能起源于陆地热泉。
陆地热泉也具有生命诞生的条件
地表热泉孕育原始生命生命诞生需要两个不可缺少的条件：一是液态环境，二是天然的物理屏障。科学家们已经证实，远古地球上的海底“黑烟囱”附近可以同时具备这两个条件。那么，除此以外就没有其他地方也同时具备这两个条件吗？在“黑烟囱”假说被提出后的很长一段时间，都没有与之竞争的假说。直到2015年前后，科学家们又提出了另外一种截然不同的假说：在古老地球的火山附近，有着大量的热泉和间歇泉形成的水池，这类水池干湿交替，不断循环，它的热量可以催化各种化学反应。在干旱期，简单分子可以聚合成为复杂分子，到了湿润期，这些聚合物则可以四处流动，如此反复，聚合物便会困于细小的孔隙中，并相互作用，甚至在脂肪酸构成的囊泡中进一步浓缩，而脂肪酸囊泡正是细胞膜的原型。简单来说，这些科学家认为生命并不是起源于海洋，而是起源于陆地热泉。
对于同一种现象可有不同的科学理论解释，这在人类科学探索的进程中太常见了。一个理论是否成立，关键看是否有足够的证据。那么支持生命起源于陆地的证据到底有哪些呢？
陆地上同样具备形成生命的客观条件
美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校生物分子工程系的戴维·迪默是较早提出陆地热泉说的科学家之一。为了验证自己的推断，迪默前往俄罗斯的堪察加半岛的火山口寻找证据。堪察加火山一带的热泉和间歇泉密布，是最接近38亿年前原始地球的环境。
迪默随身带了一小袋粉末，粉末中包含着一些常见的化学物质，也就是在地球原始环境中可能存在的形成生命的原料。迪默把这些物质倒入一个翻滚着的热泉泉眼，泉眼边随即出现了一圈白沫，这些白沫中包含着无数气泡，每个气泡都包裹着“原始汤”中的化合物。如果这些气泡在水池边上干涸，它们里面那些挨在一起的物质会结合成聚合物吗？这个阶段有可能为产生第一个生命打下基石吗？
迪默回到自己的实验室设计了一个实验，来模拟陆地热泉干湿循环的环境。最终他得到了一种较长的聚合物，而且这种聚合物还被脂类物质包裹起来，形成了大量微小的囊泡，他把它们称为原细胞。尽管它们还不算生命，但显然也是通往生命重要的一步了。
每一轮干旱都会让囊泡的脂类薄膜破开，让囊泡内外的聚合物和营养物质相混合，一旦重新被水浸润，脂类薄膜又会闭合，把成分不同的聚合物混合物包裹在里面。每一组混合物都在进行一场自然实验，原细胞越复杂，生存下来的概率就越大，那些适应性更强的原细胞会存活下来，并把它们的整套聚合物传给下一代，从此攀上进化的阶梯。
外部环境的变化，让分子透过囊泡薄膜相互聚合，等待形成生命的神奇时刻
这个过程就好像是有一台化学计算机，它启动了制造生命的功能，而这一切的开端，则是以聚合物形式随机写就的程序。2015年3月的《自然•化学》期刊上刊登了一篇支持陆地热泉说的论文，其中讲到，英国剑桥大学约翰·萨瑟兰领导的研究团队发现：只用一些很基础的化学物质，加上紫外线的照射，就可以制造出最重要的生命物质——核酸前体。也许构成核糖核酸的化学物质没有人们想的那么难以形成，或许事实是构成其他生命材料的化学过程更难实现。萨瑟兰认为，早期地球陆地上的温暖水池环境，更利于这些反应的发生。更重要的是，来自太阳的紫外线是生命形成的关键因素，而它不能到达深海热液喷口。
来自太阳的紫外线是生命形成的关键因素
沉积岩层隐藏着地球早期的环境密码
发生在无数小池洼中的无数次物质交换，让物质变得越来越复杂，也越接近生命的起点
由此可见，无论是迪默还是萨瑟兰的研究成果，都不是生命起源于陆地的直接证据，最多也只是验证了一些他们的初步想法。但是大自然是不是真的就是这么形成的呢？显然，光有简单的实验是远远不够的，我们还需要更多的证据。
两位来自澳大利亚的科学家，在澳大利亚西北部的一个叫皮尔巴拉的偏远地区，发现了一片古老的沉积岩层，它有34.8亿年的历史，被称为德雷瑟岩组。在这层岩石中有一些橙白相间的褶皱岩石——硅华，它们是地表火山口间歇泉催生的产物。这些石头里存在气泡，是气体陷入黏稠的膜中形成的。而这些膜很可能就是由远古的类似细菌那样的微生物制造的。这些发现表明，那里很可能发生过迪默在实验室中实现的干湿循环。
在2017年5月，这两位澳大利亚的科学家在《自然•通讯》杂志上发表了这些证据。他们认为，德雷瑟岩组所在地区曾经被地热系统所主宰，密布着热泉。这也意味着那里有生命起源所需要的关键要素，最重要的是那些复杂的组织结构。
德雷瑟岩组所在地区环境的多样性使其成为生命起源地的候选者。别看现在这里满是又干又硬的石头，可在30多亿年前，这里却是一个布满温泉的地热地区，拥有成百上千个小池洼。每一个小池洼的酸碱值和水温都是不一样的，化学成分也是千差万别，每天都在上演着无数轮的干湿循环。在这种情况下，不停交换的池洼中的化学成分，借由四通八达的缝隙网络，每年会产生至少数百万种不同的化学成分。
不过，到目前为止，陆地热泉说和深海“黑烟囱”说都还只是处在有待验证阶段的两种科学假说。要判定孰是孰非还有很长的一段路要走。有关生命起源的问题就像由很多块拼图拼成的一幅画，每块该放在哪里，我们如今还了解得不够。还有太多的世界未解之谜等待着我们去解答，比如，在合成或降解有机分子时，不同的化学物质是如何相互作用的？地热区域是如何随时间演化的？第一个能够自我复制的分子是怎样出现的？......令人欣慰的是，科学已经帮我们找到了通往答案的道路，迟早有一天，我们能够自信地回答这些问题。
什么是科学假说并不是所有的猜想都能称为科学假说，有些只能称为胡思乱想。科学假说必须符合两个特征。
一是初步的证据和自洽的逻辑。任何科学假说都必须建立在一些基本的初步证据之上，假如以证据为原则，对一个现象的猜想可以有无穷多个，既可以用“上帝”也可以用“外星人”来解释。当然，除了基本的证据，推理论证的逻辑也必须是合理的、自洽的。
二是符合可证伪性。也就是说，科学假说必须提出一些预言，而这些预言又是可以被检验真伪的。比如说，对于生命起源这个问题，如果有人提出生命是上帝创造的，那么，他也同时要提出一些预言，而这些预言又有可能被证伪。换句话说，一个人提出猜想的同时也要敢于提出一个可以否定自己猜想的现象，否则就不能被称为“科学假说”。
