前言
纯净的时光之河，
源远流长；
冷冽甘甜的河水，
流过了千千万万个日夜。
——弗雷德冈·肖夫，《生命之河》（1956）
照照镜子，想想年轻时的自己。到了中年，脸依稀可辨还是年轻时的那张脸，但已是满脸色斑、皱纹，肌肉也松弛了。即使花一大笔钱做了整容手术，仔细端详也会原形毕露。随着时光流逝，我们在不知不觉中日渐衰老。约翰·弥尔顿在他早年的十四行诗中，以惯有的简练讨论了这个问题，把时间形容为“盗窃青春的狡猾小偷”。1“狡猾”一词道尽了一切。时间经常在不经意间溜走。当我们关注它的时候，它就老老实实，但只要生活稍微拉偏我们凝视它的目光，它就会健步如飞，一去不回。不仅如此，即使我们睁大眼睛，往往也只能捕捉到它飘然而逝的背影。
1秒可以分为1 000毫秒或100万微秒。微秒快得就像在仙境中飞行，我们容易注意到的是发生在几毫秒内的动作。2在夏威夷海岸，我们惊奇地看到一头座头鲸破浪而出，然后我们目不转睛地看着它在空中猛地转身，一头扎进海水之中。借助手机或电视屏幕，我们可以远程欣赏这种气势恢宏的飞跃。以每秒24帧的标准电影速度拍摄的数字图像，相邻两帧之间有约42毫秒的间隔。观看视频时，我们认为自己看到的是座头鲸飞跃的全过程，却没有意识到其实我们看到的是一幅幅独立的图像，它们就像翻动的书页或者洗牌时的纸牌一样，在我们面前快速闪过。视频中座头鲸的动作看起来就像在现场观看时一样流畅。
一些实验表明，大脑就像一台摄像机，可以将动作分解成一系列不连续的图像，然后组合起来，给我们一种连贯动作的错觉。显然，视觉背后的潜在机制具有这个特征。有证据表明，即使显示的图像仅有3毫秒的间隔，我们也能感知到它们的顺序。3蜂鸟每秒扇动翅膀50次，这意味着一次完整的上下扇动耗时20毫秒。也就是说，蜂鸟翅膀的这种运动在我们感知范围的边缘，因此在我们的视野中，空中悬停的蜂鸟身体轮廓非常清晰，翅膀则是模糊的三角形。当我们看速度更快的东西，比如一只白色床单上的猫蚤时，我们会发现它从一个位置消失，瞬间又从另一个位置出现，两者相距一个枕头的宽度。事实上，一眨眼的时间足以让几百只猫蚤一只接一只地快速完成跳跃动作。
人类听觉和触觉的敏感度大致处于和视觉相同的时间范围内，持续2毫秒的突发声音或针刺会在我们的意识中留下印象，持续时间更短的刺激则不会被注意到。4感觉之间发生这种重叠现象并不奇怪，因为隐藏在所有形式的意识背后的基础机制都依赖相同的神经硬件来运转。速度更快的事件当然有可能夺去我们的生命，但自然选择认为，当闪电、眼镜蛇或黄貂鱼即将发起袭击时，我们不应该具备能帮助我们躲开威胁的灵敏感觉。演化中的大量时间被用来研究如何避免那些更常见的可能导致我们英年早逝的威胁。因此，在众多的生命活动中，我们把更多的注意力投向了几秒这个时间长度。
在早上离开家门的那几秒内，“伊甸园”（这里指我在俄亥俄州的花园）里正在发生着一些隐秘的活动：日出时从兔子粪便中长出来的幼小真菌把一连串的孢子排放到空气之中，叶蝉利用转速比保时捷的活塞还快的“齿轮”从车顶跳下，池塘里的水螅利用“高压鱼叉”向猎物发射刺丝囊。这些活动跟我们有关系吗？即使不知道这个小人国马戏团的热火朝天的表演，我们也能过好每一天。从这个意义上说，这些活动就像地球每天的公转一样，与我们没有多大的关系。早于我们知道地球是在绕着它的“软轴”旋转，而不是静止不动，听任阳光洒落在我们身体周围，日出日落的现象就已经存在很长一段时间了。事实上，几年前的一项调查显示，多达1/4的美国人仍坚持传统的宇宙观。5
没有接受过教育的人可能会满足于简单的世界观，或者不知道还有更广阔的未知世界，一旦他们知道地球是运动的，生命并不仅限于那些耳熟能详的时间尺度，他们就会茅塞顿开。在我们这本生物学相关的书中提到宇宙，是有重要意义的，因为短短一秒内的生命过程也是丰富多彩的，哪怕匆匆一瞥，也会让人产生在晴朗夜晚看到银河系的那种强烈震撼感。威廉·布莱克说：“如果感知之门通透纯净，世间万物就会彻底呈现在人们眼前，一览无余。”6观看蜻蜓扇动着宛若彩色玻璃的翅膀在空中飞行的高速视频，就像观看日食一样激动人心。
自然界中的这些快速过程，即使没有激发我们去思考它们是否有更广泛的意义，也会因其本身的美而吸引我们去了解它们。不仅如此，研究大放异彩的快速运动，还有其实际意义，因为自然界中的快速过程是慢速过程的基础。在理解这些过程时，我们必须兼顾两者，不可厚此薄彼。每一秒，生命体中都会发生大量化学反应，它们让神经兴奋，让肌肉纤维滑动。深入研究这些快速过程，是理解我们身体的工作原理及伤病恢复机制时需要完成的一项重要内容。对研究森林树冠中或海底热液喷口的生物的生态学家来说，快速自然过程也同样具有重要意义。每个生物体都受到细胞内部化学和物理反应速度的限制。在另一个方向上，即从慢到快这个方向上，研究慢速过程的本质，有助于我们理解快速机制的成因。维持细胞运转的每一次分子交换和转化，都必须通过一代又一代的检验。自然选择是一个无法规避的过滤器，它允许快速化学反应的有效组合在时间的长河中流动，而损害生存的因素则被一一检出。从微生物到鲸，所有生命都存在于不同时间尺度的生命过程之中。
本书全面探索了宇宙的整个时间表，短至不足一秒，长至数十亿年。在研究了自然界中最快的运动之后，我们就会转向秒这个时间尺度。每当我们关注当前的时候，我们都以秒为单位计时。我们在幸福的时刻闭上眼睛，让幸福感持续得久一点。但在更多的场合，例如在超市排队时，或者当我们坐在牙医面前，钻头以每秒几千转的转速在我们牙齿上钻孔时，我们希望每一秒都快点儿过去，希望未来快点儿到来。分钟的流逝更难察觉，当它从我们身边经过时，我们可能毫无感觉，但是一旦它远离我们而去，我们就会注意到它。这就是我们感知环境的方式，是我们每一秒都需要做出决定的生物特征决定的。虽然一秒的精确长度是人类的发明（现在是利用原子钟的频率来定义的），但这个节拍似乎十分适合大自然。我们的心脏每秒跳动一次，比冬眠时土拨鼠的脉搏快5倍，又比蜂鸟每秒20次的心率慢得多。在身体的其他地方，淋巴系统和神经系统中的液体每隔几秒就会涨落一次，肠道蠕动和性高潮也有相似的律动频率。一波又一波快得多的生物化学反应控制着这些以秒为单位的身体变化，这说明我们被跨越几个时间尺度的自然过程共同作用，裹挟着进入未来。
动物的很多行为会持续几分钟或几个小时，我们也已经把小时作为时间表中常用的时间间隔来使用。白昼与黑夜以数小时一次的节律不断轮换，一些周期更长的过程依赖昼夜轮换的累积效应，协调着众多动物、植物和微生物的生命周期。植物和其他光合生物的生长告诉我们，生命的每一天、每一周，相互之间都有某种联系。沐浴在阳光下，巨型海藻的扁平叶片每天生长0.5米；陆地上毛竹的生长速度是它的2倍，生长时发出的噼啪声清晰可辨。在绿色植被周期性覆盖北半球和南半球的几个月时间里，植物生长呈现出明显的季节性变化。藻类大量繁殖也会导致海洋发生大面积的颜色变化，尤其是在沿海地区，那里的海水富含从陆地倾泻而来的营养物质。我们记录月份的更迭，但在1/3的时间里，我们都在睡觉，而在头脑清醒时，我们专注于那些为时几分钟和几个小时的经历。
以地球绕太阳的椭圆轨道为基础的重复过程被称为“近年节律”过程，包括大型食草动物的迁徙、动物在寒冷气候下的冬眠、一年生植物以及追逐它们的害虫的生命周期。每几年重复一次的事件在自然界中并不常见，但北美有生命周期是13年和17年的蝉，这个罕见的例子生动地说明，发育可以超越一年一次的循环周期。蝉的幼虫以树根为食，它们有一个神秘的“秒表”，可以记录树的汁液在冬天停止流动或者在春天恢复流动的次数，并让它们蜕变成年的过程与这种长时间的脉动过程同步。这种将生命周期调整至素数的策略，帮助它们战胜了那些无法把繁殖周期调整到与蝉保持一致的捕食者。当蝉出现时，它们惊人的数量使捕食者的影响几乎可以忽略不计，在成虫交配并产下下一代卵之前，它们的数量几乎不会因为遭到捕食而减少。对那些听到过响彻云霄的蝉鸣的人来说，一窝窝数量惊人的蝉真的让他们难以忘怀。
在几十年时间里呈现出一定可预测性或周期性的自然过程，都是建立在昼夜节律（近日节律）和近年节律基础之上的。缓步动物（水熊）是一种适应力极强的生物，它们可以在高温、低温、强辐射、高压和可导致组织脱水的真空环境中生存。它们分布在全球各地，只要将潮湿苔藓放到显微镜下观察，就能很容易地找到它们。这些结构简单的动物可以反复进入假死状态，以干燥状态存活多年。在活跃状态下，它们只有一到两年的寿命，但是在干燥后恢复活力的能力使它们拥有了可以与比它们大得多的动物相媲美的寿命。肺鱼也有类似的能力。它们用黏液包裹自己以度过干旱期，寿命可达几十年。缓步动物和肺鱼身处不可预测且可能致命的环境中，但它们的生存策略为它们赢得了大量繁殖机会。这些动物的生物学特性与人类持续活跃的特点形成了有趣的对比。这种活跃让最长寿的人可以生存30亿秒，但我们的基因已经在地球上运行了30亿年，它们是迭代至最新版本的DNA（脱氧核糖核酸）。
在几十年时间里，我们一直关注那些以秒计的时间尺度，但随着对时间的探索不断深入，我们开始感到人类被大自然忽略了，因为她把我们远远甩在后面。商业捕鲸让弓头鲸从地球上成群消失，这个物种一度濒临灭绝。在过去50年里，弓头鲸的数量有所增加。据估计，地球上现有10 000头弓头鲸，因此弓头鲸不再被列为濒危物种。弓头鲸是高智商动物，现在年龄最大的弓头鲸说不定还记得20世纪30年代结束的那次大屠杀。2007年，因纽特捕鲸者捕获了一头200岁的弓头鲸，它的组织中嵌有19世纪金属鱼叉的尖头。在北冰洋寒冷海水中缓慢游动的格陵兰睡鲨，寿命可能是弓头鲸的两倍。海洋生物学家对捕捉到的睡鲨眼睛中的晶体进行了碳测年，从而确定了这些鲨鱼的年龄。通过观测在20世纪50年代大气层核试验后出生的动物身体内的放射性脉冲，人们证明了这种测年方法的准确性。
许多树木的寿命都比人类长，其中最长寿的莫过于加利福尼亚州、内华达州和犹他州的狐尾松，这种著名的树木寿命可达5 000年。还有更古老的树种，包括8万岁的犹他州颤杨，但它们都是通过根部相连的植物群落繁殖的无性系，每株可能不会生存很长时间。地中海海藻群落的年龄更大，这让人们更加怀疑：只要生长环境保持稳定，植物的寿命就可能不受内在因素的限制。让这个问题变得更加复杂的是，群落里的植物在老的部分死去的同时会发出新的枝条，并通过这种方法不断恢复活力。这意味着我们必须重新思考个体的本质，还要重新考虑如何测定年龄。池塘里的水螅（前面提到过它们的刺丝囊）在18世纪的自然历史学家中引起了轰动，当时有研究表明，它们长有触须的身体在四分五裂之后还能再生，形成的天然芽体可以无限期地存活。在我们这个时代，当我们思考蜜环菌的古老菌落或菌丝的历史及生长过程时，这种神奇的感觉还会再次产生。
监测演化的变化有可能在短时间内完成，特别是在揭示细菌和其他微生物适应环境挑战能力的研究中。但是，当我们考虑重大的生物学变化（包括海洋物种向陆地动物的转变和相反的转变）时，我们必须深入历史，研究千百万年以来生物群体发生的变化。在过去的2.6亿年里，海龟至少4次离开陆地和淡水栖息地，跳进海里。海藻在1亿年前同样经历了从若干植物祖先群体向海洋生物的转变。鲸类是从800万年前的有蹄类哺乳动物（与河马有亲缘关系）演化而来的，时间更近，演化速度更快。
将目光从数百万年前转移到数十亿年前，就会与生命的起源、太阳系的出现和宇宙的历史交会。时间在这种宇宙尺度上的流逝，与一微秒内结束的动作一样，都会对我们的理解力发起挑战。一旦地球上的物理条件允许生物分子的前体保持稳定，生命似乎就产生了——尽管在现有生物的祖先站稳脚跟之前，这个过程可能反复发生了多次，其间还伴有几次地球生命灭绝事件。第一个细胞或原始细胞（protocell）一旦在本来没有生命的星球上开始复制，就会爆炸式发展，建立微生物种群。根据普遍存在的自然选择法则，生命从一开始就在改变。这种加速式生命起源的观点促使人们认为，生物形态各异可能是宇宙中的一个常见现象。时间长河中快速事件的重要性使本书构成了完整的循环，统一了全书10章的时间框架，并将我们的生命置于一个非常清晰的新视角。
本书各章分别探索一个特定的时间片段，首先是快速过程，时间跨度从百万分之一秒到十分之一秒，然后过渡到耗时数十亿年的慢速过程。如果用10的幂这个数学符号来表示，那么第1章讨论的是生物在10-6到10-1秒内完成的快速运动，第10章讲述1017秒[1]前的生命起源。以秒为单位，本书的时间尺度涵盖了24个数量级。7如果我们测量的是距离而不是时间，这些数字就相当于覆盖了从细菌的长度到我们与银河系中邻近恒星之间距离这么大的跨度。当考察更长时间尺度上的生命活动，而不是描述当前的机制时，本书将更倾向于谈论过去。这反映了我们是如何与自然互动的——始终关注当下的情况，以及如何审视人类在更大、更古老的生命结构中所处的位置（这是一个富有想象力的挑战）。在考虑智人退出历史舞台，最终地球也气化消失后的生物圈时，我们必须放眼未来。
本次穿越时间框架的旅程在一开始故意留下了一个空白。细胞内分子的运动只需要千分之几秒，而更快的化学反应和一些无意识的神经过程则会在百万分之几秒内完成。这些机制都被归入前几章。但有的化学反应发生得更快，包括在阳光照射下受热的叶绿素分子间发生的能量转移。一些酶用来加速细胞内反应的方法，可以与所谓的量子事件归于同一类别。完成这些反应只需几飞秒（1飞秒即千万亿分之一秒，用10的幂来表示的话，就是10-15秒）。从某种意义上说，量子过程是一切事物的基础，因为它们支配着原子的行为，但直到前不久，它们还一直没有引起大多数生物学家的注意。我们以为研究自然时无须考虑喜欢嬉戏打闹的原子和亚原子粒子，但随着我们认识到量子事件可能有助于解释生命的运转机制，这种情况开始有所改观。8本书没有对量子生物学这个理论领域做过多的描述，但涉及的范围已经足够广泛。不过，我们有必要承认这个时间的神秘基础。我们把速度调到10亿分之一，看看用高速摄像机拍摄的自然界中最快的运动，在慢速播放时会是什么样子。
[1]第10章讲述的内容以10亿年（1016秒）为时间尺度，但生命起源于40亿年（约1.3×1017秒）前。——编者注