第五章《一本书读完发现自然的历史》（5）

人类对生物的发现

生物是具有动能的生命体，也是一个物体的集合，而个体生物指的是生物体。其元素包括：在自然条件下，通过化学反应生成的具有生存能力和繁殖能力的有生命的物体以及由它（或它们）通过繁殖产生的有生命的后代。生物最重要和基本的特征在于生物进行新陈代谢和遗传。生物具备合成代谢以及分解代谢，这是互相相反的两个过程，并且可以繁殖下去，这是生命现象的基础。生物界中的动物、植物和微生物种类繁多，多种多样的生物不仅维持了自然界的持续发展，而且是人类赖以生存和发展的基本条件。然而，令人担忧的是，现存的动物急剧减少，只有原来地球上的动物的十分之一。正因为如此，了解一下人类对生物的认识与发现的知识，对于维护生态平衡，让我们人类更好地在生物界中生存，是会有启示意义的。

生物钟

候鸟南去又北回，花朵绽放又凋谢。随着时间的推移，地球上的生物周而复始地显现出千姿百态。人们不禁要问，生物体这种准确变化的时间规律是怎么回事呢？科学家通过研究和探索，终于揭开了其中的奥秘，原来生物体内有自己的“时钟”，人们称它为“生物钟”。

各种各样的“钟”

如果我们留心就会发现：一些植物如豌豆、花生、三叶草等的叶片白天昂起，以便最大限度地接受阳光，进行光合作用；而到了晚上，它们的叶片又垂下或折起来，以防止水分散失。植物叶片的这种“昂起”和“垂下”节奏，早在1729年就被法国的一位科学家发现，他当时出于好奇，将这类植物搬进暗室，令他吃惊的是，它们虽然见不到阳光，但是仍然按照往常的时间昂起或垂下叶子。

更有趣的是，在海滨的浅滩上，生活着一种微小的藻类——黄棕色硅藻。每当涨潮海水淹没沙滩之前，它们便钻到沙石下面，以免被汹涌的潮水冲刷而去；潮水退去后，它们又重新移动到沙石表面，沐浴在金色的阳光里，进行光合作用、科学家将一些黄棕色硅藻移到实验室内，装进玻璃瓶里，这里虽然没有潮水的涨落，但每天它们仍然按涨潮和退潮的时间上升和下潜。

植物开花的准时性更令人惊叹。例如，牵牛花在清晨4点开放，蔷薇花开在5点，芍药花开在7点，半枝莲开在10点，马齿苋花开在中午12点，茉莉花开在17点，晚香玉开在20点，昙花开在21点，月亮花开在22点。有人巧妙地设计了一个钟面模样的花坛，将一些植物按其开花的时候顺序栽种到花坛里，这样只要看一下什么植物在开花，就知道是几点钟了，这就是著名的“花钟”。

动物体内也有生物钟。“鸡叫三遍天亮，青蛙冬眠春晓”。这些动物活动与昼夜交替和四季变更有关的现象，是动物体内的“钟表”在起作用的缘故。

有一种鹭，它虽然生活在远离海岸几十千米的地方，但每天飞到海边的时间，总比前一天推迟50分钟，由于潮汐时间每天恰好向后推迟50分钟，所以它们总是退潮后海滩上的第一批“食客”。

▲三叶草

招潮蟹的活动也非常有节律。每当涨潮时，它们就钻进洞穴里静静地休息；退潮后，沙滩露出水面，招潮蟹便钻出洞来到处找吃的。贻贝、蛤蝴和牡蛎的活动规律，正好与招潮蟹相反，涨潮时它们张开贝壳捕捉食物；落潮时它们又把贝壳紧紧关闭着。

人体内也有“时钟”存在。有些人不用闹钟，每天醒来的时间前后相差不到5分钟。人体的呼吸、体温、脉搏、血压等都有它的节律，如正常人的呼吸是白天快，夜里慢；体温在清晨2～6时偏低，下午5～6时偏高；脉搏在早晨较为平稳；血压早晨最低，傍晚偏高。人体的排尿量和尿的成分，也随昼夜而发生周期性变化。

人体内细胞的有丝分裂、血液成分、眼内压和瞳孔的光反射等，都有昼夜周期性变化。这些现象都与人体内的生物钟有密切关系。

运动员的成绩好坏，也有一定的规律性。每当夕阳西下时，跳高运动员感到特别兴奋，能够轻快地跳过较高的高度；体操运动员和举重运动员，往往在晚上7～9时，感到精力特别充沛，能干净利落地完成高难动作和举起较重的杠铃。这种兴奋状态是怎么产生的呢？据科学家研究，很可能与生物钟的作用分不开。

更有趣的是，病人的病情变化也表现出周期性。一位帕金森氏病人，因手和腿都强烈地震颤而不能独立行走，但每天晚上9点钟左右，病症会暂时自行消失，行动自如，完全像个健康的人。一个12岁的男孩患有周期性麻痹症，每周发病3次。狂郁精神病人，以12小时为周期交替和抑郁；精神分裂症症状，比较严重的表现也是以12小时为周期。

病人对药物的敏感性也有一定的节律。心脏病人对药物洋地黄的敏感性，在上午4时大于平时40倍；糖尿病人，也是在上午4时对胰岛素最敏感。

▲招潮蟹

生物钟的实际应用

人们对生物钟的研究很有意义，并已开始在实际中应用。例如，利用生物对环境变化有周期性的节律反应，花农用改变温度和光照的办法，便可在最需要的时候供应盛开的鲜花。农民用增加光照时间，可使母鸡多产蛋，使牛羊延长发情期，增加交配次数，即可多生小牛和小羊。

由于昆虫的发育过程与白天和黑夜的长短有关，这样可在实验室里将害虫的生物钟重新调整一下，使它在缺乏食物或温度不适的季节成熟，从而无法生活而死亡。也可利用生物对药物的敏感有周期性变化，来喷洒药物消灭害虫。例如，用除虫菊杀灭苍蝇，下午3时特别有效；而用来杀灭蟑螂，则在下午5时半最有效。用三氯甲烷杀灭蟋蟀，在晚上11时效果最佳。

有的生物学家发现，生物体内某些酶和激素的分泌，每日也显示出周期性。在一定的时间给某种有害动物吃一种药物，即可改变其体内某些酶和激素的周期节奏，从而扰乱这种动物的性周期。如果我们能掌握这一“秘密”，就可用来干扰害虫和老鼠的繁殖，从而达到消灭它们的目的。

科学家还发现，与运动员成绩有密切关系的肾上腺皮质激素的分泌有一定的时间规律，因此他们的运动能力和成绩的提高也有周期性的变化。如果通过人体生物钟的研究，掌握其规律性，就可以利用电子计算机，推算出各种运动项目从多大年龄开始训练最合适，什么时间能出现最好的竞技状态，从而帮助运动员和教练员科学地制定训练计划，合理地安排训练周期，这就能多出人才、快出人才。

癌症被人们称为不治之症。科学家发现，癌细胞的增殖也是有节律的，在某些时刻癌细胞分裂的速度比在其他时间快；同时，在某些时刻癌细胞更容易受x光的破坏。如果我们通过研究，掌握其规律性，便可找到应用x光治疗癌症的最有效时间。

北极熊冬眠时，躲在洞里蜷着身躯度过寒冬。冬眠状态下的北极熊，其体内的新陈代谢节律非常缓慢，消耗能量非常少。因此，科学家们设想，如果从北极熊体内提取出由基因控制产生的冬眠物质，将可帮助宇航员通过冬眠的方式在宇宙空间中作远程航行。

▲北极熊生物钟的奥秘

人们发现，微生物、植物、动物和人类这些形形色色的生物中，都有生物钟存在。可以说，生物钟已成为生物体的一个特征。那么，生物钟的本质是什么？它究竟在生物体的什么地方？为了揭开过个谜，科学家们做了一些有趣的实验。

豆科植物在自然条件下生长，其叶片白天昂起而晚上垂下。人们将其置于连续光照的条件下，这些豆科植物的叶片仍然有节律的昂起和垂下，节律周期近似24小时。、

又有人用老鼠来做实验，将老鼠放入可以转动的笼子里，上面半月有自动记数器和记时器，然后放置在连续的光照下。几个星期后，老鼠的睡觉和活动时间，仍然与正常的昼夜变化的节律几乎完全一致。

通过上述实验，有些科学家认为，生物钟是生物体内固有的。生物在几百万年乃至上千万年的进化中，只有那些在生理上和行为上适应这些节律的物种才能生存下来，宇宙的自然节律在生物体基因上刻下了深深的烙印，因此是可以遗传的。这些节律在人为的控制条件下，仍然起作用，好像完全不受环境中各种因素变化的影响。

但是也有一些科学家持不同意见，他们认为，生物钟是生物体的生理功能对外界环境某种信号的反应，因此是受外力调节的。

当然，这一派科学家也有自己的实验根据。他们将招潮蟹放在接近冰点的水中，6小时后把水迅速加热到室温，结果招潮蟹的颜色变化推迟6小时（应在中午颜色变得最深，却到下午6时才变深）。这就是说，剧烈的温度变化，使招潮蟹的生物钟停摆6个小时。

还有人用马铃薯来做实验，因为它的新陈代谢不仅具有日节律，而且还具有年节律。将马铃薯密封在容器里，由于它本身既有养料又有水分，从理论上说，它不会受环境中任何能调节新陈代谢的信号的影响。但实际上，马铃薯却能感知每日的温度和气压变化，它的呼吸率受到某些宇宙变化的影响，而这些宇宙变化又与太阳和月球的周期有关。

科学家通过研究发现，各种生物的生物钟是不同的，特别是植物和动物的生物钟相差很大。比如说，控制植物开花时间的“钟表”是一种色素——光敏素。光敏素以两种形式存在，一种能吸收红光，叫红光吸收色素！另一种能吸收红外光，叫红外光吸收色素。通过吸收光线两者可以互变：当红光吸收色素吸收红光后，即变为红外光吸收色素；而红外光吸收色素吸收红外光后，即变成红光吸收色素。它们的互变可以形成振荡系统，由它控制植物的开花时间。而蟑螂的“时钟”却是在食管正下方的一种神经组织，这一神经组织调节着它的内分泌，同时控制着它的活动和休息，其周期为23小时53分。有趣的是，如果把这种神经组织从一只蟑螂身上移植到另一只蟑螂身上，仍然能继续起着“时钟”作用。当把它冷却到0c时，就会使“钟表”停止走动；温度升高后，“钟表”仍按原先的时刻走动计时。更令人吃惊的是，把蟑螂的这一神经组织摘除后，过不多久它的活动又变得有规律了。因此，有的科学家认为，蟑螂的体内可能有几只“时钟”。不过，至今人们还不知道它们在什么地方。

科学家还发现，人体的衰老也是受生物钟控制的。有人通过实验证明，在人的细胞内有一个“钟”，规定它们在死亡前要繁殖多少次。初生婴儿的细胞在最终死亡前繁殖约50次，中年人的细胞约繁殖25次以上。如果把细胞长期冷藏起来，解冻后还会依照剩下的繁殖次数完成“任务”。因此，一旦人们弄清其中的奥秘，便可用来“推迟”人的衰老，延长人的寿命。

生物钟的帷幕只是刚刚揭开，生物钟的机理仍然是个谜。生物钟到底是什么，科学家还没有统一的看法；每种生物体内的“钟表”究竟藏在哪里，大都还不清楚。当人们航天远远离开地球时（超过10～20个地球半径），生物钟是否还起作用？如不起作用，对生命有何影响？这些问题，还有待于科学家们去探索。

x光

x光即是x射线，这是一种波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。由德国物理学家伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。x光具有很高的穿绣本领，能绣过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的x射线能量越大，叫做硬x射线，波长长的x射线能量较低，称为软x射线。波长小于01埃的称超硬x射线，在0.1～1埃范围内的称硬x射线，1～10埃范围内的称软x射线。

揭秘生物神奇的“隐生”术

水是一切生命不可缺少的物质。大多数动物、植物，甚至包括人类，其重量的50～70%是水分。如果人体失去水分的20%，就会死亡。青蛙、蚯蚓失去自身液体的60%，还没有达到受伤害的程度，这种能力是不可轻视的，但青蛙和蚯蚓还不能和隐生生物相比。一些隐生生物能失去自身水分的99%，当再有合适的水分时，竟能神奇地恢复生命活动。

隐生生物的种类

许多有机体是典型的隐生生物类型。动物界也有很好的代表，特别是3种低等动物：轮虫、线虫和熊虫。随着生物的进化，隐生生物种类变得越来越少。一些昆虫已经获得忍耐干燥的诀窍：一种非洲的摇蚊能有规律地生活在干旱和有水的池塘里。苔藓、蕨类、地衣、真菌、活动的干酵母和一些高等植物，在抗干燥中都有自己的特色。非洲南部有一种叫复苏植物的开花植物和一种蕨类植物中的卷柏，能抗沙漠的干旱，体内的含水量可降低到5%或更少。

这些有天赋才能的动植物，为我们理解生与死的分界线提出一个严肃的问题，在极端干燥时，它们没有通常的生命迹象，如运动、对周围环境中的气体和营养的反应和变化。然而，如果不把它们当作生命，我们就轻率地认为，生命可能是一个不连续的现象，能被一个很短的死亡和再生所打断。隐生生物的新陈代谢是停止呢，还是缓慢地进行？这确实是个很难回答的问题，即使用最敏感的生物技术测量，也不能揭示隐生生物的新陈代谢。但许多生物学家确信，在隐生生物的有机体中，完全停止的新陈代谢可能是可逆的。

由于这类生物新陈代谢基本停止，它们的寿命很长，一些线虫在干燥状态下，至少能生存23年或39年。如果熊虫遭到一场干旱，生命至少延长1～60年。据说一块干燥苔藓在博物馆中度过了120年。隐生生物的这些能力，如果扩展到寄生在作物上的蠕虫或致病的细菌上时，就给它们带来更凶恶的特性，然而干燥有机体的长寿命也给人类带来益处，如在处何种子中常利用这个特性。生物组织的长寿命，就意味着给未来育种者提供丰富的种质资源。

▲卷柏

适应人干燥的能力

隐生生物除了长寿命外，还能抗各种逆境。在完全水合状态下，polypedilum幼虫（昆虫）在43c下不适应，然而干燥的幼虫作高温102～104c下一分钟或更多时间后，仍能恢复发育成成虫。干燥的苔藓在100°c下能生存下来，干燥的熊虫、轮虫在151c下能生存3分钟。干燥的熊虫比人类抗x射线的能力强1000倍，并且在电子显微镜下表示出活力，在这里大气压是10-6米水银柱。

隐生生物的这些能力，主要是由于干燥。研究者发现，进入隐生生活的生物，最适应缓慢地干燥，苔藓植物对快速干燥是敏感的，但在开始几个小时相对的水逆境，以后能抵抗相当的干燥。把熊虫直接放入干燥的空气中，它就会死去；如果最初使熊虫逐步干燥，它就能生存下来。许多动物在干燥过程中，试图控制它自身的干透速率，如线虫卷曲起来，减少躯体表面积，避免体内水分较快地跑出；熊虫把它的躯体卷曲成桶状，以遮蔽躯体的表面皱折，皱折部位表皮特别薄，容易失去水分。线虫可以浓缩躯体外部覆盖层或角质层中的成分，使之成为稠密层，当干燥时，减少水分蒸发速度。

缓慢地干燥可能给这些动、植物带来另外的好处。为应付严酷的干燥，许多隐生生物在它们能完全忍耐干燥以前，需要产生大量碳水化合物，如丙三醉和海藻糖（由两个葡萄糖组成的糖）研究者认为：这些糖能代替水分子，紧紧束缚核酸和蛋白质分子，在干燥时能帮助保存细胞膜和细胞器（线粒体和叶绿体）。膜是由两层类脂组成，同蛋白质一起，在细胞生命活动中起着重要作用，当水分留在细胞时，膜对干燥特别敏感，已经干燥的生物，它们的类脂不存在正常的构型，而形成一个充满水的管状、窄的复杂排列，这对细胞有特别的保护作用。

隐生生物和特殊的化学物质之间的联系，在植物中还不太明显，但糖和氨基酸在苔藓和复苏植物中可以保护膜。也有人认为，在复苏植物中没有特殊的溶质使它们忍耐干燥，但大量膜的稳定剂在植物脱水时似乎能阻止膜结构不可逆的损坏。