第1章　弹道

短于1秒（10-6～10-1秒）

演化在钟形水母的触须上创造出了最快的生命运动，同时创造出了刺丝囊。这是一种有爆发力的单细胞蜇刺，像鱼叉一样，用于捕获卤虫和其他海洋生物。海黄蜂、海刺水母、狮鬃水母和葡萄牙战舰水母都装备着这种武器，人类游泳者经常被它们蜇伤。1伊鲁坎吉箱水母只有豌豆大小，但它们身上的刺丝囊释放出的毒液毒性极强，连昆士兰海岸的旅游业都因此受到了威胁。

刺丝囊就像一个圆润的毒坛子，囊口下面有一只带倒钩的针刺，通过一根盘绕的发射管连着囊底。当这个微型装置被触发时，囊口打开，针刺弹出，发射管展开，毒液从管子里流出。游泳的人被箱形水母蜇了上千下之后，就会倒在沙滩上。针刺的发射速度极快，1微秒（10-6秒）内即可完成。发射管释放毒液的时间长达1毫秒（10-3秒）。针刺的最高速度可达70千米/小时，它像步枪子弹一样迅猛地扎进目标的表皮或虾壳。它从打开的囊口出来后只飞行了很短的一段距离，但是在它快速穿过囊口到达目标的过程中，加速度达到了重力加速度的数百万倍。2

在生命刚开始的10亿年里，生物绝不可能制造出刺丝囊。那时候，演化仅限于改造海洋细菌的结构。海洋细菌永远无法容纳如此复杂的武器，难点在于其本身的构成：它们就是一团液体，周围包覆着一层膜。从这样的细胞中射出一根针无异于自杀，因为它们就像气球一样，一戳就破。要制造刺丝囊，就必须先制造一个单独的内部“储物柜”来安放发射管，以便在不破坏整个细胞的情况下将发射管里的毒液全部释放出来。这个配件随着真核生物出现而成形。真核生物的细胞在有膜密封的隔间里完成吐故纳新的工作，包括吸入固体食物，排出废物，以及分泌各种各样的物质。释放刺丝囊就是一种剧烈的分泌行为。

水母是通过释放静水压力为蜇刺提供动力的。这似乎是让微小弹丸以极快速度运动的最有效方法。据估计，这种静水压力高达150个大气压，是由溶解在刺丝囊内液体中的推进剂积聚产生的。推进剂的积累会导致水渗入细胞中，通过渗透作用给蜇刺加压，使之做好发射准备。这种给蜇刺加压的化合物被称为聚谷氨酸（PGA）。在散发香味的黏稠发酵豆酱中也能找到这种物质，包括印度东部的kinema[1]和知名度更高的日本纳豆（我喜欢日本料理，不过觉得纳豆令人作呕）。水母DNA中负责为蜇刺制造PGA的关键基因，似乎来自我们用来制作豆酱的那些细菌的海洋近亲。我们把这种不同物种之间的DNA转移称为基因的水平传递。

与水母有亲缘关系的水螅也有这种武器。这些简单的动物黏附在水生植物上，并在水中挥动触须，这也是它们得名“hydroid”的原因（意指希腊神话中的九头蛇）。它们看上去就像头上脚下的微型水母。会使用刺丝囊的还有珊瑚和海葵，它们与水母及水螅一起，组成了一个大群体——刺胞动物门。

自然界有很多有毒蜇刺，包括荨麻的有毒刺毛、黄蜂和蜜蜂的蜇刺。黄貂鱼的防御武器是边缘有锯齿的刺和装满毒液的凹槽，它们弓着尾巴，露出毒刺，自下而上迅速刺向入侵者。2006年，澳大利亚环保主义者兼电视节目主持人史蒂夫·欧文被一条巨大的黄貂鱼杀死，和奥德修斯一样成了为数不多的被这些软骨鱼夺去生命的人。（奥德修斯被一根嵌有黄貂鱼刺的长矛杀死，应验了《奥德赛》中他的死因与海洋有关的预言。3）与大自然的无意识发明如出一辙的是，人类用毒刺来捕鲸，从新石器时代的手持长矛发展到了19世纪的装有手榴弹的鱼叉。我们继续讨论微型蜇刺。一些与水母无关的生物，包括单细胞原生生物（一度被称作原生动物和藻类）、在植物细胞上扎孔的寄生黏菌、水生真菌和造成爱尔兰马铃薯饥荒的那些害虫的近亲，演化出了各种各样的刺丝囊。通过与猎物进行军备竞赛，这些微生物制成了一些令人惊叹的奇妙装置，与之相比，水母的“导弹”看起来相当普通了。其中一种武器复杂得令人难以置信，它是由一种叫作甲藻的海洋微生物制造的。它的多管刺丝囊不满足于单发激发，在装满弹药后可以发射十几支蜇刺，简直就是一挺微型加特林机枪，而一个甲藻细胞就像是一艘装备了这种惊人武器的潜艇。4

在没有刺丝囊的生命之树分支上演化的海蛞蝓、扁虫和栉水母，选择从水母和海葵那里盗取刺丝囊，并把蜇刺放在身体表面以阻止捕食者。5有一种外形引人注目的海蛞蝓叫作蓝龙，它会通过吃掉葡萄牙战舰水母来完成抢劫行为，再在被劫持的毒刺上涂抹黏液以阻止其激发，然后将这些毒刺转移到皮肤上的小囊中。任何生物咀嚼海蛞蝓时都会被蜇。装饰蟹将海葵放到甲壳上，利用海葵的毒刺防御外敌，而海葵也可以从装饰蟹那里获益，因为这些移动的盟友会将它们带到新的觅食区。医学研究人员也会收集刺丝囊，用它们来蜇病人。在临床试验中，研究人员从海葵中分离出了刺细胞，干燥稳定后制成粉末，然后将其混合成凝胶，涂抹在人类志愿者的皮肤上。每次治疗都会使用数百万个刺丝囊。在凝胶中加入一种水溶性药物的溶液后，刺丝囊会在补充水分的过程中装满药物，并将药物注入皮肤。试验结果表明，在预防晕车、晕船等疾病时，利用这种装置给药的效果比透皮贴剂更好。6

刺丝囊是荷兰科学家安东尼·范·列文虎克在1702年发现的，他通过手持显微镜观察到了刺丝囊。列文虎克描述了水螅身上的球形刺丝囊，但不知道它们的用途。18世纪40年代，瑞士博物学家亚伯拉罕·特朗布莱做了更深入的研究。他描绘了触须表面的刺毛，却没有意识到它们是从球状结构中长出来的。显微镜不够先进，一直阻碍着刺丝囊的研究。直到一个世纪后，有了能产生更清晰图像的校正透镜，人们才了解了刺丝囊的真正功能。在此之前，刺丝囊被称为“睾丸”，因为发射出来的细胞上悬挂的发射管被认为是精子的尾部。它还有一个更贴切的名称——“垂钓者”，因为那些发射管就像可伸缩的钓鱼线。随着研究继续，迷雾逐渐散去。在第一次观察到刺丝囊的300年后，一台高速摄像机以每秒超过100万帧的速度让人们看清了它们的发射过程。7

捕捉真菌向空气中弹射、喷射和抛射孢子的过程，同样需要高速摄像机。这是唯一能与刺丝囊的发射竞争“自然界最快运动”这个称号的机制。孢子相当于真菌的种子。作为一名研究者，我在年轻时对几名研究人员就孢子空气传播展开的研究产生了浓烈的兴趣。蘑菇的菌盖每秒释放出3万个这样的微小颗粒，让它们在风中飘舞，就像仙女挥洒的梦幻亮点一样。菌褶之中布满了孢子，所以在显微镜下放大的菌褶就像一片西瓜田。然后，其中一个孢子消失，并立刻出现在附近的空气中。随后，孢子接二连三地消失，直到菌褶中空空如也。每个孢子似乎都呈现出同时存在于两个位置（在菌褶上和不在菌褶上）的量子特性，但它的骗术依赖于它的速度实现。弹射是在1微秒内完成的，孢子升空速度太快，以至有毫秒级感知能力的大脑无法捕捉这一过程。

我的前辈试图利用装有电动底片胶筒的电影摄像机捕捉飞行的孢子。在电动机的轰鸣声中，每秒有数千帧摄影胶片从显微镜镜头前一闪而过。当胶片冲洗出来的时候，研究人员哭笑不得地发现，他们拍摄出了数千帧单个孢子的静止画面，然后这个孢子突然消失得无影无踪，再后来就是海量的空白画面。孢子在两帧之间的瞬间无声无息地跳走了，这让他们气恼不已。几十年后，时间站在了我这边，视频技术的进步把微秒成像带到了实验室。当用来研究刺丝囊的摄像机对准真菌时，镜头下的景象令人惊叹不已：蘑菇孢子利用一个“表面张力弹射器”，由水滴的运动提供动力，让自己从菌褶中弹射而出。8

不产生蘑菇的真菌在动作方面展现了类似的魔法，一些不引人注目的真菌促成了一场不为人知的体操盛会。一种生长在马粪上的真菌可以利用半透明茎秆中的加压液体，将装满孢子的囊体弹射到2米以外。还有一种大炮菌，可以飞行6米以上。这种真菌的子实体生长在乔木和灌木下的潮湿环境中，在发芽前看上去就像芥菜种子。在准备发射的过程中，大炮菌的小球体裂开呈杯状，里面是闪闪发亮的孢子囊。这种杯状结构由弹性薄膜构成，通过外翻将孢子囊抛向空中。孢子囊以每秒10米（每小时36千米）的速度飞行，所以当它在草地上安静地飞行时，如果我们仔细观察，就有可能看到它们。这种孢子传播方法的效果，从我妻子的车上经常有真菌留下的斑点就可见一斑。在她工作的地方，停车场附近有一个花坛。真菌是向光性的，也就是说它对阳光有反应，所以它的子实体会循着反射的阳光，飞向锃光瓦亮的银色车身。最近，无数网页上都充斥着对这种微生物的抱怨和关于如何去除它留下的黏稠斑点的小贴士，这表明这些喜欢温暖潮湿天气的真菌可能是气候变化的受益者。

速度最快的真菌是一种微型生物，它们已经适应了在被火烧过的植被上生长。这个微生物运动员被称为红色面包霉，对于一种在不新鲜面包上并不常见的真菌而言，这个名称不是那么妥帖。它会形成细细的可以像刺丝囊一样加压的“鱼雷”发射管。当顶部小孔中的塞子被排出时，它们就会被强行打开，以每小时115千米的最高速度一个接一个地释放出4个孢子。孢子的初速度没有水母蜇刺快，但4个孢子在几微秒内就会全部飞出，在半毫秒内飞行1厘米的距离。之所以会演化出这样的快速发射机制，是因为空气的物理阻力。对微小物体而言，空气就像是一种黏性流体。如果孢子的发射速度不快，它们的飞行距离就不会超过自身长度的2倍。这种最快的真菌速度超过每小时100千米，因此能飞行500倍于自身长度的距离。红色面包霉通过飞行成功进入空气中，借助风的作用，可以传播得更远。

大自然安排在如此短暂的时间里完成的运动，都是通过释放储存的能量来实现的。刺丝囊爆发就是这种机制的一个完美例子。在蜇刺动作爆发前，细胞里的液体内容物被推进剂加压。囊口打开后，压力被释放并推动针刺向前运动。刺丝囊在被触发前有很高的势能，囊口打开后，势能转化为蜇刺的动能。9红色面包霉的“鱼雷”发射管也是同样的原理。给它们加压的化学过程会持续数分钟，化学能加载到发射管的缓慢速度与孢子释放压力和发射蜇刺的快速形成了对比。这些装置的惊人发射速度是通过这种功率放大机制实现的，其原理与用弩弓发射箭矢前要拉紧弓弦一样。

观察动物通过放大肌肉收缩的力量完成动作的行为，就可以更明显地感受到这些原理的作用。北美叉角羚速度达到每小时98千米的冲刺，是最快的肌肉运动之一。我曾在科罗拉多的矮草草原上惊起这些美丽的哺乳动物，然后惊奇地看着它们在平坦的大地上扬尘而去。它们的敏捷性被认为是在躲避美洲猎豹的过程中演化出来的（美洲猎豹已经灭绝，不会再给它们带来麻烦了）。这个诱人的想法源于现存但濒临灭绝的非洲猎豹的冲刺速度。非洲猎豹通过毫秒级时间内的肌肉收缩，可以在3秒内达到每小时100千米的最高速度。另一种令人叹为观止的肌肉连续收缩在啄木鸟身上展现出来，它每秒啄树皮20次，即每40毫秒啄一次，这与人类最快的击鼓和踢踏舞的速度差不多。10肌肉不能进一步提升四肢运动的速度，但它们可以通过自然形成的弹簧和弹射器来放大力量。

跳蚤、蟋蟀、蚱蜢、沫蝉和其他昆虫杂技演员，利用一种名为节肢弹性蛋白的化合物制成的弹簧提升自己的速度。节肢弹性蛋白是一种具有高度弹性的蛋白质，性能类似天然橡胶。在松弛状态下，形成这种物质的化学链排列成一个缠结的球。当跳蚤准备跳跃时，它的后腿会通过收缩肌肉，牵引外骨骼，挤压位于每条腿底部的一小块节肢弹性蛋白，进入蓄势待发的状态。节肢弹性蛋白链受压后伸直，形成一种有序的结构，但随时会变回球状无序结构。弹跳发动的瞬间，腿部节肢弹性蛋白膨胀，将储存的能量投入跳跃动作，然后跳蚤就会在千分之一秒内一跃而起。沫蝉（也被称为“鹃唾虫”，因为它们的若虫用“杜鹃唾液”形成的泡泡来保护自己）的弹射速度更快。另一类昆虫——飞虱的跳跃方法有所不同：它们利用“齿轮”让后腿同步伸展，确保平稳地腾空而起。11为了实现这些跳跃，昆虫不断改造它们的外骨骼以及相关的肌肉及神经。这是演化适应的一大奇迹。

蜘蛛和虾也会通过放大力量来完成一些动作。生活在新西兰和南美洲的陷阱颚蜘蛛长有巨大的钳子（或称为螯肢），顶部有弯曲的螯牙。它们将螯牙张开，然后在1/10毫秒内“啪嗒”一声合拢。螳螂虾装有“弹簧”的钳子可以夹碎贝类，关在水族馆的螳螂虾还曾夹碎玻璃。虾钳的夹击速度超过100千米/小时，比空手道掌劈速度记录快一倍多（考虑到虾钳的动作是在水的阻力下完成的，这样的速度就更令人惊讶了）。这些动作如此有力，以至于它会像高速汽艇的螺旋桨一样，在水中产生一连串气泡。12因为空气受到周围水的挤压，气泡会很快坍塌，产生热量、闪光和冲击波，进一步加大虾钳夹击产生的冲击力。

蕨类植物利用气泡爆炸，将孢子用聚拢在叶子下面的微型“弩炮”抛投出去。13弩炮，即古罗马石弩，是木制攻城装置，作用是向敌人的堡垒投掷石块。弩手克服绞索的阻力，用力将通过吊索携带石块的弩臂压下，满足了放大功率的需要。蕨类的“弩炮”有一个由弹性细胞构成的支柱，支柱干燥时会向后弯曲，形成有弹性的杯状结构，里面有10多个或更多的孢子。随着水分不断蒸发，弯曲支柱的张力增加，直到所有细胞中的气泡爆炸膨胀，使支柱“啪嗒”一声向前弹去，将孢子散播到空气中。弹射过程在10微秒内就会完成。白桑花利用支撑花药（内有花粉粒）的弹性花丝的反冲作用，以大致相仿的速度将花粉抛射出去。

水生植物狸藻反转了快速运动的常见目的，将组织内的张力用于吸引而不是排出物质。它们的气生茎上长着漂亮的花，看上去就像很小的金鱼草。茎梗上长着花椒粒大小的陷阱，在水中摇摆。这些陷阱会将水排出，陷阱壁受到向内的拉力，就会产生负压。长满刺毛的活板门使陷阱处于封闭状态。如果有倒霉的水蚤触碰这些刺毛，门就会打开，将水蚤吸进去。随后，活板门会在半毫秒内再次“砰”地关上。随着氧气耗尽，无法移动的猎物就会窒息，变成这种食虫植物的食物。与之相比，捕蝇草的闭合过程（包括对侧小叶释放压力的过程）更安静，需要1/10秒的时间。14

一些闪电般的快速运动是可以被人们听到的。在《我们周围的海洋》（英文版初版于1951年）[2]一书中，美国环保主义者蕾切尔·卡森描述了一群手枪虾一起捏合虾钳发出的“类似于干树枝燃烧或油炸食品的噼里啪啦、滋滋作响的声音”。15这些甲壳类动物有一个特别大的螯和一个比较小的附器，它们看起来就像戴着拳击手套的拳击手。这种声音是巨螯的钳子像响板那样相互碰撞发出的，会推动水流，留下一串气泡。虾钳是“铰接”的，可以通过肌肉收缩使其张开并储存能量。这些能量一旦释放，就会产生加速运动，形成冲击波。手枪虾就是利用这种冲击波把鱼打晕的。手枪虾发出的刺耳声音是海洋中最响亮的声音之一。

即使没有放大力量，大炮菌发射时发出的声音也是可以被我们听到的。这些速度极快的真菌把成千上万枚“炮弹”聚集在一个杯状结构里，同时发射时，可以听到“嘶嘶”的声音。本章描述的所有快速运动都会产生声波。我们听不到刺丝囊的声音，但是水母及其近亲，再加上所有带有蜇刺的微生物，数量极其庞大，因此每微秒就可能有一次爆发，导致水持续不断地振动。如果其他星球的天文学家把射电望远镜对准地球，在千赫和兆赫之间（每秒完成1 000～100万个周期）调整频率，那么在真核细胞出现之后，这些银河系的邻居就可能监听到一连串越来越快的微弱爆鸣声。等到水母充斥海洋后，地球开始回响着蜇刺发射和有毒发射管展开的声音。水母奏响了大自然快速运动交响乐的第一个乐章，随后是真菌“水枪”发射的声音、蕨类植物发出的“啪嗒”声和昆虫跳跃的声音，这是一场历时长达10亿年、包含噼里啪啦的各种声响的表演。

每个领域的科学家都需要评估他们的工作对人类其他领域的价值。研究快速运动的惯常理由在于，它有可能把关于自然机制的发现转化为商业产品。利用水母蜇刺给药就是一个潜在应用的例子。还有一些研究人员提出，合成的跳蚤节肢弹性蛋白可以用来制造人造膝关节，从昆虫那里获取灵感的锁扣和弹簧也可以用于微型无人机。生物工程师希望实现这些技术目标，而很多生物学家则满足于揭示自然设计之美。当然，问题在于，其他社会领域都在为这项研究买单。

我给一群蘑菇爱好者做了一场报告之后，一位听众要求我进一步分享我的真菌孢子研究。他告诉我，他是一名卫生工程师，从小就对蘑菇感兴趣。于是，我开始描述红色面包霉的“鱼雷”。明显可以看出，随着解释变得深入，他开始像一个法国农民看待玛丽·安托瓦内特[3]那样看待我了。在霜冻的早晨，他盯着化粪池，而我则在显微镜镜头下观察黑点——像流星一样从显微镜圆形视野中闪过的真菌。也许有人认为，这名卫生工程师通过纳税，在不知情的情况下投资了我的研究，而我观察到真菌有助于分解化粪池中的废物，这证明他的投资物有所值。对于这个观点，我们都不以为然。更好的辩解理由是用高速摄像机捕捉到的某些快速动作展现的那种纯粹的美感。这些动作十分优美，我和这名工程师在笔记本电脑上观看其视频时，似乎都有所启发。换句话说，当我们意识到这些研究把我们拉进了一个科学和艺术之间不再有明显区别的舞台时，受到启发的可能性就会增加。

当我们试图捉住指尖下的跳蚤时，它们就会消失不见。根据这个简单的观察结果，人类早就知道这种寄生虫跳得非常快。对这种能导致炎症的害虫的熟悉程度，在表现不同程度裸露的年轻女子抓跳蚤的辉煌巴洛克绘画中有所体现。16在罗伯特·胡克于1665年出版的杰作《显微术》中，有一幅活页插图，其中那只被放大到猫那么大的跳蚤深深吸引了那个时代的读者。英国皇家学会的成员被胡克揭示的解剖学细节所吸引，但令更多人感兴趣的是以这种新奇方式再现微小动物所带来的情感冲击。自然界有很多快速活动仍然神秘莫测。我们可以感受到刺丝囊，但看不到它，最常见的感知是我们的指尖在岩石区潮水潭中触碰到海葵时感受到的刺痛感。蜇刺的速度在这时变得无关紧要。

动物、真菌和植物的快速活动只是生命活动的一小部分，而它们的生命周期要长得多。像闪电一样快速激发蜇刺的水母可以活很多年，有些甚至可能接近永生，这一点我们稍后会看到。本书通篇都将帮助我们了解生命在多个时间尺度上表现出来的这种特征。控制昆虫跳跃的肌肉和神经是昆虫在化蛹之前，经过数日漫长而艰难的组装，才生长出来并完成连接的。如果昆虫没有活过幼虫阶段并完成神奇的变态过程，这一切都不会发生。在时间尺度更紧凑的那一端，肌肉和神经必需的化学成分是通过毫秒级的化学反应形成的，而每个这样的化学反应都是昆虫整个生命周期发生的众多代谢循环中的一个步骤。如果我们能观察化学反应，或者能观察到昆虫组织中一秒内发生的每一个反应，我们就会被分子交换的杂乱信息淹没。但在这场风暴深处的某个地方，收到信号的跳蚤或叶蝉曲着腿，向弹性骨骼施加压力，然后弹射而起，飞向空中。这就是生命：它是集化学和物理于一体的神奇狂欢，诞生于混沌之中，经历着快与慢的运动。

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[1]kinema是一种以枯草芽孢杆菌为主要菌种的大豆发酵产品。——译者注

[2]此书又译作《我们身边的海洋》《海洋传》。——编者注

[3]玛丽·安托瓦内特（Marie Antoinette，1755—1793），法国国王路易十六的妻子，死于法国大革命。1785年项链事件公之于世后，安托瓦内特的民望滑入谷底。大革命发生后，她被称为“赤字夫人”。——译者注