凛冬已至——在极寒环境下的生存法门

索何夫

　　在太阳系内圈的一众类地行星之中，火星一直以来都是“人气”最高的一颗，而近几年来，随着火星探测进入冷战结束后的又一个高潮，人们对地球的这个红色小兄弟的关注曲线也又一次接近了坐标系里的高点。

　　拜好莱坞的伟大魔力所赐，2015年的《火星救援》让这轮火星热在彻底大众化的道路上完成了关键的一步。这一部虽然被专业人士（尤其是那些强调“农学家≠植物学家”的伙计）吐槽无数，但大体上还算是足够贴近事实的电影，也让许多人第一次意识到了一件事：要在火星上把日子过下去，可远不像想象中那么简单。

　　在《火星救援》里，被遗弃在那颗荒凉的红色行星上的马克先生，要想活下去，就不得不解决一系列与基本生存息息相关的问题，而这些问题中相当一部分是与寒冷有关的——由于距太阳的距离比地球远了足足七千多万公里，火星的轨道已经落在了太阳系宜居区的外围，其寒冷程度虽说还没到无法忍受（毕竟在最热的夏日，还能在赤道地带录得超过二十摄氏度的高温）的地步，不过平均零下五六十摄氏度、动辄打破零下一百摄氏度的寒冷，仍然足以迫使马克竭尽全力维持舱内供暖。而且在影片中，一次低级失误引发的气闸事故，就让全部土豆都被冻死，险些断绝了主角求生的希望。

　　低温对生物的威胁是显而易见的。温度越低，能量越少，新陈代谢速率越慢。相当多的热带及亚热带植被、绝大多数真菌、大部分昆虫和所有需要呼吸溶解氧的生物，在温度降到冰点以下后就无法生存，或者会陷入不活跃状态。冷血脊椎动物的情况也与此相去无几。温血动物的情况略好一些，但也仅此而已。以人为例，一旦体温低于37摄氏度，就会出现失能和休克症状，低于35摄氏度则会在短时间内死亡。更重要的是，生物细胞内的水分会在低温下形成固态结晶，进而对原有细胞结构造成不可逆转的破坏——这也是目前冷冻睡眠技术要取得进展所面临的最大技术困难。

　　对大多数永远也没机会身临其境的“局外人”而言，马克的遭遇大概是不容易勾起他们的同情心的：在这个廉价供暖对大多数真正面临受冻威胁的人而言可以轻易获得的时代（地球上最贫困的第三世界人口几乎全部聚居在没有受冻之忧的热带和亚热带地区，这不得不说是件幸运的事），活活冻死几乎已经成了孤寡老人、极地探险家、驴友和俄罗斯醉汉的“专利”。在生活于现代社会的人看来，挨饿受冻早已是件非常遥远的事，至多不过是冬季采暖费账单上的一个数字。更何况，在过去的几十年里，“全球变暖”这个词儿实在是在各类媒体上吸引了太多人的目光。挨冻？今年的北极海冰覆盖率又创了新低你知不知道？北极熊就要没地方住了你知不知道？我们哪有心情谈什么挨冻？

　　当然，我们并不能否认全球变暖的事实，但站在地质史的角度上看，人类在全新世中的所作所为造成的气温波动仅仅是汹涌海面上最新激起的一朵浪花罢了。这颗行星曾经经历过比区区一两摄氏度的温度变化规模大得多的剧烈气候变迁，其中既有元古宙弱阳照耀下的超级蒸笼，也有闪闪发光、晶莹剔透的成冰纪“雪球地球”。即便不谈如此遥远的太古洪荒，诸位也应该记住，我们眼下所处的全新世，不过是漫长严酷的第四纪大冰期中的一个小小间冰期，就在不算太久之前，大半个华北还被覆盖在冰雪之下，甚至连秦岭和大巴山也能看到冰川的“足迹”。当台风眼的平静过去之后，谁知道接下来会如何呢？

　　除此之外，如果人类不打算永远待在齐奥尔科夫斯基所描述的“摇篮”里的话，去更冷的地方“受冻”几乎是不可避免的选项——毕竟，基础物理学法则告诉我们，冷是有底线的，而热可是上不封顶，人类这种碳基生物能够适应的温度区域，事实上相当接近热力学温度计的底端，水的沸点就是大多数地球上的非嗜极性生命形式可以耐受的极限了。换言之，与跑到水星或金星这种巨型煎锅上自找没趣相比，去火星或者木卫、土卫殖民的可行性至少要高出一个数量级。而这也意味着，纵然像《后天》那种夸张过头的灾难电影中所描述的场面不会发生于地球上，在遥远，甚至是不那么遥远的未来，开始走出摇篮的人类也将不得不越来越频繁地面临马克先生所遭遇的情况。

　　当然，相关对策古已有之：节流与开源。

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　　被动方案：节流

　　在人类历史上，不自觉的实践领先于理论的情况，可谓屡见不鲜，保暖手段的演进就是其中的典型例子。

　　早在布朗先生于1827年首次观察并科学地描述物质微粒的无规则运动之前很久，人们就已经通过经年累月的摸索找到了一些阻止珍贵的热能散逸的门道——作为恒温动物，人类不得不时时刻刻地注意防止体温过低，毕竟ATP所能转化的能量实在有限，而偏巧人类的祖先又选择了一条原本只有海兽和裸鼹鼠这类小众群体才会选择的进化道路：大部分体表毛发退化、柔软的表皮层直接裸露在外。当老祖宗们还住在东非阳光明媚的大草原上时，这种适合散热的设计非常有利于长途跋涉，在发达的汗腺配合下，更是让人类具有了近乎作弊般的可怕耐力。

　　然而，一旦穿过当时还不完全是荒漠的撒哈拉，走出非洲故乡，这些进化成果就成了货真价实的劣势。

　　当然，那些走出非洲的人类后代倒也不是一点都没有修正这一基因劣势——在高纬度地区生活的白种人所拥有的浓密毛发，并不是某些低级笑话中所谓的“进化迟缓”，而恰恰是相对短的时间内出现的适应性遗传特征。不过，人类毕竟是一种生命周期比较长的生物，单次代际更替时间以数十年计，完全依靠基因自行调整，实在是件效率极低的事，而人类本身相对单调的基因库，更是让这一缺陷雪上加霜。

　　秉承着“自己动手，丰衣足食”的精神，我们的祖先首选的保暖方法自然是寻找隔热材料，这是最直接也最容易的方式。众所周知，常见的隔热材料大致可以分为三类，其中的多孔材料、热反射材料两类，在自然界中比比皆是。恒温动物的皮毛与油脂，以及部分植物纤维是最普遍的热反射材料，而海绵、羽毛这样的东西稍作处理，就是相当不错的多孔材料，至于干燥的木材、以硅酸盐为主要成分的黏土，更是随取随有。事实上，直到工业革命之前，人类的被动御寒手段都没离开过这两条路子，而且基本没有什么改进，对比一下史前便进入极地生活的多赛人和楚科奇人，还有稍后登上历史舞台的因纽特人，以及20世纪初期前往极地的阿蒙森和斯科特探险队。我们不难发现，他们的御寒衣物的材质并不存在本质性的区别，这一情形直到现代化学工业发展起来后才发生了变化。

　　人类真正开始摆脱直接向自然索取，开始在隔热材料领域“自力更生”是19世纪后期之后的事。化学工业的进步造就了一批导热系数远低于自然材料（通常的标准是低于0.2）的人造隔热材料，尤其以作为石油化工领域副产品的各种高分子化合物最为常见（80后大多尝过在炎热季节穿着廉价化纤衣物的滋味），而各种聚酯、聚酰亚胺材料，以及泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉等更是被广泛应用在从建材到飞行器在内的诸多领域。最重要的是，另一类隔热材料——真空隔热材料——也在19世纪末开始被实用化，并在20世纪大放异彩。与只能穿着毛皮衣衫、依靠金属和木材制成的船壳保存那点儿可怜巴巴的热能的19世纪极地探险队不同，现代极地探险已经不再是死亡之旅的代名词，而这在很大程度上正是拜隔热材料的进步所赐。

　　当然，正如前面所提到的，现代隔热材料的取得必须基于发达的近现代工业体系。而这也意味着，如果地球上出了什么特别大的幺蛾子（比如说，曾经在冷战时代让数代人心怀惴惴的核冬天），要想补充这些材料可就不太容易了。值得庆幸的是，诸如化纤、泡沫塑料、高硅氧棉之类的玩意儿大多化学性质相当稳定，只要保存得当，放上几个世纪甚至几千年一点儿也没问题。

　　不过，无论“节流”的技术如何发展，除非弗诺·文奇笔下那足以直接切割时空的神奇“圆球”变成现实，否则彻底而永远地截断能量流动仍是不现实的——任何隔热材料都只能降低热传导率，而就算是所谓的真空也做不到真正的“空”：就连某些红超巨星与蓝超巨星外壳的物质密度也比我们在实验室里制造出的“真空”要小得多，更遑论量产型的真空隔热材料了。正因如此，仅仅“节流”不过能纾一时之困，必须与通过增加能量供应的“开源”相结合，才是治本之道。

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　　被动方案：开源

　　尽管前几年席卷中国的光伏产业热潮曾经一度让人们产生了一种幻觉，亦即太阳能是一种新型的“高科技”的能源，但事实上，这差不多可以算是人类历史上最严重也最普遍的常识性错误了：很少有人知道，人类目前所运用的能源九成以上都直接或者间接来自太阳核心所发生的氢聚变反应，而剩下的那点儿（地热能、核裂变）其实也和广义的“太阳”有那么点儿关系——当然，这层关系和本话题无关，在此就不继续展开了。

　　在地球上，很少有什么东西是比太阳能更容易直接利用的，因为你只需要做一件事：晒。从最低等的蓝细菌到相对复杂的冷血爬行动物，古往今来几十亿年一直是这么干的。而对于那些已经转换为生物能的太阳能，则只需做另一件同样简单，并且同样已经被地球生物做了几十亿年的事就可以了：吃掉它，消化它。

　　当然了，也有一部分被转换的太阳能是不那么容易被利用的：自从植物于泥盆纪-石炭纪之间完成登陆之后，树木就迅速登上了历史舞台。这一部分植物进化出了木质素，用以构建自己的细胞壁，而木质素对于一般的动物而言（除了某些与特殊的微生物共存的家伙之外）根本无从消化。但是，也正因为木质素相对稳定的化学性质，人类文明才阴差阳错地得到了用以跨过多道文明门槛的关键垫脚石：试想一下，如果没有充足的木材与煤炭供应，蒸汽机时代的工业系统又该从何寻找可靠的动力来源？第一次工业革命之所以能在森林茂密、有着大量优质煤田（尤其是威尔士煤）的英国起步，能源其实也是不可忽视的因素之一。

　　自从百万年前的直立人开始有意识地保存自然界中的火种后，“烧点儿什么”就成了御寒的不二法门，直到现在也没有什么根本性的变化，至多是在这一过程中加入了更多的环节，将转化出的热能以更高效（以及更舒适）的手段释放出来。即便是配备有目前最高水准采暖设施的各国极地考察站，站内的空调、常规暖气乃至相对先进的碳晶采暖设施，仍然是依靠化石燃料燃烧所产生的电能驱动的。而化学能电池至多只用于电热服、电热毯这类小型取暖设备，或者作为迫不得已时的后备手段。

　　除此之外，直接转化太阳能其实也是可以考虑的供暖能源来源之一，只不过两极地区阳光本就暗弱，再加上长达半年的漫漫极夜，使得光伏设备在极地探险活动中相对不那么容易派上用场。而另一种无限供应的能源——地热的获取，则受到诸多自然条件限制。但在理想条件下，它们仍然是值得考虑的能量来源。更重要的是，在二战之后，人类还多了一种近乎万金油的能源选择：核电。随着近年来核电小型化技术的发展，M-power、SMART、KLT40S这类民用小型反应堆接连被推出，300MW、100MW乃至装机容量低于10MW的小型核电站的出现，正逐渐成为小型社区能源供应的可能选项之一。一切看上去似乎正如冷战时期支持美国海军全面核动力化的专家们所说的：能源问题？安上一座核反应堆就能解决。如果不够，那就再加几座！

　　总而言之，就人类目前的技术而言，无论是保温还是供暖，至少对付地球的冬季和两极地区的寒冷，都是没什么问题的。但“此时此刻”的经验并不一定能直接套用于彼时彼刻，如果考虑到客观环境中的某些不那么理想的变量，情况又会如何呢？

　　理想是丰满的，不过现实往往……

　　富兰克林爵士（不是玩风筝的那位）和他的西北航道探险队的悲惨境遇，在人类探险史上可谓众所周知。不过，后来的研究者大多将注意力放在了对爵士手下的探险队员们在冰天雪地中最后的葬身之地的考证上，对“恐惧号”与“幽冥号”这两艘探险船反而关注不多。与许多人想象的不同，虽然建造于19世纪中叶，但富兰克林探险队的这两艘船已经具备了现代极地探险船只的某些要素：它们的舱室气密性良好，蒸汽机产生的废热可以通过管道系统为船舱内部供暖。在辅助供暖的传统炉灶配合下，纵然外面冰天雪地，只要锅炉的能源供应不断，船员们完全没有受冻之虞。

　　但他们最后还是被埋葬在了冰天雪地之中。

　　促使船员们放弃作为避难所的船只的原因众说纷纭，但一般认为，考虑到船员弃船而逃的时间，燃料耗尽显然是诸多原因中可能性最大的一项：当锅炉中的火焰最后一次熄灭之后，再精巧的供暖设备也都成了废铁，而长期在铅中毒、长期封闭环境引发的抑郁和维生素短缺下坚持的船员们，自然只能在最糟的情况下选择孤注一掷。而在数个世纪之前，格陵兰岛西部的维京人定居点也因为相似的原因而在寒冷中走向了衰亡：当维京殖民者将这座曾经的“Greenland”上可供用作燃料的树木砍伐一空，而前往纽芬兰沿岸伐木的所有航道又因为小冰期的到来而被大量浮冰变成无法通行的死亡之路后，曾经的殖民地也就成了寒冷的死亡陷阱。

　　在油轮与LNG船满大洋跑、煤炭跌成白菜价的今天，能源短缺对大多数人而言是难以想象的。而如果排除政治经济因素干扰，当今的人类也确实有本事在地球表面的任何一个角落维持一处定居点的持续能源供应。不过，在可能的极端情况下，一切很可能就不这么简单了：试想一下，当未来的探险者辛辛苦苦地抵达火星、小行星带、木卫、土卫乃至更遥远的落脚点时，指望他们能一次性带足燃料实在是件不太现实的事，毕竟，即便经过压缩，任何以碳氢化合物为基本成分的燃料都还是太占空间，而雪上加霜的是，这类燃料还需要氧气——偏偏太阳系中可以方便地取得足够多游离氧的地方并不太多。没错，在越冷的地方，水冰这玩意儿就越常见，电解它们制取氧气用来供应呼吸倒是凑合，拿来烧火就不大划算了。


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