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窥探未见的世界——从中有何启发作用?

窥探未见的世界——从中有何启发作用?

 窥探未见的世界——从中有何启发作用?

人类利用新发明拨开迷雾,看见从前看不见的世界,结果带来什么成果呢?新的发现使过去的未知之事顿变清晰。——参考下文附栏。

人类一度普遍相信地球位于宇宙中心。但后来利用望远镜所得到的发现,却证实行星原来全都围绕太阳运转,地球也不例外。到了再近期一点,强力显微镜发明以后,人们开始探察原子,得以看见某种原子怎样跟不同种类的原子化合,成为所谓的分子。

说到分子结构,请考虑水这种维持生命的必要物质。由于原子本身的设计,两个氢原子会以独特的方式跟一个氧原子化合,成为水分子。每一滴水中就已经有数以亿万计的水分子了!钻研水分子,考虑水分子在不同情况下的表现,可以学到什么呢?

 奇妙的水

虽然一滴一滴的水看起来非常简单,却其实极度复杂。英国伦敦帝国学院的科学作家约翰·埃姆斯利博士说,水其实是“所有化学物质中最多人研究的课题,却仍然是人理解得最少的课题”。《新科学家》周刊指出:“水是地球上最为人所熟知的液体,却也是最神秘的液体之一。”

埃姆斯利博士解释,尽管水的结构简单,但“其复杂的表现却无出其右”。例如,他说:“H2O理论上应是气体……实际上却是液体。此外,水凝结……成固态,成为冰,冰却浮在水面,而不会[按常理一般地]沉下去。”美国科技促进会前会长保罗·克洛普斯特格博士谈到水的反常表现时,有以下评论:

“看来这是为了保全鱼类等水族生物而作出的奇妙设计。试想象一下,如果水到冰点时的表现跟上文所描述的不同,会有什么事情发生呢?结冰的过程会不断持续下去,直到整个湖的水都结成冰为止,令全部或大部分水中生物无法生存。”克洛普斯特格博士说水有如此出人意表的表现,“证明宇宙中有一个有目的而伟大的头脑正发挥作用”。

《新科学家》周刊指出,研究人员现在认为他们知道水为什么会有如此反常的表现。他们发展出第一个能准确预测水结冰膨胀幅度的理论模型。研究人员发觉,“奥秘的关键是在水和冰的分子结构中氧原子彼此之间的空间”。

这确实了不起,对吗?表面上这么简单的分子却让人类伤透脑筋。再想一想:我们身体的大部分重量其实就是水!这分子只有三个原子,包含两种元素,却已教人拍案称奇了,你也能从中看到证据,“证明有一个有目的而伟大的头脑正发挥作用吗?”不过,水分子其实极为微小,跟许多其他分子比较起来,也显得极为简单。

极为复杂的分子

有些分子由数以千计的原子构成,包含地球上自然产生的88种元素中的许多种。以DNA(脱氧核糖核酸的简称)为例,DNA蕴藏着每一种生物的遗传密码,一个DNA分子就可能包含几个不同元素的原子了!

DNA虽然复杂得令人难以置信,直径却只有0.0000025毫米,小得不用强力的显微镜就一点也看不见。科学家在1944年才发现人类的遗传特征由DNA决定,于是开始深入研究这种极为复杂的分子。

不过,构成万物的分子数目众多,DNA和水也只是其中两种而已。既然许多分子在生物和非生物之中都能找到,我们应否就这样下定论,说生物和非生物之间不过只是一步,或是一桥之隔呢?

很久以来,许多人都相信事实就是这样。微生物学家迈克尔·登顿解释说:“在19世纪20和30年代,许多权威学者都言之凿凿地表示,随着对生物化学的知识不断加深,[生物和非生物]之间的空隙就有望得以填补了。”可是,随着时间过去,科学家实际上发现了什么呢?

生命是独特的

虽然科学家期望在生物和非生物之间找到过渡中间体,或者一连串的逐渐过渡环节,但是登顿却评论说:“自19世纪50年代初分子生物学有了连串革命性发现以后,终于证实了 [清晰的断层的确存在]。”登顿提出了这个科学家现在也觉得证据确凿的真相后,继续解释说:

“我们现在不但知道在生物世界和非生物世界之间有一道空隙存在,也知道这道空隙是大自然的所有断层中最剧烈而又最根本的一个。在活细胞和最有秩序的非生物结构(例如结晶体和雪花)之间有一道鸿沟存在,是笔墨所能形容,最巨大最实在的鸿沟。”

这并不表示分子是容易创造的东西。根据《从分子到活细胞》一书解释,“小分子积木的合成过程本身已经相当复杂”,这本书继续说,但是“跟制造第一个活细胞的过程比较一下,[制造小分子的过程]就等于小孩子的玩意儿了”。

细胞可以独立生存,细菌就是这样,也可以成为多细胞生物,例如人类。五百个一般大小的细胞加起来才等于这么一点:“.”。难怪我们单凭肉眼看不见细胞的运作了。那么,利用显微镜来窥探人体的细胞,会有什么发现呢?

细胞——碰巧还是设计?

首先,活细胞的复杂结构会使你惊奇不已。一位科学作家这样评论说:“就算是最简单的活细胞,正常的生长过程也会牵涉到数以万计有规律的化学反应。”作家问道:“一个小小的细胞,如何在同一时间协调两万次化学反应呢?”

迈克尔·登顿把最微小的活细胞比作“一家实实在在的微型工厂,里面有一千亿个原子,组合成数以千计设计精巧的复杂分子机械,比任何人造的机械复杂得多。在非生物世界中,绝对没有任何东西可与之比拟”。

细胞的复杂结构仍然使科学家 感到困惑。正如2000年2月15日刊的《纽约时报》指出:“生物学家对活细胞的了解越多,就越明白为细胞的一切活动提出解释,是个令人畏缩的任务。一个普通的人类细胞小得眼睛看不见,但是在细胞里面十万个遗传因子当中,就可能有多达三万个时时刻刻在不停运作,执行细胞的日常要务,或者回应其他细胞的信息。”

《纽约时报》问道:“如此微小而又如此复杂的机器,怎可能分析呢?即使投入巨大的人力物力,真的把一个细胞的运作完全搞清楚,人体还有其他起码二百种不同的细胞。”

《自然界》周刊发表一篇名为“创造的真正发动机”的文章,其中报道科学家发现,在身体的每个细胞里面 都有小小的马达。这些马达不断转动,产生三磷酸腺苷——细胞的能量来源。一个科学家惊叹说:“我们一旦学会了设计和制造近似细胞分子结构的分子机械系统,那还有什么东西是我们做不到的呢?”

请想一想细胞的创造能力吧!我们体内单单一个细胞的DNA信息量,竟然足以填满本刊一百万页呢!还有,每当细胞分裂,要创造新细胞的时候,相同的信息也会传送到新细胞中。在你的体内有一百万亿个细胞,你认为各细胞是怎样开始根据这些信息的程式而运作的呢?是碰巧而来的吗?还是应该归功于最伟大的设计师呢?

也许你现在得到的结论会跟生物学家拉塞尔·查尔斯·阿尔蒂斯特的一样。他说:“我们试图解释[细胞]如何出现,如何继续运作,肯定会困难重重,甚至会一败涂地。除非我们本着理智和逻辑,提出是一个有智慧,有头脑的东西把细胞带到世界来的。”

万物显出惊人秩序

若干年前,哈佛大学地质学教授柯特利·马瑟作出了以下的结论:“我们不是生活在一个纯属偶然、变幻无常的宇宙里,我们是生活在一个有法则有秩序的宇宙里。这个宇宙的运作完全基于理智,而且配受最衷心的致敬。请考虑一下蕴含在大自然之中的奇妙数学体制,有这样的体制,我们才能用连续的原子序数来代表物质中的每个元素。”

那我们就简单考虑一下“蕴含在大自然之中的奇妙数学体制”吧。古代的人只知道有金、银、铜、锡、铁等元素 *。中世纪的炼金术士识别出砷、铋和锑,后来到了18世纪,有更多元素被人发现。在1863年,科学家利用分光镜分开每种元素独有的色谱,因而识别出铟,这是人类发现的第63种元素。

当时俄国化学家德米特里·伊万诺维奇 ·门捷列夫,断定元素绝不是偶然产生的。在1869年3月18日,他的一篇题名为“元素体制概要”的论文终于得以在俄国化学会中宣读出来。他在论文中宣称,某类体制其实并不那么受机遇操纵……而是受某种肯定而准确的原则所支配”。

门捷列夫在这份著名的论文中预告说:“我们仍然应该预期会发现许多未知的 简单体;例如一些跟铝和硅相似的元素,一些原子量在65和75之间的元素。”门捷列夫为16种新元素预留下空位。有人要他为这个预测提出证据,他回答说:“我没有必要提出证据。大自然的法则跟语法规则不同,大自然的法则是绝对不会有例外的。”他补充说:“我看人们一旦发现我所谓的未知元素,注意我们的人就会多起来了。”

果然不出所料!《美国百科全书》解释说:“在接着的15年间,科学家先后发现镓、钪、锗,也发觉这些元素的特性跟门捷列夫所预告的非常吻合,于是肯定了元素周期表的准确性,它的作者也就出了名。”到了20世纪初,所有现存的元素都被人发现了。

事实清楚摆在眼前,正如化学家埃尔默·毛雷尔指出:“这么美妙的安排绝少可能碰巧而来。”面对元素的和谐秩序碰巧而来的可能性这个问题,化学教授约翰·克利夫兰·科思伦有以下评论:“[门捷列夫]预告的原子后来全部被人发现,这些原子的特性又跟他的预测几乎完全一样,这足以排除任何这样的可能性。从来没有人把他的伟大总结称为‘周期性巧合 ’,只有人称之为‘周期性法则 ’。”

著名物理学家兼剑桥大学数学教授狄喇克深入研究元素的本质和元素互相拼合成宇宙万物的方式,结果他说出下面的话来:“如果你要形容这种情况,你可以这样说:上帝是一个层次非常高的数学家,他运用非常高明的数学理论来建立这个宇宙。”

能够窥探本来肉眼无法看见的世界,从微小至极的原子、分子和活细胞,到庞大至极的星空银河,绝对是叫人叹为观止的经历!这样的经历使人不得不谦逊下来。这样的经历对你构成影响吗?你看出这些事物要反映什么吗?你看出的比肉眼所见的更多吗?

[脚注]

^ 31段 元素是纯粹由一种原子所构成的基本物质。地球上只有88种自然存在的元素。

[第5页的附栏或图片]

快得眼睛也抓不住

由于马匹在飞驰的时候动作特别快,所以19世纪有人争辩,马匹在某个时刻会不会四蹄同时腾空。最后到了1872年,埃德沃德·迈布里奇开始进行照相机实验,不久就平息了这场争论。他发展出拍摄第一部高速电影的技术。

迈布里奇把24架照相机排列好,彼此相隔一点距离。每架照相机的快门都连着一根绳子,绳子给拉至横跨跑道,于是当马儿沿着跑道飞驰的时候,就会碰到一条一条的绳子,因而松开快门拍照。实验中拍摄到的照片经过分析以后,发现有时候马匹真的会完全离地腾空。

[鸣谢]

Courtesy George Eastman House

[第7页的图片]

为什么水凝固以后不会沉,反而会浮呢?

[第7页的图片]

DNA分子直径虽然只有0.0000025毫米长,却包含足以填满一百万页的信息

[鸣谢]

Computerized model of DNA: Donald Struthers/Tony Stone Images

[第8页的图片]

身体有一百万亿个细胞,在每一个细胞中都有数万次化学反应以有组织的方式进行

[鸣谢]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[第9页的图片]

俄罗斯化学家门捷列夫利用元素周期表,断定元素不是碰巧而生的

[鸣谢]

Courtesy National Library of Medicine