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苏珊·萨维奇朗波:倭黑猩猩的故事

苏珊·萨维奇朗波(Susan Savage-Rumbaugh)是一位灵长类动物学家,她一辈子都在和黑猩猩,倭黑猩猩打交道,并获得了众多令人惊奇的发现。特别是她的朋友,两只分别名为Kanzi和Panbanisha(Videos: Kanzi and Panbanisha)的倭黑猩猩,令人们对灵长类的学习能力大为惊叹,因为它们竟然能听得懂英语,竟然会用粉笔绘制符号来表达自己的想法,甚至会打磨石器和用火。现在,苏珊在美国爱荷华州提摩因市(Des Moines)的类人猿基金会(Great Ape Trust)从事研究工作。

倭黑猩猩(Bonobo)生活在刚果丛林中,与黑猩猩(Common Chimpanzee)同属(黑猩猩属),外表相似,是与人类亲缘关系最近的物种之一。与黑猩猩先比,倭黑猩猩体型较小,且较能直立,性生活也更加活跃和频繁——这也是它们最为人所知的习性。

苏珊在演讲(2004年,演讲链接)中播放了几个和倭黑猩猩一起生活的视频片段。

 

或许大家都听说过珍妮·古道尔(Jane Goodall2007年的演讲2003年的演讲)研究黑猩猩的故事,她的发现彻底改变了传统上对人类的定义。同黑猩猩一样,倭黑猩猩也具有惊人的智力水平。如前所述,它们在耳濡目染中竟然学会了听懂英语、打磨石器、粉笔绘画、修剪毛发等等。就像人类的孩子一样,倭黑猩猩通过“看”和“听”来学习。“父母们其实并不知道如何教孩子语言”,苏珊说,“我又为什么要知道如何教Kanzi语言呢?在他周围,我只要像平时一样,他自然就跟我学。”

苏珊的发现为人们提供了一个新的视角,去观察人类与其他灵长类之间相同的和不同的特征。有许多我们曾经认为只有人类才具备的能力,其实并非与人类这一物种本身的特性有关,而更多的是受到社会环境的影响。苏珊说,许多情况下,文化和传统——而非生物学——才可以解释人类和其他灵长类之间的差别。苏珊还认为,语言并不仅仅是人类的专利,其他的类人猿也可以学得会。这一观点在语言学、心理学、大脑和神经科学等领域引起了巨大争论。认知科学家史蒂芬·平克(Steven Pinker)在他的著作《语言本能》(The Language Instinct)中就强烈批评了苏珊的观点,他认为,Kanzi以及其他灵长类动物并没有在本质上掌握语言的基本法则。不过,看到Kanzi听着苏珊的话,将行囊从一个地方背到另一个地方,我们怎不佩服Kanzi的语言天赋呢?

延伸阅读:

采访苏珊·萨维奇朗波:http://www.paulagordon.com/shows/savage-rumbaugh/

Elaine Morgan:人是从水猿进行而来的
http://www.ted.com/talks/elaine_morgan_says_we_evolved_from_aquatic_apes.html

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克雷格·文特:DNA和海洋(全文翻译)

今天我们发布一篇TED演讲的全文翻译《克雷格·文特:DNA和海洋》。

演讲人克雷格·文特(John Craig Venter)是一位生物学家和企业家。 TIME《时代》杂志在2000年7月將将他与人类基因组计划的代表佛兰西斯·柯林斯(Francis Collins)同时选为封面人物,又在2007年将他选为世界上最有影响力的人之一。在国际人类基因组计划(以下简称“国际计划”)启动八年后的1998年,克雷格·文特创办了塞雷拉基因組(Celera Genomics)公司,以商业公司的形式开展自己的人类基因组计划,并希望将研究成果申请专利,并对外界收费。2000年美国总统克林顿宣布所有人类基因组数据不允许专利保护,必须对所有研究者公开,塞雷拉不得不将数据公开。

在2002年离开塞雷拉公司后。2005年,克雷格·文特与其他人合伙建立了合成基因組公司(Synthetic Genomics),专门以经过改造的微生物来生产替代燃料的乙醇(酒精)与氢。他的研究小組有一艘由遊艇改裝成的研究船“巫师二号”(Sorcerer II),专门研究海洋微生物。

在2005年的TED大会上,克雷格·文特讲述了与海洋有关的DNA研究故事。

演讲题目:DNA和海洋
演讲人:克雷格·文特(John Craig Venter)
演讲时间:2005年TED大会

中间休息的时候,有几个人来问我对老龄化的看法。我的看法只有一个,那就是,我认为乐观主义者会比悲观主义者活得长久得多。(笑声)

接下来18分钟里,我想与大家分享的是:我们是如何做到,从最初的阅读遗传编码,转换到现在我们开始自己编写这些编码。仅仅在十年之前的这个月,我们发表了第一个自由活动的生命体——流感嗜血杆菌(haemophilus influenzae)——的基因序列。该基因组项目原本预计需要13年,结果缩减到了4个月。现在,同样的基因组项目只需要2到8个小时即可完成。因此在上一个十年里,我们得到了大量的基因组序列:大多数人类病原体,数种植物,多种昆虫和哺乳动物,包括人类的基因组。基因组学发展迅速,从测序的基因组来看,十年前我们仅仅完成了三到五个,到如今已完成了数百个。我们刚刚从戈登-贝蒂·摩尔基金会(Gordon and Betty Moore Foundation)获得一笔资助,作为环境有机体项目的副项目,我们将在今年完成130个基因组的测序。综上所述,阅读遗传编码的速率已经改变。

但我们还需看到,我们仅仅研究了这个星球表面上很微小的一部分而已。大部分人不会意识到,因为他们的肉眼看不见,但事实上,微生物占据了地球大约一半的生物量,而所有的动物加起来,也不过占地球总生物量的千分之一。牛津大学的人也许很少这么干:假设你到了海上,喝下一口海水,请记住:每一毫升的海水里,有大约一百万的细菌和上千万的病毒。

两年前,只有不到五千种的微生物被鉴定归类,我们决定在这方面做些努力。于是我们开始了巫师二号考察(Sorcerer II Expedition)。与其他大型的海洋考察活动类似,我们尝试每200英里采样一次。考察伊始,我们在百慕大进行了测试项目,接着前往哈利法克斯,然后沿美国东海岸向南,加勒比海,巴拿马运河,穿过加拉帕戈斯群岛,然后横跨太平洋,现在我们正在穿越印度洋的过程中。工作很艰难。我们使用的是一艘帆船,某种程度上这是为了激起年轻人对科学研究的兴趣。至于实验,那是再简单不过了。我们只需要把海水采上来,过滤,用不同的过滤器收集不同体积的生物体。然后将它们的DNA提取出来,带回位于罗克韦尔的实验室,在那里我们每24小时就可以测序出数百万字符的遗传编码。通过这些工作,我们取得了一些令人惊奇的发现。

比如我们眼睛里的视色素,之前认为自然界中只有一到两种生物拥有与我们相同的视色素。然而后来发现,在温暖洋区的上层海水中,几乎每个物种都拥有这类光受体,并利用阳光作为能量来源和交流工具。仅仅在一个采集点,从一桶海水中我们就能发现130万个新基因,相当于50000来个新种。


《克雷格·文特:DNA和海洋》 TED.com地址

借助来自斯隆基金(Sloan Foundation)的资助,我们已经将研究范围扩展到空气中。我们正在测算每天我们的呼吸中,究竟有多少的病毒和细菌在穿梭来回,特别是在飞机或封闭的礼堂环境中。我们使用一些简单的仪器,在纽约市的一个楼顶上就滤出了数以十亿计的微生物。目前,我们正在对它们进行DNA测序。

单纯从数据收集方面,在加拉帕戈斯群岛,我们发现,几乎每200英里采集的样品中,都能体现出海洋中巨大的(生物)多样性。不同的温度梯度或许可以部分解释这种多样性。这里有一张基于温度的卫星图片,红色表示温暖区域,蓝色表示冷的区域。我们发现,在温暖海水中取得的样品与冷水中的样品在物种丰富度上差别很大。另一个让人感到相当惊奇的发现是,我们可以通过氨基酸的序列——不同的区域差别巨大——来推测不同的光受体感受到的是何种波长的光。还有一个或许不足为奇的现象,在幽蓝的深海中,光受体倾向于“看”到蓝光。而当周围环境中存在大量的叶绿素时,光受体“看”到的是较多的绿光。光受体间的差别更大,极端情况下,它们可以感受到红外光和紫外光。

为了对我们采集的所有基因进行评估,我们把所有的数据汇总。其中包括到目前为止考察所得的所有数据,总共2900万个基因,代表了地球上超过一半的基因数据。我们把这些数据放入基因家族中,试图回答:我们是否发现了已知基因家族的新成员?或者发现了新的基因家族?结果表明,我们找到了50000个主要的基因家族,但每一个新样品都只是对这些新家族的线性补充。因此,我们正处在发现地球生命及其组成成分和基因基础的最初阶段。

当我们审视所谓的进化树时,可以看到人类就在最右上方的角落里,与动物界排在一起。它们总共拥有约2900万个基因,我们只掌握了其中大约24000个。如果把所有的动物算在一起,我们与它们之间分享着少于30000,但很可能达到12000个以上的基因家族。我认为,这些基因不仅仅是进化设计的元件。我们要从“基因中心观点”——或许回到理查德·道金斯的理论——而非“基因组中心观点”的角度来思考,后者是对这些基因元件进行不同的构造。

合成DNA,人工合成DNA的能力与DNA测序在某种程度上是同步发展的。过去十年或二十年,DNA测序变得越来越快速和廉价。有关合成基因组的想法是我们在1995年,测序第二个基因组即生殖道支原体(mycoplasma genitalium)的基因组的时候产生的。我们还制作了很不错的T恤,上面写着“I heart my genitalium”(我爱惜我的生殖器)。这其实只不过是一个微生物,却拥有约500个基因。嗜血杆菌(Haemophilus)拥有1800个基因。我们提出疑问,如果一个物种需要800个基因,另一种只需要500个基因,是否可以用更少的基因组成一个微小的可操作系统?

于是我们开始做转座子的突变发生。转座子是小的DNA片段,随机地插入遗传编码中。如果转座子插入到基因之中,就会扰乱基因的功能。因此我们找出所有能够接受转座子插入的基因,称为“非必需基因”,并为它们做了一张“地图”。但是,环境对此的影响非常关键,我们只能根据环境中确实存在的条件来定义必需或非必需的基因。我们还试图做一个更加直观的研究,即比较13个相关生物的基因组,找出它们的共同之处,于是就得到这些重叠的圆圈。我们发现这13种生物中只有173个基因是相同的。如果忽略掉一个细胞寄生物的话,这个基因库还能扩展一些;当我们审视核心的一组310个基因时,基因库扩大更多。因此,我们认为可以将基因组从最少500个基因扩展或者缩小——取决于你看待它的角度——到300至400个。

证明这些想法的唯一途径就是用这些基因人工构建一个的染色体,而且我们必须用基于表达框的方式来达到这一目的。大片段精确合成DNA是非常困难的。我的同事汉姆·史密斯和克莱德·哈奇森研究出了一种新方法,可以在两星期的时间里合成一个具有5000个碱基对的病毒,而且从序列和生物学特性上百分之百精确。这是个相当令人振奋的实验:我们只需将合成好的DNA片段注入细菌中,突然间,DNA开始引导病毒颗粒的生成,接着这些病毒反过来杀死了细菌。这并不是第一个合成的病毒——某种脊髓灰质炎病毒已在一年前制造出来——却是唯一一个具有百分之一活性的病毒,花了三年时间才合成成功。这是Phi X-174结构的动画。这是软件为自己构建硬件的活例子,也是我们在生物学上的新想法。

有人立即开始担心生物战争的威胁,不久前我也在参议院委员会和另一个由美国政府成立,旨在评价这一领域的特殊委员会上作证。我觉得,重要的是将事实牢记在心,而非人们对事件如何发生的想象。基本上,任何现在已经测序完成的病毒,其基因组都能被合成。人们马上会被埃博拉病毒或者天花病毒所惊吓,但实际上DNA本身并不会导致感染。安全部门真正应该担心的是“设计者病毒”(designer viruses)。世界上只有美国和前苏联曾经花大力气研究生物武器。如果这些研究真的已经终止,那么未来制造出设计者病毒的几率是微乎其微。

我认为两年内制造出单细胞生物是可能的。而真核细胞,则有可能在十年内实现。我们可以区分开进入人工染色体中的不同表达框和不同基因,这使得我们能够构建数十个不同的结构。关键是,如何把其他的(基因)放进来?我们以这些片段开始,然后通过同源重组将其组合到染色体中。

这是一种名为耐辐射奇异球菌的生物,它能在三百万拉德的辐射剂量下保持活力。在暴露辐射约12到24小时,其染色体几乎完全破碎的情况下,它还能将自身的染色体重新组装起来。这种生物在地球上几乎无处不在,甚至由于人类的活动,它们也可能在外太空活动。这是玻璃烧杯在约50万拉德辐射下的情形,玻璃开始燃烧,爆裂,而位于烧杯底部的微生物仍然是不亦乐乎。这就是实际情形的图片:上面是经过170万拉德辐射之后的染色体,几乎已经支离破碎。下面是24小时之后,同一个DNA自动重组的结果。真是令人叹为观止。这些生物能够做到的,也许我们还能找到数以千计——如果不是数以万计的话——的物种也同样能够做到。这些基因组合成之后,第一步就是移植到另一个没有基因组的细胞里。

我们认为,合成细胞将具有巨大的前景,不仅仅是在理解生物学基础上,而且很可能帮我们应对环境和社会问题。例如,我们测序的第三种生物,詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii),它生活在相当于水沸点的高温中,以氢作为能量来源,靠捕获周围环境中的二氧化碳为自己提供所需的碳。我们知道,通过许多不同的途径,数以千计的生物能够捕获,并且依赖二氧化碳生存。因此,我们可以通过捕获大气中的碳,制造生物高聚物或其他产品,来替代从石油中工业合成得到的碳制品。有种依赖一氧化碳生存的生物,我们利用其还原能力使水分子破裂,制造出氢和氧。同样,还有许多生物代谢途径能够用来转化甲烷。杜邦公司(DuPont)和挪威石油公司(Statoil)有一大型项目,内容便是将从油气田获得的甲烷转化成有用的产品。

我想,一个称为“组合基因组学”的领域将很快就要诞生。因为有了这些新的合成方法,有了这么庞大的基因序列和同源重组,我们可以设计出一个能每天生产近百万个染色体的机器人。由此,就像所有生物学实验过程一样,我们可以通过屏幕进行选择,无论是要制造氢,还是制造化学物质,抑或仅仅了解其生存能力,都可以从屏幕上获得。理解这些基因的功能将变得触手可及。

我们正尝试改进光合作用,以直接在阳光下制造出氢。光合作用受氧调节,而我们使用的对氧不敏感的氢化酶,将完全改变这一过程。我们还整合了多种纤维素酶,这些酶可以把复杂的糖类转化成简单的糖类,并在同个细胞中进行发酵,制造出酒精。在某些大型实验室里,已经开始利用微生物进行药品生产。环境中化合物的化学性质,比最好的化学家制造出来的化合物还要复杂很多。也许未来的工程物种将成为我们的食物来源、能量来源、环境补救手段,甚至取代石化工业。

最后,就让我以道德和政策上的研究结束吧。我们推迟了1999年开始的实验,直到对是否应该尝试制造人工物种这一问题做了长达一年半的生物伦理学讨论之后,实验才继续进行。每个重要的宗教都参与其中。这其实是项很奇怪的研究,因为许多宗教领袖都以他们的教义、经文作为法律,而且不能在其中找出禁止制造生命的条文,所以,这应该没什么问题。唯一根本性的担忧是在生物武器方面,不过,只有开始进行这些实验之后,我们才能找出从事这一切真正是为了什么。

目前,斯隆基金会已经资助了一个相关的多机构研究,以确定这些实验给社会带来的风险和益处,同时也为科学团队——好比我们自己——在这一领域开展研究制定规则。在潜心研究的同时,我们正努力成为一个良好的榜样。有许多复杂的议题,除了生物恐怖主义,它们其实都很简单:我们能否设计出生产清洁能源的工具,从而彻底变革发展中国家的能源生产模式?而这样的新生产方式,将会通过各种不同的简单的步骤来完成。非常感谢。

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亨利·马克莱姆:”蓝脑计划” 构建人类大脑

今天我们为大家带来TEDGlobal的会议报道《构建人类大脑》,这是一篇译作,原文来自卫报,由Kevin Anderson发表于2009年7月24日。译文首次发表于译言

特别推荐:
这篇报道的主人公亨利·马克莱姆(Henry Markram)是蓝脑计划(Blue Brain)的领军人物。该计划旨在通过超级计算机来“复制”人脑所有的活动,以及在其内部发生的各种反应。主要研究对象集中在人类思考和记忆方面,通过对大脑运行过程的精确模拟,科学家还可以揭开隐藏在精神失常背后的秘密。详细的背景可以参考该项目网站,或互动百科条目“蓝脑计划”。

亨利·马克莱姆(Henry Markram)在牛津举行的TEDGlobal会议上发表演说称,他正在构建的人类大脑模型将帮助我们对抗疾病,并更真实地认识世界。

亨利·马克莱姆正致力于发现神经科学领域的圣杯,即理解新(大脑)皮层(neo-cortex)——大脑中最年轻的部分——运作的机理。

马克莱姆说,新皮层只在哺乳动物中发现,与亲子关系的认知和复杂的社会交往活动有关。对大脑来说,神经元数目的增加已经远远超过了人类颅骨内体积增加的速度,大脑开始折叠,形成充满皱褶和沟回结构的表面。这些皱褶和沟回结构大大增加了新皮层的表面积,为数十亿的神经元提供了空间。

作为了解新皮层关键一步,马克莱姆目前的工作正是构建一个人类大脑的模型。毕竟,科学家们不能永远使用动物实验的方法来研究人类的大脑。另一方面,这个模型也是理解人类疾病和机能紊乱,如老年痴呆症(即阿尔茨海默病)和自闭症等的关键。

我们”看”到的99%的东西,其实都是我们大脑对周围一切进行推断的结果。马克莱姆相信,利用大脑模型,我们能更清楚地了解基本的、真实的自我,从而更真实地了解周围的事物。


亨利·马克莱姆在另外一个会议上演讲的照片。

他们对新皮层进行了大量研究,不仅仅是数十亿的神经元细胞,更重要的是神经元之间通信和连结的规则。他们已经能够构建新皮层的三维立体模型,并将神经元之间互相通信的规则进行编码。

没有完全相同的两个神经元细胞。它们在一个复杂的网络中彼此交错,形成马克莱姆所描述的大脑结构。尽管神经元细胞各个不同,但它们在每个人类大脑中的连结起来的形式却很相似。

现在,他们已经可以小规模地模拟神经元,以及神经元之间的电化学反应。这一过程本身,就是一个非常复杂的计算机模拟过程。马克莱姆说,在硅芯片上模拟多个神经元之间的连结实在是太难了。

模拟单个神经元所需要的计算能力相当于一台笔记本电脑。如果要构建一个小型的大脑模型,他们甚至需要10000台左右的笔记本电脑。不过,利用IBM的超级计算机,“我们就能像坐上魔毯一样”。(魔毯,《一千零一夜》中一种神奇的交通工具。译者注)

他们现在可以用图片来刺激这个模拟的大脑。拿一朵玫瑰花给这个“大脑”看,会发生什么?“我们能跟随能量的传递。我们可以看到新皮层中这些神出鬼没的电信号”,马克莱姆写道。

关于这些理论,他们还有很多的工作要做,但马克莱姆说,

“构建一个大脑并非没有可能,如果我们成功了,十年内,我们将通过全息图像与你交谈。”

图片说明
题图来自Flickr,由Arenamontanus上传于2009年5月9日。插图来自Jurvetson的相册,上传于2006年5月11日。两张图片均采用“署名”的CC协议。

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埃里克·桑德森: 再现17世纪的曼哈顿

今天我们为大家带来TEDGlobal的会议报道《再现17世纪的曼哈顿》,这是一篇译作,原文来自卫报,由Kevin Anderson发表于2009年7月24日。译文首次发表于译言

曼哈顿(Manhattan)是纽约城的主体。曼娜哈特(Mannahatta)是印第安語中对曼哈顿(Manhattan)的一种拼法。

特别推荐
◎曼娜哈特项目(Mannahatta Project)网站:http://themannahattaproject.org/
◎《纽约时报》7月4日相关报道:Manhattan: An Island Always Diverse
◎《纽约时报》报道配图幻灯片
◎五角设计(Pentagram)公司为该项目设计书籍和展览,该公司的blog上有图文并茂的报道,请不要错过:书籍设计故事,展览设计故事。

为了设计属于未来的宜居城市,埃里克·桑德森将目光投向过去。他试图再现1609年,当亨利·哈德逊驾船驶入纽约港时曼哈顿的环境景观。

曼娜哈特计划(Mannahatta Project)让人们有机会去探索1609年时曼哈顿岛的景观和环境。

我们印象中的曼哈顿,是几乎完全由玻璃、钢铁和混凝土构成的城市景观,但400年前,当亨利·哈德逊驾船驶入纽约港时,这个岛屿拥有比约塞米蒂国家公园更多独具特色的生态群落。

埃里克·桑德森(Eric Sanderson)的研究对象是生态系统,以及如何创造适宜动植物生存的环境。一个城市的生态系统是怎样的?它如何为人类提供一个适宜的居住地?

纽约是世界第一座超级城市,第一座人口超过千万的城市。在思考纽约市当前生态系统现状的同时,他也将目光投向曼哈顿的过去。400年前,当亨利·哈德逊来到纽约港的时候,这个岛屿是怎样一幅景象?

他们从历史文件开始研究,包括18世纪40年代一幅格林威治村的绘画,一张美国独立战争期间,由英国军队制图师绘制的巨幅岛屿地图。当时纽约“市”的范围,最远只到达现在的市府公园,格拉莫西公园还是一片沼泽,而在如今的时代广场,两条溪流合而为一缓缓流过。


在这个网站上的explore页面,大家可以看到1609年的纽约城。

为了再现四个世纪之前的曼哈顿,他们需要回到这个岛屿最基础的生态学特征上,回到它的岩石结构和陆表地形。有了这些信息,他们制作出一个立体的数码模型,重建了17世纪时曼哈顿的景观。

他们恢复了山脉的高度,寻找最适合人类居住的地方:那里要靠近水源、能够躲避冬天刺骨寒风。

曼哈顿拥有极高的生物多样性,其生态系统包括超过85种鱼类,多种海狸和黑熊。他们审视了本地动植物所需的各种要素,以及这些要素可能在岛屿上出现的位置,从而创造出一个可视化的生态学网络,称为谬尔网络(Muir web)。

该网络使对17世纪时的曼哈顿进行现场图片还原成为可能。人们可以在曼娜哈特网站(Mannahatta web site)上进行探索,既可以搜索各种地址或地标建筑,看看1609年时当地的景象,也可以观察当时生活着的是何种动植物。

从美剧《法律与秩序》中出现过的法庭台阶走下,在1609年,律师们将径直走入一个池塘,这是年轻的纽约市当年的饮用水源。

思考着未来的四百年,桑德森回到了原来的问题:如何建造适宜人类居住的城市?建造属于未来的城市,需要考虑我们对食物、水、住所、生产资料以及生命意义的需求。

桑德森说,在建造现代城市时,我们对食物和水的重视程度还不够。他想要将溪流重新带回纽约市,通过建造风车提供能源。纽约中心城区的人口约一千二百万,如果其居民密度与曼哈顿相当的话,将开辟出一大片绿色的空间。

未来的城市“需要有曼哈顿的活力,也需要从过去中学习如何保护生态并可持续发展。”

题图照片:
来自曼娜哈特项目网站。

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TEDGlobal 2009 第六场简记

好奇心是人类的天性,无论是遥远的星空,还是奇妙的几何图形,都点亮过人类的求知欲望,激励人类的探索热情。TEDGlobal的第六场,主题便是“幻奇万千”(Curious and curiouser),让我们跟随三位演讲者,一起感受他们在探索求知过程中的奇妙经历。

马科斯·杜·索托伊(Marcus du Sautoy)是牛津大学的数学教授,同时也是Charles Simonyi公众理解科学教授。他的演讲以法国数学家伽罗瓦(Évariste Galois )的故事开始。

伽罗瓦是数学史上最富创造性的数学家之一,同时也是一位革命者,去世的时候年仅21岁。在临终前一天,他彻夜未眠,想要在上决斗场之前把自己的数学思想解释清楚。而他所要解释的,便是对称性的概念。对称性帮助我们理解从晶体形成到微生物结构等许多事物,如甲型H5N1病毒就具有对称结构,而这一结构正是它进行攻击的利器。在艺术上对称性更是占有重要地位,人类似乎天生就对对称的事物具有好感。但是,什么是对称性?

伽罗瓦问道,我们是否能通过理解一种对称性,便了解其他的种种?对称性的一个特点是,我们将物体固定在某个点上,以某种方式旋转,能使它看起来没有被旋转过。但看一下扭曲的海星,或等边三角形,它们旋转三分之一或五分之一,看起来仍是和原来一样的,伽罗瓦称这种现象为“零”对称。所以,对称性之间的相互作用与对称性本身并不相同,换句话说,“对称物本身是对称的吗?”

杜·索托伊用纵横的网格表示某张对称图片上的点,阐明旋转的次序对图片的对称性如何产生影响。这一方法也使我们能够确定两个不同的对称物体之间是否存在相同的、抽象的对称性特征。伽罗瓦的阐述使我们理解了肉眼所看不到的物体的对称性,而杜·索托伊则已开始致力于多维空间中对称性物体的研究。

天文学家Garik Israelian讲述了他运用光谱学技术研究宇宙的过程。通过探测宇宙深处物体发出的光谱信号,他能推断出该物体具有的特性和行为。他认为,光谱学的发展,或许将为人类解答太阳系以外是否存在生命的谜题。运用光谱学技术,Israelian发现,恒星有时会吞噬掉它们的行星。超新星爆发是宇宙中最壮观的景象之一,为行星的形成,包括生命的形成提供了所需的各种元素。曾有同事向Israelian展示了一个显示出大量氧元素的光谱图,经过分析,他认为在恒星系统中曾发生过超新星爆炸,并产生了一个黑洞。光谱学技术还能帮我们识别出从外星系进入到银河系中的星球。

现在,Israelian研究的内容还包括一个产生“超级耀斑”(super flare)现象的双星系统,他希望用光谱学技术解释这一现象产生的原因。人类渴望了解整个宇宙的起源,了解宇宙中各种元素产生和循环的过程。这是一项纷繁复杂的研究,研究过程中也会发现许多意想不到的事物。这些事物或异常现象,或许将帮助我们发现生活在宇宙别处的生命。当然,前景是乐观的,但需要做的工作也很多,即使是对距离最近的恒星太阳,我们也尚未完全了解。

伊莲·摩根(Elaine Morgan)是一位威尔士女权主义作家,她演讲的内容是有关“水猿”(Aquatic Ape)的假说。人类与其他灵长类如此的不同:双足行走、体毛稀疏、拥有皮下脂肪层、能有意识地控制呼吸、流线型的躯体等等,这一切使人类看起来不是由生活在萨瓦纳草原上的古猿进化而来,而更像是一种水生生物。

早在上个世纪60年代,就有科学家提出,人类的进化历史可能更接近“水生的”生活形态。但这一推论遭到了许多科学家的嘲笑。对伊莲·摩根来说,她的一生都是在向人们说明,传统的人类进化理论有可能是错误的。她说,毕竟历史上理论被证明是错误的例子多的是。她希望在未来,能出现一种将传统理论和水猿理论结合在一起的新理论。也许这个希望以后会实现,但现在,这两种理论还是对立存在着。

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希拉·派达:寻找动物界的动作速度冠军

希拉·派达(Sheila Patek)是来自加州大学伯克利分校的一位生物学家,同时也是研究动物极限运动的专家。她的工作同时也是她最大的爱好,就是测量动物界中动作明星们的动作到底能有多快。她的成名作是对虾蛄(mantis shrimp,别名攋尿虾、琵琶虾、螳螂虾等)用前脚重击蜗牛外壳速度的测定。2004年,在BBC拍摄团队的协助下,她和同事们利用高速摄像机拍下了雀尾螳螂虾(peacock mantis shrimp)的“出拳”瞬间,计算结果显示这是当时所记录的动物界速度最快的动作。仅仅到了2006年,希拉·派达和同事们就发现了新的动作速度冠军:一种名为Odontomachus bauri的热带蚂蚁。这种蚂蚁下颚咬合时的速度能达到惊人的78—145英里每小时,加速度是重力的10万倍。研究还在继续,也许过不了多久,新的速度冠军又将诞生了。

希拉·派达之前还研究过龙虾发出的声音,发现其很类似小提琴的发声机制。2004年,她被Popular Science(中文版名为《科技新时代》)杂志评为10个最有才华的年轻科学家(Brilliant 10)之一。在加州大学伯克利分校综合生物学系,希拉·派达主持的实验室(Patek laboratory)通过将不同领域,如生理学、生物力学、进化生物学、动物行为学等学科的研究方法整合在一起,对海洋生物的进化机制展开研究。当然,他们的重要工作之一,还是研究动物快速动作的机制和进化。

在2004年的TED演讲(演讲链接)中,希拉·派达分享了对虾蛄“出拳”动作的研究过程。许多动物都是天然的工程师,虾蛄便是其中之一。它们的前肢在重击蜗牛壳的时候体现出惊人的爆发力,而爆发力的关键,来自其具有的鞍形弹簧结构,即现代建筑中经常看到的双曲抛物面结构(hyperbolic paraboloid)。在高速摄像机镜头中,我们还可以看到一种称为“气穴现象”的物理过程。虾蛄不仅善于利用特殊的弹簧结构积蓄和释放能量,还会利用流体动力学原理敲开蜗牛的硬壳。

附两个视频:

热带蚂蚁勇破速度记录:
http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2006/08/21_ant_video.shtml

虾蛄“出拳”力道检测器:
http://socrates.berkeley.edu/~patek/Publications/100Kstrikeincolor.mov

题图照片:
来自Flickr,由luisma.lopez上传于2009年5月25日,采用CC创作共用协议

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玛格丽特·威特海姆: 编织出来的美丽珊瑚

玛格丽特·威特海姆(Margaret Wertheim)是一位活跃的科学传播者,不仅著述颇丰,而且为许多杂志、电视和广播媒体撰写了大量涉及科学、社会、文化等领域的文章。2003年,她和克莉丝汀·威特海姆(Christine Wertheim,她们是一对双胞胎姐妹)在洛杉矶创建了计算研究所(The Institute for Figuring ),致力于增进公众对科学和数学在诗意和审美层面上的了解。

2009年TED大会第5环节上,玛格丽特·威特海姆(演讲链接)为我们呈现了用钩针和毛线编织出来的珊瑚礁模型,它们色彩斑斓千姿百态,丝毫不逊色于大堡礁的珊瑚。

这样的模型不仅深受公众欢迎,更是科学家们的最爱。珊瑚礁生物,如珊瑚、海藻、海绵以及海兔(海蛞蝓)等等,在形态上都有类似裙衬的镶褶边结构。数学家们发现,若要构建这种结构的模型,再也没有比钩针编织更好的方法了。威特海姆姐妹希望,通过这些模型,能够将暗藏在我们的宇宙中的一些最复杂的数学模型呈现出来,并为更多的人所知。

现在,玛格丽特·威特海姆的珊瑚礁模型项目不仅在许多城市和博物馆举行了展览,而且吸引了大量的普通民众自己动手,编织出多种多样美丽的作品。珊瑚礁生物的斑斓色彩令人陶醉,却也在时刻提醒着人们全世界范围内不断受到伤害的珊瑚礁生态系统。由于海水温盐水平的变化、过度捕捞、海洋污染等等的威胁,大批的珊瑚死去,许多海域的珊瑚礁不断衰退。如果不采取有效措施,也许我们的后代只能通过这些钩针编织模型来遐想珊瑚礁的美丽。

演讲的最后,玛格丽特·威特海姆提出了一个类似“think tank”(智库,智囊团)的概念:play tank。在“play tank”里,数学、逻辑、计算等高度抽象的大脑思维活动,都可以用象征性的、实物的方式表达出来。听上去很新鲜,不过,就如我们可以通过钩针编织模型理解双曲型(非欧)几何一样,许多科学、数学理论其实并不是那么高深和神秘,它们也可以有趣和美不胜收。或许,这才是play tank真正让人着迷的地方。

图片来源于玛格丽特·威特海姆的Flickr相册,所选用照片均采用CC创作共用协议。

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史蒂芬·平克: 我们不是生来就白板一块

 

史蒂芬·平克(Steven Pinker)是语言学家,也是实验心理学家和认知科学家。如果你看过他的书,你就会知道他还是一位出色而活跃的科学作家。而最引人注目的一点,是他对进化心理学(evolutionary psychology)和心智计算理论(the computational theory of mind)的大力鼓吹。

史蒂芬·平克1954年出生于加拿大的蒙特利尔。在哈佛大学获得实验心理学博士学位后,他前往麻省理工学院开展研究,之后成为哈佛大学和斯坦福大学的助理教授。2003年之前,他在麻省理工学院大脑及认知科学系授课。现在,他是哈佛大学的心理学约翰斯顿家庭教授( Johnstone Family Professor of Psychology),指导语言学和认知科学的研究。除了写书之外,他还为纽约时报、时代杂志、新共和(The New Republic)等刊物撰写文章。2004年,他被时代杂志评为世界最有影响的100人之一。

史蒂芬·平克曾经在2003年、2005年2007年的TED大会做过演讲,这里我们介绍的是他在2003年的演讲(链接)。演讲中,史蒂芬·平克介绍了他当时刚刚推出的新书《白板——人类本性的当代否认》(The Blank Slate: The Modern Denial of Human Nature ),一部探索人类本性及其与道德、情感、政治之间纷繁关系的经典作品。

白板(blank slate,拉丁文里是Tabula rasa),是一个认知论(epistemological)主题,认为人的个体生来没有内在或与生俱来的心智,也即是一块白板,所有的知识都是逐渐从他们的感官和经验而来。史蒂芬·平克认为,有越来越多的科学证据表明,我们其实并不是生来就白板一块——就如许多父母所说,他们的孩子天生就有某种与众不同的气质和天赋。人类学、遗传学、神经科学等领域的发现不断向“白板”理论的教条提出质疑,由此引发对人类本性的激烈争论。许多人害怕对人类固有本性的探索会被用来为不平等辩护,使社会颠覆,让个人责任变得无足轻重,导致偏见和暴力等等。但史蒂芬指出这些担忧都毫无根据:政治的平等是指每个人都享有同样的权利,而非像克隆一样毫无二致;道德进步并非要求人们不能有自私的动机,而是说我们只要克制住这些动机即可;责任,也并不意味着我们要做出自发的行为,只是要求我们对赞美和指责作出回应而已。

史蒂芬·平克幽默地调侃这本书引起的争议,试图提供一种冷静和合理的观点。有意思的是,这本书关于艺术(arts)和儿童抚养(parenting)两个问题的内容引来了最多的回应——相当一部分是负面的。我们是应该把那些涉及人类本性的领域视为禁区,敬而远之,还是应该坦诚、踏实地对其进行探索?史蒂芬引用了19世纪一位艺术家的话回答了这个问题:只有知道自己是什么样的,人才能变得更好(Man will become better when you show him what he is like)。的确,“没有什么比这句话更雄辩的了”。

延伸阅读:

Steven Pinker on wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Steven_Pinker

Steven Pinker’s homepage: http://pinker.wjh.harvard.edu/

科学对“灵魂”的解析: http://zengh98purplelake.spaces.live.com/blog/cns!133C5E1268065088!1292.entry?&_c02_owner=1%3F%3F?&sa=309370787

Tabula rasa: http://en.wikipedia.org/wiki/Tabula_rasa

题图照片:
Thinking about you...

舍温·努兰: 亲身经历电休克疗法

提到舍温·努兰(Sherwin Nuland),许多人会马上想起他那部获得1994年美国国家图书奖的经典作品《死亡的脸》(How We Die: Reflections on Life’s Final Chapter),这部有关死亡学(Thanatology)的书写得通俗易懂,甚至在纽约时报畅销书榜单中占据34周之久。作为一名从业30年的医师,舍温·努兰治疗了超过一万名的病人。看过太多的生与死之后,他成为了一名作家和演说家,关注的话题涉及人类的生命、死亡、心智、道德和老龄化等等。他写的10本书(包括《死亡的脸》,见Sherwin Nuland’s books),不仅学术内容丰富,而且深入浅出,充满对人类精神的关怀,值得每个人阅读。

巨大成就的背后却有着鲜为人知的故事。从外表上,我们很难看出一个人真正的内心状态,也很难想象出这个人曾经历过的内心挣扎。在2001年的这次TED演讲(演讲链接)中,舍温·努兰面带笑容,用热情而幽默的口吻为我们讲述了他如何通过电休克疗法(electroshock therapy)战胜严重的抑郁症,找回自我,最终成为著名医师和作家的人生历程。听上去很不可思议,但人生哪里不是充满奇迹?

1930年12月,舍温·努兰出生在纽约的布朗克斯。尽管成长在一个传统的正统派犹太教家庭,但现在舍温·努兰自认为是不可知论者,不过他还是会参加犹太教集会。舍温·努兰毕业于纽约大学,并在耶鲁大学医学院获得了医学博士学位。后来,他成为一名外科医生,同时也是耶鲁大学的教授,主讲生物伦理学和医学。人生不会总是一帆风顺。1970年代初,或许是因为艰难的童年记忆加上第一次婚姻的失败,舍温·努兰患上了严重的抑郁症,脑海中萦绕着强迫思想。在药物治疗失败之后,精神病医院的医生们准备对他进行前脑叶白质切除术(pre-frontal lobotomy)治疗。幸运的是,指派给舍温·努兰的一位住院医生看出这种手术将带来严重的后遗症,他反对进行手术并提出了电休克治疗的方案。进行了两个长疗程之后,舍温·努兰发现自己脑子里那些缠绕不休的想法开始变得清晰。情况变得越来越好,他开始回到医生的圈子中,重新与他人合作;他开始了第二次婚姻,恢复了事业,回到大学并开始写书——一切都变得精彩和美妙起来。

这是一个有关逆境与重生的故事。我们每个人都会遇到逆境,天灾也好,人祸也罢,生命中各种各样的坎坷有时候会让我们手足无措难以招架。但,就好像舍温·努兰提到的古老传说中的凤凰,在每一次浴火重生之后将变得更加美丽。我们要有浴火重生的勇气,才能找到摆脱逆境的途径,活出美丽的人生。

延伸阅读:

电休克疗法(ETC):http://en.wikipedia.org/wiki/Electroconvulsive_therapy

Sherwin B. Nuland on wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Sherwin_B._Nuland

ELECTROSHOCK THERAPY: http://www.electroboy.com/electroshocktherapy.htm

Sherwin Nuland’s books: http://www.randomhouse.com/author/results.pperl?authorid=22417

大卫·盖洛:海洋奇观

大卫·盖洛,来自伍兹·霍尔海洋学研究所(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI)的海洋学家和海洋探索先驱,是海洋与陆地间一名热情的大使。他是最先使用人工控制的潜水器和机器人对海底进行清晰绘图的海洋学家之一,目前指导着深海潜水器阿尔文号(Alvin)的探险活动。他合作领导过对泰坦尼克号和俾斯麦号的探险(与罗伯特·巴拉德的合作)。作为伍兹·霍尔的代表,他还在为海洋和水环境问题积极奔走。

首先让我们来轻松一下,看这段精彩绝伦的视频,一定会让你意犹未尽大呼过瘾。这就是大卫·盖洛(David Gallo)2007年在TED大会上为我们所带来的“水面以下的奇观”(David Gallo shows underwater astonishments)。

跟随大卫·盖洛,我们下降两个半小时来到暗黑的深海,许多不可思议,令人惊叹的表演正在进行。我们看到自体发光(Bioluminescence)的鱼类有的像霓虹灯,有的像转动的风车,最有趣的是一只粉红色的鱼,盖洛将其描述为在飞的火鸡——当然,是烤熟的火鸡。深海动物的发光行为,或是为了吸引猎物,或是为了躲避捕食者,无论是什么原因,从艺术的角度来看,这些都是令人惊艳的美。要感谢来自海洋研究和保护协会(Ocean Research & Conservation Association)的Edith Witter博士,她设计的相机使我们能看到这些奇妙的画面。接着我们来到浅海,大卫·盖洛通过Roger Hanlon博士(伍兹·霍尔海洋学研究所海洋生物学实验室,Marine Biology Lab)的视频向我们讲述头足类动物(章鱼、乌贼、墨鱼等)的本事。它们能够根据周围环境的变化改变自己的颜色、形态,甚至在亮度和质地上与周围的岩石、海藻等融合在一起。完美的伪装是它们进行捕食或躲避的重要手段,同时也是争夺异性的关键。看看这两只打架的雄性乌贼,白色的一侧显示了它们的攻击性;而当雄性乌贼与雌性乌贼玩耍时,它会很巧妙的变换身体两侧的颜色,使雌性乌贼只看到粉红色的一侧,而看不到攻击性的白色一侧。或许人类也要从它们身上学点什么。

早在1998年,大卫·盖洛就曾走上TED的舞台。当时他和比尔·兰格(Bill Lange,同样来自伍兹·霍尔)一起为我们讲述了发生在深海里的生命故事。十年之后,当我们重新回顾的时候,这段影片显得更加精彩和珍贵。

David Gallo on life in the deep oceans

我们对生活在海洋表层不到两百米深度的生物了解很多,但想一想海洋的平均深度是约3800米,就知道我们其实还有大量未知的领域需要探索。在深海,我们可以看到长达150英尺(45.7米)的水母,触手宛如鱼网,上面甚至布满了可以上下跳动的诱饵;我们还能看到长着X形“翅膀”的水母,霓虹般闪烁的水母,还有游动姿势十分可爱的红色章鱼,透明的乌贼,凶神恶煞的灯笼鱼等等,但这些只是深海奇异世界的一小部分。

大洋中脊(the mid-ocean ridge),绵延40400英里(65000公里)的海底山脉,被海洋学家们称为“生命丝带”(the ribbon of life)。通过声纳,以及后来的潜水器、机器人技术,我们不仅可以对这些区域进行绘图,还可以深入到活跃的火山和热液口之间,用摄像机甚至亲眼探索那些丰富多彩充满生机的生物群落(参见海底热液口)。数量庞大的管蠕虫、虾类、螃蟹、鱼类等都生活在这些高温、高压,且充斥着有毒化学物质(主要为硫化物)的极端环境中。维持这一生态系统的便是无数进行着化学合成作用的细菌。在漫长的大洋中脊上,这样的“海底黑烟囱”不仅为数众多,而且都处在不断的变化中。旧的热液口消亡了,新的热液口又产生了,附于其上的生物群也随之处在动态稳定的状态。用大卫·盖洛的话说,它们是很敏感,但并不是那么脆弱。

大卫盖洛最后说道,这个行星上的一切,无论是大陆板块、陆地、海洋、冰川,还是厄尔尼诺等等,都是在依据着某种韵律不断地循环运动中,这就像音乐,一场历时数十亿年的大型交响乐。我们要做的,就是去搞清楚在不同的范围尺度上所发生的一切,学着去掌握它,保护它,并由此找出我们星球未来的方向。

是的,或许我们无法决定最后的结局,但我们可以决定是否努力去追求一个更好的结局。

题图照片

题图照片来自Flickr, 由TANAKA Juuyoh (田中十洋)上传于2007年10月16日,原照片选用“署名”的CC协议。

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