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主持人的话：看似一片肃杀的冬日世界其实充满了故事，从温血的飞鼠到沉睡的黑熊，从不惧严寒的山雀到冰冻的昆虫和蛙，故事每时每刻都在延展，只有热爱自然的人才能发现其中的妙趣以及故事主角们那令人惊叹的生存智慧。《纽约时报书评》这样评价我们本期向大家推荐的这本书：“结合科学视角和诗人的灵魂，海因里希用动物在最寒冷季节中那新颖、别致、时而出人意料的生存之道迷住了我们。”是的，贝恩德·海因里希，这位曾经的伐木工人，如今佛蒙特大学生物系的荣誉退休教授、《科学美国人》《纽约时报》等多家媒体的撰稿人，通过这本《冬日的世界》向我们展现了大自然的神奇与诗意。
海因里希的语言自然而高效，我们所摘选的这本书的第一章虽然不是讲述具体某一种生物的故事，但却生动地为我们勾画出所有故事之所以发生的大前提。每个对我们这个世界怀有好奇心的人读来都会浮想联翩。
好书妙在分享，欢迎大家推荐科普佳作。
微观生命是在约35亿年前——前寒武纪时期——进化出来的，那是生命最早且最长的重要时期，覆盖了大约90%的地质时间。没人知道当微观生命开始时地球确切的样子，但我们确实知道曾几何时地球是个酷热的、如地狱般的地方，且大气中缺乏氧气。早期的微生物，很可能是蓝细菌或类似细菌的生物，发明了光合作用，将日光作为一种能量来源。它们从空气中吸入食物——二氧化碳，同时产生废弃物——氧气，进一步改造了大气，继而改造了气候。它们发展出DNA以储存信息，发明了性，为自然选择提供差异，从此进化开始了，它是一个永无止境且在很大程度上难以预测的进程。
分子指纹分析显示，现今地球上的每种生命形式都源自同一个类似细菌的祖先。那个祖先最终分化出了三支主要现存的生命分支：古细菌、细菌和真核生物（由含有细胞核的细胞组成的生物，包括藻类、植物、真菌和动物）。
第一批古代生物，即在地球大气出现氧前的那些并不利用氧的生物的余党，在今天可能仍然改变不大地活着。很多人认为它们就是现今只生活在少数仍保留了古代的、对我们而言如地狱般环境的消耗硫的细菌。这些栖息地包括温泉和深海热泉喷发口，那里的水温在300℃（水仍保持液态而未变成蒸气，因为在3600米左右的深度，水经受着巨大的压力），由海床向上喷涌。其中一个生活在热水喷发口边缘的物种是延胡索酸火叶菌（Pyrolobus fumarii），除非加热到至少90℃，否则它不能生长，它能忍受113℃的高温。当地球逐渐冷却，新的环境出现，新的单细胞和后来的多细胞生物从这些或类似的物种中进化出来，入侵日新月异且更凉快的环境。
过了很久之后，一些细胞通过入侵其他细胞也逃离了它们祖先生活的环境，发现新环境有利于生存，便开始适应那里。这种一开始是寄生的生物最终进化出了与它们的寄主合作或共生的关系。也许在这些最终互利的结合中，最改变命运的一桩就是前寒武纪的蓝细菌成功进入其他细胞且最终变成了叶绿体，而它们的寄主变成了绿色植物。
多细胞生物和我们今天所看见的奇妙多元的生命，具有获取太阳能的能力之后或同时，发生了另一个关键的细胞侵入过程，即寄生转变成共生。有了来自植物的氧气，就有了能量和耗氧菌，而当它们中的一些入侵其他细胞时，它们就变成了线粒体，而它们的寄主变成了动物。线粒体是细胞能量或动力使用的源头，拥有了线粒体同时又获得了氧气，这就大大加快了能量消耗的速度。它使多细胞动物的进化成为可能。关于利用线粒体驱动的高能耗生活方式的终极表述之一，当然就是像戴菊那样在北方冬季仍保持着对我们而言几乎无法想象的高度且持续活力的动物。
由线粒体产生的代谢火焰可以被扇得更高，只要有足够的氧气存在，或者它们也能被降得很低。生命是利用火焰的过程，更重要的是控制火焰的过程。它产生热，而热经常与生命同义。
对我们而言，温度是用冷热的标尺衡量的一种感觉。物理学上，它是分子运动。我们能用温度计测量它，因为一个物体的分子运动越大，分子间距越大。我们以水银（或其他液体）在圆柱的标尺上爬升的位置来测量这种分子间距。像这样的分子运动并不是生命，而是生命的前提。
另一方面，热是进入和离开系统时会改变温度的能量。一些物体必须吸收更多的能量（比如，从太阳那里），然后它们的分子才开始运动，并提高温度。卡路里是能量单位，1卡路里被定义为将1克水提升1℃所需的能量。加热如石头这样的物质所需的能量要比加热水所需的能量要少得多。同样地，能量也不是生命，而是它的前提，生命对能量的需要永不满足。因此，真正神奇的是在冬季生命得以延续甚至繁荣，但那时阳光很微弱。
温度没有上限。在太阳系内，太阳表面温度约为6000℃；中心温度比表面温度约高出3000倍，即18000000℃。另一方面，宇宙的低温极限是有限的。这是所有分子运动停止及热能含量为零的那点。那个温度排除了活着的可能，但是从我将讨论的对冬日世界的适应上看，它并不一定会毁灭生命。生命，起码在理论上，可以在宇宙最低温度时保持暂停。
摄氏温标是这样定义的：水分子结束晶体结构变成液体时为0℃，液态水在海平面沸腾时为100℃，在0℃到100℃之间，水的热能含量被平分成100个单位。物质的零能量含量，或宇宙中的最低温度极限，在开氏温标上被定义为0K，它对应的是-273.15℃或-459.7。因为据我们所知，生命是以水为基础的，我们中的大部分人熟知，活跃的细胞生命被局限在水的凝固点和沸点（它们会随压强和溶质的变化而变化）之间狭窄的温度区间里，在这段区间里控制能量利用率是可能的。人体大部分由水组成，当我们细胞里的水凝结，也就是变成冰，它就会切碎细胞膜并杀死我们。
水在生態层面对生命的影响与它在细胞层面上对生命的影响一样深远。在北温带，每年秋天我们都能观察到水的不同物理特性的生态效果。地球上的大多数生物经历过的水是从山上往下流的透明液体，只能被障碍物限制。一年中的部分时间，我们中的某些人也会看到粘在树上和山坡上、把树林装点得像仙境一样的、白色粉末状的水。这种物质可以被堆成堆、打成洞，然后做成人类或野兽的居所。它可以聚集并变得又密又深，以至于我们不能踩穿它。它能阻止植物吸收光，还可能压坏它们。在北方地区，当地球的倾斜度合适时，它可能经过长时间的聚集形成冰川、改变地貌、挤压山脉和谷地。仅1℃甚至更少的差别，水还可以变成一种透明的、像玻璃一样的物质，它封住湖的表面，让我们从上面安然无损地走过。 冬日的世界里几乎每样东西的命运都最终由水的结晶来决定。只是在几个小时的时间内，结晶就可以改变地球的物理表面，而在几百万年的进程中，它深远地改变了所有必须同这个从液体到晶体的神奇过程斗争的生物的生理、形态和行为特征。
每年秋天，冬日的世界悄然而至，无情地靠近那些居住在北半球的生物。随着它的到来，黑夜变得越来越长、越来越冷。来自太阳的能量更少能到达地面了。最先是表层土中的水凝结成坚硬的壳（除非它已经被雪覆盖了）。流动最快的溪流和小河是最后结冰的，因为冷空气与水的介面持续混合。导致水结冰的寒冷来自水上方贴着它的空气。水至少比空气暖和一点点。当水被搅拌（像在快速流动的溪流中那样），表面不会那么快冷却到0℃。
某个夜晚，不可避免的事发生了：所有的水都冻成了冰。气温降到了让在池塘边缘漂浮的沼泽草的茎、小枝和树叶上的水分子的分子动力减慢到足够让它们身陷稳定的晶体位置中。这些茎、小枝和树叶于是起到冰晶形成中成核点的作用。像台球滚落袋中，水分子被锁定了，起先是不加区别地发生在任何它们遇到的物体上，然后是静止了的其他分子上，形成一个冰的网格。这些分子剩下的一点点能量现在以热能释放，即熔化热，每克变成冰的液态水需要释放76.7卡的熔化热。（这些热能不足以引起可观的池水或湖水的温度上升，因为它很快就会被大得多的水体吸收。然而，从其他水体分离出来的一个小水滴突然结冰，经常会引起好几摄氏度的可观的“放热效应”。）
刚形成的冰晶像锋利的手指在水的表面上延伸着。它们相遇、联锁，到了早晨整个池塘都可能覆上了一层透明的冰窗，从地理上将水里的生物和陆地上的生物隔绝开来。几乎就在一夜之间，人可以名副其实地在水上行走，当然这不是一种超自然能力，而是水在温度低于0℃时的物理特性使然。
在池塘里的水汽變成冰时，一些很显著、简单却又极其重要的事情发生了。它们可以和云中的水汽变成冰时所发生的事情相类比。在云中，冰晶会下落是因为水和冰比空气和气相水要重。然而水在从液态变成固态时会变轻。如果反过来，冰晶刚在池塘表面形成就会立刻沉底。接近水底的热量一开始会持续融化下沉的冰晶，但在某个时刻接近池底的温度会达到0℃或更低。于是，水会从底部开始向上结冰，而不是从上而下。这个现象的生态结果将使北方没有水体。夏季的阳光将只会融化上层的冰，而雄心勃勃的水体一出现就会很快变成巨大的永冻冰。
在生态上，水的另一个重要特性是，它的密度随温度变化而变化。冷水比热水的密度大，所以冷水会下沉、热水会上升。空气也是如此。但是水的这种变化并不均匀。水在4℃时密度最大。因此，当湖水在春天从0℃升温到4℃时，随着冰的融化，表面的水会下沉。密度较大的水会取代较冷的底层水和其中的营养物质，然后它们上升到表面，给上面的生命提供养料。
在地质学上，地球经历了有规律的反复出现的冰河时代，其规律来自于地球倾斜的天文周期。现在，在米兰科维奇循环[以它的发现者米兰科维奇（Milutin Milankovich）命名]中正值7000年前开始的冷却期。但现在我们却相反地在经历全球变暖，因为天文周期带来的冷却效应被人类引发的气候变化覆盖了。燃烧化石燃料产生的二氧化碳气体在大气中聚集的速率超过了它被森林中的树木和其他植物吸收的速率。二氧化碳像隔热毯一样发挥着作用，困住太阳的热能。和天文周期允许进化适应的逐渐变化不同，这种在地球历史上的新现象是突然的。它会影响到戴菊，以及我们人类。
海因里希的语言自然而高效，我们所摘选的这本书的第一章虽然不是讲述具体某一种生物的故事，但却生动地为我们勾画出所有故事之所以发生的大前提。每个对我们这个世界怀有好奇心的人读来都会浮想联翩。
好书妙在分享，欢迎大家推荐科普佳作。
第一章 火与冰
微观生命是在约35亿年前——前寒武纪时期——进化出来的，那是生命最早且最长的重要时期，覆盖了大约90%的地质时间。没人知道当微观生命开始时地球确切的样子，但我们确实知道曾几何时地球是个酷热的、如地狱般的地方，且大气中缺乏氧气。早期的微生物，很可能是蓝细菌或类似细菌的生物，发明了光合作用，将日光作为一种能量来源。它们从空气中吸入食物——二氧化碳，同时产生废弃物——氧气，进一步改造了大气，继而改造了气候。它们发展出DNA以储存信息，发明了性，为自然选择提供差异，从此进化开始了，它是一个永无止境且在很大程度上难以预测的进程。
分子指纹分析显示，现今地球上的每种生命形式都源自同一个类似细菌的祖先。那个祖先最终分化出了三支主要现存的生命分支：古细菌、细菌和真核生物（由含有细胞核的细胞组成的生物，包括藻类、植物、真菌和动物）。
第一批古代生物，即在地球大气出现氧前的那些并不利用氧的生物的余党，在今天可能仍然改变不大地活着。很多人认为它们就是现今只生活在少数仍保留了古代的、对我们而言如地狱般环境的消耗硫的细菌。这些栖息地包括温泉和深海热泉喷发口，那里的水温在300℃（水仍保持液态而未变成蒸气，因为在3600米左右的深度，水经受着巨大的压力），由海床向上喷涌。其中一个生活在热水喷发口边缘的物种是延胡索酸火叶菌（Pyrolobus fumarii），除非加热到至少90℃，否则它不能生长，它能忍受113℃的高温。当地球逐渐冷却，新的环境出现，新的单细胞和后来的多细胞生物从这些或类似的物种中进化出来，入侵日新月异且更凉快的环境。
过了很久之后，一些细胞通过入侵其他细胞也逃离了它们祖先生活的环境，发现新环境有利于生存，便开始适应那里。这种一开始是寄生的生物最终进化出了与它们的寄主合作或共生的关系。也许在这些最终互利的结合中，最改变命运的一桩就是前寒武纪的蓝细菌成功进入其他细胞且最终变成了叶绿体，而它们的寄主变成了绿色植物。
多细胞生物和我们今天所看见的奇妙多元的生命，具有获取太阳能的能力之后或同时，发生了另一个关键的细胞侵入过程，即寄生转变成共生。有了来自植物的氧气，就有了能量和耗氧菌，而当它们中的一些入侵其他细胞时，它们就变成了线粒体，而它们的寄主变成了动物。线粒体是细胞能量或动力使用的源头，拥有了线粒体同时又获得了氧气，这就大大加快了能量消耗的速度。它使多细胞动物的进化成为可能。关于利用线粒体驱动的高能耗生活方式的终极表述之一，当然就是像戴菊那样在北方冬季仍保持着对我们而言几乎无法想象的高度且持续活力的动物。
由线粒体产生的代谢火焰可以被扇得更高，只要有足够的氧气存在，或者它们也能被降得很低。生命是利用火焰的过程，更重要的是控制火焰的过程。它产生热，而热经常与生命同义。
对我们而言，温度是用冷热的标尺衡量的一种感觉。物理学上，它是分子运动。我们能用温度计测量它，因为一个物体的分子运动越大，分子间距越大。我们以水银（或其他液体）在圆柱的标尺上爬升的位置来测量这种分子间距。像这样的分子运动并不是生命，而是生命的前提。
另一方面，热是进入和离开系统时会改变温度的能量。一些物体必须吸收更多的能量（比如，从太阳那里），然后它们的分子才开始运动，并提高温度。卡路里是能量单位，1卡路里被定义为将1克水提升1℃所需的能量。加热如石头这样的物质所需的能量要比加热水所需的能量要少得多。同样地，能量也不是生命，而是它的前提，生命对能量的需要永不满足。因此，真正神奇的是在冬季生命得以延续甚至繁荣，但那时阳光很微弱。
温度没有上限。在太阳系内，太阳表面温度约为6000℃；中心温度比表面温度约高出3000倍，即18000000℃。另一方面，宇宙的低温极限是有限的。这是所有分子运动停止及热能含量为零的那点。那个温度排除了活着的可能，但是从我将讨论的对冬日世界的适应上看，它并不一定会毁灭生命。生命，起码在理论上，可以在宇宙最低温度时保持暂停。
摄氏温标是这样定义的：水分子结束晶体结构变成液体时为0℃，液态水在海平面沸腾时为100℃，在0℃到100℃之间，水的热能含量被平分成100个单位。物质的零能量含量，或宇宙中的最低温度极限，在开氏温标上被定义为0K，它对应的是-273.15℃或-459.7。因为据我们所知，生命是以水为基础的，我们中的大部分人熟知，活跃的细胞生命被局限在水的凝固点和沸点（它们会随压强和溶质的变化而变化）之间狭窄的温度区间里，在这段区间里控制能量利用率是可能的。人体大部分由水组成，当我们细胞里的水凝结，也就是变成冰，它就会切碎细胞膜并杀死我们。
水在生態层面对生命的影响与它在细胞层面上对生命的影响一样深远。在北温带，每年秋天我们都能观察到水的不同物理特性的生态效果。地球上的大多数生物经历过的水是从山上往下流的透明液体，只能被障碍物限制。一年中的部分时间，我们中的某些人也会看到粘在树上和山坡上、把树林装点得像仙境一样的、白色粉末状的水。这种物质可以被堆成堆、打成洞，然后做成人类或野兽的居所。它可以聚集并变得又密又深，以至于我们不能踩穿它。它能阻止植物吸收光，还可能压坏它们。在北方地区，当地球的倾斜度合适时，它可能经过长时间的聚集形成冰川、改变地貌、挤压山脉和谷地。仅1℃甚至更少的差别，水还可以变成一种透明的、像玻璃一样的物质，它封住湖的表面，让我们从上面安然无损地走过。 冬日的世界里几乎每样东西的命运都最终由水的结晶来决定。只是在几个小时的时间内，结晶就可以改变地球的物理表面，而在几百万年的进程中，它深远地改变了所有必须同这个从液体到晶体的神奇过程斗争的生物的生理、形态和行为特征。
每年秋天，冬日的世界悄然而至，无情地靠近那些居住在北半球的生物。随着它的到来，黑夜变得越来越长、越来越冷。来自太阳的能量更少能到达地面了。最先是表层土中的水凝结成坚硬的壳（除非它已经被雪覆盖了）。流动最快的溪流和小河是最后结冰的，因为冷空气与水的介面持续混合。导致水结冰的寒冷来自水上方贴着它的空气。水至少比空气暖和一点点。当水被搅拌（像在快速流动的溪流中那样），表面不会那么快冷却到0℃。
某个夜晚，不可避免的事发生了：所有的水都冻成了冰。气温降到了让在池塘边缘漂浮的沼泽草的茎、小枝和树叶上的水分子的分子动力减慢到足够让它们身陷稳定的晶体位置中。这些茎、小枝和树叶于是起到冰晶形成中成核点的作用。像台球滚落袋中，水分子被锁定了，起先是不加区别地发生在任何它们遇到的物体上，然后是静止了的其他分子上，形成一个冰的网格。这些分子剩下的一点点能量现在以热能释放，即熔化热，每克变成冰的液态水需要释放76.7卡的熔化热。（这些热能不足以引起可观的池水或湖水的温度上升，因为它很快就会被大得多的水体吸收。然而，从其他水体分离出来的一个小水滴突然结冰，经常会引起好几摄氏度的可观的“放热效应”。）
刚形成的冰晶像锋利的手指在水的表面上延伸着。它们相遇、联锁，到了早晨整个池塘都可能覆上了一层透明的冰窗，从地理上将水里的生物和陆地上的生物隔绝开来。几乎就在一夜之间，人可以名副其实地在水上行走，当然这不是一种超自然能力，而是水在温度低于0℃时的物理特性使然。
在池塘里的水汽變成冰时，一些很显著、简单却又极其重要的事情发生了。它们可以和云中的水汽变成冰时所发生的事情相类比。在云中，冰晶会下落是因为水和冰比空气和气相水要重。然而水在从液态变成固态时会变轻。如果反过来，冰晶刚在池塘表面形成就会立刻沉底。接近水底的热量一开始会持续融化下沉的冰晶，但在某个时刻接近池底的温度会达到0℃或更低。于是，水会从底部开始向上结冰，而不是从上而下。这个现象的生态结果将使北方没有水体。夏季的阳光将只会融化上层的冰，而雄心勃勃的水体一出现就会很快变成巨大的永冻冰。
在生态上，水的另一个重要特性是，它的密度随温度变化而变化。冷水比热水的密度大，所以冷水会下沉、热水会上升。空气也是如此。但是水的这种变化并不均匀。水在4℃时密度最大。因此，当湖水在春天从0℃升温到4℃时，随着冰的融化，表面的水会下沉。密度较大的水会取代较冷的底层水和其中的营养物质，然后它们上升到表面，给上面的生命提供养料。
在地质学上，地球经历了有规律的反复出现的冰河时代，其规律来自于地球倾斜的天文周期。现在，在米兰科维奇循环[以它的发现者米兰科维奇（Milutin Milankovich）命名]中正值7000年前开始的冷却期。但现在我们却相反地在经历全球变暖，因为天文周期带来的冷却效应被人类引发的气候变化覆盖了。燃烧化石燃料产生的二氧化碳气体在大气中聚集的速率超过了它被森林中的树木和其他植物吸收的速率。二氧化碳像隔热毯一样发挥着作用，困住太阳的热能。和天文周期允许进化适应的逐渐变化不同，这种在地球历史上的新现象是突然的。它会影响到戴菊，以及我们人类。