科学松鼠会 » 小红猪小分队 http://songshuhui.net 剥开科学的坚果,让科学流行起来 Tue, 11 Dec 2018 22:21:37 +0000 zh-CN hourly 1 https://wordpress.org/?v=4.3.17 http://songshuhui.net/wp-content/uploads/cropped-songshuhui-32x32.jpg » 小红猪小分队 http://songshuhui.net 32 32 [小红猪]亡者余生 http://songshuhui.net/archives/96202 http://songshuhui.net/archives/96202#comments Thu, 25 Aug 2016 23:32:54 +0000 http://songshuhui.net/?p=96202 © Kyle Bean and Mitch Payne

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本文为小红猪第111期抢稿作品。

是什么驱使男人的伴侣在他死后依然努力想要生下两人的孩子?珍妮·马博探索了死后精子捐献这个充满法律和伦理冲突的世界。

一个男人正在等待着医生,而他的时间正在耗尽。

深夜,离医生第一次接电话刚过了一个小时。“你能帮帮我们吗?”当时在电话另一头的女人问道,已经破音。

而现在,正在为手术做准备工作的医生十分警醒。他动作很快,用肥皂仔细清洗双手和手臂,随后戴上橡胶手套。他的助手将消毒设备和盛满液体的容器放在不锈钢桌子上。墙壁由渣煤砖砌成,刷了浅黄色。弥漫着消毒剂气味的空气显得冰凉而沉重。

医生坐在病人旁边,准备开始手术。他停了一下,在脑海中展开了一幅手术全景,然后切开皮肤,直到可以看到这个器官的外层。器官闪着光,呈乳白色,布满纹理。医生切下一片海绵体,扔进一个试管,再由助手端走。

确认手术成功后,医生小心翼翼地将病人缝合起来。病人一动不动。房间里一片寂静,没有哔哔作响的监视器或者静脉注射仪。没有人来检查病人的生命指征。也没有给他使用止痛剂。

病人已死。

实际上,他已经去世了一段时间——根据心电图,已经超过了30个小时——但他的某些部分依然活着。医生从他身体里取出的正是可以创造生命的液体。这是一种神奇物质,既不是人也不是财产;同时,它数量庞大,价值高昂,我们尚未决定好应该如何处置它。这,就是死者的精子。

§

安娜和麦克·克拉克结婚刚一年,麦克就接到去海外服役的命令——这是他的第五次调动。25岁的麦克是一位海军陆战队中士。他18岁参军,在随后7年间获得了许多绶带和奖章,包括一枚紫心勋章。这对夫妇决定在这次调动之前进行一次旅行:沿着加州高速公路的摩托车之旅。

但这却是他们最后一次一起旅行。午饭后,在返回到高速路的途中,摩托车失去控制,他们掉下了悬崖。安娜从这次事故中幸存了下来,麦克却没有。

从脊椎和肩部断裂中恢复过来后,安娜不仅为了她的丈夫,也为他们未来的孩子而悲痛。“大概在他去世前的一两周我们才讨论过,因为他马上就要去服役了,他还说,‘我们现在不能去精子库冻结精子,太可惜了……我的工作太繁重了。’”

我在网上查了查,给几家精子银行打了电话。然后雇了辆灵车。

看着安娜因失去和丈夫生育孩子的机会悲痛欲绝,一位朋友建议她可以考虑重新获取一些麦克的精子。她的朋友说,精子存活的时间远比你想象的长。安娜于是在谷歌上搜索了一下。“我在网上查到一些精子库,并给他们打了电话,”她说道。几经周折,她终于找到一位愿意为死者做精子提取手术的医生。“然后,我又不得不去雇了一辆灵车……”

灵车将麦克的遗体从瑞文赛德的医院运送到约100英里之外的手术地圣地亚哥,然后再返回。

在电话里,安娜表现得独立而冷静。媒体上的文章有时会暗示,那些想生有时所谓遗腹子的女性似乎有点精神不正常,仍然眷恋着不可能复活的的爱人,和现实有些脱节。可安娜·克拉克看起来很清楚现实情况。

“这给了我一丝希望,仿佛他并没有永远离开,我还能拥有一部分活生生的他。并且只是我的,只是属于我自己的、我的麦克的一部分。”不止如此,安娜还希望麦克能有一个后继者。“他是一个非常非常优秀的人,是一位非常出色的海军陆战队队员,一想到这一点,我就知道我要为他留下某种形式的遗产,一个人,能将他的英雄道路继续下去的人。这一点真的给了我很大的动力……”

§

20世纪70年代末,洛杉矶的泌尿科医师卡皮·罗斯曼实施了第一次死后精子提取手术。

此前,罗斯曼一直负责从患有不育症的活人身上提取精子,这份工作不仅使他具有男性生殖系统解剖学方面的丰富知识以及精子提取和保存方面的经验,还使很多人得知他愿意帮助男性摆脱生殖问题。很快,他便在洛杉矶出了名。

“我才干了六周,预约就已经排到了六个月后,”他回忆道。随后,一位杰出政客的儿子在车祸后左脑死亡,“我接到一个电话,是加州大学洛杉矶分校神经外科的住院医师主任打来的,他说‘我有一个奇怪的请求。(这位政客)想保存他儿子的精子。你能干这活么?’”

罗斯曼想出了三种方案:给病人用药使其全身抽搐,以期引发射精;切除他的生殖器官以提取精子;或者(因为脑死亡的人仍然保有部分身体机能)使用人工刺激。“我记得当时电话那头一阵寂静……然后(那位神经外科医生)说,‘大夫,作为神经外科的住院医师主任,我见过许多奇怪的要求,但如果你认为我会帮一个死人打飞机的话……你一定是疯了。’”

他们决定采纳第二种方案。“感觉简直像是米开朗琪罗,”罗斯曼说,“独自一人,和一具男性躯体呆在手术室里。真是让人收获良多。”1980年,他就这一首次案例发表了一篇论文。

“感觉简直像是米开朗琪罗”

直到1999年,第一例由死后精子提取手术带来的新生命才降生于世。加比·维诺夫用罗斯曼在她丈夫身亡30小时后提取出的精子,诞下了名为布兰达林的宝宝。据加比称,这次怀孕采用的是最后一管精液。而在2009年颇受关注的案件“维诺夫与阿斯楚”中,加比为她在丈夫死后才受孕的宝宝寻求社保福利而走上法庭。法庭认为布兰达林不能获得幸存者福利,因为根据加州法律,布兰达林在父亲死亡时并不是他的受赡养人。

然而,在亚利桑那州,法庭于2004年判定这个在父亲去世后才受孕的孩子可以享受这些福利。不像加州,在亚利桑那州,生物上的亲缘关系足以在法律上判定亲缘关系。

如今,罗斯曼是美国最大精子库——加州精子冷库的联合创始人兼医学主管。他估计他们已经做了近200次死后精子提取手术。其中绝大部分是近期做的,因为这项手术变得比以前更普遍了。他们的档案显示,在20世纪80年代只实施过3次死后精子提取手术,90年代是15次。而2000年至2014年则实施了130次手术:平均每年不到九次。

并且,罗斯曼的精子库自然也不是提供这项服务的唯一诊所。虽然缺少近期数据,但美国生育中心在1997年和2002年的调查发现,死后精子提取手术的需求数量呈现出上升趋势,尽管得出该结论的样本量很低。来自肯塔基州立大学家庭科学系的教授詹森·汉斯说,“日益增长的医院和诊所的政策、案例,以及科学媒体和大众媒体的文章都表明,对这项手术的需求有所增长,但必须承认的是,这可能代表的是对该项需求的认知度有所增长,而非实际需求数量的增长。”

然而无论具体情况如何,死后精子提取都是很了不得的一件大事。

§

我们的身体似乎不是一下子全部死去的,而是一部分一部分死亡的。早期的科学文献建议医生们在人死后的24-36小时内提取并冷冻精子样本,然而案例研究表明,只要条件合适,活性精子的存活时间远长于此。罗斯曼说,曾有一个男人在划独木舟时在冰冷的水中遇难身亡,但整整两天后他的精子仍然状态良好。2015年4月,澳大利亚的医生宣布一个“快乐健康的宝宝”出生了,这个宝宝正是来自那位去世48小时后才被提取精子的父亲。

精子无需活泼无瑕,只要活着即可。尽管将活泼精子冷冻和解冻会更好,奄奄一息的精子却也同样可以创造出生命。只要把一枚精子注入卵细胞就行了。

© Kyle Bean and Mitch Payne

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【1)尿道2) 阴茎3)膀胱 4)精囊5)射精管 6)前列腺7)输精管 8)附睾9)睾丸10) 阴囊】

但首先,需要有人把它提取出来。为了理解这一过程,最好先了解一下男性生殖系统。无论你怎么称呼它——蛋蛋,卵蛋,球蛋,外肾,下丹田——睾丸就是一对挂在阴茎下面的球形器官。连接这对睾丸并从上方将其覆盖住的是附睾,附睾是一段管子,精子在其中成熟,随后从睾丸传输到输精管中。输精管将成熟的精子输送到尿道。尿道则从阴茎的中部通向体外。

获取精子有几种主要方法,包括针吸穿刺法。正如其名,这种方法会将针扎入睾丸,从中提取出一些精液。这种方法常用于活着的患者。但因为死者不像活人那样需要降低侵害性,所以医生倾向于用其他的方法来进行死后精子的提取。

其中一种方法是,用外科手术的方式取出睾丸或附睾。因为附睾是精子发育成熟的场所,因此它常常被选为手术目标。医生通过手术取出附睾,再用挤压或其他方法从其组织中分离出精子。将附睾或一小片睾丸组织整个冻起来也是一种备选方案。

由于输精管中的精子已经完全成熟,也可以从输精管中提取精子。外科医生可以在这条具有韧性的长管上开一条口子,用针管(吸引术)取出一些精液,或直接用溶液冲洗该管道(冲洗法)。成熟精子能够更好地移动,寻找卵细胞并穿透其中完成授精。

“这项技术仍然广泛用于公牛、雪貂、花豹、大象和河马等动物”

第四种选择是直肠穿刺射精法,又称电刺激射精法。医生将一枚传导探针塞入男人的肛门,直至紧邻前列腺。传导电流会引起肌肉收缩,从而刺激精液沿着常规渠道射出。

有趣的是,这项技术原本是为动物配种(如公牛、雪貂、花豹、大象和河马等)而开发出来的,现在也仍然在这方面广泛应用。因为这项技术不需要完整反射,所以也用于脊椎受损的男性人类。

然而,就算我们知道如何从死者身上提取精子,这也并不足以保证有人提出这个请求之后就一定能获准。圣地亚哥男性生殖与性别医学专家协会的创始人兼医学主管马丁·巴斯图巴正是在摩托车事故后提取麦克·克拉克的精子的那位医生。“这个领域并没有具体规定,”巴斯图巴说,“目前大部分书面法律都是在这项技术诞生之前制订的。”

美国法律规定非常混乱,有些还互相矛盾。管理组织和器官捐赠的法律是联邦层面的(《美国解剖捐赠法案》),但它们并不能直接运用到精子身上,因为精子是具有再生性的组织。亚瑟·卡普兰(ArthurCaplan)是纽约大学兰贡医学中心的生物伦理学领头人,他就认为联邦法律“应该进行修改,以包含精子、卵细胞、子宫、卵巢和睾丸”。与此同时,人工生殖的管控却是在各个州的层面上进行的。

如果一个男人没有过事先说明(例如注册登记为器官捐赠者),那么他的至亲就可以决定何时停止其生命维持系统、是否捐赠他的器官、如何使用或处置他的遗体、以及怎样举行葬礼仪式。但他的精子通常会被区别对待。

一般来说,精子是特殊的。相比于血液、骨髓或其他器官,最近的几次法庭裁定赋予了精子更高的法律地位。其他那些组织或身体器官或许能够用于拯救生命,但精子——如同卵细胞一样——使用它们,常常是为了发挥其创造生命的潜能。支持一观点和立场的,就包括美国生殖医学协会,它曾在2013年宣称,“在缺失书面指令的情况下,医生没有义务遵循在世配偶或伴侣的要求(进行精子提取手术或者使用提取出来的精子)。”

还有另外一些观点以及法律裁定没有支持这一观点。2006年,一位法官在解释器官捐赠政策时认为,只要男子在生前没有拒绝过,那么他的包括精子在内的器官就可以在其死后由其父母做出捐赠的决定。

由于我们尚无法为精子设定一个标准,因而在不同的医院,死后精子提取手术的相关政策各不相同,品质参差不齐,互相矛盾。甚至很多医院根本没有相应政策。2013年,在《生育与不孕》杂志上发表的一篇评论中,生物医学伦理学家就死后精子采集的政策方案走访了40家美国医院,只有6家给出了完整的政策方案,24家(60%)报告说他们要么没有出台过政策,要么根本就不知道这是什么事情。政策的缺失或许是因为对死后精子的需求十分罕见。然而不幸的是,这个需求一旦被提出,倒计时就已然开始,而医院必须要能够尽快做出决定。

这种非统一的现状意味着,很可能隔街而居的两家医院就会做出完全相反的决定。这篇2013年的评论总结道:“很多机构在这方面都没有政策方案,而有方案的又在重要的方面迥然相异,这些方面包括同意手术的证据的评判标准、使用精子前的等待时间授权、提取精子的方法,以及精子的存储运输方式和手术收费。”

《康奈尔大学泌尿科指南》好比泌尿学领域的“海盗条例”,它可以帮助到寻求指示的医生们。该指南不仅被纽约医院采用,也被全美范围内的其他医院正式或非正式地采纳为指导手册。指南内容包含,提出申请者必须是逝者的妻子,夫妻俩必须曾一起试图要过孩子,且未亡人必须等待至少一年时间才能获准使用提取出来的精子。

美国生殖医学协会的立场则是,对死后精子的使用要求只能由仍然健在的配偶或伴侣提出,且他们必须先度过一段悲痛时期后才能使用精子。值得注意的是,它劝告医学中心“没有义务参与到这些事情当中,但以防万一还是应该准备好书面政策。”

如果医生或者医院对实施这类手术感到不安,他们通常可以将遗体转交给其他人。不管是在重症监护室、停尸房还是验尸官办公室,更甚是殡仪馆,巴斯图巴都曾做过精子提取手术。但必须要有充足的时间才能保证精子依然保持活性。这方面的每一个决定都必须同单个医院的政策或其医学伦理委员会的决策保持一致。

§

那其他国家又是什么情况?一些国家已有法律,一些没有。一些国家允许,一些禁止。这是一个全球性的混乱地带。

法国、德国、瑞典和加拿大是禁止死后精子提取术的国家。而在英国,除非男人在生前立下过书面的同意书,否则该手术也不能进行。20世纪90年代中期,黛安·布拉德(DianeBlood)案件将该问题带入了公众视野。在她的丈夫史蒂芬猝死于脑膜炎时,夫妻俩已经开始准备要一个宝宝了。一开始,法庭驳回了黛安使用史蒂芬的精子来受孕的请求,认为这样的精子采集是非法的。但在上诉后,她获准将精子送出英国,因而得以在一个政策更加友善的国家接受人工授精。

最终,黛安用她丈夫的精子诞下了两个男孩。但英国政府拒绝承认史蒂芬是这两个孩子的父亲,这使得他们在法律上呈现出无父状态。随后,在黛安的努力下,政府于2003年承认,禁止在孩子的出生证明写上其生父的名字这一行为,是对布拉德家族的人权的否认。在这之后,黛安将她的经历出版成书,并在医药方面继续她的事业。她在一封邮件中写道:“时间过去了。现在人们甚至已经不知道当初的小题大做都是为了什么。”

女性们则继续给英国的禁令施压反对。最近,贝斯·沃伦(BethWarren)赢得了一场法律战斗——她保卫了丈夫的精子,使其免于在丈夫死后被摧毁的命运。她的丈夫在癌症治疗之前就在精子库保存了精子,随后便死于脑部肿瘤。法律则曾规定,在没有新的同意书之前,精子不能被储存十年以上。

一些国家已有法律,一些没有。这是个全球性的混乱地带

在荷兰,若非得到捐赠者事先的书面同意,即便代理人有权作出器官捐赠和组织收集等方面的决定,提取捐赠者的精子仍是被禁止的行为。医生们无疑在同这些限制做斗争。曾有一个案例,在一位男子即将被撤掉生命支持仪器时,为符合政策规定,一个医生团队最终拒绝了为他提取精子的请求。但医生们在论文里近乎遗憾地表示,如果他们在患者的生命支持仪器拔掉前将他送到隔壁比利时的医院就好了,因为那里是允许精子提取术的。

而在亚洲,虽然鲜有记录对待此事态度的文献,但可获得的资料却暗示了限制性的政策。根据《亚洲生命伦理评论》和一些其他的出版报道得知,在2005年,一位台湾军官在受命登上一辆坦克时遇难,随后他的未婚妻提出要获取丈夫的精子的请求。台湾卫生部门最初决绝了她,之后又迫于公众压力接受了她的请求——但这位未婚妻并不曾真的得到过精子。后来,政府出台法律,禁止哪怕是原本就在寻求人工授精的已婚夫妇在丈夫去世后继续此事。

在澳大利亚的昆士兰,一位女性在其丈夫意外去世后,便被剥夺了获取并冷冻丈夫的精子的权利,尽管在此之前夫妻俩已经计划要一个孩子。随后她得知,在她的丈夫还是学生时可能捐献过精子。一位伦理学家基于此案例写了一篇论文,来讨论为什么在原则上无论精子是否还具有活性、这位女士都应当有买下它的权利。

在一篇2014年的人类生殖论文中,西澳大利亚的生育科医生们描述了这种情形:“如今在法律界中存在着矛盾,一则国会法案认为我们可以收集精子,而另一则却暗示我们不能储存它们。”医生们还写道,在得到最高院的指令之前,他们从未提取过逝者的精子。“我们希望有一天可以解决掉这个法律冲突。”他们补充道。

在以色列,则是推定同意即可——过世的男人不需要留下一纸同意书,而只要他的遗孀说她相信如果他还活着就会同意这样做即可。政府甚至还会提供财政支持:国家健康保险部会承担生两个宝宝所需的试管受精流程的费用。至于父亲去世后才被受孕出生的孩子,在经过2007年的法庭斗争后,他们都会被认作是父亲的合法继承人。

如果申请人不是逝者的妻子或合法伴侣,一些美国和其他地方的生育诊所则会拒绝实施死后精子提取术,除非逝者留下过针对这种情况的书面说明。这些政策反映出美国生殖医学协会与康奈尔的指导手册有着一样的立场,那就是“鉴于妻子才是去世的男人曾想与之生育后代的人,因此表示同意的必须是妻子,而非逝者的其他家人。”

以色列相对友好的政策最近却制造出一种投机取巧的状况。以色列时报在2015年报道到,一位预备役军人在训练中遇难后,他的父母赢得了拥有孙子的权利。但不巧的是,他们虽然赢得了获取精子的权利,但他们的儿媳却拒绝在丈夫去世后再怀上丈夫的孩子,同时也反对老夫妻俩自己使用那些精子。

值得注意的是,相较于每一个在媒体上报道过的案例——这样的案例有许多——实际上可能存在着更多的人在私底下寻求这项技术,并悄无声息地成功或者失败。

§

医生和审查委员会又是如何权衡死后精子提取的决定呢?“通常来说,像生殖伦理或生殖医学的许多问题一样,最需要关心的是尊重病人的愿望和意愿。”生物伦理学家伊丽莎白·优子(ElizabethYuko)说。“在这种情况下,病人的去世就使问题变得棘手,但你仍然想要尊重未来的孩子的利益……在很多时候,你都在猜测逝者的愿望究竟是怎样的。”

当然,同样也有其他需要考虑的东西,例如需要尊重逝者遗体的完整性,逝者的生育权,逝者的不生育权,逝者家人的生养儿女或孙儿孙女的权利,以及对幸存爱人的悲恸的安抚。

一旦逝者将他的愿望表达清楚了,逝者的权利通常就会取代生者的。究其原因,法学教授格伦·科恩(GlennCohen)表示,这个问题几乎和哲学本身一样古老。目前在这个问题上主要存在两个阵营。“一方说……如果你任何事都不能做……我们怎样才能自信地说你被伤害了?”他说到,“另一方则表示反对,并认为在人死后,他的人生变得更好或者更坏,是取决于在他身上发生的事。”对于后者,科恩说,为避免伤害死者(的权益),认为禁止死后精子提取术是必要的观点要显得自然得多。

在死后精子提取术中,当我们问道“精子是什么?”时,我们同样是在问,“生命是什么?”,以及“死亡是什么?”

一个生者会被问道在他们死后其精子的命运的地方,是精子库。2012年,一组研究员探查了这类数据。将近360位患有癌症或者不孕症的男人将他们的精子存放在德克萨斯精子银行,他们当中85%的人同意在其死后使用其精子。

一位来自佛罗里达塔拉哈西的年轻牧师亚伦·谢菲尔德(AaronSheffield),在他开始睾丸癌的治疗之前将精子存放进了精子银行。他同意妻子在他死后用他的精子来生育孩子,只要她愿意。“这就回到了婚姻的誓言上,”他说,“只要她想要,在这件事上她就有和我一样的权利……我不认为她在使用精子的事情上存在伦理或者道德问题。”现在这对夫妇已有两个孩子,且均为自然受孕。他们现已销毁了亚伦存在精子库的精子,而他也已经切除了输精管。

在一份2014年发布的美国电话调查中,研究员向人们询问,他们是否愿意其配偶在他们死后使用其精子(或卵细胞)来生育小孩。年龄为18-44岁的男性中有70%的人表示了同意。研究者总结到,相对于现行的保守标准,同意的推定能使得死者的愿望得到近三倍多的尊重。

“当我们问道“精子是什么?”时,我们同样在问,“生命是什么?”,以及“死亡是什么?”

在最近的四十年间,对待此事的态度似乎终于产生了变化。罗斯曼回忆起一个采访者曾怎样在电视台上攻击他:“她带有非常大的偏见。你可以听出来她非常憎恨我所做的事,”他说,“他们认为这事非常糟糕……大概他们(后来)有送过花并道过歉……”尽管不开心,这类态度却反映了一种很多人都感同身受的不安——无论是在学术上,还是在大众领域里。

一篇在1998年发表于《英国医学杂志》的文章讨论过精子提取术的伦理性,并称:“医生们……在不知情的情况下,为了女人的意愿而决定了男性死者的身体的用处。”这篇文章总结认为医生“必须要有勇气对侵犯毫无抵抗力的脑死亡患者的行为说不。”

2003年,一组医生根据他们的发现发表了一篇论文,即根据相对更具限制性的康奈尔指导手册来实施实际操作会“显著地降低在医疗机构中实施死后精子提取术的手术数量。”他们写到:“若不考虑社会舆论,我们认为这是个谨慎保守的方法。”另一篇2002年的伦理研究则总结到:“即使获得许可,未来孩子的利益也必须纳入考虑范围。”

就在最近,人们对于死后精子提取术的想法似乎正在变得开放。2008年,在美国南方某州进行的一项调查发现“总体上的态度和……信念基本都在支持死后精子提取。”到了2015年,澳大利亚的伦理学家们发表了一篇评论用以支持对男性死者使用推定同意。他们认为无论是对死者还是他的伴侣而言,这样做都会带来很多益处。并且,遗孀和未来孩子的福利才是首要关心的对象。

但孩子们要怎么办?一些人认为死后精子捐赠应该禁止,部分是因为这样会导致不幸儿童的产生,他们永远也不会知道生父是谁。但很多孩子确实从不知道他们的生父是谁,即便他们的生父依然活着。“我发现的东西很难说清楚,”丹尼尔·布拉德(DianeBlood)说,“我难道应该去使用一个不知名的、甚至可能已经去世的捐赠者的精子,而不是用自己丈夫的吗?”

朱莉安娜·兹韦菲尔(JulianneZweifel)是一位临床心理学家,同时也是威斯康星大学药品和公共卫生学院的伦理委员会成员,她不赞同上述说法。“大人们作出决定而将小孩生下来,这样的孩子生来(根据定义)就没有父亲,而这仅仅是因为大人的需要,并没有将足够的关心放在会影响孩子的事物上。”她这样说道。

针对兹韦菲尔的说法,研究显示,对于那些我们还不认识的人或事,人们并不擅长为了他们的福祉去考虑问题。只有当孩子真的降生时,我们才会真地去为他的福利深思。“我不认为那些追求此道的大人真的到达了这样一种境界,用心理学的话说即是,他们确能诚挚地、真正地、切实地为孩子预先考虑。”

兹韦菲尔还担心,因为失去才被创造出来的孩子身上会有沉重的负担。“这样的孩子最终会成为别人口中的逝者的纪念残像……孩子们会感觉到人们在他们身上寻找着逝者的特点,他们会感到自己背负着成长为逝者的压力。”

孩子也不可能了解自己的父亲(除了仅有的不像的地方)。“当你生下来时父亲就已经去世,他对你而言便是永远不可能触碰到的存在”兹韦菲尔说到。她在工作中接触过依靠精子库而生育的单亲母亲们,很多人都选择公布个人身份的捐献者,以便日后她们的孩子可以和捐献者联系。

即便如此,在一些国家当中,真正匿名的精子捐赠者仍然可以且确实存在着。死后精子提取术不保证孩子将永远不会有一个切实的父亲,只不过这样的父亲将不具有通常的基因关系。曾经有过孩子患有基因疾病或畸形但找不到其捐精者的信息,从而无法在治疗和获知未来风险方面获得帮助的案例。一个在父亲死后才被创造出来的孩子至少有一个可以信赖依靠的家族史。

但针对使用死后精子而诞生的孩子可能受到的心理或健康方面的影响,却很少有研究作为证据支撑。2015年,有一篇样本规模极小的研究显示,四个来自死后精子的孩子“在健康和发育方面表现正常”。

§

在一切结束之后——当一个男人因疾病或创伤而死,围绕是否应该取得精子的决定,一旦你下定决心,就会参与到这个过程或手术当中——但让人惊讶的是,绝大部分的相关者都从未使用过这些精子。

罗斯曼和巴斯图巴基本将死后精子提取术看作是对悲痛者的悲悯。在他们实施过的大约200则手术中,罗斯曼说,提取出的精子只被使用过两次。“据我观察,在大部分时候,这项手术只是用来减轻一个遭受重创的家庭的现时悲痛。”

巴斯图巴同意这种看法:“就像人生中的许多事情一样,这并不是现实,而是一种意识。一种试图保存重要之人的一部分的渴望。对我而言这就是真正的价值所在。”在他的记忆中,经他实施死后精子提取的所有捐赠者的精子中,没有一个真的被生育成为了孩子。在以色列,这个可能是对死后生育最为友好的国家,一篇2011年发表于《生育与不孕》的论文也发现,“在过去的八年中,存放在国家精子库的21个死后精子冻结组织的样本中,没有一个曾被要求用来生育过。”

即使是那些坚定地执着于死后生育的人,最后也可能会放下它继续前进。一位德克萨斯州的妈妈米西·伊万斯(MissyEvans)在2009年得到了媒体的关注,因为她试图用她死去的儿子尼古拉斯的精子来生育孩子。“我对这样做的原因感到坚定不移,”米西说,“因为这是我儿子一生的愿望。”她获得了取得尼古拉斯的精子的许可,并努力在各个国家寻找代孕妈妈。

但这个过程却非常艰难。一半的精子用完后,仍然没有得到可以发育成宝宝的胚胎。“这件事不仅昂贵而耗时,还非常让人心碎。”米西说。她现在已不确信自己是否还要继续下去。

“我不想和其他人生孩子,”她说,“我只想和我丈夫一起生下他们。”

在这期间,米西已经通过她还活着的儿子成为了祖母。“我已经在破坏家庭上花了太多的时间,我们准备在剩下不多的年月里,尽情地享受同我们真正拥有的孙女之间的天伦之乐。”她说到,“我的儿子非常担心我会把精力都放在生育我另一个儿子的孩子上,从而忽视了同现实中的孙女在一起的乐趣。于是我听从了他的话。”尽管如此,她仍然表示她对以往所作的决定并不后悔。

所以你要如何才能确定,在你死后发生或者不发生某件事正好就是你想要的结果?一个具有实用性的措施是,在你生前订立的遗嘱中写明关于死后生育的事宜。尤其是在像美国这种法律态度尚不明确的国家,我们更需要好好讨论此事,并将我们的愿望落实在纸面上。

虽然还遗憾地尚未实现、但或许并不让人意外的是,以色列正在开辟一条道路。一位雄心勃勃的律师正在为死后精子的需求打出一项特殊服务的广告,以立下生物性遗嘱的形式。据这家律所的说法,这项可以使得孩子在两位(如果必要的话)父母死后仍然能够被生养下来的遗嘱,意味着“基因持续延续的权利可以独立于生命体本身”。在一份明确的声明中,这项法律服务的创造者写到:“否定生育的权利是一种处刑,且或许在本质上,是一种最接近于无意识绝育或者死刑的处刑。”

至于安娜·克拉克,距巴斯图巴从她死去的丈夫身上获取精子,已经过去了几乎两年的时间。她现在仍然想要麦克的孩子吗?“那是当然,”她回答道。“对我而言,不生他的孩子才是不可能的事。”她想要再等上几年,等她自己获得硕士学位、能够提供给宝宝她设想的生活后,再实现这件事。“不管未来我选择和谁在一起,他都必须要能接受我一定要去实现这件事,并且他不能对此说三道四。”

她说她的家人也对此表示完全的支持。如果安娜是从不知名的捐赠者那儿购买的精子,就不会有如此多人去质疑她的决定的伦理性,这种看法本身就很怪异。安娜已经遇到过了她想要其成为孩子父亲的人。“我不想和其他人生孩子,”她说,“我只想和我的丈夫一起生下他们。”

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[小红猪]拯救地球的下一步:爱德华·O·威尔逊和肖恩·B·卡罗尔谈话录 http://songshuhui.net/archives/95992 http://songshuhui.net/archives/95992#comments Sun, 31 Jul 2016 14:28:38 +0000 http://songshuhui.net/?p=95992

原文:The next step in saving the planet: E O Wilson and Sean Carroll in conversation

译者:Clara

爱德华·O·威尔逊以辩称两项看似无关的事物——人类社会和自然世界——是由同一套法则支配的而闻名遐迩。肖恩·B·卡罗尔则因统一了人类与动物的研究、揭示两者的发展均由同样的基本分子和基因过程驱动而举世驰名。倘若这两位科学家相遇,则会碰撞出怎样的火花?——他们决定统一整个生物学。

2.CarrollandWilson_1_ScottNobles

卡罗尔拜访了威尔逊位于哈佛大学的办公室,与他进行了一次长达数小时的自由访谈。他们谈论的内容涵盖了对未来的关切和对往昔的追忆——最后演变出一个团结生物学家的全球性运动的提议。生物学家们可以在拯救自然界这一共同事业的名义下团结起来,拯救自然界并理解自然界。

他们的谈话从讨论地球生物多样性所面临的威胁开始,摘录如下。

注:肖恩·B·卡罗尔以下简称肖恩;爱德华·O·威尔逊以下简称爱德华

肖恩:

作为一位学识渊博游历丰富的科学家,你在什么时候觉察到过对自然的威胁?

爱德华:

20世纪50年代,在我造访热带地区时就察觉到过,但这种事情你就算看到了,一开始也意识不到它意味着什么。我在墨西哥和南太平洋的一些地区看到了被糟蹋的生态环境,而我当时只是说,“好吧,他们把那儿弄糟了。去雨林的路变得更加难走了,这下我得翻过那座山才行。”

直到20世纪70和80年代,我们才开始着眼大局,这使我们开始思考我们可以保护什么,以及怎样去保护。

肖恩:

而你现在已经从全球的视角上来看待这件事——在这方面你比其他几乎所有的生物学家都更有经验——并且看出这是一个多么庞大的任务。所以我们的这次访谈是要从栖息地的保护开始吗?在我们失去更多的物种之前,保护生态系统是我们的首要目标吗?

爱德华:

绝对是。

肖恩:

而且这是人们可以做到的事。

爱德华:

完全正确。这正是最好的国际保护组织和我们的政府(以及其他有环保倾向的政府,例如瑞典与荷兰)正在做的事:保护现存的野生自然环境。这就好比将病人送入急诊室——先保住性命、再研究救治方案。

国际保护组织正在有限的预算内倾其所能地行动。他们事实上在全球范围内促进了保护区和自然公园的划区成立。最近,在《半个地球》这本书(2016年3月发售)中,我已经就建立总面积可以覆盖半个地球表面(包括陆地和海洋)的全球保护区的原因做出了解答。

肖恩:

对于评估和理解生物多样性的重要性,你的态度一如既往,且非常执着。

爱德华:

但是提供给生物多样性研究和保护生物学的支持却微不足道——这对生物科学而言是个耻辱。我们目前几乎相当于放弃了其他一切环境科学中的生物多样性研究,而且现在我们也没有朝这个方向努力;我们甚至没能尽快地描绘出地球的生物多样性图景。

肖恩:

那你认为为什么会这样?

爱德华:

二十世纪下半叶是分子生物学的黄金时代,放眼整个科学史,它也是其中一个黄金时期。分子生物学取得了巨大的成功,并且与医学家们结成了极为有力的联盟,使双方都能一起繁荣发展,且还将继续繁盛下去。

而研究生物多样性的学生们,即那些当今科研界最为缺乏的人才,则面临着一个艰巨的问题。学习典型物种是一个好办法,但我们需要将它同生物多样性的学习结合起来,这种结合还要能得到适当的支持,因为这对保护生物学、农业生物学和达成一个可持续发展的世界均能做出贡献。

我以前太过低调。看看这个领域才多少人在发声,而且要找到其他有潜力的发言人也很困难,而我们又无论如何都需要将这个信息传播开来——包括在那些数量迅速增长、且热衷数学建模的系统生态学家当中,而他们正快速地涌入这个领域。我们需要向他们说明,除非他们知道他们正在研究何物,否则就不会取得任何进展。就好比你若是医学院的一位生理学家,在学解剖学之前,你不会知道你真正研究的是——

肖恩:

你不知道研究领域。

爱德华:

每一个生态系统,哪怕是很小的一个,也因其拥有的独一无二的特定整体、环境条件和影响因素而能延续下去。即使是那些最微小的生态系统,生物性整体也几乎一定包括几千种物种。但我们不知道这个模型里都包含了什么——甚至连最初的形成也不知道。尽管如此我们依然在力求建立一个可持续的世界,把整个大自然一起包括进去。

我想这就是我要提出的论点。人类是成功的物种,但还是要看清现状。人类需要学会去理解:这个世界发生过什么,我们为何生而为人,而我们又正在做着什么。

肖恩:

这便是我在霍华德·休斯医学研究院(Howard Hughes Medical Institute)进行科学教育工作的原因。我知道现在有五百万学生在学习生物学课程,我希望有东西能激励他们去关心生物学,这东西不是书本中的术语,而应该是生物科学本身、人类的奋斗历程,这些才是最贴近他们的东西。

去年春天,我在加州大学伯克利分校为分子生物学的学生做了一次毕业演讲。电影《毕业生》(The Graduate)的结尾是这样的:“我只想对你们再说一个词,就一个词……‘塑料’。’”而在我的演讲最后我也告诉他们:“现在我要告诉你一个词:‘狮子’。”

我问他们是否知道,100年前地球上的狮子当中,可能只有5%生存了下来,包括数量极少的生存在保护区外的野生狮子。它们消失了——我是说,你仍然可以说在东非和南非广阔的保护区内生存的狮子是野生的,但在非洲其他地方还存在的野生狮子已非常罕有。我只能认为它们都被保护了起来。

你能想象一个没有狮子、灰熊或者老虎的世界吗?如果我们突然将自己传送到未来且噩梦成真,你认为我们还能不承认这是彻底的失败吗?如果根本没有留下生物以做研究,生物学还有什么意义?就好像宇宙学家望向夜空,却再也看不到一颗星星一样。

爱德华:

地球上存在着数以百万计的物种,许多物种绝大多数人一辈子都没听说过。有太多的未知在等待着我们去发现。大多数物种的作用机制我们都不得而知,但它们对地球未来可持续发展的重要性却可能超乎我们的想象。而这亟待我们去发掘,我们需要进行这类研究。

成功的案例

我们在新闻中看到的很多生物多样性的故事,要么是栖息地被毁的报道,要么是物种游离在灭绝边缘的文章。然而在这个世界上仍然存在一些人们以实际行动保护自然界的地方,也存在着一些成功的案例,值得我们赞赏和学习。

爱德华:

你可能没听说过它,但在阿拉巴马州建立占地数千英亩的国家公园,是我从一开始就参与的项目。莫比尔-田索三角洲可能是全美最具生物多样性的国家公园,它有一个数量庞大的生物种群,包含了350种鱼类;而三角洲北边就是红山和阿巴拉契亚山脉——沟壑遍地的地貌上覆盖着古老的动植物,它们从一万年前冰河时期结束后就一直延续至今。那里的居民至今才意识到我们拥有什么。

肖恩:

八月时,我和来自斯坦福大学的利兹·哈德利正好在黄石国家公园。那里仍然保存着三千年前就存在的全部哺乳动物物种。我们是从林鼠存放在黄石洞穴中的东西上得知这一点的——如果你能在那儿看到全部的哺乳动物,那么也就不难想象那里还保存了其他许多东西。

那是一个非常古老的公园,一块大面积的生态系统保留地,它每年会迎接四百万人的到访,但它仍是一个成功的案例。它的经验表明,人们需要做的第一件事就是保留出一大片生态系统,然后管理好它。这不仅可以完成,还能够以科学的方式做好。

这并不是说我们对黄石所做的每一件事都是对的,但当利兹解释到,她之所以知道早在欧洲人定居之前就存在于此的哺乳动物依然存在,是因为她通过洞穴工作观察过微化石时,我确实倍受鼓舞。我们应当为此感到庆幸:灰熊、北美野牛和狼群还在黄石生存着,而它们其余的全部种群几乎都已覆灭。

爱德华:

如果你从美国出发——相比世界其他地方,美国在生物多样性和可持续性上都做得比较好——去到热带地区,一切都在变得更糟。印度尼西亚正在破坏自己国家的森林,而西非无论什么都处于失控状态。这是一个全球性的形势。究其原因,则和低收入国家的需求与关系有着清晰的联系。

这正是位于莫桑比克的戈隆戈萨国家公园(Gorongosa National Park)好的方面。不要让任何人告诉你保护区从人们那里夺走了什么。我承认它是一个特殊的案例,但你可以在戈隆戈萨找到真相。

真相就是一个叫格雷格·卡尔(Greg Carr)的男人,在这里投入了大量的私人资金,从而得以拯救一个国家森林,并开始恢复小部分沙漠。在这个过程中,他说服政府将戈隆戈萨山划在保护区内,正是此山网罗住季风雨,水分由此慢慢流向整片地区。并且,他中止了对山顶雨林的破坏,该项举措已经被证明将在未来20年内改变整个区域的气候、(或者至少是)该地区的水文、以及当地人的生活。

我在我的《戈隆戈萨》一书的题记里这样写到:窥见格雷格的不朽,这位“世界公民”。我们需要更多像他一样的人。他和我曾经常就说服亿万富翁们来维持国家公园展开讨论。他为这些人们深化了这个国家的发展。

再次提醒你,这是一个日均收入很低的国家。他用自己的资源在整个国家公园内改善了学校和医院的条件,还雇佣了大量曾因内战而流离失所的人。

格雷格同样解决了非法狩猎问题,这个问题一度非常严峻,因为该地的年轻人无处可去也无赚钱门路,就在国家公园内盗猎为生。格雷格从政府那儿取得了接管警队系统的许可……每当警队抓住一个盗猎者,他就雇佣其成为警队队员。上次我去那儿时,我见到了曾在当地臭名昭著的盗猎冠军,他现在也成为了一名警员。我和他握手,他给了我一个大大的笑容。他现在表现得很好。

范式转变

当研究者们发现特定的基因能发育成完全不同的动物时——比如人类、老鼠和果蝇——我们对于生物之间关系的理解就发生了转变。从此,一个新的领域(‘演化发育生物学’,或称为进化发展生物学)得到诞生,以前研究领域相差甚远的科学家们也联系在了一起。对肖恩而言,这就是一个范式转变。

爱德华:

范式转变是科学家们可以期待的最棒的东西。任何时候只要我觉察到这类机会的存在,我就会全力争取。你会发现有些东西的发展方式与你想象的不同。这一点在分子和细胞生物学中尤其是真理般的存在。分子和细胞生物学是一门结构性生物学,在各生物科学中最难产生争论和党派之分。你研究的是实实在在的东西,它要不在那儿,要不就不在,它不会产生分歧。

肖恩:

不过,在这方面会有大量观察成果和现象解释存在,你需要确定哪些才是正确的……这就是我经历过的事情:当你率先进入一个全新的领域时,你会看到一些机会,但你无法说服其他任何人。接着你就要将机会变为现实,并且要看看是否存在达成这项机会的途径。

例如,在1982年,在分子科学家中流传着一种看法,即如果你要研究一些人类相关的问题,你就得研究哺乳动物,或者至少是有脊椎动物,青蛙或鸡有可能行,但也仅仅是有可能。当我决定要研究果蝇时,很多研究界的前辈们必然会说,“你根本连方向都错了。”在我们所关心的生物发展方面(包括人类在内),果蝇能够教给我们什么?

但确实有一些描述果蝇基因突变的论文发表,且它们都有趣得让人无法放下研究的欲望:比如交换部分身体特性的突变和改变身体部件数量的突变。你一定会好奇,一个基因怎么可能造成如此惊人的影响?这便是大基因谜题。

那时我在波士顿,是一名研究生,在听了一些演讲——只是一些浅层次的了解——后我便做出了决定:我要么从事这些基因研究,要么就不读博士后了。我很固执。下面这话并不是马后炮,但这个谜题吸引力之强,让我压根就不想从事别的事。

随后,事情的发展超出了所有人的想象。从未有谁料想过,这个星球上竟然会存在如此共通的法则——这些基因相互之间的联系和作用机理在整个动物王国的方方面面都有体现。并不单纯是这些基因广泛地存在于世,它们的运作过程也同样如此。你从果蝇身上学到的东西可以轻松地用在别的东西上。

爱德华:

这确实是一个范式转变。

肖恩:

对。这个转变不是靠理论或者远见推动,而是依靠数据——一种让人们瞠目结舌且必须绞尽脑汁破译其含义的数据。那时,只有数量相对较少的实验室参与了这些生物的研究,但四五年后,参与研究的实验室数量增长了近十倍。诸如“天哪,事实上我们不仅可以找出能够用在别处的理论,还能更快更便宜地做到这一点,这是一种工具,是通向整个动物王国的通行证。”这类想法也盛行开来。

在整个分子和细胞生物学领域,一直缺乏对进化和自然历史全局观的兴趣,甚至在20世纪80年代亦是如此。因而我们以前不仅缺乏这一块的知识,也缺乏对这方面的好奇。但这一点,我想现在已经得到了彻底的扭转。

现在我们意识到了生物有很多共同点——基因过程和分子等——并能产生统一的效果。生物学家们的视角更为全面,因而不容易把自己限制在条条框框里。

例如,可能我更多地是以进化生物学家著称,但直到1994年,我从没遇到过一位古生物学家。在此之前我一直陷在自己这个独立领域里而对外界一无所知,我认为像我这样的人并不在少数。随着发育生物学取得进展,我们揭开了胚胎的奥秘,如果你此时问我多样性的问题,我一点都不会觉得意外;但在早期时,对很多发育生物学的同行们而言,胚胎学的广泛比较方法并不被他们所接受。

而演化发育生物学非常棒的一点是,考古学家是最令人振奋的一部分。他们对该领域的热情给了人们(就像我)很大的鼓舞。他们并不需要真的沉浸其中,但他们对我们试图进行的工作给予了很大的支持。比如他们对形态的进化就有着浓厚的兴趣。这类新资源的信息总是让他们无比兴奋。

一个统一的生物学

为了挽救地球的生物多样性,生物学家能够联系地更加紧密、并为共同的目标一起奋斗吗?

爱德华:

生物学已经成为一门旗下所有分支学科都在寻求统一的科学。我们正在见证可以被称之为科学自然历史的复兴,它使得研究地球生命究竟为何的基础工作成为可能。

大多数人在听到以下这微不足道的数字时会感到惊讶:我们已知两百万种植物、动物和微生物,并对它们各自进行了命名和详述。但即便乐观地估计,我们对这些动植物解剖学上的知识的了解还不到10%,我们只对其中不到0.1%的物种进行过详细的研究。我们甚至不知道地球上的物种总量位于何种数量级。

包括昆虫在内的无脊椎动物就明显未被了解过。而现在我们正在进军微生物世界——现在我们至少有了快速界定物种的工具——我们发现自己正身处一个拥有数千万物种的世界当中。然而我们甚至还没有得到“世界上有多少种微生物?”的答案,这无疑很成问题。

这不是一个集邮游戏。我们需要的是能够彻底投入的专家,对于每一种物种可以发掘的所有方面,他们都能投身其中,且他们能身处于一个鼓励一切发现的环境……你学到的关于任何一种物种的新知识都可以发表出来。从根本上说,这对所有人而言可能都是一种导向,无论对方是分子基因学家、演化发育生物学家还是毒理学家——

肖恩:

我对生物学很有信心。我是在华盛顿大学读的本科,在那里生物系是一个独立的院系,研究内容从狼群到病毒无所不包。我很喜欢那样。随后我在波士顿读研,我很不喜欢那儿两派人——更关心生物和生态系统的一派和只关注分子的一派——之间剑拔弩张的气氛。为什么一定要在两者之间做出选择?我觉得生物学在各个层面上都非常迷人。这或许是下一个世代将带给生物学的东西。我明显感觉,到了20世纪90年代,在很多年轻的生物学家之间,曾经盘桓于此的壁垒早已不复存在。

爱德华:

我觉得这个壁垒现在又开始慢慢浮现了。

肖恩:

但你是否曾因生物学界不够团结而丧气过?我再重复几句……现在可能正是生物学界的时代,无论你是研究分子还是蓝鲸。并且这是我们面临的问题:保持生物的多样性。作为一个生存在地球上的生物,保持地球的健康是我们赖以为继的关键。

现在,我们面临着一个生死攸关的危机。对这一危机、以及这个危机在农业、医学及其他方面的分支表现,谁能比生物学界更加了解?我们懂得种群数,我们也懂得进化史。

看看物理学界在二战后解决核武器问题的方式。他们想,“天哪,看看这东西的可怕威力。”核武器军备竞赛对人类而言是一个巨大的威胁,这个威胁持续了40到45年,这深深地警醒了与该项科技有关的学界领头人,从爱因斯坦到鲍林再到有关的科学家联盟,他们联合起来公开反对这类武器。你觉不觉得,作为生物学家的我们,倘若联合起来积少成多,也能发出更大的声音、且能更团结地对抗现在这个最大的危机?

爱德华:

我很喜欢你的这个方法。你是对的——我应该更加富有想象力。来自不同生物学科的生物学家和研究者们一起签署一项类似于1955年罗素爱因斯坦宣言的协议,这个想法从未在我的脑海中出现过,一秒钟都没有过。

肖恩:

我们是不是也应该像物理学家们做的那样,为这个议题而走上街头?

爱德华:

好主意。我保证,如果我们可以将生物学的使命用完美的语言组织出来,我们一定能得到一套令人印象深刻的签名集。“这是生物学的世界;这是生物学可以献给世界的东西——这也正是这个世界真正需要的广泛支持。

人们需要理解的一个关键词是“可持续性”。我们必须要创造一个全球范围的可持续发展的环境,但我们现在并没有这样做。这个世纪余下的时间中。我们需要做的就是在能力范围内,大力建立并建设处物种最为丰富的自然保护区;然后再尽最大努力去管理好世纪末可能出现的针对110亿人口的需求。

这才是生物学发展的方向。由此,我们若能越快地绘制出全球生物多样性的地图,生物学就能发展得更好——更不用提那些此前可能被我们随意地丢弃、现在却能拯救回来的东西。

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[小红猪]地球工程手段能够逆转气候乱局吗? http://songshuhui.net/archives/95809 http://songshuhui.net/archives/95809#comments Thu, 30 Jun 2016 23:00:38 +0000 http://songshuhui.net/?p=95809

本文为小红猪抢稿第99期译稿

译者:Vincent Chen

校对:白鸟

原文:Can geoengineering avert climate chaos?

从遮阳伞到促进藻类大量繁殖,给地球降温的创意有很多。但是这些方法有什么潜在的危险吗?

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【图片出处:http://pbmo.files.wordpress.com/】

噢不,尽管本意并非如此,但是我们似乎已经把地球给玩坏了。有什么办法能改进现在的处境吗?

气候变化已经来到我们的身边,它将冰川融化,让森林枯萎,还让洪水和炎热天气来得更加猛烈。同时,全球范围内二氧化碳和其他温室气体的排放持续增长,预示着更可怕的前景即将到来。即使明天我们就能停止所有的温室气体排放,地球表面的温度仍然会持续上升几十年,并且可能会造成各种灾难性后果,诸如饥荒和海平面的迅速上升等。

所以也许到了该好好考虑一下地球工程这个大胆想法的时候了。我们希望,通过人为修补这个星球的气候机器,我们也许能够纠正犯下的弥天大错,或者至少避免一些最严重的后果发生,哪怕只是给自己赢得多一点的时间来削减温室气体排放也好。

目前人们已经提出了几十种为地球降温的方案。我们可以出动大量的船只喷洒盐雾好让云变得更白,或者在平流层喷射硫酸以反射阳光。向深空发射大量的反射镜。用基因工程改造出发白的农作物。给海洋施肥。用反光塑料薄膜覆盖地球上的沙漠。播撒可以成云的细菌。施放能够遮天蔽日的微型气球,等等。

这些方案都很有创意,但是其中有可行的吗?或者它们只会把情况变得更糟,加速灾难的降临?与其冒着所能想到的最大风险尝试这其中的某个方案,最好还是用精密的计算和计算机模型来探究每一个方案。随着相关研究的结果不断累积,我们开始了解地球工程手段能-或者不能-做到的事情。

有些方案可以比较容易地被否决掉。例如,用反光塑料覆盖沙漠,虽然能够反射大量阳光,而且多少能给地球降降温,但很可能跟它给人的第一印象一样不靠谱。这个方案会摧毁生态系统,改变区域气候特征,还需要大批的清洁人员来维持其运行。

其他的一些想法则超过了我们现有的能力。给地球铺一片太空遮阳伞需要发射两千万枚火箭。除非有全新的技术出现,这个方案的成本将是个天文数字,并会产生致命的污染。“这根本就是科幻小说里的情节,我们不必再讨论它”,联合王国埃克赛特大学的提姆兰顿(Tim Lenton)说。

其它的很多方案,例如把我们的房顶涂成白色,确实是可行的-但是它们真的能修复气候系统吗?毕竟,根本的问题是,大气层中不断增多的温室气体就像包裹着地球的毛毯一样会保持热量。我们可能会在本世纪的某个时点将大气中的二氧化碳浓度翻上一番,届时地球表面每平方米平均散热将下降3.7瓦。为了阻止地球变暖,各种地球工程方案,要么要能够阻挡等量的来自太阳的热量,要么需要等量地增加大气层顶端所散失的热量。

我们的地球制冷机还有其它的前提要求。它需要在不剧烈改变局地气候的条件下工作,还要防止海平面上升。最好还能阻止海洋酸化以防珊瑚礁消失。

但是首先需要测试的依然是工程方案的降温能力。2008年,位于英格兰诺威奇市的东安格利亚大学的兰顿(Lenton)和尼姆沃翰(Nem Vaughan)将多个模型的结果与他们自己的计算结果相结合,评价了数十个方案的潜在制冷效果。“这么做的起因是我非常失望。我受够了那些研讨会,会上人们都在宣传他们自己所偏爱的技术,手舞足蹈的说着‘这个比那个好得多’,”兰顿说。

他们发现很多方案几乎没有任何效果。以将屋顶和路面刷白以反射更多阳光为例。即使乐观估计,这个办法每平方米只能反射约0.15瓦的热量-最多就是对恢复地球热交换平衡做出少量贡献。

给海洋施肥的方案看上去更有希望。浮游植物生长过程中会消耗二氧化碳,有时它们的残骸会沉到海底并被掩埋,这样就能固定住这些二氧化碳。向海洋中添加浮游植物生长所紧缺的营养物质,例如铁,能够促进它们的生长。根据兰顿和沃翰的计算,到本世纪末,这个方案能够减少地球表面热辐射失衡多达0.2瓦每平方米。这个方法简单,但是无法扭转全局-同样,这也是基于最乐观的估计,随着我们对这一进程的了解逐渐深入,结果可能会大打折扣。

其他的很多方案,例如促进极地海域的下降洋流以提高二氧化碳向海洋深处输运的速度,局限性更大。然而有两个方案因为既高效又相对实用而脱颖而出。它们都涉及以某种方式对阳光进行遮挡。

一个方法是让海洋上空的云朵更白-尤其是低空的,平板状,覆盖了大片天空的云。分布在全世界的船只将细盐雾带入空中。盐份颗粒可作为凝结核来促进小水滴形成云朵。由于单位体积内小水滴的数量更高,这些云比普通的云更白,能反射更多的阳光。这个方法将有可能完全抵消二氧化碳浓度翻番所带来的变暖效果。

把云变白还有其它优势,例如不使用任何有害化学物质。但是云的成核机制尚未完全明确,所以这个方案可能不如其支持者所说的那么有效,而且仅对海洋降温可能会扰乱局部气候。例如,今年发表的一项研究发现,在太平洋上空人工造云对降雨分布可能造成的改变,与具有高度破坏性的拉尼娜天气现象非常类似。

这场技术比赛的另一有力竞争者是个老办法:向大气中充入细颗粒物所形成的雾霾。事实上,我们已经在这么做了。二氧化硫污染形成的硫酸微粒据估计已经反射了每平方米0.4瓦的太阳辐射。但是燃烧和工厂生成的二氧化硫无法在大气中长期停留,所以它的效果很有限。然而如果硫酸盐颗粒能够达到平流层的高度,它就能够停留数年,其冷却效果也因而大大增加。证据源于能量大到能将能将二氧化硫推入平流层的火山喷发。1991年菲律宾皮纳图博火山的喷发在随后的数年中将地球温度降低了多达0.5摄氏度。

低廉的成本

为了抵消二氧化碳浓度翻倍的暖化效应,每年我们需要将多达五百万吨的二氧化硫输送到平流层。位于马萨诸塞剑桥的极光飞行科学公司的贾斯汀麦克莱伦(Justin McClellan)的团队评估了多种运送二氧化硫的方法。根据他的结论,每年需要花费约一百亿美元。与全球变暖所带来的巨大代价和严重后果相比,这个价钱绝对是个优惠价。单只海平面上升一项就将吞噬数万亿美元的城市和农田。

不幸的是,我们的硫喷雾可能无法阻止海平面的上升。硫酸液滴在极地停留的时间并没有在赤道地区长,这降低了它们冷却极地的效果。所以即使注入气溶胶能让全球平均温度降回到19世纪的水平,极地依然不会像过去那样寒冷,冰盖仍将继续融化。这一方案可能无法阻止海平面因南极西部冰架崩塌而上升至少三米这样的灾难发生。

尚不能确定其它的反射体,如固体金属颗粒或者小型反光气球的效果是否更好。输送气体要简单和廉价得多,因此大多数研究都集中在硫酸盐颗粒上。

当沿海的平原和城市被淹没的时候,地球上的其它地方可能会干涸。不论用哪种方法遮挡阳光,到达海面的阳光都将减少,海水蒸发也将减少。到现在为止,全球变暖的效应仍大于二氧化硫污染的降温效应,海水蒸发依然是增加的。但是如果我们通过这个方法将温度降回到工业革命之前的水平,降雨量可能会锐减。假如降温的幅度没有这么大,就可以避免这一后果-但这样的话冰架将融化的更快。

据气候模型计算,遮蔽阳光同样可能灾难性的局地影响。如果这一方案扰乱了季风形成,数十亿人将长期处于饥荒之中。“或者假如你改变了将水汽带入亚马逊雨林的环流模式,你可能会把亚马逊变成沙漠”,牛津大学的提姆帕尔默(Tim Palmer)说。

2010年,牛津大学的迈尔斯阿伦(Myles Allen)和他的同事用精细的气候模型研究了平流层中遮阳气体数量变化造成的效果。他们发现没有适合地球上所有的地区解决方案。能将中国带回到工业革命前舒适的温度和降雨量的气溶胶量,会使印度的温度降得过低。

或许可以换个方式来看问题。不同的气候模型对遮挡阳光引发的的全球效应结论一致,但是对区域性气候变化得出的结论不同。

这可能是由于不同研究中用到了不同的假设和取值。或者这是源于现有气候模型的局限性。随着它们的改进,不同模型局部预测的结果可能会开始相互吻合,这会让我们对它们更有信心。

然而,影响局部气候的一些因素本身是不可预测的。一百年后还会有多少雨林留存下来?如果温室气体排放会降低的话,会降低多少?生态系统将有什么反应?因此,我们永远无法百分之百确定任何一种方案会取得想要的结果。

因此任何屏蔽阳光的方案都有很高的风险。如果它们带来了可怕的后果,然后我们立即停止向大气层充入硫酸盐颗粒或给云朵增白,地球将在随后的数年中飞速变暖。这样的突变将比同等程度的温度渐变更有破坏性,因为人类和野生动物没有时间去适应。“这样做是在增加我们的风险”,兰顿说。如果我们使用硫酸盐微粒,我们可能需要另外的地球工程手段,例如人造卷云来给极地降温,相当于为地球开出了不止一剂,而是两剂猛药。

所以与其遮蔽阳光,我们也许更应该抓住问题的根本,积极主动地从空气中去除二氧化碳。浓缩之后的二氧化碳气体可被注入到地下储层,如已被采空的油气田中。但还没人设计出有效的途径。“问题在于捕捉空气中含量很低的二氧化碳必然比从发电站这种高浓度源中捕捉它要昂贵得多”,兰顿说。

以现有技术将人类增排到大气中的二氧化碳及时清除以防气候进一步发生变化是不现实的。即使大规模工业化去除二氧化碳也要耗费几百年时间,而且二氧化碳排放持续增长的时间越长,我们面临的挑战也越大。

与其在地球上布满吞食二氧化碳的机械装置,何不加快二氧化碳与硅酸盐反应的速度?几百万年间,这个被称为风化的过程,吸收了大量的二氧化碳,这些二氧化碳最终通过火山回到了大气中。但是为了处理掉一年中排放的二氧化碳,我们需要研磨至少七立方千米的岩石并且将其均匀的散布到占地球表面积几个百分点的土地上。所以这个办法也不能拯救我们。

那么改变土地用途和农业方式以捕获更多的二氧化碳呢?种植树木仍是一个不错的选择,虽然地理因素将这种做法的潜力限制在了0.5瓦每平方米,而且如果随着地球变暖树木死亡或者被烧毁,所有被捕获的碳都终将回归大气层。

锁住二氧化碳

一种禁锢植物储存的碳元素的方法是将它们变成炭-生物炭-并掩埋起来。另一种方法则是在使用了碳捕捉技术的发电厂燃烧农作物。这些方法需要土地,因而与粮食生产有竞争。兰顿通过计算得出,到2050年,生物固碳可减少辐射失衡多达0.3瓦每平方米,但前提是我们必须提高农业耕作的效率,并且减少食用既消耗土地资源又会产生大量甲烷气体的肉类。现在,肉类消费不断上升,而粮食产量却已经为极端天气和缺水所影响,所以除非技术上取得某些突破,例如对植物进行基因改造使其能够利用更多太阳的能量,生物固碳的方法只是一个美好的愿景。

而碳捕捉技术则至多只能减缓下一个百年内地球变暖的步伐。而且如果它们只是被当做减少排放的替代措施-如获取碳排放权并把它转售给其它需要排放二氧化碳的机构-那就连这个目标都无法实现了。

如果我们已经逼近诸如森林大面积死亡,永久冻土消融大量释放甲烷,或是南极洲西部冰架崩塌这样的重大转折点,碳捕捉方法也没用了。那么我们是否应该预备诸如喷硫这样有效也有风险的方法在紧要关头使用?也许。但是兰顿对此持怀疑态度,他在2008年的一篇文章中设法定义了临界点这一概念。“人们认为因此我们需要预备使用反射阳光这样的方案,但是无法证明我们能够在临界点到来之前及早获得预警,或是能及时启用应对措施,也不能证明这些手段不会造成其它的临界点,”他说。

如果我们等到最后关头才行动,就可能错失逆转气候乱局的机会。“现有手段并非魔法按钮,当情况失控时按一下就够了-结果可能变成一场梦魇,”帕尔默说。即使我们真的选择投加凝结核遮蔽阳光的方法,几乎所有的气候学家都认为依然需要大规模的减少碳排放。

也有人持不同的观点。埃克赛特大学的彼得考克斯(Peter Cox)指出,更高的二氧化碳浓度能够促进某些种类的植物的生长并减少植物水分的流失,因为植物的气孔不需要张开那么长时间了。所以如果二氧化碳浓度升高而未伴有干旱,洪水,风暴或是全球变暖所导致的足以阻碍植物生长的高温,食物的产量将会增长。也许遮阳方案可以实现这一点。“从我们最关注的几个方面来看,这是一个比传统方案更好的选择,”考克斯说。这样一个凉爽而充满二氧化碳未来蕴含着有着可怕的风险,考克斯也只是建议我们考虑一下这种可能性而已。

最后,政治是任何伤筋动骨的地球工程项目最大的障碍。“你不能让地球工程去互相竞争,只能有一个留下来,”阿伦说。“所以必须由某个超国家体对气候相关问题进行决策”

因为不同的国家优先考虑的问题不同,彼此之间达成协议几乎是不可能实现的。有的国家面临的最大的威胁是海平面上升,而另一些的则是极热或是降雨分布的变化。从京都议定书的情况来看,即使最终能够达成某种协议,它离我们真正的需要恐怕也相距甚远。

不过,只有那些大规模的阻挡阳光的方案才需要获得各国政府的一致同意,因为它们具有全球性的风险。没有什么能阻止个人,机构或是国家单独行动,开展生物炭项目或者其他的碳捕捉方案。目前来看,改造地球最安全的手段也许就存在于农田之中,尽管与闪闪发光的太空反光镜相比,这些方法看上去平淡无奇。

消灭卷云

飘渺而高悬于空中,时而点缀着夏日蔚蓝天空的卷云看上去不像是我们的敌人,但是大卫米切尔(David Mitchell)正制定方案消灭它们。消灭卷云不光能降低地球温度,还能够挽救冰盖以及遏制极端天气。

云对地球的热平衡有着复杂的影响,它反射部分入射阳光,并拦截了大量地球对外的红外辐射。低海拔云,如海面上方的层云,还会从它们的顶端向太空辐射大量热量,所以它们总体上降低了地球的温度。含冰卷云辐射的热量要少得多,因而它们的总体效果是让地球升温。

2009年,工作于内华达州里诺沙漠研究所的米切尔建议使用航空器来播撒三碘化铋,这是一种能够作为凝结核形成较大冰晶的无毒化合物。这些冰晶比卷云中天然存在的冰晶更快地下落到地面,这样卷云便会消失。

七月份的一次会议中米切尔展示了对这一过程的初步模拟,显示这一方法对地球的降温效果可达到2瓦每平方米-足以抵消二氧化碳含量翻番引发的变暖效果的一半。

更好的是,这个方法应该能在最需要它的地方,也就是高纬度地区,取得最好的效果。专注于这一区域能够保护我们脆弱的冰盖。这个方法同样有助于恢复热带与极地之间的温差。两者的温差已经由于北极地区的快速暖化而缩小,有人认为这是极端天气状况越来越频繁的原因之一。

米切尔提醒我们,这个模型仍处于很初级的阶段。“将卷云纳入到全球气候模型中仍需要很多研究工作-这项工作不只是为了地球工程”。他希望能在小范围之内进行一次人工造云实验来检验真实情形。

此外,散布卷云有着很多与遮阳方案同样的风险(见前文):这个方法也可能会有灾难性的局地效应,并且骤然停止这一方案同样很危险。

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[小红猪]发明家除了想象力还需要九十九种垃圾 http://songshuhui.net/archives/95769 http://songshuhui.net/archives/95769#comments Tue, 28 Jun 2016 06:41:05 +0000 http://songshuhui.net/?p=95769

托马斯·爱迪生说过,一个发明家只需要两样东西:垃圾和想象力。他没有提到的是,他还有两百个助手。

大众心目中的发明者形象是阿基米德式的:洗澡时从浴缸中一跃而起,赤裸着身子跑到大街上高喊一声“尤里卡――有了!”他有什么没什么,路人自然是一览无余。等到地方法官要他解释自己当众裸奔的行径时,他的喜悦之情大概会有所下降吧。

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而现实中的发明者是一群勇敢、智慧、偶尔还有些疯癫的怪人。他们沉浸在对新鲜事物的痴迷追求之中,可能根本想不到洗澡。在高呼尤里卡的珍贵一刻之后,他们往往还要付出许多年的辛劳。詹姆斯·戴森在发明他那部巧妙的吸尘器之前足足研究了十五年,期间他一共制作了五千台样机。发明家的成就,应该归功于他们的智慧和顽强,或者,是他们的运气,还有“借鉴”并采纳其他发明家成果的眼光。

技术塑造了古代世界和现代世界,今天的我们更是完全依赖各种设备方能生存。一旦给没收了智能手机和手提电脑,一位冷静的现代公民就会哭成一摊烂泥。

人类对几乎所有的进步都采取理所当然的态度。但是,假如没有疫苗,我的读者中将有一半会在识字之前死去。今天的我们已经完全忘记了能够自动脱下的帽子,也忘记了曾经有一种时髦的外套能够变成一条小船、口袋里还藏着一把船桨。

请各位打起精神,来见识各种奇怪而精彩的事物吧――那些都是发明家制作出来的。

最早的汽车如何驶上马路

在底盘上装一台蒸汽引擎,和四轮大马车一较高下――还有什么比这更自然的想法呢?第一辆在蒸汽驱动下隆隆驶过路面的车子,是由法国陆军工程师尼古拉-约瑟夫·居纽(Nicolas-Joseph Cugnot)的发明。他的这辆“马路车”于1770年问世,看起来仿佛是一把重型水平梯和一辆独轮手推车交配的产物。它有一座1800升的巨大锅炉,悬挂在前轮的前面,那模样就像是车子正在拆除一枚没有爆炸的炸弹――这么说也不算离谱,因为这辆车子一旦被撞,结果就是灾难性的爆炸,周围的路人也会被它的高压蒸汽和激飞的碎片殃及。

这辆马路车的作用是拖动沉重的加农炮,但是也拖不了多少距离,因为它必须经常停车,给锅炉补充煤炭和水,同时也让紧张的司机喝上两口、壮壮胆子。它的行驶速度相当于一头瘸腿的骡子,光是想到拖着一门大炮,它的蒸汽就会泄光。所谓驾驶,仅仅是强制它沿直线行进――只要转一个弯,它就会翻车。后来有一辆体积较大的“改进型”问世,开着开着就撞塌了一堵墙。居纽也成为第一个因为危险驾驶入狱的人。

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居纽的“马路车”

居纽之前,也有人设计过各种稀奇古怪的自动车辆。16世纪,纽伦堡的约翰·豪奇(Johann Hautsch)就设计了一辆发条驱动的马车。那是一部巴洛克式的机械,表面饰有龙与风笛,它的样子无比沉重,发条转一周大概只能前进几吋。其他古怪的设计包括带有轮子的船、由风筝带动的船、由风车似的帆带动的船,以及一辆在踏轮上飞驰的微型机车――看起来就像一只疯狂的老鼠。“推脚车”靠蒸汽驱动的机械腿前进。还有一种机车叫做“蒸汽马”,不过它实在应该叫做“疯马”,它的后部同样有几条铁腿,蹬着车身前进。初次上路,它的巨大锅炉就发生了爆炸,它四脚朝天躺在了地上,和许多旁观者一样。

蒸汽氤氲

英国是蒸汽机车的世界中心,但是现成的引擎都过于复杂笨重,并不适用于汽车。最早的商用移动蒸汽引擎安装在牵引机车上,加一条传动带就能为农业机械提供动力。它们在农场之间行驶,能够拖动沉重的货物,但是它们的重量实在太大,在松软的土地上难以行驶。为了解决这个难题,詹姆斯·博伊德尔(James Boydell)给每一只轮子各装了五块木板,这相当于是让它在行进中给自己铺路。这部机车的广告标榜的是“无穷的轮子”。相比之下,功能多样的“达比挖掘机”就没有轮子,只有尖头朝下的巨大钉耙,能够一路挖掘,一路“行走”。这需要一组奇妙的机轴和偏心轮协同运动,所谓偏心轮就是一种能是将旋转运动转化成直线运动的装置。这款挖掘机最好不要开上马路,因为它会破坏路面。

“无穷的轮子”

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“无穷的轮子”

与此同时,华尔特·汉考克(Walter Hancock)的蒸汽引擎公车也开始在伦敦等地定时运营。他的公车都起了充满魅惑的名字,比如“婴儿号”、“尸检号”等等。它们在最好的公路上行驶,速度达到32公里每小时。然而,一切蒸汽驱动的车辆都容易发生事故。它们轰隆隆驶来,使得马匹受惊乱窜。有一辆蒸汽车掉了一个轮子,车身压在了锅炉上,引起一场爆炸,将车上的所有乘客直接送到了他们最终的目的地。

这类事故激起了一轮反对蒸汽的游说。瓦特对蒸汽车十分忌惮,不许它们靠近自己的宅子。还有许多人觉得蒸汽车太吵、太脏、太不安全――而马匹只是太脏和太不安全而已。当时的伦敦街道上挤满了数万辆马车,而马匹在工作的时候自然也有三急。每天,主要的购物街上都会堆积海量马粪,它们必须每晚清除,为第二天的通行腾出地方。

实际上,马车要比机动车危险七倍。著名的植物学家和探险家约瑟夫·班克斯爵士(Joseph Banks)拥有一辆硕大的马车,身为一个谨慎的男人(除了和大溪地的少女们同居的那段时间),他为马车安装了各种新式的安全装置。即使马匹脱缰,“车上也备有一根牵引链……能够消除下坡时可能产生的危险――然而它却在第一次下坡时就断了,车轮压过了一个送信的男孩”。

刹住车子

到1840年,英国已经有了35400公里的收费公路,共有8000座收费站对自动车辆收取惩罚性的通行费,金额至少比马车高10倍。破坏分子还在公路表面铺上厚厚的石子,想阻止蒸汽车通行,但是蒸汽车径直压过石子扬长而去,反而是马拉的车辆举步维艰。

对国会的游说促成了1865年的《公路车辆法案》。它规定自动车辆必须有三名车夫――一名司机,一名锅炉工,还有一名在车辆前方行走,用一面红旗警示车辆的到来。这第三个人实在没有什么必要,因为法案还对蒸汽车的速度做了规定,在乡间不得超过4英里(6.5公里)每小时,在城市不得超过2英里每小时。这条英国独有的法律几乎抹煞了对汽车的一切研究,而交通事故也并没有随之避免。布里奇特·德里斯科尔(Bridget Driscoll)就没有在穿马路的时候看见一辆慢吞吞朝她驶来的汽车,于是成为了全英国第一个被没有马拉的车辆撞死的行人。她的验尸官希望“此类事件永远不再发生”,然而汽车还是继续杀人。到今天,死于车祸的总人数比20世纪的所有战争相加还多。“红旗”法案直到1896年才告废除,那时候,汽车工业已经在欧洲大陆十分壮大了。

“红旗法案”时期上路行驶的汽车

“红旗法案”时期上路行驶的汽车

内燃与外爆

尼古拉斯·奥托(Nikolas Otto)是一个德国人,他制造了第一台煤气推动的四冲程内燃机。那虽然只是一部静态机器,却已经为将来的汽车引擎确立了楷模。奥托在十年时间里向各家工厂售出了三万多部引擎。他的生产经理是一个名叫戈特利布·戴姆勒(Gottlieb Daimler)的年轻人,做过军械工人,人很有抱负,戴姆勒和他的总机械师威廉·迈巴赫(Wilhelm Maybach)自立门户,去设计汽油驱动引擎。他更换掉了奥托的持续火焰点火装置(就是煤气灶上的那种),转而用电火花点燃汽油气。为了这个功能,他还特地发明了一部化油器,它能将汽油打成液滴,并调节空气和汽油的混合比例。为了让公众对这种依靠爆炸驱动的引擎放下戒心,戴姆勒在车门的把手上绕了一段电线,使它看起来就像是由电力驱动的。他是一个快乐的工作狂,把自己锁在房门里彻夜不眠地搞研究。由于行踪太过隐秘,他的园丁向警方报了案,说他可能在里面制造假币。

他的引擎样机比奥托的引擎快得多,也强大得多。他把它安装到了一个两轮的车架子上,于是他十六岁的儿子保罗就拥有了世界上第一辆汽油驱动的摩托车――他倒是不可能变成飙车少年,因为那辆摩托装的是木头车轮,另外还有两个辅助轮。

戴姆勒的目标是发明一台全能引擎,要能够在客户需要的任何一种交通工具上安装。为了演示需要,他购买了一辆轻便四轮马车,敞篷,两座,但是去掉了辕,也没有马。他在这部马车上安装了他的引擎和传动装置,这是第一部没有马拉的马车,它还保留了放马鞭的架子。戴姆勒发明了未来的引擎,但是还没有匹配的车辆――那就要等到另一个德国人,卡尔·本茨(Karl Benz)来发明了。

本茨原来也是奥托工厂里的一名机械师,后来辞职了自立门户。他的“奔驰一号”完全不像马车,但也不像汽车,那是一部轻便的三轮车辆,装着带有辐条的自行车轮。它的外形像是一辆胖男人的手推车,但其实它的造型是为了安装机械。本茨还给他的车子装上了锥齿轮差动装置,用来补足转弯时两侧的车轮驶过的距离差。奔驰一号的广告语是“一部宜人的车辆,一台爬山的利器”。

奔驰一号,1886年问世

奔驰一号,1886年问世

起初,奔驰一号的性能十分可疑。一位驾车者写道:“每次我们遇见有驾车者在路上抛锚……那一定是他的奔驰点不了火了……车主人总是一副不知道把羊排放到了哪里、要过三个礼拜才能找到的样子。”

本茨在整整两年的时间里没有卖出一辆车。后来他终于解决了点火问题,并推出了四轮“维多利亚”。到这时候,他的名字成为了性能可靠的标志。

奔驰的产品普遍动力不足,戴姆勒汽车公司却始终在制造越来越强大的引擎。他们的3.5马力车,速度是奔驰的两倍,而且性能可靠。当时有一百多位车手参加了第一届从巴黎到鲁昂的无马拉车竞赛,最后跑完全程的车子全都安装了戴姆勒引擎。

性能可靠是汽车销售的关键。1908年,一家法国报社举办了一场长途汽车拉力赛,想证明法国汽车的可靠。可惜事与愿违,法国车没有一辆跑到终点,而得到第一的德国队也被取消了资格,因为他们中途搭了一段火车。

1891年,两名法国工具工人勒内·庞阿尔(René Panhard)和埃米尔·莱瓦索尔(Émile Lavassor)制作了一辆机器驱动的狗拉车,结果彻底失败(或许是它会在每根灯柱下停车),但是他们接下来的作品就像是一辆真正的汽车了,它的引擎位于车子前部,安装在一个盒子般的引擎盖下方。他们还将当时大多数机动车所使用的手柄换成了方向盘。

晚到的奢侈

1901年,英国有超过300万匹马,却只有304人拥有轿车。这种情况不久就会改变。然而哪一种能源将会驱动未来的汽车,却仍旧是一个未知数。这是一场三种引擎之间的竞争,一方是蒸汽机,一方是内燃机,还有一方――信不信由你,是电机。电力轿车在19世纪90年代就已经由勒努瓦研发了出来。当时有人评论说,那使你“再也不用操心动力的问题”。它们易于驾驶,而且“零件不多,不会使人慌乱,即使有慌乱,也会在学习了一点电路连接的知识以后马上平息”。它们最大的缺点是电池沉重,电量却不够多,不足以应付长途旅行,而且外面也没有多少可以充电的地方。尽管如此,电力驱动的轻便汽车和出租车还是很受欢迎。一本1901年的汽车书籍专门用一百页介绍了电力驱动车,还列出了四十种型号的插图,其中甚至有一章题为“如何制造一辆电力车”。

1902年,纽约州只登记了900辆出头的汽车,其中超过半数都是蒸汽车。1906年,一辆斯坦利公司生产的蒸汽车将蒸汽车车速的纪录提高到了204公里每小时。随着蒸汽车数量的增多,行人和司机都被包裹在了烟雾之中。蒸汽车的排气口都设在前面,因此司机首当其冲。

20世纪初,纽约马路上的蒸汽车还占据半壁江山

20世纪初,纽约马路上的蒸汽车还占据半壁江山

相比之下,内燃机汽车显然更加优越,在试验中也向来表现最佳。不过它也不乏反对之声:“如果将内燃机视作机动车能量的理想来源,那就大错特错了。”的确,内燃机有时会“无缘无故地拒绝启动”,它们依赖换挡,还会发出“气味邪恶的有毒蒸汽”。不过,汽油驱动的汽车还是胜出了。

虽然驾照考试还要许久才会问世,但那时的司机也是需要谨慎驾驶的,直到“马匹认清新的形势”。当时的一本手册上给出了种种驾驶建议,包括如何恰当地“撩拨”化油器,使汽油和空气的调配达到最佳比例,它这样写道:“将起动手柄迅速向上拉起,如果引擎没有启动,就再拨弄一下。”还有整整十二页写的是如何换挡,因为那时候同步齿轮尚未问世,换挡要比今天麻烦得多。如果有一匹马从你面前驰过,而你又恰好正在高速行驶,那么书中建议,你最好“找一个空挡穿过去”。

一本驾驶手册信誓旦旦地告诉驾车者,“驾驶中最大的危险是着凉”,因为大风和雨水会灌进车里。最好的防护就是妥善着装:“大衣要长而饱满”,但也要“防止像气球一样膨胀”;皮革衣物“既无必要,也不健康,因为它们会阻碍身体透气”;同样,“穿防水斗篷是极不卫生的”。作者建议司机在腿上盖一条围裙隔绝雨水,它还有一个神秘的用途,能“防止湿气从下面泛上来”。

有司机戴上防尘面具,变成了神秘博士遭遇的邪恶外星人。女士最好戴上一个防尘面罩,款式如同银行劫匪套在脸上的丝袜。悲哀的是,她要是经常开车,就“不能再奢求一副柔软粉嫩的容貌了”,若想补救,就要备“一条粗糙的冷毛巾……用起来不要手软”。

一辆年里程4000英里(6440公里)的大型四座汽车,每年的维护费用仅11英镑,汽油费则只要3便士,最大的开支是司机的工钱,一年要52英镑――不过这还是比从前的马车夫便宜13英镑。显然,汽车仍然是有钱人的消遣。加长豪华车往往是为车主人定制的。有一位绅士指定在车子里装上银质脸盆,并接上冷热自来水,车里要有酒柜,再放一张豪华手扶椅,它要能够拉开变成一张床铺,以便在女秘书同行的时候使用。第一辆四轮驱动汽车可以驶过普通人家的门廊并开上楼梯,因此可以在你楼上的公寓里停泊。

今天的世界由这些伟大的发明组成,明日的世界也将如此,发明者理应得到书写。

关于

本书精选于《九十九种垃圾加一记妙想》

封面1

作者:特雷弗•诺顿(Trevor Norton),英国人,退休前为利物浦大学海洋生物学教授,并掌管那里的海洋学实验室。退休以后,他和妻子居住在马恩岛,专事写作,多数作品与海洋有关。讲述自体实验史的《冒烟的耳朵和尖叫的牙齿》2011年由科学出版社引进出版。

译者:红猪(高天羽),译作包括《鱼为什么放屁》、《遥远地球之歌》、《意外的时间机器》等,《环球科学》杂志译者。

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[小红猪]发明家产生之前的发明 http://songshuhui.net/archives/95731 http://songshuhui.net/archives/95731#comments Mon, 27 Jun 2016 11:00:42 +0000 http://songshuhui.net/?p=95731

“人类在早年获得的无数物品……忽然出现在了日光之下”――尼采

发明新东西当然需要聪明的人,比如像我们这样的人。“智人”在拉丁文里叫做“Homo sapiens”,不过有的时候,我倒觉得这个词语来源于“sap”――美国俗语,意思是一个容易上当的傻瓜。宇宙的历史有137亿年,现代人类只存在了20万年左右,然而在如此短暂的时间里,他却已经取得了如此成就。

即使是简单的技术,也需要很长时间才能发明,而最早的那些突破,并不完全是我们这个物种取得的。很久以前,当人类还只是演化史上的一抹微光,就已经有类人生物在地球上游荡了,它们已经不再是猿,但也不算是人。非洲孕育了好几种猿人,它们当中当然有男有女。实际上,全人类的共同祖先就是一位名叫“线粒体夏娃”的女性。我在使用“人类”(man)一词时,指的是这个物种中的所有性别,而不仅仅是发明了酒精和死机的那一个。

这些猿人许多都生活在数百万年之前,早期出土的样本都有亲切的名字,比如“霍比特人”、“艾达”(取自发现者时年五岁的女儿),或者“露西”(取自披头士的歌曲《露西在缀满钻石的天空》)。还有一种听起来不同凡响的“原康修尔猿”,那是根据巴黎女神游乐厅里一只表演节目的猴子命名的。

我们对那些最早的先辈的认识仅限于它们的骨骼。可是到了大约260万年前,它们开始留下其他名片――石器出现了。猿人学东西很慢,它们一直摸索了1100万年才制作出了第一件工具。研究者在非洲发现了一具300万年前的骸骨,它的周围有几件形状粗糙的工具,还有制造过程中凿下的一堆碎石。这些制作工具的物种叫做“匠人”(Homo ergaster)和“能人”(Homo habilis)。如许多妇女所知,事到如今,男匠人和男能人都已经灭绝。


第1章插图1需要向来是发明之母,而最大的需要就是生存。工具是猿人觅食和战斗的强大帮手。某些岩石经过敲打,上面就会掉下尖锐的碎片。有些动物的骨骼化石上留有划痕,那正是猿人用石质工具切肉时留下的。猿人还用木材或者兽骨做成简单的鱼钩,这保证了它们的菜单中时常有鱼。有两种在陆地动物中稀少、在海洋动物中富足的脂肪酸能够促进脑部发育,而脑的发育正是那些猿人所亟需的。

猿人发明的第一件工具是手斧。所谓“手斧”其实不是斧子,而是一件多功能用具,它能杀、能割、能剥皮、能刮肉。它的原料是一块岩石,一头磨成粗糙的圆形,能握进手里,另一头磨出了尖角,用来切割。

接着上场的就是直立人(Homo erectus)了――这个名称描述的是它们身体的直立,而不是别的地方。它们的脑子比我们小三成,但是它们却用燧石做出了边缘锋利的工具。它们带着刀子,成群狩猎,和今天的匪帮没有多少两样。

许多考古学家认为,直立人驯服火焰的历史远远超过100万年。现在已经发现了那个时代的烧焦兽骨和木炭,说明它们当时可能已经懂得用火,不过,它们也知道怎么生火吗?将燧石与黄铁矿(俗称“愚人金”)摩擦,就能产生火星、点燃火堆,这样取火的证据最早产生于79万年前。当时的森林大火是恐怖的,敢将火焰带回家的一定是一位勇者。点火的技术或许是在无意中发现的。可能是某个工具制作者在开凿一块燧石的时候产生了一点火星,点燃了岩洞地表的干燥杂物。如果接着燃起的火焰没有把它的家当烧得精光、它的家人也没有吓得四散逃命,那么它或许就会认识到自己发明了一样了不得的东西;只要那东西能够受它的控制。

火对于我们的演化相当重要。生一堆火,就能在严寒中获得温暖、在黑夜里见到光明,还能使夜行的捕食动物不敢靠近。最重要的是,它能把食物烧熟。生的食物难以咀嚼消化,烧熟之后就能轻易下咽了。人类能够吃到熟食,或许是因为有人不慎把一块生肉掉进了火堆里,又或许是有人在森林大火之后找到了动物烤熟的尸体。用不了多久,烤和煮的手法就将问世。

这不仅仅是烹饪上的一个进步。肉类富含热量,烹饪中释放的营养物质哺育了人脑,也促进我们的智力发育。在接下来的200万年里,猿人的头颅扩大了三倍。烹饪也使猿人节省了大量咀嚼的时间。类人猿在醒着时有一半时间是用来咀嚼食物的,这些时间和精力完全可以用在狩猎、制作工具和社交上。

智人最先在非洲和亚洲演化,然后向外迁徙,在大约45000年前到达了欧洲。当时的欧洲是尼安德特人的天下,它们在猿人中的主导地位已经持续了20万年(它们的名字源于德国的尼安德特河谷,那里出土了第一个尼安德特人标本)。尼安德特人向来名声不佳。是的,它们的长相如同绿巨人,它们眉骨高得就连攀岩好手也望而生畏。谁也不希望在暗夜里和它们遭遇,甚至白天也最好别碰见。但实际上,它们并不是一群浑身长毛、口齿不清的蠢货,它们调情的手段也不是一棒子把姑娘打昏。

尼安德特人和人类十分相像,1994年有人在西班牙发现它们的骸骨时还惊动了警察。它们的头盖骨比我们稍大,发声器官和我们相同,因此它们虽然并不健谈,但是很可能已经在使用一种原始的语言了。它们很聪明,懂得制作趁手的工具,它们的长矛有淬火的矛尖。尼安德特人还是第一种埋葬同类、留下贡品、并懂得照顾病人和伤员的猿人,而它们中的病人和伤员又格外的多。

尼安德特人的骨架上常有断裂或者破碎的骨骼,这都是由于它们的狩猎技巧不足所致。虽然它们发明了坚固的长矛和砍刀,但那都是些近距离的刺戳武器。猎人需要运用蛮力将猎物刺倒,而最终倒下的可能是猎物,也可能是猎人自己。

相比之下,新来的智人一看就是一个弱小的物种。在一片鬣狗、披毛犀和大型猫科动物时时出没的土地上,他们显得体格瘦弱,幸存的几率同样渺茫。乍一看,他们显然不是野兽或尼安德特人的对手,但最终胜出的却恰恰是他们。这些现代人类拥有修长轻便的长矛,矛的顶端嵌着锋利的燧石,可用来投掷杀敌。他们还发明了投矛器,能以更大的力量和速度将长矛射出。研究者曾经在一头巨型乳齿象的骨骼上发现了这样一支长矛。有了它们,智人就能从远处击伤或杀死大型动物,自己的风险则大大降低。智人拥有的技术包括形形色色的专门工具,都是用燧石、兽骨和鹿角打磨而成的。弹弓和弓箭的出现,标志着人类开始凌驾于一切动物之上。

那是一个在冰冷和湿热之间波动的年代。尼安德特人的体格不利于在这样的气候下生存:它们每天需要的热量几乎是智人的两倍,在食物匮乏的时候,这是一个巨大的负担。和它们不同,我们的祖先发明了针线,因此能将兽皮缝在一起,制作出保暖、防风的衣服。

到了3万年前,智人开始制作首饰,他们还雕刻出丰满夸张的女性雕像,并在岩洞上绘出了栩栩如生的野兽形象和狩猎场景。他们发明了艺术和装饰,那将在日后转变为文化的符号。令人感慨的是,当尼安德特人在生存战斗中败北后不久,智人就将时间投入到了生存必须的事务之外了。其他种类的猿人都灭绝了,只有我们的祖先还生存着。

不过尼安德特人还是在我们的DNA中留下了轻微的回响。当这两个物种发生交流的时候,其中的一些成员也名副其实地“交流”了一回。因此,如果你出身欧洲、祖先又不是黑人,那么你的遗传构成之中就有1%到4%是尼安德特人。连一些考古学家都感到疑惑:我们的祖先到底是看中了尼安德特人的哪一点――那是惊吓中产生的情愫吗?也许是尼安德特人比较洋气吧――早期的智人皮肤黝黑,而至少有一部分尼安德特人是白皮红发。它们中的少数用羽毛装饰身体,至少有一个还会吹笛。

智人是狩猎采集的动物,但他们的饮食只有大约一成是来自猎物。猎人们不是在交流猛犸象逃走的故事,就是在花大量时间追杀猎物、把箭射飞,就像现在的高尔夫球员把球打飞一样。悬带的发明使得女性能够背着孩子采集坚果、幼虫、草根和浆果,保证了智人能够摄入各种矿物质和维生素。由于采集并不留下独特的器械,有的学者就此低估了女性的作用。除此之外,考古学家也喜欢精彩的故事,而扎死一头猛犸象肯定要比摘下几个蓝莓精彩。智人的寿命不断延长,于是外婆开始看孩子做饭,母亲则一心出门采摘,这又大大增加了一家人的食物供应。

虽然那些猎人的短跑不如猎物,但是他们体格轻巧,肌腱富有弹性,还有汗腺能够及时排汗,是天生的长跑运动员。他们可以轻松地在受伤的动物身后慢跑,直到猎物不支倒地,他们还有充足的力气带着猎物的肉和夸张的故事回家。智人过着游牧生活,一个个家庭跟着兽群按季节迁徙。后来套索问世,使他们得以活捉动物而不对它们造成伤害。他们将山羊、绵羊和牛捆绑或关进兽栏,在自己的住处附近豢养。而一旦定居,他们就需要建造比较持久的房屋了。

人类最伟大的发明不是出现在大自然时常忘关冰箱门的寒冷北方,而是出现在近东。那里的人们采集豌豆、扁豆和草籽,却不知该如何栽种。他们用带有锯齿的镰刀砍断草茎,这种工具在爱德华时代[译者注:爱德华时代指1901年至1910年英王爱德华七世在位时期。]的农民看来也不会陌生。实验证明,使用这种古代镰刀,一家人在三周的时间里就能收割一年所需的种子。如果能在封闭的罐子里保持干燥,这些粮食就能在冬季为人类和家畜提供食物了。为了从草籽中压出可以食用的面粉,智人发明了手推石磨。他们将穗子铺在一块碟形石板上,并拿起另一块石头来回研磨。他们肯定注意到了有些种子掉在石磨周围、萌发了新的植株,但是要再过一段时间,他们才会想到在翻松的土壤中播下种子,以保证粮食供应。渐渐地,智人变成了定居的农民,他们发明的农业使人类的历史就此转向。

关于

本文选自果壳阅读出品的7月新书《九十九种垃圾加一记妙想》

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作者:特雷弗•诺顿(Trevor Norton),英国人,退休前为利物浦大学海洋生物学教授,并掌管那里的海洋学实验室。退休以后,他和妻子居住在马恩岛,专事写作,多数作品与海洋有关。讲述自体实验史的《冒烟的耳朵和尖叫的牙齿》2011年由科学出版社引进出版。

译者:红猪(高天羽),译作包括《鱼为什么放屁》、《遥远地球之歌》、《意外的时间机器》等,《环球科学》杂志译者。

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小红猪抢稿第113期:Smartphones won’t make your kids dumb. We think. http://songshuhui.net/archives/95515 http://songshuhui.net/archives/95515#comments Fri, 10 Jun 2016 13:42:56 +0000 http://songshuhui.net/?p=95515 “别看电视了!到外面玩去!”小时候爸妈的怒吼仿佛还在耳边回响。而随着移动电子设备的发展,年轻一代的爹妈们又有了新的烦恼:自家宝贝总捧着手机或平板电脑不肯撒手,这真的没有问题吗?

不过,也不必太过担心,新科技给孩子们带来的并非全是坏影响。近期一些研究表明,只要掌握合适的方法,智能手机和平板电脑也能化身育儿利器。

重要说明:为了更好地衡量译者投稿质量,请对文中用分割线划出的段落进行翻译。有余力的译者可对其余段落,甚至是全文翻译,但请将规定要翻译的部分复制一份,放在稿件开头。

本期抢稿:Smartphones won’t make your kids dumb. We think.

什么是小红猪抢稿?看这里:小红猪抢稿规则

本期抢稿的截止日期为北京时间2016年6月12日22点整

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Smartphones won’t make your kids dumb. We think.

Like many parents, Sandy is concerned about how much time her 18-month-old spends in front of screens. Weighing up the available evidence, Olivia Solon explains that she might be worrying too much.

07 June 2016

Jessica’s tiny fingers dart around the iPad, swiping through photos to get to a particularly entertaining video: a 12-second clip of her dancing clumsily to Beyoncé’s Single Ladies. The 18-month-old taps “play” and emits a squeal of delight.

After watching the video twice, she navigates back to the home screen and opens up the YouTube app to watch an episode of the colourful animation Billy Bam Bam. Halfway through, she moves onto a Yo Gabba Gabba! game, which involves anthropomorphised fruits making their way into a character’s belly.

When Jessica’s mum, Sandy, tries to take away the iPad, there’s a tantrum that threatens to go nuclear: wobbly lip, tears, hands balled into fists and a high-pitched wail. “She does this a lot,” says Sandy. “She seems to prefer the iPad to everything else. Sometimes it’s the only thing that will keep her quiet,” she adds, frantically waving a pink fluffy unicorn in an attempt to appease her daughter.

Like many parents, she’s worried about her child’s obsession with screens. She wants to know which activities are best, and how much time spent on screens is too much.

It’s six years since the launch of the iPad and, with it, the rebirth of tablet computers. The academic research simply hasn’t been able to catch up, which means it’s hard to know the long-term impact on young brains of being exposed to tablets and smartphones.

The concern among some experts is that these devices, if used in particular ways, could be changing children’s brains for the worse – potentially affecting their attention, motor control, language skills and eyesight, especially in under-fives, for whom so much brain development is taking place.

Technology companies and app developers are throwing their marketing prowess at the problem, slapping words like “educational” and “e-learning” on their products, often without any scientific basis. So what are parents to do?

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People have always feared new media. Almost 2,500 years ago Socrates was decrying the spread of written language, arguing that it would erode memory and knowledge. In the 15th century it was the printing press that brought about moral panic. Benedictine monks, who profited from hand-copying reading materials, petitioned against the mechanised printers, saying: “They shamelessly print, at negligible cost, material which may, alas, inflame impressionable youths.”

When radio arrived, it too was deemed a menace, blamed for distracting children from their homework. A 1936 article in Gramophone magazine reported that youngsters had “developed the habit of dividing attention between the humdrum preparation of their school assignments and the compelling excitement of the loudspeaker”.

Few technologies, however, have invaded our lives – and those of our children – as stealthily as the mobile computer, most commonly the smartphone or tablet. These devices are the right size for little hands to handle them, and the touchscreens easy for tiny fingers to manipulate. Plus there’s so much you can do on these devices: watch videos, play games, draw pictures and talk to relatives thousands of miles away.

“Sometimes the iPad is the only thing that will keep her quiet”

 

In 2011, a year after the iPad launched, just 10 per cent of US children under the age of two were found to have used tablets or smartphones, but by 2013 that figure had nearly quadrupled. A 2015 study in France found that 58 per cent of under-twos had used a tablet or mobile phone.

There’s little clarity around the consequences of long-term use of such devices. The American Academy of Pediatrics (AAP) has erred on the side of caution, recommending absolutely no screen time for children under the age of two, and a two-hour daily limit for those older. These restrictions simply don’t tally with how many people are integrating these devices into their children’s lives, nor do they reflect the fact that some interactions with screens might actually be beneficial.

“If your child is under two and is exposed to a screen it’s not going to be toxic to their brain: they won’t be turned into idiots,” says Michael Rich, Associate Professor of Pediatrics at Harvard Medical School and an AAP member. “But there are potential downsides… and parents need to make a series of risk–benefit analyses.” The AAP is now in the process of revising its guidelines, and they are due to be published in late 2016.

© Leon Edler

So why don’t we know more about the risks of children using screens? There’s a fundamental problem at the basis of all the research in this area – what do we even mean by “screen time”?

Firstly, it’s important to distinguish between types of screen: do we mean a television screen, a tablet, a smartphone or an e-reader? Secondly, the nature of the content matters: is it an interactive drawing game, an e-book, a Skype call with Grandma or a stream of Netflix Kids videos? Thirdly, there’s the context: is there a caregiver in the room talking to the child as they interact with the screen or are they left on their own?

To date, we have comprehensive research about children and television exposure, but we don’t yet know how much of it applies to interactive screens like tablets and smartphones.

There are a few things we do know. Most child development experts agree that while passive screen time – such as putting your child in front of a device for aPeppa Pig marathon – might be entertaining, it isn’t going to provide a rich learning experience. In this case, it doesn’t make a difference whether they’re watching on TV or a tablet: the experience is broadly the same.

“The time spent with screens comes at the expense of other, potentially better, activities”

Having a video or TV on when a child is doing something else can distract them from play and learning, negatively affecting their development. Hours of background TV has also been found to reduce child–parent interaction, which has an adverse impact on language development. This displacement is a big concern: if kids are left with screen-based babysitters then they are not interacting with caregivers and the physical world. There are only so many hours in a day, and the time spent with screens comes at the expense of other, potentially better, activities.

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Under-threes, in particular, need a balance of activities, including instructed play, exploring the natural environment, manipulating physical toys and socialising with other children and grown-ups. The rise in screen use means less of all of these things. “Parents need to think strategically,” says paediatrician Dimitri Christakis, Director of the Center for Child Health, Behavior and Development at the Seattle Children’s Research Institute. “If your child has 12 hours awake and two of those are spent eating, how will you allocate the rest of the time?”

The problem is that tablets are extremely appealing to children and adults alike. Thanks to their design, versatility and intuitive interfaces, tablets are a perfect way for children to draw, solve puzzles and be entertained on the move. Combine that with marketing efforts of digital media companies and app developers – whose measure of success tends to be the amount of time people are glued to their creation – and you have a toy that’s difficult to prise out of tiny hands.

Many apps are designed to be stimulus-driven, with exciting audiovisual rewards for completing tasks. Christakis refers to this as the “I did it!” response, which triggers the reward pathway in the brain. “The delight a child gets from touching a screen and making something happen is both edifying and potentially addictive,” he says.

© Leon Edler

Because of this, tablets and smartphones make for excellent pacifiers, particularly on long plane journeys and in restaurants. “The device itself is seen as a pleasurable source of comfort and parents play into that,” says Christakis.

“It’s pretty common,” says Jenny Radesky, Assistant Professor of Pediatrics at the University of Michigan. “It becomes the go-to, easiest tool the parent is using.” Although helpful in the short term, it’s important for young children to be able to develop internal mechanisms of self-regulation, whether that’s learning without constant rewards or being able to sit patiently without constant digital stimulation.

Christakis says that, anecdotally, he and others are starting to see younger and younger patients using these devices compulsively. “We know there’s such a thing as problematic internet use in older children and adolescents, and it stands to reason that the same would happen with infants,” he says. And he’s doing research to find out more about this.

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In Seattle’s Center for Integrative Brain Research, a cluster of tiny pink mouse pups wriggle in a mass behind their mother. The rodent family home is a sawdust-filled clear plastic container, one of hundreds stacked up in a rotating system of shelves. These are the “control” mice used by Christakis and neuroscientist Nino Ramirez, and their team, trying to understand the impact on young brains of being exposed to fast-paced media.

Across the corridor an experiment is underway. One of the mouse containers is surrounded by bright lights and speakers. For 42 days, six hours every day, baby mice are exposed to the high-octane soundtrack of Cartoon Network shows accompanied by synchronised flashing lights in red, blue and green. The apparatus has been designed to find out what happens to the rodents’ brains when they are overstimulated by media during a critical window for their development.

The results are startling. “Overstimulating them as babies primes [them] to become hyperactive for the rest of their life,” says Ramirez. The overstimulated mice take more risks and find it harder to learn and stay attentive. They get confused by objects they’ve seen before, for example, and find it more difficult to navigate through a maze. When given the option to dose themselves with cocaine, the overstimulated mice were much more prone to addiction than the control group. These behavioural changes are matched by changes in the mice’s brains.

The theory is that the same applies to children: overstimulating them with media – particularly in an age of tablets with endlessly streaming, hard-to-ration videos and flashy interactive games – may cause an imbalance in part of the cerebral cortex called the basal ganglia. It’s this part of the brain that allows us to pay attention to critical tasks and ignore distractions. Such overstimulation could lead to problems in later life, particularly with focus, memory and impulsivity.

“It seems that you can overstimulate young brains to the point that day-to-day life won’t excite to the same extent,” says Ramirez.

“If I’m with a child but checking my phone every five minutes, what mesage does that send?”

Before we trigger mass panic about a generation of hyperactive, inattentive, cocaine-using post-millennials, it’s important to note that these experiments have attracted criticism for a number of reasons. Six hours of any activity per day is a huge amount of time, particularly when it involves nocturnal mammals like mice (although the researchers say the mice show no signs of stress). Furthermore, Christakis, Ramirez and colleagues don’t actually show the mice a real screen with any meaningful content – it is just a flashing proxy for a screen.

The rodent research being carried out in Seattle is unique in its scope and approach, which explains why it’s frequently used as evidence of the evils of screen time. While mouse models are by no means perfect, they are useful for studying the underlying mechanisms relating to basic cognitive processes, which are fairly constant throughout mammals.

As mice have relatively short lifespans, it’s possible to examine developmental trajectories over much shorter timeframes and get real insight into what’s going on inside their brains. All of this can be done in a controlled environment that simply would not be possible with human subjects.

If, as suggested, cognitive development is affected by exposure to media, then this kind of research could inform the types of screen-based interactions we allow young children to have. Should parents be concerned? “They should be vigilant and careful about the amount of time and the content their children have access to,” says Christakis.

Although it’s a challenge to conduct controlled experiments with babies, it is possible to observe what happens with children ‘in the wild’. From this, we can draw possible links to their habits with mobile devices.

In California, Maria Liu heads up the Myopia Control Clinic at UC Berkeley’s School of Optometry. She’s seen a sharp increase in young children with myopia (shortsightedness). “It’s increasing at an alarming rate worldwide and a well-accepted contributing factor is the early introduction of handheld devices to kids.”

In our early years, our eyeballs are very adaptive and plastic, so spending lots of time focusing on objects close-up will make the eyes more likely to be near-sighted. “The eyeball will grow longer to compensate for the prolonged near stress,” Liu says. She doesn’t have any evidence-based recommendations for a time limit on use of devices, but says “frequent breaks from near work” are very important.

Tablets and smartphones are typically viewed much closer to the face than things like televisions or desktop computers. Although books are also read up close, studies have shown that children tend to hold them further away than they do screens.

The other problematic aspect of screens is that they have been shown to disrupt sleep. The blue light emitted by the super-sharp displays can interfere with our natural bodily rhythms, preventing melatonin, an important sleep hormone, from being released. This in turn can lead to sleep impairments in adults and children alike. Sandy says that if Jessica uses the tablet before bed she gets “noticeably riled up”. So, she says, they try to use books instead. This issue is why the latest version of Apple’s software for iPads and iPhones comes with “Night Shift”, which automatically swaps the blueish light for a warmer hue before bedtime.

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In London, Max, who is 12 months old, is sitting on his mother Helen’s lap in a small, darkened room. On his head is a rubbery cap covered in electrodes. They are measuring the electrical activity in his brain as he looks at physical objects and at digital representations of those objects on an iPad screen. On each of Max’s ankles is a smartwatch of sorts, one measuring his movements and the other his heart rate. The cap uses electroencephalography (EEG) to record his brain’s electrical activity, to understand whether real and virtual objects trigger different brain responses and how that relates to subsequent learning.

The experiment is part of the TABLET project in the Babylab at Birkbeck, University of London. It’s the first ever scientific study investigating how children aged six months to three years are using touchscreen devices and how this influences their cognitive, brain and social development.

In a second experiment, Max sits in a curtained-off booth facing a screen that displays a 15-minute loop of video that includes trippy abstract animations and sounds, as well as still pictures and videos starring PhD students as stand-in children’s TV presenters. He’s completely mesmerised, and his eyes dart from object to object on the screen. Eye-tracking cameras capture the dance of his gaze, and outside the booth research fellow Celeste Chung keeps track of how his eye movements match up with the items on screen.

“All the child is doing is looking at the screen, but their gaze behaviour tells us about their learning and anticipations,” says Tim Smith, a cognitive scientist who heads up the Babylab.

The team is trying to understand how easily Max, and dozens of other babies like him, can focus attention and block out distractions when working on a particular task. In one of the tests, an object appears at the centre of the screen and then a second object appears, near the edge of the screen, shortly after. In order to look at the second object, the child needs to disengage from the central one, which requires self-control. This is a very important measure of executive function, the brain’s ‘air traffic control system’, which helps a child analyse tasks, break them into steps and focus on them until they are done – a key predictor of success in later life.

“He starts to grizzle and wriggle and claw at the EEG cap”

Like Christakis, Smith is interested in finding out whether there really is a link between the reward learning found in many apps and a child’s ability to focus. “We might find that if tablets are being used for a lot of reward learning and the child becomes driven by an external stimulus then they might develop an impairment in executive function because they aren’t used to controlling their own attention,” he says.

Smith isn’t entirely convinced by the mouse model used by Christakis and Ramirez in Seattle, although he agrees that their six hours of media stimulation a day could be reflective of a small number of children’s home environments where there are multiple devices and televisions that can contribute to sensory overload. “Some of the parents in our study are reporting three hours of tablet use a day [for their children],” says Smith. “That is a large proportion of their waking hours using a screen that doesn’t conform to the laws of physical reality.”

As for the effects on language and motor development, he hypothesises that there could be displacement going on. “The technology may be used as a nanny in place of face-to-face learning. Babies always learn better from people, but we don’t always have time.” Devices like iPads may give lots of stimulation but lack the nuanced real-time social feedback that helps develop language, says Smith. Similarly, tablets and phones may make children dexterous at fine motor control with all the tapping and swiping, but they may have less motivation to get up and explore the world around them.

After around an hour of assessment, Max’s patience for screen-touching, eye-tracking, brain-monitoring and other distractions from his busy schedule of rampaging around and eating bread sticks wanes. He starts to grizzle and wriggle and claw at the EEG cap. These movements corrupt the brain activity data. “That’s the interesting challenge with infants,” says Smith. “They’re completely non-compliant to instructions.”

© Leon Edler

What about the educational potential of devices? There are thousands of apps, e-books and videos purporting to have educational value for children, yet very few have been able to support this claim with solid research.

“The app marketplace is a digital Wild West,” says Mike Levine, Chief Executive of the Joan Ganz Cooney Center in New York, which has analysed hundreds of children’s literacy apps in a series of reports. “Most of the apps labelled as educational provide no research-based advice or guidance… Less than 10 per cent of the apps we looked at had any stated evidence of efficacy [in the descriptions in the app store].”

Unintentionally, some interactive “enhancements” to stories (such as animations, sounds and features that let kids tap and swipe) might actually be decreasing the overall educational value. While enhancements might appear to be engaging children, they could, in fact, be distracting them from the educational content.

This idea was put to the test by Adriana Bus and colleagues, at Leiden University in the Netherlands, who tracked children’s eyes while they read interactive e-books. They found that when there were animated parts of the picture not directly relevant to the narrative – for example, trees moving in the wind in the background – the children’s eyes were diverted to those points of motion rather than taking in the story. Relevant animations, on the other hand, can be beneficial, particularly for children who struggle with language and reading comprehension.

Even if apps are found to have educational value, toddlers still learn better from experiences in the real world than they do from equivalent two-dimensional representations on screen. Studies in the US have shown that when dealing with visual–spatial problems, such as finding hidden objects or solving puzzles, toddlers (under around 30 months) perform much better when the problem is presented in real life rather than on screen.

“It is thought that the cognitive load of transferring information from two dimensions… to three dimensions… is too great for children prior to age 30 months,” write Jenny Radesky and her colleague Barry Zuckerman in their study of digital play. Children this young are still developing the ability to choose what to pay attention to and what to ignore, and they have trouble generalising from symbolic representations to the real world.

Preschool-aged children need to interact with actual physical objects in order to develop their parietal cortex, which controls visual–spatial processing and helps develop maths and science skills in later life. To address this, some app developers are introducing companion toys that can be manipulated by little hands alongside the apps.

“We should be demanding better apps built on solid research”

What we don’t yet fully understand is how much value there is to the tactile element of touching interactive screens, something that requires a connection between the eyes, fingers and brain, and that passive viewing lacks. Does manipulating a digital object on screen enhance the learning process and make it easier to transfer knowledge into the physical world? And can understanding this mechanism help us develop better digital learning tools?

Regardless of our feelings towards tablets and smartphones, these devices are here to stay. So how do we get the most out of them? Thanks to some 100 years of research into how children learn, we can make educated guesses about what sort of interactions, in what sort of circumstances, are best.

Devices such as tablets and smartphones can make the most impact in lower-income households. In these households, people tend to have less access to developmental resources – such as music lessons, extra tuition or just extra hours of social interaction – and so spend more time with digital media. Provided the content is high-quality, tablets and smartphones can have a big impact.

For example, a study from Stanford University in the US found that, by 18 months, toddlers from disadvantaged families are already several months behind their more advantaged peers on language proficiency. With the right content and context, digital devices can help bridge the divide.

“It’s a bit privileged and unrealistic to say no to technology,” says Levine. “I worry that we are seeing people wagging their fingers at others because they do not have the privileges of time and resources that other families might have.

“There’s no way we’re going to improve the educational performance of young children without using technologies.”

Instead of banning devices, we should be demanding better apps built on solid research. For children aged between three and five, it’s entirely possible that a well-designed app can help improve vocabulary and basic maths skills. “My youngest is speech-delayed, and the videos he watches have definitely helped him learn new words,” says Lisa, a mother of four- and six-year-old sons who have been using mobile technology since they were 18 months old.

All of the paediatricians, child development and education specialists I spoke to agreed that, for children under 30 months, there is no substitute for human interaction. So why not develop apps that act as mediators between infant and caregiver? BedTime Math is one example. The app delivers engaging maths story problems for parents and their children. It is one of the few tools that have been shown to make kids smarter; children who used the app even just once a week for a year improved their maths by more than a control group did. The impact was particularly strong for children whose parents were anxious about maths.

© Leon Edler

With so much focus on what children are doing, it’s easy for parents to forget about their own screen use. “Tech is designed to really suck you in,” says Radesky, “and digital products are there to promote maximal engagement. It makes it hard to disengage, and leads to a lot of bleed-over into the family routine.”

One approach that has been shown to help under-threes learn better is to build tools that use “nudge technologies” geared at the parents. This could be text messages or emails that remind parents to sing or talk with their baby, to help both parents and child disengage from technology and apply learnings to the real world. Children’s tablet maker LeapFrog does something similar with its LeapPad devices. Parents receive emails about what their child has learned from the touchscreen, along with ideas of how they could apply this new knowledge away from the screen.

“The extent to which parents are tied up with these devices in ways that disrupt the interactions with the child has potential for a far bigger impact,” says Heather Kirkorian, who heads up the Cognitive Development & Media Lab at the University of Wisconsin-Madison. “If I’m on the floor with a child but checking my phone every five minutes, what message does that send?” How much parents play with and talk to their kids is a very powerful predictor of how the kids will develop, she adds.

“Tech is designed to really suck you in”

Radesky has studied the use of mobile phones and tablets at mealtimes by giving mother–child pairs a food-testing exercise. She found that mothers who used devices during the exercise started 20 per cent fewer verbal and 39 per cent fewer nonverbal interactions with their children. During a separate observation of 55 caregivers eating with one child or more, she saw that phones became a source of tension in the family. Parents would be looking at their emails while the children would be making excited bids for their attention.

© Leon Edler

“You would see parents losing it and raising their voices because it’s extremely irritating to be focusing on something and have a child escalate their requests for attention,” she explains, adding that some parents would do things like shove their child’s hand away. Restricting the use of devices at critical family moments such as mealtimes and before bed can help reduce these frictions and encourage more face-to-face conversations.

Infants are wired to look at parents’ faces to try to understand their world, and if those faces are blank and unresponsive – as they often are when absorbed in a device – it can be extremely disconcerting for the children. Radesky cites the “still face experiment”, which was devised by developmental psychologist Ed Tronick in the 1970s. In it, a mother is asked to interact with her child in a normal way before putting on a blank expression and not giving them any visual social feedback. As the video shows, the child becomes increasingly distressed as she tries to capture her mother’s attention.

“Parents don’t have to be exquisitely present at all times, but there needs to be a balance and parents need to be responsive and sensitive to a child’s verbal or nonverbal expressions of an emotional need,” says Radesky.

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Although we are still in the early days of understanding the impact that mobile computers are having on young children, the key piece of advice from the child experts I spoke to was to make sure that device use is just one part of a rich diet of activities, particularly for under-threes, who seem to struggle to learn from screens.

Interactive, creative touchscreen experiences should be preferred over passive TV-like viewing. Parents should take educational claims from app developers with a hefty pinch of salt.

Where possible, a device should be used as a tool to enhance interactions with the child, whether that’s as a launchpad for discussion (“What’s the cow doing over there?” “What sound does the duck make?”) or as a way to inspire educational conversations that spill into the rest of the day, as appears to happen with BedTime Math.

Tronick’s still face experiment did not involve screens, but a number of researchers have cited it as evidence that parents shouldn’t be distracted by their smartphones when they are around their babies. This is true to an extent, but Tronick himself underplays its significance. “It’s all a bit exaggerated,” he says, adding that most children do plenty of activities every day that don’t involve screens.

He is concerned that the worries about kids’ use of screens is born out of an “oppressive ideology that demands that parents should always be interacting with their child”.

“It’s based on a somewhat fantasised, very white, very upper-middle-class ideology – tiger moms and helicopter parents – that says if you’re failing to expose your child to 30,000 words you are neglecting them.” Tronick believes that just because a child isn’t learning from the screen doesn’t mean there’s no value to it – particularly if it gives parents time to have a shower, do some housework or simply have a break from their child.

“Many parents, particularly low-income parents, are horrifically stressed and concerned they don’t get the support they need and find parenting really lonely. Those are the big problems,” he says.

Parents can get a lot out of using their devices to speak to a friend or get some work out of the way. This can make them feel happier, which lets them be more available to their child the rest of the time. For Sandy, this is a relief to hear. “Sometimes I’m at the end of my tether,” she says, adding that she shouldn’t have to feel guilty about giving her child the iPad so she can have some “me time”. With some parents, there’s a lot of snobbery about screen use, she says.

“As a mum, I put my 18-month-old in front of an HBO baby poetry video,” says Radesky. “It’s cute and calm and I can wash the dishes or do something that’s a reset for me. That’s a benefit, but it’s something parents need to be very honest about. The video is not educating my 18-month-old. It’s a break for me as a parent.”

This piece was co-commissioned by Mosaic and Digg. With thanks to Joy Victory for the initial story idea.

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