“奥数热”里的双重“囚徒困境”

作者:曹志刚(中国科学院数学与系统科学研究院)

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约翰·纳什(图片来源于网络)

博弈论里有两个超级明星——一个是去年仙逝的纳什,一个就是囚徒困境。纳什作为主角被拍成了电影《美丽心灵》,获得了第74届奥斯卡最佳影片和最佳导演奖;囚徒困境则不仅出现在成千上万篇学术文献中,养活了很多我的同行,还可以很容易被公众掌握,用来令人信服地解释很多社会现象。说得尽的纳什,说不尽的囚徒困境。今天我们就来聊一聊囚徒困境。

囚徒困境有多个版本,下面大概是最简单的一个。假设两个人玩一个游戏:每人面前有一个箱子,里面装着面值分别为10元和100元的两张钞票。每人从中取出一张钞票:如果取100的,最终要给对方;如果取10元的则自己留下。只要不是太笨的人就能很容易想明白,不管对方怎样选择,拿10元的留给自己都是最“聪明”的决策。所以很可能的结局是每人只得10元。这个结果不仅是唯一的纳什均衡,还是一个占优均衡,从而是唯一的演化稳定均衡和唯一的相关均衡。这是囚徒困境非常有说服力的重要原因。明明可以每人都拿100,为什么彼此不能多一些信任呢?如果你不相信这个预测结果的话,可以看看Friend or Foe,相信这个拍了130集的真人秀会加深你对人性的认知。

博弈论的通俗著作中有不少庸俗且不靠谱的玩意,比如教人怎么用博弈论炒股啊,撩妹(汉)啊等。但是活学活用囚徒困境真的可以帮我们重新审视一大类现象。在这类现象里,每人都处在一个跳不出的“局”里(局中人,多么传神的称呼啊)。每个人都很“聪明”很“理性”或者有其不得已,但“聪明反被聪明误”,这一个个不得已最终造就一个大家都不愿看到的悲催结局。说老实话,博弈论里这么好用的模型并不多。我希望通过大家都熟悉的奥数问题来说明囚徒困境就在我们身边。只要用心去琢磨,总能发现一些别人没注意过的新的囚徒困境。

奥数本身作为发现杰出数学人才的平台并没有问题,而且对于有一定天分又对数学特别感兴趣的孩子来说,奥数教育对于发掘他们的数学潜力有非常积极的作用。不过,如今这种与升学挂钩的全民奥数就显得有些疯狂了。这种疯狂得近乎畸形的奥数教育不仅不能培养真正的数学创造力,而且还会扼杀多数孩子对数学的兴趣。

疯狂奥数中有两个相互关联的囚徒困境,分别发生在学生与学校之间。意识到这个双重囚徒困境的存在对于我们理解奥数问题为什么难以解决会有重要启发。这比空洞的呼吁号召大家改变教育理念或许更有益。

很多人会好奇:奥数明明只适合有一定天赋对数学特别感兴趣的孩子,对于不感兴趣的孩子,为什么非要折磨他们呢?这真是有所不知。多数让孩子参加奥数培训的家长并不是期望自己的孩子将来当数学家。家长的目标通常很现实,就是上一个好点的中学,因为小升初择校要考奥数。常考的题目就那些类型,参加奥数辅导对提成绩非常管用。这些题目普遍比较偏比较怪,不在正常教学范围内,再聪明的孩子仅指望临场发挥一般也不行。所以不管别的孩子参加不参加培训,对于多数孩子和家长来说,参加培训都是最优选择。

有意思的是,大家都参加培训时升学考试的结局跟大家都不参加培训其实没有太大差别。最终都是那一波最优秀的孩子被名校选上。这跟各种过级考试不一样,起作用的不是绝对成绩而是相对排名。

我们很自然会问,为什么家长之间不能达成一种默契,都选择不培训呢?这样不仅节省了大量开支,孩子们也免受折磨,可以有更充裕的时间来从事真正感兴趣的活动。这样孩子们的整体素质也会有所提高。

这就是问题的关键所在——大家不可能达成这种默契。因为这本质上是一个囚徒困境的局,局中人自己很难破。何况这还牵涉到成千上万的孩子和家长,学术界一般把这种多人的囚徒困境称为社会困境,其合作难度比两三个局中人高出不是一点两点。有机会我们再来单独聊“集体行动的逻辑”。

所以疯狂奥数是同龄人过度竞争的结果。人人都怕输在起跑线上——过度反应——大家一起输在起跑线上。即便此竞争中的胜出者,毫无疑问也是受害者。因为我们最终要面对一个更大的局,那就是全球化竞争。

上面这一层学生或者说家长之间的囚徒困境很多对博弈论有所了解的朋友早就注意到了,并非本文原创。或许笔者首先注意到的是,其实还有一个上层的囚徒困境发生在学校之间。

既然奥数这么可恶,各中学校长又都是精英中的精英,对局势的了解比我们普通人透彻一百倍,他们直接取消奥数考试不就完了吗?何况还有教育局的三令五申?这就牵涉到了奥数的特殊作用。

我们知道一所中学办成什么水平,主要取决于两个因素,师资和生源。而后者比前者更关键。所以如何设法争夺优秀生源是中学校长们面对的重要问题。注意,这里的“优秀”主要是指将来高考能出好成绩,所以是一个相对而非绝对指标。因为只有状元和被北大清华录取才最利于宣传,最能给学校长脸面。这当然主要不是学校的过错,因为全社会包括家长对学校的评价主要看这些。这容易看得到容易度量。即便是仅针对成绩,如果一所中学使入学时成绩很差的孩子高考时有大幅提升,家长也不愿意把孩子送去。这多少有点奇怪。我不知道是不是家长普遍希望自己孩子能跟尽可能优秀的同龄人做同学的缘故。

可是孩子们脑门上又没写着自己的智商,怎样选拔优秀学生呢?普通考试区分度不高,效果一般,尤其是为了选拔将来能出彩的顶尖学生。而奥数(或者比较偏的难的怪的数学题)就具有这样的神奇功能:奥数成绩高与在中学表现优异并最终在高考中出彩高度正相关。所以率先领悟到这一点的中学在竞争中获得了优势。如果你了解某明星中学崛起的秘密,就会很容易赞同我的观点。后来所有的中学都发现了这个窍门,都用奥数这个指标筛选学生。这是奥数得以星火燎原的重要原因。当然,由于马太效应,最先掌握这个窍门的中学迅速取得了后来者很难超越的优势地位。

但是,假设其它因素不变,所有中学都使用奥数指标跟大家都不用效果又差不多。正如前面所分析的,这导致了生源素质的整体下降。所以说中学之间也有一层囚徒困境,他们自己也解不了这个局。

有了上面的分析就不难理解为什么说“奥数不能作为选拔人才的工具”。跟有些人的分析恰恰相反,我认为并不是奥数成绩选拔人才不靠谱。相对于其它指标或手段,它其实非常靠谱。它很管用,但是我们还是不能用。这个世界有时候就是这么吊诡。

所以靠行政命令强行取消奥数也就成为我们唯一的选择。北京最近搞的小升初划片入学应该可以从根子上切断疯狂奥数存在的土壤。当然,这又会引入新的问题。从这个例子中我们也很容易理解市场并非万能,“看不见的手”也有失灵的时候。广泛意义上囚徒困境的存在是市场失灵的重要原因。

当一个指标足够重要的时候,局中人通常会有“刷指标”的冲动。指标,而非指标背后想度量的内容,成为大家的唯一追求。GDP,SCI,各种例子数不胜数。如果没法控制住大家刷指标,这个指标会慢慢失效。这就是经济学中的古德哈特定律(Goodhart’s law)。当然古德哈特定律并不总是起作用。最完美的指标是大家越去刷变得越有效。还有一类指标,它的有效程度跟大家刷不刷关系不大。比如奥数,参加辅导某种意义上就是刷指标。但是正如我们前面讲的,普遍参加辅导并不会使这个指标失效(尽管普通孩子参加辅导而聪明孩子不参加会使它失效),这就是奥数的神奇之处。

需要注意的是,我们前文的分析存在若干不足。比如我们并未引入辅导机构,而它们也是重要的局中人,有时候跟中学还有千丝万缕的联系。再比如我们假设孩子的智商和优秀程度是先天决定的,教育的功能仅仅是让优秀者拥有一个可以向市场释放的信号。尽管这是2001年诺贝尔经济学奖得主斯宾斯在信息经济学开山之作之一Job Market Signaling中的基本假设,但毫无疑问教育本身会提升学生的素质,而且这种提升并不一定均匀。学生参加奥数辅导也并非均匀地提升他们的成绩。有些学生裸考成绩很烂,但是经奥数辅导开了窍成绩大幅提升(甚至爱上数学)也并非没可能。最后,不同学校拥有不同的奥数组织资源,它们走出囚徒困境的迫切程度不一样。但无论如何,我认为前文的分析抓住了一些核心矛盾,对于我们理解疯狂奥数问题会有重要启发。

标准囚徒困境模型预言的是一个很悲观的局面。如何走出囚徒困境,给经济学家、社会学家、生物学家提出了巨大挑战。现实有时候又没有理论预测那么悲观,合作在生物界和人类社会相当普遍。如何解释囚徒困境环境下合作的起源和发生,是理论生物学界和经济学界过去几十年的热门话题。

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如何合法地拥有一颗属于自己的小行星

今年小行星有点火:先是微信朋友圈被一条有关小行新星命名仪式的新闻刷屏,不过,新闻中小行星的风头被中国帅哥、油田技术专家王德民院士抢了风头;然后是NASA的小行星狩猎飞船NEOWISE开始向人类回传收集到的第二年的小行星数据;之前不久,卢森堡又宣布了自己的太空计划:将与美国两家公司合作,于2020年对小行星进行资源采集。

看看,人家都已经要去小行星上采资源了。你还需要百度什么是小行星吗?本文不仅告诉你什么是小行星,还告诉你秘籍:如何合法地拥有一颗属于自己的小行星。

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嫦娥卫星拍摄到的小行星(图片来自网络)

人类很早就认识到行星与恒星的区别,在诸多文明的天象观测中,已经分别有了水星、金星、火星等行星的记录,日心说的地位确定之后,人们认识到地球也是太阳系的行星之一。1781年,威廉Ÿ赫歇尔通过望远镜发明天王星,人类已经认识到了太阳系的七大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星,它们都围着太阳转,离太阳的距离依次从近到远。

在天王星被发现之前,一位叫提丢斯的德国教授对各行星与太阳的距离产生了兴趣:如果把地球与太阳之间的距离定义为1个单位的话,水星到太阳的距离大约是0.4,金星是0.7,火星是1.6,木星是5.2,土星是10。柏林天文台台长约翰Ÿ波德更进一步,他用公式表示了这个数列:

行星与太阳之间的距离D=0.4+0.3*2n,其中n依次取值为-∞,0,1,2,……

这个经验公式被称为提丢斯-波得定则。

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后来,赫歇尔通过望远镜发现的天王星,正是在取n值为6的距离轨道上,说明这个经验公式仍然有效。但是,细心的人们早就发现,当n取值为4的时候,即距离太阳为2.8个天文单位的位置,竟然是空缺的!

按照距离来排序,2.8天文单位距离排行第五,这个神秘的第五行星难道是隐形的?1772年,约翰Ÿ波德预测在这个位置存在一个行星,然后天文学家们对这个区域进行仔细搜索,一番忙碌之后,终于得到结论:真的没有发现行星!

这颗消失的行星究竟去了哪里?是隐形了,还是打开望远镜的方式不对?或者行星太小,即使是借助望远镜,人类也看不见?

1801年,一位年轻的哲学家黑格尔用相当快的速度刷了一篇博士论文《论行星的运转》,对,就是那个写《精神现象学》和《哲学全书》的大哲学家,没错,人家还关心自然哲学。博士论文的篇幅并不长,在他看来,天文学家在火星与木星之间对第五行星的搜索,从哲学上讲是没有意义的。从哲学来讲,在这个位置不需要存在什么行星。

然而世界变化很快。实际上在1801年的第一天,天文学家皮亚齐在西西里岛的天文台已经观测到一颗在现有星图上不存在的星,然后接下来又连续观察到这颗神秘的星24次,他把这个情况写信报告给天文台,但外界尚不知道此事。直到过了很长时间,天文台才收到皮亚齐的来信,但根据他的信息,却已经不知道那颗星运动到哪里去了,大家都观测不到。

哲学家和天文学家之后的关键时刻,数学家出手了。高斯,就是从小就会简便算法算一百以内所有整数加法(这事真的假的?)的天才少年,根据皮亚齐公布的信息,他用纸和笔算了一个结果,送给了天文台,然后,在1801年的最后一天,天文学家就在高斯算出的位置附近重新发现了这颗星。是年,高斯24岁。

这颗行星被命名为谷神星,到太阳的距离正好是2.8个天文单位!人们终于可以欢呼“消失的第五行星”终于找到了。但是很快,天文学家在这个区带发现了越来越多的小天体。它们的共同特征是体积远小于太阳系已有的行星,而且数量越来越多,它们最终被称为小行星。位于火星与木星之间的那块空旷但充满大量小行星的区域,被称为小行星带。

早期的小行星主要借助望远镜观察,照相技术出现之后,人类寻找小行星的速度得到了极大提高:对小行星带进行长时间曝光,保持恒星的位置不变的情况下,运动中的小行星会在照片上表现为一条线。二十世纪末期,CCD照相技术用于搜索之后,被发现的小行星数量更是快速增长。到目前为止,人类在太阳系中总共发现超过100多万颗小行星,超过90%都分布在火星和木星之间的小行星带。

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小行星带在太阳系中的位置(图片来源于网络)

可是,这小行星和我们有什么关系呢?一百多万颗啊,前面提到的国家卢森堡总人口才五十多万,可是每人分两颗都还剩不少呢!

人类刚开始发现小行星的时候,非常兴奋地像行星一样命名,而且通常用希腊和罗马神话中女神的名字,男神名字仅用于不在轨的异常小行星。但是,人们很快就发现神话人物的名字不够用了。于是,就得有个专门的命名规则,以及一个权威的命名机构,这就是国际天文学联合会(International Astronomical Union ,IAU)小天体命名委员会(Committee forSmall Body Nomenclature,CSBN)。

如果一个天文观测机构或者天文爱好者,发现一颗新的小行星,可以向小天体命名委员会提交有关信息,该小行星获得一个临时名称,在接下来的一段时间,如果仍然能够在四次回归周期中观测到准确的轨道,就可以获得国际永久编号,通过《国际小行星通报》公布出来。

小行星的命名,遵照谁发现谁拥有提名权的规则,一般授予在某一领域里有突出贡献的人物,或者机构,或者地名,或者事件,或者其他发现者愿意的对象。1928年,年轻的张钰哲在美国留学期间,发现了1125号小行星,后来将其命名为“中华”,这是中国人发现的第一颗小行星。

1949年之后,张钰哲在中国科学院紫金山天文台组织进行小行星观测,到上世纪八十年代中期,已经发现了一百多颗永久命名的小天体;上世纪九十年代中期,中国科学院北京天文台利用施密特CCD系统进行小行星巡天和观测研究,短短几年就发现近百颗永久命名的小行星。这些小行星的发现机构紫金山天文台和北京天文台,就拥有了命名提名权。

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刘东生星运行轨道图(图片来源于网络)

但是,对于政治或者军事人物,必须在去世一百年之后,才能被命名。现在我国获得小行星命名的人物,以著名科学家居多,祖冲之、张衡等自不必说,李政道、茅以升、陈景润、袁隆平等,都有以他们命名的小行星。

所以,科学青年们,现在知道如何合法地拥有一颗属于自己的小行星了吗?加油!

本期科学主编:罗兴波(中国科学院大学人文学院副教授)

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版纳热带雨林的奇花异卉,美得让人惊艳

作者:刘光裕(中国科学院版纳植物园)

经过苦苦的等待,2016年西双版纳的雨季终于来了。之前干旱的酷暑转瞬间烟消云散,热带雨林又拨去其面纱,展现出其神秘和动人的一面。请大家跟随者摄影师的镜头,通过一组照片来感受一下热带雨林的植物。

硕大无比,令人费解的疣柄魔芋,奇特的黑花老虎须,一夜间怒放的中粒咖啡,柔美的剧毒植物箭毒羊角拗……

魔芋

疣柄魔芋,天南星植物,先开花后发叶,花朵巨大无比。夜间花朵会突然升温,释放恶臭,吸引屎壳郎传粉。

老虎须

老虎须,滇南热带雨林林下一种奇特的黑花植物,其丝状的胡须极为夸张,99昆明世博会上夺得金奖。老虎须的胡须到底有何生态作用,至今依然是个谜,令科学家百思不得其解。

梭果玉蕊

梭果玉蕊,西双版纳热带雨林中著名的植物之一,它的果实形如梭子,故名。梭果玉蕊的花成一串一串的,在凉爽的夜间开放,吸引夜行动物传粉。每当清晨,梭果玉蕊花朵便从树上凋零,落在林间小路之上。远远看去,如一群蜘蛛精,满铺在地。网友水潋文见图写诗一首:幕色沉醉径自开(编者注:此处“幕色”疑为“暮色”),幽静花好无人来。园景深意等君爱,娟落玉蕊不嫌晚。

瓷玫瑰

瓷玫瑰,姜科植物,看起开像假花一样,故名。瓷玫瑰外形还像熊熊燃烧的火炬,因此也有人将其称之为火炬姜。瓷玫瑰花期长,花朵艳丽,是一种不可多得的鲜切花好材料。

假苹婆

假苹婆,梧桐科植物。图为假苹婆果实成熟后裂开的情景。假苹婆花很小,毫不起眼,然而果实鲜红,呈五角星状,夺人眼球。如果你细细看,假苹婆裂开的果实之上,还有很多红色的虫子—红蝽。红蝽吸食假苹婆种子中的毒素,然后利用假苹婆中的毒素武装自己,抵抗外敌,同时也利用这种毒素来求偶,吸引异性。假苹婆与红蝽之间的毒素利用关系是动植物关系中的经典案例。

赤贞桐

赪桐,马鞭草科植物,叶如梧桐,花红色,故名。赪桐是滇南最壮观的灌木之一,硕大碧绿的叶子之上,红彤彤地开出一串花,非常喜庆。传统中医认为,赪桐花具有除湿祛风的功效,可以用来煮吃,普洱每年端午药市上偶见当地人卖着。

羊角拗

箭毒羊角拗,夹竹桃科植物,每年五月底开放。箭毒羊角拗被称为柔美的剧毒植物,受伤后会流出白色乳汁,能要人命。不知是谁说的,美丽的东西是有毒的。反过来,有毒的东西往往也是美丽的。箭毒羊角拗的花瓣特化陈丝状,挂在空中,分外妖娆。

犁头尖

犁头尖,天南星科植物,林下或路边常见。犁头尖有很多种,这种较为常见,但丝毫不影响它的不寻常。紫红色的佛焰苞花序中,一根花柱如老鼠尾巴一样高高翘起。趴在地上看它,有一种特别的美感。人类太伟大了,不妨蹲下来,甚至跪下来观看一下大自然,你会发现一个不同的世界。

龙船花

白色的龙船花。龙船花是茜草科植物,花朵有红,有黄,有粉,有白,开花异常热烈。据说,在缅甸的一个少数民族中,会在结婚的时候用来装饰出行的船,故名。除去浪漫的故事,这种白色的龙船花叶子很大,向下伸去,在雨林深处偶然一见,有种众星捧月的自然美感。

中粒咖啡热烈的中粒咖啡。滇南古代以种茶文明,近些年又开始普种咖啡。咖啡的种类很多,图中为中粒咖啡,做咖啡很苦但开花却很酷。满枝条都是花,异常热烈,还散发出阵阵幽香,比著名的小粒咖啡的花要香很多。不禁令人感慨,大自然是公平的。虽没有小粒咖啡好喝,但花却胜其一筹。开花之时便已香气满园,又何须等到结果呢。

九翅豆蔻

九翅豆蔻,姜科植物,果实具开胃消食的功效。九翅豆蔻的花,通常开三至十多朵,环线排开,形成异常精美对称的形状。姜科植物是热带最拉风的植物类群之一,有的开花在枝头,有的开花在半腰,如九翅豆蔻则开花在地表,开花方式多样,令人好奇。

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俞鸿儒院士:我国为什么缺少重大创造性成果?

导语:俞鸿儒,中国科学院力学研究所研究员,中国科学院院士。面向国家重大科技项目和学科基础研究需求,他几十年如一日,将国外同行认为不宜采用的爆轰驱动技术成功变成一种成熟和先进的技术。在他的指导下,利用反向爆轰驱动方法,中国科学院力学所建成了JF12超大型高超声速激波风洞,被美国航空航天学会评价为“全球最大的能真正模拟高超声速飞行条件的激波风洞”,为我国重大工程项目的关键技术突破和高温气体动力学基础研究提供了不可替代的试验手段。

结合自己的激波风洞与空气动力学研究,俞鸿儒院士曾多次谈及他关于创新的独到见解,对我国重大创造性成果欠缺的原因有深刻的认识。

俞鸿儒院士

俞鸿儒院士

口述:俞鸿儒(中国科学院力学研究所)

访问整理:张志会(中国科学院自然科学史研究所)

当前我国发表论文和授权专利数量已居世界前列,尤其是“创新”已引起人们的高度重视。可为何我国在生产领域仍然大而不强,科研领域原创性成果不多,大师级人才稀缺?问题究竟出在哪里?

不少人认为,这是由于我们基础差,投入少和人才缺乏。一般讲,这样的回答似乎没有错,我们应为改变这种状态继续努力。然而,近年来我国生产总值很高,科研投入已提高很多,人才数量也大幅度增加。

如1955年和1957年两次选出的中国科学院学部委员总共只有190人,而现在两院院士早已逾千人,尤其是我国有高级职称头衔的科研人员数量当前恐怕比其他国家的总和还要多,但科学水平的提高仍然缓慢。

参考消息曾经转载法新社的评论:“这个地球上人口最多的新兴国家仍将是物理、化学、医学等学科的旁观者”。像印度、巴基斯坦以及其他发展中国家,科研条件不比我们好,但早就有人获得诺贝尔奖。可见,除了加大科研投入,改善科技基础设施外,还有一些人们尚未关注到的原因值得我们去思考。

这里我想先从对创新概念的理解谈起。“创新”包含“创造”(Creation)和“革新”(Innovation)两方面内容。按照辞海的注解:“创造”指首创前所未有的事物,而“革新”指渐变性的改进,这两类“创新”对我国科技事业的发展及国防力量的增强都具有重大的作用。“革新”收效快、更易实行,应该提倡与广泛开展。但如果缺乏创造性成果,就有可能出现前述问题。

不区分“创造”和“革新”的差异,用管理“革新”的方法对待“创造”,将制约创造性成果的产出。这就好比医生诊治脑血管病,首先要判断是血栓还是溢血,不加区分去治疗是十分危险的。科技项目性质不同,理应按其特征分类管理。仿制和跟踪性项目,是在别人开辟的道路上往前走。易于回答预期结果、技术路线、计划进度等问题。当然要挑选国际上已成功且应用成效显著的对象作为范本,如练字要选名家字帖一样。这些项目的目标要明确,修铁路不能造房子,修铁路短一寸也不行,要求全面完成任务。如果失败了,要追究责任。

但是,如原中科院院长周光召所说:科学成果只有第一,没有第二。因此,仿制和跟踪不会有好结果。听到别人在某一领域获得重要进展时跟着上马,恐怕也不是明智之举,要自己独立选题。“创造”项目是在未知领域进行探索,存在很高的风险,要允许不成功。但不成功时,也要给出此路不通或发现重大障碍等结果。创造性研究需要宽松的环境,如果按工程项目来对待,科研人员的思维和活动被不必要的约束限制得死死的,要想获得成果就会难上加难。

长期以来,我国形成了一种集中力量办大事的习惯,这对于仿制和跟踪项目或许是有效的办法,给予高投入确实会产生明显的成效。但组建大兵团提供高额经费开展探索性研究(综合考察类除外),真实效果恐怕未必好。那么应该如何扶持创造性项目呢?

科研选题往往决定项目的成败,选题既重要又难度极大。我们目前的问题在于各种性质的研究项目都喜欢发布非常具体的项目指南。有哪一位指南编写者有能力为创造性研究选定课题呢?勉强为之,还不如定个宽松的方向为好。指南中还一定要加上“其他”一项,以防将研究者好的构思拒之门外。丁肇中教授曾说过:“每一个发现都和最初的设想不一样”,这恐怕是创造性研究工作的一般规律。

历史经验表明:重大的发现和发明与经费的多少并没有直接的联系。举一个突出的例子:因发现DNA结构而获诺贝尔奖的项目只用了几千美元。工作中并未添置复杂的现代化仪器设备,靠的是不盲从权威,“思人之未想、视人之未见、从人之未事、创人之未先”,突破此前主攻蛋白质的错误方向,抓住DNA这一揭开生命之谜的要害。

当前出现了“经费万能论”的先兆。大学和研究所评价教师和科研人员时,往往看谁争取经费多,谁就是英雄。科技进步奖的级别相当程度上也与经费挂钩。科研人员的绩效类工资(占比相当大)要靠项目经费支付,一线科研人员被迫花很多时间去争取项目和经费,导致他们投入研究工作的时间大幅度下降。虽然科研成果的获得与投入时间并非线性关系,但投入精力低于某一阈值,科研将一无所获。做研究要想获得好结果,就要下苦功夫。

同时,创造性工作风险高,挑选这类项目,我觉得不妨向农民学习,如种豆种棉花,一穴下几个种子,待生长过程中逐渐去劣留优。先施小量肥水,逐渐加大。而现在却常常先开评审会,选定后一下子给大量经费。这好像让农民未下种前就从种子里先挑出会出壮苗的种子,确实难能所为。在保持科研总投入的条件下,只要申请项目具有新意,不妨早期多立点项目,单项投入可稍微低一些,以求东方不亮西方亮。待显出亮光后再专项支持。对那些显示出有发展前景的团队应长期连续支持。稳定这些优秀团队,让他们集中精力专心钻研。这样做不仅对基础性研究有益,也有助于有中国特色的武器装备的研制。

诚然,发达国家的科学水平确实比我们高,抱着虚心的态度向他们学习是有益的。但不能迷信盲从。不要因为基础差,就老跟在人家屁股后面跑。要有信心,钱学森告诉我们:“敢做别人不敢做的事,做成别人还没有做成功的事。”别人已经出了成果再跟着去做,难出重大成果。

JF12复现高超声速飞行条件激波风洞,位于怀柔中科院“钱学森国家工程科学实验基地”

JF12复现高超声速飞行条件激波风洞,位于怀柔中科院“钱学森国家工程科学实验基地”

工作中遭到别人反对,甚至是强烈的反对时你该怎样对待?

听到好听的话,也许对身体健康有益,但难听的话才能真正提高你的修养水平和工作能力。别人反对你,无非两种可能,一是你真的错了,或者是你的思想超前得让人难以理解。前者提醒你赶快改正,后者则会鼓励你更加坚定前行。当年JF12复现高超声速飞行条件激波风洞项目立项后,曾因有人坚决反对并向上级告状而使得该项目被停止执行时间长达一年多。但项目组经反复思考,认为该项目并无大错,于是尽力向财政部申辩后终获准恢复工作,而且经费也由4000万增至4600万。所以我个人的经验就是:做科研不要怕别人反对。

(张志会系中科院自然科学史所副研究员,本文受中国科协“俞鸿儒院士学术成长资料采集工程”支持)

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中国应急十三年与减灾防灾七年

作者:陈安(中国科学院科技战略咨询研究院)

5月12日,一个非常特殊的日子。2008年的这一天,中国近年来最大规模的灾害在四川发生,这是一次双震中的地震——第一震中映秀镇损失严重,另外一个震中北川的损失更加惨重。

次年的3月,5月12日成为“中国减灾防灾日”。中国现代应急管理“元年”还要更早些,是2003年。SARS自2002年底开始在广东零星出现,次年春天在全国多个城市达到了极致。因是第一次遇到如此烈性的传染病,整个中国措手不及。和地震不同的是,SARS的出现时间并不明确,消失的时间也相对模糊,未能成为中国减灾防灾的纪念日。

那么,如何评述这13年、7年的中国风险与应急管理,以及减灾防灾建设的成就与挑战呢?

我们认为,有如下几个方面值得一说:

一、各种新型风险层出不穷,让应急管理者应接不暇

去年的沉船事件让我们认识到,传统风险可以变一种样子再出现。这次事件在2分钟内就结束了,442人死亡,只有十几个人获救。这一次尽管有突发罕见的强对流天气——飑线伴有下击暴流——带来的强风暴雨袭击的因素,但是如果不是轮船本身就有着改装带来的缺陷,结果也不会如此惨烈。

去年年底深圳滑坡事件再次向我们提醒了地质灾害之可怕。和以往的泥石流不同的是,这次是垃圾堆放场的不当管理带来的灾祸。如果这样的风险偶发也就罢了,但是,地质研究者利用 Google Earth发现了在不远的范围内,深圳还有另外几个垃圾堆放场也面临同样的风险,只是因为幸运才没形成现实的灾害与损失。

我们随后用Google Earth对贵州、山东等省主要城市的垃圾堆放场进行全面扫描,才知道几乎全国的城市都面临同样的隐患,而解决它需要极大的时间、精力、经济成本。

这是循着已经发生的灾害事件去找同一诱因下的其他地区风险,那些尚未表现出来的灾害何时何地可能出现,又成为一个隐藏着的危险。

二、我国整体相对以前更加安全了,但是在人们的主观感觉里却仍然不够安全

从突发事件和风险危机灾害统计上说,中国整体而言相对于过去更加安全了,但是,由于信息披露机制的逐渐完善,人们获知这类风险的机会增多了,从主观心理上说是更加不安全了。

这绝非坏事,人们的风险意识随着时间的推移更加强烈,也有把小的风险事件扩大化增强化的心理与行为现象,比如食品、交通、化工领域等。

但是,不管怎样,暴露出来的事件多并非因为过去真的少,只是因为网络自媒体的发达使得今天一个事件出现后很快就能变成全国皆知的事实,这就和以往信息区域性地传播形成鲜明对比。

理性客观地说,我们周围的世界是更加安全了些,而不是危险了些。

三、当前我国应急管理的手段依然偏传统而非现代

深圳的应急管理机构之前已经分离出来,成为一个单独的机构,而非如大多数地区那样,作为市县政府办公室的一部分。但是,在滑坡事件之后,又恢复到了以前的状态。

现代应急其实需要一个更为强有力的灾害应急机构,它有权力集成其他机构,以应对复杂类型的风险与危机事件。事实上,台北的灾变应对中心就是以既有的消防局为基础,以台北市长为第一领导人的机构,因此灾变中心设有市长的特定办公室甚至休息的床铺,以便在出现大型灾害之后能够亲临一线连续指挥。

相比而言,不管是改革了的深圳应急办,还是又缩回原有体制里的应急办,都不具备集成全市资源进行综合应急的职能设计,而这不利于防灾减灾和救灾。

那么,未来中国的防灾减灾如何进行呢?

民政部之前承担的多是救灾后的恢复与救助职能,而救灾(应急)本身是不同专业机构承担的,比如地震局主要负责地震的应对、消防部门负责火灾、海事部门负责水上救援、水利部门负责水灾应对,等等。

尽管国家已经调整了或者将要继续调整灾害应对的体制机制,比如以消防部队为依托建设综合应急救援体系的做法已经启动,但是,当灾害来临的时候,我们目前依然无法做到第一时间进行最高效的应急。

当然,我们在推进国家应灾体系的设计、建设与实践上,进步还是明显的。相信不久的将来,在对每个生命都格外珍惜的基础上,我们会不断完善国家层面上的防灾、减灾、救灾体系建设,让人民更加安全,让生命即便在风险威胁下仍然有最大的可能被保全下来。

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是“枣”非“枣”的植物

作者:潘伯荣、张明(中科院新疆生地所)

一提到“枣”,人们就会想到“红枣”。

红枣在中国有着悠久的食用历史,据史料记载,红枣是原产中国的传统名优特产树种。考古学家从新郑斐李岗文化遗址中发现的枣核化石证明,枣在我国已有8000多年历史。早在西周时期人们就开始利用红枣发酵酿造红枣酒,作为上乘贡品,宴请宾朋。红枣的营养保健作用,在远古时期就被人们发现并利用。

和红枣同属鼠李科(Rhamnaceae)的还有枳属的“拐枣”,学名枳犋(Hoveniaacerba Lindl.)。古今它有许多雅号:蜜屈律、木蜜、木珊瑚、鸡距子、鸡爪子、万寿果、金钩子、梨枣、枸、鸡爪梨、臭杞子等。其药用价值最早见于《唐本草》。李时珍《本草纲目》说它“味甘、性平、无毒,有止渴除烦,去膈上热,润五脏,利大小便,功同蜂蜜”,其果实可食。

还有柿树科(Ebenaceac),柿属 (Diospyros)的乔木“黑枣”,学名是君迁子(Diospyros Iotus Linn)。

姓“沙”的“枣”也有两类植物,即沙枣和沙拐枣。既然姓“沙”,肯定与沙漠有关。这两类植物都是在沙漠地区分布的,不过并不是一个科,沙枣(Elaeagnus angustifolia Linn.)隶属胡颓子科(Elaeagnaceae)胡颓子属,而沙拐枣归蓼科(Polygonaceae)沙拐枣属(Calligonum L.),共有20多种。

沙拐枣1沙拐枣(徐雁龙 摄)

沙拐枣属都是木本灌木。其中大多为小灌木,也有几种为大灌木,能长到四五米高,如乔木状沙拐枣、头状沙拐枣。从“乔木状”的名字,就可以想像它如大树一样的身姿。

沙拐枣2沙拐枣(徐雁龙 摄)

沙拐枣名为“枣”,实际上是不能吃的,之所以被称为“枣”是形容它的果实像枣一样结满在树枝上。

其实,它的果实形状是多种多样的,根据果实的形态就分成了几派:一类是翅果派,它的果实外缘长了四片棱状的“翅膀”,乔木状沙拐枣、头状沙拐枣、五叶沙拐枣、红秆沙拐枣等都属这一派;一类是刺果派,在果实外长满了刺毛,费尔干纳沙拐枣、红果沙拐枣等属于这一派;一类是囊果派,果实包在薄薄的膜中,像挂满了串串小灯笼,如灯笼状沙拐枣。翅果、囊果,都是种子在微风下就能吹到远处,而刺果则能吸附到人、畜身上带至远方。这些形态的果实,都是为了生命的传播,可见它们的煞费苦心了。

沙拐枣的名字很有讲究,“枣”是形容果实,“拐”则是枝条七拧八拐的形态,“沙”则是它们的生境。一听到这个名字,就能对它们的形态、生境猜个八九不离十。

沙拐枣3沙拐枣(徐雁龙 摄)

沙拐枣对沙漠环境的适应还有几个特点:

一是它基本没有叶片,叶子缩小成托叶状包裹在枝条的节间,使枝条节间很短,拐来拐去,使它们有了“拐枣”之名。叶子变形后,光合作用的功能转交给了当年的新枝,新枝是绿色的,也有叶绿细胞,可以执行同化作用功能,这种绿色新枝也叫“营养枝”或“同化枝”。

二是它的根系很发达,主根可深至3米以下,水平根系分布在浅地表,可伸长至二三十米,也就是一株沙拐枣常占领有几十、几百平方米的面积,保证了植株的水分供应,在有水分的条件时,水平根上也能萌发出新枝来。

大灌木的沙拐枣都有很强的生长势,生根、发芽、生长都很快,在沙地水分条件好时,一年就能长高两三米,当年即能发挥良好的防风固沙能力,而且在大风沙条件下,其“水涨船高”的生长速度远超过沙埋的速度,即使沙丘升高七八米,它也能在沙丘顶上傲然屹立,绿枝飘扬,似乎在嘲笑风沙。

沙拐枣4沙拐枣(徐雁龙 摄)

因此,人们选用它作为防风固沙的先锋植物。在沙拐枣林地中,上百万株沙拐枣,以不同的果实形态、先后的结果期、大量的果实,从4月到6月,在沙漠中形成特殊、美丽的景观,吸引大量游人前往观赏。人们在赞赏沙拐枣防风固沙能力的同时,也得到了莫大的眼目享受,沙漠的壮美让人们惊叹和流连。

事实上,关于沙拐枣的科学研究也一直在默默进行中,中科院吐鲁番沙漠植物园收集了沙拐枣种质19种,群落建园不同景观的沙拐枣园区有3个,并建立了大面积沙拐枣防风固沙示范样板区500亩。今年5月8日,吐鲁番沙漠植物园开展了以“观拐枣•品桑果•体验丝绸之路文化”为主题的名园名花展。旨在深度挖掘荒漠植物之美,传播新疆丝绸之路文明。

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神奇的基因变异:从“蜘蛛侠”到“绿巨人”

作者:刘欢(中国科学院武汉病毒研究所)

生命的延续是遗传信息的传递,遗传物质核酸(DNA/RNA)揭开了人类认识自我和生命奥秘的微观世界。

2015年的诺贝尔化学奖授予了瑞典、美国、土耳其三位科学家,以表彰其在“DNA修复的机制研究”做出的卓越贡献。

1诺贝尔奖奖章

人体细胞共约有40-60万亿个,而人类基因组却是由23对染色体组成,其中包括22对体染色体、1条X染色体和1条Y染色体,含有约30亿个DNA碱基对。人体之所以能够精准地完成生命信息的复制和遗传过程,要归功于人基因组的“超强纠错功能”。

然而,人类基因组是否有可能发生突变呢?

蜘蛛侠(Spider-Man)是美国漫画超级英雄,他本名彼得·本杰明·帕克(Peter Benjamin Parker),原是一位普通的高中生,后意外的被一只受过放射性感染的蜘蛛咬伤后,获得了蜘蛛一般的超能力。

2电影蜘蛛侠海报

这种被辐射感染的蜘蛛咬伤后,使得人类自身的基因组发生突变的科幻场景,是否具有科学依据呢?

如果只是蜘蛛毒素的作用,恐怕难以实现;然而,如果考虑到蜘蛛体内存在另外一种生物——逆转录病毒,那么,情况有可能会这样发展。逆转录病毒在生命过程活动中,有一个从RNA到DNA的逆转录过程,即在逆转录酶的作用下病毒基因整合到人类细胞的遗传物质中,而辐射可引起病毒逆转录的变异频率和重组速率的大幅度提升。

逆转录病毒为RNA病毒,它们的基因组编码在一条单链RNA上,病毒具有穿透细胞的能力,可有效地感染干细胞、组织细胞、皮肤细胞等多种类型的细胞;当病毒进入细胞,通过逆转录作用,RNA即转变为双链DNA分子,DNA进入细胞核并整合在宿主细胞基因组中。以病毒作为载体通过感染的方式可以将外源功能DNA 导入到人的细胞染色体中。

由此,他获得了超凡力量和敏捷速度,可以在物体表面上行动自如。”能力越大,责任越大”,一位打击犯罪的超级英雄“蜘蛛侠”诞生了。

除此之外,人类基因变异还具有更大的可能性吗?

再举个美国漫画中的例子。核物理学家罗柏特·布鲁斯·班纳(Robert Bruce Banner)博士在一次意外中被γ炸弹放射线大量辐射,身体产生惊天异变,一旦他情绪愤怒心率骤增的时候就会变成绿巨人。

3电影《Hulk》海报

γ射线真的可以诱发基因突变吗? 生物体在受辐射条件下,将诱发生物体的DNA链上发生碱基序列或结构的改变,由于碱基序列或结构的变化导致了所编码蛋白质的合成或酶的活性,生物体随之发生性状的改变。

正常的生物具有修复DNA损伤的能力,而在电离辐射的作用下,由于其所诱发的基因突变频率与射线的剂量大体成正比例;若少数未经修复的损伤发生复制,则错误信息的DNA碱基顺序会被编入到后代的DNA中去,于是就导致变异。

一般来说,核爆炸会产生贯穿辐射,主要由强γ射线和中子流组成。由于γ射线的波长非常短,频率高,因此具有非常大的能量而且穿透本领极强。人体受到γ射线照射时,γ射线可以进入到人体的内部,并与体内细胞发生电离作用,甚至导致基因突变,而产生机体的重大变异。因此,班纳博士获得惊人的力量和速度,超强的精力和耐力以及非凡的重生治愈能力,成为不可思议的“绿巨人”浩克。

当然,能够使基因发生突变的方式不止这两种,而且,也并非每一种变异都可以像科幻中那样获得超能力,基因的变异是一个非常复杂的过程,这不是短时间内就可以成功的。

不过,生命的本质和起源一直是人类孜孜不倦探索的永恒主题,对于自身的遗传和进化更是这一主题中的焦点;然而,人类对自身的生命奥秘并未能完全掌握,科幻也是基于一定的科学原理做出的设计,对潜在未来科技的前瞻探索。人类成功登陆月球迈向太空,何尝不是对古人“举杯邀明月”感怀的科学实践呢?

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从此,爱上科学~

 

遇到这螺就吃掉吧,放生等于杀生

作者:杜丽娜(中国科学院昆明动物研究所)

很早以前就有类似的想法,想写一篇关于我们常见的、常吃的螺到底是什么的介绍,但由于各种原因,一直拖延着。直到今天看到一则“放生人”将大量金苹果螺投放到野外的报道,才觉得自己真的该动笔了。

夏天到了,各种BBQ开始在大街小巷出现,傍晚,悠闲地坐在某一个街角,放开大脑空想着一些事情,时不时端起冰凉的扎啤,放到嘴边,随着那一丝凉意从口腔到胃,整个人也变得开始沉醉。

朦胧之间拿起桌上的牙签,再顺手拿起一个已被炒好、非常入味的螺蛳,牙签轻轻地将壳口上的“小盖”拨开,插进那肉里,用力的向外一拉,当整团肉可以看见的时候,顺势来一个90度转弯,小坨肉与内脏团分离。慢慢地将已拉出的肉放到嘴里,轻轻的闭上眼睛,感受嘴里的劲道。

当然,如果觉得如此口味偏淡,也可以用嘴直接贴在螺口处用力的吸,当肉吸出之际再用舌头轻舔,保证吃到的全是螺肉。如此场景,想必大多数人有更多的心得,不过在我们享受那份舌尖上的美好时,可曾思考我们吃的到底是什么螺呢?

城市里我们最常吃到的淡水螺类主要是金苹果螺、圆田螺和环棱螺,下面分别介绍一下它们的区别:

金苹果螺原产于南美洲,也叫福寿螺,在我国属于外来入侵物种,隶属于瓶螺科,其肥大的“屁股”,以及在壳口上边那深圆的脐孔是其与众不同的地方。福寿螺属卵生动物,常在水面以上的墙、树枝上产下粉红色的卵。餐馆里的香辣螺蛳多为金苹果螺,在吃的时候,除了壳口附近的那坨肉外,里面发红的地方也可以品尝一下,那可是螺的子宫或精巢所在的位置,也是其精华所在。

福寿螺 金苹果螺和它产的粉红色卵块。图片来源:The apple snail website(上);wikimedia(下)

圆田螺个体与金苹果螺大小相仿或略小,但其体态匀称,属于“肌肉型”,没有夸张的臀部,也不会有那么深圆的脐孔,它更像温婉顺良的女子,低调而又有内涵。除此之外,圆田螺是卵胎生的动物。

有人会有此经历,吃到的螺里面有“沙子”,由此怀疑是不是无良商家没有清洗干净,其实不是的,你吃到的“沙子”实际是圆田螺的Baby,Baby,Baby(重要的事说三遍)!圆田螺的受精卵在雌性的子宫里发育成小螺后再经输卵管排出体外,这就是卵胎生。

圆田螺 中华圆田螺

环棱螺与圆田螺相似,都是卵胎生,但个体却比圆田螺小了很多,壳也比较厚,在吃的时候千万不要尝试用你的牙齿去咬它,特别是假牙,否则我相信你嘴里的“沙子”不是环棱螺的幼体,而是你的假牙。由于环棱螺的产量较高,在市场上出售的本地螺多为该种。

IMG_1862两个环棱螺正在啪啪啪

说到这里,标题党一定开始咒骂,我到底是在写放生的螺,还是写可以吃的螺?接下来,我们讨论一下放生,《大智度论》中有云:“诸余罪中,杀业最重;诸功德中,放生第一”,这就是说杀生的罪孽最重,放生的功德最大,这也是现在越来越多人参与到放生中的主要原因。通过放生来还前世的债,积今世及后世的福。

佛教提倡众生平等,一切我们看到的被擒、被抓、被关、被虐待的危急受困的生命,我们都可以救助,并放归自然。我们救助一切受苦难的生命,是希望让他们重获自由,给予他们生存的权利,那么问题来了,如果我们的放生行为仅仅给予了被放生种类的自由,却让更多无辜生命受损,那么我们是在放生,还是在杀生?

前面我提及金苹果螺是外来入侵种,看清楚了是入侵种,而不单单是外来种,它繁殖能力强,一个月内能产1000-1200个卵,孵化率可高达90%;性成熟较快,雌性金苹果螺在60-85天便可达到性成熟;适应能力强,池地、沼泽、农田、河流及积水区均可生存;抗逆性强,其在较为恶劣的环境和受到污染的水中或者在氧气稀薄的地方也能生存繁衍。且在干旱时能耐受6个月之久;食性杂、广泛且量大等特点,有它存在的地方,其它种类的田螺几乎是不可能生存的。

在放生金苹果螺的时候,看似解救了许多生命,其实是在原有的生态系统中,引入了许多入侵者,用它们去“杀害”本土的生物。所以,在知道了外来入侵物种的厉害之后,我们在选择放生物种的时候也就一定要擦亮眼睛。

除此之外,我们不仅不能放生外来入侵种类,同时,当我们在野外发现它们的时候,也要尽可能的移除它们。每当我们吃掉一盘香辣福寿螺的同时,也可以在心里暗暗庆幸,自己为清除外来入侵物种做出了贡献。当然,吃的同时也要保护好自己,由于金苹果螺多生活在水体营养丰富的水域,寄生虫也是个的问题,所以,吃之前一定要煮熟哟!

我们倡导科学放生,如果你无法确定所放生的物种是否为外来入侵物种,请联系我们,我们愿意用我们的专业知识,指导科学放生,为物种保护献出我们微薄的力量。

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“大脑词汇地图”为什么值得质疑?

作者:王波(中国科学院生物物理所)

最近《Nature》一篇关于大脑语义系统脑成像研究的封面文章,绘制了一个词汇的大脑,引起了认知科学和神经科学圈内圈外的极大反响,同时得到了各路媒体快餐式的诠释,甚至有人惊呼“我们离读心术还会远吗?”,热度具有了比肩谷歌“阿尔法狗”的势头。

 “大脑词汇地图”到底是个什么鬼?

1

感谢《知乎》的资深知友赵思家博士,实在想不出更恰当的称呼了,只好借用她的意译——“大脑词汇地图”。下面,让我们先看看神作是怎样炼成的!

美国加利福尼亚大学伯克利分校的海伦威尔斯神经科学研究所和心理系的8位科学家,将7位身体健康、耳聪目明的志愿者(其中有两位是8人组成员,“未能幸免”),塞进我们在二甲以上综合医院放射科都能见到的 3T 磁共振机器(就是大家说的核磁,其实和放射性没有半毛钱关系),带上特制的耳机,聆听了两个小时的讲故事(被要求一动不动125分钟,被试们必定深爱着科学或是研究8人组)。在听故事的同时,磁共振机器扫描被试者的脑部,监控并记录下来每一时刻(磁共振照相的快门一般2秒)大脑血氧水平信号的波动,这种波动被认为和大脑功能活动息息相关。这就是经典的功能磁共振成像 (functional MRI, fMRI)。

2

故事共有一万多英文单词,研究者将其中常见的具有明确意义的985个单词,分为了12个不同类型,通过和功能磁共振记录的信号关联分析,得到它们各自在被大脑“听到”时激活的大脑皮层区域,用不同的颜色加以区分。比如下图中的绿色区域,在听到数字有关的单词时最为活跃,红色区域则对社交类的单词起反应。再如右颞顶联合区(耳后紧邻耳朵的地方),一个仅有几毫米尺寸的区域,对妻子、母亲、怀孕和家庭这样的单词会起反应,在其后相邻的一小块脑区,也会对同样的社交类别的单词,如家、妻子等起反应,但这块儿区域也会对地点和人物相关的词汇起反应,如房子、房东(等等,为什么会有房东?)。

3大脑

作者利用美轮美奂的艺术水准的展现方式,显示了听见不同单词时有反应的脑部区域。譬如,在听到 top(“顶”)这个词的时候大脑额中回区域会有反应。但是,每个单词并非只对应一个区域,一个单词,能激活大脑皮层多个不同的区域,所以“顶”也会激活视觉皮层的一个区域,这个区域同时也会对“衣服”和“外表”响应。实际上,“顶”字也同时激活对数字和测量起反应的脑区,甚至还包括描绘建筑和地点的脑区。

4大脑

通常认为,语言(其实这里指听理解,又称感觉语言功能)只限定于左侧大脑颞叶(即维尔尼克区,下图橘色的部位)这样的固定的大脑皮层区域,而这一研究声称,他们惊讶地发现,语言相关的活动(语义系统)遍布整个大脑,横跨两个大脑半球,并且未能表现出传统认识中的左半球(语言)优势。这可极大的挑战了传统的对大脑语言功能研究的认识。

5

大脑功能组织模式,积木还是网路?

几乎大脑的全部区域都在应对语义加工,这似乎和我们通常的认识不大一致。那么该研究之前人们是如何理解大脑功能区的划分和组织模式的呢?

对大脑功能活动奥秘的探索可能无法追溯其标志性的开始。从18世纪开始,人类才真正运用科学的方法对大脑进行研究。当时法国一位医生在为病人处理一个深至颅骨的伤口时发现,当伤口浸泡在水中,病人就陷入昏迷,当把水吸干,病人就清醒过来。这个发现直到19世纪才引起很多人的注意,促进了大脑功能定位概念的形成,即机体的各种功能活动最终在大脑皮层上有对应区域的定位关系。这是脑研究早期最伟大的理论之一,也是脑科学最重要的基本理论。

1866年,法国外科医生布罗卡对一个失语症病人尸体进行解剖,发现其30年的失语源自于左额叶下部受损。这部分脑区最终被证明是“运动语言中枢”,并以布罗卡命名。随后,在1874年,德国学者维尔尼克又发现了感觉语言区。这成为大脑功能组织模块化存在的基础。几百年来,对于大脑功能组织主流的观点认为,大脑的不同认知功能是模块化的。从理论(比如 Fodor 的“modularity of mind”)到实验数据(比如脑损伤病人的研究、猴子电生理的研究和近年的 fMRI 的研究)都表明不同的脑区执行不同的功能,这些功能差别比较大,相对独立却又互相联系。

6大脑主要脑叶划分和视、听、运动、感觉、语言功能中枢

7运动/感觉中枢功能区投射示意图(下肢功能投射至头顶区域,小人是依投射脑区的面积比例重建而成)

除却初级视听觉、感觉运动和经典语言中枢的发现,1986年,美国国立精神卫生研究中心教授 Ungerleider 等在猕猴的电生理研究中描绘出视觉信息加工的大脑皮层两条截然不同去向和结果的通路。这一发现也被被后续众多的针对健康人类的脑成像实验所验证。当双眼接受的视觉刺激传输到视觉皮层(后脑勺儿,所以使劲儿拍这儿会眼冒金星),向下走腹侧通路,将会通过深度、角度、颜色、物体或面孔的加工处理,最终告诉你看到了什么东西(what 通路);向上(头顶)走背侧通路,则得到你看到的东西在什么方位的结果(where 通路)。

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视知觉两条通路,腹侧:物体知觉的形成,背侧:方位知觉的形成。

10年后,后来成为美国科学院院士的 Nancy Kanwisher 教授利用 fMRI 发现大脑梭状回面孔区 (fusifrom face area, FFA),主要负责面孔的辨别。后续研究发现该区域和相邻的脑区还涉及各类物体的知觉加工。类似的,和视觉字形加工相关的左侧梭状回中部外侧脑区 (VisualWordFormArea,VWFA),嗅觉和情感知觉相关的眶额叶皮质 (orbitofrontal cortex, OFC),以及与长期记忆有关的海马组织的发现等等,进一步巩固了大脑功能模块化组织的认识。当然,绝对的东西绝对都是错误的(这句话就不对),英勇的认知科学家和神经科学家不会满足于搭积木似的认识我们脖子上的宇宙,对于大脑工作模式的崭新理解一直在不断的涌现。

9面孔和物体识别相关的大脑区域 (Ishai et al, 2000, JOCN )

近来的认知科学和神经科学研究,提出和发展了大脑功能组织的平行分布理论。认为完成一个复杂的认知任务,需要不同的脑区协作,比如Haxby et al (2000)关于脸部加工的分布。但是,仍然少有研究声称某一项认知功能是全脑分布的——不同的脑区如前额叶、顶叶、颞叶在进行本质上不太一样的认知功能,如情感、运动、记忆、物体和面孔识别,而一般不会觉得它们同时执行同一个认知功能的不同方面。

10大脑功能连接网络(引自上海交通大学神经工程实验室网页)

最近十几年开始,静息态脑网络的研究对传统的大脑模块化加应激响应式的功能组织和作用形式提出了挑战,认为大脑时刻都在以网络的形式活动。至于伴随脑功能探索发展的各种新技术的涌现,也是各种里程碑式的事件。篇幅所限,我们日后再叙。

冷静的分析,认真的思考

前面我们以中立的视角回顾了“大脑词汇地图”的研究细节,然而这并不能抑制我们质疑和批评的欲望(谁让我们没有成为《Nature》论文的作者呢!)。让我们科学、快乐的吐槽一下吧。

神经科学领域有一个著名的错误实验:Karl Lashley 当年为了研究记忆储存在大脑的什么地方,训练老鼠跑迷宫,然后切去老鼠大脑的一部分。结果他发现,切去的大脑的部分越大,老鼠跑迷宫的能力就越差,于是他得出结果:记忆平行分布地储存在大脑的所有地方,损失的脑区越大,损失的记忆就越大。

这个实验著名的错误就在于没有控制混淆变量:老鼠跑迷宫,除了依赖记忆,还要依赖很多其他的认知功能,如嗅觉、触觉、运动功能。Lashley 完全可能切掉了老鼠的一个跟记忆无关的脑区,比如嗅觉区域,但是他同样观察到的结果是——老鼠跑迷宫找不到目标了。如果以跑迷宫这个单一的任务来判定老鼠“记忆是不是出了问题”,就会错误地认为切掉的是老鼠的记忆相关的脑区。

8人组通过听理解一段故事就发现整个大脑,这里那里,都在加工语义,这就像是 Lashley 发现的老鼠记忆的脑区——这完全有可能是实验设计的原罪啊!

举个例子,我们听到“柠檬”这个词,语音、语义、字形等语言相关的脑区会有特定的反应,同时,由于大脑会产生柠檬这种水果外形、颜色、味觉的视觉图像,相应脑区因为这些抽象信息的加工也会被激活,如果你恰恰十分钟爱这种水果的话,你的奖赏系统也会有一定的活动,若是它有幸成为你重要往事的标记物,那么与长期记忆表征提取相关的脑区也会走向前台。研究者让被试听到一个单词而观测到的活动的大脑区域,有些可能的确是在进行“语义加工”,另外一些脑区则可能就在做一些和语义相差甚远的认知功能。

至此我们有理由质疑,8人组的实验没有办法区分上述所罗列的不同认知过程,没有设计一个控制实验证明他们的实验是在研究“词汇语义加工”(对照!对照!对照!重要的事情说三遍!)。这样,也就不难理解为什么整个模型在“联合脑区”能够有效了,因为联合脑区就是在进行各种各样的抽象信息加工。

感谢《知乎》知友 Feitong Yang 博士,她在一片惊艳中冷静的发出了另一种声音,给了我很大的启发。

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达尔文的斗犬?赫胥黎与进化论不得不说的故事

赫胥黎

作者:柯遵科(中国科学院大学人文学院)

1825年的今天,以“达尔文的斗犬”形象著称的赫胥黎出生了。在公众眼中,他是宣传和捍卫达尔文进化论的英雄,然而故事并没有这么简单。

赫胥黎其人

1850年,伦敦,有个名叫托马斯·亨利·赫胥黎的年轻人,刚从海外探险归来,没有带回金钱和珠宝,也没有征服新的土地。四年的航海生涯,赫胥黎积累了大量的博物学知识,收集了许多海洋生物的标本,还写了几篇文章提交给英国皇家学会……他期待着英国科学界给他应得的奖励和荣誉。

然而,他连一份像样的工作都找不到。

出生于中产阶级下层的赫胥黎,没有多余的资产让自己过上绅士式的悠闲生活。对他来说,科学首先应该是一份职业,有足够的收入让自己过上体面的生活,从而成为一位真正的英国绅士。赫胥黎的论文赢得了英国皇家学会的金质奖章,可他向各个大学求职的请求都被拒绝了。

他研究科学,不仅从追求科学真理中寻求心灵的慰藉,更梦想在科学事实的基础上建立一个美好的世界。

传播进化论的初衷

期间,赫胥黎结识了许多和自己有着相同处境的科学青年,找一份科学工作是他们的迫切需要,用科学来改变世界则是他们的理想。在他们眼中,贵族制、等级制和庇护制盛行、由教士和业余爱好者主宰的英国科学界就是英国社会的缩影,改革的愿望让他们走到一起,共同的经历让他们抱成一团。赫胥黎是这些科学青年中的领军人物,他还和伦敦的中产阶级激进文化圈打成一片,社会改革和科学改革在他那里是同一件事情。

托利党贵族和教士的宠儿、老一代科学绅士中的代表人物欧文已经提出了上帝连续创造物种。因此,赫胥黎必须要对物种问题给予一个自然主义的解释,不诉诸上帝的作用,只要自然的解释。怎么办呢?他认识达尔文有好几年了,这几年随着他的地位的上升,达尔文和他的关系是越来越热乎,他也一点一滴地知道了达尔文的进化论。达尔文的学说不对,但至少它和上帝无关。是和欧文算总帐的时候了,那就让达尔文去反对欧文吧。

1859年,《物种起源》一书出版了,赫胥黎在《泰晤士报》上写了一篇书评,主要是批评英国的自然神学,攻击所有在科学研究中诉诸上帝的做法,里面夹杂着对欧文的讽刺和嘲笑,最后再吹捧达尔文的勤奋和天才,概略地介绍达尔文的假说。他还赶快给达尔文写了一封信,说自己已经磨好了牙齿和爪子,随时准备为达尔文作斗犬,撕咬那些敢于反对达尔文的人。

与达尔文的分歧

赫胥黎把自己的阵营打扮成“达尔文主义者”,其实,这些人中没一个完全接受了达尔文的学说,唯一的共同点就是倾向于接受自然主义的解释。在达尔文提出进化论以后,将自然选择作为理论还是假说,这曾是达尔文本人和争论各方关注的焦点问题。而赫胥黎恰恰是最坚决地将自然选择称作假说的人,并且从未在这一基本立场上有过任何动摇。

1859年,赫胥黎在《达尔文的假说》一文中,将拉马克的进化论、钱伯斯的系统发育进化论和达尔文的进化论都划归假说的行列。他承认达尔文的进化论是其中最巧妙的一个,在解释生物地理分布等诸多自然现象上要高出一筹。但是,赫胥黎对于自然选择能否产生出新的物种表示怀疑,强调它并没有得到证实,其谬误程度可能和拉马克的用进废退相去不远。

赫胥黎用两种不同的物种概念——形态学的物种(morphology species)和生理学的物种(physiologyspecies),对自然选择进行考察,他强调达尔文的论证是建立在自然选择和人工选择相互类比的基础之上的,而这恰恰是达尔文论证的缺陷所在。赫胥黎根据自己的物种概念对品种和物种做了区分,认为人工选择产生的是新的品种(races)而不是新的物种(species)。人工选择所产生的新的品种符合类型学的物种概念的要求,它具有和来自共同祖先的其它品种完全不同的类型,但是不满足生物学的物种概念的要求,和来自共同祖先的其它品种之间并不存在生殖隔离。

赫胥黎还长期公开反对渐变论。在1860年发表于《威斯敏斯特评论》的文章中,他宣称物种转变是以跳跃的方式发生,而非达尔文主张的渐变的方式。他认为无论过去还是现在,自然的确做着跳跃。承认这个事实,对于消除许多反对物种转变学说的意见来说是相当重要的。

在赫胥黎看来,自然选择,生物活着就是为了繁衍和适应环境,这些东西不仅在科学上无法证实,而且太功利,太违背伦理道德。自然多美呀,花多美呀,海星多美呀,这些美能有什么功利的目的?

不过,这一切都得在宣扬达尔文主义的口号下进行,必须把对达尔文学说的异议限制在自己的小圈子里,对外则统一口径,打击和扑灭一切敢于反对达尔文的思想。

尾声

到了赫胥黎的晚年,达尔文主义掀起了一股仇恨和斗争的风气,民族、国家、阶级和个人都在这种气氛中渐渐变得失去理智。他很悲观。但赫胥黎还是警告人们不要没有反省,盲目地接受达尔文进化论。他说达尔文进化论正在沦为迷信。他希望人们讲良心、自我约束和互助,不要像自然那样只会生存斗争。

然后,他死了。近半个世纪后,他的孙子奥尔德斯·赫胥黎则写了一本《美妙的新世界》,给人们描绘了受生物技术操纵的未来,警告人们这个世界已经被政府和科学所左右,大家得准备好接受即将来临的恐怖。这些预言有些已经发生,有些正在发生。

参考文献:

柯遵科:《赫胥黎与自然选择》,《自然辩证法通讯》,2011年第6期,第40-46页

柯遵科:《赫胥黎与渐变论》,《北京大学学报(哲学社会科学版)》,2015年7月第52卷第4期,第150-157页

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