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寒武紀大爆發:第一隻眼的誕生(2017全新增訂版)
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  • 寒武紀大爆發:第一隻眼的誕生(2017全新增訂版)

  • 作者:派克(Andrew Parker)
  • 出版社:貓頭鷹出版社
  • 出版日期:2017-01-03
  • 定價:450元
  • 優惠價:79折 356元
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  • 書虫VIP紅利價:338元
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內容簡介

◆2017全新增訂版,增修地質年代與彩色照片 ◆美國AMAZON讀者四顆星推薦 ◆國立自然科學博物館 程延年博士 專文導讀 ◆解開寒武紀大爆發之謎的經典重現 為何已維持三十五億年單純形式的生命, 會在寒武紀時演化大爆炸? 什麼是寒武紀大爆發? 早在五億四千四百萬年前,單細胞生物就已在地球上出沒,當時的動物物種只有三個動物門。而在短短的五百萬年後(這段時期僅占生物演化史的千分之一),這三個動物門的物種突然演化成三十八個動物門,幾乎現今所有動物的祖先,全在一瞬間蜂湧而出。這個物種快速暴增的現象發生在寒武紀初期,稱為寒武紀大爆發,是演化史上的劃時代事件。 什麼原因導致寒武紀大爆發? 自達爾文發表《物種起源》始,寒武紀大爆發一直被視為演化上的謎團。為了解開謎團,眾多地質學家、古生物學家和演化學家皆提出各式各樣的假說,卻也接二連三地被推翻。牛津大學動物學家派克於2003年再度挑戰這個連達爾文也感到困惑的千古難題,他以大膽假設、小心求證的科學精神,全面檢查遠古化石證據,提出一個簡單又極具說服力的解釋:光開關理論。 2017年倫敦自然史博物館全新修訂出版 派克於2003年出版本書後,立即奠定了古生物學界的大師地位。歷時十三年,這本書引發眾多的討論,在在驗證本書理論的正確性,甚而被引申為人類文化活動突然壓力事件的模型等。本書在2003年時原由大眾讀物出版社出版,2016年時由倫敦自然史博物館全新出版,不僅增訂了全書的地質年代,並由作者增補彩色照片與黑白圖說,更確定本書的可靠性與正確性。2017年繁體中文版即為2016年倫敦自然史博物館所修訂的最新版本,完整呈現。 【各界好評】 「派克像擔任古生物的辯護律師般,以嚴謹的態度整合他那引人入勝的論點——就像達爾文一樣。」 ——馬特瑞德利,《23對染色體:解讀創生奧秘的生命之書》作者 「寒武紀大爆發的解釋是古生物學家的聖杯。派克的論點不但展現令人信服的邏輯,而且清楚明晰,他對寒武紀之謎的解釋不僅出色且顯而易見——我們必然是瞎了眼才會忽略它的存在。」 ——《每日電訊報》 「漂亮的解釋!派克用一絲不苟且淺顯易懂的方式闡述他的主張,令人振奮。」 ——《周日電訊報》 「從光學、藝術史、動物學、地質學到古生物學,一連串的事實令人目眩神迷。派克對各種證據線索信手捻來的非凡功力,造就了一趟迷人的閱讀之旅。本書可讓讀者一窺當代科學爭論的內幕,並對進行中的研究留下鮮明的印象。」 ——《衛報》

目錄

前言 第一章 演化大霹靂 第二章 化石的虛擬生命 第三章 注入光源 第四章 當黑暗降臨 第五章 光、時間與演化 第六章 寒武紀時代的色彩? 第七章 形成視覺 第八章 殺手的本能 第九章 謎底揭曉 第十章 故事結束了嗎?

序跋

2017年倫敦自然史博物館增訂版作者序
     本書集十三年研究之大成,而十三年來,研究意外地收斂到相同的問題——寒武紀大爆發的原因。在出版後的十三年裡,大眾開始關注它提出的問題,更令人訝異的是,它竟產生對人類社會的影響。      在視覺存在之前,生命體如何感知世界?如果沒有演變出形成圖像的眼睛,演化將如何進行呢?這些問題引起了太空生物學的興趣,舉例而言,它們能理論上協助我們推測其他行星的生命如何進行演化。      當重大變化出現時,人類社會會發生什麼事情呢?寒武紀引進視覺之前、期間和之後這三段時間的生物及其間的各種互動,近年來被用作一種模型來詮釋這樣的情況,無論變化是出現在社會情境、經濟還是國防方面。而在社交媒體上,這種變化可能為個人提供了前所未有的資訊透明度。「政府、軍隊、教會、大學、銀行和企業都在一個相對模糊的知識環境中成長茁壯。在這樣的環境下,知識多半受限,祕密容易被隱藏,而每個人不是目盲,就是近視。當這些組織突然發現自己暴露在日光下時,他們很快發現不能再仰賴舊法,他們必須直面曝光的危機,否則將走向滅亡。」(Daniel Dennett和Deb Roy,《科學人雜誌》,2015年3月,第64-69頁)。      我非常感謝許多人撥出他們的時間評論光開關理論,這些積極的回饋激勵了我。爭論的主要關注點在「眼睛」一詞並沒有普遍的定義,我仍然更喜歡「形成圖像的視覺器官」,而不是也包含那些功能較少的器官。然而,同樣重要的是,能夠最大限度地解讀和運用這些圖像的能力,因此擁有此器官的第一個物種也被視為一個「受視覺引導、高度移動的掠食者」。這樣的生物強勢地將視線鎖定其他所有的生物上,並且晴天霹靂般引進了視覺。突然間,在地質時代的某一刻,所有的動物都毫無選擇地只能出現在可怕掠食者的視網膜上。而演化將會有所回應。      最後,提一下自二○○三年以來的新發現。有許多新種類的寒武紀生物被挖掘出來,並且現有化石經過重新詮釋,而保存完好的眼睛也浮出了寒武紀的地表,例如那些巨大的、具代表性的掠食者奇蝦(Anomalocaris)。我在自然歷史博物館的同事格雷格‧艾吉康博士,以及日本的田中玄五博士,他們在這段時間好心地協助我不斷更新研究成果,許多研究人員慷慨地與我分享了他們在寒武紀遺址的發現。我十分感謝他們的付出,遺憾的是,由於數量眾多,我無法一一添加在之後的文本中。惟有地質日期已經根據新的研究進行了精細調整(再次感謝格雷格)。即便如此,我想這本書的假設並不會因此受影響,並且關鍵部分也能不斷地被新發現證實。

內文試閱

第三章 注入光源
每當基於某種特殊目的而改變顏色時,就我們所能判斷,若非提供直接或間接保護,就是攸關兩性之間的吸引力。 達爾文《物種起源》(初版,一八五九年)   穿過牛津大學自然史博物館裡,那一道道維多利亞時代的門廊、樓梯與迴廊,最後就會置身隱藏於哥德式建築偏遠角落裡的一個簡陋入口。這是通往赫胥黎室的大門,門後是一片頗具歷史意義的屋頂,它的木材吸收了一八六○年大辯論期間,第一項公諸於大眾的演化消息。赫胥黎曾在這裡與韋伯弗斯大主教展開一場唇槍舌戰,是場關於演化論的「科學與宗教」觀點的對決。赫胥黎捍衛的是達爾 文於七個月前出版的《物種起源》,企圖阻止「情操干擾才智」。雖然達爾文缺席,但赫胥黎漂亮地贏了一仗,將演化這個名詞注入全球語言。非常值得在赫胥黎室門前暫時駐足。   大辯論之後,赫胥黎室被改裝成昆蟲學標本典藏館,裡面滿是科學家採集而來的昆蟲標本。牛津自然史博物館最後一任維多利亞時代的昆蟲學標本典藏館館長,波敦爵士,命中注定要為館內的甲蟲神魂顛倒。   有天早晨,波敦打開赫胥黎室的門,照例欣賞了一會這棟建築物。陽光照亮略微傾斜的屋頂,和許多裝飾漂亮的橫樑,打斷了室內的黑暗。他走過赫胥黎室的通道,這條通道兩旁各有一排木造的昆蟲標本收藏櫃。有個抽屜不知何時被從收藏櫃裡拿了出來,使他在例行檢查時,不由得停下腳步。陽光照在這個抽屜上,由於光線是穿過一扇花飾鉛條窗的圓形透鏡射入,因此聚焦形成一道光束。波敦吹去玻璃蓋上的灰塵,於是他那雙已適應室內時有時無的黑暗的眼睛,立刻被一枚寶石所吸引。陽光使約拇指般大小的埋葬蟲身上的金屬藍,顯得更亮眼。在支撐標本的大頭針上,貼有「埋葬蟲,蘇門答臘,華萊士,一八六六年」的標籤。這個由共創演化論的華萊士所採集的閃亮標本,正好在演化論首次受到檢驗的會議室裡被人發現,真是再貼切不過了。事實上,此處還收藏達爾文蒐集的其他標 本,但波敦真正感興趣的是華萊士標本的顏色。不久,波敦就把所有的昆蟲標本抽屜放在陽光底下,在赫胥黎樑木——演化學識的樑柱——上,映照出一道道絢爛的彩虹。   波敦最終發表了動物的顏色分類法,並成為「大英帝國昆蟲學研究的重心」。他喚起整個世紀關於動物體色的研究,從某方面來說,在本章也能找到解開寒武紀之謎的線索。 維多利亞時代之前   早在數個千禧年之前,埃及人就曾談到「太陽神」。他們將糞金龜的地位抬得更高,認為牠們會在沙漠上,四處象徵性地滾動太陽形的物體。埃及人相信這種「聖」甲蟲代表太陽神凱布利,在埃及文中,「凱布利」這個字具有「聖甲蟲」和「存在」雙重意義。羅馬人對陽光同樣感興趣,但他們的興趣不只局限在宗教層面。反光通信法是羅馬人的訊號藝術,他們會利用反射在金屬盾牌上的陽光進行通信,有時也利用反射作用,讓陽光直射敵軍的眼睛,使對方目眩眼花。閃光比穩定的光線更炫亮,但在近距離內具有擊昏效應。從飛機上往下俯瞰,汽車擋風板反射過來的光線,就算不致讓人瞎眼,也還是非常強烈。不幸,羅馬人竟被自己的技術反將一軍,阿基米德利用他們的金屬盾牌,將陽光聚焦於入侵的羅馬戰船船帆上,使戰船在爆炸之後被無情的火燄吞噬。   自然界也有格外強烈的光。想像一下,若將陽光聚焦引起某種物質起火燃燒,這時它對視網膜的影響會有何巨大。視網膜是演化的產物,但也會因演化適應的結果而遭破壞。就是這個原因,讓天使魚在地盤處於危急關頭時,搖身一變成為冥府的天使魚。   天使魚生活在亞馬遜河清澈的淺層水域,扁平的銀色身體如同一面明鏡。當某條魚侵入另一條魚的地盤時,守衛者就會離開藏身的蘆葦,奮勇作戰。牠們所採取的戰鬥態勢,是在水中保持傾斜的姿勢,目的是反射陽光,將它射入敵人的眼睛。如同羅馬盾牌般,天使魚可將強烈的亞馬遜河陽光,聚集成一道窄小的光束,並精確地擊中目標。事實上在這場戰鬥中,雙方都在開放水域擺出戰姿,藉由調整身體的傾斜度,來微調自己所發射的火線。穿透河水閃爍而出的光線,如同「星際大戰」的要角在作戰時所發射的雷射光。這場戰役的賭注極高。被光直接擊中眼睛會使血管破裂,並促使心跳及呼吸速率加快,以這種方式被擊敗的魚,最幸運的下場是暫時昏迷,最悲慘的結局是喪失生命。但不論戰敗者的下場如何,戰爭都已結束。這是一種生活在陽光最強烈的水域,而且適應良好的魚類。根據 強大的選擇壓力,天使魚已逐漸演化形成精密的明鏡。   不過「光」到底是什麼?我即將積極投入這個關鍵問題的歷史。事實上這個問題可分為小規模的討論,整本歷史書會交錯出現問題的答案。無論如何,如此基本的光學要素,起先似乎與談論演化的書籍無關,即使是討論自然界顏色的書籍。因此,為何不簡單地告訴我們答案,好節省些上歷史課的時間呢?科學界的歷史解釋裡,有些關於自然界顏色的成因與目的的線索,甚至連藝術和軍事領域的解釋,也含有這類線索。人類的獨創性與藝術表達,經常會聚於顏色也涉足其中的自然選汰。   本章我們將觀察一種特殊的動物,並詢問二個問題:「是何原因造成那種顏色?」及「那種顏色有何目的?」我們將探討一系列的動物物種,了解上述問題的各種答案。你將發現,每種情況都有很多可能性,但早期科學家、藝術家與軍事戰術家所贏得的勝利,甚至他們所經歷的苦難,都能幫助我們縮小搜索嫌疑犯的範圍。   如同前人所為,十五世紀時達文西也致力尋找光的解釋,不過他的看法的確與前輩略有不同。達文西開始懷疑當時哲學家所抱持的觀點〈他們認為眼睛會散發光〉,回過頭來思考光是否源自某個物體——觀察物體——的反射作用。達文西認為光可與聲音相比擬,兩者都是以「震動」的方式通過空氣或水。他藉此暗示一種在空氣或水中,透過一連串干擾而傳播的訊號,他所描述的是「波」的概 念。他把二顆石頭丟進河裡,並觀察到二顆石頭所興起的同心圓波,會在相遇之後彼此抵消。達文西想知道光是否也會如此表現。   達文西分心了,他把注意力從光轉移到宇宙中的萬事萬物。他認為「每樣事物都是利用波來傳播」。他曾對光著迷,至少達文西得到光是太陽的一種屬性的結論。從現在起,哲學家開始從波的角度來思考光,儘管是最簡單的形式。   惠更斯和笛卡兒把波的概念發揮得更加淋漓盡致,人們常對他們讚譽有加。一六六四年,笛卡兒曾說明當光通過雨滴時會發生什麼事,他得出內反射造成彩虹效應的結論。但當時的人們認為,理論上光只有白色,因此笛卡兒的解釋只能預測彩虹如何形成。此外,笛卡兒也認為光的傳播是瞬間發生。後來人們證實,他的這兩項解釋都不正確。   十七世紀晚期,法國數學家費瑪在達文西的概念裡注入新生命,即大自然總是走最短的捷徑,光確實以有限的速度行進。根據費瑪的觀點,光在水中與空氣中的行進速度不同。   約在此時,二十二歲的牛頓離開劍橋,為了躲避大瘟疫,而中斷藝術系學士學位的課業,當時大瘟疫正從倫敦往他的學校蔓延。接下來的二年,我們看見或許是這位科學史上的英才,最具創造力的展現。牛頓在家鄉烏爾索普,想出數學的二項式定理和微分學與積分學;統合天體力學;天文學的重力論;以及……光學的色彩論。在所謂的「決斷實驗」中,牛頓利用一片稜鏡把光細分成一組色譜,然後再讓每一種「顏色」穿過第二片稜鏡,來證明這些光不可能再次分離。牛頓的實驗,除了證實陽光是由所有的色譜組成之外,別無其他發現。現在笛卡兒的彩虹有了自己的色彩。   關於自然光,牛頓並未堅持某種觀點,事實上,他贊同光是由粒子所組成,不同顏色的粒子,具有不同的速度或質量的看法。但牛頓發現自己沒有時間依照慣例,以極高的數學嚴謹度來檢驗這個見解。惠更斯的光波論贏得最後勝利〈雖然現今我們認為,所有的粒子都能表現得像波,反之亦然〉。   一九六○年,與牛頓同時代的惠更斯明確地指出,波前上的每一點,都是新波的來源,而新波與原波具有相同的振盪頻率。不同行進方向的微波,可以彼此抵消,如同達文西的二顆石頭所興起的漣漪。但若未受到阻撓,波會繼續往前行進。 維多利亞時代的另一項珍品   十九世紀的維多利亞時代掌握所有的知識,當時的人們知道陽光含有不同波長的光波,而眼睛可將各種波長的光波,轉換成不同的顏色〈環境中並無色彩,色彩只存在人類心裡——我會在第六章討論這個問題〉。維多利亞時代的人可自由使用精密的儀器,他們根據光的特性,完成由達文西所展開的研究,也就是說他們為了本書的宗旨,完成了這項研究〈謹向卜朗克與愛因斯坦致歉〉。   維多利亞時代早期的英國物理學家楊格發現,只要混合三種不同的顏色,即藍色、綠色與紅色,就能得到任何顏色,這個有用的概念,對科學和電視極為重要。接著楊格又發現了偏光現象,當波沿著一條吉他的弦行進時,弦會朝旁邊位移。若在「波」的行經路徑放置一個狹縫,只要它的位移與縫隙平行,波就會繼續行進,但若它的位移與狹縫不平行,波就會被反射並折回原路。光的表現與波類似,它是一種橫波。人造偏光的太陽眼鏡,近似可降低光傳播的狹縫。若光束裡含有位移或偏振方向不同的波,那麼就只有那些與透鏡「狹縫」平行的波才能通過透鏡,此時通過每片透鏡的光都已經偏振化。   與此同時,維多利亞時代的科學家也正著手應付另一個難題——光的速度。先前科學家曾利用天空的星星因地球繞太陽公轉而產生的微小位移,取得驚人精確的數值,但十九世紀的法國與波蘭科學家的目標,是直接測量光速,這不但需要獨創性,也必須藉助維多利亞時代的高科技。他們進行的實驗是用燈泡照亮一面旋轉中的鏡子,以製造光脈衝,然後將第二面靜止不動的鏡子,放在某個方向的極遠之處,這面鏡子會把一道光脈衝朝旋轉中的鏡子反射回去。隨著轉速的變化,反射回來的光擊中旋轉鏡面的角度也會略微不同,其中只有一個角度能讓光朝燈泡反射。利用鏡子的旋轉速度與相關的距離和角度,就可以相當精確地測得光的速度,約每秒二十九萬九千九百一十公里。所以光只需大約八分鐘的時間,就能從太陽抵達地球。人們將這項事實與馬克士威的研究聯想在一起。   蘇格蘭物理學家馬克士威,因電磁場理論而聲名大噪。長話短說,馬克士威發現,諸如空氣等介質中的電子,會因電場的作用而偏離正常的位置。   馬克士威理解,在他的實驗裡,電子在通過介質時會以波的形式偏離,但他還是能計算這些波的行進速度——與計算所得的光速相同!找到了!馬克士威發現光其實是電磁波的事實,亦即它具有電的成分與磁性的成分——會垂直位移的波。一八八○年代,德國物理學家赫茲利用一些製作精巧的實驗,證實了馬克士威的理論。但這些事蹟都與維多利亞時代最著名的科學書籍《物種起源》有關嗎?   演化也遵從光學原理。 色素   有一夜我搭乘曼莉渡輪返家時,在雪梨港內觀察到楊氏色彩論的混色作用。有部分港灣,岸邊有著高度不一的摩天大樓作為邊飾,這些大樓都裝設顯示公司名稱的霓虹燈。從水面反射而回的燈光形成鏡像,我注意到反射光中竟出現一些霓虹燈招牌所沒有的顏色。水面上的細浪,將來自不同建築物的反射像混合在一起,包括它們的霓虹燈招牌在內。在水平線上,紅色與藍色招牌彼此重疊之處,我只看見一道紫色的反射光。   在維多利亞時代晚期,「有效混色」原理——與在調色盤上,簡單地將幾種不同的顏料調合在一起不同——是法國印象派藝術家的最愛。畢沙羅的畫「農家」,清楚地描繪一位走過菜園門口的農夫,他的前方是一列農舍。靠近一點觀賞這幅畫作,你就會發現畫中的景象變得有些古怪奇異。房舍突然不見了,只看見由紅色、藍色、綠色與黃色條紋拼貼而成的圖形。遠觀時,紅色與藍色會融合形成煙囪的紫色陰影——你眼中所見的紅色與藍色條紋不再各自分立。毗連的紅色與藍色條紋,在我們眼中形成的圖畫裡,屬於相同的像素。趨同演化也存在於自然界。   皇蛾可以長到如標準尺寸的主餐盤般大小。牠那龐大的翅膀混有芥末黃與灰色圖案,這些顏色是來自翅鱗上的色素。如同藝術家的顏料與我們的衣服上的顏色般,色素是會吸收白光中某些波長光的分子。有些光屬於不可見光,但陽光中其餘波長的光,會被色素系統反射回去或穿透色素系統。這些波長的光屬於可見光,而這就是動物與植物之所以有顏色的最常見原因——牠們體內含有色素。   實際上芥末黃與灰色皇蛾的翅鱗上,並沒有芥末黃或灰色的色素,將牠們的翅膀放在顯微鏡底下觀察,你就會看見,灰色的部分竟然變成黑鱗和白鱗的混合,而芥末黃的部分,則是棕鱗和黃鱗混合的結果。從另一個層次檢驗蛾的色素,我們發現,在芥末黃的部分有二種不同類型的顏色,即飽和色與不飽和色。黃色是飽和色,亦即它只含有黃光的波長。在牛頓學說的觀念裡,這是飽和色。若在已經過牛頓的稜鏡分離的色光行進路徑上,放置一個狹縫,使得只有黃光能夠通過狹縫,我們會得到飽和的黃色。另一方面,棕色是不飽和的紅色。若讓狹縫移動,使得只有紅光能夠通過,由於紅光會被其他較昏弱的白光稀釋,於是映入眼睛的就是棕色。因為含有各種波長的色光,所以棕色是不飽和色。   大堡礁裡大部分的色彩都是色素營造的效果。看見如此驚人的色彩,並且了解大堡礁之所以如此五彩繽紛的原因,實在是極美妙的經驗。本章的目標之一,是說明人們如何了解這些奧祕;先對顏色的成因有基本的了解,你就能夠在穿行任何環境時,解釋身旁所有棲息動物的體色。雖然還可以用很多其他的方式來呈現色彩〈本章稍後及其他章節會談及這部分內容〉,但每個機制的光學效應,都 具有獨特的特徵。色素可能會使一隻動物,或動物身體的某部分染上顏色,但色素所暈染的色彩,並非最燦爛耀眼的顏色;因色素而產生的顏色,也不會隨著不同的觀看方向,或動物本身的移動而產生變化。這是因為色素會向各個方向散射或反射相等波長的光,因此從可形成整個半球面的任何方向看來,都呈現相同的顏色。由於我們每次只能看見半球上一個極小的圓錐面,也因為我們的眼睛很小,所以只能接受陽光中一小部分波長的光。若我們的眼睛大如足球,色素就會變得更加鮮明,尤其當它們密集存在時。因此我們眼中所見的光,已比原先的光源——陽光——暗淡很多,當我們遠離視野中的動物時,所能偵測到的光錐就變得更小,光線也更暗淡,最後牠們終將逐漸消失在我們的視野之中。你可以想想遠方的陸地逐漸消失在眼前的情形。

作者資料

派克(Andrew Parker)

一九六七年出生於英國,曾於澳洲博物館從事海洋生物研究,也同時取得雪梨麥克里大學博士學位。之後派克轉往英國牛津大學動物學系進行研究工作,並於一九九九年成為英國皇家學會的研究員。此外,他也是牛津大學薩莫維爾學院、歐尼斯特庫克學會的研究員,以及澳洲博物館和雪梨大學的助研究員。 派克早期以種子蝦為研究主題,意外踏進古典光學的領域。在接受動物結構色相關課題的訓練後,他從一個門外漢變成光學專家,並以他的專長解答寒武紀大爆發之謎,架構出「眼睛驅動了寒武紀大爆發」的精采論述,泰晤士報因此形容他是:「舉世最重要的三個青年科學家之一。」派克曾發表無數篇科學論文,範疇廣及自然界的光學、仿生學和演化學等。本書為他的第一本科普寫作。

基本資料

作者:派克(Andrew Parker) 譯者:陳美君 出版社:貓頭鷹出版社 書系:貓頭鷹書房 出版日期:2017-01-03 ISBN:9789862623183 城邦書號:YK1230X 規格:平裝 / 部分彩色 / 352頁 / 14.8cm×21cm
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