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怪奇科學研究所:42個腦洞大開的趣味科學故事(KAY1082)
說出來你可能不信

類別: 自然‧科普‧數理>科學
叢書系列:知識叢書
作者:SME
出版社:時報出版
出版日期:2020年02月14日
定價:360 元
售價:284 元(約79折)
開本:25開/平裝/336頁
ISBN:9789571380902

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自序內文摘錄



  內文摘錄

藐視人類「中心法則」的章魚

不知道大家有沒有發現,影視作品中,外星人大多被設定成章魚的樣子?比如我們非常熟悉的被稱作《異形》前傳的電影《普羅米修斯》中,異形的原生體就像極了章魚,有八根腕足,中間還伸出一根駭人的口器。還有《異星智慧》中「完勝」飛行員的喀爾文,《異星入境》中靠噴墨交流和能預知未來的七肢體外星人。
那麼外星人為什麼要被設計成「章魚」的形象呢?

有人提出章魚在水中活動有種太空的失重懸浮感,而且它們超大的腦袋和發達的四肢也更符合「達爾文外星人」的特點。

但是除了這些,最重要的還是章魚有著不尋常的高智商。由於章魚的各方面特點都有點匪夷所思,所以許多科學家也喜歡稱它們為「生活在地球的外星生物」。如果說海洋能進化出智慧生物,那麼章魚最有可能就是這樣的物種。章魚也一直被譽為「海洋中的靈長類」。

章魚雖屬於無脊椎動物,但就其智商而言,可以說就是無脊椎動物中的「叛徒」(科學家一般認為脊椎動物比無脊椎動物聰明得多)。一隻普通的田螺體內只有約1萬個神經細胞;龍蝦有大約10萬個;跳蛛也不超過60萬個。而蜜蜂和蟑螂等,外神經系統豐富度名列前茅的無脊椎動物,也僅有約100萬個神經細胞。所以同為無脊椎動物,章魚擁有5億個神經細胞,高下立判。除此之外,不少脊椎動物還比不過章魚呢。例如,章魚的神經細胞數量就遠超家鼠(8000萬)和大鼠(2億),幾乎與家貓差不多。

另外,神奇的章魚竟還擁有兩個記憶系統。其中一個是大腦記憶系統,另一個記憶系統則位於八根腕足,直接與吸盤相連。我們都知道,人類要想完成比較複雜的動作,得靠大腦控制具體的操作與步驟。但章魚就不一樣,它的八根腕足(俗稱觸手)內都有獨立的神經索。大腦只要對腕足下達一個抽象的命令,章魚的腕足就能自己「思考」,要哪些步驟才能完成任務。在這之後腕足就可以實行多執行緒同時作業,獨自感知環境,快速做出反應,根本不需要大腦給予具體的指令。

毫無疑問,章魚擁有極其複雜的神經系統,但我們並不能就此評判它們智商的高低。

因為即使在最有利的情況下,評估章魚的智力水準都是件十分棘手的事情。就像我們經常把會使用工具設為衡量鳥類和哺乳類動物智力的標準。

但事實上這並不適用於章魚,因為它的奇異的身體本來就是一個工具。

例如它們根本不需要借助外物,就能用堅硬的齒舌將牡蠣的殼鑽開。之後,章魚便會從鑽開的孔向殼內注射某種毒素,迫使牡蠣打開,然後飽餐一頓。舉這個例子並不是為了說明章魚不會使用工具。因為它們用起工具來,還真的比誰都要厲害。

為了更方便地鑽開牡蠣,章魚會找來一塊大石頭墊在底下再開始操作。而當牡蠣被毒液逼得開口,章魚還會扔一塊石頭進去,防止牡蠣把兩片殼關上夾到自己。除此之外,懂得未雨綢繆的章魚,有時吃完牡蠣肉後,還會將殼保留起來,建房子用。它們習慣收集各種貝殼、蟹殼和石頭等,建起屬於自己的「章魚城堡」,保護自己柔軟的身體。
除了使用工具外,章魚還擁有近乎人類的記憶能力和學習能力。而學習能力的強弱恰恰是動物智力高低的一個重要表現。

科學家曾做過這麼一個實驗:將一隻剛從海裡撈上來的新手章魚,放入一個結構複雜並裝有食物的玻璃盒子,但是它不知道怎麼找到入口並拿到食物。它的隔壁則是一隻久經沙場的老手章魚,它能夠找到盒子的入口,並從中獲取食物。新手章魚就趴在玻璃上暗中觀察老手章魚是怎麼做的,在看到老手章魚的示範後,二話不說就立刻採用相同的方法,鑽進盒子飽餐一頓。

更讓人咋舌的是,章魚還是種會「察言觀色」的動物,能夠適應圈養、具有與人類交往的能力。一位叫雪萊‧阿達莫(Shelly Adamo)的神經學家飼養的章魚,就特別喜歡對著陌生訪客噴水。但經常在它們周圍出現的熟人,卻不會受到如此粗魯的對待。2010年有人在水族館中做過一個實驗,一個「友善」的飼養員經常給它們餵食,而另一位「小氣」的飼養員則經常拿棍子騷擾它們。只要兩週,水族館中的所有章魚,都對這兩名飼養員表現出截然不同的態度。

除了會看人類的臉色,在海底生活的它們還有著高超的「偽裝」本領。在自然界中,可根據環境改變自己「外表」來躲避天敵或捕獲獵物的動物雖然有很多,但如果章魚是第二的話,還真的沒有哪個動物敢稱第一。

而提到偽裝,想必大部分人第一時間想起的是變色龍,它們能根據環境或多或少地改變體表顏色。然而,此變化不過是化學物質反應的結果,需要的時間略長。而章魚變色的指揮系統是它的眼睛和腦髓,這種透過神經系統控制的方式也更加高級,幾乎在瞬間即能完成。如果章魚的一側眼睛出了什麼毛病,那麼這一側就會固定為一種不變的顏色,而另一側還是可以隨時變色。

章魚的顏料儲存在皮膚最表層的數以千計的墨囊中,緊閉時看上去就像一個個小斑點。但受到環境刺激時,章魚就會將墨囊周圍的肌肉收縮,讓墨囊打開釋放顏料。這樣章魚就可以依據環境,控制墨囊按照不同的組合打開或閉合,形成不同的形狀,如帶狀、條狀或點狀等,並且顏色各異。

章魚軟軟的身體還有利於它們改變外形。例如印尼的擬態章魚,更是高手中的高手。海蛇、比目魚、海星、獅子魚、珊瑚、鰨魚等超過15種動物,它都模仿得維妙維肖。有時候還能偽裝成海螺,伸出兩根腕足當腳逃之夭夭。更神奇的是,除了顏色和形狀,章魚還能根據自己要變形的物種,相應地改變皮膚的質地。透過控制特定部位的肌肉收縮,章魚可將光滑的表皮變得粗糙和尖銳。

例如海藻章魚(學名刺斷腕蛸,Abdopus aculeatus)就能在短時間內,形成一縷一縷的結構,隨著水流漂動,常讓人誤以為是海藻。

如果你問章魚,你們是如何練就如此高超的偽裝術?它們應該會回一句:「還不是被逼的。」因為章魚沒有骨骼,在捕食者眼裡它們完全就是一塊「行走中的肥肉」。海洋中的各種魚類,都對章魚虎視眈眈,甚至包括不同種屬的章魚之間,也存在著敵意。

毫無疑問,越是擅長偽裝自己,就越容易逃脫追捕和獲得食物。所以現在如此機智的章魚,也是經過漫長的自然選擇和進化,才坐牢了「偽裝大師」的名號。擁有模仿顏色、形態與皮膚質地三位一體的技能,章魚玩起COSPLAY來可以說是所向披靡。

如果這種能力放在人類身上,就和影視作品中看到的「突然改變表皮硬度抵擋攻擊」的超能力差不多。那麼問題就來了,如此聰明強大的章魚怎麼還沒組建軍隊,上演章魚的「星球崛起」呢?其實這些長著兩個腦袋、八根腕足的「外星人」,慘就慘在逃不過「做父母必死」的宿命。

本來章魚的壽命就只有短短3到5年,但無論何時,只要章魚一交配,就等於被判了死刑。章魚有八根腕足,其中一根被稱為交接腕(hectocotylus),這就是雄性章魚的生殖器(那些喜歡吃章魚觸手的朋友,抱歉了)。交配時,章魚會將精包透過插入的方式,放入雌體的外套腔內。為了確保雌體受孕,雄性章魚還會將這根「性觸鬚」留在雌性章魚體內。而失去生殖器的雄性章魚,就會進入「賢者模式」,變得鬱鬱寡歡。不久後,行動遲緩、茶飯不思的雄性章魚,就一命嗚呼了。

另外,在產下數十萬枚章魚卵後,雌性章魚守護幼卵孵化的時間也至少需要半年。這段期間,雌性章魚也會因不進食,最終難逃一死。

很多時候,許多新生的小章魚從未見過自己的父母。所以它們也無法從父輩那裡學習到有關的生存法則,一切都只能靠自己摸索。正是因為這種生理層面的缺陷,導致了章魚智力層面的不斷割裂。如果這種斷裂發生在靠傳承發展優勢和智慧的人類身上,我們或許還不一定比章魚聰明。所以才有人說:「如果章魚壽命不是只有幾年,它們可能還真的有興趣看看人類到底是個什麼東西。」

或許未來有一天,外星人真的會攻陷地球,也會驚訝自己在地球怎麼還有遠方表親。


第23個發明電燈的人

湯瑪斯‧愛迪生,一個令人感到困惑的人。一個只上過三個月學卻持有1093項專利的成功人士。一個幾乎在所有中國孩子心中留下痕跡的道地美國人。毫不誇張地說,在中國的街頭隨便抓一個學生,十個裡有九個都能生動地講出愛迪生發明燈泡的故事:

愛迪生很早就下定決心要發明一種比煤油燈更好的照明燈。於是他苦苦尋找能通電發光的材料,但這些做燈絲的材料效果都不理想。愛迪生為了發明燈泡嘗試了6000多種材料,進行了7000多次實驗。終於如願以償找到能持續發光45小時之久的燈絲材料,也標誌著偉大的電燈被發明了出來!

這正印證了愛迪生的那句名言:「天才是百分之九十九的汗水加上百分之一的靈感。」
但這故事最大的漏洞就是:小學沒畢業的愛迪生怎麼就知道電流能讓導體發光呢?

這也是故事著重凸顯愛迪生那百分之九十九的汗水而對前期那百分之一的靈感避而不談的原因。事實的真相是愛迪生在電燈的發明中連那百分之一的靈感也沒有,發明電燈的想法是他從英國人約瑟夫‧斯旺那裡「借」來的。

約瑟夫‧斯旺爵士是英國知名的化學家、物理學家和發明家。他早年在家鄉的藥店當學徒,跟隨一位藥劑師學習,出師後一直從事化學方面的工作。但斯旺個人最感興趣的研究還是電與光之間的神祕聯繫。早在1848年,20歲的斯旺就開始著手研發電燈了,並在燈絲的材質選擇上有重大突破。

在斯旺之前已經有一些發明家嘗試使用金屬作為燈絲,比較常見的是鉑絲。但鉑絲成本非常高,並且1768℃(1773℃)的熔點導致其耐用性較差,並不是一種好的選擇。斯旺嘗試用碳來替代鉑絲,碳的熔點高達3500℃,不容易因為通電後的熾熱而熔斷。但碳也有一個很大的弱點──在空氣中容易燃燒,需要與氧氣隔離才能長時間工作。

斯旺的真空碳絲電燈方案就這樣敲定了。
他將一種硬紙板剪成馬蹄鐵那樣的弧形,然後放在坩堝中烘烤製成碳化的碳阻絲。

把碳絲兩頭接上導線封閉在一個鐘形玻璃罩內,並盡可能地抽出內部的空氣。導線接上電池的兩個電極,碳絲發出明亮的光芒,這便是最原始的白熾燈。

雖然斯旺的燈泡只亮了13.5個小時就燒壞了,但這不妨礙它成為一項偉大的突破。那一年,愛迪生才1歲。

由於當時電燈的前置基礎技術不成熟,用於供電的電池電壓低、耐久差,真空技術也沒發展起來。斯旺的電燈不僅沒有什麼實用價值,性能也相當差,糟糕的真空技術總是讓碳絲很快就燒斷。為此他一直在改進自己的這項發明,陸陸續續研究了12年之久。由於他始終無法突破耐用性這個瓶頸,在1860年徹底放下了實驗工作。這一年,愛迪生已經是個13歲的小報童了。

停下電燈研究工作的斯旺也沒有閒著,他涉獵廣泛,已經成了當地學術圈內小有名氣的人物。他從一家攝影底版製造公司的助手晉升為合夥人,還改進了當時的濕版火棉膠攝影法。斯旺設計了一種乾燥的攝影底版,用硝化纖維素塑料替代原先現場製備硝化纖維溶液的煩瑣步驟。15年後,這項技術給美國的伊士曼帶來了靈感,他後來成立了柯達公司。

直到1875年,斯旺才又重新拾起最初的電燈研究。有兩方面原因,一個是因為英國物理學家克魯克斯為研究真空放電現象而改進了抽真空技術。另一個是比利時的工程師格拉姆和德國的西門子製造出了性能出眾的直流發電機。這兩項技術的完善讓斯旺看到希望,他只需要在製作燈絲的技術上努力就足夠了。

斯旺的電燈的確沒有因為燈泡中殘餘的氧氣而導致燃燒,但卻暴露出了另一個問題。碳化燈絲的電阻太低,原先採用電池供電並沒有明顯暴露出這個問題。如今採用直流發電機供電,碳絲在大電流的情況下就顯得弱不禁風了。雖然研究結果還沒有公開,但斯旺平日關於白熾燈的談論還是得到了圈內人的高度關注。

那一年,愛迪生在去懷俄明看日蝕的路上,閒談中從物理學家巴克的口中得知了斯旺的白熾燈。他頓時覺得白熾燈將來肯定會成為家家必備的照明設備,趁目前技術還不成熟趕緊加快研發搶占先機。

經過這些年,愛迪生可不再是個小報童了,他已經是發明了留聲機、同步發報機的大發明家。雖然他自己科學研究的水準不高,但他懂得用人之道,在他的實驗室裡不乏大學生和科學家,他立刻指派手下的科學家烏普頓協助研發白熾燈的工作。另一方面,白熾燈的研發還遠遠不到能應用的地步,愛迪生就已經成立了新的電燈公司,並且還登報宣傳他已經解決了電燈的各種配套問題,吸引了不少投資者。這也逼得斯旺不得不早早將自己還不算成熟的白熾燈拉上檯面展示。

1878年,斯旺在紐卡斯爾化學協會上公開展示了他的白熾燈,但最擔心的事情還是發生了。燈絲還是由於過大的電流而被燒壞了,這個問題在次年的再次展示上才被解決。不過這並不妨礙斯旺在英國申請碳絲真空玻璃罩白熾燈的專利。

而愛迪生投入的大量財力人力也沒有白費,1879年他的實驗室採用碳化棉絲製成了持久的白熾燈,並在年底公開展示了他的白熾燈。

斯旺得知後心裡很不爽快,他在《自然》雜誌上刊文指出:「15年前,我就根據白熾燈原理將焦化紙和焦化紙板用於製造電燈,確切地說,我曾將它製成馬蹄鐵的形狀來使用,正如愛迪生現在使用它的樣子。」

譴責是徒勞的,發明最終還是要靠專利來說話。1880年末,斯旺的白熾燈在英國獲得了專利,成了英國第一個白熾燈專利。而愛迪生的專利就沒那麼順利了,雖然申請日期比斯旺早了幾個月,但在1883年被美國專利局判定是基於斯旺發明的延伸創新,專利無效。

愛迪生上訴了6年之久終於在1889年拿到了白熾燈的專利。即使愛迪生的商業天賦再高,也無法撼動斯旺白熾燈在英國的地位。

愛迪生公司的商業帝國觸及英國市場,也不得不花高價購買斯旺的專利授權,最終雙方合作在英國成立「愛迪萬」(EdiSwan)公司。

故事講完,你一定會以為白熾燈是斯旺發明的,那就未免錯得有些離譜了。如果說電燈是英國人斯旺發明的,那俄國人就肯定不願意了。在他們的國家,前有洛德金於1872年發明的白熾燈,後有亞布羅契科夫於1875年發明的「蠟燭」碳棒電燈。

如果說電燈是俄國人發明的,那德國人又肯定不願意了。德國人亨利‧戈培爾1854年發明的碳化竹絲白熾燈當時就可持續照明400小時,那時他還沒有加入美國國籍。

如果說電燈是德國人發明的,那英國又會重新回到不願意的行列。因為在1801年,大化學家、英國皇家學會會長大衛就通過實驗讓鉑絲通電發光。8年之後,大衛和他的學生法拉第一起研製了碳棒弧光燈,但因為亮度太高損耗太快所以不適合家用。

電燈究竟是誰發明的?是把電燈推廣到每家每戶的第23個發明人愛迪生,還是更早製作出實用白熾燈的其他發明者?

都不是,沒有人真正發明了電燈,電燈只是人類科技發展道路上一個必然的里程碑。

沒有直流發電機技術,沒有成熟的真空技術,沒有電學理論的基礎,就算帶著現成的電燈回到那個年代也仿造不出合格的產品,斯旺的經歷就是最好的例證。

各國間關於電燈發明之爭,無非只是為了顯示國家科技的突破而已,即使有一萬個理由都不能把這全人類共創的成果貼上標籤據為己有。