2010年1月23日星期六

科学松鼠会

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顶级期刊的"民科"论文

Sat, 23 Jan 2010 08:00:25 +0800

1奇特论文惊现顶级期刊

如果飞鸟与鱼相爱,他们是否能够突破基因的壁垒,结百年之好,并多子多福呢?

有些许生物学常识的人,也许已开始直斥此爱情故事无视科学事实,逻辑荒谬。但类似的故事,却在学术界举足轻重、享有盛誉的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy ofSciences),以严肃的科学论文形式刊出。此文一出,哗然一片。

2009年7月,已是87岁高龄,只能靠轮椅行走的威廉姆森(Donald I. Williamson),在院刊中发表了他的论文。这位曾工作于英国利物浦大学的海洋生物学家的惊人理论是:飞蛾(文中特指鳞翅目Lepidoptera)的进化源头,来自某只爬行的天鹅绒虫(velvet worm),与某种只有飞行模式的虫子,在偶然情况中结合所得。

与其他变态生物相似,蛾子拥有幼年毛毛虫与成年飞蛾的两种发育阶段,幼年毛毛虫专职进食以积蓄能量,而成年变态后所成的飞蛾则担当交配的重任。与主流科学界意见相左的是,威廉姆森认为在飞蛾由虫化蝶的成长过程中,其毛毛虫的阶段展示了其祖先天鹅绒虫的形态,其成虫形态则表示另一半祖先飞虫的形态。

在生物学家所绘的生物基因树中,天鹅绒虫与飞蛾所属昆虫纲亲缘并不相近。这种古老的生物,外观与毛毛虫很是相似。它拥有一种奇特的交配方式。雄虫将精液包置于配偶的皮肤组织上,精子穿透雌虫的组织,游入子宫。

天鹅绒虫精子的这种旅行方式,在威廉姆森看来,造就了它与某种古老飞虫的啼笑姻缘,而从此诞下的混血飞蛾的生命便拥有了两种形态� —如同天鹅绒虫般爬行的毛毛虫,与长翅善舞的美丽飞蛾。

这个惊世骇俗的理论自然震惊四座。华盛顿史密森尼自然历史博物馆的昆虫学家兰博泰拉(Conrad Labandeira)在接受记者访问时,脱口而出:"开玩笑么?"

主流科学家的一致否决

在达尔文的笔记本里,淡淡的笔痕勾画出生命之树的轮廓。此后百多年间,几乎所有生物学家都相信,基因不断由祖先"垂直"遗传给后代。现代分子生物学发展,基因测序的成真,也提供了许多证据予以证明。

然而,随着被测序基因的增多,生物学家们逐渐发现,原核生物——即细菌与古菌,可以无视遥远的种系关系,而将基因信息"水平"传递(horizontal gene transfer)。遗传物质可以在细菌与古菌的各个种群里,跨越巨大的亲缘障碍地畅通无阻,给原核生物们带来各种变异。

但这种现象是否存在于动物王国中?兰博泰拉博士说:亲缘相近的动物有时可以产生混血后代,但天鹅绒虫与类属昆虫的飞蛾实在过于遥远,基本没有可能性可以诞下存活的新生命。

在威廉姆森发表论文的三个月后,西蒙菲沙大学的哈特(Michael W. Hart)与加州大学戴维斯分校的格劳斯伯(Richard K. Grosberg)《美国国家科学院院刊》上发表文章,言辞激烈地批判威廉姆森的论文。

这两位生物学家从分子生物学的角度,引用20年来生物学界里的论文,逐条驳斥威廉姆森的论点。与威廉姆森在文中所做的预测不符,鳞翅目(飞蛾等所属)的基因组较之无幼虫阶段的其他昆虫更小,反而作为祖先的、天鹅绒虫所属的有爪动物基因组更为庞大。基因测序信息也清晰证明了,鳞翅目与有爪动物毫无相近的亲缘关系。

美国杜克大学昆虫发育生物学家Fred Nijhout在接受《自然》杂志采访时说:"如果你了解昆虫变形与发育的话,你就会立刻知道这完全是扯淡。"

更多的生物学家站出来,指责威廉姆森的论文毫无学术价值。他们更把矛头指向论文所在的刊物——《美国国家科学院院刊》,与该论文的推荐人。

论文的推荐人不当?

据《科学美国人》报道,威廉姆森的论文是以"通讯投稿"的方式来到《美国国家科学院院刊》的。与传统的"同行评审"(即由刊物编辑选择同一领域的其他学者来评审作者的学术论文)方式不同,"通讯投稿"可由美国科学院院士推荐,并为该论文亲自选择审稿人员。由此,推荐人可以避开有不同意见的专家,显然这种机制有所漏洞。

威廉姆森的论文推荐人,是工作于马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的玛古莉斯教授(LynnMargulis)。这位赫赫有名的生物学家,以其在真核生物细胞器起源与细胞器内共生理论等工作上的贡献而闻名于科学界。她同样强烈支持基因信息在不同种属生物间的传递,其理论已被许多重要实验所证明。她于1983年被评为美国科学院院士。

与其他达尔文的继承者格格不入的是,玛古莉 ��否认进化源于竞争,认为生物间的基因信息传递才是生物进化的动力。她称自己为"在宗教式崇拜的蔓延四方的盎格鲁-撒克松生物学界的一小撮20世纪教派"。对于传统达尔文主义的追随者,她称他们"沉溺于对达尔文思想的动物学、资本主义、竞争、节能的解释,是对达尔文的误解"。"坚持基因层面的自然选择是来自缓慢的逐步变异的新达尔文主义者们,完全是懦夫。"

在接受《科学美国人》采访时,玛古莉斯告诉记者,按照《美国国家科学院院刊》的投稿规定,她需要找到六到七个审稿人,得到其中两到三个对论文的正面意见,才可以将威廉姆森的论文送往发表。而根据《自然》的新闻报道,玛古莉斯承认,她找到的审稿人中,有三个拒绝评审,而另两位业余生物学家,由于缺乏科学评审能力,而被院刊去除名单。

《美国国家 ��学院院刊》由此质疑另三篇与玛古莉斯有关的正准备发表的论文,但玛古莉斯表示她不会撤回任何一篇。据《自然》报道,玛古莉斯说:"我们无论如何都将赢得胜利,因为这是科学。我遵循了所有的规定,并提交了比所需更多的评审。如果他们最后拒绝了这些论文,我将清清楚楚地告诉公众,这些人与平常一样就是不喜欢我的观点。"

威廉姆森则在接受《泰晤士报》采访时表示,他在昆虫研究上所花的时间比任何反对者都要长,他也不会放弃对所有反对者的挑战。玛古莉斯是他的好朋友,多年来热情支持他的理论。他也告诉记者,在发表于《美国国家科学院院刊》前,此论文曾被其他几家学术刊物退稿。

《美国国家科学院院刊》已决定,自2010年7月起,停止这种利用院士特权的"通讯投稿"方式。

在主流科学界的理论中,飞鸟 ��鱼只可相忘于碧海蓝天,绝无繁衍成家的可能性。但这个爱情故事在科学界中的真假纷争,还要不休地继续。

Reference
Williamson, D. I. 2009. Caterpillars evolved from onycophorans by hybridogenesis. Proc. Nat. Acad. Sci.
Hart, M. W. and R. K. Grosberg. 2009. Caterpillars did not evolve fromonychophorans by hybridogenesis. Proc. Nat. Acad. Sci. USA

更多的威廉姆森(Donald I. Williamson)的观点,请参考小红猪译文《拔掉达尔文的树》。
http://songshuhui.net/archives/12112.html

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[Dr.You第47期获奖答案]为啥拌饺子馅要朝着同一个方向搅拌?

Sat, 23 Jan 2010 02:29:16 +0800

我能答:

这期的问题拆开来看就是两个方面,馅会怎样?人会怎样?

馅说,搅搅更均匀

搅拌饺子馅和鸡蛋是为了使之更均匀,可我一直没明白和面时的"筋道"是个什么道理,直到有一天我在翻云无心《吃的真相》时终于找到真相了,原来窍门在于面筋蛋白与水的充分结合(详见《吃的真相》之"发面发面")。这下我豁然开朗了,不管搅拌什么,都是为了混合均匀。所以,这个问题就转化为"朝一个方向搅拌 是否有助于更均匀的混合"。

我们可以做这样一个实验:把一些不同颜色不同长度的棉线扔进水里搅拌。你会发现这些棉线都沿着搅拌的方向呈线性的分布。从物理学的角度分析,这个实验可以 表明搅拌时的受力状态,在搅拌的过程中有两种力,一种是沿着搅拌方向的力,一种是搅拌时产生的侧向离心力。在这两种力的作用下,被搅拌的物体会沿着搅拌的 方向被尽可能的拉伸开来,就像上述实验中的棉线会呈现出沿搅拌方向的线性分布。假如被放进水中的是一滴油,那么在搅拌过程中,"油丝"也会形成更均匀的分 布。从微观的角度而言,这种线性的分布也许更有利于蛋白和其它分子的相互结合。如果随意的来回搅拌,对这种分布会有什么影响呢?我们可以借助"火车相撞" 的情况来推导:当火车头受到撞击突然停止时,后面的车厢由于惯性继续向前冲击,原本成一列分布的火车就被挤压到了一起。当我们先沿一个方向搅拌馅料时,突然改变方向,可能也会有相同的现象,原本已经被充分拉伸开成线性分布的材料又重新聚积到了一起,从而影响混合的均匀程度。当然,这只是我个人的一个推理, 有兴趣的同学不妨拿棉线来实验一下。

最后,关于馅料的味道,这个就见仁见智了,也许充分拉伸开的肉纤维具有更好的口感吧。饺子馅中如果肉占主导的话,其中的肌纤维类似于水中的线,往一个方向 搅有助于肌纤维的形成有序的结构。而这种有序的结构可能导致肉馅煮熟之后有更好的机械强度。在吃的时候,机械强度跟我们所说的"筋道"会有一定的关系。

胳膊说,搅搅更轻松

我们胳膊上的肌肉就像弹簧,靠收缩和拉伸来控制我们的各种运动。搅拌行为就是上臂、下臂、手指等一组肌肉"弹簧"的组合运动。大脑发出指令通过神经控制肌 肉的收缩,同时通过神经感知肌肉的收缩舒张状态从而做出下一步的判断。如果一直朝同一方向的搅拌,我们的这些肌肉"弹簧"处于一种很规律的活动状态下,就 像弹簧有规律的拉伸一样,同时我们的大脑也可以很"偷懒"的发布节律性的重复指令。很多研究都表明神经系统中的这种节律性重复活动存在"适应"现象,就像 我们在搅拌时可以聊聊天、走走神,手里的搅拌动作就像自发的一样可以完全不受影响。另外,神经系统中节律性重复活动还会出现"易化"现象,朝同一个方向搅 拌,就像跑步时的起跑一样,可以被"加速",越搅越快。

那如果不朝同一个方向,而是随意搅拌呢?我们可以想象,一根正在伸缩的弹簧,如果我们要改变它的伸缩节律,即本来舒张的时候现在变成收缩,收缩的时候变成 舒张,那我们需要首先将这根弹簧停下来,让它静止,然后再让它以新的节律伸缩。同样,对于我们的肌肉,大脑首先要判断现在的肌肉舒张状态,然后停一下,发 出一个新的指令,让肌肉控制胳膊向反方向搅拌。另一方面,饺子馅的流变学性质跟一般流体不同,从静止到搅动起来所需要的力量要大一些,而搅起来之后不需要 那么大的力量就可以维持同样的速度了。这样的流变学特性在食物中并不罕见。大家可以亲身体验一下,先朝一个方向做快速的搅拌行为,然后立即切换到朝另一个 方向搅拌,感觉如何?同样,针对"适应"和"易化"的现象,我们既不可能让胳膊自发的来回搅拌,也不可能在来回搅拌的情况下实现"加速"。所以,在搅拌过 程中,朝同一个方向搅拌,人会感觉更轻松。

科学编辑:云无心
文字编辑:拇姬
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我能同学参加的是第50期穿越问题,他选择了47期的问题来回答。作为50期的获奖者,Dr.Who将为他寄去限量版科学松鼠会嘉年华衣服一件!恭喜我能同学~
而47期此问题的来信,评委们决定给儒客小子颁发鼓励奖!Dr.Who也将为他寄去神秘礼品。恭喜儒客小子同学~

以下是科学编辑云无心对47期各答案与50期我能同学答案的点评:

先分析一下题目:这个题问的是"为啥饺子馅要朝着同一个方向搅拌",其暗含的意思是"同一个方向搅拌比乱搅的馅要好吃",这正是生活中这个说法的理由。但是,生活中的许多经验本身就是似是而非的,而问题默认这个说法是正确的,这点并不严谨。从科学研究的角度来说,必须要先确认这个现象是真实存在的,然后才有必要去寻求科学的解释。而寻求科学解释的思路是比较"同一方向搅"和"各向乱搅"之间物理过程的不同,然后结合饺子馅这个体系的具体性质来分析这两种物理过程带来的影响,然后把这种影响的不同联系到"饺子 ��不好吃"这个结果上来。

就47期三份答案来说,都是在在接受题目假设的前提下试图"寻求科学解释"。思路上差别不大,结论也大同小异。如果要在其中选出一个获胜者,我会选儒客小子。选他并不是因为他的答案"正确",也不是因为他写得更长。实际上,我也做不出"正确"的答案。认为他的答案比另两份好一些的理由是:1、他对题目的合理性提出了一定的质疑,在三份答案中唯一思考了问题本身是否合理;2、他的分析思路是合理的,当然这点上其他两份答案的思路也合理;3、他对自己得分析阐释得更充分一些。

从专业角度说,儒客小子的答案中也不乏"硬伤"。但是Dr.U这个活动本身不是专业人士的查文献比赛,也不是为了找出"正确"的答案。这个活动主要的目的是让大家从各个角度在自己的知识背景下分析一个"难题" ��看重的是思路的正确和表述的清晰。儒客小子在这两点上还是比较成功的。这份答案最大的不足是某些知识点只是作者的猜测,但是却说得非常肯定。Dr.U不要求读者一定有准确深入的专业知识,但是在阐述中应该明确什么是事实、什么是猜测。对于作者来说是猜测的东西,即使与专业知识不符,如果思路合理也可以接受。但当作事实来使用的知识,就应该是准确的。

我个人认为,Dr.U不是考试,目的不是为了找出一个问题的"正确"答案。Dr.U的很多问题至少在目前并没有明确的可靠的答案。这个活动的目的,应该是大家用科学的思路去分析问题,只要所采用的材料真实可靠,逻辑推理合理,所得到的结论有助于他人更深入地了解这个问题,就是一个好答案。实际上,饺子馅这个问题类似"分子美食学"中的那些典型问题。蒂斯研究过上千� �类似的"经验",有的是正确的,有的是以讹传讹的。第50期这个答案就是我提到的群博留言中的那个更好的答案。实际上,这个答案也预设了"往一个方向搅会更好吃"的立场,不过它讨论了往一个方向搅更轻松的问题,思路就比四十七期的更开阔了一些。按照我对Dr.U的理解,我认为这个答案要优于第四十七期的获奖答案。因为作者是作为第五十期穿越问题参加的,所以不把它跟四十七期的答案PK。

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