加入书架 | 推荐本书 | 返回书页
今书网 -> 其他类型 -> 猫头鹰的万花筒 第九十四夜 四分之三
- 人类还没有在太空中发现任何地球上不存在的元素。
实际上，大自然利用元素周期表中天然存在的98种元素构成了世间的一切，以及遥远的行星、恒星乃至星系。
元素是用质子数来编号的，只要增加质子数，哪怕不稳定那也算做一个元素。
目前理论上还没有质子数的上限，也就是元素是没有上限的。不过绝大多数新元素都是瞬间衰变，不能形成稳定元素。
所有的元素及其同位素，都是用其原子核包含的中子、质子数来界定的。如果用质子数、中子数做一个二维坐标，所有的稳定元素都几乎落在45度的轴附近，而偏离这根轴的地方，都是不稳定的。
由元素组成的物质有的简单，例如太空中普遍存在的氢，有的相当复杂，例如人体。
在宇宙大爆炸初期，只有氢、氦以及少量的锂存在。
随后，这些较轻的元素坍缩成了恒星，在恒星发生核聚变反应的同时，就会生成更重的元素，并在最后发生超新星爆炸的时候散播到宇宙当中，其中包含有一直到铜、铅、汞、金这样的重元素。
在恒星制造的这些重元素当中，大约只有2%聚集形成了行星，为生命的形成备好了原料。
对于碳基生命来讲，碳、氧、氮这些元素至关重要。因此，著名的天文学家卡尔·萨根曾经说：“我们都是星尘”。
如果我们从化合物的角度来看，那么地球上存在比宇宙中其它地方要丰富得多的物质种类。
化合物也是纯物质，只不过是由两种或两种以上的原子构成。例如，水就是由两颗氢原子和一颗氧原子构成。
迄今为止，天文学家在宇宙中大约只发现了220种化合物或分子，几乎所有在地球上都能找到。
当然，本文只是针对地球环境进行讨论，实际上，根据现代科学家对宇宙的观测与计算，宇宙中的物质大致可以分为3种：普通物质、暗物质、暗能量。
其中，普通物质大约占整个宇宙物质的5-15%，暗物质占整个宇宙的25%左右，暗能量占据其余。
普通物质：我们周围所见到的一切物质都是普通物质，均由“基本粒子”构成。
站在元素层面上来看，宇宙中最多的元素是“氢”，大约占据所有物质的90%；其次是“氦”，大约占据物质的9%左右；其余元素的量占据剩下不到1%。
以宇宙中最主要的元素氢为基准，如果氢粒子丰度为100，前十名元素的丰度为：
氢——90%
氦——9.7%
氧——0.085%
碳——0.036%
氖——0.012%
氮——0.011%
镁——0.004%
硅——0.004%
铁——0.003%
硫——0.002%
除了最丰富的氢氦，最多的是氧，然后是碳。
氢通常的单质形态是氢气。它是无色无味无臭、极易燃烧的由双原子分子组成的气体。
氢气是最轻的气体，它是宇宙中含量最高的物质。氢原子存在于水、所有有机化合物和活生物中。
化学性质上氢氧是最活泼好动的，而第二名氦是惰性元素。第一第三碰在一起就是水！所以，水，是宇宙中最丰富的化合物，没有之一。
这个宇宙，从来不缺水。
这也同样说明，为什么生命选择了碳基。碳含量是硅的十倍，生命当然选择更多更容易发生的。
暗物质：暗物质是指无法通过电磁波的观测进行研究，也就是不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能透过重力产生的效应得知，而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。
暗能量：如果宇宙中只存在物质与暗物质，那么宇宙空间最终会因为万有引力的作用而变得收缩，但天文学家对宇宙的实际观测表明宇宙正处于加速膨胀的状态，这就表示空间中存在一种”负压"，这种负压将空间受到的万有引力给抵消甚至使得空间加速膨胀。
从地球环境来看，尽管进化动力学中天生便存在难以预测的情况和偶然性，但生物体中几乎所有最基本、最复杂的可量化特征，都以一种非常简单和规律的方式随着规模的变化而发生缩放变化。
动物的代谢率与其体重呈现出了规模缩放关系。
这一系统性规律遵循精确的数学公式，用专业术语来说便是，“代谢率随体重的约3/4次幂发生变化”。
例如，大象的体重差不多是老鼠的10000（10的四次方）倍。相应地，大象的细胞数也是老鼠的10 000倍。
3/4次幂规模法则（3/4 power scaling law）认为，尽管要为10 000倍的细胞提供支持，但大象的代谢率（即保持大象存活所需的能量）只是老鼠的1000（10的三次方）倍。
3∶4是指10的幂比。
这是伴随着体积的增大而取得规模经济的绝佳例子，这表明大象细胞的代谢率是老鼠细胞的1/10。
尤其值得指出的是，由此而来的代谢过程中的细胞损伤率的下降也成了大象更加长寿的基础，并为人们理解衰老和死亡提供了一个基本框架。
规模法则也可以用我之前使用过的不同方式来阐释：如果一种动物的体重是另一种动物的两倍（无论是10磅∶5磅还是1000磅∶500磅），我们都可能会天真地认为，前者的代谢率也将是后者的两倍，这便是典型的线性思维模式。
然而，规模法则是非线性的，代谢率并没有翻番，实际上只增长了75%，规模每扩大一倍，便会产生25%的节余。
代谢率规模法则又称作克莱伯定律（Kleiber’s law），是以首位阐述该定律的生物学家克莱伯的名字命名的，该定律适用于所有种群，包括哺乳动物、鸟类、鱼类、甲壳动物、细菌、植物和细胞。
然而，更为引人注目的是，类似的规模法则适用于所有生物数量和生命史特征，包括增长率、心率、进化速率、基因组长度、线粒体密度、大脑灰质、寿命、树木高度，甚至树叶的数量。
此外，当我们用对数标绘时，一系列规模缩放的图形看上去都拥有相同的数学结构。它们都是“幂律”，并且指数（图中直线的斜率）都是1/4的整数倍，经典的例子便是代谢率的3/4。
因此，如果一只哺乳动物的体重增长一倍，它的心率便会下降25%。因此，数字“4”在所有生命体中都扮演着基础性的、神奇的角色。
这一令人惊讶的规律是如何从统计过程及自然选择内在的历史偶然性中显现出来的呢？
幂的指数1/4的普遍性和主导地位表明，自然选择受到超越具体设计的其他物理学一般原理的限制。
无论是细胞、生物体、生态系统、城市还是公司，高度复杂的、自我维持的结构需要其无数构成单元进行密切的整合，而这些构成单元在所有规律层面上都需要得到高效的维护。
这在生命系统内已经通过碎片化的分级网络系统的不断进化得以实现，而这些网络系统因自然选择固有的、持续不断的竞争性反馈机制而得到优化。
这些网络系统所共有的物理、几何和数学特性构成了这些规模法则的起源的基础，包括幂的指数1/4的普遍存在。
例如，包括我们人类在内，最大限度地减少将血液通过哺乳动物的循环系统输送到身体各个部分所需的能量，这样一来，就能最大限度地增加我们用于繁殖的能量。
克莱伯定律就是由此得出的。此类系统的其他例子还包括呼吸系统、肾脏系统、神经系统，以及植物的维管系统。
哺乳动物、鱼类、鸟类、植物、细胞和生物系统等多个网络也遵循相同的基本原理，具有相同的性质，即使它们会进化成为不同的结构。
在用数学语言表达时，这些原理和性质会引导出对普遍存在的1/4次幂规模法则起源的解释，但与此同时，它们也会预测出许多控制这些系统重要特征的定量结果，包括最小哺乳动物（鼩鼱）和最大哺乳动物（鲸）的体形、所有哺乳动物循环系统血管的血流量和脉搏率、美国各地最高树木的高度、大象或老鼠的睡眠时间、肿瘤的血管构造等。
它们还引导出了生长的理论。
生长可以被看作特殊的规模缩放现象。一个成熟的生物体本质上便是婴儿的非线性规模扩大的版本，比较一下你身体的各个部位与婴儿的各个部位便可知晓。任何发展阶段的生长都是通过把代谢能量分配给构成新组织的新细胞完成的，这些代谢能量通过网络输送到现有的细胞中。
这一过程可以用网络理论来进行分析，并由此预测出一个普遍适用的定量生长曲线理论，该理论适用于任何生物体，包括肿瘤在内。
生长曲线只不过是一张将生物体的体积作为其年龄的函数绘制而成的图。
如果你有孩子，你或许会熟悉这样的生长曲线，儿科医生经常会向家长展示生长曲线，让他们知道自己孩子与婴儿正常生长预期之间的对比。
生长理论还可以解释另一个你或许思考已久的似是而非的现象，即即使我们继续进食，我们最终仍会停止生长。
这被证明是代谢率的亚线性规模缩放比例及网络结构所表现出来的规模经济的结果。
在后文中，同样的图还将被用于描绘城市、公司、经济体的增长，以帮助人们了解一些基本问题，如开放式增长的由来及其可持续发展等。
由于网络决定了能量和资源被输送到细胞中的速度，这也就决定了所有生理学进程的速度。
由于细胞在大型生物体内的运行速度要慢于在小型生物体内的运行速度，生命的节奏便会随着体形的增大而系统性地变慢。
因此，在很大可预测的程度上说，大型哺乳动物更加长寿，需要更长的时间发育成熟，心率更慢，细胞的代谢率不及小型哺乳动物。
小型生物的生命在快车道上，而大型生物则一辈子都在笨重地移动，尽管其效率更高。
在构筑好这一思维模式之后，我们的问题便会转向网络和规模缩放范式如何能够应用于城市和公司的动力学、生长和结构上来，我们将发展出相类似的城市和公司科学。
这套框架转而又将成为解决全球可持续发展、可持续创新的挑战及生命节奏不断加快等宏观问题的出发点。