人类经常被称为社会性动物，但是和蜜蜂、蚂蚁、白蚁之类的社会性昆虫相比，其社会性就不值一提了。社会性昆虫的成员不仅在工作方面有天生的严格分工，而且连生殖也分工了：只有一只“后”负责繁殖后代，其他的雌性昆虫则都丧失了繁殖功能，成为忙碌的“工作者”。这种现象称为“真社会性”。它是怎么进化出来的呢？

    这些社会性昆虫有一个与其他昆虫不同的特征，它们并不是只生不养，而是花费了很多时间照料后代。因此，美国密歇根大学生物学家理查德·亚历山大在1974年提出了一个观点，认为时间延长的母爱是进化出真社会性现象的主要因素。很多人不同意这个观点。他们反驳说，如果母爱对真社会性的产生这么重要的话，为什么母爱最强烈的脊椎动物，特别是鸟类和哺乳动物，不存在真社会性？为什么只有昆虫才有真社会性？

    亚历山大本来可以回答说，他并没有说母爱是产生真社会性的充分条件，有了母爱就一定会产生真社会性。而且，跟昆虫相比，鸟类、哺乳类的种数少得多，其进化史也短得多，可能还没机会进化出真社会性出来。但是亚历山大却采取了一个非同寻常的举动。他根据自然选择的原理，预测如果存在一种真社会性的脊椎动物的话，将会有什么样的特征。

    亚历山大根据白蚁巢的情形，归纳出一种真社会性脊椎动物的窝必须有什么特征：它必须是非常安全的，否则等于是为天敌提供粮仓；为了适应不断增加的群体数目，它必须是能够扩展的；它的附近必须有充足的食物，这样群体的成员才不至于为了争夺食物而竞争；食物必须是不必冒什么风险就可以轻易得到的，群体的成员才不会因为怕担风险谁也不愿觅食。

    根据这些真社会性动物窝的必备特征，亚历山大预测，真社会性脊椎动物的窝不可能像蜜蜂、蚂蚁的窝一样建在树上或树中，因为没有哪种树可以大到容纳一个真社会性的脊椎动物群体。这种窝只能全部埋在地下。在所有的脊椎动物中，只有哺乳动物能完全在地下生活（两栖类、爬行类和鸟类都不行），所以这种脊椎动物一定是哺乳动物。地下生活的哺乳动物以啮齿动物最多，所以真社会性脊椎动物最有可能是啮齿动物。

    一般的地下啮齿动物（比如鼹形鼠）以草根为食，亚历山大认为这种食物的量太少，只适合于独居动物自己分开了去找。真社会性脊椎动物应该以大型的树根或块茎为食物。

    这类脊椎动物的天敌（例如蛇）将能够钻进它们的地下窝中，但是不可能在那里横行，一只或数只英勇的个体会不惜牺牲将入侵者驱逐出去。这会导致真社会性动物中主管繁殖的“后”和“工作者”进化出不同长度的寿命和生殖功能。

    那么，这种脊椎动物最可能生活在哪里呢？它们应该生活在有雨季和旱季交替的热带，因为这种地区的植物为了度过旱季，普遍具有大型的根和块茎储存水分和养分，是这种动物的最佳食物。这种动物的窝应该建造在坚硬的粘土之下，才不会有天敌通过挖掘将它们的窝暴露在露天之下一举歼灭。这两点表明，非洲的林地和灌木丛将会是它们的最佳生活地点。

    在1975和1976年间，亚历山大在美国各大学巡回报告，介绍他对真社会性脊椎动物的预测。当他在北亚利桑那大学做介绍时，听众中有一位哺乳动物学家对他说，他对这种真社会性动物的介绍，象是在描述一种生活在东非的地下啮齿动物裸鼹鼠，并建议亚历山大与研究这种裸鼹鼠的南非开普敦大学生物学家珍妮佛·加维斯联系。加维斯这时正在研究裸鼹鼠的生理和生态，但对它们的社会行为一无所知。她正奇怪为什么抓来的裸鼹鼠在实验室里都不能生育，在收到亚历山大的来信后，才想到它们可能是真社会性动物。

    1977年，加维斯在野外挖了一窝40只裸鼹鼠在实验室中养育。经过3年的观察，证实了裸鼹鼠的确是一种真社会性的脊椎动物。在野外，裸鼹鼠一窝大约有七、八十只，能多达300只，但是只有一只鼠后和一到三只雄鼠能繁殖，其他都是不育的工鼠，而它们的习性，与亚历山大预测的完全相符。后来加维斯及其学生又发现还有一种非洲鼹鼠——纳米比亚的达马拉兰鼹鼠也是真社会性动物，它们的个头较大，成员数量较少（一窝最多40只），但是其习性也符合亚历山大的预测。

    神创论者往往指责进化论无法预测，只会当马后炮，不是科学。某些物理学背景的人士，也喜欢说进化论不象物理学那样能够做精确的预测，言下之意是说进化论即使是科学，也是属于比较“低等”的。生物现象要比物理现象复杂得多，预测也困难得多，但是，进化论史上也有过许多精彩的预测，亚历山大对真社会性脊椎动物的预测，以及达尔文对天蛾的预测（见《达尔文的兰花》），就是很好的例子。


2008.1.12.

    1862年，在《物种起源》发表3年后，达尔文出版了一部研究兰花的著作。达尔文研究兰花的目的，是要证明自然选择是生物进化的动力，为《物种起源》提供补充材料。

    野生兰花有两万多种，花的形状、大小、颜色、香味千奇百怪，但是目的只有一个：用花香吸引昆虫（或蜂鸟）来采蜜，花粉沾到了它们的身上，就能帮助兰花传粉。因此兰花的繁衍离不开这些授粉者，不管它有着什么样奇怪的形状、构造，也都是为了适应授粉者。授粉者为了能采到花蜜，也要适应兰花。在自然选择的作用下，兰花和授粉者之间会一起进化。只有自然选择才能解释兰花构造的由来，这是达尔文研究兰花一书的主旨。

    但是有一种原产马达加斯加的彗星兰却让达尔文感到了为难。这种彗星兰拉丁文学名的意思是“一尺半”，其名称源自它那“令人惊骇”（达尔文语）的花的形状：它有又长又细的花距，从花的开口到底部是一条长达11.5英寸（29.2厘米）的细管，只有底部1.5英寸（3.8厘米）处才有花蜜。“什么样的昆虫能够吸到它的花蜜？”达尔文大胆地预测：“在马达加斯加必定生活着一种蛾，它们的喙能够伸到10到11英寸长！”

    但是有谁见过嘴巴如此细长的昆虫呢？“荒唐！”当时有些昆虫学家这么认为。不过达尔文的盟友、曾经独立提出自然选择学说的华莱士则坚定地站在达尔文一边。他写道：“可以很安全地预测在马达加斯加存在这样的蛾；访问那个岛屿的博物学家应该抱着和天文学家寻找海王星一样的信心去寻找它，我斗胆预测他们将会同样成功！”

    1873年，著名博物学家赫曼·缪勒在《自然》杂志上报告说他的哥哥曾经在巴西抓到过喙长达25厘米的天蛾，说明达尔文的预测并不那么荒唐。1903年，这种蛾终于在马达加斯加被找到了——一种长着25厘米长的喙、像小鸟一般大小（展翅13-15厘米）的大型天蛾。它被命名为“预测”。这时候距离达尔文做出预测已过了41年。

    纽约的美国自然历史博物馆正在举办《达尔文：其生平和时代》的展览，最后一个展品就是成功地证明了自然选择学说的预测能力的彗星兰和天蛾的标本。我虽然早就知道达尔文的这个著名预测，但是在看到有着如此细长的喙的天蛾标本时，还是感到了“惊骇”，不能不感叹进化之奇妙。

    达尔文之所以敢于做出这个令人惊骇的预测，是因为他深知自然选择的威力。兰花的花距应该略长于授粉者的喙，这样授粉者在尽量伸长喙去吸花距底部的花蜜时，身体挤压到花冠，花粉才会沾到授粉者的身上。因此，在这样的情形下，兰花的花距越长，就会迫使授粉者沾到更多的花粉，就越容易留下更多的后代。反过来，授粉者的喙越长，就越容易吸到花蜜，有更充足的营养，也就越容易留下更多的后代。如此这般长期互相竞赛的结果，使兰花的花距变得越来越长，天蛾的喙也变得越来越长。

    这种现象并非绝无仅有。在南非，生活着十几种“长鼻苍蝇”，它们也长着细长的喙，长度可以与“预测”天蛾相媲美，而身体却小得多。相应的，在那里有许多种有着细长的花距的花由它们传粉。

    在马达加斯加还有一种与“一尺半”彗星兰同属的兰花，它的花距还要长，长达40厘米。1991年，美国昆虫学家基因·克里茨基（Gene Kritsky）学达尔文做出预测：在马达加斯加还存在着一种未知的大型蛾类，其喙长达38厘米！

    这个预测还未被证实。这种兰花在野外已经绝迹了，靠人工栽培存活了下来。它的传粉者是否也已灭绝？我们只能希望，它能靠吸取其他花的蜜而生存下去。也许用不着再等41年，又会有一种奇特的天蛾令人惊骇。

2006.7.17

    生活在东非地下的裸鼹鼠早在1842年就已被科学界发现并命名了，但是直到上个世纪80年代被发现是一种奇特的真社会性哺乳动物之后（参见《推测出来的动物》），它才成了动物界中的明星，近年来还在迪斯尼的动漫《麻辣女孩》中出演重要角色。后来发现在非洲鼹形鼠中还有达马拉兰鼹鼠也是真社会性的，夺去了裸鼹鼠的部分光彩。不过，裸鼹鼠还有一项特征仍然足以让它去角逐最奇异的哺乳动物的头衔：它是变温的冷血动物。

    我们在上小学时就已经知道，哺乳动物和鸟类是恒温动物，能够让体温保持恒定，不随外界温度的变化而变化。但是裸鼹鼠虽然是哺乳动物，却基本丧失了这一功能。它们和冷血动物一样，主要通过与环境的热交换来调节体温：要升温，就跑到上层的洞穴，紧贴被太阳晒热的墙壁；要降温，就躲到寒冷的底层洞穴。它们有时也通过大家扎堆挤在一起来取暖。它们的皮肤为此变得裸露无毛，因为皮毛不仅不再能起到调节体温的作用，反而会妨碍热交换。

    裸鼹鼠为什么变成变温动物了呢？保持恒定体温的优势在于生理活动基本不受外界温度变化的影响，在夜间和比较恶劣的天气都能出来活动，有更多的时间用于觅食和寻偶。不过，裸鼹鼠生活在地下，和天气多变的地面相比，地下冬暖夏凉，温度变化不大，保持恒定体温就不那么重要了。但是，同样在地下生活的其他十几种非洲鼹形鼠都是恒温的，与裸鼹鼠的习性最接近的达马拉兰鼹鼠也是恒温的。究竟还有什么因素使得裸鼹鼠比其他鼹形鼠更需要放弃恒温功能呢？

    在所有非洲鼹形鼠中，裸鼹鼠是体型最小的。我以前介绍过，由于体积小的物体的表面积相对比较大，使得小动物的身体比大动物更容易丧失热量，要保持恒定的体温也就更加困难（参见《不可能的小人国》）。裸鼹鼠的身体体积（也即产热总量）大约是达马拉兰鼹鼠的20％，但是身体表面积却大约是达马拉兰鼹鼠的40％，这样，散热速度就是其2倍。裸鼹鼠如果要像达马拉兰鼹鼠那样维持恒定的体温，就必须以2倍的速度加速产生体热的代谢过程，以增加体热的生产弥补体热的散失。这就需要大量地摄入食物和氧气。但是裸鼹鼠的食物主要是低能量的块茎，而地下氧气又非常稀薄，为此要付出的代价太高昂了，所以还不如干脆就不再试图去维持恒定体温了，尽量降低基础代谢率节省能量。裸鼹鼠的基础代谢率是所有哺乳动物中最低的，与爬行动物的相当。

    那么，裸鼹鼠为什么要有这么小的身体呢？在非洲鼹形鼠中，裸鼹鼠所生活的地区是最热最干旱的，年降雨量平均只有200～400毫米，一年就集中下几天雨。鼹形鼠的主要食物——块茎储存着大量的水分和养分，同样由于体积和表面积的比例关系，块茎越大，就越不容易失水干燥，因此干旱地区的植物倾向于制造少量但是大型的块茎，而不是众多的小块茎。越是干旱的地区，块茎会越大，但是数量也越稀少。有的块茎的重量能是裸鼹鼠体重的上千倍，碰巧挖到一个的话，一窝裸鼹鼠一年的口粮就全有了。

    但是在地下乱挖地道，刚好碰上块茎的几率极低，而且只有下雨的那几天、土壤比较潮湿时才适宜挖地道，即便如此，挖地道也要耗去大量能量，是静止时的3～5倍。很可能挖了几天地道、精疲力竭了也还一无所获。在如此严酷的条件下，独居的鼹形鼠存活的机会极为渺茫，要提高生存机会，必须组织起来，分头去找食物，有谁碰巧找到了就一起分享。独居的鼹形鼠只生活在比较湿润的地区，而干旱地区的鼹形鼠都是社会性的，这并非偶然。

    一群裸鼹鼠分头去找稀少的食物，当然是成员数量越多，找到食物的机会越大。但是成员数量多了，也意味着吃饭的嘴多了，找到的食物又会不够分了。既要增加个体数量，又不增加对食物的总需求量，那就要把每一个成员的饭量减小，也就是说，让它们的身体变小。

    所以，进化的结果就是，社会成员的数量增加了，但是体型变小了。一窝裸鼹鼠平均有七、八十只，能多达300只，但是每只工鼠的体重只有大约30克。达马拉兰鼹鼠的体重是裸鼹鼠的5倍，但是一窝成员的数量就少多了，平均有十几只，最多也就40只。达马拉兰鼹鼠的社会习性也不如裸鼹鼠复杂、精致，寻找食物的效率可能也不如裸鼹鼠，毕竟，100只小老鼠分散开去，找到食物的几率要比10只大老鼠的大多了。在进化史上，达马拉兰鼹鼠出现的时间比裸鼹鼠晚。也许达马拉兰鼹鼠正往裸鼹鼠走过的路上走，成员数量会变得更多，但是体型也会变得更小，最终小到无法维持恒定体温，并脱掉了皮毛，成为另一种裸鼹鼠呢。

2008.1.19

    电视台在播放1996年拍摄的美国电视电影《格利佛游记》，与原著相比改动很大，故事主题变成了是否应该相信别人向你讲述的离奇故事，主线则成了格利佛在海外漂泊8年回来，没人相信他的奇遇，将他投入疯人院，幸而在听证会上他的儿子出示了从小儿国带回来的微型羊羔，证明他的确去过小人国，才被释放回家。

    斯威夫特的这部奇书本是一部讽刺寓言，后来很不幸地经常被改编成供儿童阅读的童话。不管是寓言还是童话，都不会有人无聊到去计较其内容是否合理。但是现在真实性成了故事焦点，不相信格利佛奇遇的人成了反面人物，我们就不妨较真一下。如果有人像格利佛一样说他曾经去过其国民的身高只有人类的12分之1的小人国，或身高是人类的12倍的大人国，我们是否应该相信他呢？

    以前我已介绍过，由于体积的倍数增长要比横截面积快得多（体积按立方增大，面积按平方增大），生物体按比例放得越大，二者就越悬殊，肢足就越不堪身体重负，到一定程度后就无法支撑了（见《不可能的怪物》）。把人放大12倍，相当于体积（也即体重）增大到1728倍，但是大腿的横截面积只增大到144倍，这样的巨人会被重力压垮，是站不起来的。

    如果把人体缩小到12分之1又会如何呢？同样由于体积和面积的缩小比例不同，会出现问题，不过问题不是出在重力，而是散热。人的体热来源于细胞代谢过程，身体产生的总热量与身体体积大小（细胞总数）相关，而散热则与身体表面积大小相关。人体缩小到12分之1，则身体体积以及身体产生的热量减少到1728分之1，但是身体表面积仅仅减少到144分之一。因此小人的身体散热速度要比我们快得多（快12倍），将会因为难以维持恒定体温而冻死。

    在现实中有很多恒温动物比小人国里的小人还小，它们又是如何生存下来的呢？它们的身体结构和生理功能发生了一些变化，解决了散热的问题。让我们来看一个极端的例子。按体重算，世界上最小的哺乳动物是小臭鼩，成体体重平均为1.8克，体长约4.5厘米。但是这是一种相当成功的小动物，分布范围很广，在亚、非、欧州许多国家（包括中国）的森林、丛林中都能发现它们。

    小臭鼩虽小，也是一种哺乳动物，必须把体温维持在大约38摄氏度才能生存。它是怎么办到的呢？哺乳动物用以保温的一个重要方法是长出厚厚的皮毛减少体热的散失。但是对小臭鼩这么小的动物来说，这个方法不可行，那将会让它变成一个小毛球，无法动弹。

    小臭鼩能够采取的策略，只能是增加体热的生产，以此弥补体热的散失。为了加速产生体热的代谢过程，需要大量地摄入两样东西：食物和氧气。小臭鼩每天要吃下大约相当于其体重的2倍的食物，而且都是营养丰富的动物性食物（昆虫、蜘蛛等）。做为对照，一头大象每天要吃300公斤食物，听上去似乎很惊人，而其实只占其体重的4％，而且还都是些低能量植物。

    小臭鼩对氧气的消耗更是惊人。在热平衡的环境（气温35度）中，其氧气消耗率为每千克体重每分钟消耗100毫升，当气温降到22摄氏度时，氧气消耗率增加到270毫升，最高可以达到1000毫升，分别是人类的25，67和250倍。为了能吸入这么多的氧气，它的肌肉每分钟要收缩900次。在颤抖时其肌肉速度能达到每分钟3500次。颤抖是在寒冷环境下快速产生体热的重要方法，由于肌肉的快速收缩，能使细胞产热提高4倍。

    吸入体内的氧气进入血液，随着心脏的搏动输送到全身各处参与产热的代谢反应。为此，小臭鼩的心脏需要快速地搏动，能达到每分钟1500次，远远超过了所有恒温动物的心跳速度，已达到心脏所能承受的搏动极限。但是这么快的心跳还不能满足需求，小臭鼩还要有一个大心脏，每次跳动能输出更多的血液。哺乳动物的心脏重量一般占体重的0.6%，而小臭鼩的心脏所占的份量则是其3倍。

    泰国猪鼻蝙蝠有时也被称为最小的哺乳动物，它的体长比小臭鼩还小（3.4厘米），但体重略大（2～2.6克）。恒温动物除了哺乳动物，还有鸟类。世界上最小的鸟是生活在古巴的吸蜜蜂鸟，它的体长为5厘米，体重为1.8克，与小臭鼩相当。看来这是恒温动物所能达到的最小极限了。而变温动物由于没有体热问题，不受这个限制，例如最小的爬行动物侏儒壁虎体长只有1.6厘米，最小的青蛙体长只有1厘米。而无脊椎动物更是可以小到用肉眼都看不见，例如最小的昆虫（一种缨小蜂）其成虫的体长只有0.139毫米，甚至比单细胞原生生物草履虫还小。

    文艺作品偏爱离奇和幻想，不愿轻信的人们经常成为其嘲笑对象，而事实上真理往往在怀疑者的手中，有时比文艺作品的幻想更为奇妙。

2007.10.26.

    偶然看到一个国内电视节目在介绍美国几年前拍的一部科幻恐怖片《八脚怪》，其剧情介绍称：在一个偏僻小镇，由于化学废料泄漏，成千上万只蜘蛛发生了突变，在一夜之间变得比人还大，而且跳跃速度和汽车一样快。它们向人发动进攻，把这个宁静的小镇变成了人间地狱……节目解说员一本正经地警告说，这部电影启示人们，要敬畏自然、保护环境，不要做违背自然规律的事，不然就会遭到大自然的报复。

    不过电影所描绘的情形，恰恰是违背了自然规律的，不可能发生，大家尽可放心。这有两方面的原因。

    第一个原因是违背了生物遗传与变异的规律。生物体的长大靠的是由食物提供的营养素，这是一个缓慢的过程，没有什么化学废料能够迅速地加快这一过程。事实上，没有任何的因素能够让生物体在一夜之间变得硕大无比。有的科幻片把出现巨型怪兽（例如哥斯拉）归因于由于核辐射或化学药品引起后代的基因突变，这比一夜之间的突变听上去好像有点道理，其实也是想当然。

    核辐射或化学药品确实有可能引起基因的突变，但是基因突变绝大多数都是有害的，使动物的后代没法生存。个别的可能存活下来，那也是一些生存能力比较差的畸胎。现存的生物都有了长期的进化史，都很好地适应了环境，很难出现重大的改良。刚好出现适宜生存的突变的可能性微乎其微，而碰巧一下子突变得特别大，又特别适于生存的可能性完全可以排除。大型的动物（例如大象）不是在短时间内进化出来的，而是在自然选择的作用下，通过积累微小的变异，历经漫长的、数以百万年计的进
化过程才出现的。

    有人也许会觉得，既然是科幻电影，我们不妨宽容一些，不必苛求编剧的生物学水平。好吧，就算存在某种未知的因素，能够奇迹般地诞生巨型怪物，那么它们也不可能像电影描绘的那样，是把原来的生物按比例放大，因为这存在着一个无法克服的障碍：重力。

    原因很简单，当一个物体增大时，它的横截面积增大的倍数远小于它的体积增大的倍数：面积按平方增大，而体积却是按立方增大的。让我们来比较一个橘子、一个哈密瓜和一个西瓜。假设哈密瓜的直径是橘子的两倍，而西瓜的直径是橘子的三倍。拿刀将它们剖开，哈密瓜的横截面积是橘子的4倍，西瓜的横截面积是橘子的9倍。但是我们更关心的是它们的份量，对吧？这与它们的体积有关，哈密瓜的体积是橘子的8倍，而西瓜的体积是橘子的27倍！

    生物体的重量取决于它的体积，而能否支撑住它的身体重量则取决于它的肢足的横截面积。由于体积的倍数增长要比横截面积快得多，生物体按比例放得越大，二者就越悬殊，肢足就越不堪重负，到一定程度后就无法支撑了。

    已知最大的蜘蛛是巨型食鸟蛛，身长可达10厘米（如果把腿长也算上，可达30厘米），体重可达120克。如果它们被放大到比人还大，比如身长达到了2米，即放大到20倍，那么其肢足的横截面积增大到400倍，能够支撑48千克的体重，然而它的体积却增大到8000倍，其实际体重是960千克，是其肢足能够承载的体重的20倍。显然，这样的大蜘蛛是站都站不起来的，更不要说奔跑、跳跃了。

    能不能让这些庞然大物的重量减轻呢？生物体的主要成分是水，其比重一般只比水重一点，即使让其比重减少到和水一样，对体重的改变也微不足道。唯一可行的是改变其体型，让它的身体体积变小，而肢足变得更多或更粗（比如要再粗上4倍），其结果必然是看上去一点也不像蜘蛛。

    同样的道理，把哥斯拉设想成按比例放大的恐龙，把金刚设想成按比例放大的大猩猩，而且还健步如飞、身手敏捷，都是经不起推敲的。生物体变大后其体型必定要发生重大的改变。大象是从较小型的动物进化来的，但是在进化过程中改变的不仅是身体的大小，还有体型比例的改变，例如四肢变得更粗大。猪鼻子插葱是装不了大象的：如果我们把猪按比例放大到和大象一般大小，它们的体型比例也有着很大的差异，例如大象的四肢要比猪的粗得多。和大象一样大的猪是站不起来的。

    当然，这类怪物电影的目的是要通过放大效果把人吓得心惊肉跳，想要取得的是娱乐而不是科教作用，本来不必在乎它们是否在科学上站得住脚。然而，如果编导故作崇高自以为大有深意，评论家要发掘出什么微言大义教导人，把滑稽当正经，假戏真做起来，那还是值得去计较一下的。毕竟，说教不能建立在错误的事实和不切实际的臆想之上。

2007.8.19

我也觉得后两篇比较没劲   

    裸鼹鼠其实并不全裸，在它们的身体两侧，从头到尾长着大约40根像猫的胡须一样的长毛。它们并不是皮毛的残余，而是对触觉极其敏感的触须，触动其中任何一根触须，都能让裸鼹鼠把头伸向刺激点。裸鼹鼠终身生活在黑暗的地下，眼睛派不上用场，就是靠这些触须来辨认方向的：前进时，摆动头部，后退时，则摆动尾巴，都是为了让触须触摸到隧道壁，就像我们在黑暗的地道中用手扶着墙壁走一样。它们的眼睛高度退化，几乎完全丧失了视觉，大脑皮层中负责视觉的区域也大大减小，被改为用于感受触觉了。

    几年前，这个现象引起了伊利诺大学芝加哥分校的汤姆斯·帕克等人的兴趣。他们想：既然裸鼹鼠的触觉如此敏感，它们的皮肤中会不会含有什么特殊成分？实验的结果出乎意料，在裸鼹鼠的皮肤中没有发现多了什么成分，反而少了一种基本的化学物质——“P物质”。

    P物质是什么物质呢？它也是意外发现的产物。1931年，英国生理学家戴尔正在研究神经递质的作用（他因此在1936年获得诺贝尔奖）。当时已知的神经递质是乙酰胆碱。戴尔让其研究生冯·欧拉做一个实验，证明小肠释放的乙酰胆碱能刺激小肠的收缩。冯·欧拉发现从兔子的小肠提取出来的溶液的确能引起小肠收缩。为了证明收缩是由乙酰胆碱引起的，冯·欧拉又加入药物阿托品。阿托品能阻断乙酰胆碱的作用，如果收缩是乙酰胆碱引起的，就会被阿托品抑制住。然而小肠却还在收缩，这就说明在小肠提取液中另外还有一种能刺激小肠收缩的物质。冯·欧拉和实验室的另一名研究人员随后发现这种活性物质在脑组织里最多。他们把它从编号“P”的制剂中提取了出来，又不知道那究竟是什么东西，就把它叫做P物质。这个临时乱叫的名称后来就沿用了下来。

    P物质做为一种神经递质，有多项功能，最主要的一项功能是把疼痛信号从周围神经传导到中枢神经，从而在大脑皮层中产生痛觉。既然裸鼹鼠体内没有P物质，是不是就意味着它们对疼痛没感觉了呢？如果我们用手去触摸一个温度在45摄氏度以上的炽热灯泡，就会感到烧痛而立即缩手。在手上涂一些辣椒素再去摸热灯泡的话，反应更厉害。但是裸鼹鼠的脚掌却对热灯泡无动于衷，涂上辣椒素也不起作用。

    为了证明裸鼹鼠对疼痛的麻木是由于缺乏P物质导致的，帕克等人往裸鼹鼠的脚掌中注射进疱疹病毒。这些疱疹病毒经过了改造，加了能制造P物质的基因。疱疹病毒沿着脚掌里的神经末梢迁移，几天后跑到了脊髓附近的神经细胞中，躲在那里制造P物质。不出所料，这些接受了“基因疗法”的裸鼹鼠有了正常的痛觉，它们的脚掌一碰到热灯泡，立即就缩了回去。

    痛觉虽然很讨厌，对动物的生存却是至关重要的，例如，如果我们对热产生的痛失去了知觉，碰到炽热的物体不知道缩手，皮肤就会被烫伤。那么是什么原因让裸鼹鼠丧失了P物质，变得不怕痛了呢？

    不怕痛有时也有好处，比如，在战斗中受伤不觉得痛的话，就不会退缩。裸鼹鼠在面对天敌入侵时的确非常勇敢，甚至为了保护集体而不惜牺牲自己，是否就与它们不怕痛有关？不过这种情形毕竟不是经常发生的，值得为此而牺牲痛觉的种种益处吗？

    裸鼹鼠也有可能不是为了不怕痛而失去痛觉的，不怕痛可能只是一个副作用。P物质还有其他的功能。其中一个功能是让血管舒张。在特殊的生活环境中，这一功能可能会危及裸鼹鼠的生存。裸鼹鼠动则几十只、上百只挤在一块，又是在地下，呼出的二氧化碳难以扩散，这样，环境中二氧化碳的浓度很高。在其他哺乳动物中，高浓度的二氧化碳会导致P物质被释放到肺血管中，让肺血管舒张，发展下去就会导致肺水肿、死亡。也许，正是为了能在高浓度二氧化碳的环境中安然生活，裸鼹鼠才丧失了P物质？帕克等人做的实验表明，裸鼹鼠由于没有P物质，对二氧化碳有极强的忍受能力。在二氧化碳浓度达到15％时，小白鼠就出现了严重的肺水肿，但是二氧化碳浓度增加到50％，裸鼹鼠还没有出现肺水肿的迹象。

    为了研究某种蛋白质的功能，有时需要用到“基因剔除技术”，把制造该蛋白质的基因剔除掉，看看动物体内少了这种蛋白质后，会出现什么变化。这项技术的发明者去年获得了诺贝尔奖。不过，不用我们人类费心，裸鼹鼠自己就剔除了P物质，天生就是研究P物质功能的很好材料，可以用它来阐明疼痛机理、发现镇痛方法。基础研究看似无用，但在研究过程中经常会有有用的意外发现。人们对裸鼹鼠的研究，本来只是出于对一种有着奇异习性的有趣动物的好奇，谁能想到竟能衍生出有望造福人类的实用价值？

2008.1.27.

    在人们的心目中，沙漠是没有生机的。其实并非如此。在美国亚利桑那的沙漠，光是生活在那里的蚂蚁就有100多种，其中最常见的是以采集种子为生的红色收获蚁。夏天雨季是它们的繁殖季节。每个夏天，一旦开始下雨，长着翅的年轻蚁后和雄蚁就试图飞出巢寻偶，但通常被工蚁给硬拽了回去。突然有一天，一般是在第二或第三场雨之后第一个晴朗的下午，各个巢中的年轻蚁后和雄蚁似乎不约而同地都被放了出来，开始了它们一生中唯一一次的飞翔。成千上万只年轻蚁后和雄蚁密密麻麻地飞到同一块地方交配。

    交配之后雄蚁继续聚在一起等死，它们只能再活一两天。蚁后则分散飞走，独自找个合适的地点降落下来，脱掉翅，开始挖巢。在这个过程中，绝大部分蚁后都被鸟、蜥蜴吃掉，或被同种、异种的工蚁杀死了。只有不到1％的年轻蚁后设法挖好巢躲起来开始产卵，等到工蚁孵化出来，日子就开始好过了。这些劫后余生的蚁后能够活上15～20年，最多的时候一个蚁巢能够同时有上万只工蚁忙进忙出。

    年轻的工蚁只在巢内活动，负责照看蚁后、幼蚁和储存食物。年纪大一些了才开始参与外部事务。与外部有关的活动分为四种：每天早晨几只工蚁先出去侦察周围的情况；然后负责采集的工蚁再成群结队地到侦察蚁指定的地点搬运食物；另有一些工蚁负责巢的建造、维修工作，把挖出的土搬到洞口倒掉；还有一些则是清洁工，负责把巢里的垃圾清理出去。

    哪一只工蚁干哪一项工作是不是天生就决定了？或者虽然不是天生的，但是一旦选择了做哪项工作就终身不变呢？在通常情况下工蚁选择了干哪一行似乎就一直干下去，但是长期研究收获蚁的斯坦福大学生物学家黛博拉·戈登用一系列实验证明工蚁会随着环境的变化而按一定的规律变换工种。

    戈登给不同工种的工蚁用不同颜色的涂料标记，以便追踪它们。她在蚂蚁的采集地点放上许多种子，让蚂蚁知道有了新的食物来源。这时，侦察兵、维修工和清洁工都纷纷改变角色，参与抢运这些食物。在另一个实验中，戈登从附近抓来10只与收获蚁竞争食物的另一种蚂蚁，放在收获蚁巢的周围。收获蚁发现这些竞争者后，派出更多的侦察兵，其中有的是维修工和清洁工变来的。戈登做的第三个实验是在蚁巢洞口放一些牙签，增加维修工的工作量。为此参与维修工作的蚂蚁增多了，但是新增加的维修工都是没有被标记的，它们是从本来只负责洞内事务的年轻工蚁转变来的。

    这些实验结果表明，工蚁是会变换工种的，但是不同工种的级别不一样：维修工的级别最低，只能从年轻工蚁那里获得补充，维修工一旦改而从事其他工种，就不会再回头去做维修工了；而采集工的级别最高，采集工是不会再改而从事其他工种的，即使其他工作有需要，它们宁愿闲着也不去帮忙。采集食物是蚁巢的头等大事，也是最辛苦的工作，采集工要摆这样的架子是可以理解的。

    那么由谁来决定哪只工蚁从事什么工种或变换工种呢？你可能会想到蚁后。其实蚁后的“后”是人类所赋予的，她并非蚁巢的统治者，而只是一个生育机器，除了进食和产卵，几乎不会干其他任何事情。她不可能了解蚁巢和周围环境发生的变化，也不可能对工蚁发号施令。事实上，大部分工蚁在出生后就与蚁后失去了联系，特别是在成为采集工之后，就只待在洞穴靠外的部分，连洞穴深处都不去了。

    不可能有哪一只蚂蚁能够管理一万大军。在蚁巢中没有统治者或管理者。每只工蚁要从事什么工作，是它自己决定的。那么它如何决定是继续现在的工作、闲着还是改换工种？这可能取决于两个因素：一个是环境因素（发现新的食物来源、竞争对手等等）的直接刺激，另一个是间接从其他工蚁那里得来的信息。观察过蚂蚁的人都会注意到，蚂蚁最喜欢干的一件事是互相碰触角打招呼，这实际上是在闻对方身上的味道，从中可以知道对方是不是同一个巢的、在从事什么工作、是否成功等信息。

    一只闲着的工蚁其实并没有完全闲着，还在不停地和经过的工蚁打招呼。它可以根据它接触到的某个工种工蚁的数量、接触频率和它们的状况来决定自己是继续闲着等待从事同一工作，还是立即改变工种。比如说，我们可以设想，一只闲着的维修工如果接连碰到5只成功运回食物的采集工，它就知道采集工作很繁忙，自己有必要也参与进去。计算机模拟表明，每只工蚁都遵守类似的简单规则，就会出现人们观察到的有序变化。

    只要每个成员都自觉地严格遵守同一套规则，那么不需要有统治者，整个社会也可以有序地运行，甚至比有统治者的社会还和谐。这也许让人羡慕，可惜人不是蚂蚁：人是有自由意志的。

2008.1.31.

    奥伯斯（1758～1840）出生于德国不来梅附近的一个小村庄，19岁那年到哥廷根学医。哥廷根大学的一个特色是学生享有学习的自由，学医的奥伯斯在那里也能跟着有“德国数学之师”之称的数学教授、天文台台长凯斯特纳学数学和天文学。毕业后，奥伯斯回到不来梅当医生，但他的真正兴趣是天文学。他白天行医，晚上则在改造成天文台的自家顶楼进行天文观测，天天如此，每天睡觉时间不超过4个小时。

    奥伯斯还在上大学的时候发现了一个计算彗星轨道的方法，沿用至今。此后他共发现了5颗彗星，其中一颗后来以他的名字命名。1801年新年的晚上，意大利天文学家皮亚齐发现了第一颗小行星谷神星，再想进一步观察时却找不到它了，是奥伯斯在那一年的年底根据数学家高斯的计算重新发现了它，平息了谷神星是行星还是彗星的争论。奥伯斯本人后来发现了两颗小行星：1802年发现第二颗小行星智神星，1807年发现第四颗也是最亮的一颗小行星灶神星。不过奥伯斯在现在最广为人知的，是在1823年提出了一个听上去很傻的问题：为什么夜空是黑暗的？如果宇宙是无限的，恒星均匀地布满天空，那么夜晚的天空也将和白天一样明亮。

    实际的情况当然并非如此。这种理论和实际的矛盾，物理学上称为佯谬。奥伯斯指出的这个矛盾，后来就被称为奥伯斯佯谬。其实，它并不是奥伯斯首先提出的。1610年，伽利略用望远镜发现空中有无数肉眼看不到的恒星后，认为宇宙是无限的，恒星的数量也是无限的。开普勒不以为然，给伽利略去信指出，如果那样的话，夜空就不会是黑暗的。他打了一个比方。假如你站在无边无际的森林中向前看，不论你往哪个方向看，都只能看到一根根的树干连成一片挡在你的眼前，看不到任何间隙。只有当你是在一片小森林中时，才能透过树干的间隙看到外面的世界。同样的道理，如果宇宙是无限的，那么恒星将占据了天空的每一点，它们发出的光终将抵达地球，所有的恒星发出的光都将连成一片，就像我们在夏天看到的银河一样。既然实际情况是恒星彼此之间有黑暗的间隙，那就说明宇宙是有限的，透过这些间隙我们看到的是一堵包围宇宙的黑暗围墙。

    但是后来的天文学家都相信宇宙在空间上和时间上都是无限的。怎么解决这个矛盾呢？18世纪初英国天文学家哈雷提出了一个容易想到的解决方案：远处恒星发出的光线在抵达地球时强度变得十分弱，无法被我们看到。但是这个解释是站不住脚的。虽然光线的强度按距离的平方而减少，但是在一个无限大的宇宙中，天空的体积也即恒星的数量将按距离的平方而增加，也就是说，在远处某一点恒星数量增加的比例恰好等于光强度减少的比例，二者互相抵消，总的光强度与距离远近无关。如果多数恒星都和太阳一样，天空的每一点都应该和太阳盘面一样亮。天球的面积是太阳盘面的18万倍，那么照射地球的星光亮度也应该是阳光的18万倍。

    奥伯斯提出的解释是，太空并不是“透明”的，遥远恒星发出的光被弥漫在恒星之间的稀薄物质云给遮挡、吸收了。但是在热力学定律被发现之后，这个解释也经不起推敲了。根据热力学定律可知，假如有太空物质遮挡住星光，光能将会被吸收转化成热能，这些能量最终要重新被辐射出来，从而也要发光（虽然光的波长可能不同），天空仍然还是一片明亮。

    要解决这个佯谬的唯一办法是否定其大前提，即宇宙不是无限的，因而恒星数量是有限的。但是这还不够。即使恒星数量是有限的，其数量也近乎无限，足以照亮整个夜空。1848年，美国小说家爱伦坡在一篇随笔中指出，唯一的出路是假定远处的星光还来不及照到地球上来。也就是说，宇宙在时间上有一个起点，而且宇宙的年龄还没有老到足以让我们见到所有远处恒星发出的光。

    我们现在知道宇宙的年龄的确是有限的，宇宙是在大约137亿年前大爆炸形成的。而计算表明，要把地球的夜空全部照亮，要花上以亿亿亿年计的时间，远处的星光才能都抵达地球。显然我们的宇宙还太年轻了。

    而且宇宙在不断地向各个方向膨胀，各个星系在互相远离，当然也都在远离地球。空间的膨胀导致光线在传播时波长被拉长，能量也因此降低了（波长与能量成反比）。这个现象称为“红移”，意思是可见光向能量较低的红光转变，而红光还会向能量更低的红外线、微波转变，所以遥远的星光在抵达地球时能量已低到不能被肉眼见到了。由于宇宙太年轻，所以夜空是暗的；而由于宇宙在膨胀，让夜空变得更暗。“为什么夜空是黑暗的？”这个问题其实一点也不傻，蕴含着宇宙的奥秘呢。


2008.2.15.

    德裔美国心理学家沃尔夫冈·柯勒（1887～1967）在1935年因公开批评纳粹政权而被迫移民美国之前，在学术上已功成名就，已担任柏林大学心理研究所所长多年。他的主要学术成就是参与创建名列心理学六大门派的格式塔心理学派（“格式塔”是德语“整体”的音译，又译做完形心理学派），但是他最广为人知的研究成果是对黑猩猩的思维能力的有趣实验。

    1913年，柯勒前往非洲的西班牙属地加那利群岛的特内里费岛，担任普鲁士科学院设在那里的类人猿研究站主任。不久，第一次世界大战爆发，柯勒被困在了岛上，和9只黑猩猩相伴，待了大约7年。岛上有一个巨大的室外实验场地，还有一些“玩具”——箱子、木杆、竹竿等。柯勒就用它们对黑猩猩做了一系列实验，并用电影记录下来。

    其中最著名的是“接竿实验”。柯勒将黑猩猩关在笼里，笼里有一粗一细两根竹竿，笼外远处放着香蕉，但是竹竿不够长。在尝试了许多次之后，黑猩猩把细竹竿的一端塞进了粗竹竿的孔中，将二者连接在一起，然后用它把香蕉拨了过来。

    另一个著名的实验场景是这样的：在天花板上悬挂着一串香蕉，黑猩猩跳来跳去想去抓它，但是够不着。在蹦跳了一段时间后，黑猩猩生气地走开了，突然停下来，看看香蕉，又看看放在场地上的玩具，反复看了几次后，最终开始用玩具来获取香蕉。不同的黑猩猩采用不尽相同的方式。一只黑猩猩把一根木杆放在香蕉下，试图沿着木杆爬上去。有几只黑猩猩把几个箱子搬到香蕉下，成功地垒放起来，但是难以保持箱子重心平衡。有一只黑猩猩只搬来一个箱子放在香蕉下，爬上去之后，用一根木竿把香蕉打了下来。

    这一切似乎表明黑猩猩具有一定的推理能力，能够根据目标和工具制定行动方案，柯勒将这称为“顿悟学习”，而不是经过反复的试错经验之后才掌握的。但是人们在电影里看到的并非实验的全部。实际上，电影中的黑猩猩此前已多次面对了同样的问题，已经过了长时间的练习才慢慢地获得成功。

    柯勒逐渐对整日和黑猩猩打交道感到厌烦，对进一步研究失去了兴趣。他对黑猩猩做的实验，大部分是在他抵达特内里费岛后的六个月内完成的。上个世纪40年代，其他人在重复柯勒的实验时，不由怀疑黑猩猩是否真具有柯勒所说的“顿悟学习”的能力。如果把木杆给黑猩猩，它们就会用它来戳、打几乎任何东西。即使周围没有东西，它们也会乱舞木杆，或试图把两根木杆连接在一起。见到箱子，它们喜欢跳上去，向上举起双臂蹦跳，或在箱子上飞舞木杆。如果有几个箱子，它们也喜欢把箱子垒放起来。在它们这么做的时候，天花板上并没有挂着食物。如此看来，黑猩猩的接竿、垒箱、舞杆，其实只是一种本能反应，而不是在见到食物后推理、计划的结果。

    上个世纪60年代，珍·古德尔开始在坦桑尼亚的冈比保护区观察黑猩猩不久，就见到一头取名灰胡子大卫的黑猩猩摘取一片草叶，仔细加工得又滑又直，将之伸进它已用指甲挖了一个小洞的白蚁巢中钓白蚁吃。这个发现哄动一时，此后经常被做为黑猩猩能够有意识地制造工具的例子加以引用。即使这个著名的例子也不是没有疑义的。许多人都观察到，黑猩猩对枝条、条形草叶有天生的兴趣，经常无缘无故地折、摘它们进行加工打发时间。黑猩猩对用条状物戳小洞也有天生的兴趣：那些在实验室养大的黑猩猩，虽然从未见过白蚁巢，但是也天生就喜欢拿着铅笔之类的条状物去刺探电源插孔之类的小洞。所以黑猩猩加工草叶钓白蚁也有可能是纯粹的本能反应和试错经验，未必涉及有意识的心理活动。

    当然，我们现在已有足够多的证据能够证明黑猩猩的确具有一定的推理能力。但是在许多情况下，动物的某种看似巧妙的行为究竟是出于本能还是出于智能，并不是那么容易区分的。即使是我们人类，智能与本能也经常混杂在一起，并不是非此即彼。我们可以一边做出本能反应（例如呼吸、咳嗽）一边进行无关的思考，可以因为某种本能反应而引发思考（例如因为咳嗽而怀疑自己是否生病），可以因为心理活动而做出本能反应（例如因为害羞而脸红），也可以有意识地模仿本能反应（例如假装咳嗽）。


2008.3.23.

    1988年夏天的一个平常早晨，在美国新罕布什尔州一个小学校举行的一个学术会议上，来自加州大学洛杉矶分校的地球物理学家Y.Y.卡根做了一次关于地震研究的讲座。因为与会的科学家多数并非地震专家，卡根介绍了一些地震学的基本知识，在告诉听众地震是如何的难以捉摸、无法预/测时，也谈到已知的少数几条地震规律之一：古腾堡－里克特定律。

    在1950年代，加州理工学院的地震学家比诺·古腾堡和查尔斯·里克特收集了发生在世界各地的几千次地震的资料加以统计，试图从中理出一些头绪。比如说，地震震级发生的频率是不是呈正态分布（出现一条两头少中间多的钟形曲线）？也就是说，是否某个中间震级的地震最为多见，是典型震级？人的身高就属于正态分布，中国成年男性的典型身高大约是1米7，比它高或矮的人数都逐渐减少。但是古腾堡和里克特却未发现有典型震级，震级发生的频率不是正态分布，但也不是毫无规律，而是震级越高，则发生的频率越低。而且，它遵循一条简单的原则——幂律：一次地震释放的能量每增加一倍，发生的频率就减少为四分之一。

    卡根此前已在其他地方多次做过类似的讲座，这回却有了意外的结果。听众中包括在纽约布鲁克哈文国家实验室工作的丹麦理论物理学家伯·巴克（1948-2002）。在听了卡根对古腾堡－里克特定律的介绍后，巴克突然想到，地震的这种情形很像他正在研究的沙堆崩塌。

    假如我们往一张桌子上一粒一粒地丢沙子，沙子将会逐渐堆积起来，越来越高，但是不可能一直高下去，随着沙堆变高，它也变得越来越陡、越不稳定，到一定程度，刚丢下去的沙子会引起沙堆的崩塌，让沙堆的高度降低。崩塌之后，继续丢沙子，沙堆又再增高，然后再崩塌，如此循环往复。

    巴克首先想要知道的是一个看来很简单的问题：沙堆崩塌的规模有小有大，什么样的崩塌规模是最典型的？能否预计下一次的崩塌会有多大？这需要堆许多沙堆进行统计，很费时间，所以巴克就改用计算机程序进行模拟。巴克和他的两名同事研究了数以千计的“虚拟沙堆”，统计了数百万次的崩塌中的沙子数。他们找到了什么典型崩塌规模了呢？什么也没有。有的崩塌规模小到只有一粒沙子，有的则大到几百万粒沙子。什么样的规模都有可能发生，但是并不存在一个典型的崩塌规模，无法预计。

    这是为什么呢？为了回答这个问题，巴克等人对其程序做了一些改进。设想从上往下俯瞰虚拟沙堆，然后根据沙堆上的每粒沙子所处位置的陡度着上不同的颜色：如果那个位置相对平稳，就着上绿色；比较陡峭，就着上红色。刚开始堆沙堆时，都是绿色的。随着沙子的堆积，红点也逐渐增多，进而形成网络。一粒沙子掉到红点上，就能触发周围红点的滑动。如果红点很少，新丢下去的沙子的影响就很有限。但是一旦红点多到连成一片，就无法估计新丢下去的沙子会导致什么结果：它可能只是打几个滚就停下了，也可能触发周围的沙子引起一场小规模崩塌，但也可能引起一连串连锁反应，像多米诺效应一样，导致几百万粒沙子一起崩塌。这种高度敏感的不稳定状态称为临界状态。由于它是在沙子堆积过程中自己逐渐形成的，巴克称之为自组织的临界状态。在这种状态下任何规模的崩塌都有可能发生，但是即使是最大的崩塌的发生也无其他特殊的因素。它是完全不可预/测的。

    巴克也发现，沙堆崩塌规模虽然不是正态分布，但是遵循幂律：崩塌规模越大，则发生的频率越低，参与崩塌的沙子数目每增加一倍，其发生的频率则降低2.14倍。所以，巴克一听说震级的频率也遵循幂律，马上就想到地震可能和沙堆崩塌一样，也是一种自组织的临界现象。随后他和其他许多人构建计算机模型，对地震进行了模拟。

    由于地壳的运动产生的应力逐渐积累，地球处于临界状态。某个地壳断层的某处岩石承受不了受到的应力，就会出现滑动，这个滑动可能小到无法觉察。但是正如一粒沙子的掉下会让处于临界状态的沙堆出现无法预/测的结果一样，这个小滑动之后，任何情形都可能发生：它可能就此停下来，也可能给附近的岩石带去足够大的应力让它们跟着滑动，引发一场地震，而这场地震的规模是无法预料的。不管是小地震还是大地震，它们的起因都一样，都是由于地球处于临界状态而引起的，此外大地震的发生并无特殊的起因，既无法预/测，也没有可靠的前兆，就像大规模的沙堆崩塌一样。如果地震有意识的话，在它刚刚发生时它自己都不知道将会有多大规模，而地震自己都不知道，我们更无法知道。

2008.6.1.

    “石头－剪刀－布”大概算得上最通行的游戏，谁都在小时候玩过。它并非只是一种儿童游戏。在某些重大比赛中，它有时也用来代替抽签或抛硬币来决定开局。2006年，美国联邦法庭还首创用它来解决纠纷，当时双方律师为取证地点争执不休，法官命令他们用“石头－剪刀－布”决定胜负。这当然是认为其胜负是随机的，其实不完全如此。据统计，男人在第一回合较喜欢用代表力量的石头，而剪刀被用得最少（不到30％），可能是由于剪刀的手势相对来说不容易做。玩家可以根据经验和一些技巧增加获胜的机会。

    “石头－剪刀－布”在国外通常叫“石头－剪刀－纸”（我的老家以及台湾也这么叫），有的国家把纸改叫袋子，手势还是一样。还衍生出很多变种，例如“大象－人－蚂蚁”、“人－枪－虎”、“水－火－木”、“神仙－老虎－狗”、“孙悟空－白骨精－唐僧”。有的变种是根据时事创造出来的：清末有“洋人－官－百姓”，文革时期有“主席－恩来－江青”，冷战时期美国有“核武器－脚－蟑螂”（传说蟑螂不怕核辐射）。不管怎么变，原理还是一样，都是三种武器循环相克，没有最大和最小，否则就没法玩了。在美国情景喜剧《塞恩菲尔德》中，米奇出石头碰上克莱默出纸，耍赖说扔石头可以击穿纸，没有什么东西能打败石头。下个回合两人当然就石头出个没完。

    生物在生活中也在玩着生存游戏，在处理一个问题时，通常有两种相对的基本策略供选择，比如选择当鹰派还是当鸽派。不同的策略各有优势，最终，一个群体中选择不同策略的比例会达到稳定（参见《你要当鸽派还是鹰派？》，本版2009年4月29日）。如果一个群体采用三种基本策略呢？不会有哪一种策略能够长久地占优势，而会象“石头－剪刀－布”一样循环往复，不会达到稳定状态。

    生物学家在1968年首次设想这种情形，但认为不太可能实际存在这样的群体。1996年加州大学圣塔克鲁兹大学的研究人员发现，居然还有动物在玩这种“石头－剪刀－布”的游戏。在加州生活着一种蜥蜴——侧斑美洲鬣蜥，其雄性存在三种变异：喉咙分别是橙色、黄色、蓝色的，各采取三种交配策略。橙喉雄蜥蜴最强壮，建立了一大片领土，在那里占有几头雌蜥蜴。黄喉雄蜥蜴最弱小，不保护自己的领土，一旦受侵犯就逃，但是它们会偷偷侵入别的蜥蜴的领土跟雌蜥蜴交配。黄喉雄蜥蜴和雌蜥蜴长得很像，能骗过橙喉雄蜥蜴，橙喉雄蜥蜴无法保护所有的雌蜥蜴。在这种情形下，橙喉雄蜥蜴被黄喉雄蜥蜴打败，黄喉雄蜥蜴的后代会逐渐多起来。但是，蓝喉雄蜥蜴可以侵犯黄喉雄蜥蜴的领土，而且只建立一小块领土，足以保护一条雌蜥蜴不受黄喉雄蜥蜴的侵犯。橙喉雄蜥蜴比蓝喉雄蜥蜴强壮，能打败蓝喉雄蜥蜴，一旦黄喉雄蜥蜴变少了，橙喉雄蜥蜴又能够大肆扩张领土占有多条雌蜥蜴，这样我们又回到了起点，开始新的一轮循环。观察的结果表明，这三种雄蜥蜴的频率，每4～5年循环一次。

    2007年，同一个研究小组在另一种蜥蜴——生活在欧洲的胎生蜥蜴身上也发现了类似的现象，只不过颜色标记不在喉咙，而在腹部，分别是橙腹、白腹、黄腹。蜥蜴能看到紫外线，在它们的眼中，白色和蓝色很相近。这两种蜥蜴有如此相似的行为模式，连颜色的对应也一致，这种现象是分别进化出来的，还是从共同祖先那里继承下来的？它们的共同祖先出现在1亿7500万年前，也许从那个时候开始它们就不间断地在玩着“石头－剪刀－布”的游戏一直玩到现在。

    这个游戏出现的时间也许还要早得多，连大肠杆菌这么简单的生物也能玩。有的大肠杆菌菌株分泌大肠杆菌素，这是一种毒素，能杀死其他大肠杆菌菌株（简称敏感菌）。但是有的大肠杆菌菌株发生了突变，对该毒素有抵抗能力（简称抗药菌）。分泌毒素的菌株（简称毒素菌）本身对毒素有免疫力，但是它们是通过让细胞破裂的方式释放毒素的，要牺牲掉一部分属于自己菌株的细菌，还要耗费能量制造毒素，碰到抗药菌就处于劣势。抗药菌是通过改造一个原先用来吸收营养的受体来获得抗药能力的，影响了营养的吸收，与敏感菌相比又处于劣势。2002年，斯坦福大学的研究人员通过计算机模拟发现，在一定的条件下，这是一种“石头－剪刀－布”的游戏：敏感菌通过最快速的增殖打败抗药菌，抗药菌通过较快速的增殖打败毒素菌，而毒素菌用毒素杀死敏感菌。2004年，耶鲁大学的研究人员用老鼠做实验，在老鼠肠道中分别接种这三种菌株，证实了理论预测。

    既然从大肠杆菌到蜥蜴都在玩“石头－剪刀－布”游戏，它可能是一种普遍现象，可能许多种生物在生活的许多方面都在玩。人类的行为虽然复杂，但往往可以简化成与雄蜥蜴的交配行为类似的三种策略：进攻、防御和偷袭。进攻常常能战胜防御（所以有“进攻是最好的防御”的说法），但是进攻的时候也暴露出了弱点让偷袭者有机可乘，而防御者就不容易让偷袭者得逞，这样就形成了“石头－剪刀－布”的循环。我们人类除了在用手势玩“石头－剪刀－布”游戏，也许在生活中也在不知不觉地进行着类似的博弈。

2009.7.6.

正在设计一个杀人游戏规则。有几个难关一直想不通。看到方舟子上面的文章，茅塞顿开~ 

    虽然老子教导我们：“圣人之道，为而不争。”但凡人之道，总是要争的。这倒也称得上是“道法自然”，因为在自然界，为了争夺资源（比如食物、配偶），一个物种的成员彼此之间是难免要争斗的，甚至要搏斗。搏斗的战术可以简单地分为两种：一种是“鸽派”，发生冲突时只是虚张声势地吓唬一番，一旦搏斗真正开始，就逃之夭夭；一种是“鹰派”，不顾一切地搏斗下去，直到一方受重伤或死亡而失去搏斗能力为止。

    假如一个社会的成员全部都是鸽派，这样的社会大约接近于老子的理想了。可惜这个美好社会是不稳定的，因为如果突变出了一只鹰派，在与鸽派搏斗时战无不胜，有生存优势，它的基因就会在后代中传播开去，鹰派在后代中会越来越多。

    假如一个社会的成员全部都是鹰派呢？那将是一个时时要拼个你死我活的血腥社会。幸好这样的社会也不稳定，因为如果突变出了一只鸽派，虽然它在搏斗中每战必败，但是也不会有伤亡，而鹰派彼此之间的争斗会有伤亡，这样，做为鸽派也有生存优势，它的鸽派后代也会越来越多。只有鹰派和鸽派各占一定的比例，才达到了稳定状态。

    有的社会成员可能会灵活一些，根据条件的不同采取不同的战术，例如，“如果我是领地主人，就当鹰派；如果是入侵者，就当鸽派”的“资产派”。我们很容易发现，大家都当资产派，才是最好的策略。假如突变出了一只鹰派，虽然在它是主人而资产派是入侵者时可以轻易获胜，但是在它入侵资产派的领地时却要发生激烈的搏斗，讨不了好去，两项比较，还是不如也当资产派。假如突变出了一只鸽派呢？在它是入侵者时只能逃跑，而在它是主人时却要和入侵的资产派和平共处，还是不如也当资产派。这就是为什么动物们普遍采用资产派策略。

    这个鹰－鸽博弈是英国生物学家梅纳德·史密斯在上个世纪70年代提出的。通过分析动物争斗行为，梅纳德·史密斯开创了一个新领域——进化博弈论。自然选择是博弈的决策者。进化博弈论在数学上非常整洁、漂亮，但是这是根据一些简单的假定做出的，很难在实际的动物群体中进行验证。不过，人们可以用计算机对此进行模拟。

    俄罗斯科学家伯特瑟夫和特琴用计算机程序设计了一个二维人造世界。这个世界由一个个格子组成，每个格子相当于一块小领地，会时不时地冒出食物，能被在那个格子里的生物吃掉。生物除了吃，还能休息，走到隔壁的格子，对进入格子的其他生物进行攻击，以及像细菌那样用一分为二的方式繁殖。这些活动都要耗费一定的能量，休息耗能最少，攻击耗能最大。体内能量可以通过进食来补充，攻击时受害者也会输掉一部分能量转移给攻击者。如果体内能量用完也就死了。后代遗传了亲代的特点，但也能发生变异。

    设计者没有给这些生物预设行为策略，而是让它们自己去进化。虽然可能出现的行为策略是个天文数字（大于10的1000次方），但是进化的结果，出现了三种策略：从不攻击别的成员、受到攻击就跑的鸽派；靠四处攻击别的成员为生的鹰派；留在自己的格子里不去攻击邻居，但是一发现入侵者就立即攻击的资产派。不出所料，资产派占了大多数。不过，资产派的出现有个条件：一个格子里的资源要足以支持一个定居者，这样资产派才能安分守己地待在自己的领地。如果资源太少，养不活资产派，就逼着大家去当鹰派或鸽派。

    如果亲戚遗传了相同的标记，并能够辨认标记分清敌我，情形就截然不同了。这时除了各自谋生的自私成员之外，还会进化出合作成员，采取三种合作策略。一种是合作鸽派，它们不理睬外人，但是会把格子让给亲戚，自己出走避免竞争。一种是合作鹰派，它们同样会把格子让给亲戚，但是一发现外人就会攻击。研究者把它们称为“鸦派”，因为俄国有句谚语：“乌鸦不啄其他乌鸦的眼睛。”鸦派是从鹰派和资产派变来的。还有一种是全新的门派。亲戚们在同一个格子里生活，并共同对付入侵者。这种行为和椋鸟等能共同抵御外侮的小鸟相似，因此研究者称它们为“椋鸟派”。

    不过，这些合作策略的出现，和资源的多少有很大的关系。当每个格子的资源不足以维持两个成员时，鸦派占了优势，它们的比例很稳定。但是在资源比较丰富时，椋鸟派的数量会逐渐上升，但是其他两派也都设法生存了下来。如果每个格子的资源太少，少到不足以维持一个成员，又会出现一个新门派，它们比鸽派还超脱，一看有人进入它所在的格子，不管是敌是友，有没有受到攻击，自己都马上出走。它们恰好与资产派相反，是无产派。

    如果一个椋鸟派成员的体能下降到一定程度，它就离家出走，宁愿去和外人拼命抢资源而死去，也不愿留下耗费家乡的资源。它们被研究者称为亡命徒，不过更像是壮士。

2009.4.26.