本书为“动手做”系列丛书之一，通过科学家与小学教师进行座谈，消除了教师们对科学的畏惧，并带着他们以轻松愉悦的心情亲近科学，这是让他们了解科学的第一步。它是一本通俗易懂的科普书，阅读它不需要预先懂得很多的科学知识。本书要向小学教师介绍最基本的科学知识，要让他们知道，即使那些没有接受过科学入门教育的人，同样也可以接近所谓高深的科学。本书也适合家长们阅读，可以帮助他们和自己的孩子一起去发现和探索科学的奥秘。书中提供了一些极易操作的小实验，它们为读者指引了一条通向科学奥秘的道路。读者通过动手做这些实验，可以增强他们探索科学的欲望和兴趣。

在《科学的种子》第五册中，七位科学家将邀请你去探索和他们各自研究领域相关的七个主题。请你带着好奇心、带着探索的愉悦，就像做一项实验，一起来追寻科学的足迹吧。

动物为什么要迁徙？它们如何在长达上万千米的旅途中准确定位？和生物学家德尔菲娜·皮卡梅罗一起出发去追寻迁徙动物的足迹吧。最新的卫星定位技术加上传统的研究方法，科学家可以更好地了解动物的迁徙过程，这项研究有时候甚至能够保护那些濒危物种。

从古代开始，人类就一直在试图模仿自然。心理物理学家阿涅斯·吉约将告诉我们，人类如何利用先进的技术制造那些更加高效、更为灵活甚至可以自学的机器人。

从生产做饭用的天然气到制造无处不在的塑料制品，再到提炼汽车不可缺少的汽油，石油算得上是工业化社会的真正基石。在介绍了石油形成之初的地质现象以及地下的油田之后，阿兰一伊夫·于克又提到了石油工业在未来将要面对的多项挑战。

为了解释计算器是如何工作的，数学家吉尔·杜维克会带领我们走进计算器之中，一起经历一次奇异的梦幻之旅。我们将在计算器的基本组成部分——逻辑门之间穿梭旅游。

如今，我们服用了越来越多的抗抑郁药物、抗焦虑药物、安定剂以及安眠药……但是有多少人清楚这些药物是如何起作用的？在破解人体神经系统工作方式的同时，贝尔纳·卡尔维诺医生会帮助我们理解这些药物是如何作用于人脑的，这有利于改正我们的不良用药习惯。

平时我们怎样估算时间的长短？怎样测量纸的长度？测量是每一个人都会经常去做的行为。我们使用仪器将物体的量和那些基本单位(秒、米等等)作比较，但是有多少人会注意到仪器的精确度呢？精确和准确是一回事吗？在重温测量发展史上那些伟大瞬间的同时，布律诺·雅各米会一一解答这些问题。

现在，观察一个沙漏。由沙粒组成的沙堆是固体、液体还是气体？压路机、沙堆城堡、沙丘、雪崩……在了解这些事物的同时，我们将随着物理学家埃蒂安·居荣一同去研究奇特的微粒世界。

这七个主题告诉小学教师，还有充满好奇心的父母，只要用通俗易懂的语言来表述，再加上同样简单的实验，其实科学并非像我们想象的那般晦涩难懂。

序言

迁徙的动物

·动物和迁徙

 什么是迁徙？

 动物为什么要迁徙？

 动物，尤其是鸟类如何确定时间和在空间中定位？

 动物是如何适应远征的？

·研究动物的迁徙

为什么要研究迁徙这种现象？

怎样研究迁徙？

现在的动物追踪技术

·通过ARGO)S系统追踪动物的足迹

ARGOS系统的组成

动物适用的发射机

已知的数据结果，以白鹗和棱皮龟为例

 参考书目

 背景资料

机器人

·从自动装置到第一批机器人——几个著名的自动装置：现实与传说

 智能机器人和“愚蠢的”机器人

·机器人的研究

 如何设计机器人的行动程序？

 仿生机器人

 会学习的机器人

 会进化的机器人

 自行研究的机器人？

·未来机器人的发展趋势

可重新塑造外形的机器人

超微型机器人

“杂交型”机器人

无法控制的机器人？

·为了更加深入探讨，提出一个教学问题

电脑是机器人还是自动装置？

有没有一个“机器人伦理”委员会？

参考书目

背景资料

石油

·什么是石油

·寻找地下油田

 地表的地质特性

 钻井

 利用岩石的物理学特性

 对地下的超声波探测

·石油矿床是如何形成的

 母岩

 引流系统

 盖岩

 石油圈闭

 漫长的历史

参考书目

潜入计算器的核心

·逻辑门

·逻辑门的组合连接

·把图表变成电路

·具有三个或更多个输入接口的电路

·二进制

·一个小型计算器

·一个计算器

·小结

·为了更加深入探讨，提出一个教学问题

大脑的药物

·神经系统的功能与结构

 周围神经系统

 中枢神经系统

·神经元一一神经系统的功能单位

 神经元的结构

 神经元的功能

·突触

 突触的功能

 神经介质的两大类型

·神经介质——突触的化学信息

·神经系统药物作用于突触的方式和步骤

 数千年来人们熟知的一些植物萃取物，它们就是神经系统药物

第一个神经系统药物：精神药物学的出现

利血平，一种可以抑制突触小泡对神经介质再摄取的分子

苯丙胺，一种可以促进突触小泡释放神经介质的物质去水吗啡和氯丙嗪，模拟神经介质

甲基黄嘌呤，抑制或弱化后突触所在神经元活动的物质

抑制神经介质再捕获过程的物质

抑制突触后细胞外神经介质降解酶或者突触前细胞内神经介质降解酶活动的物质

参考书目

测量

·约等于时间的天体

·革命性的测量

·选择“米”制

·“米”和“秒”

·测量无限

·测量工具——模拟还是数字：

·气象台

参考书目

背景资料

沙堆物理学

·颗粒

·水果金字塔和有序堆放

·弹珠堆和无序堆放

·颗粒堆并不是真正的固体

真空包装中碎咖啡不是有弹性的固体

压路机和穹顶效应

砂岩和沙堡：具有某种“黏性”的颗粒

从古希腊数学到巴黎拉德芳斯大拱门

·运动中的颗粒：颗粒堆是液体吗

沙漏

雪崩

·稀释的颗粒堆是气体吗

 跳跃的颗粒

 流化层

 风沙

 沙丘的形状

 被细小颗粒带动的空气

·均匀地搅拌颗粒是如此之难

“巴西核桃仁效应”

 山区的石堆

·结束语

参考书目

视听资料

背景资料

词汇表

大脑的药物

贝尔纳·卡尔维诺(Bernard Calvino)

生活在这个星球上的每一个人总是在评价着自己所处的环境，比如，天空是什么颜色？草坪的柔软度如何？照在身上的阳光强度怎样？周围的花朵闻起来是什么味道？最喜欢和最讨厌的香皂是什么香味的？鸟儿的歌声是否动听？……其实，这种诗歌般的描述也反应了一个现象——人体和周围的环境无时无刻不在交换着各种各样的信息：这是我们身体中的神经系统通过感受器(即用于感受人们熟知的五种感觉——视觉、触觉、听觉、嗅觉和味觉的器官)辛勤工作的结果。人体的感受器能够随时接受来自外界的各种物理和化学信息并进行编码，然后将它们转换成神经信息传输到中枢神经系统并储存起来，这就是所谓的“记忆”。传输进来的信息还要经过大脑信息中心的处理，随后人脑会发出指令，通过向外传送的运动神经信息对外界的环境作出相应的反应。

简单来说，神经系统是通过以下三个层次来运转的：组织、细胞、突触。某些药物发挥作用时能够改变人体神经系统的活动，其实这里面最关键的一个环节就是突触，因为它是两个神经细胞——神经元之间的连接部分，在神经元之间传递信息就全靠这些小小的突触了。

从古希腊开始，人们就知道分子可以改变人的行为。人类凭借积累的经验发现，那些“自然”物质(花、水果、蘑菇……)进入人体后会对人体本身产生影响，但是真正用理性的科学方法研究这种现象，甚至发明新的分子，就属于精神药理学的范畴了。精神药理学的“岁数”并不大，直到20世纪后半叶才真正成为一门独立的科学，它的主要研究内容就是制作突触模型。

如今，在法国，以下这些药物使用非常频繁，甚至可以说有滥用的嫌疑：抗抑郁剂、抗焦虑药物、安定药、安眠药……这种令人担忧的现状引起了所有医疗机构的重视。事实上，它已经成为公共卫生的一大隐患和难题。基于以上事实，对各位读者来说，了解人体神经系统的运转是必不可少的，认识了神经系统才能更好地了解药物是如何影响人的神经系统的。

神经系统的功能与结构

从组织角度来说，我们可以把神经系统比喻成一个信息传输带，这个传输带既快速又可以随时进行调节，而行驶在这个传输带上的就是神经信息。

人体的神经系统可以捕捉到外在周围环境以及人体内部各种参数的变化，同时对它们作出反映：如果在大街上听到有人叫我们的名字，神经系统会对动脉血压作出调整，然后我们就会转身看看叫我们名字的人究竟是谁。神经系统的另外一项功能就是持续调整人生存所必须的各种物理化学参数——体内温度、动脉血压、血浆葡萄糖浓度等等。

整体而言，人体内的神经系统可以分为下列两大系统(见图5—1)。

人体的神经系统按其形态和所在部位可分为以下两个部分。

中枢神经系统(脑、小脑、脊髓)，也就是图中的脑脊髓轴部分。

周围神经系统。该系统如果按照“区域”来划分，还可以分为体神经系统(躯体性神经系统)和内脏神经系统(植物性神经系统)；如果按照“方向”来划分，可分为感觉神经系统(图中脑脊髓轴左边)和运动神经系统(图中脑脊髓轴右边)。

体神经系统通过感觉感受器(例如皮肤感觉感受器)收集外界有关的信息(环境刺激)，将其传送到中枢神经系统(图中向上的箭头)，之后，将高级神经中枢发出的运动指令(图中向下的箭头)传输到身体的骨骼横纹肌(即对环境的反应)从而引起骨骼肌的运动。感觉神经元在背神经节中有细胞本体，在脊髓中有运动神经元。

内脏神经系统通过内脏感觉感受器(向高级中枢神经传递的内脏感觉信息，图中向上的箭头)向高级中枢神经传送人体内部各项参数的变化情况(各种内脏刺激，例如动脉血压、氧压力、二氧化碳压力、葡萄糖浓度等)，如果参数出现紊乱现象，内脏神经可以通过作用于内脏平滑肌(内脏运动信息，图中向下的箭头)并借助植物性神经来调整参数(内脏反应)；植物神经属于运动神经的一种，由两个神经元以及连接两者的位于植物性神经节中的突触组成。

周围神经系统

组成这个系统的神经，如果是负责从周围感觉感受器将神经信息以向心的方向传送到中枢神经系统的就是感觉神经(传人神经)，如果正好相反，以离心的方式将信息从中枢神经系统向外传送的则是运动神经(传出神经)。神经是由若干个神经纤维即神经元的轴突组成的。如果这些纤维都是向心方向的，那么它们的综合体就是感觉神经；如果纤维都是离心方向的，那么它们的综合体就是运动神经。当然，如果两种纤维同时存在，就是混合神经。可以支配骨骼肌使其收缩和伸张的运动神经，我们称之为躯体性神经。而那些能够支配内脏(心脏、血管、支气管、消化道)肌肉的运动神经又组成了另外一种运动神经——植物性神经。

中枢神经系统

中枢神经系统由大脑和脊髓组成，负责分析接收到的各种信息。这些信息有两个来源，一是通过感觉感受器感知周围环境信息，二是通过生理参数感受器探测到的人体内部信息。中枢神经系统分析完信息以后，就会发出相应的行为指令。

神经信息的形成、传导以及整合是由神经系统和神经元本身的特性决定的，不过对神经信息具有决定性影响的还有两个神经元之间的交接地带——突触。

神经元——神经系统的功能单位

从细胞组成的角度来看，神经系统其实是由彼此各不相同的数以干亿计的神经细胞组成的一个庞大网络，它的基本单位就是神经元。这些神经元的形态差别很大，但是它们的共同点就是能够接收上一个神经元的信息并将其传递到神经系统里的下一个神经元。同肌肉细胞一样，神经元也是兴奋型细胞。神经元的一大功能就是传递电脉冲，当位于细胞表面的受体接收到神经传导物质时，神经细胞便会产生动作电位以传递信息。信息在一个神经元内的传递是通过电脉冲。各类神经元放出电脉冲的频率并不相同，电脉冲频率发生变化的同时也就完成了神经信息编码的工作。

信息在一个神经元内部传递使用的是电脉冲，但是神经元之间并不是拼接在一起的，神经信息又是怎样在神经元之间进行传递的？很简单，改变传递物质的性质：当信息到达另一个神经元末梢的时候，一些生化物质便会被释放出来，这个神经元因为拥有接收该种生化物质的“接收器”(学术上称为“受体”)，便会收到所传送的信息，然后再经由同样的电脉冲与生化物质交替的过程，将信息传递到其他的神经元。换句话说，电脉冲在两个神经元问的连接部分(突触)转变成为化学物质。

神经元的结构

神经元也称神经细胞，是人体中许许多多细胞的一种。它和其他细胞有共同的地方，也有自己独特的结构。围绕着神经元内细胞本体(体积较小，大约为十几纳米)的是如下两种呈触手状的结构。

一是树突。每个神经细胞中往往有很多树突，它们多而短小，呈树枝状，可以接受刺激，将兴奋转入胞体，即传入神经信息。

另一个是轴突。每个神经细胞中只有一个轴突，轴突的长短变化非常大，短的有十几纳米，最长的坐骨神经可达1米！轴突是把神经元兴奋的信息传递到其他神经元的出口，它呈细索状，末端有分支，称为“轴突末梢”。  在神经元内部，神经信息传递的方向如下，这种传递的方向几乎不会发生变化：

树突—细胞本体—轴突—轴突末梢

神经元的功能

中枢神经系统神经元的细胞本体和它的众多树突与上一个神经元的轴突末梢相接触。在传递过程中，细胞本体会将所有不同的信息整合成一个编码信息，然后再将这个全新的神经信息传递到轴突起始的地方。

然后轴突再将新神经信息传递到它的末梢。其实，轴突只负责把信息传递到末尾地区，尽管传递的长度有时能达到1米，但在这期间，神经信息的性质不会产生任何变化。

轴突末梢在接收到神经信息后，会释放出很多化学物质，即神经介质。这些化学物质都储藏在突触末梢内的突触小泡之中，突触传递就是靠小泡里的神经介质完成的，神经信息也是通过这种方式传递到下一个神经元。

P87-93

“科学的种子”是什么？

《科学的种子》是法国“动手做”项目的系列丛书。该丛书并非教科书，它不仅面向儿童，还面向“普通”的读者，面向那些对我们所居住的世界感兴趣的人，面向那些为科学深深吸引但却没有机会从事科学研究的人……总之，它是想把对科学好奇与渴求的种子传播给身边的儿童和读者，尤其是传播给学生家长和小学教师们，播下科学的种子，期待着发芽，等待着开花结果。

本丛书是这样诞生的。

从1998年10月起，“葡萄藤”基金会每年在普罗旺斯组织一次由八九位科学家和三十几位小学教师参加的研讨会。虽然参会者每年不同，但他们都一致认为有必要在学校尝试科学实验教育。科学家和教师各自代表着一个彼此尊重但却互不沟通的群体。通过举办这种“秋季大学”，使大家清楚地认识到他们各自在编写“动手做”系列丛书中的角色和作用。本丛书的目的是向读者介绍一些基础的科学知识。本丛书倡导的“动手做”的科学实验过程是：首先，提出问题，由小学生说出自己的猜想，并在教师的带领下做一些简单的实验；然后，由学生作出判断，得出答案；最后，让他们把自己的科学方法和步骤记录在报告上。

与会的教师大都有过这样的经历和感受：在那遥远的中学时代，日子平淡而略带有不幸，那时几乎没有什么科学教育，人们常以为科学遥不可及……所有这些都使他们中的许多人到现在都没有勇气去“动手做”一些实验，认为科学实验难以成功，甚至还有人认为科学与他们毫不相干。这些人是广大教师队伍中的一部分，他们的感受也代表着其他教师的心声。

每年举办的“秋季大学”力图消除教师们的这些偏见。在“秋季大学”的活动中，主持人要推荐教师们的讲义，给它们配上插图；科学家们表演“动手做”游戏；到会的教师往往会提出一些刁钻的问题，这时科学家们就不得不另辟蹊径、深入浅出地从理论上予以回答。于是两者之间便建立起了一种默契。这些活动使人们相信：科学活动和审美一样也是可以分享的；专家和业余爱好者之间也同样可以进行很好的思想交流。

“秋季大学”结束后，由科学家执笔，每人写出各自专业领域的章节内容，这其中包括一些教师和儿童很容易做成功的小实验。每章内容写完后，先由小学教师阅读，并让他们对文字的可读性和实验的可操作性提出自己的建议。此类交流在这个阶段要反复多次，它是整个计划中最富创意的部分。

本系列丛书每年都以轻快的脚步向广阔的科技领域迈进一步，“动手做”的题材将涉及各个学科。尽管这套丛书的读者对象并不只是儿童，但是我们希望它能对儿童智力的培养起到一些间接的作用。因为儿童往往比成年人更具有探索精神，他们总有一连串的问题。但愿儿童在读完这套丛书后能得到一些有关“为什么”和“怎么样”等问题的答案。

探索在继续

在《科学的种子》第五册中，七位科学家将邀请你去探索和他们各自研究领域相关的七个主题。请你带着好奇心、带着探索的愉悦，就像做一项实验，一起来追寻科学的足迹吧。

动物为什么要迁徙？它们如何在长达上万千米的旅途中准确定位？和生物学家德尔菲娜·皮卡梅罗一起出发去追寻迁徙动物的足迹吧。最新的卫星定位技术加上传统的研究方法，科学家可以更好地了解动物的迁徙过程，这项研究有时候甚至能够保护那些濒危物种。

从古代开始，人类就一直在试图模仿自然。心理物理学家阿涅斯·吉约将告诉我们，人类如何利用先进的技术制造那些更加高效、更为灵活甚至可以自学的机器人。

从生产做饭用的天然气到制造无处不在的塑料制品，再到提炼汽车不可缺少的汽油，石油算得上是工业化社会的真正基石。在介绍了石油形成之初的地质现象以及地下的油田之后，阿兰一伊夫·于克又提到了石油工业在未来将要面对的多项挑战。

为了解释计算器是如何工作的，数学家吉尔·杜维克会带领我们走进计算器之中，一起经历一次奇异的梦幻之旅。我们将在计算器的基本组成部分——逻辑门之间穿梭旅游。

如今，我们服用了越来越多的抗抑郁药物、抗焦虑药物、安定剂以及安眠药……但是有多少人清楚这些药物是如何起作用的？在破解人体神经系统工作方式的同时，贝尔纳·卡尔维诺医生会帮助我们理解这些药物是如何作用于人脑的，这有利于改正我们的不良用药习惯。

平时我们怎样估算时间的长短？怎样测量纸的长度？测量是每一个人都会经常去做的行为。我们使用仪器将物体的量和那些基本单位(秒、米等等)作比较，但是有多少人会注意到仪器的精确度呢？精确和准确是一回事吗？在重温测量发展史上那些伟大瞬间的同时，布律诺·雅各米会一一解答这些问题。

现在，观察一个沙漏。由沙粒组成的沙堆是固体、液体还是气体？压路机、沙堆城堡、沙丘、雪崩……在了解这些事物的同时，我们将随着物理学家埃蒂安·居荣一同去研究奇特的微粒世界。

这七个主题告诉小学教师，还有充满好奇心的父母，只要用通俗易懂的语言来表述，再加上同样简单的实验，其实科学并非像我们想象的那般晦涩难懂。

这些科学家的努力也为“动手做”行动注入了新的活力。1996年，乔奇·沙巴克和法国科学院一同发起了“动手做”行动，它旨在革新法国小学的科学教育，启发儿童的创造力。这项活动也得到了多位科学家的支持，他们还为小学科学教师提供多种资源(书籍、网站)。2000年9月，当新学年伊始之际，小学正式开始执行旨在革新小学科技教育的“科学计划”。2002年9月，法国教育部又开始执行关于科学教育的新计划：它们都与“动手做”行动密切相关。

为了改革的落实，并最终获得成功，每项改革都需要自己的“革新实验区”。“动手做”行动就是要让实验、建议、创造力和交流在未来遍布整个法国，尽可能地激发人们的首创精神。法兰西科学院和它支持的小组在用自己的方式推动着这项行动，科学院和教育部达成协议，并在过去的多年中，与众多的合作者尤其是科学领域的工作者一道完成了《科学的种子》前五卷的撰写、编辑、出版工作，这些科学工作者不仅无私地奉献了自己的时间，而且自愿放弃了自己的著作权。

如今，源于法国的这些先进理念已经超越了国界：无论经济发展水平如何，全世界每个国家都面临着同样的困扰，那就是如何帮助孩子和家长去认识科学、了解科学。从哥伦比亚到中国、从埃及到摩洛哥、从墨西哥到泰国、从匈牙利到美国，“动手做”行动已经引起了多个国家的兴趣和效仿，各国的科学院也经常开展相关的合作项目。此项创举在世界范围内促进着班级、学校或教师之间的交流，在21世纪全球化进程中留下自己独特的痕迹。这里，我们希望《科学的种子》第五卷能为此尽绵薄之力。

出版部主任

2000年6月