自然手记(008) 哪一只癞蛤蟆知道圆周率?

爸爸,为什么……

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问题有很多种,例如

人为什么不能做坏事?──这是道德的问题,
到底要投票给谁?──这是政治的问题,
感冒的时候能够吃泡面吗?──这是呆子的问题,
1加1等于2吗?──这是数学的问题,
买哪股基金比较好?──这是投资的问题,
少年耶,你走路没在看吗?──这是黑道的问题,
你问这问题,到底有没有问题?──这是辩论的问题,
亲爱的,你今天上早还要去喝豆浆?──这是夫妻的问题,
猪肉一斤多少钱?──这是买菜的问题,
苹果为什么要落下,不往天上飞?──这是科学的问题,
我是我吗?──这是哲学的问题,
你是你吗?──这是美容的问题,
他是他吗?──这是视力老花的问题。
但是,人走到大自然,看着满天的星星,
哇,好漂亮。这种发自内心的礼赞,
就是这门课要探讨的核心问题,
如何在大自然中看见美?

大自然里的协奏曲

人是很有趣的生物,总问一些有趣的问题。例如问银河系的某一颗行星怎么运转?虽然人可能永远到不了。问几万年前的化石怎么来?虽然时间的脚步再也唤不回来。人会想这些不切实际的问题,可能是人的思考系统中,被设定了一套密码,不时的就会对宇宙,发出问题的讯号。

宇宙是有趣的组合,不断给人一些询问的题材,例如太阳有升落,地球有四季,月亮有圆缺,潮汐有来去,风吹有定向,雨季有定期,生命的生、老、有定时……去观察、去听、去摸、去闻、去计算,让人去思考,使人去揣摩,重复性的意义。达文西(Leonard Da Vinci, 1452~1619)曾写道:「绘画来自大自然各种型态的了解……成为一流的艺术家,必须了解各种变化的差异性,单是人的移动就有许多的变化,加上动物、植物、花草,与泉水、河川、屋子、城市等,不只适合人使用,更是美好的装扮,添加美好的装饰与艺术,大自然是赋与一个艺术家最好的素材与恩惠。」在中世纪的欧洲,艺术与科学没有很大的分野,达文西经常左手作画,右手写批注,他的批注带着对自然现象的观察与科学性的认知,例如他的绘画人体的肺部结构时,写着他的想法:「假设人体的血液像是一个小池,肺部呼吸时的扩张与收缩,将给血液带来的影响,如同海洋潮汐,每隔六小时,规律性的来去,是否可以模拟地球的呼吸。」后来将这种达文西边画作大自然,边写下观察心得称为「图形式思考」(graphic thinking)。

鸡为什么没有自然科学课?

其他的生物,好像没有人类的这种本能。会不会有一只癞蛤蟆,忽然跳出水面说:「为什么圆周的周长与半径,存在一个3.14159…的比率呢?」然后就画一个圆?我们不知道癞蛤蟆的语言,不过在夏日的夜里,成群虾蟆在池边呼唤,呼叫只为交配,没有圆周率的韵味。我们也不知道会不会有一只鸡,在吃饲料时,忽然对其他的鸡大叫:「停!停!也许我们不应该再吃这种食物。这些食物只能增加我们的肥肉,不能加增我们的自然观察与思考。」然后鸡就画一张饲料图,并写下化学反应式,其他的鸡停止吃食,思考回到大自然的探索。不过炸鸡排的廉价,显出大概没有一只鸡会觉醒。要拯救鸡吗?不是禁售麦当劳的炸鸡块,而是「教鸡思考」吧!

达文西以观察、作画、学习自然科学,获得知识,并艺术创作同时启发,相互得彰。这种学习的方式一直传到十八、十九世纪。例如近代物理学之父牛顿(Isaac Newton, 1642~1727)在强风中向前跳跃,判断以相同的姿势与力量,逆着风化与顺着风化跳跃的落地距离差多少;近代化学之父,「原子质」的提出者道尔顿(John Dalton, 1766~1844)自制气压计。

热力学与热量之谜

当然,不是只有牛顿的运动定律,就能解释大自然所有的变化。例如,当一根木头燃烧时,会放出热量,最后变成灰烬,木头在改变,但是并没有像星球一样有运动,牛顿的运动定律在说明木头燃烧的现象上,是无能为力的,看来大自然的运动,不是一个定律可以涵括,就像我们的交通规则也有很多条,遇到红灯要停车,遇到绿灯要通行等,如果只有遇到红灯就停车这一条规则,不是所有路口都塞车吗?大自然也有好些定律。例如凯尔文(Kelvin,绝对温度K就是来自他的姓)就提出「热力学定律」,说明木头变成灰烬,是一种「乱度」(entropy)的增加,而反应的趋势都是往乱度增加的「方向」进行,所以灰烬的乱度比木头的乱度大,木头与灰烬之间乱度的差异,就成了燃烧时所释放的热量。

世界最伟大的化学工厂——一片叶子

水、二氧化碳与热量,又合成的木头,又有「植物」的叶子。叶子就是全世界最复杂的化工厂,上万个以上的蛋白质、酵素……进行无数的反应,才能把空气中的二氧化碳,土壤中的水与太阳照来的热量,合起来成为有机物。而这个贡献最大的化学反应,每天都静悄悄地在叶子里面进行。这是多么的奇妙的「光合作用」,也许听过有哪位诗人,歌颂过「啊!叶子!」。

当一个小女孩会问「为什么?」的时候,
是身为一个人神圣的一刻,
因为所有宝贵知识的起点,都是这里出来的——
爸爸,为什么我踩到同学的脚时,同学说会痛,
但是我踩到水时,水没有说会痛!」
我满脑的科学知识,却一时无法回答小女儿的问题,
用三岁小孩所能懂的用字去说明,
但那是我深受感动的一刻
小女孩开始想去探索周遭的世界,
不是只活在我需要喝奶奶
我需要有人抱抱
我需要那只名「胖彼得」的兔兔
这世界有太多、太多有趣的事情,值得你去发问。
你若能想到问题,
就会想到答案,
不然大自然已准备好了答案,
不是给大科学家的,
而是给一个三岁的小女孩
就像你那一天兴奋的对我说
「爸爸,为什么螃蟹的大脚丫,就是长那个样子」
「为什么呢?」我反问道。
「因为螃蟹玩『剪刀、石头、布』时喜欢出剪刀。」


编者注:当年河马教授那个三岁的小女儿,今年(2021年3月)结婚了:)

圣经与植物:田沟的苦菜

耕耘没有收获还是小事情

「灾罚如苦菜滋生在田间的犁沟中。」(何西阿书10:4)

由依朗的南部,到土耳其的山地,一直延伸到中东西奈半岛,在向北的坡面上,由于承受日照较多,又有地中海海风,是较为潮湿的农作区,但是迄今,在这一大片地区仍然蔓延一种多年生的草类,由于这种草自发芽就带有浓厚的味道,吃起来也很苦,所以称为「苦菜」(Artemisia herba-alba)。

苦菜喜欢长在阳光较晒不到、土壤含水量较高的干湿界面线上,所以农人耕地所挖的犁沟、较为潮湿的低洼处,自然成为苦菜喜好生长的地方。人类不吃这种带着苦味的菜,认为有毒,所以农人看着所挖的犁沟没有长出作物,长出苦菜,实在是一件沮丧的事。1977年以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)的植物学家富里曼等人(Friedman et al., 1997)发现苦菜的根会释放未知的化学物质,抑制种在其附近西红柿的种子,使其发芽率降低,甚至完全无法发芽,结果整片地区,逐渐被苦菜所占满。

当苦菜愈长愈多,蒸发愈多的水份,吸引愈多深土壤的盐份,会使得地表的土壤愈来愈盐化,不能再耕种其他作物。上帝要先知何西阿警诫以色列,在说谎言与起假誓的时候,所努力翻的犁沟,虽然是在肥美的土地上(何西阿书10:1),却会使肥美的土地劣化,可见耕耘没有收获还是小事情,耕耘以后,长了苦草,土壤劣化才是大事情。谎言与虚假的事件,末了使大地荒凉。

这是何等的「灾罚」(何西阿书10:4),来自虚谎的工作,愈做愈失败,愈耕耘,使大地愈荒凉。当苦菜长在我们耕耘的行径上,主啊,我悔改,使孩子走回你的真实。

数据源:

Friedman J., G. Oushan, and Y. Ziger-Cfir. 1977, Suppression of annuals by Artemisa herba-alba it the Negev deseart of Israel Journal of Ecology Vol. 65, p.413-426.

圣经与植物:长在磐石边的棕树

主啊!请你教导我们,如何看一棵树,好让我们认识你。

「义人要发旺如棕树……他们栽于耶和华的殿中,发旺在我们上帝的院里。他们年老的时候仍要结果子,要满了汁浆而常发青,好显明耶和华是正直的。他是我们的磐石,在他毫无不义。」(诗篇92:12-15)


主啊!请你教导我们,
如何看一棵树,
好使你的孩子,明白你起初创造的价值。
东方的聪明人,劝我们要避免「看树,不见林」的危机,
以免日光狭隘,没有看清大局,
或是钻牛角尖,不知换个角度看事情。
西方的科学教育,教人明白事情就先要看到细微处,
我们钻入细胞的世界,
在粒腺体、叶绿素、染色体……中找答案。
结果,我们的知识愈分愈细,
我们变成了专家,却迷失在知识森林的小径,
看不到谁是创造这一切的主。
我们经过东、西方的教育,
再抬头向上,要向你祈求,
主啊!请你教导我们,
如何看一棵树,好让我们认识你。

棕树(Phoenix dactylifera) 是中东地区最有用的植物,也是行经沙漠的人,最乐意看到的植物。棕树的旁边有阴凉,可以遇到泉水,找到食物。棕树又称为棕榈树,植株的高度约15-25公尺,树干负载强度不高,不能作栋作梁,却可作大门的边柱。叶子都长在植株顶部,外型如羽状,叶长约3-5公尺,每年可以长出十多片新叶,即使砍下一些叶子,也不会造成严重伤害,沙漠里能有旺盛的绿叶,成为以色列人庆祝喜乐的标记,他们常举着棕树的枝叶来庆祝。由于叶子只长在顶部,也代表「领袖」,他们欢迎领袖,也用高举棕树枝叶的方式。

棕树生长4-7年之后,就开始结果子(date,或称为枣子、海枣),从2-4月开始结果后,分批成熟,可以多次采收。棕树的果子很多,每株每年约可采收80-120公斤,果子内含有植物性纤维——直链性多醣类(β-D-mannan),可以降低人体对醣类的吸收,减少糖尿病的风险。

棕树的树干满了汁浆,汁浆颜色乳白,味道很甜,中东人称此为「棕树之奶」(milk of palm tree),一次采收约可采收9公升,每3-4个月采收一次,奶液中含有丰富的维他命B2与C,可以给人解渴,增强体力,还可以预防肾结石,与生殖泌尿系统的疾病。树奶也可以给羊喝,母羊喝了乳汁更多。圣经常称迦南地是「流奶与蜜之地」,所流的奶指棕树液奶或羊奶。

收集棕树的树汁,孟加拉国。Photographs: Courtesy of Nazmun Nahar, International Centre for Diarrhoeal Disease Research, Bangladesh. 

棕树的根部非常的深,可达10公尺以下,可以吸到深处的地下水,生长在年降雨量低于200厘米的沙漠里,棕树在海边,或盐湖,也能吸到供应生长所需要的淡水。关键在其根毛细胞能够合成高浓度的胺基酸,使细胞内的渗透压(osmotic pressure)比海水的渗透压高。希伯来文称棕树为taw-mawr,意即「直立」(erect),不只棕树生长直立,也像义人公正,行为正直,蒙上帝悦纳。

由于棕树结果子的时间不长,只有10-20年。关键在棕树的用途太多,被取树液与叶子,就不易长年结果子,此外沙漠地区营养份不足也是原因,长期以来,科学家想找能够长期结果子的棕树,曾用人工施肥,却效果不彰。后来在1940年代初期才于约旦河河边的找到超过一百岁仍持续在结果子的棕树,这些棕树却长在磐石边,这颠覆过去以为棕树只能生长在砂土地的概念。原来这磐石表面会生长地衣,地衣分泌弱酸将磐石慢慢溶蚀,溶蚀的矿物质与部份地衣死亡的有机分解,能够供应棕树长期结果所需的营养份。此外夜间冷凝在磐石表面的露珠,流到地面,也能供应棕树生长所需的水分。没想到缓效性的营养份,最能帮助棕树长期结果。

当大部份的棕树生长在平原、海边、湖边或砂土。生长在磐石边的棕树啊,你们会不会害怕?棕树啊!爱里就没有惧怕,上帝给你们的环境看似特殊,却将成为长期结果子的祝福。

圣经与植物:火焰里的荆棘

荆棘很枯干,他比身边的荆棘的还要枯干。

「耶和华的使者从荆棘里火焰中向摩西显现,摩西观看,不料荆棘被火烧着,却没有烧毁。摩西说我要过去看着大异象,这荆棘为何没有烧坏呢?」(出埃及记3:2-3)

过去数年,
政府经常委托我,
到各处勘察工程建造,有否兼顾生态,
并指导施工者,如何保护周遭的生物。
有一天夜里,我到台东的知本溪畔,准备隔日的勘察。
清晨起来,我在溪边散步,
溪边有个山谷,
我想,离开会还有一点时间,就走入谷中。
进去才看到,山谷里有许多的蝴蝶,
但是有些蝴蝶双翅不均衡,飞得很吃力。
牠们的翅膀有残破,
原来,这里是受伤蝴蝶的避难所。
山谷里,走来一个排湾族的原住民,
相互寒喧,才知道他是山谷里的管理者。
我问他:「为什么这里有许多受伤的蝴蝶?」
他说:「海边的风太大,深山里的蝴蝶顺着溪流飞,
飞到临近海口的地方,翅膀常会被吹破,
而山谷的风很小,我让受伤的蝴蝶飞进来栖息。」
我微笑问道:「蝴蝶怎么会知道你的好意呢?」
他说:「我知道蝴蝶会受伤,
就用灌木与花草,来吸引牠们前来觅食。」
我看他在山谷里,还种了许多蜜源植物。
我又问道:「在这里吸足了花蜜的蝴蝶,会怎么样呢?」
他抬头,望着深山处,喃喃道:「希望牠们又会回到那里去。」

摩西在西奈山上看到被火燃烧,却不烧毁的荆棘。这不止是摩西一生的转折点,也是上帝向人启示,真正的上帝是「自有永有」。祂应许将与摩西同在,并托付将以色列人从埃及带出来,进入迦南地。上帝对摩西在西奈山的显现,摩西记录在出埃及记第三章,因为上帝是在燃烧的荆棘中向他显现,后来这一章又称为「荆棘篇」。

西奈山的高度约2640公尺,大部份是火成岩与变质岩,风化成砂石,降雨量很低,每年约37厘米(约台湾降雨量的1.5%),空气中的相对湿度也很低才约32-62%。除了在冬天下一点雨之外,这里非常的干燥。但是上帝选择在这人迹罕至,人类文明的边缘之地呼召摩西,与他面对面。

Gebel Mousa. G. Eric and Edith Matson Photograph Collection. (between 1898 and 1946)

希伯来文称荆棘为sen-eh,意即「刺」(bush),能够忍受西奈山上干旱的环境,只有一些灌木。长期以来,有科学家探讨这是何种灌木,都没有定论。现今西奈山上的灌木植物至少有38种,这也显示干燥的山区,地形的变化,在局部地区产生不同的微气候,以致存在如此多种的灌木。没有人知道,上帝是在西奈山的哪个角落呼召摩西,当然无法确定长在该地区灌木的品种。灌木含水量很低,遇火就燃,而且容易烧毁。科学无法解释荆棘烧而不毁的现象,不过摩西在那时候,也没有去分辨荆棘的品种,计算燃烧放出的热能,或是燃烧时进行的化学反应,可见还有更重要的。

当时,摩西在西奈半岛已经牧羊四十年,哪里有荫凉,哪里有泉水,哪里有绿草,他已经很熟悉。每年的放牧,似乎就是周而复始的工作。过去他年轻在埃及时的理想,也许已经消失,一度的热情,也许已经冰冷。荆棘很枯干,他比身边的荆棘的还要枯干,荆棘在2~3月还会发芽,他为上帝发热心的热情,却从没有再发芽,即使如此,摩西就随便牧羊群吗?自暴自弃吗?不!绝非如此!

近代研究旷野植物最著名的科学家是史瑞夫(Forrest Shreve,1878-1950),在1908年,他与新婚的妻子贝拉米(Edith Bellamy),成立第一间旷野植物的研究室。在地球上的陆地14%的面积是旷野或沙漠。他们探讨两个核心问题:「世界上为什么有这么多旷野?」与「旷野的植物担任什么功能?」他们将这探索,当成上帝给他们的使命,经过42年的时间,才发现对植物而言,旷野是最单纯的环境,只要拥有一、二个耐热耐旱机制,就可以享受这里为最好的场所。因植物的存在,才能保护许多的动物在此生存。旷野是使生命单纯的所在,永远不需像其他地区有那么多的竞争,病虫害,与其他的干扰。

当摩西习惯了西奈旷野,他会享受旷野,脱去埃及的繁华,转而归向单纯,旷野反而是使人认识上帝呼召的所在。他会放弃过去外表式的梦想与肤浅的热情,但是他仍像荆棘,外表枯干,内心却是被厝子之火点燃的好材料。摩西在旷野会随便生活与工作吗?不!他会如同荆棘保护许多的羊群。上帝喜欢用单纯的人,即使他没有什么羡慕的外表。

圣经与植物:大地上的竞争者——蒺藜

迄今,人类仍然持续与蒺藜争战,用了各样方式,也没有得胜。

「地必给你长出荆棘和蒺藜来。」(创世记3:18)

他是一种植物,
很少人喜欢他。
不过,如果大地是一个球场,
他像是最杰出、能打全方位的选手,
他随时都在场上跑,
不是在这里出现,
就是在那里出现。
他永远在寻找最有利的位置,
不是在肥沃的地方,
就是在潮湿的地方。
他永远比对方抢占先机,
春天先长,夏天长最快,
秋天立刻开花,一到冬天就结果。
他全力投入比赛,忍受各式的拦阻,
即使人类用犁翻,用棍打,用火烧,用手拔,用脚踩,用农药杀…
他一下子似乎受折挫,不久又再出现。
必要时,他总把得分的机会让出去,
有他在的地方,昆虫就会爬过来,
地鼠也会钻过来,他让大家一起分享。
他永远忠实,
每场球赛,从岁首打到年终,
中场也不下来休息,而且年年都在打。
他像是最好的球员,
从来不要求加薪,没有经纪人,
不强调自己风格,不登广告,
不上媒体,也不赌博出卖自己的伙伴,
甚至从来不组成自己的工会。
几千年,即使大多数的人类讨厌他,
但是他依然遵照上帝起初给他的吩咐,与人同在。
与这么强的对手互相切磋,
才能不断提升自己的球技,
这个选手是谁?
他不是美国职业篮网(NBA)的选手,
而是大地上,名叫蒺藜的一根草。

圣经的希伯来文称「蒺藜」为dar-dar,意即是「针」(thistles),并称「荆棘」为kotse,意即是「刺」(thorns)。针是一年生、或二年生草本植物,如芒草类、蓟类或雀稗类,植株上所长纤细的绒毛或茸毛(hairs)。这些细柔软,皆往同一个方位生长,人若碰到,除非顺其方位,否则与几千万根的茸毛作抗,将如针的刺痛。荆棘是多年生的灌木类,其刺长在茎、叶、花的周旁,对本身是个保护,不让其他的生物接近。

中文将thistles与thorns翻译成「蒺藜」与「荆棘」,非常合宜,因为蒺藜是长针的草本,荆棘是长刺木本植物的通称。蒺藜生长的速度很快,植株的营养分很低,人类能用的价值不高,茸毛,使家畜不敢食用。蒺藜在干燥、潮湿的环境皆能生长,多结种子,种子的发芽率高,很容易繁殖成一大片,覆盖大面积的土地。没有发芽的种子,在土里的休眠期很长,一遇到火烧,种子外壳烧去,等于催醒种子发芽,因此火烧蒺藜之后,蒺藜愈长愈多。

William James Beal (March 11, 1833 – May 12, 1924)

近代最著名的「草类学」(weed science)专家,美国密执安州立大学(Michigan State University)的教授比尔(William James Beal,1833-1924),他的研究是草类的传播,草类生长与繁殖的奥秘。例如1878年他发表「蒺藜如何生长?」(How thistles spin?)他在报告中引用圣经,并以显微镜观察茸毛的细胞结构,他认为蒺藜从小就长刺,长期维持有刺,其实是能量的耗费,使得蒺藜无法长得更高,无法开出更吸引昆虫的花朵。为了抑除学习植物学上的刺,他是认为教导学生认识植物,不是反复背诵植物学课本的内容,而是在学校成立植物园与农场,与学生在植物园中行走,并让学生去管理植物园,并在农场种植。1870年他开始成立大学植物园,开「农场实习」,后来为普世的大学所仿效。

当亚当犯了罪,离开伊甸园,上帝让地里长出蒺藜,使亚当需要费力的工作,才能得到食物。迄今,人类仍然持续与蒺藜争战,用了各样方式,也没有得胜。连近代流行的「有机农法」也只是用有机肥取代化肥,但是为了去除蒺藜,除了年年使用杀草剂,没有什么有效的防制方法。蒺藜成为许多人的烦恼,地里长出蒺藜全然是个犯罪后的惩罚,还是上帝给人的提醒或保守呢?不只是农夫的问题,我们周遭总有些有针、有刺,让人烦恼的人、事、物。我们永远会遇到蒺藜,去除蒺藜是很累的事,经常愈去除愈多。但是蒺藜要长刺,一直保持刺人,对蒺藜也是个伤害。蒺藜啊,为什么我们不一起回转归向上帝?我不再去碰你的刺,你不再刺我的手。