第丨部分生命的起源揭开壁虎抵抗重力的奥秘科学最为有趣的时候，是当它引起你的遐想的时候，尤其是在你的经验常识令你无法相信你眼前所见的时候，更是如此。试想一下，你躺在一家热带旅馆的房间里，一只牙刷般大小的蓝色壁虎，沿着你身边的墙壁爬到天花板上，在你的头顶正上方停下来看着你，不一会又沿着另一面墙匆匆地爬走了。你刚才所想象的丝毫没有任何异常。壁虎正是以其飞檐走壁的绝技而出名。但是你有没有想过它是怎样来完成这么精彩的表演的呢？事实上，几十年来研究者们一直对壁虎的附着能力迷惑不解：究竟是什么力量使壁虎克服了重力而不掉到你的鼻子上的呢？最有可能的猜测是吸附力一一蝶螈（Salamanders）也能够爬墙是因为它们的脚能形成吸盘，也许壁虎也是利用这种方法。检测的办法是看它们的脚能否在没有空气的真空条件下产生吸附力。试验结果表明火蜥蜴的脚不行，但是壁虎的脚可以，这说明壁虎不是依靠吸附作用的。会不会是摩擦力呢？蟑螂的足上有很多小钩子，就像攀岩者用的鞋钉一样，蟑螂利用这些钩子抓住物体表面的凹凸处爬行，。而壁虎，可以在蟑螂绝对爬不上去的抛光的玻璃上如履平地，所以也不是摩擦力的缘故。静电引力？烘干机里的衣挑战重力。这只壁虎又能爬墙，又能倒着爬过天花板。研究壁虎这种绝技的奥秘正是实验科学一物粘在一起，因为它们在互相摩迷人之处。擦的时候带上了电荷。你可以通过加入一些除静电的东西来消除这种现象，比如说强离子化的不粘层。可是壁虎的脚在离子化的空气里也能够附看，那么也不是静电力。是不是胶着作用？许多昆虫利用脚上腺体里分泌出的粘液来帮助爬行。可是壁虎的脚里面根本就没有腺细胞，也没有化学物质分泌，也不会留下脚印。不可能是胶着作用
挑战重力。这只壁虎又能爬墙 。 ，又能倒着爬过天 花板。研究壁虎这种绝技的奥秘正是实验科学一 迷人之处。 第 I 部分生命的起源 揭开壁虎抵抗重力的奥秘 科学最为有趣的时候，是当它引起你的遐想的时候，尤其是在你的经验常 识令你无法相信你眼前所见的时候，更是如此。试想一下，你躺在一家热带旅馆 的房间里，一只牙刷般大小的蓝色壁虎，沿着你身边的墙壁爬到天花板上，在你 的头顶正上方停下来看着你，不一会又沿着另一面墙匆匆地爬走了。 你刚才所想象的丝毫没有任何异常。壁虎正是以其飞檐走壁的绝技而出名。 但是你有没有想过它是怎样来完成这么精彩的表演的呢？事实上，几十年来研究 者们一直对壁虎的附着能力迷惑不解：究竟是什么力量使壁虎克服了重力而不掉 到你的鼻子上的呢？ 最有可能的猜测是吸附力——蝾螈（Salamanders）也能够爬墙是因为它们 的脚能形成吸盘，也许壁虎也是利用这种方法。检测的办法是看它们的脚能否在 没有空气的真空条件下产生吸附力。试验结果表明火蜥蜴的脚不行，但是壁虎的 脚可以，这说明壁虎不是依靠吸附作用的。 会不会是摩擦力呢？蟑螂 的足上有很多小钩子，就像攀岩 者用的鞋钉一样，蟑螂利用这些 钩子抓住物体表面的凹凸处爬 行，。而壁虎，可以在蟑螂绝对爬 不上去的抛光的玻璃上如履平 地，所以也不是摩擦力的缘故。 静电引力？烘干机里的衣 物粘在一起，因为它们在互相摩 擦的时候带上了电荷。你可以通 过加入一些除静电的东西来消除这种现象，比如说强离子化的不粘层。可是壁虎 的脚在离子化的空气里也能够附着，那么也不是静电力。 是不是胶着作用？许多昆虫利用脚上腺体里分泌出的粘液来帮助爬行。可 是壁虎的脚里面根本就没有腺细胞，也没有化学物质分泌，也不会留下脚印。不 可能是胶着作用
不过令实验者们欣慰的是，还有一条值得关注的线索：壁虎的脚似乎在某些物质的表面有更强的附着力。它们在低能的材料表面一一比如铁氟龙（Teflon）附着能力差一些，而在一些极性分子组成的表面吸附能力就强一些。这说明，壁虎直接踏入了物质表面的分子结构！循着这条线索，俄勒冈州(Oregon)波特兰市(Portland)刘易斯和克拉克学院（Lewis&ClarkCollege）的凯拉·奥特穆（KellarAutumn）和伯克莱加州大学（UniversityofCalifornia，Berkley）的罗伯特·福尔（RobertFull），对壁虎的脚进行了仔细的观察。在它的脚底，有一排一排细小的绒毛，叫做刚毛（seta），就好像某些时的牙刷的毛一样。当你在显微镜下观察这些绒毛，你会发现每个刚毛末端又分出400到1000个尖锐的突起，叫做匙突（spatulae）。每只脚上有超过50万的刚毛，每一根只有头发直径的十分之一粗细。Autumn和Full组成了一只跨领域的科学家小组，开始着手测量每一根刚毛到底能产生多大的力。为此，他们必须接受两个来自实验的重大挑战：单根刚毛的分离。以前还从未有人分离出单独的刚毛。而他们成功地在显微镜下通过外科方法从壁虎的脚上拔出一根毛，并把它绑在一根微探针上。而微探针装在一个可以随意移动刚毛的微控制器上。极弱作用力的测量。以前的实验表明，要托起一只壁虎，它每只脚的附着力大约是10牛顿，也就是能支撑一公斤左右的重量。因为每只脚上大约有50方的刚毛，可以推测出每一根刚毛可以产生约20微生的力。这个力对于测量来说是太小了。为了完成测量，奥特穆和福尔从斯坦佛（Stanford）找来了一位机械工程师托马斯·肯尼（ThomasKenny）。肯尼是设计测量原子级作用力的仪器的专家。实验过程当工作组分离了单根的刚毛，并准备把它放置在肯尼的装置上时，“我们碰到了一个意想不到的难题，”奥特穆说，在随后的两个月里，工作组试图把刚毛粘到传感器的表面，可是它根本就粘不上！工作组不得不停下来想一想。最后他们发现了原因。壁虎爬行时不是像我们走路那样把脚踩下去。事实上，当壁虎迈出一步的时候，先是脚爪踩到表面上
不过令实验者们欣慰的是，还有一条值得关注的线索：壁虎的脚似乎在某 些物质的表面有更强的附着力。它们在低能的材料表面——比如铁氟龙（Teflon） 附着能力差一些，而在一些极性分子组成的表面吸附能力就强一些。这说明，壁 虎直接踏入了物质表面的分子结构！ 循着这条线索，俄勒冈州(Oregon)波特兰市(Portland)刘易斯和克拉克学院 （Lewis & Clark College）的凯拉·奥特穆（Kellar Autumn）和伯克莱加州大学 （University of California, Berkley）的罗伯特·福尔（Robert Full），对壁虎的脚 进行了仔细的观察。在它的脚底，有一排一排细小的绒毛，叫做刚毛（seta），就 好像某些时髦的牙刷的毛一样。当你在显微镜下观察这些绒毛，你会发现每个刚 毛末端又分出 400 到 1000 个尖锐的突起，叫做匙突（spatulae）。每只脚上有超 过 50 万的刚毛，每一根只有头发直径的十分之一粗细。 Autumn 和 Full 组成了一只跨领域的科学家小组，开始着手测量每一根刚 毛到底能产生多大的力。为此，他们必须接受两个来自实验的重大挑战： 单根刚毛的分离。以前还从未有人分离出单独的刚毛。而他们成功地在显 微镜下通过外科方法从壁虎的脚上拔出一根毛，并把它绑在一根微探针上。而微 探针装在一个可以随意移动刚毛的微控制器上。 极弱作用力的测量。以前的实验表明，要托起一只壁虎，它每只脚的附着 力大约是 10 牛顿，也就是能支撑一公斤左右的重量。因为每只脚上大约有 50 万的刚毛，可以推测出每一根刚毛可以产生约 20 微牛的力。这个力对于测量来 说是太小了。为了完成测量，奥特穆和福尔从斯坦佛（Stanford）找来了一位机 械工程师托马斯·肯尼（Thomas Kenny）。肯尼是设计测量原子级作用力的仪器 的专家。 实验过程 当工作组分离了单根的刚毛，并准备把它放置在肯尼的装置上时，“我们碰 到了一个意想不到的难题，”奥特穆说，在随后的两个月里，工作组试图把刚毛 粘到传感器的表面，可是它根本就粘不上！ 工作组不得不停下来想一想。最后他们发现了原因。壁虎爬行时不是像我 们走路那样把脚踩下去。事实上，当壁虎迈出一步的时候，先是脚爪踩到表面上
然后伸展脚趾，让脚趾在表面上向后滑动。这样把一丛一丛的刚毛斜着推进了表面。他们重新设计了实验，这一次是让刚毛斜着从一侧来接触传感器表面，而不是从正面。这使得刚毛顶端的许多匙突得以与接触面充分接触作用。和已经测量过的垂直力一样，为了测量侧面刚毛的力，研究人员建立了一个电子机制的微型盘。装置由两层放置于硅盘上的抗压层组成，用来检测平行和垂直两个方向的力。实验结果刚毛正确地放置后，实验得出了结果，神奇的结果。仪器所测出的连接力达到了以前测量结果的600倍。每根单独的刚手产生出的力远远大于从整个脚所推测出来的20微牛，而是200微牛（见上图）！统计许多单根刚毛的测量结果，附着力平均为194+25微牛。两百微牛顿是一个BeginparallelSeta pulledpullingoffsensor微小力，可了不起的是每80+160根毛只有100微米长。单(Nr)40根刚毛产生的力足以抓起e2010-一只蚂蚁，上百万根毛就o能支持住一个小孩。一只-20小壁虎，用两百万根刚毛012345在天花板上走，理论上还Time (s)能背一个90磅重的背包滑步实验。测量了每根刚毛的附着力。先垂直用力使刚毛与传感器接触。然后，施加平行的反向拉力，力不断地增一如果动员所有刚毛的加直到60微牛（此后，刚毛就开始滑动并脱离了传感器）。话。在大量的类似实验中，附着力通常达到200微牛。Force力Beginparallelpulling开始施加平行拉力换个角度考虑，如果Setapulledoffsensor刚毛脱离传感器壁虎的脚能粘的那么结实，它又是怎么把脚抬起来呢？研究小组对单根刚毛进行了分离实验，用的是另一种微型仪器，是由同样来自伯克利加州大学的工程师罗纳德·费尔林（RonaldFearing）发明的，能够用各种不同的方法扭曲刚毛。他们发现如果倾角超过一个临界角度：30°，毛和表面之间的力就基本没有了。原来其中的决窍就是倾斜那
滑步实验。测量了每根刚毛的附 。 着力。先垂直用力使刚毛 与传感器接触。然后，施加平行的反向拉力，力不断地增 加直到 60 微牛（此后，刚毛就开始滑动并脱离了传感器）。 在大量的类似实验中，附着力通常达到 200 微牛。 Force 力 Begin parallel pulling 开始施加平行拉力 Seta pulled off sensor 刚毛脱离传感器 然后伸展脚趾，让脚趾在表面上向后滑动。这样把一丛一丛的刚毛斜着推进了表 面。 他们重新设计了实验，这一次是让刚毛斜着从一侧来接触传感器表面，而 不是从正面。这使得刚毛顶端的许多匙突得以与接触面充分接触作用。 和已经测量过的垂直力一样，为了测量侧面刚毛的力，研究人员建立了一 个电子机制的微型盘。装置由两层放置于硅盘上的抗压层组成，用来检测平行和 垂直两个方向的力。 实验结果 刚毛正确地放置后，实验得出了结果，神奇的结果。仪器所测出的连接力 达到了以前测量结果的 600 倍。每根单独的刚毛产生出的力远远大于从整个脚所 推测出来的 20 微牛，而是 200 微牛（见上图）！统计许多单根刚毛的测量结果， 附着力平均为 194+25 微牛。 两百微牛顿是一个 微小力，可了不起的是每 根毛只有 100 微米长。单 根刚毛产生的力足以抓起 一只蚂蚁，上百万根毛就 能支持住一个小孩。一只 小壁虎，用两百万根刚毛 在天花板上走，理论上还 能背一个 90 磅重的背包 ——如果动员所有刚毛的 话。 换个角度考虑，如果 壁虎的脚能粘的那么结 实，它又是怎么把脚抬起来呢？研究小组对单根刚毛进行了分离实验，用的是另 一种微型仪器，是由同样来自伯克利加州大学的工程师罗纳德·费尔林（Ronald Fearing）发明的，能够用各种不同的方法扭曲刚毛。他们发现如果倾角超过一个 临界角度：30º，毛和表面之间的力就基本没有了。原来其中的诀窍就是倾斜那
些脚毛直到它们能够移动。壁虎移动脚步前先蜷缩脚趾把刚毛从表面拔出来，就像我们撕胶条一样。壁虎脚上的强大附着力来源于什么？实验并没有揭示这吸力是什么，但看上去似乎涉及到原子水平的相互作用。壁虎的脚要粘在墙上，每根刚毛顶端的数以百计的匙突必须直接和表面接触，使每个匙突上的每个原子都能参与相互作用。当两个原子靠的很近的时候一一接近到比原子直径还要小的距离一一一种微妙的核引力，范德华力（VanderWaalsforce），就开始起作用了。这种力单独作用时十分微弱，但如果很多叠加在一起的话就不得了了。可不可以设计脚上有人工刚毛的机器人，使它们能够爬墙呢？奥特穆和福尔已经着手和相关的机器人自动化公司一起寻我答案了。有时候科学并不仅仅是好玩，它也会带来巨大的进步。（欲更详细地了解这个实验，查询虚拟实验室www.mhhe.com/raven6/vlabl.mhtml)
些脚毛直到它们能够移动。壁虎移动脚步前先蜷缩脚趾把刚毛从表面拔出来，就 像我们撕胶条一样。 壁虎脚上的强大附着力来源于什么？实验并没有揭示这吸力是什么，但看 上去似乎涉及到原子水平的相互作用。壁虎的脚要粘在墙上，每根刚毛顶端的数 以百计的匙突必须直接和表面接触，使每个匙突上的每个原子都能参与相互作 用。当两个原子靠的很近的时候——接近到比原子直径还要小的距离——一种微 妙的核引力，范德华力（Van der Waals force），就开始起作用了。这种力单独作 用时十分微弱，但如果很多叠加在一起的话就不得了了。 可不可以设计脚上有人工刚毛的机器人，使它们能够爬墙呢？奥特穆和福 尔已经着手和相关的机器人自动化公司一起寻找答案了。有时候科学并不仅仅是 好玩，它也会带来巨大的进步。 （ 欲 更 详 细 地 了 解 这 个 实 验 ， 查 询 虚 拟 实 验 室 www.mhhe.com/raven6/vlab1.mhtml）
第1章生物科学要点概述1.1生物学是生命的科学生命的属性。生物是一门研究活着的有机体以及它们之间、它们和环境之间关系的科学。1.2科学家在观察中总结和概括科学的本质。科学既需要演绎推理也需要归纳推理。科学工作是如何进行的。科学家以系统化收集的客观数据为基础建立假设。然后他们再设计出足以推翻这些假设的实验，并着手进行。1.3达尔文的进化理论描绘了科学是如何进行的达尔文的进化理论。环球航行中进行的观察，使达尔文逐渐建立了由自然选择导致进化的假说。达尔文的证据。化石和生物的地理分布使达尔文确信进化过程的存在。创立自然选择学说。马尔萨斯关于人口不会不受抑制地增长的思想，引导达尔文和另一位博物学者华莱士建立了自然选择假说。达尔文之后的进化论：更多证据。达尔文之后的一个世纪里，大量的实验证据支持他的进化论，如今它几乎被所有的生物学家所接受。1.4这本书将系统地帮助你学习生物生物的核心理论。课本的前半部分阐述了适用于一切有机体的普遍原理，而后半部分则侧重于生物体个论。你即将开始一次航程一一一次探寻生命本质的航程。大约180年前，一位名叫查尔斯·达尔文的年轻的英国博物学家搭乘H.M.S.贝格尔号进行了一次类似的航行（图1.1展示了贝格尔号的复制品）。这次长达五年之久的航行带给达尔文的收获就是他日后的自然选择进化理论，这个理论已经成为现代生物科学的
第 1 章 生物科学 要点概述 1.1 生物学是生命的科学 生命的属性。生物是一门研究活着的有机体以及它们之间 。 、它们和环境之间 关系的科学。 1.2 科学家在观察中总结和概括 科学的本质。科学既需要演绎推理也需要归纳推理 。 。 科学工作是如何进行的。科学家以系统化收集的客观数据为基础建立假设 。 。 然后他们再设计出足以推翻这些假设的实验，并着手进行。 1.3 达尔文的进化理论描绘了科学是如何进行的 达尔文的进化理论。环球航行中进行的观察 。 ，使达尔文逐渐建立了由自然选 择导致进化的假说。 达尔文的证据。化石和生物的地理分布使达尔文确信进化过程的存在 。 。 创立自然选择学说。马尔萨斯关于人口不会不受抑制地增长的思想 。 ，引导达 尔文和另一位博物学者华莱士建立了自然选择假说。 达尔文之后的进化论：更多证据。达尔文之后的一个世纪里 。 ，大量的实验证 据支持他的进化论，如今它几乎被所有的生物学家所接受。 1.4 这本书将系统地帮助你学习生物 生物的核心理论。课本的前半部分阐述了适用于一切有机体的普遍原理 。 ，而 后半部分则侧重于生物体个论。 你即将开始一次航程——一次探寻生命本质的航程。大约 180 年前，一位 名叫查尔斯·达尔文的年轻的英国博物学家搭乘 H.M.S.贝格尔号进行了一次类 似的航行（图 1.1 展示了贝格尔号的复制品）。这次长达五年之久的航行带给达 尔文的收获就是他日后的自然选择进化理论，这个理论已经成为现代生物科学的