2010年2月24日星期三

科学松鼠会

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羚羊与蜜蜂(一)羚羊

Wed, 24 Feb 2010 17:10:11 +0800

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一、羚羊
利他主义最大的恶,在于它因为善而惩罚善。
——安•兰德(Ayn Rand)
1:羚羊
时间是八月,地点是非洲东部,草原上演着曾经上演过百万次的大戏,食草动物大部队浩浩荡荡,逐水草而北上,包括160万头牛羚,15万头斑马和35万头瞪羚。
这是一副壮观的景象,虽然以人类的眼光看来未免有点外强中干,只要一头狮子或鬣狗出现。所有羚羊或斑马都会掉头飞奔,它们有数以百万计的铁蹄和尖角,论打架的话,根本用不着怕狮子,然而它们只知逃跑。

这种情况不仅出现在非洲。在中亚的草原上,一只狼出现,成千上万的黄羊(学名Procapra gutturosa,英文名Mongolian gazelle)也会落荒而逃。鸷禽出现时的飞鸟,海豚出现时的小鱼,也是一样外强中干的集体。

一群牛羚或沙丁鱼中,每一个都只顾自己。在160万头牛羚的大群中遭遇狮子,不能指望他人来救,跟在旷野没有本质区别。一头牛羚见到狮子会逃跑,几千头牛羚中的每一头见到狮子都会逃跑,浩浩荡荡的集体大逃亡,颇为壮观。
羚羊聚集成群,完全是出于被迫,并非为了团结对敌,如果你待在羚羊群的边缘,等于是给狮子大开方便之门,胆怯的羚羊会挤成一堆,唯恐到了边缘地带。

不想被老师提问的小孩会弯腰缩头,把自己藏在同学们中间,羚羊也会做类似的事,它会把自己藏在羚羊群里,希望狮子不会看见它。为了让自己看起来尽量不醒 目,整群羚羊步调都惊人地一致,仿佛经过军事训练般。有些动物还要另加上迷彩,斑马和瞪羚的条纹在草地上十分醒目,在兽群里却可以弱化身体的轮廓,让自己 和大部队融为一体。斑马的鲜明外套一如雪兔的白色和毛虫的绿色,对于它们来说,同类的肉体,和雪地对于雪兔,树叶对于毛虫一样,都是供自己隐蔽的东西。
以同类的身体当挡箭牌,有时却是才出虎穴又入狼窝。沙丁鱼聚集成群,躲避比它们大不了多少的食肉鱼,但更大的捕食者黄雀在后。座头鲸(学名 Megaptera novaeangliae,英文名Humpback Whale)用上浮的气泡做成围墙,强迫鱼群聚集得更加紧密,然后纵情饕餮,一口就能吞掉数千条小鱼。如果小鱼肯单独行动,巨鲸根本不会注意到它的。

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2:乌合之众
不知大家是否记得M&M的广告?

某人的爪子伸了过来。

糖豆甲:吃我吧,不要吃我的朋友……

糖豆乙:吃他!吃他!香浓的牛奶巧克力还有花生!

你认为哪颗糖豆会活下来呢?

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假设有一群高尚忘我的羚羊,不论遇到什么危险都并肩对敌,虽然单个羚羊是弱小的,但凭借绝对的数量优势,足以睥睨草原。这时羚羊群中出现了一头基因 突变的卑鄙羚羊,无情而懦弱,同伴与狮子做生死斗时,它就站在一旁看热闹。与狮子作战当然是很危险的,在高尚同伴血染沙场的同时,卑鄙的羚羊能够活下来, 生育卑鄙的子女。如果一群羚羊都是卑鄙的,见到狮子只知逃跑,高尚的羚羊还是会第一个冲上去,第一个送掉性命,虽然所有的羚羊都得死,但高尚的羚羊死得更快。

真残酷。大自然之所以残酷,是因为生物的数量太多。生物的繁殖力很强,如果没有人去阻止,任何生物都会在短得可笑的时间里塞满宇宙。

人类算是繁殖很慢的动物了。200年前,地球上只有10亿人,而今天我们有60亿,如果继续维持这个增长速度,3500年后,全体人口的总重量将达到宇宙 的20倍。至于繁殖最快的生物——细菌,它们需要的时间就更少,产气荚膜杆菌(学名Clostridium perfrzngens)是一种引起伤口坏死的细菌,在两天之内,一个细菌的后代数量就会超过宇宙中的质子。

感谢无情的生存竞争,从我们还没有被细菌堆或羚羊山压死这一事实,可以想见竞争的严酷。战乱中一个掩体,饥荒中一块糠饼就能决定生死,因为人丁太过兴旺,自然界无时不处在战乱和饥荒的边缘,竞争是如此激烈,再小的优势也是巨大的。

所有羚羊都吃草,都追逐羚羊帅哥/美女,因为繁殖速度很快,食物和爱人很快就不够分配了,这时有优势的羚羊只要多生孩子,把草吃光,把姑娘抢光,就能把劣势的羚羊送入历史的垃圾堆。同行是冤家,虽然羚羊不吃羚羊,但在生存竞争的战场上,同类远比狮子可怕。

团结就是力量,高尚的羚羊结成团体,能够击败狮子,比一盘散沙的自私羚羊团体强多了。这样说来,正人君子似乎能压倒� �鄙小人。但群体是很庞大的,一群君子 要想把一群小人灭族,让自己的后代取而代之,是个艰巨的任务(我反对种族灭绝,但希特勒和白起同学还是提供了活生生的例子),需要很漫长的时间。

与此同时,高尚的羚羊葬身狮腹,卑鄙的羚羊站在一旁安然享受生活,在孤身一人的情况下,小人比君子人丁兴旺。一群羚羊打败另一群不容易,一只羚羊打败另一只,让自己的子孙强占它应得的一份青草和女朋友就很容易,只要在别人战斗时,站在一旁就行了。

在生存竞争中,抢得先机是很重要的,在这方面,集体庞大,笨重,反应缓慢,经常玩不过短小灵活的个人。一群君子中如果出现一个小人,很快小人就会把君子逼上绝路,在君子的团体击败小人的团体之前,它自己就会承受不住社会蛀虫的腐蚀,从内部崩溃。能活下来的都是卑鄙小人。

羚羊的群体是卑鄙小人的群体,� �有组织、没有纪律、没有王者、没有奴隶,它们是一盘散沙,只会机械地跟这大部队移动。每一只动物都只顾自己。乌合之众这个词用来形容它们很合适,因为这个词的本义就是,一群乌鸦。

请看俄罗斯作家米哈伊尔•米哈伊洛维奇•普里什文的描述:
树上落了一只嘴里衔着一大块什么东西的乌鸦。许多追踪这个富有者的乌鸦立刻成群飞来。它们全都落下来,一声不响,一动不动。

也许是因为嘴里叼着东西呼吸困难,也许是因为以前它被大家追赶,已经弄得精疲力竭——只见它摇晃了一下,突然失落了叼着的那块东西。

所有的乌鸦都猛扑过去,在这场混战中,一只非常机灵的乌鸦抢到了那块东西,立刻展翅飞飞去。这当然是另一只乌鸦——头一只被追赶得精疲力竭的乌鸦也跟着飞,但已明显地落在大家后面了。

结果是第二只乌鸦也像第一只一样,弄得精疲力竭,也落到一棵树上,也是终于失落了那块东西,于是又一场混战,所有的乌鸦又去追赶那个幸运儿……

请看,富有乌鸦的处境多么可怕,而这只是因为,它只是为了它自己。

3:囚徒的铁屋子
高尚的羚羊能够合作打败狮子,当然很好,但如果同伴都高尚,只有自己一个卑鄙,卑鄙的羚羊过得更好。如果伙伴都卑鄙,自己过得虽然很差,比起高尚还要稍好一点。羚羊遇到的,其实是博弈论中一个经典的难题,名叫"囚徒的困境"(prisoner’s dilemma)。

囚徒的故事是这样的:张三和李四两名嫌疑犯被逮捕,警察把他们分开审讯。如果两人都坚不吐实,证据不足,两人只能各判坐牢2年。如果张三把李四供出来,李四会被判10年,而张三会获释,反之亦然。如果两人都把对方供出来,两人都是8年刑期。
假如你是张三,你会出卖同伴吗?假如你缄口不言,李四那边或许已经全招了。假如你供出李四,要不然李四那个大傻瓜还保持沉默,你可以获释,要不然李四把你供出来了,你是最坏的十年刑期。你最好的选择是把同伙供出来,对于李四,情况也是一样。

如果他们两人结成攻守同盟,只要各坐两年班房,总共四年(也许你没有见过把刑期加在一起的,但这是集体主义,大家有难同当嘛),如果聪明人(获释)出卖傻 瓜(十年),两人一共是十年班房,如果两名囚犯都竞相出卖,两人共落得十六年铁窗生涯。最聪明的选择反而落得最悲惨的结果。

囚徒的困境不仅仅是个故事。现在很多国家都禁止"认罪减刑"(奖励嫌疑犯出卖同伴,就像故事里奖励张三一样),就是由于这个难题。为了自己减刑,不管对方有罪与否,嫌疑犯都会一股脑往同伴头上栽赃。

结论是:不管你是羚羊还是囚犯,大家都高尚,你会过得很好,但如果你想过得更好,应该卑鄙无耻;大家都卑劣,当然悲惨,但如果你想过得相对好一点,还是应该卑鄙无耻!

卑鄙无耻是个人明智的选择,但每个人都卑鄙无耻,只能落得最坏的结局。卑鄙是一间无窗无门的铁屋子,大家都因昏睡而陷入死灭,然而这是符合我们个人利益的。卑鄙是卑鄙者的通行证,善者因为善而受惩罚。喊叫� �没有意义的,还是沉睡下去罢。
据说东北林区的房子门一定要往外开,一但发生森林火灾,所有的人往外涌,如果门往里开,大家都堵在门口,一个也逃不掉。

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一条奇怪的虾子

Wed, 24 Feb 2010 08:49:04 +0800

奇虾的附肢化石与整体模型

"那本书看到哪儿了?"

"Anomalocaris出现的时期…"

"寒武纪!"

这是新锐CG艺术家新海诚近作《秒速5厘米》中,男女主角儿时的对白。当我看到此处,心里咯噔一下,是寒武纪的奇虾大人啊……我冷僻的学科居然能闪现在这么一部唯美而伤感的动画中,着实意外。

寒武纪的奇虾堪比侏罗纪之大奥——异特龙,白垩纪之苏——暴龙。同是霸王,于是寂寞。奇虾的寂寞并非端坐食物链金字塔端的高处不胜寒,而是漫漫深闺中无人识。

奇虾的发现过程,是古生物史上最离谱的重建,那真是一段充满了幽默、谬误、奋战不休、困惑不已以及接踵而来更大的错误、汇集其大成,于一个不寻常的解决之道;使得从三个独立门类的残简断片中,归结到单一复原的动物体 ��——我们可怜的奇虾。

奇虾的第一件标本约于121年前发现于加拿大。1892年,加拿大著名的古生物学家惠特魏将其描述为一只没有脑袋,形似虾的节肢动物体躯,它腹部的刺则成为"虾"的附肢,并美其名曰"奇虾",好一条奇怪的虾子!接下来,美国地质调查所主管、史密森协会主任瓦寇特命名了西德妮虫(Sidneyia),认为它是一种节肢动物,头部具有硕大的觅食附肢。1911年,瓦寇特又命名了属于海参类的拉甘虫(Laggania),这个标本有着一个大口的构造。最后,他又命名了一种名为沛托虫(Peytoia)的水母类,这个生物体具有一个环状构造,带有32个骨片围绕在中心的开口位置,活像一件"圣衣"。

直到多年以后,剑桥大学地球科学部的教授、杰出的三叶虫专家惠汀顿检视加拿大寒武纪化石标本时,其中一块保存 ��并不完好的大型标本让他无比震撼,以上四个物种竟然在一个动物的身上次第出现了,谁又能想象到这样的一个组合模式──奇虾的后端、西德妮虫的觅食附肢、压扁的拉甘虫、再加上有一个中间开孔的沛托虫?这些风马牛不相及的家伙竟然能够拼合在一起,成为一个巨大的生物体!

这种动物为流线形,背腹扁平,虽不善于行走却能快速游泳。具体分析其身体,可见其头部呈长椭圆形,上方插着一对带短柄的大眼睛;一对觅食用的,分节的巨形附肢焊接在身体前方;附肢后方有着直径达25厘米的圆形口器,它可以利用附肢将猎物送到张开的口器中,这张巨口可掠食当时任何大型的生物,这是因为口腔中装备有大量的几丁质外齿和内齿,具极强的肢解能力,对那些有矿化外甲保护的动物比如三叶虫构成了重大威胁;体躯在头部之后分成为11个 ��片状,叶片在体躯中央达到最宽,而向前与向后方逐渐变窄;体躯最后端短而粗,没有任何延伸的刺或叶片。

这果然是一种看上奇酷无比的虾子吧!且看看这个:一对带柄的复眼,头胸甲覆盖头部和胸部前段;第二对附肢巨大无比,呈镰刀状,看上去就像螳螂的前足;腹部游泳肢可激烈摆动划水,加上尾扇强有力的拍打,使其得到不俗的游泳能力。怎么样?也不差吧!这就是大名鼎鼎的虾姑(Squilla)又称螳螂虾、皮皮虾、虾爬子,或是周星星"爆浆攋尿牛丸"中的攋尿虾!

它们同样为虾,样子也相距不远。但前者生活在5.3亿年前寒武纪大爆发的序幕,带壳动物迅速超频、升级的阶段。比起当时其它大多数动物平均几毫米到几厘米的体长,个体最大可达2米以上的奇虾堪称巨无霸。于是它成为当时攻击能力最强的食肉动物,铸就� �一段神奇。后者呢?生活在智人当道的第四纪,任你有大刀铠甲,却永远是广东人面前的一道菜!这就是时势,无关装备。

在这场有趣的古生物剧中,中国人又来创造神奇。迄今最完整的奇虾化石就出现这片神奇的土地上,地点是云南澄江帽天山的页岩中。帽天山因形如一顶草帽而得名。这座方圆不到1公里,海拔仅2026米的小山虽然其貌不扬,但却因澄江动物群的发现而闻名全球,这就是"山不在高,有仙则名"。自1984年候先光在帽天山发现了纳罗虫化石以后,帽天山在古生物家眼中就成了一座最能创造奇迹性发现的神奇的宝山。

当时间来到1992年,帽天山北坡正修筑公路,推土机推出了一个巨大的断面,南京地质古生物研究所的周桂琴等人正在此地采集化石。当一个前附肢的末端露出来后,周姑娘倍感兴奋,在好奇心的驱使下,在野 ��当场就修理起来。当完整的一对前附肢和头部显露之际,她不禁兴奋得大喊起来。我国第一块奇虾标本就此现形。而第三块完整奇虾的问世也很有意思,其实,这第三块奇虾化石早在1990年就已被南古所的朱茂炎采集回来,但当初它怪异的形体让人迷惑,因而被冷落在办公室的托盘中将近2年。随着标本的修复,一个完整的凶猛的猎食者形象这才出现在人们眼前。

完整的奇虾化石为什么偏偏选择在帽天山出现?此地确实神奇。在5.3亿年前这里不是山脉,而是一片浅海斜坡,是水下"泥浆流事故"多发地带。这种泥流,往往始发于海盆边缘,聚积着相当大的势能。一旦爆发,则顺着海底斜坡倾泻而下,挟沙带水,势不可当。泥流浪涌般地扑向地势较低的海底,激起周围泥浆,掀起腐藻败叶,迅速向四面八方蔓延,泥流所到之处生灵涂炭。刹那� 将一只郁闷发呆的奇虾拽进了黑暗,送到另一个世界。在身后的世界里,细腻如脂的粉尘生成的致密的淤泥层裹覆住奇虾的躯体,极大地减弱了水体和气体对生物软体的侵蚀,并在日后的沧海桑田形成化石,并把它送到周姑娘面前。

然后的然后,就是它,这只被中国古生物学者借尸还魂的奇虾,给这段百多年来的纷争,完美地画下了一个句号。

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[Dr.YOU第37期答案,revisit]漂浮在水面上的水滴

Wed, 24 Feb 2010 04:37:35 +0800

dru37当期问题链接:http://songshuhui.net/archives/16122.html

为什么有时候水龙头滴下来的水珠不会立刻融入到水中,而是会在水面上漂浮零点几秒?

沐右回答:

有的时候,从水龙头上滴下来的水滴不会立刻融入下面的水中,而是会在水面上漂浮个零点几秒的时间。类似的现象经常可以观察到:手洗衣物时滴落到水面上弹动 的肥皂水滴;搅咖啡时溅起又落到杯子里漂浮着的咖啡液滴;把烧热的油倒到盘子里时漂浮在油面上的小油珠…这是为什么呢?

很多人可能会认为,这两部分液体的表面直接接触并存在某种斥力,从而阻碍着它们融在一起。但事实上,造成这种现象的原因正是这两部分液体没有直接接触—— 它们的中间总是有着另外一种流体的隔断,并起着一种润滑作用。在我们的问题中,这种流体就是空气。一般来说,空气被完全挤出去的时候就是它们相融的时候 [1]。

这种说法是经过科学验证的。科学家们用硅油做了类似的实验[2]。因为硅油比水的粘度大得多,所以在硅油里发生的同样现象比在水中慢的多而更方便观测。通 过一定的手段,科学家观测到硅油的液面上形成了厘米大小的半球形漂浮硅油液滴,如下图(左)所示:

水滴

同时科学家们测量了这层空气膜的厚度随着时间的变化。右图所示从垂直于液面的方向可以看到彩色的同心圆条纹,这是因为空气薄膜而产生的光的干涉,就跟日常 生活中我们在肥皂泡上看到彩色花纹的道理一样。空气薄膜的厚度不同,条纹的颜色、分布也不同。通过测量不同时间的条纹,科学家们还可以得出空气膜的厚度随 着时间的慢慢变薄,最终使得两部分液体融合在一起。

这个直观的实验可以证明,在水滴的问题中,水滴和水面之间的那层空气薄膜正是造成这种神奇现象的原因。

1.  Pasquale Dell’Aversana, “Noncoalescence of droplets”, http://www.accessscience.com
2. Y. Couder et. al., Phys. Rev. Lett. 94, 177801 (2005).

科学编辑:哈林

文字编辑:拇姬

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