1.我們是由細胞組成的在討論物質結構時，我們有意漏掉了相對數量很少、然而都極為重要的一類物體。這類物體由於是活的而和宇街間其他一切物體不同。生物和非生物間有什麼重要區別呢？曾經成功地解釋了非生物的各種性質的物理學基本定律，現在用以解釋生命現象時有多大的可信程度呢？ 當談到生命現象時，我們往往想到一些很大很複雜的活體，如一株樹、一匹馬、一個人。但是，如果從這樣複雜的機體著手研究生物的基本性質，那就無異於在分析無機物的結構時以汽車之類的複雜機器為物件，結果必然是無益的。 這樣做所會遇到的困難是很明顯的。一部汽車是由材料、 形狀和物理狀態各不相同的成千個部件組成的。有一些（如鋼製底盤、銅製導線，玻璃風擋等）是固體，還有一些（如散熱器中的水，油箱中的汽油、氣缸中的機油）是液體，還有一些 （如由汽化器送入氣缸的混合氣）是氣體。因此，在分析這個叫做汽車的複雜物體時，第一步是把它分解成物理性質一致的分離部件。這樣，我們就會發現，汽車是由各種金屬（如鋼、 銅、鉻等）、各種非晶體（如玻璃、塑膠等）和各種均勻的液體 （如水、汽油等）所組成。 然後，我們可進一步憑藉各種物理研究手段進行分析，從而發現，銅製部件是由小粒品體組成的，每粒晶體又是由一層層銅原子有規則的剛性連線疊成的；散熱器內的水是由大量 • 205
鬆散聚集在一起的水分子組成，每一個水分子又由一個氧原子和兩個氫原子組成；透過汽化器閥門進入氣缸的混合氣則是由一大群高速運動的氧分子、氮分子和汽油蒸氣分子攙雜在一起組成的；而汽油分子又是碳原子和氫原子的結合體。 同樣，在分析象人體那樣複雜的活機體時，我們也先得把它分成單獨的器官，如腦、心、胃等等，然後再把它們分開，得到生物學上的單質，叫做“組織”。 這各種各樣的組織，可以說是構成複雜生物體的材料，正如各種在物理上的單質組成了機械裝置一樣。從這種意義上來說，根據各種組織的性質來研究生物體作用的解剖學和生物學，是和根據各種物質的力學、磁學、電學等性質來研究這些物質所組成的各種機器的作用的工程學相類似的。 因此，單靠弄清各組織如何組成複雜的機體，還不能夠解答生命之謎，我們必須搞清楚各機體中的組織在根本上是如. 何由單個不可分單位組成的。 如果你認為，可以將活的單一生物組織比做普通物理單質，那可是個大錯誤。事實上，隨意選取一種組織（皮膚組織、 肌肉組織、腦組織等）在低倍顯微鏡下觀察一下，就會發現這. 些組織裡包含有許多小單位，這些小單位的本性或多或少地決定了整個組織的性質（圖90）。生物的這些基本組成單元一般稱為“細胞”，也可以叫做“生物原子”（也就是“不可再分植物組織沁骯肌肉組織坶癿圖90 各種型別的細孢腦想織細胞 - 206 •
忄老”），這是因各種組織的生物學性質至少要在有一個單個 -細胞時才能保持下去。 例如，要是把脫肉組織切成半個細胞那麼大，它就會完全失去肌肉所具有的收縮性和其他性質，正如半個鎂原子就不再是鎂，而是極小的一塊煤”一樣。 構成組織的細胞是很小的（平均粗細只有百分之一毫米2）。一般的植物和動物都由極多個細胞組成，例如，一個成年人就是由幾百萬億個細胞組成的！ 小一些的生物體，細胞總數當然要少些。如一隻蒼蠅，一頭螞蟻，至多不過有幾億個細胞。還有一大類單細胞生物，如阿T 米巴、真茵（能引起“金錢癬”的那一種）和各種細菌，它們都是由單獨一個細胞構成的，只有在高倍顯微鏡下才能看到。對於這些在複雜機體中泰然擔當其“社會職能”的單個活細胞所進行的研究，是生物學上最激動人心的篇章之一。 為了對生命問題有個概括的瞭解，我們必須對活細胞的結構和性質作出解答來。 活細胞憑什麼性質而和一般無機物或死細胞—如做書桌的木頭，製鞋子的皮革中的細胞——不同呢？ 活細胞有如下幾個特妹的基本性質：（1.）能從周圍物質中損取自己需要的成分，（2）能把這些成分變為佛自己生長所用的物盾，（3）當它的體積變得足夠大時，能夠分成兩個與原來相同但小一倍的細胞（每個新細胞仍然能再長大）。由單個 1）大家想必還記得原子結構那一章的內容：一個鎂原子（原於序數12，原子量24）的原子核有12個質子和12箇中子，核外環繞著12個電子。按鎂原子核對半分開，就會得到兩個新原子，每個原子有6個質子、6箇中子和6個電子一一這正是兩個碳原子。 2）有的細胞是很大的。例如，整個雞蛋黃就是一個細胞。不過，即使在這種情況下，細胞中有生命的部分仍然是隻有顯微尺寸的，其餘大部分螢物質只是些為雞的胚胎髮育所儲存的養料。 • 207
細胞組成的複雜機體，不用說也都具有“吃”、“長”、“生”這三好挑剔的讀者可能會反對說，這二個性質也存在予普通的無機物質之中。例如，在過飽和的食鹽水”中扔進一小粒食鹽，在它的表面上就會“長”出一層層來自溶液（更確切地說， 是從溶液中被趕出來）的食鹽分子。我們還能進一步設想，當這粒品休達到一定的大小後，會因某種機械效應——如重是的增加—而裂成兩半；這樣形成的“子晶“還可以接著長下去。為什麼不把這個過程看作“生命現象”呢？ 在回客這一類問題時，首先要指出，如果只把生命現象看成較為複雜的普通物理及化學現象，那麼，生物和非生物之間是不會有什麼明確的界線的。這正如在以統計定律描述大量氣體分子的運動狀況時，我們不能確定統計定律的適用界限一樣（見第八章）。事實上，我們知道，充滿一個大房間的氣體不會突然自行聚集在一個角落裡，至少這種可能性是小到幾乎不存在的；但我們也知道，如果在整個房間裡只有兩個，三個，或者四個分子，那麼，這種集中的情況就會經常發生了。 但是，我們能找到這兩種不同情況在數量上的分界線嗎？ 那是一千個分子，是一百萬個，還是十億個呢？ 同樣，在涉及食鹽在水溶液中的結晶之類現象和活細胞的生長分裂現象時，也不能期望存在一一個明確的界線。生命現象雖然比結晶這種簡單分子現象複雜得多，但從根本上來. 講，卻並沒有什麼不同。 1》過飽和食鹽水可按下法制得。在熱水中溶解多量的鹽，然後冷卻到室溫。 由於溶解度防溫塞的降低而減小，水中就會含有比水能夠溶解的數量還要多的食鹽分子。然而，這些多餘的分子能在溶液中保持很長時間，直到扔進一小粒鹽為止。可以說，這粒鹽提供了起動力，是將食鹽分予從溶我中“遷徒7出來的組織者。 • 208
不過，對於剛才那個例子，我們倒是可以這樣說：晶體在諮液中生長的過程，只不過是把“食物”不加變化地集中在一起，只是原來和水混在一起的鹽分子簡單地聚集到品體表面上來，這只是物質的單純機械增減，而不是生物化學上的吸收：晶粒的偶然裂開也不過是由力造成的，而且各裂塊的大小也不成比例，這與活細跑由於內部作用力的結果而不斷準確分成兩個細胞實在沒有什麼相似之處，因此，不能將它看成生命現象。 再來看著下面這個例子，它與生物學過程更為相似。如果在二氧化碳水溶液中加入一個酒精分子（CH;OH）後，這個酒精分子能夠自行把水分子和二氧化碳分子一個個合成新的酒精分子”，那麼，我們只要往蘇打水中滴人一滴威士忌，就會把全部蘇打水變成純威士總酒。這下子，酒精就真的可算 HH C-OH --0H Y 圖91 假如一個酒精分子能夠把水分子和二氧化碳份子組合成一個個新的酒精分子的話，就會是這個樣子。如採這科“自我合成”真能實現的活，那就類該把酒精A作活物了 1這個想象的化學反應的方程式如下： 3H$0+2C0+［CHOH］-2ICH,OH］+30 •269-
是個活物了！ 這個例子並非純屬虛構，後面我們可以看到，確實存在一種叫做病毒的複雜化學物質，它的複雜分子（由幾十萬個原子組成）就能夠從周圍環境中取得分子，把它們構成與自己相同的分子。這些病毒既應被看作是普通的化學分子，又應被看作是活的機體，因而正是連線生物與非生物的那一個“丟失的環節”。 但是現在，我們還是回到普通細胞的生長和繁殖的問顯上來，因為儘管細胞很複雜，但它畢竟還是最簡單的活機體。 在一架良好的顯微鏡下可以看到，一個有代表性的細胞是一種具有相當複雜的化學結構的半透明膠狀物質，這種物質一般稱為原生質。原生質外面有一層細胞壁包著，在動物細胞中這是一層薄而柔軟的膜，在各種植物細胞中則是一層使植物獲得一定強度的厚而硬的壁（參看圖90）。每一個細胞內都有一個小小的球狀物，稱為細胞核，它是由外形象一張細網的叫做染色質的東西構成的（圖92）。要注意，細胞中原生質的各部分在正常情況下對於光的透射率都是相同的，因此不能直接在顯微鏡下看到活細胞的結構。為了看到細胞的結構，我們必須給細胞染色，這是利用原生質各部分吸收雜料的能力不同這一現象。原子核的細網特別能吸收加入的染料， 因此就能在淺色背景上突出地顯露出來”。“染色質”（即“吸收顏色的物質”）的名稱就是這樣得來的。 當細胞即將進行分裂時，細胞核的網狀組織會變得大大不同於往常，成了一組絲狀或棒狀的東西（圖926和c），它們叫做“染色體”（即“吸收顏色的物體”）。請看後面圖版V的A 1在一張紙上用白蠟寫字，宇跡也是顯露不出來的。如果此後用鉛筆將絨塗黑，由於被婚覆蓋的紙面不會沾上石影，宇跡就清楚地在黑色背低上顯現出來了。這兩者是同一個道理。 •210 • • *
名 d 圖92 細胞分裂的各個階段（有絲分裂） 廠. 和BD。 任意選定一個物種，它體內的所有細胞（生殖細孢除外） 都含有相同數目的染色體；而且.一般說來，生物越是高階，染色體的數目也就越多。 小小的果蠅曾大大幫助生物學家瞭解過生命之謎，它的每個細胞裡有八條染色體。豌豆有十四條。玉米有=十條。 1）應該注意，給細跑染色往往會把它們殺死，從ii觀察不到細胞的活動。因此，圖92 所示的細胞分裂並不是觀察一個細跑，而是給處於不同發展階段的不同細跑染色的結果。從原理上說，這兩者是沒有什麼不同的。 • 211
生物學家自己以及所有的人，細胞裡都有四十六條染色體。看來人們可以日豪一下了，因為這從數學上證明了人比芯蠅優越六倍；可是蛤蜊的細胞裡卻有二百條染色體，又是人的四倍多，所以，看來還是不能一概而論啊！ 重要的是，一切物種細胞內染色體的數目都是偶數，而且構成幾乎究全相同的兩蛋（見圖版 VA，例外的情況要在本章中另行討論），一套來自父體，一套來自母體。來自雙來的這兩套染色體決定了一生物的複雜的遺傳性質，並且代代相傳下去。 細胞的分裂是由染色體發端的：每一條染色體先沿縱方向堅齊地分成較細的兩條。這時，細胞體仍作為一個整體存在（圖92d）。 當這團糾結的染色體開始變整齊些，並要進行分裂的時候，有兩個位於細胞核外緣、相互靠得很近的中心體逐漸離開，移向細胞的兩端（圖922，b和c）。這時，在分開的中心體和細胞核中的染色體間有細線相連。當染色體分開後，每一半都因細線的收縮被拉問相鄰的中心體（圖92e和£）。當分裂過程將近尾聲時（圖92g），細胞膜（壁）沿中心線凹陷進去（圖 92h），每一半細胞都長出一層薄膜（壁），這兩個只有一半大的細胞互相離開，於是出現了兩個分開的新細胞。 如果這兩個了細胞從外界獲得充足的養分，它們就會長得和上一代細胞一樣大（即長大一倍），並且再經過一良時間後，又會照同樣方式選行進一步的分烈。 對於細胞的分裂，我們只能給出如上的各個步驟，這是來自直接觀察的結果。至於對這些步驟進行科學的解釋，則由於對相應各個物理化學作用力的確切本質道得太少，至今還不能作出。要對細胞整練作物理分析，細胞似乎還是太複雜了些，因此，在攻克細胞問題之前，最好先弄清染色體的本質。 •212
= 『. 這比較簡單一些，我們要在下一節講它。 不過，如果先把由大量細胞組成的複雜生物的繁殖過程弄清楚，還是比較有用的。這裡可以提出這麼一個問題：是先有蛋呢，還是先有雞？共實，在這類反覆迴圈的過程中，無論先從會生蛋的雞開始，還是先從能孵出小雞的蛋開始，情況都是一樣的（其他動物也是一樣）。 我們就從剛出殼的小雞開始吧。一隻正在孵化的小雞， 是經歷了一系列連續分裂而迅速長成的。大家記得，一隻成的動物體是由上萬億個細胞組成的，而它們統統由一個受精卵細胞不斷分裂而成。乍一看來，恐怕自然會以為這個過程一定需要好多好多代的分裂才能成功。不過，如果大家還記得我們在第一章所討論過的問題，即西薩•班向打算賞賜他的那位馬大哈王紫取構成幾何級數的六十四堆麥粒，或是重新安置決定世界末日的六十四葉金片所的時間，便能看出，只需為數不多的分裂次數，就能產生出極多的細胞來。如果用*表示從一個細胞變為成年人所有細胞所需的分裂次數，根據每一次分裂都使細胞數目加倍（因為一個細胞變為兩個），便可以列出下式： 2- ∞ 10½ 求解後得 ×=470 因此，我們身體裡的每一個細胞，都是決定我們的存在的那個卵細跑的大約第五十代後裔”。 動物在小時候，細泡分裂進行得很快，但在成熟的生物體內，大多數細胞在正常情況下處於“壞眠狀態”，只是偶而分裂一下，以補償由於外損內耗所造成的數量減少，作到“收支相 1）將這個計算式和鉛果日決定原子洋燥炸的公式（見第七章）比較一下是很有趣的。使一公廳鈾的每一個原子（共2.5×101*個）都進行裂變所需次數是由類似的式子2-2.5×10決定的。求解後，得×=61. •213•
抵”。 現在，我們來討論一類特珠的細胞分裂，即負責生殖的 “配子”（又叫“婚姻細胞”）的分裂過程。 各種具有兩個性別的生物體，在它們的早期階段，都有一批細胞被放到一邊“儲備起來”，以供將來生殖時使用。這些位於專門生殖器官內的細胞，只在器官本身成長時進行幾次一般分裂，分裂次數大大少於其他器官中細胞的分裂次數，因此，到了該用這些細胞來產生下一代吋，它們仍然還是蓬勃健旺的。這時，這些生殖細胞開始進行分裂，不過是以另一種方式、一種比上述一般分裂大為簡單的方式進行：構成細胞核的染色體不象一般細胞那樣劈成兩半，而是簡單地互相分開（圖93日b和c），從而使每個子細胞得到原來染色體的一半。 一般分裂被稱為“有絲分裂”，而這種產生“部分染色體” 細胞的分裂方式被稱為“減數分裂”。由這種分裂所產生的予細胞叫做“精子細胞”和“卵細胞”，或若叫雄配子和雌配子。 圈9 配子的生成（2,b，）和卵細跑的受精（dc,f）。在第一階段（減數分裂），所能備的生殖細胞未經劈裂就分成兩個半細胞”；在第二階段（配合），精細胞鑽人卵細胞。它們的染色體配合起來，這個受精卵從此開始進行圖92那樣的正常分袋 • 214¢ - •
細心的讀者可能會產生一個疑問：生殖細胞是分裂成兩個相同的部分的，那怎麼能產生雄、雌兩種配子呢？情況是這樣的：在我們前面已提到過的那兩套幾乎完全相同的染色體中，有一對特的染色體，它們在堆性生物體內是相同的，而在雄性生物體內是不同的。這對特的染色體叫做性染色體，用X和Y這兩個符號來區別。雌性生物體內的細胞只有兩條X染色體，而雄性生物體內則有X，Y染色體各一條”。把一條X染色體換成Y染色體，就意味著性別的根本不同（圖 94）。 X,Y單色休備一條兩條x梁色體圖94 男子和女子“票面值”的不同。女子的所有細胞都含有 23對兩兩相同的染色體，男人刧有一對不相同。這一對中有一條X染色體和一條Y染色體。在女子的細胞中，兩條都是 X染色體由於雌性生物的生殖器官中，所有細胞都有一對X染色體，當它們作減數分裂時，每個配子得到一條&染色體。但是每個雄性生殖細胞有×染色體和Y染色體各一條，在它所分裂成的兩個配子中，一個含有X染色體，一個含有Y染色體。 在受精過程中，一個雄配子（精子細胞）和一個雌配子（卵 1）這種說法對人類和所有哺乳動物都是適用的。鳥類的情況拾恰相反，如公雞有兩條相同的性染色體，而母雞卻有不同的兩條。 • 215•
細胞）進行結合，這時，可能產生含有一對又染色體的細孢，也可能產生含有X染色體和Y染色體各一條的細胞，這兩若的機會是均等的。前者發育成女孩，後若發育成男孩。 這個重要的問題，我們在下一節還要講到。現在還是接著講生殖過程o 精子細胞和卵細胞結合，這叫“配子配合”，這時得到了一個完整的細胞，它開始隊圖92所示的“有絲分裂”方式一分而二。這兩個新細胞在經過一個短暫的休止後，又各自一分為二，這四個細胞又各行分裂，這樣進行下去，每一個子細胞都得到原來那個受精卵中染色體的一份精確的複製品。所有的染色體有一半來自父體，另一半米白母體。受精卵逐步發育，成為成熱個體的過程由圖95簡略地表示出來。 在圖95（a）中，我們看到的是精子進入休眠的卵細胞體中。這兩個配子的結合促發這個完整的細胞開始進行新的活動。它先分裂成兩個，然後是四個、八個、十六個、等等（圖95b， •，d,e）。當細胞數目變得相當大時，它們就會排列成肥皂泡狀，每個細胞都分佈在表面上，以利於更方便地從周圍的營養介質中得到食物（f）。再往後，細胞會向內部空腔裡凹陷進去 （g），進人“原腸胚”階段。這時，它象是一個小荷包，荷包的開口兼供進食和排洩之用。珊瑚蟲之類動物的發育就到此為止，而更為進化的物種則繼續生長和變形。一部分細胞發展成為骨骼，另一些細胞則變為消化、呼吸和神經系統。在經歷了胚胎的各個階段後（iD，最終成為可辦認出其所屬物種的生物（k）。 我們已提到過，在發育的機體中，有一些細胞從早期發展階段起就可以說是被放到一旁儲存起來，以供將來繁殖之用。 當機體成熟後，這些細胞又經歷了減數分裂，產生出配子，再從頭開始上述整個過程。生命就是這樣延續下來的。 • 216 • •
卵黃 • 圖95 從卵細胞到人 • 217•
2. 遺傳和蒸因在生殖過程中，最偵得注意的是，來白雙親的兩個配子發育成的新生命，不會長成別的任何一種生物，它一定會成為自已父母以及父母的父母的複製品，雖然不完全一樣，卻也相當忠實。 事實上，我們確信，一對愛爾蘭塞特獵犬生出的小狗崽， 長不出一頭大象或-只兔了的模樣，也不會長成大象那麼大， 或長到兔子那麼大就不再長；它就是生就一付狗相：它有四條腿、一條長尾巴，頭部兩側各有一隻耳朵和一隻眼睛。我們同時還可以頗有把握地預言，它的耳朵會是軟軟地下垂著的，它的毛會是長長的、金棕色，它大概一定很喜歡出獵。此外， 它身上一定還在許多細微的部分保留著它的父母、甚至它的老祖先的特點；與此同時，它一定也有若千自己的獨特之處。 所有這各種各樣被賦與良種塞特獵犬的特性，是怎樣被放進用顯微鏡才能看到的配子中去呢？ 我們已經知道，每一個新生命都從自己的父母那裡各自得到正好半數的染色體。很明顯，作為整個物種的大同之處， 一定是在父母雙方的染色體中都具備的，而單獨個體的小異 ‘之處，一定是從單方面得來的。而且，儘管我們可以相當肯定地認為，在長期的過程中，在許多世代之後，各種動、植物的大多數基本性質都可能發生變化（物種的進化就是個明證），但在有限的時內，人們只能觀察到很微小的次要特性的變化。 研究這些特性及其世代延續，是新興的基因學的主要課題。這門學科雖然尚處於萌芽時期，但已能給我們講許多關於生命的最深層的隱秘而激動人心的故事。例如，我們已經知道，遺傳是以數學定律那樣簡的方式進行的，這就與絕大部分生物學現象截然不同，天而也就說明，我們所研究的正是 • 218
• 生命的基本現象。 下面就以大家熱知的色盲這種人眼的缺陷為例來探討一下。最常見的色盲是不能區別紅、綠二色。要想弄清色盲是怎麼回事，先得明白為什麼我們能看到顏色，又得研究一下視網膜的複雜構造和性質，還得了解不同光波所能引起的光化學反應，等等，等等。 如果再問及關於色盲的遺傳這個問題，乍一看來似乎會比解釋色盲現象本身還要複雜。可是，答案卻是意思不到的簡單了。由直接統計可以得出：（1）色盲中男性遠多於女性，（2）色盲父親和“正常”母親不會有色盲孩於。（3）“正常” 父親和色盲母親的兒子是色盲，女兒則不是。由這幾點可以清楚地看出，色盲的遺傳必然與性別有一定關係。只需假定產生色盲的原因是由於一條染色體出了毛病，並且這條染色體代代相傳，我們就可以戶邏輯判斷得到進一步的假設：色盲是由X染色體中的缺陷造成的。 從這一假設出發，從經驗得米的色盲規律就像白天那麼清楚了。大家還記得，雌性細胞中付兩條雙染色體，而雄性只有一條（另一條為Y染色體》。如果男性中這唯一的一條X染色體有色盲缺陷，他就是色育；而女性只在兩條X染色體都有這種毛病時才會成為色，因為一條染色體已足以使她獲得感黨顏色的能力。如果X染色體中帶有色盲敏陷的機率為千分之一，那麼，在一千個男人中就會有一-個色盲。同樣推算的結果，女性中兩條X染色體部有缺陷的可能性則應按機率乘法定理計算（見第八章），即 1 1 -X- = 1000 1000 1,000,000° 所以，一百萬個婦女中，才發現一名完天色盲的希望。 我們來考慮色盲文夫和“正常”妻下（圖96a）的情況。他 •219•
們的兒子只從母親那裡接受了一條“好的”x染色體，而沒有從父親那裡接受X染色體，因此，他不會成為色盲。 另一方面，他們的女兒會從母親那兒得來一條“好的“x 染色體，而從父親那裡得到的則是“壞的”。這樣，她不會是色盲，但她將來的孩子（兒子）可能是色育。 3 名圖96 色盲的遺傳在“正常”丈夫和色育妻子（圖96b）這種相反情況下，他們兒子的唯一X染色體一定來自母體，因而一定是色宣；而女兒則從父親那裡得來一條“好的”，從母親那裡得米一條“壞的”，因而不會是色盲。但也和前面的情況一樣，她的兒子可能是色盲。這不是再簡單不過了嗎？！ 象色苣這樣需要—對染色體金部有了改變才能表現出某種後果來的遺傳性質，叫做“隱件遺傳”。它們能以隱蔽的形式，從祖父、外祖父一輩傳給孫子、外孫一輩。在偶然情況下， 兩條漂的德國牧羊犬會生出一條與德國牧羊犬完全不同的小崽來，這個悲像事件就是上述原因造成的。 •220•
與此相對的“顯性遺傳”也是有的，這就是在一對染色體中只要有一條起了變化就會表現出來的方式。我們在這裡離開了基因學的例項，用一利想象的怪兔來說明這類遺傳。這種怪兔生來就長著一對米老鼠*那樣的耳朵。如果假設這種“米式耳朵”是一種顯性遺傳特性，即只消一條染色體的變化就能使兔子耳朵長成這種丟臉相（對兔子來說），我們就能預言後代兔子的樣子會如圖97所示（假定那隻怪兔及其後代都與正常兔子交配）。造成“米式耳朵”的那條不正常的染色體在圖中用一小塊黑斑標出。 克圖 97 除了顯性和隱性這兩種非此即彼的遺傳特性之外，還有可稱作“中間型”的一種。如果我們在花園裡種上一些開紅花和開白花的草菜莉，那麼，當紅花的花粉（植物的精細跑）被風或昆蟲送到另一朵紅花的雌蕊上時，它們就與雌蕊基部的胚 *米老鼠是美國童語中的一個重要角色。它是一隻老鼠，但耳朵長成半圓形。——評者 •221
球（植物的卵細胞）結合，並發育成種子。這些種子將來還開紅花。同樣，白花與白花的種子，也還會開出白花來。但是， 如果白花的花粉落到紅花的雌蕊上，或者紅花的花粉落到白花的維蕊上，這樣得到的種子將會開出粉紅色的花朵來。然而不難看出，粉紅色花朵並不代表一種穩定的生物學品種。如果在它們之間授粉，將會有50%的下一代開粉紅花朵，25%開紅色花朵；25%開白色花朵。 對於這種情況，只需假設花朵的紅色或白色的性質是附在這種植物細胞的一條染色體之中，就很容易得到解釋。如果兩條染色體相同，花的顏色就會是純紅或純白；如果一條是紅的，另一條是白的，這兩條染色體爭軟的結果，是開出粉色的花朵來。請看圖98，這張圖繪出了“顏色染色體”在下代萊花中的分佈，我們可以從中看出前面提到的那種數值關係。 照圖98的式樣，我們可以毫不費力地畫出，在白色和粉色茉莉的下一代中，含有50%的粉花和白花，但不會有紅花：同樣， 從紅花和粉花可育出一半的紅花和一半的粉花來，但是不會出現白花。這些就是遺傳定律，是由上一世紀的一位塞拉維亞教派僧侶、謙和的孟德爾（Gregor Mendel）在布魯恩的寺院裡栽種豌豆時發現的。 到國前為止，我們已經把新生生物承繼來的各種性質與它們雙親的不同染色體聯絡起來了。不過，生物的各種性質多得幾平數不清，而染色體的數目相對來說又為數不多（蒼蠅八條、人類四十六條），我們必須假設每一條染色體都攜有一長串特性才行。因此，可以想象這些特性是沿著染色體的絲狀形體分佈著。事實上，只要看一看圖版 VA 所攝的果蠅唾液腺體的雜色體”，就很難不把那些沿橫向一層層分佈的許多 1）大多數生物的染色體部極小，而承蠅的染色體相對說來要大得多，因此進行顯微攝影比較容易。 • 222• ¢
紅色色圖 98 暗黑條紋看成載有各種性質的處所；其中有一些橫道控制著果蠅的顏色，另一些決定了它翅膀的形狀，還有一些分別註定它要有六條腿、身長四分之一英寸左右，並且看得出是一隻果蠅，而決不是一條蜈蚣或一隻小雞。 事實上，基因學告訴我們，這種印象是正確的。我們不但可以證明染色體上的這些小小的組成單元—即所謂“基因”——本身載有各種遺傳性質，還常常能指出其中的哪些基因決定了什麼具體特性。 不過，即使用最大倍率的顯微鏡來觀察，所有的基因也都有幾乎同樣的外表，它們的不同作用一定是深深地隱藏在分子結構內部的某個地方。 • 223、
因此，思要了解每個基因的“生活目的”，就得細心講究動植物在一代代蓄衍中各個遺傳性質的傳遞方式。 我們已經知道，仔一個新生命從自己父母那堅各得到一半數目的染色休c既然父母的染色體又都是它們自己父母染色休的一半組成的，我們可能會想到，這個新生命從祖父或祖母，外祖父或外祖母方面，只能分別得到一個人的遺傳。但事實不一定如此，有時祖父、擔母、外祖父、外祖母都把自己的某些特性傳給自己的孫輩。 這是否推翻了上述染色體的傳遞規律呢？不，這個規律沒有錯，只是過於簡單了。我們必須考慮到這樣一種情況：當被儲備起來的生殖細胞準備進行減數分裂而變成兩個配子時， 成對的染色體往往會發生纏結，交換其組成部分。圖99a和 6 簡示了這類導致來自父母的基因混雜化的交換過程，這就 X中 7 • •4 己圖 99 •22∞
是混合遺傳的原因。還有這樣一種情況：一條染色體本身也可能彎成一個圈子，然後再從別的地方斷開，從而改變了基因的順序（圖99c，圖版 VB）。 顯然，兩條染色體的部分交換及一條染色體的變更順序非常可能使原來相距很遠的基因接近，而使原來的近鄰分開。 這就如同給一副撲克錯一下牌，這時雖然只分開一對記鄰的牌，卻會改變這一付牌上下兩部分的相對位置（還會把首尾兩張牌湊到一起）。 因此，如果某兩項遺傳性質在染色體發生改變的情況下， 仍然總是一起發生或消失，我們就可以判斷說，它們所對應的基因在染色體中一定是近鄰；相反的，經常分開出現的性質，它們所對應的基因一定處在染色體中相距很遠的兩個位置上。 美國基因學家摩爾根（Thomas Hunt Morgan）和他的學薑時聯粗遞拔齦 𡡅截翅政當期我連期狀服陸財無麻系三舶砂眼無毛臺尊眼規糙厥虹工也小刷型 +附€9 圖 100 • 225
派沿著這個方向進行研究，併為他們的研究物件果鱕確定了染色體中各基因的固定次序。圖100就是透過這種研究工作給果蠅的四條染色體列出的基因位置表。 象圖100這樣的圖表，當然也能以更復雜的動物和人作物件作出來，只不過這種研究需要更加仔細和當心就是了。 3. “活的分子”——基因對活機體的極為複雜的結構逐步進行分析之後，我們現在似乎已經接觸到生命的基本單元了。事實上，我們已經看出，活機體的整個發展過程和生物發育成熟後的幾乎所有的性質，都是由深深藏在細胞內部的一套基因控制著的。簡直可以這樣說，每一個動物和每一株植物，都是“圍繞”其基因生長的。如果打一個極其粗略的比方，可以說，活機體和基因之間的關係，正類似於大塊無機物質的原子核之間的關係。任何一種物質的--切物理性質和化學性質，都可歸結到以一個數字表示其電荷數的原子核的基本性質上去。例如，有6個基本電量單位的原子核，周圍會聚攏來6個電子；具有這種結構的原子傾向於排成正六面體，成為有極高硬度和高折射率的物質，即所謂金剛石。再如一些分別帶有29個、16個和8 個電荷的原子核，會彩成一些緊緊連在一起的原子，它們組成那種稱為硫酸銅的淺藍色物質。當然，活的機體，即使是最簡單的種類，也遠比任何品體複雜得多，但是，它的各個宏觀部分，都是由微觀上進行組織的話性中心完全決定的。就這個典型的特點來說，兩者是相同的。 這些決定生物一切性質——從玫瑰的香味到大象鼻子的模樣——的組織中心有多大呢？這個問題很容易回答：把染色體的體積，除以它所包含的基因數目。根據顯微觀測，一條染色體的平均粗細有千分之一毫米，也就是說，它的體積為 • 226 •
10-1立方厘米。實驗表明，一條染色體所決定的遺傳性質意有幾千種之多，這可透過計數果蠅那條大染色體上橫列的暗道（單個基因）的個數而直接得出”（圖版V）。用染色體總體積除以單個基因的個數，得出一個基因的體積不會大於10-# 立方厘米。原子的平均體積約為10-3立方厘米* ［~（2× 10-93， 因此，結論是：每個單個的基因一定是由約一百萬個原子姐成的。 我們還可以計算出基因的重量。以人為例，大篆知道，成年人有10*個細胞，每個細胞有四十六條染色體，因此，人體內染色體的總體積約為101×46 ×10-1650立方厘米，也就是不到兩盎司*重（人體密度與水相近）。就是這點微不足道的“組織物質”，能夠在它的周圍建立起比自己重幾幹倍的動植物體的複雜“包裝”米。正是它們“從內部”決定著生物生長的每一步和結構的每一處，甚至決定著生物的絕大部分行為。 不過，基因本身又是什麼呢？它是不是也應被看作能夠再細分下去，成為更小的生物學單位的複雜“動物”呢？答案是一個斬釘截鐵的“不”字。基因是生命物質的最小單位。進一步說，我們除了肯定基因具有生命的一切特性，因而和非生物不同之外，我們現在也不懷疑它們同時還和遵從一般化學定律的分子（如蛋白質）有關。 換句話說，有機物盾和無機物質之問那個過波的環節（即本章開頭時所考慮到的“活分子”），看來就存在於基因之中。 基因一方面具有明顯的穩定性，可以把物種的性質傳遞幾千代而不發生任何變化；另一方面，構成一個基因的原子數相對說來並不很大，因此，確實可以把它看作設計得很好 12一般的雜色體都太小了，顯微鐮不能分辨出單個基因來。 *盎司，英制童景單位。一盜司約為28.35克.—一譯者 • 227
的、每一個原子或原子團都按預定位置就座的一種結構。不同的基因有不同的性質，這反映到外部來，就產生了各種不同的器官。這種情況可以認為是基因結構中原子分佈的變化所引起的。 我們來看一個簡單的例子。TNT（三硝基甲苯）是在上兩次世界大戰中起了重要作用的爆炸性物質，侖的分子是由七個碳原子、五個氫原子，三個氮原子和六個氧原子接下列方式之一排列成的： IL-G-I H H-C-E C H-6SN-C C-NK ◎ 0 H-C H-C C-EI H-C H-0 g • 0 Y 0 這三種方式的不同之處，在於N！ 原子團與碳環的連線方式不同。由此得到的三種物質一般叫做 aINT,BTNT和 YTNT。這三種物質都能在實驗室中合成，而且都有爆炸性。 但在密度、溶解度、熔點和爆炸力等方面，三者稍有差別。使用標準的化學方法，人們可以不大費力地把入原子團從一個連線點上移到同一分子的其他點上去，從而把一種 TNT 換成另外一種。這類例子在化學中是很普遍的，分子越大，可以得到的變型（同分異）就越多。 •228• • •
如果把基因看做由一百萬個原子組成的巨大分子，那麼， 在這個分子的各個位置上安排各個原子團的可能情況，可就多得不得了啊！ 我們可以把基因設想成由週期性重複的原子團組成的長鏈，上面附著各種其他原子團，像手鐲上面掛有墜飾那樣。近年來，生物化學已進展到能確切地畫出遺傳“手鐲”的式樣了。 它是由碳、氮、磷、氧和氫等原子組成的，叫做核糖核酸。在圖 101中，我們把決定新生嬰兒眼睛顏色的遺傳“手鐲”，以超現實主義的手法畫出了一部分（省去了氮原子和氫原子）。圖中的四個墜飾表明嬰兒的眼睛是灰色的。把這些墜飾換來換去， 可以得到幾乎是無限多的不同分佈。 -F 0-P） 圖101 決定眼晴顏色的遺傳“手錫”（核酸分子） 的一部分（已被大大簡化了） 例如，如果一個遺傳“手鐲”有一十個不同的墜飾，它們就會有1×2×3X4X5X6×7×8X9×10=3,628,800 種不同的分佈。 如果有一些墜飾是相同的，不同排列的總數就會少—些。 上述那十個墜飾如果兩兩相同（共五種），就只會產生113,400 種不同的排列。然而，當墜飾的總數增多時，排列的可能數目就會迅速增加。例如，當墜飾為五種、每種五個（即共二十五 • 229•
個）時，可產生約62,330,000,000,000種分佈！ 因此，可以看出，既然在大的有機分子裡，各種不同的“墜飾”在每個“懸讀“上可以產生如此眾多的分佈，這就不但可以滿足一切實際生物變化的需要，而且哪怕是我們用想象力發明出最荒誕的生物來，這個數目字也是應付得了的。 對於這些沿絲狀基因外子排列的、起決定生物性質作用的墜飾來說，有一點很為重要，這就是它們的分佈有可能自發地改變，從而使整個生物體在宏觀上發生相應改變。造成這種改變的最常見的原因是熱運動。熱運動會使整個分予的形體象大風中的樹枝一樣彎來扭去，在溫度足夠高時，分子體的這種振擺會強烈到足以把白己撕裂開來——這就是熱離解過程（見第八章）。但是，即使在溫度較低、分子能夠保持完整時，熱振動也可能造成分子內部結構的某些變化。例如，可以設想，連線在分子某處的墜飾在分子扭動時會與另外一個“懸鉤”接近，這時，它有可能相當容易地脫離自己原來的位置，而連線到新的鉤於上去。 這種同分異構”轉變現象會在普通化學中那些較為簡單的分子中發生，這是大家都知道的。這種轉變也和一切其他化學反應一樣，遵從這樣一條基本的化學動力學定律：每當溫度升高10°C，反應逮率大約加快一倍。 對於基因分子這種情況，由於它們的結構太複雜，恐怕在今後一段相當長的時間內，有機化學家們也未必能把它搞清楚。因此，目前還沒有一種化學分析方法能直接驗證基因分子的同分異構變化。不過，有一種現象，從某種角度來說，可以說比費力的化學分析要好得多。這就是：如果在雄配子或雌配子的基因中有一個發生了同分異構變化，它們結合成的 1）“同分異構”一詞是：指構成分子的原幹都相同，但相對位量不同的現象。 ＄ 230 •
• •細胞將會把這種變化在基因劈分和細胞分裂的一系列過程中忠實地保留下來，並使所產生的後代在宏觀特徵上裘現出明顯的改變。 事實上，基研究所取得的一個最重要的成果，就是發現了生物體中遺傳性質的自發改變總是以不連續的跳躍形式發生，這就叫做實變。這一點是荷蘭生物學家德弗里斯（Hugode Vties）在1902年發現的。 為舉例說明，我們來看看前面提到過的果。野生的果蠔是灰身長翅。隨便從野外抓來一隻，幾乎沒有例外地都是這個樣子。但是，在實驗室條件下，一代一代地培育果蠅，突然會有一次得到一種“畸形”果蠅，它有不正常的短翅，身體差不多是黑色的（圖102）。 圖T02 果蠅的目發變異。 （a）正常種：妖色身體，長煙。 （b）變異種：黑色身體，短 （過化翅） 重要的是，在“正常”蒼蠅和黑身短翅這種走極端的例外情況之間.不會找到呈現各種灰色，翅膀長短不一的果，就是說不會找到介於祖先和新種之間，外觀逐漸改變的型別。 所有的新的一代（有上百個！幾乎都是同樣的灰色，同祥的太翅，只有一隻（或幾隻）截然不同。要嘛不變，要嘛大變（實變）， 這是個規律。同樣的情況已發現上百例。例如，色官就不是 • 231、
完全來自遺傳。一定有這樣的情況，祖先都是“無事”約，但孩子卻是色盲。人出現色盲，就如同果蠅長短翅—樣，都遵照 “全有或全無”的原則進行；這裡要考慮的並不是一個人辦色本領的強爽，而是他是否能把顏色分辨出來。 凡是聽說過達爾文*（Charles Darwin）的人都知道，蘭物新的一代在性質上的這種改變，再加上生存競爭、適者生存， 就使物種的進化不斷地進行下去”。正是由於這個原因，幾十億年前大自然的驕子—-簡單的軟體動物—才能發展成象諸君這樣具有高度智慧、連本書這樣請屈聱牙的東西都讀得出、看得懂的生物啊！ 遺傳性質的這種眺躍式的改變，如果從前面所說過的那種基因分子同分異構變化的角度來進行解釋，是完全行得通的。事實上，如果決定質的墜飾改變了它在基因分子中的位置，是不能只改變一半的，它要嘛留在原處，要嘛連到新位上，造成生物體性質的不連續的變化。 “突變”是由基因分子的同分異構變化造成的這個觀點， 又從生物的突變率與周圍培養環境有關這一事實得到了有力的支援。梯莫菲耶夫 （Timofeeff） 和齊默 （Zimmer）就溫度對突變率的影響所做的實驗工作表明，（在不考思周圍介質和其他因素所引起的複雜變化時）一般分子反應所遵從的基本物理化學定律，在這裡也同樣適用。這項重大的發現促使德布瑞克（Max Delbrick，他原來是個理論物理學家，現在是個實驗基因學家）得出了一個具有劃時代意義的觀點，即認為生物突變現象和分子同分異構變化這個純物理化學過程等效。 *達爾文（1809-1882年），著名英國生物學家，進化論的創立者。他所著的*物種起源一書是進化論的經典著作。—譯者 1）茶變現象的發現，對達爾文的經典理論只作了一點修改，即物種進化是由不連續的眺躍式變化造成的，而不是由於連續的小變化所致。 • 232、 •
關於基因理論的物理基礎，特別是&射線和其他輻射造成的突變所提供的重要證據，我們是可以無休止地談下去的。 但僅就已經談到的情況來看，讀者們已經能夠相信，科學現在正在跨超對“神松的”生命現象進行純物理解釋的門檻。 在結束這一章之前，我們還得談談一種做病毒的生物學單元，它很可能是不在細胞內的自由基因。就在不久以前， 生物學家們還認為生命的最簡單形式是各種細菌——在動植物組織內生長繁殖，有時還引起疾病的單細胞微生物。例如，人們已用顯徽鏡查明，傷寒病是由一種3微米長、1/2微米粗的桿狀細菌引起的；猩紅熱是由直徑2微米左右的球狀細菌引起的。可是，有一些疾病，如人類的流行性感冒和菸草植株的花葉病，用普通顯微鏡卻怎麼也看不到細菌。但是，由於這些特別的“無菌”疾病從得病機休轉移到健康機體上去的方式和所有一般傳染病一樣，又由於這樣受到的“感染”會迅速地傳遍受害個體的全身，人們自然會假設，這些疾病是由一些假想的生物載體攜帶著的，於是便給它們起名病毒。 菸草花吖病毒 • 潘精好 1類 • 91 批* 國103 細菌，病毒和分子的比較 • 233
直到最近，由使用了紫外線顯徽技水（用紫外），特別是由下發明瞭電子顯微鏡（用電子凍代替可見光線可獲得更大的放大率），微生物學家們才第一次見到了一直沒舞過面的病毒的結構。 人們發現，病毒是大量小微粒的樂合體。同一種病毒的大小完全一樣，而且都運比細菌為小（圖103）。流感病毒的微粒是些直徑為0.1微米的小球，菸草花葉病毒則是些長0.280 微米、粗 0.015 微米的細棒。• 圖版 VI是用電子顯微鏡給已知的最小生命單元菸草花葉病毒拍攝的照片。它給人以深刻的印象。大象還記得，單個原子的直徑是0.0003微米，因此，我們推斷花葉病毒的橫向大約只有五十個原子，而級向則約有一千個原子，總共不超過二百萬個原子”！ 這個數字好熟悉啊！它不正好是單個基因中的原子數碼！因此，病毒微粒可能是既沒有在染色體中佔據一席領地、 也沒有被一大堆細胞質所包圍的“自由基因”。 此外，病毒的繁殖過程看來也確實和染色體在細胞分裂過程中的倍增現象完全相局：整個病毒體沿軸線劈裂成兩個同樣大小的新病毒微粒。很明顯，在這個基本的繁殖過程中 （如同圖91那個虛構的酒精增加過程），整個複雜分子的各個原子團都從周圍介質中引來柑同的原子團，並把它們按自己原來的式樣精確地排列在一起。當這種安排進行完畢，已經成熟的新分子就從原來的分子上脫離下來。事實上，在這種原始的生物中，看來並不發生“長”的過程，新的機體只是在舊 1）病幸微粒中的原子總數可能還要少些，因為它們很可能象圖103所畫的那樣，具有螺旋狀的分於結構，內部是空的。如果真的如此，菸草花葉病毒中的原子就只會呆辦國杜形的表面上，每個病毒裡的原子數就會減少到兒十萬個。基因裡的情況也可能是如此。 •234* •
機體周圍“拼湊”出來。這種情況如果發生在人類身上，那就是孩子在外邊和母體相連，當他（她）長大成人後，就離開母體跑開了。不消說，要使這個繁殖過程成為可能，它必須在特的、具備各種必要成分的介質中進行；事實上，和自備細胞質的細菌不同，病毒只能在生物組織的活細胞質中才能繁殖，也就是說，它們是很“挑食”的。 病毒的另一種共同特點，就是它們能發生突變，並且突變後的個體能把新特性傳給自己的後代。這也和基因學定律相符、事實上，生物學家們已經能區分出同一病華的幾個遺傳植株，共能對它的“種族蕃衍”進行監視。當一場流行性感冒在村鎮上蔓延開來時，人們就知道，這是由某一種新的突變型流感病毒引起的，因為它們經突變後獲得了一些新的險惡性質，而人體卻還沒有來得及發展自己相應的免疫能力。 在前面幾頁裡，我發表了大量的熱烈議論，證明病毒應被看作生命體。我同時也要以同樣的熱情，宣傳病毒也應被看作正說的化學分子，它們遵從一切物理定律和化學定律和法則。事實上，對病毒體所進行的化學分析已經表明：病毒可以看作有確定組成的化合物，它們可以被當成各種複雜的有機 （但又是無生命的）化合物對待，並且它們可以參與各種型別的置換反應。因此，把各種病毒的化學結構式象酒精、甘油、 糖等物質的結構式一樣寫出來，看來只是個時間問題。更令人驚奇的是：同一種病毒的大小是完全一樣的。 事實證明，脫離了營養介質的病毒體會自行排列成普通正規晶體的樣子。例如，“番茄停育症”病毒就會結晶成漂亮的大塊斜十二面體！你可以把它和長石、岩鹽一樣放在礦物標本櫃裡；不過，一旦把它放回番茄地裡，它就會變成一大堆活的個體。 由無機物合成活機體的第一大步是加利福尼亞大學病毒 • 235•
研究所的弗蘭克爾-康拉特（Heinz Fraenkel-Conrat）和威廉斯（Robley Williams）邁出的。他們把菸草花葉病毒分離成兩個部分，每一部分都是一種很複雜的、但沒有生命的有機物。人們早就知道，這種病毒具付長棒的形狀（圖版 VI），是由一東長而直的分子（叫做核糖核酸）作為組織物質，外面象電磁鐵的導線那樣環統著蛋白質的長分子。弗蘭克爾-康拉特和威廉斯使用了許多種化學試劑，成功地把這些病毒體分成核糖核酸分子和蛋白質分子，而沒有破壞它們。這樣，他們在一個試管裡得到核糖核酸的水溶液，另一個試管中得到蛋白質的水溶液。用電子顯微鏡進行檢查後，證明試管裡只有這兩種物質，但沒有一絲一毫的生命跡象。 但是，一旦把兩種液體倒在一起，核糖核酸的分子就開始以每二十四個組成一束，蛋白質分子就開始把核酸分子環繞起來，形成與實驗開始時完全一樣的病毒微粒。把它們施在菸草植株上，這些分而複合的病毒就會造成花葉病，好象它們壓報兒就沒有被分開過似的。當然，在這裡，試管裡的兩種化學成分是靠分離病毒得來的。不過，生物化學家們已經掌握了由普通化學物質合成核糖核酸和蛋白質的方法。儘管目前 （1960年）還只能合成一些較短小的分子，但沒有疑問，將來一定能用簡單成分合成病毒裡的那兩種分子，把它們放在一起，就會出現人造病毒微粒。 暈
^ 第四部分宏觀世界第十章不斷擴充套件的視野 1.地球與它的近鄰現在，讓我們結束在分子、原子、原子核裡的旅行，回到比較熟悉的不大不小的物體上來。不過，我們還要再旅行一趟， 這一次是向相反的方向，即朝著太陽、星星、遙遠的星雲和字宙的深處。科學在這個方向上的發展，也象在微觀世界中的發展一樣，使我們離開所熟悉的物體越來越，視野也越來越廣闊。 在人類文明的初期，所謂的宇宙真是小得可憐。人們認為，大地是一個大扁盤，四面環繞著海洋，大地就在這洋麵上漂浮。大地的下面是深不可測的海水，上面是天神的住所—天空。這個扁盤的面積足以把當時的地理知識所知道的地方統統容納下去。它包括了地中海和瀕海的部分歐洲和 •237．
非洲，還有亞洲的一小塊；大地的北部以一脈高山為界，太陽在夜間就在山後的“世界洋”海面上休憇。圖104相當準確地表示出古代人關於世介面貌的概念。但是，公元三世紀，有一個人對這種簡單而被人們普遍接受的世界觀提出了異議。他就是著名的希臘哲人（當時這個名稱是用來稱呼科學家的）亞里斯多德（Aristotle）。 圖 104 古代人認為世界只有這麼大亞里斯多德在他的著作《天論》裡，表述了這樣一個理論： 大地實際上是一個球體，一部分是陸地，一部分為水域，外面被空氣包圍著。他引證了許多現象來證明自己的觀點，這些現象在今天的人們看來是很熟悉的，似乎還顯得有些瑣碎。他指出，一艘船當消失在地平線上時，總是在船身已看不見時， 桅杆還露在水面上。這說明洋麵不是平的，而是彎曲的。他還指出，月食一定是地球的陰影掠過這個衛星的表面時引起的。 既然這個陰影是圓的，大地本身也應該是圓的。但是，當時並沒有幾個人相信他的話。人們不能理解，如果他的說法確實 •238• •
不錯，那麼，住在球體另一端（即所謂對蹠點，對我們來說是澳• 大利亞*）的人怎麼會頭朝下走路呢？難道他們掉不下去嗎？ 為什麼那裡的水不會流向天空呢（圖105）？ 仁圖105 反對大地為球形的論點你瞧，當時的人們並沒有理解到，東西的下落是由於受到了地球的吸引力。對於他們來說，“上”和“下”是空間的絕對 * 這是對美國而言，中國的對鹽點是巴西。一一譯者 •239
方問，不論在哪裡都是一樣的。在他們看來，說把我們這個界走上一半遠，“上”就會變成“下”，“下”就會變成“上”，這簡真是在說胡話。當時，人們對亞里斯多德這種觀點的看法，正象今天某些人對愛因斯坦相對論的看法一樣。當時，重物下黔的現象，被解釋成一切物體都有向下運動的“自然傾向”，而不是像現在這樣解釋成受到地球的吸引，因此，當你競然敢冒險跑到這個地球的下面一半去時，就會向下掉到藍天中去！對老觀念進行調整的工作是異常艱難的，新觀念遭到了極為強烈的反對，甚至到了十五世紀，即亞里斯多得死後兩千年， 還有人用地球對面的人頭朝下站著的面片，來嘲笑大地是球形的理論。就連偉大的哥倫布*（Christopher Columbus）在動身前去尋找通往印度的“另一條路”時，也未必意識到他自己的討劃是健全的，而且他的行程也因美洲大陸的阻擋而未能全部實現。直到麥哲倫**（Ferdinand de Magellan）進行了著名的環球航行後，人們對大地是球體的懷疑才最後消失掉。 當人們首次意識到大地是球體後，自然要給自己提出這樣的問題：這個球到底有多大？和當時已知世界相比情況如何？但是，古希臘的哲人們顯然是無法進行環球旅行的，那又怎麼來量度地球的尺寸呢？ 嘿！有一個辦法。這個辦法是公元前三世紀希臘著名科學家埃拉托色尼最先發現的。他住在希臘當時的殖民地，埃及的亞歷山大里亞城。當時有個塞恩城，位於亞歷山大里亞城以南五千斯塔迪姆遠的尼羅問上游***。他聽那裡的居民一—- *對綸布（1451 1506年），義大利航海家，於1492年發現“新大陸”美洲。—評者 •*麥哲倫（1480-1521年）， 物牙航遊家，於1519年首次率船隊完成環球航行，麥話倫本人於1521審死於搬途，但船員繼續航行，於次年返回歐 ***印現今阿斯田水壩附近。—譯者 •240• 由講，在夏至那一天正午，太陽正好懸在頭頂，凡是直立的物體都沒有影子。另外，埃拉托色尼又知道，這種事情從來沒有在亞歷山大里亞發生過；就是在夏至那一天，太陽離天頂（即頭頂正上方）也有7°的角距離，這是整個圓周的五十分之一左右。埃拉托色尼從大地是圓形的假設出發，給這個事實作了一個很簡單的解釋，這很容易從圖106上看懂。事實上，既然兩座城市之間的地面是彎曲的，豎直射向塞恩的陽光一定會和位於北方的亞歷山大里亞成一定的交角。從地球中心畫兩條直線，一條引向塞恩，一條引向亞歷山大里亞，則從圖上還可以看出，兩條引線的夾角等於透過亞歷山大里亞的那條引線 （即此處的天頂方向）和太陽正射塞恩時的光線之間的夾角。 圖106 由於這個角是整個圓周的五十分之一，整個圓周就應該是兩城間距離的五十倍，即250,000 斯塔迪姆。一斯塔迪姆約為1/10英里，所以，埃拉托色尼所得到的結果相當於 25,000英里，即40,000公里，和現代的數值真是非常相近。’ •241
然而，對地球進行第一次測量所得到的結果，重要的倒不在於它是如何精確，而是它使人們發現球真是太大了。瞧， 它的總面積一定比當時已知的全部陸地面積大幾百倍呢！這能是真的嗎？如果是真的，那麼，在已知的世界之外又是些付麼暱？ 說到天文學距離，我們先得熟悉一下什麼叫視差位移（簡稱祝差）。這個名稱聽起來有點嚇人，但實際上，視差是件簡單而有用的東西。 我們可以從穿針引線的嘗試與視差相識。試試閉上一隻眼來穿針，你很快就會發現這麼於不怎麼有把握：你手中的線頭不是跑到針眼後頭老遠，就是從它前面插過去。只憑一隻眼睛是判斷不出針和線離我們有多遠的。但是，如果睜開雙眼，這件事就很容易作到，至少是很容易學會怎樣作到的。 當用兩隻眼睛觀察一個物體時，人們會自動地把兩隻眼睛的視線都聚焦在這個物體上；物體越近，兩隻眼珠就轉動得更接近一些。而進行這種調整時眼球上肌肉所產生的感覺，就會相當可靠地告訴你這段距離是多少。 如果你不同時用兩隻眼睛來看，而是分別用左，右眼來看， 你就會看到物體（在此例中為針）相對於後面背景（如房間裡的窗子）的位置是不一樣的。這個效應就叫做視差位移，大家一定都很熱悉。。如果你從來沒聽說過，不妨自已試驗一下，或看一-看圖107所示的左限和右眼分別看到的針和窗。物體越遠，視差位移越小。因此，我們可以用這種效應來測量距離。 視差位移是可以用弧度表示出來的，這要比靠眼球肌肉的感黨來判斷距離的簡單方式準確得多。不過，我們的兩隻眼僅相距三英寸左右，因此，當物體的距離在幾英尺開外時就不能量得很準了。這是因為物體越遠，兩隻眼睛的視線就越趨子平行，視差位移也就越不顯著。為了測量更遠的距離，就應該 82$2
G 把眼睛分得開一些，以增大視差位移的角度。不，這可用不著做外科手術，只要用幾面鏡子就行了。 右服所圖 107 在圖108上，我們能看到海軍使用的這樣一種測量敵艦距離的裝置（在雷達發明以前）。這是一根長筒，兩眼前面的位置上各有一面鏡子（A,A'），兩端各有一面鏡子（B,B’）。 從這樣一架測距儀上，真能夠作到一隻眼在B處看，另一眼在 B’處看了。這樣，你雙眼間的距離—所謂光學基線——就顯著增大了，因此，所能估算的距離也就會長得多。當然，水圖 108 • 243
兵們是不會單靠眼球肌肉的感覺來下判斷的。測距儀上裝有特珠部件和刻度盤，這樣能極精確地測定視差。 這種海軍測距儀，即使對於出現在地平線上的敵艦，也是很有把握溯準的。然而，用它來測量那怕是最近的天體— 月亮•—效果也不那麼好。事實上，要想觀測月亮在恆星背景上出現約視差，光學基線（也就是兩眼間的距離）非得有幾百英里不行。當然，我們沒有必要搞出一套光學系統，使得我們能用一只限在華盛頓看，另一只跟在紐約看。只要在兩地同時拍攝一張位於群星中的月亮照片就行了。把這兩張照片放到立體鏡*裡，就能看到月亮懸浮在群星前面。天文學家們就從這樣兩張在地球上兩個地點同時拍攝的月亮和星屋的照片 （圖109），算出從地球一條直徑的兩端來看月亮的視差是 1°24'5”，由此得知地球和月亮的距離為地球直徑的30.14倍， 即384,403公里，或238,85 英里。 根據這個距離和觀測到的角直徑，我們算出這顆地球衛星的直徑為地球直徑的四分之一。它的表面積為地球面積的十六分之一，這約等於非洲大陸的面積。 用同樣的方法也能求出太陽離我們的距離。當然，由於太陽要遠得多，測量就更加困難一些。天文學家們測出這個距離是149，450,000公里（92,870,000英里），也就是月地距離的385倍。正是由於距離這麼大，太陽看起來才和月亮差不多大小，實際上，太陽要大得多，它的直徑是地球直徑的109 倍如果太陽是個大南瓜，地球就是顆豌豆，月亮則是粒罌粟籽，而紐約的帝國大廈只不過是在顯微鏡下才能看到的頂小 *立體鏡是一種觀看圖片立體效果的裝盈。把兩張從兩個適當角度拍米的同一物體的照片放到裡邊，兩釀分別觀看其中一張，就能產生這體效果。一-洋者 240 • *
盛圖 109 的細菌。不妨順便提一下，古希臘有個進步哲人阿那薩古臘 （Anaxagoras），僅僅因為在講學時提出太陽是個象希臘那樣大小的火球，就遭到了流放的懲罰，並且還受到處死的威脅呢！ 天文學家們還用同樣的方法計算出了太陽系中各行星與太陽的距離。不久前發現的最遠的行星冥王星，離太陽的距離約為地球和太陽的距離的四十倍，準確點說，這個距離是 3,668,000,000英里。 •245
2. 銀河系再向空間邁出一步，就從行星走到恆星世界了。視差方法在這裡仍然可以應用，不過，即使是離我們最近的恆星，同我們的距離也是很遠很遠的，因此，即便是在地球上距離最遠的兩點（地球的兩側）進行觀測，也無法在廣袤的星際背景上找出什麼明顯的視差。然而，我們還是有辦法的。如果我們能根據地球的尺寸求出它繞日軌道的大小，那麼，為什麼不用這個軌道去求恆星的距離呢？換句話說，從地球軌道的兩端去觀測恆星，是否可以發現一、兩顆恆星的相對位移呢？當然， 要這樣做，兩次觀測的時間要相隔半年之久，但那又有什麼不可以的呢？ 懷著這樣的想法，德國天文學家貝塞爾 （Friedrich Wilhelm Bessel）在1938年開始對相隔半年的星空進行了比較。開始他並不走運，他所選定的目標都未顯示出任何明顯的視差。這說明它們都太遠了，即使以地球軌道直徑為光學基線也無濟於事。可是，瞧，這裡有一顆恆星，它在天文學花名冊上叫做天鵝座61（也就是天鵝座的第六十一顆臘星），它的位置和半年前稍有不同（圖110）。 天翵座乩七日圖 110 -2+6
再過半年進行觀測時，這顆星又回到了老地方。可見，這一定是視差效應無疑。因此，貝塞爾就成了拿著尺子跨出太陽系進人星際空間的第一個人。 在半年間觀察到的天鵝座61 的位移是很小的，只有0.6 弧秒”，這就是你在看500英里之外的一個人時視線所張的角度（如果你能看見這個人的話）！不過，天文儀器是很精密的， 就連這樣小的角度也能以極高的精確度測出來。根據測出的視差和地球軌道直徑的已知數值，貝塞爾推算出這顆星在 103,000,000,000,000公黒之外，比太陽還 690,000倍！這個數字的意義可不容易體會。在我們打過的那個比方中，太陽是個南瓜，在離它二百英尺遠的地方有顆豌豆大小的地球在轉動，而這顆恆星則處在三萬英里遠的地方！ 在天文學上，往往把很大的距離表示成光線走過這段距離所用的時間（光的速度為每秒300,000公里）。光線繞地球一週只用1/7秒，從月亮到地球只要一秒出頭，從太陽到地球也不過是八分鐘左右。而從我們在字宙中的近鄰天鵝座 61 來的光，差不多要十一年才能到達我們這裡。如果天鵝座 61 在一場宇宙災難中熄滅了，或者在一團烈焰中爆炸了（這在恆星中是常常發生的），那麼，我們只有經過漫長的十一年之後， 才能從高速穿過星際空間到達地球的燥炸閃光和最後一線光芒得知，有一顆恆星已不復存在了。 貝塞爾根據測得的天鵝座61的距離，計算出這顆在黑暗的夜空中靜悄悄地閃爍著的微弱光點，原來竟是光度僅比太陽小一點、大小隻差30% 的星體。這對於哥白尼（Copernicus） 關於太陽僅僅是散佈在無垠空間中、被此遙遙相距的無數星體中的一個星體這樣一個革命性論點，是第一個直接的證據。 12精碗數值為0.600 土0.05*。 • 247
繼貝塞爾的發現之後，又有許多恆星的視差被測出來了。 有幾顆比天鵝座61近一些，最近的是半人馬座。（半人馬座內最明亮的星，即南門二），它離我們只有4.3光年。它在大小和光度上都與太陽相近。其他恆星大都要遠得多，遠到即使用地球軌道的直徑作為光學基線，也測不出視差來。 恆星在大小和光度上的差別也很懸珠。大的有比太陽大 400倍、亮3600倍的獵戶座 （即參宿円，300光年）之類光輝奪目的巨星，小的有比地球還小，並比太陽陪10,000倍的範瑪倫星（直徑只有地球的75%，距我們13光年）之類昏暗的矮星。 現在我們來談一談恆星的數目這一個重要的問題。許多人，可能包括讀者諸君在內，都以為天上星星數不清。然而， 正如其他許多流行的看法一樣，這種看法也是大錯而特錯的， 起碼就肉眼可見的星星而論是如此。事實上，從南北兩個半球可直接看到的星星加起來只有六，七千左右；又因為在任何一處地面上只能看到一半天空，還因為地平線附近大氣吸收光線的結果使能見度降低，所以，就是在晴朗的無月之夜，免肉眼也只能看到兩幹顆左右的星星。因此，以每秒鐘一顆的速度勤快地數下去，半小時左右就可把它們數完了。 不過，如果用普通的雙筒望遠鏡來觀測，就可以多看到五萬顆星，而一架口徑為兩英寸半的望遠鏡，則會顯示出一百多萬顆來。從安放在加利福尼亞州威爾遜山天文臺的那架有名的100英寸口徑的望遠鏡裡觀溯時，能看到的星星就會達到五億顆。一秒鐘數一顆，每天從日落數到天明，一個天文學款要數上一個世紀才能把它們數完！ 當然，不會有人真的透過望遠鏡去一顆顆地數數，星星的總數是把幾個不同區域內星星實際數目的平均值推廣到整個昆空而得出的。 •248- • •
一百多年前，著名的英國天文學家赫耳（Wiliam Ferschel）用自制的大型望遠鏡觀察星空的時候，注意到了這樣一個事實：大部分肉限可見的星星都分佈在橫跨天際的一條叫做銀河的微弱光帶內。由於他的研究，天文學上才碗立了這樣的概念：這條銀河並不是天空中的一道普通星雲”，而是由為數極多、距離很遠、因而暗到肉眼不能一一分辨的恆星組成的o 使用強大的望遠鏡，我們能看到銀河是由為數很多的一顆顆值星組成的；望遠鏡越強大，看到的星星就越多。但是， 銀河的主要部分依然處在一片模糊之中。然而，如果就此以為，在銀河範圍內的星星比其他地方的星星欄密些，那可是大錯而特錯了。實際上，星星在某個區域內看起來數目比較多的現象，並不真的是分佈比較集中，而足星星在這個方向上分佈得深遠些。在沿銀河伸展的方向上，星星一直伸展到目力 （在望遠鏡的幫助下）所及的邊緣，而在其他方向，星星並不伸展到視力的界限；在它們的後邊，幾乎是空虛無物的空間。 沿銀河方向看去，就好象在密林裡向遠處張望，看到的是許多董疊交織的樹枝樹幹，形成一片連續的背景；而沿其他方向，則能看到一塊塊空間，正如我們在樹林裡面，透過頭上的枝葉，可以看見一塊塊的藍天一樣。 可見，這一大群星體在空間裡佔據了一個扁平的區域；在銀河平面內伸向銀遠的地方，而在垂直於這個平面的方向上， 相對說來範圍並不那麼遠。太陽只不過是銀河中無足輕重的一員。 經過幾代天文學家們的仔細研究，已得到了結論說，銀河包含有大約40,000,000,000顆恆星，它們分佈在一個凸透鏡 *星雲一般是形薄的氣體和塵埃在宇宙空間中形成的不規則巨團。一譯者 •249
形的區域內，直徑有 100,000光年左右，厚度在5000-10,000 光年上下。我們還得知，太陽根本不處在這個大星系的中心， 而是位於靠近外緣的部分。對我們人類的自尊心來說，這可真是當頭一棒啊！ 我們想用圖111 來告訴讀者們，銀河這個由恆星組成的大蜂窩看起來是什麼樣子。順便提一下，銀河在科學的語言中應該用銀河系這個名稱來代替。圖中的銀河系是縮小了一萬億億倍的。而且，代表恆星的點也比四百億少得多，這當然是出自印刷角度的考慮。 • • 圖 111 一位天文學家在觀察銀河系。銀河系被縮小了100,000,000,000,000,000,000 倍。太陽的位置大致就在天文學家的頭部 •250•
這個由一大群星星所組成的銀河系，它的最顯著的一個性質，就是它也和我們這個太陽系一樣，處於迅速的旋轉狀態中。就象水星、地球、木星和其他行星沿著近於圓形的軌道繞太陽執行一樣，組成銀河的幾百億顆星也繞著所調銀心轉動。 這個旋轉中心位於人馬座的方向上。因為在你順著天河跨過天空的方向找去時，會發現它那濃豪的模糊外形在接近人馬座時變得越來越寬，這表明你現在望見的正是這個透鏡狀物體的中心部分（圖111中的那位天文學家正是朝這個方向看去的）。 銀心看起來是個什麼樣子呢？我們現在還不知道，因為這一部分不幸被濃雲一般暗黑的星際懸深物質所遮蓋了。事實上，如果觀察人馬座區域中銀河變厚的那一部分”，你起初會認為這條神話中的河分成兩文“單航道”。但這種分漢並不是真實情況，這種印象是由懸深在我們和銀心之間的星際塵埃和氣體的暗雲塊造成的。它不同於銀河兩側的黑暗區，那些暗區是空間的暗黑背景，而這裡卻是不透明的黑雲。在這中心黑雲上可看到的幾顆星星，其實是位於我們和黑雲之間的（圖112） 看不到這個神秘的、連太陽都繞著它旋轉的銀心以及其他數十億個恆星，當然是件大憾事。不過，透過對散佈在銀河之外的其他星系的觀察，我們也能夠大致判斷出我們這個銀心的樣子。在銀心中，並沒有一個象我們這個行星系中的太陽一樣的超級巨星在控制著星系的所有成員。對其他星系的研究（以後我們要講到）表明，它們的中心也是由許多恆星組成的，不過這裡的恆星要比太陽附近的邊緣地區擁擠得多就是了。如果把行星系統比作由太陽統治著的封建帝國，那麼， 1）這種觀親在初夏的晴孩進行敢為有利。 •251
大火織織女圖112 向銀心看去，給人的感覺是這條神話中的河分成兩漢銀河系就象是一個民主國家，有一些星星佔據了有影響的中心位置，其他星星則只好屈尊於外圍的卑下社會地位。 如上所述，所有的恆星，包括我們的太陽，統統在巨大的軌道上圍繞銀心而運轉。可是，這是怎麼證明出來的呢？這些星星的軌道半徑有多大呢？繞上一週需要多長時間呢？ 所有這些問題，都由荷蘭天文學家歐爾特 （Jan Hendrik Oort）在幾十年前作出了回答。他使用的觀察方法與哥白尼用以考察太陽系的方法很相似。 先看一看哥白尼的思考方式。古代巴比倫人和埃及人， 以及其他古代民族，都注意到木星、土星一類大行星在天空執行的奇特路線。它們似乎先是順著太陽行進的方向沿著橢圓形軌道前進，然後突然停下來，向後走一段，再折回來朝原來的方向行進。在圖113 部，我們畫出了土星在兩年時間內的大致路線（土星運轉週期為29.5年）。過去，出於宗教偏見把地球當作宇宙的中心，認為所有行星和太陽都繞著地球旋轉，對於上面這種奇怪的運動，只好用行星軌道是一圈一圈的環套連成的假設來進行解釋。 但是，哥白尼的目光卻敏銳得多。他以天才的思想解釋道：這種神秘的連環現象，是由於地球和其他各行星都圍繞太陽作簡單圓周運動的結果。看看圖113的上部，這種解釋 • 252 •
渙 * 1t3 就好理解了。 圖的中心是太陽，地球（小一些的那個球）在小圓上運動， 土 （有環著）以相同的方向在大圓上運轉。數字1，23,4,5 標出了地球和土星在一年中的幾個位置。我們要記住，土星的執行比地球慢許多。從地球各個位置上引出的那些垂直線是指向某一顆固定恆星的。從地球的各個位置向相應時刻的土星上引連線，我們看出這兩個方向（指向土星和固定恆屋） 間的夾角先是增大，繼而減小，然後又增大。因此，那種環套式行進的表面現象並不意味著士星運動有任何特別之處，只不過是我們在本身也在運動著的地球上觀測士星時的角度不盡相同罷了。 歐爾特關於銀河系中恆星作圓界運動的論點，可從圖 114 券明白。在圖的下方，可以看到銀心（有晴雲之類的東 • 253-
西），環繞中心，整個圖上都有恆星。三個圓弧代表著距中心不同距離的恆星軌道，中間的那個圓表示太陽的路線。 我們來看八顆恆星（以四射的光芒標出，以別於其他恆星），共中的兩顆-與太陽在同一軌道上運動，一顆超前一些，一顆落後一些；其他的恆星，或者軌道遠一些，或者近一些，如圖所示。要記住，由於萬有引力的作用，外圍恆星的速度比太陽小，內層星的速度比太陽大（圖上用箭頭的長短表示）。 • • 銀河中心圖114 這八顆恆星的運動情況，從太陽也就是從地球上看來，是怎樣的呢？我們這裡所措的是恆星沿觀察者視線方向的運動，這可以根據多普勒效應”很容易地著明白。第一點，與太陽同軌道同速度的兩顆恆星（標以D和E的兩顆）顯然相對於太陽（或球）是靜止的。這一點也適用於與太陽處於同一半徑上的兩顆（B和G），因為它們與太陽的運動方向平行，沿觀測方向沒有速度分量。處於外圍的恆星A和C又如何呢？因 1）見第292五有關介紹多普勒效庭的部分： • 254 •
為它們都以低於太陽運動的速度執行，從圖上可以清楚地看出，A會逐漸落後，C會被太陽趕上。因此，到A的距離會增大，到C的距離會減小，而從這兩顆恆星射來的光線則會分別顯示多普勒紅移效應和紫移效應。對於內層的恆星F和H， 精況正好相反，F會表現出紫移效應，H會表現出紅移效應。 假定剛才所描述的現象是僅僅由於恆星的圓周運動所引起的，那麼，如果恆星確實有這種運動，我們就不僅能證明這種假設，還能計算出恆星運動的軌道和速度來。透過蒐集天空中各顆街星的視運動的資料，歐爾特證明了它所假設的紅移和紫移這兩種多普勒效應確實存在，從而確鑿地證明了銀河系的旋轉o 同樣也能夠證明，銀河系的旋轉也會影到各恆星沿垂直於視線方向的視速度。儘管精確測定這個速度分量要困難得多（因為遠處的桓星哪怕具有很大的線速度，也只能產生極小的角位移），這種現象也被歐爾特和共他人觀察到了。 精確地測定出恆星運動的歐爾特效應，我們就能夠求出準星軌道的大小及執行週期。現在已經知道，太陽以人馬座為中心的執行半徑是30，000光年，這相當於整個銀河系半徑的三分之二。太陽繞銀心執行一週的時間為兩億年左右。這當然是段很長的時間，不過要知道，我們這個銀河系已有五十憶歲了；在這段期間內，我們的太陽已帶著它的行星家族一起轉了二十多圈。如果照地球年這個術語的定義，把太陽公轉一揭的時間稱為“太陽年”，我們就可以說，我們這個宇宙只有二十多歲。在恆星的世界上，事情的確是發生得很緩慢的，因此， 用太陽年作為記載宇宙歷史的時間單位，倒是頗為方便的。 3．走向未知的邊界前面已經提到過，我們這個銀河系並不是唯一的在巨大 + 755
的字宙空間中款浮的、孤立的恆星社會。望遠鏡的研究已經在空間深處揭示出了許多巨大的系統，它們和我們這個太陽所屬的星詳很相似。距我們最近的—個是著名的仙女座星雲，它可直接用肉限看到。它的樣子是一個又小又暗的相當長的模糊形體。圖版 VII的A和B是幣威爾遜山天文臺的大望遠鏡所拍攝到的兩個這樣的天體，公們是后髮座星雲的側觀和大熊星座星雲的正觀。可以注意到，它們有典型的旋渦結構，而在總體上構成了和我們這個銀河系一樣的透鏡形，因此這些星雲被稱為“旋渦狀星雲”。有許多證據表明，我們的這個銀河系也是這樣一個旋渦體。當然，要從內部來確定這一點是件很困難的工作，但我們還是瞭解到，太陽非常可能位於我們這個“銀河大星雲”的一條旋渦臂的末端上。 在很長一段時間內，天文學家們並未意識到這類旋渦星雲是與我們這個銀河系相類似的巨大星系，卻把它們和一一般的彌散星雲混為一談，後者是散佈在空間中的微塵所形成的巨大雲狀物，如懸浮在銀河內恆星之間的獵戶座星雲。但是， 人們後來發現，這些看起霧漂的旋渦狀天體根本不是塵埃和霧氣。使用最高倍的望遠鏡，可以看到一個個小點，這證明它們是由單獨的恆星組成的。不過它們離我們太遠了，無法用視差法求出距離來。 看來，我們量度天體距離的手段好象是到此為止了。但是，不！在科學研究中，當我們在基個無法克服的困難前面停上下來時，耽擱往往只是暫時的；人們總是有新的發現，從而使我們再前進下去。在這裡，哈佛大學的天文學家沙普勒 （Harlo Shapley）又找到了一根新式的“量天尺”——所謂脈動星或造父變星”。 1）這種星的陳動變化現象是首先在仙王班的造父一上發現的，因而就以此命名。 • 256 心天上星，難數清。大多數星星寧靜地吐著光輝，但消•些星星，它們的光度則有規律地發生明暗的變化。這些臣大的星體象心臟一樣規則地搏動著，它的亮度也隨著搏動而進行 .週期性變化”。恆星越大，脈動週期越長；這就象鐘擺越長，擺動就越慢一樣。很小的恆星（就恆星而論）幾小時就完成一個週期，巨星則需要很多年。而且，既然恆星越大就越明死， 因此，造父變星的脈動週期與平均亮度之闖一定存在著相互關係。透過觀測離我們相當近、因而能夠直接測出距離和絕對亮度的仙王座造父變星，這種關係是可以確定下來的。 如果我們發現了一顆脈動星，它的距離超出了視差法的量程，那麼，我們只數從望遠鏡裡觀測它的脈動尚期，就能知道它的真實完度，再把它與視亮度對比，就可以立即知道它的距離。沙普勒便用這種機敏的方法，成功地測出了銀河內的極遠距離，並有效地估計出我們這整個星系的火小。 當沙普勒用這種方法來測最仙女座星雲中的凡顆脈動星時，所得到的結果使他大吃一驚：從地球到這幾顆恆星的距離—這當然也就是到仙女座星雲本身的距離—竟達 1,700,000光年。這就是說，它比銀河系的直徑還要大得多。 仙女座星雲的體積原來只比我們這個銀河系略小一些。本書圖版上的兩個旋渦狀星雲還要更遠，它們的直徑也和他女座星雲不相上下。 這個發現宣判了原先那種認為旋渦狀星雲是銀河系內的 “小傢伙”的觀點的死，並確立了它們作為類似於銀河系的獨立星系的地位。如果在仙女座星雲中數以億計的恆星當中，有一顆恆星所屬的行星上有“人類”存在，那麼，他們所看到的我們這個銀河系的形狀，就和我們現在看他那個星系的 1）不要和交食變星、即兩個互相圍繞對去轉動的恆星的週期性互相境低現象相渥。 +257
形狀差不多一樣，對此，天文學家現在已不再有什麼懷疑了。 由於天文學家們，特別是著名的星系觀測家、威爾遜天文臺的E•哈勃（Ldwin Powell Hubble）的探索，這些遙遠的恆星社團已向我們披露了許多有趣而重要的事實。第一點，由強大的望遠鏡所觀測到的為數眾多—一比用肉眼能看到的星星還多—的星系並不都是旋渦狀的，而且種類還不少。有球狀星系，它看起來象個邊界模糊的圓盤；有扁平程度各不相同的橢球狀星系；即使是旋渦狀的，其“繞卷的鬆緊程度”也有所不同。此外，還有形狀奇特的“棒旋星系”。 把觀測到的這各種星系型別排列起來，得到一個極溝重安的事實（圖115）：這個序列可能表示了這些巨大星系的各個不同的演化階段。 球橢球閉蝶戰開螟殘圖115 銀河系在正常進化中的芥個階段關於星系演化的詳細過程，我們還遠遠沒有達到了解的地步，不過，這很可能是由於不斷收縮而造成的。大家都知道，當一團緩慢旋轉的球狀氣體逐步收縮時，它的旋轉速度會加快，形狀出隨之變為橢球體。當收縮到一定階段，即當橢球的極軸半徑與赤道半徑的比值達到7/10時，就會在赤道上出現一道明顯的樓，成為透鏡狀的物體。再進一步收縮，旋轉的氣體物質就會沿稜圈方向散開，在赤道面上形成一道薄薄的氣體簾幕，同時整團氣體仍大體上保持著透鏡形狀不變。 英國著名物理學家兼天文學家金斯（Jares Hopwood Jeans）從數學上證明了上面這些說法對於旋轉的球狀氣體是成立的。同時，這種論述也可以原封不動地應用到星系這類巨大 • 258•
的星雲上去。事實上，讓單個飯星扮演分予的角色，我們就可以把這樣密集在一起的億萬顆恆星看成一團氣體了。 把金斯的理論計算和沙普勒對星系的實際分類對照⋯ 下，就會發現兩者完全吻合。具體地說，我們已發現，所觀測到的最扁平的橢球狀星雲，其半徑之為7/10（E）：而且這時開始在赤道位置上出現明顯的稜圈。至於演化後期出現的旋臂，顯然是由迅速旋轉時被用出的物質形成的。不過，迄今為止，我們還不能非常圓滿地解釋為什麼會出現這種臀，它們是怎樣形成的，以及造成普通旋臂和棒型旋臂的差別的原因。 對這些星系的構造、運動和各部分的組成，還需要做許多研究工作。例如，有這麼一個有趣的現象：前幾年，威爾遜山天文臺的天文學家巴德（Walter Baade） 指出，旋渦狀星雲的中心部分（核）的恆星和球狀，橢球狀星系的恆星屬於同一種型別，但是在旋臀內出現了新的成員。這種“旋臀型”成員因其又熱又亮而和中心部分的成員不同，是所謂“藍巨星”。 在旋渦星系的中心部分和球狀，橢球狀星系的內部找不到這種恆星。以後（在第十一章）我們將看到，藍臣星極可能表示新誕生不久的恆星，因此，我們有理由認為，旋臂是星空新成員的產房。可以假設，從正在收縮的橢球狀星系那膨脹的“腰部”甩出來的物質，有一大部分是氣體，它們來到寒冷的星際空間後，就凝縮為一塊塊巨大的天體。這些天體以後又經收. 縮，變得熾熱而明亮。 在第十一章中，我們還要再回過頭來探討恆星的產生和經歷。現在，我們應該考慮一下星系在廣大宇宙空間內的大. 致分佈。 先得說明一點：透過觀測脈動星來測量距離的方法，在用來判斷銀河附近的一些星系時得到了極好的結果。然而，當進入空間的更深處時，這種方法就變得很不靈了，因為這時 • 259
的距離已大到即使用最強大的望遠鏡也不能分辨出單個星星的碌度。這時所看到的整個星系只不過是一團小小的長條風雲。在這種情況下，我們只能憑聽見到的星系的大小來判斷距離，因為星系並不象單個恆星那樣大小有別，同一型別的星系是同樣大小的。如果所有的人都是一樣高矮，既無侏儒，又無巨人，你就總是可以根據一個人的視大小來判斷出他的遠近。這兩者是同樣的道理。 哈勃用這種方法估計了遠方的星系，他得出了在可見（用最大倍率的望遠鏡）的空間範圍內，星系或多或少均勻地分佈的結論。我們說“或多或少”，是因為在許多地方，星系成群地聚集在一起，有時竟達上千個之多，就好象許多恆星聚成銀河系那樣擠在一起。 我們的這個星系—-銀河系——看來顯然是屬於一個比較小的星系群的，它的成員包括三個旋渦狀星系（包括銀河系和仙女座星雲）、六個橢球狀星系及四個不規則星雲（其中有兩個是火、小麥哲倫星雲）。 不過，除了這種偶而存在的＃聚現象外，從帕洛馬山天文臺的200英寸望遠鏡看去，星系是相當均勻地散佈在十億光年的可見距離內的，兩個相鄰星系的平均距離為500萬光年， 在可見的宇宙地平線上，包容有幾十億個恆星世界！ 如果還採用前面用過的比喻，把帝圖大廈看作細菌那麼大，地球是顆碗豆，太陽是個南瓜，那麼，銀河系就是分佈在木星軌道範圍內的幾十億個南瓜，而許許多多選樣的南瓜堆又分佈在半徑略小於從地球到最近的恆星這樣一個球形空間內。是啊！實在難找出一種表示宇宙間各種距離所成比例的尺度來啊！瞧，即使把地球比成一顆蜿豆，已知宇宙的大小還是個天文數字！我們試圖用圖116告訴大家，天文學家們是如何一步步地勘測宇宙的：從地球開始到月亮，然後是 •$60• 宀 #
太陽、恆星，然後是遙遠的星系，一直到未知世界的邊界。 現在，我們準備來解答宇宙的大小這個根本問題。 未知宇宙是無限伸展的？還是有有限的（雖然相當大）體積？ 300 隨著望遠鏡越制越大，越造越精密，我們探詢的目光到 4.33 底是總能發現一些新的、未被勘查過的空間呢，還是與此相反，我們終將至少在理論上審視到最後一顆恆星呢？ 當我們說宇宙可能是有 “確定大小”的時候，當然井不是想告訴大家，在遠到幾十億光年的地方，人們會碰到一堵大牆，上面寫著“此路不通”的字樣。 事實上，我們在第三章裡已經講過，空間可以是有限而沒有邊界的。這是因為它可以是彎曲的，並且“自我封閉”起來。這樣，一位假想中的空間探險家，儘管他筆直地駕駛著飛船，卻會在空間描出一條短程線，並回到他出發的地方來。 這當然就象是一個古希圖116 勘測宇宙的里程砷距離是用光年表示的 • 261
臘深險著，從他的家鄉雅典城出發一直向西走，結果任走了許久二後， 發現自已從東門進了這座城一樣。 正如同我們無需周遊世界，只憑在一塊相對來說很小的部位上搞搞幾何測盤，就可該測定地球的曲率一樣，我們也可以在現有望遠鏡的視程內，測定出宇宙三維空間的曲率。在第五章中，我們曾看到，有兩種不同的曲率：相應於有確定體積的閉空間的正曲率，和相應了‘鞍形無限開空間的負曲率（參看圖42）。這兩種空間的區別在幹：均勻散佈在閉空間內的物體，其數目的增長慢於距離的立方：而在開空間內則恰恰相反。 宇注空間內“均勻散佈的物體”就是各個星系。因此，要想解決宇宙曲率的問題，只需統計不同距離內單個星系的數日就行了。 哈勃曾作了這種實際統討，他發現，星系的數目很可能比、 距離的立方增長得慢一些，因此，字宙大概是個有確定體積的正胸率空問。不過一定要記住，哈勃所觀察到這種效應非常不顯著，只是在威爾遜山上那架100英寸望遠鏡視線的盡頭冰剛剛有所覺察。至於用帕洛馬山上那架新的200英寸反射式望遠鏡在最近進行的最新觀測，還沒有對這個重大問題作出更明確的答覆來。 現在還不能對宇宙是否有限這個問題作出肯定回答的原因還在於：遠處星系的距離只能靠它們的視亮度來確定（根據平方反比定律）。使用這個方法，需要假設所有的星系都具有同樣的亮度。然而，如果星系的亮度隨時變化（即與年代有關），就會導致錯誤的結論。要知道，透過帕洛馬山望遠鏡所看到的最遠的星系，大都在十億光年的遠處，因此我們看到的是它們在十億年前的狀況。如果星系隨著已的衰老而變 （大概是由於有些活動的恆星成員熄滅所致），那就得對哈勤 •262
i 的結論進行修正，事實上，只要星系的光度在十億年裡（它們壽命的七分之一左右）改變一個很小的百分數，就會把字宙有限這個結論顛倒過來c 因此，大家都看到了，為了確定我們的字宙到底是有限的還是無限的，還有許許多多的工作等待我們去做哩！ ‘.¥3
r