主持人的話：看似一片肅殺的冬日世界其實(shí)充滿了故事，從溫血的飛鼠到沉睡的黑熊，從不懼嚴(yán)寒的山雀到冰凍的昆蟲和蛙，故事每時(shí)每刻都在延展，只有熱愛自然的人才能發(fā)現(xiàn)其中的妙趣以及故事主角們那令人驚嘆的生存智慧。《紐約時(shí)報(bào)書評》這樣評價(jià)我們本期向大家推薦的這本書：“結(jié)合科學(xué)視角和詩人的靈魂，海因里希用動(dòng)物在最寒冷季節(jié)中那新穎、別致、時(shí)而出人意料的生存之道迷住了我們?！笔堑?，貝恩德·海因里希，這位曾經(jīng)的伐木工人，如今佛蒙特大學(xué)生物系的榮譽(yù)退休教授、《科學(xué)美國人》《紐約時(shí)報(bào)》等多家媒體的撰稿人，通過這本《冬日的世界》向我們展現(xiàn)了大自然的神奇與詩意。

海因里希的語言自然而高效，我們所摘選的這本書的第一章雖然不是講述具體某一種生物的故事，但卻生動(dòng)地為我們勾畫出所有故事之所以發(fā)生的大前提。每個(gè)對我們這個(gè)世界懷有好奇心的人讀來都會(huì)浮想聯(lián)翩。

好書妙在分享，歡迎大家推薦科普佳作。

第一章 火與冰

微觀生命是在約35億年前——前寒武紀(jì)時(shí)期——進(jìn)化出來的，那是生命最早且最長的重要時(shí)期，覆蓋了大約90%的地質(zhì)時(shí)間。沒人知道當(dāng)微觀生命開始時(shí)地球確切的樣子，但我們確實(shí)知道曾幾何時(shí)地球是個(gè)酷熱的、如地獄般的地方，且大氣中缺乏氧氣。早期的微生物，很可能是藍(lán)細(xì)菌或類似細(xì)菌的生物，發(fā)明了光合作用，將日光作為一種能量來源。它們從空氣中吸入食物——二氧化碳，同時(shí)產(chǎn)生廢棄物——氧氣，進(jìn)一步改造了大氣，繼而改造了氣候。它們發(fā)展出DNA以儲存信息，發(fā)明了性，為自然選擇提供差異，從此進(jìn)化開始了，它是一個(gè)永無止境且在很大程度上難以預(yù)測的進(jìn)程。

分子指紋分析顯示，現(xiàn)今地球上的每種生命形式都源自同一個(gè)類似細(xì)菌的祖先。那個(gè)祖先最終分化出了三支主要現(xiàn)存的生命分支：古細(xì)菌、細(xì)菌和真核生物（由含有細(xì)胞核的細(xì)胞組成的生物，包括藻類、植物、真菌和動(dòng)物）。

第一批古代生物，即在地球大氣出現(xiàn)氧前的那些并不利用氧的生物的余黨，在今天可能仍然改變不大地活著。很多人認(rèn)為它們就是現(xiàn)今只生活在少數(shù)仍保留了古代的、對我們而言如地獄般環(huán)境的消耗硫的細(xì)菌。這些棲息地包括溫泉和深海熱泉噴發(fā)口，那里的水溫在300℃（水仍保持液態(tài)而未變成蒸氣，因?yàn)樵?600米左右的深度，水經(jīng)受著巨大的壓力），由海床向上噴涌。其中一個(gè)生活在熱水噴發(fā)口邊緣的物種是延胡索酸火葉菌（Pyrolobusfumarii），除非加熱到至少90℃，否則它不能生長，它能忍受113℃的高溫。當(dāng)?shù)厍蛑饾u冷卻，新的環(huán)境出現(xiàn)，新的單細(xì)胞和后來的多細(xì)胞生物從這些或類似的物種中進(jìn)化出來，入侵日新月異且更涼快的環(huán)境。

過了很久之后，一些細(xì)胞通過入侵其他細(xì)胞也逃離了它們祖先生活的環(huán)境，發(fā)現(xiàn)新環(huán)境有利于生存，便開始適應(yīng)那里。這種一開始是寄生的生物最終進(jìn)化出了與它們的寄主合作或共生的關(guān)系。也許在這些最終互利的結(jié)合中，最改變命運(yùn)的一樁就是前寒武紀(jì)的藍(lán)細(xì)菌成功進(jìn)入其他細(xì)胞且最終變成了葉綠體，而它們的寄主變成了綠色植物。

多細(xì)胞生物和我們今天所看見的奇妙多元的生命，具有獲取太陽能的能力之后或同時(shí)，發(fā)生了另一個(gè)關(guān)鍵的細(xì)胞侵入過程，即寄生轉(zhuǎn)變成共生。有了來自植物的氧氣，就有了能量和耗氧菌，而當(dāng)它們中的一些入侵其他細(xì)胞時(shí)，它們就變成了線粒體，而它們的寄主變成了動(dòng)物。線粒體是細(xì)胞能量或動(dòng)力使用的源頭，擁有了線粒體同時(shí)又獲得了氧氣，這就大大加快了能量消耗的速度。它使多細(xì)胞動(dòng)物的進(jìn)化成為可能。關(guān)于利用線粒體驅(qū)動(dòng)的高能耗生活方式的終極表述之一，當(dāng)然就是像戴菊那樣在北方冬季仍保持著對我們而言幾乎無法想象的高度且持續(xù)活力的動(dòng)物。

由線粒體產(chǎn)生的代謝火焰可以被扇得更高，只要有足夠的氧氣存在，或者它們也能被降得很低。生命是利用火焰的過程，更重要的是控制火焰的過程。它產(chǎn)生熱，而熱經(jīng)常與生命同義。

對我們而言，溫度是用冷熱的標(biāo)尺衡量的一種感覺。物理學(xué)上，它是分子運(yùn)動(dòng)。我們能用溫度計(jì)測量它，因?yàn)橐粋€(gè)物體的分子運(yùn)動(dòng)越大，分子間距越大。我們以水銀（或其他液體）在圓柱的標(biāo)尺上爬升的位置來測量這種分子間距。像這樣的分子運(yùn)動(dòng)并不是生命，而是生命的前提。

另一方面，熱是進(jìn)入和離開系統(tǒng)時(shí)會(huì)改變溫度的能量。一些物體必須吸收更多的能量（比如，從太陽那里），然后它們的分子才開始運(yùn)動(dòng)，并提高溫度?？防锸悄芰繂挝唬?卡路里被定義為將1克水提升1℃所需的能量。加熱如石頭這樣的物質(zhì)所需的能量要比加熱水所需的能量要少得多。同樣地，能量也不是生命，而是它的前提，生命對能量的需要永不滿足。因此，真正神奇的是在冬季生命得以延續(xù)甚至繁榮，但那時(shí)陽光很微弱。

溫度沒有上限。在太陽系內(nèi)，太陽表面溫度約為6000℃；中心溫度比表面溫度約高出3000倍，即18000000℃。另一方面，宇宙的低溫極限是有限的。這是所有分子運(yùn)動(dòng)停止及熱能含量為零的那點(diǎn)。那個(gè)溫度排除了活著的可能，但是從我將討論的對冬日世界的適應(yīng)上看，它并不一定會(huì)毀滅生命。生命，起碼在理論上，可以在宇宙最低溫度時(shí)保持暫停。

攝氏溫標(biāo)是這樣定義的：水分子結(jié)束晶體結(jié)構(gòu)變成液體時(shí)為0℃，液態(tài)水在海平面沸騰時(shí)為100℃，在0℃到100℃之間，水的熱能含量被平分成100個(gè)單位。物質(zhì)的零能量含量，或宇宙中的最低溫度極限，在開氏溫標(biāo)上被定義為0K，它對應(yīng)的是-273.15℃或-459.7。因?yàn)閾?jù)我們所知，生命是以水為基礎(chǔ)的，我們中的大部分人熟知，活躍的細(xì)胞生命被局限在水的凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)（它們會(huì)隨壓強(qiáng)和溶質(zhì)的變化而變化）之間狹窄的溫度區(qū)間里，在這段區(qū)間里控制能量利用率是可能的。人體大部分由水組成，當(dāng)我們細(xì)胞里的水凝結(jié)，也就是變成冰，它就會(huì)切碎細(xì)胞膜并殺死我們。

水在生態(tài)層面對生命的影響與它在細(xì)胞層面上對生命的影響一樣深遠(yuǎn)。在北溫帶，每年秋天我們都能觀察到水的不同物理特性的生態(tài)效果。地球上的大多數(shù)生物經(jīng)歷過的水是從山上往下流的透明液體，只能被障礙物限制。一年中的部分時(shí)間，我們中的某些人也會(huì)看到粘在樹上和山坡上、把樹林裝點(diǎn)得像仙境一樣的、白色粉末狀的水。這種物質(zhì)可以被堆成堆、打成洞，然后做成人類或野獸的居所。它可以聚集并變得又密又深，以至于我們不能踩穿它。它能阻止植物吸收光，還可能壓壞它們。在北方地區(qū)，當(dāng)?shù)厍虻膬A斜度合適時(shí)，它可能經(jīng)過長時(shí)間的聚集形成冰川、改變地貌、擠壓山脈和谷地。僅1℃甚至更少的差別，水還可以變成一種透明的、像玻璃一樣的物質(zhì)，它封住湖的表面，讓我們從上面安然無損地走過。

冬日的世界里幾乎每樣?xùn)|西的命運(yùn)都最終由水的結(jié)晶來決定。只是在幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，結(jié)晶就可以改變地球的物理表面，而在幾百萬年的進(jìn)程中，它深遠(yuǎn)地改變了所有必須同這個(gè)從液體到晶體的神奇過程斗爭的生物的生理、形態(tài)和行為特征。

每年秋天，冬日的世界悄然而至，無情地靠近那些居住在北半球的生物。隨著它的到來，黑夜變得越來越長、越來越冷。來自太陽的能量更少能到達(dá)地面了。最先是表層土中的水凝結(jié)成堅(jiān)硬的殼（除非它已經(jīng)被雪覆蓋了）。流動(dòng)最快的溪流和小河是最后結(jié)冰的，因?yàn)槔淇諝馀c水的介面持續(xù)混合。導(dǎo)致水結(jié)冰的寒冷來自水上方貼著它的空氣。水至少比空氣暖和一點(diǎn)點(diǎn)。當(dāng)水被攪拌（像在快速流動(dòng)的溪流中那樣），表面不會(huì)那么快冷卻到0℃。

某個(gè)夜晚，不可避免的事發(fā)生了：所有的水都凍成了冰。氣溫降到了讓在池塘邊緣漂浮的沼澤草的莖、小枝和樹葉上的水分子的分子動(dòng)力減慢到足夠讓它們身陷穩(wěn)定的晶體位置中。這些莖、小枝和樹葉于是起到冰晶形成中成核點(diǎn)的作用。像臺球滾落袋中，水分子被鎖定了，起先是不加區(qū)別地發(fā)生在任何它們遇到的物體上，然后是靜止了的其他分子上，形成一個(gè)冰的網(wǎng)格。這些分子剩下的一點(diǎn)點(diǎn)能量現(xiàn)在以熱能釋放，即熔化熱，每克變成冰的液態(tài)水需要釋放76.7卡的熔化熱。（這些熱能不足以引起可觀的池水或湖水的溫度上升，因?yàn)樗芸炀蜁?huì)被大得多的水體吸收。然而，從其他水體分離出來的一個(gè)小水滴突然結(jié)冰，經(jīng)常會(huì)引起好幾攝氏度的可觀的“放熱效應(yīng)”。）

剛形成的冰晶像鋒利的手指在水的表面上延伸著。它們相遇、聯(lián)鎖，到了早晨整個(gè)池塘都可能覆上了一層透明的冰窗，從地理上將水里的生物和陸地上的生物隔絕開來。幾乎就在一夜之間，人可以名副其實(shí)地在水上行走，當(dāng)然這不是一種超自然能力，而是水在溫度低于0℃時(shí)的物理特性使然。

在池塘里的水汽變成冰時(shí)，一些很顯著、簡單卻又極其重要的事情發(fā)生了。它們可以和云中的水汽變成冰時(shí)所發(fā)生的事情相類比。在云中，冰晶會(huì)下落是因?yàn)樗捅瓤諝夂蜌庀嗨?。然而水在從液態(tài)變成固態(tài)時(shí)會(huì)變輕。如果反過來，冰晶剛在池塘表面形成就會(huì)立刻沉底。接近水底的熱量一開始會(huì)持續(xù)融化下沉的冰晶，但在某個(gè)時(shí)刻接近池底的溫度會(huì)達(dá)到0℃或更低。于是，水會(huì)從底部開始向上結(jié)冰，而不是從上而下。這個(gè)現(xiàn)象的生態(tài)結(jié)果將使北方?jīng)]有水體。夏季的陽光將只會(huì)融化上層的冰，而雄心勃勃的水體一出現(xiàn)就會(huì)很快變成巨大的永凍冰。

在生態(tài)上，水的另一個(gè)重要特性是，它的密度隨溫度變化而變化。冷水比熱水的密度大，所以冷水會(huì)下沉、熱水會(huì)上升。空氣也是如此。但是水的這種變化并不均勻。水在4℃時(shí)密度最大。因此，當(dāng)湖水在春天從0℃升溫到4℃時(shí)，隨著冰的融化，表面的水會(huì)下沉。密度較大的水會(huì)取代較冷的底層水和其中的營養(yǎng)物質(zhì)，然后它們上升到表面，給上面的生命提供養(yǎng)料。

在地質(zhì)學(xué)上，地球經(jīng)歷了有規(guī)律的反復(fù)出現(xiàn)的冰河時(shí)代，其規(guī)律來自于地球傾斜的天文周期?，F(xiàn)在，在米蘭科維奇循環(huán)[以它的發(fā)現(xiàn)者米蘭科維奇（MilutinMilankovich）命名]中正值7000年前開始的冷卻期。但現(xiàn)在我們卻相反地在經(jīng)歷全球變暖，因?yàn)樘煳闹芷趲淼睦鋮s效應(yīng)被人類引發(fā)的氣候變化覆蓋了。燃燒化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w在大氣中聚集的速率超過了它被森林中的樹木和其他植物吸收的速率。二氧化碳像隔熱毯一樣發(fā)揮著作用，困住太陽的熱能。和天文周期允許進(jìn)化適應(yīng)的逐漸變化不同，這種在地球歷史上的新現(xiàn)象是突然的。它會(huì)影響到戴菊，以及我們?nèi)祟悺?/p>