生命的奥秘

作者简介

作者英国Future出版公司，是出品了全球近400万读者，英国本土发行量超27万册的青少年科普杂志《万物》（How it works）的英国百年科普教育品牌。 译者曾宪坤，有电子译作《智障女孩谋杀案》《爱马传奇——拯救稀有马群》等，纸质版译作有《萧伯纳传》等。

内容简介

你睡着的时候能学到东西吗？ 一天只有24小时，而人们把大约三分之一的时间都花在了睡觉上。所以，那些有野心的人总想知道：有没有可能把这段时间利用起来呢？ 答案是：能，也不能，取决于我们对“学习”的定义。吸收复杂信息或零基础掌握一门新技能是几乎不可能的。但研究表明，睡眠中的大脑也完全没有闲着。 睡眠学习：从假象到科学 睡眠学习或睡眠中教学的概念有着悠久的历史。第一个证明睡眠对记忆力和学习有好处的研究发表于1914年，作者是德国心理学家罗莎·海因（Rosa Heine）。她发现，与白天学习相比，在晚上睡前学习新材料更容易记住。 从那时起人们做了很多研究，得益于此，我们现在知道，要让我们白天所经历的事情形成长期记忆，睡眠至关重要。白天的经历最初在海马体形成记忆，睡眠中的大脑会回放这些经历，并将它们从海马体转移到整个大脑区域，从而稳固这些记忆。考虑到睡眠期间记忆发生了这么多事情，人们自然会问，记忆能否被改变、增强甚至重新形成。 一些早期研究发现，人们会学习他们在睡眠中接触到的材料。但这些发现在20世纪50年代被推翻，当时科学家开始使用脑电图来监测睡眠脑电波。研究人员发现，如果非要说人在睡眠中有学习行为的话，那也只是因为测试对象被刺激唤醒了。这些提出睡眠学习的糟糕研究被扔进了伪科学的垃圾桶。 但近年来，研究发现大脑在睡眠时可能并不完全是一团乱麻。这些发现表明，睡眠中的大脑有可能吸收信息，甚至形成新的记忆。然而，问题在于这些记忆是隐性的，或者说无意识的。换句话说，这种学习形式非常基础，在这种形式下大脑需要完成的任务比你学习德语或量子力学时要简单得多。 臭鸡蛋和吸烟：产生联想 多项研究发现，睡眠中可以发生一种被称为条件反射的基本学习形式。在2012年的一项研究中，以色列研究人员发现，人们可以在睡眠中习得将声音和气味联系起来的能力。科学家们在测试对象睡着后播放了一种声音，同时释放了恶心的臭鱼气味。醒来之后，测试对象一听到那个声音就屏住了呼吸，他们预料会有难闻的气味。 这种记忆虽然是无意识的，但也会影响人的行为。研究人员发现，在睡眠中闻了一晚上混合着烟草和臭鸡蛋（或臭鱼）的气味之后，吸烟者会减少吸烟。他们睡着以后大脑也在学习。 睡眠学习能力可以扩展到单词学习。在《当代生物学》（Current Biology）期刊上发表的一项研究中，研究人员向睡眠中的测试对象播放成对的虚构单词及其假定含义，比如“guga”的意思是大象。这些测试对象醒来之后参加了一个单选题测试，要选出虚构单词的正确翻译，他们的表现比没有在睡眠中学习过的人要好。 虽然为了可能学会的几个单词而失去高质量的睡眠并不是一个明智的选择，但研究人员仍在继续研究睡眠学习，因为在特殊情况下这种妥协可能是值得的。 水熊虫能活多久？ 水熊虫可能是地球上最矛盾的动物。这些微生物可爱得不可思议，但它们也享有传奇的声誉——地球上最强、最坚不可摧的生物。 体长只有1毫米或更短，它们小小的身体拥有生物超能力，帮助它们抵御可能导致其他生物死亡的生存条件。考虑到它们的韧性，这些生物能活多久？ 这取决于它们生活在哪里。水熊虫在地球上几乎无处不在，但大多数都喜欢生活在潮湿的栖息地，比如河石表面的苔藓中。当水熊虫能获得足够的食物和水来维持身体机能时，它们自然地寿终正寝，寿命几乎不会超过两年半。不过，水熊虫在“隐生”状态下能活得久得多，“隐生”状态会在环境条件变得无法忍受时触发。 “水熊虫是一种迷人的小动物，”英国南极调查局（British Antarctic Survey）的缓步动物研究员桑德拉·麦金尼斯（Sandra Mclnnes）说，“水熊虫有能力通过停止新陈代谢来应对极端环境，这种应对极端干燥和极端严寒的能力使它们能够长期存活于南极。” “隐生”使水熊虫进入“蛹”状态，它们的新陈代谢会减慢到停止，对氧气的需求也会减少，细胞则几乎完全失去水分。在这种萎缩的状态下，水熊虫如此接近死亡，以至于它们能够在没有水，温度低至零下328华氏度（零下200摄氏度），高至304华氏度（151摄氏度）的地方生存。当这些木乃伊一样的水熊虫再次接触到水时，它们就会恢复活力，在几个小时内恢复正常生活。它们甚至在太空中存活了下来。 麦金尼斯曾经解冻了一块以前实验剩下的苔藓样品，发现里面还有活着的水熊虫。她推测这些有机体已经在冷冻状态下存活了至少8年。2016年《低温生物学》（Cryobiology）期刊发表的一篇论文引起了轰动，该论文显示，自1983年起就冻在一块南极苔藓样品中的少量水熊虫已经在这种寒冷环境下存活了30年，直到2014年重新恢复活力。人们认为，水熊虫这种自保天赋一定程度上是源于它们产生的独特蛋白质，这种蛋白质可以将其脆弱的细胞成分锁定在适当位置，从而保护它们的细胞膜、蛋白质和DNA不受破坏。 未来会出现另一个盘古大陆吗？ 就在恐龙时代之前——大约2.51亿年前——地球上的大陆彼此毗邻，合并形成了超大陆——盘古大陆。这块陆地最终一分为二。 之后，这两块大陆分裂成了我们如今所知道的七大陆地板块。但地球构造板块的持续运动提出了一个问题：会出现另一个盘古大陆那样的超大陆吗？ 答案是肯定的。在地球45亿年的地质历史中，盘古大陆不是第一块超大陆，也不会是最后一块。地质学家一致认为，超大陆的形成有一个确定的、相当规律的周期。过去曾经出现过三个超大陆。第一个是努纳大陆（Nuna，也叫哥伦比亚大陆），大约存在于距今18亿到13亿年前。接下来出现的是罗迪尼亚大陆（Rodinia），存在于距今12亿到7.5亿年前。所以，没有理由认为未来不会形成另一个超大陆。大陆的聚合和扩张与构造板块的运动密切相关。地壳分为九个主要板块，它们在地幔上滑动——地幔是位于地核和半固态地壳之间的液态层。在地幔发生“对流”的过程中，较热的地幔物质从地核附近上升到地表，而较冷的地幔岩石则下沉。地幔物质的上升和下降要么将板块分开，要么通过将一个板块推到另一个板块之下而将它们挤在一起。 科学家们可以用GPS设备来追踪构造板块的运动，但为了拼凑出数百万年前这些板块的情况，古地质学家不得不求助于地壳中的天然磁铁。当两块板块碰撞交汇处的热熔岩冷却时，熔岩中的一些含有磁性矿物的岩石，如磁铁矿，会与地球当时的磁场对齐。当冷却的岩石随着构造板块运动时，科学家们可以利用这种排列来计算这些磁体过去在纬度上的位置。 大约每6亿年就会形成一个新的超大陆，但这个周期可能正在缩短。这表明，下一个盘古大陆，被称为阿玛西亚大陆（Amasia，或比邻盘古大陆），将比我们的预期更早形成。米切尔（Mitchell）认为，这个周期之所以缩短，是因为地球内部储存在地核的热量正在消散，这导致对流发生得更快。 然而，预测阿玛西亚大陆的形成年份并不是那么简单。板块运动可能会发生意想不到的变化，海底的缺陷会导致板块运动偏离轨道。这些板块每年只移动几厘米，跟你头发和指甲生长的速度大致相当。 宇宙中最冷的地方是哪里？ 布鲁克林的威廉斯堡社区（Williamsburg）实际上并不是宇宙中最冷的地方。相反，这一荣誉可能属于以下两个地点之一：太空中的星云或麻省理工学院的实验室。 2013年，天文学家通过智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）测量到，由星际尘埃和电离气体混合而成的回旋镖星云的温度达到了令人瞠目结舌的零下272摄氏度，仅比绝对零度高1摄氏度。 这团年轻的行星状星云位于5000光年之外，有一个病态的创造者：它的中心有一颗垂死的恒星。随着时间的推移，这颗质量较低的恒星——大约是太阳质量的倍或更小——变成了所谓的红巨星。 这张绚丽多彩的回旋镖星云的照片，是由哈勃太空望远镜上的照相机拍摄到的。 这类恒星的生命历程是这样的：随着恒星燃烧核心的氢将其聚合成氦，它的亮度实际上会增加。因为恒星无法产生足够的热量来支撑自身的重量，所以剩余的氢开始在核心外部被向外层层挤压。这种挤压产生了更多的能量，但结果是，随着外层气体的膨胀，恒星变得更加膨胀。所以，恒星越亮，气体越冷，恒星看起来越红，也就是变成了红巨星（红巨星很大，当太阳变成红巨星时，它的表面将延伸到地球目前的轨道上）。最终，这颗红巨星将氢完全燃烧殆尽。更大质量的红巨星开始将氦聚合成更重的元素，但这一过程也有限制，那就是恒星中心层坍缩的时候，此时恒星会变成白矮星，白矮星基本上就是恒星燃烧殆尽后的超高密度核心。随着坍缩的发生，恒星的外层被抛在后面，因为这颗红巨星太大了，它对外层的控制力很弱。白矮星发出的光照亮了气体，对观测者来说，观测到的就是一团华丽的行星状星云。 恒星外层的气体膨胀得非常快，向外移动的速度高达每小时58.5万千米。这就是星云如此寒冷的原因——甚至比宇宙大爆炸遗留下来的宇宙微波背景辐射还要冷（大约是零下270摄氏度，或2.76开尔文）。 当气体膨胀时，它们会变冷。这是因为膨胀导致压力下降，而压力的下降减慢了气体分子的速度。（温度基本上是对分子运动速度的测量。分子运动得越快，气体就越热。） 当你用空气罐清洁电脑时，你可以观察到同样的现象：当你喷射气雾时，空气罐会变冷，因为里面气体的压力正在迅速下降。使气体膨胀的一些能量来自气雾剂罐内的热能。由于回旋镖星云中的气体被中心恒星以如此快的速度甩出，就在一眨眼的时间里，大量的热能被消耗掉了。 在位于加州帕萨迪纳市（Pasadena）的美国宇航局喷气推进实验室（JPL）工作的拉格万德拉·萨海（Raghvendra Sahai）认为，回旋镖星云比其他正在膨胀的星云更冷，是因为它释放物质的速度比那些垂死的恒星快100倍，或者比太阳喷射物质的速度快1000亿倍。那么，地球上最冷的地方是哪里呢? 麻省理工学院的学生们会很骄傲的告诉你他们的学校是迄今为止最冷（最酷）的学校。2015年，一组物理学家在那里将原子冷却到有史以来最冷的温度：500纳开尔文，即0.0000005开尔文（零下273.15摄氏度），这比回旋镖星云要冷得多，但这只是因为科学家们使用激光冷却了钠和钾的单个原子。 不过，马萨诸塞州的剑桥市不会永远是最冷的地方。许多科学家团队正继续致力于使气体变得更冷。JPL拥有的冷原子实验室于2018年发射到国际空间站，已经产生了太空中已知最冷的物体，并且很快就会产生宇宙中已知最冷的物体。 1.10岁以上中、小学生独立阅读，自主学习科学知识的工具书。 2.66个精选问答，都是在日常生活中问及频率高的。既能解决家长回答不上来的困境，又能帮助孩子增长知识，提高科学素养。 3.对标物、化、生、地等课程科目，聚焦小、初、高多学科知识点，学习就要先人一步。 4.通过身边发现的问题引入知识科普，循序渐进，降低理解难度，激发学习兴趣。 5.图片升级3D拆解，炫酷图像资料，模拟前沿科技实验室氛围，轻松抓住孩子眼球。 6.条理清晰，层级板块图注详尽，逐步引导培养理科学习思维。 7.收录官方数据、科学网站摘要与名家论点交融，让孩子拥有放眼全球的视野。 8.高品质图文书，图文内容同时推进，适合青少年阅读。 16开全彩印刷，印刷用材安全环保，安心给孩子阅读。