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窺探未見的世界——從中有何啟發作用?

窺探未見的世界——從中有何啟發作用?

 窺探未見的世界——從中有何啟發作用?

人類利用新發明撥開迷霧,看見從前看不見的世界,結果帶來什麼成果呢?新的發現使過去的未知之事頓變清晰。——參考下文附欄。

人類一度普遍相信地球位於宇宙中心。但後來利用望遠鏡所得到的發現,卻證實行星原來全都圍繞太陽運轉,地球也不例外。到了再近期一點,強力顯微鏡發明以後,人們開始探察原子,得以看見某種原子怎樣跟不同種類的原子化合,成為所謂的分子。

說到分子結構,請考慮水這種維持生命的必要物質。由於原子本身的設計,兩個氫原子會以獨特的方式跟一個氧原子化合,成為水分子。每一滴水中就已經有數以億萬計的水分子了!鑽研水分子,考慮水分子在不同情況下的表現,可以學到什麼呢?

 奇妙的水

雖然一滴一滴的水看起來非常簡單,卻其實極度複雜。英國倫敦帝國學院的科學作家約翰·埃姆斯利博士說,水其實是「所有化學物質中最多人研究的課題,卻仍然是人理解得最少的課題」。《新科學家》週刊指出:「水是地球上最為人所熟知的液體,卻也是最神秘的液體之一。」

埃姆斯利博士解釋,儘管水的結構簡單,但「其複雜的表現卻無出其右」。例如,他說:「H2O理論上應是氣體……實際上卻是液體。此外,水凝結……成固態,成為冰,冰卻浮在水面,而不會[按常理一般地]沉下去。」美國科技促進會前會長保羅·克洛普斯特格博士談到水的反常表現時,有以下評論:

「看來這是為了保全魚類等水族生物而作出的奇妙設計。試想像一下,如果水到冰點時的表現跟上文所描述的不同,會有什麼事情發生呢?結冰的過程會不斷持續下去,直到整個湖的水都結成冰為止,令全部或大部分水中生物無法生存。」克洛普斯特格博士說水有如此出人意表的表現,「證明宇宙中有一個有目的而偉大的頭腦正發揮作用」。

《新科學家》週刊指出,研究人員現在認為他們知道水為什麼會有如此反常的表現。他們發展出第一個能準確預測水結冰膨脹幅度的理論模型。研究人員發覺,「奧秘的關鍵是在水和冰的分子結構中氧原子彼此之間的空間」。

這確實了不起,對嗎?表面上這麼簡單的分子卻讓人類傷透腦筋。再想一想:我們身體的大部分重量其實就是水!這分子只有三個原子,包含兩種元素,卻已教人拍案稱奇了,你也能從中看到證據,「證明有一個有目的而偉大的頭腦正發揮作用嗎?」不過,水分子其實極為微小,跟許多其他分子比較起來,也顯得極為簡單。

極為複雜的分子

有些分子由數以千計的原子構成,包含地球上自然產生的88種元素中的許多種。以DNA(脫氧核糖核酸的簡稱)為例,DNA蘊藏著每一種生物的遺傳密碼,一個DNA分子就可能包含幾個不同元素的原子了!

DNA雖然複雜得令人難以置信,直徑卻只有0.0000025毫米,小得不用強力的顯微鏡就一點也看不見。科學家在1944年才發現人類的遺傳特徵由DNA決定,於是開始深入研究這種極為複雜的分子。

不過,構成萬物的分子數目眾多,DNA和水也只是其中兩種而已。既然許多分子在生物和非生物之中都能找到,我們應否就這樣下定論,說生物和非生物之間不過只是一步,或是一橋之隔呢?

很久以來,許多人都相信事實就是這樣。微生物學家邁克爾·登頓解釋說:「在19世紀20和30年代,許多權威學者都言之鑿鑿地表示,隨著對生物化學的知識不斷加深,[生物和非生物]之間的空隙就有望得以填補了。」可是,隨著時間過去,科學家實際上發現了什麼呢?

生命是獨特的

雖然科學家期望在生物和非生物之間找到過渡中間體,或者一連串的逐漸過渡環節,但是登頓卻評論說:「自19世紀50年代初分子生物學有了連串革命性發現以後,終於證實了 [清晰的斷層的確存在]。」登頓提出了這個科學家現在也覺得證據確鑿的真相後,繼續解釋說:

「我們現在不但知道在生物世界和非生物世界之間有一道空隙存在,也知道這道空隙是大自然的所有斷層中最劇烈而又最根本的一個。在活細胞和最有秩序的非生物結構(例如結晶體和雪花)之間有一道鴻溝存在,是筆墨所能形容,最巨大最實在的鴻溝。」

這並不表示分子是容易創造的東西。根據《從分子到活細胞》一書解釋,「小分子積木的合成過程本身已經相當複雜」,這本書繼續說,但是「跟製造第一個活細胞的過程比較一下,[製造小分子的過程]就等於小孩子的玩意兒了」。

細胞可以獨立生存,細菌就是這樣,也可以成為多細胞生物,例如人類。五百個一般大小的細胞加起來才等於這麼一點:「.」。難怪我們單憑肉眼看不見細胞的運作了。那麼,利用顯微鏡來窺探人體的細胞,會有什麼發現呢?

細胞——碰巧還是設計?

首先,活細胞的複雜結構會使你驚奇不已。一位科學作家這樣評論說:「就算是最簡單的活細胞,正常的生長過程也會牽涉到數以萬計有規律的化學反應。」作家問道:「一個小小的細胞,如何在同一時間協調兩萬次化學反應呢?」

邁克爾·登頓把最微小的活細胞比作「一家實實在在的微型工廠,裡面有一千億個原子,組合成數以千計設計精巧的複雜分子機械,比任何人造的機械複雜得多。在非生物世界中,絕對沒有任何東西可與之比擬」。

細胞的複雜結構仍然使科學家 感到困惑。正如2000年2月15日刊的《紐約時報》指出:「生物學家對活細胞的了解越多,就越明白為細胞的一切活動提出解釋,是個令人畏縮的任務。一個普通的人類細胞小得眼睛看不見,但是在細胞裡面十萬個遺傳因子當中,就可能有多達三萬個時時刻刻在不停運作,執行細胞的日常要務,或者回應其他細胞的信息。」

《紐約時報》問道:「如此微小而又如此複雜的機器,怎可能分析呢?即使投入巨大的人力物力,真的把一個細胞的運作完全搞清楚,人體還有其他起碼二百種不同的細胞。」

《自然界》週刊發表一篇名為「創造的真正發動機」的文章,其中報導科學家發現,在身體的每個細胞裡面 都有小小的馬達。這些馬達不斷轉動,產生三磷酸腺苷——細胞的能量來源。一個科學家驚嘆說:「我們一旦學會了設計和製造近似細胞分子結構的分子機械系統,那還有什麼東西是我們做不到的呢?」

請想一想細胞的創造能力吧!我們體內單單一個細胞的DNA信息量,竟然足以填滿本刊一百萬頁呢!還有,每當細胞分裂,要創造新細胞的時候,相同的信息也會傳送到新細胞中。在你的體內有一百萬億個細胞,你認為各細胞是怎樣開始根據這些信息的程式而運作的呢?是碰巧而來的嗎?還是應該歸功於最偉大的設計師呢?

也許你現在得到的結論會跟生物學家拉塞爾·查爾斯·阿爾蒂斯特的一樣。他說:「我們試圖解釋[細胞]如何出現,如何繼續運作,肯定會困難重重,甚至會一敗塗地。除非我們本著理智和邏輯,提出是一個有智慧,有頭腦的東西把細胞帶到世界來的。」

萬物顯出驚人秩序

若干年前,哈佛大學地質學教授柯特利·馬瑟作出了以下的結論:「我們不是生活在一個純屬偶然、變幻無常的宇宙裡,我們是生活在一個有法則有秩序的宇宙裡。這個宇宙的運作完全基於理智,而且配受最衷心的致敬。請考慮一下蘊含在大自然之中的奇妙數學體制,有這樣的體制,我們才能用連續的原子序數來代表物質中的每個元素。」

那我們就簡單考慮一下「蘊含在大自然之中的奇妙數學體制」吧。古代的人只知道有金、銀、銅、錫、鐵等元素 *。中世紀的煉金術士識別出砷、鉍和銻,後來到了18世紀,有更多元素被人發現。在1863年,科學家利用分光鏡分開每種元素獨有的色譜,因而識別出銦,這是人類發現的第63種元素。

當時俄國化學家德米特里·伊萬諾維奇 ·門捷列夫,斷定元素絕不是偶然產生的。在1869年3月18日,他的一篇題名為「元素體制概要」的論文終於得以在俄國化學會中宣讀出來。他在論文中宣稱,某類體制其實並不那麼受機遇操縱……而是受某種肯定而準確的原則所支配」。

門捷列夫在這份著名的論文中預告說:「我們仍然應該預期會發現許多未知的 簡單體;例如一些跟鋁和硅相似的元素,一些原子量在65和75之間的元素。」門捷列夫為16種新元素預留下空位。有人要他為這個預測提出證據,他回答說:「我沒有必要提出證據。大自然的法則跟語法規則不同,大自然的法則是絕對不會有例外的。」他補充說:「我看人們一旦發現我所謂的未知元素,注意我們的人就會多起來了。」

果然不出所料!《美國百科全書》解釋說:「在接著的15年間,科學家先後發現鎵、鈧、鍺,也發覺這些元素的特性跟門捷列夫所預告的非常吻合,於是肯定了元素周期表的準確性,它的作者也就出了名。」到了20世紀初,所有現存的元素都被人發現了。

事實清楚擺在眼前,正如化學家埃爾默·毛雷爾指出:「這麼美妙的安排絕少可能碰巧而來。」面對元素的和諧秩序碰巧而來的可能性這個問題,化學教授約翰·克利夫蘭·科思倫有以下評論:「[門捷列夫]預告的原子後來全部被人發現,這些原子的特性又跟他的預測幾乎完全一樣,這足以排除任何這樣的可能性。從來沒有人把他的偉大總結稱為『周期性巧合 』,只有人稱之為『周期性法則 』。」

著名物理學家兼劍橋大學數學教授狄喇克深入研究元素的本質和元素互相拼合成宇宙萬物的方式,結果他說出下面的話來:「如果你要形容這種情況,你可以這樣說:上帝是一個層次非常高的數學家,他運用非常高明的數學理論來建立這個宇宙。」

能夠窺探本來肉眼無法看見的世界,從微小至極的原子、分子和活細胞,到龐大至極的星空銀河,絕對是叫人嘆為觀止的經歷!這樣的經歷使人不得不謙遜下來。這樣的經歷對你構成影響嗎?你看出這些事物要反映什麼嗎?你看出的比肉眼所見的更多嗎?

[腳注]

^ 31段 元素是純粹由一種原子所構成的基本物質。地球上只有88種自然存在的元素。

[第5頁的附欄或圖片]

快得眼睛也抓不住

由於馬匹在飛馳的時候動作特別快,所以19世紀有人爭辯,馬匹在某個時刻會不會四蹄同時騰空。最後到了1872年,埃德沃德·邁布里奇開始進行照相機實驗,不久就平息了這場爭論。他發展出拍攝第一部高速電影的技術。

邁布里奇把24架照相機排列好,彼此相隔一點距離。每架照相機的快門都連著一根繩子,繩子給拉至橫跨跑道,於是當馬兒沿著跑道飛馳的時候,就會碰到一條一條的繩子,因而鬆開快門拍照。實驗中拍攝到的照片經過分析以後,發現有時候馬匹真的會完全離地騰空。

[鳴謝]

Courtesy George Eastman House

[第7頁的圖片]

為什麼水凝固以後不會沉,反而會浮呢?

[第7頁的圖片]

DNA分子直徑雖然只有0.0000025毫米長,卻包含足以填滿一百萬頁的信息

[鳴謝]

Computerized model of DNA: Donald Struthers/Tony Stone Images

[第8頁的圖片]

身體有一百萬億個細胞,在每一個細胞中都有數萬次化學反應以有組織的方式進行

[鳴謝]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[第9頁的圖片]

俄羅斯化學家門捷列夫利用元素周期表,斷定元素不是碰巧而生的

[鳴謝]

Courtesy National Library of Medicine