ΜΑΡΧΗ 1994 ∃3.95 ςισιτινγ ψουρσελφ ιν τηε παστ. Ρεωριτινγ τηε γενεσ. Ινφορµατιον ηιγηωαψµεν. Ιν τηε δεεπ Ατλαντιχ, Ναυτιλε ηυντσ φορ χλυεσ το τηε φορχεσ τηατ µακε χοντινεντσ δριφτ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. Μαρχη 1994 36 ςολυµε 270 Νυµβερ 3 Χαν τηε Γροωινγ Ηυµαν Ποπυλατιον Φεεδ Ιτσελφ? ϑοην Βονγααρτσ Βψ τηε ψεαρ 2050 µορε τηαν 10 βιλλιον ηυµαν βεινγσ ωιλλ ινηαβιτ τηε εαρτη. Μανψ ενϖιρονµενταλιστσ ρεγαρδ τηισ σιτυατιον ασ χαταστροπηιχ. Βυτ α γροωινγ γρουπ οφ εχονοµιστσ ανδ αγρονοµιστσ σαψ τηε πλανετ χαν χοµφορταβλψ συσταιν τηισ νυµβερ ορ αν εϖεν ηιγηερ ονε. Τηεψ µαψ ωελλ βε ριγητ, ψετ ενϖιρονµενταλ ανδ οτηερ χοστσ αργυε φορ προµοτιον οφ εχονοµιχ γροωτη ανδ ποπυλατιον χοντρολ. 44 Τηε Εαρτη∏σ Μαντλε βελοω τηε Οχεανσ Ενριχο Βοναττι Ωηατ αρε τηε φορχεσ τηατ προπελ τηε εαρτη∏σ τεχτονιχ πλατεσ ασ τηεψ ⇓οατ ον τηε µαντλε? Το ⇒νδ ουτ, τηε αυτηορ ανδ ηισ χο−ωορκερσ σπεντ µανψ δαψσ δεεπ ιν τηε Ατλαντιχ ον βοαρδ τηε Ναυτιλε ανδ µανψ µορε ωεεκσ ιν τηε λαβορατορψ. Τηε αν− σωερσ τηεψ φουνδ χηαλλενγε εσταβλισηεδ τηεοριεσ αβουτ ηοτ σποτσ ανδ οτηερ µεχη− ανισµσ βψ ωηιχη τηε µαντλε ανδ χρυστ εξχηανγε ενεργψ ανδ µατεριαλσ. 52 Ταργετεδ Γενε Ρεπλαχεµεντ Μαριο Ρ. Χαπεχχηι Ονε οφ τηε µοστ ποωερφυλ µετηοδσ οφ δισχοϖερινγ ωηατ α γενε δοεσ ισ το κνοχκ ιτ ουτ ανδ οβσερϖε τηε εφφεχτ ον τηε οργανισµ. Τηε αυτηορ ανδ ηισ χολλεαγυεσ δεϖελ− οπεδ συχη α τεχηνιθυε φορ υσε ιν µιχε. Ιν τηε ηανδσ οφ ρεσεαρχηερσ τηρουγηουτ τηε ωορλδ, κνοχκουτ γενετιχσ ισ δεχιπηερινγ τηε στρετχηεσ οφ ∆ΝΑ τηατ χοντρολ δεϖελοπµεντ, ιµµυνιτψ ανδ οτηερ ϖιταλ βιολογιχαλ προχεσσεσ. 62 Ηιγη−Σπεεδ Σιλιχον−Γερµανιυµ Ελεχτρονιχσ Βερναρδ Σ. Μεψερσον Ασ σολιδ−στατε χιρχυιτσ γετ σµαλλερ, τηεψ γετ φαστερ. Τηισ ηαππψ, προ⇒ταβλε ρελατιον− σηιπ µαψ σοον ηιτ α θυαντυµ ωαλλ. Ονε ωαψ τηρουγη τηε βαρριερ ισ το µατε σιλιχον ωιτη οτηερ µατεριαλσ τηατ δραστιχαλλψ σπεεδ τηε µοτιον οφ ελεχτρονσ τηρουγη τραν− σιστορσ ανδ οτηερ δεϖιχεσ. Σιλιχον−γερµανιυµ αλλοψσ αρε συχη α µατεριαλ; τηεψ χαν βε µανυφαχτυρεδ υσινγ τηε σαµε τεχηνιθυεσ τηατ τυρν ουτ σιλιχον χηιπσ. 68 Τηε Θυαντυµ Πηψσιχσ οφ Τιµε Τραϖελ ∆αϖιδ ∆ευτσχη ανδ Μιχηαελ Λοχκωοοδ ςισιτσ το τηε παστ αρε τηε στυ⇑ οφ ιµαγινατιον, λιτερατυρε ανδ τηεατερ βυτ χερταινλψ νοτ οφ πηψσιχσ∇ριγητ? Ωρονγ∇ατ λεαστ ιφ τηε µανψ υνιϖερσεσ ϖιεω οφ θυαντυµ πηψσιχσ ισ χορρεχτ. Φαρ φροµ βεινγ α λογιχαλ αβσυρδιτψ, τηε αυτηορσ χοντενδ, τηε τηεορετιχαλ ποσσιβιλιτψ οφ τακινγ συχη αν εξχυρσιον ιντο ονε∏σ εαρλιερ λιφε ισ αν ιν− εσχαπαβλε χονσεθυενχε οφ φυνδαµενταλ πηψσιχαλ πρινχιπλεσ. 4 Copyright 1994 Scientific American, Inc. Scientific American (ISSN 0036-8733), published monthly by Scientific American, Inc., 415 Madison Avenue, New York, N.Y. 10017-1111. Copyright © 1994 by Scientific American, Inc. All rights reserved. No part of this issue may be reproduced by any mechanical, photographic or electronic process, or in the form of a phonographic recording, nor may it be stored in a retrieval system, transmitted or otherwise copied for public or private use without written permission of the publisher. Second-class postage paid at New York, N.Y., and at additional mailing offices. Canada Post International Publications Mail (Canadian Distribution) Sales Agreement No. 242764. Canadian GST No. R 127387652. Subscription rates: one year $36 (outside U.S. and possessions add $11 per year for postage). Subscription inquiries: U.S. and Canada (800) 333-1199; other (515) 247-7631. Postmaster: Send address changes to Scientific American, Box 3187, Harlan, Iowa 51537. Reprints available: write Reprint Department, Scientific American, Inc., 415 Madison Avenue, New York, N.Y. 10017-1111, or fax: (212) 355-0408. 76 Τηε ∆ψναµιχσ οφ Σοχιαλ ∆ιλεµµασ Ναταλιε Σ. Γλανχε ανδ Βερναρδο Α. Ηυβερµαν Συπποσε ψου αρε δινινγ ωιτη φριενδσ ανδ εϖερψονε ηασ αγρεεδ το σπλιτ τηε χηεχκ. ∆ο ψου ορδερ α τυνα σανδωιχη το µινιµιζε τηε γρουπ εξπενσε ορ γο φορ τηε χερϖελλεσ δε ϖεαυ αϖεχ βευρρε νοιρε? Σιµιλαρ δεχισιονσ υνδερλιε χοοπερατιον το πρεσερϖε τηε ενϖιρονµεντ ανδ αχηιεϖε οτηερ δεσιραβλε σοχιαλ γοαλσ. 82 Φρογσ ανδ Τοαδσ ιν ∆εσερτσ Λον Λ. ΜχΧλαναηαν, Ροδολφο Ρυιβαλ ανδ ςαυγηαν Η. Σηοεµακερ Τηεσε αµπηιβιανσ ηαϖε δεϖισεδ α πανοπλψ οφ στρατεγιεσ τηατ εναβλε τηεµ το συρ− ϖιϖε ιν εξτρεµελψ ηοτ ενϖιρονµεντσ. Μεµβερσ οφ σοµε σπεχιεσ χοατ τηειρ εντιρε βοδψ ωιτη α ωαξψ σεχρετιον τηατ τηωαρτσ εϖαπορατιον, οτηερσ χαν ενδυρε τηε λοσσ οφ 40 περχεντ οφ τηειρ βοδψ ωατερ, ανδ στιλλ οτηερσ σεεκ ηαϖεν ιν δεεπ, χοολ πλαχεσ. 90 ΤΡΕΝ∆Σ ΙΝ ΧΟΜΜΥΝΙΧΑΤΙΟΝΣ Ωιρε Πιρατεσ Παυλ Ωαλλιχη, σταφφ ωριτερ Ψου ηαϖε ηεαρδ αβουτ ιντεραχτιϖιτψ, ελεχτρονιχ χαταλογυεσ, αχχεσσ το ϖαστ στορεηουσ− εσ οφ ινφορµατιον ανδ φιβερ−οπτιχαλλψ δελιϖερεδ φλοοδσ οφ εντερταινµεντ∇βυτ ηαϖε ψου ηεαρδ αβουτ δαεµονσ, γοπηερσ, φινγερ ηαχκερσ ανδ φιρε ωαλλσ? Ωελχοµε το τηε δαρκ σιδε οφ τηε ινφορµατιον ρεϖολυτιον, ωηερε αν αλµοστ χοµπλετε λαχκ οφ σε− χυριτψ µακεσ τηε λατεστ αρριϖαλσ ιν χψβερσπαχε εασψ πρεψ φορ ελεχτρονιχ χριµιναλσ. ∆ΕΠΑΡΤΜΕΝΤΣ 14 Σχιενχε ανδ τηε Χιτιζεν Ηυββλε τριυµπη.... Γλοβαλ ωαρµινγ δουβτσ.... Σχηιζοπηρενιχ βραινσ.... Α σιµπλε γενετιχ σωιτχη.... Φερµατ λιϖεσ!... Προτον ιν α σπιν.... Γενοµε προϕεχτ υπδατε.... Αττραχτορσ ωιτηιν αττραχτορσ.... ΠΡΟΦΙΛΕ: Αστροπηψσιχιστ Συβραηµανψαν Χηανδρασεκηαρ. 102 Σχιενχε ανδ Βυσινεσσ Ω. Ρ. Γραχε∏σ µεγαπατεντ.... ςολυµε γραπηιχσ.... Βιοενζψµε γοεσ το ωορκ .... Βλινδσιγητ.... Τεραβιτσ.... Α λιχενσε το πριντ µονεψ.... ΤΗΕ ΑΝΑΛΨΤΙΧΑΛ ΕΧΟΝΟΜΙΣΤ: Ηελλο, χοµπυτερσ. Γοοδ−βψε, εχονοµιεσ οφ σχαλε. Copyright 1994 Scientific American, Inc. 10 Λεττερσ το τηε Εδιτορσ Ωριτερσ ανδ ρεαδερσ δεβατε Νοϖεµβερ∏σ Φρεε Τραδε ∆εβατε. 12 50 ανδ 100 Ψεαρσ Αγο 1944: Νεω Τς νετωορκ τεχηνολογψ. 1894: Τηε Χανδελαρια µετεορ. 110 Ματηεµατιχαλ Ρεχρεατιονσ Α σερϖινγ οφ ηελλισηλψ σουλ−σεαρινγ χηαλλενγεσ. 114 Βοοκ Ρεϖιεωσ Τηε φιρστ ηυµανσ.... ∆εεπ φρεεζε .... Εϖολυτιοναρψ ρεφλεχτιονσ. 120 Εσσαψ : Συσαν Ζολλα−Παζνερ Οφ δεεπ ποχκετσ, φρεε λυνχηεσ ανδ αχαδεµιχ ιντεγριτψ. 5 ΤΗΕ ΧΟςΕΡ παιντινγ δεπιχτσ τηε Ναυτιλε ασ ιτ σκιµσ αλονγ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε, τηε ηυγε νορτη−σουτη σχαρ βισεχτινγ τηε σεα− ⇓οορ. Τηε συβµερσιβλε, βυιλτ βψ τηε Φρενχη οχεανογραπηιχ ινστιτυτε ΙΦΡΕΜΕΡ, χαν ρεαχη α δεπτη οφ σιξ κιλοµετερσ. Ιτ ηουσεσ τηρεε πεοπλε ιν α 1.8−µετερ−διαµετερ τιταντιυµ σπηερε, ωηοσε πορτηολεσ αλλοω φορ εξτερναλ ϖιεωινγ. Τηε Ναυτιλε χολλεχτσ ροχκ σαµπλεσ τηατ ινϖεστιγατορσ υσε το δετερµινε ηοω χον− ϖεχτιον ιν τηε µαντλε αφφεχτσ τηε εαρτη∏σ συρ− φαχε φεατυρεσ (σεε Τηε Εαρτη∏σ Μαντλε βελοω τηε Οχεανσ, βψ Ενριχο Βοναττι, παγε 44). Χοϖερ παιντινγ βψ Γεοργε Ρετσεχκ Παγε Σουρχε Παγε Σουρχε 37 Στεϖε ςιδλερ/Λεο δε Ωψσ, Ινχ. 70∠73 ∆ιµιτρψ Σχηιδλοϖσκψ 38 ϑοηννψ ϑοηνσον 74 39 Πατριχια ϑ. Ωψννε ♥ 1991 βψ Βιλλ Ωαττερσον, Ανδρεωσ ανδ ΜχΜεελ (α Υνιϖερσαλ Πρεσσ Σψνδιχατε Χοµπανψ) 40 ϑοηννψ ϑοηνσον 76∠77 Ψεχηιαµ (Ευγενε) Γαλ 41 Εδ Κασηι/ϑ. Β. Πιχτυρεσ 78∠79 ϑαρεδ Σχηνειδµαν ∆εσιγν 42 Χουρτεσψ οφ Αγ−Χηεµ Εθυιπµεντ Χο., Ινχ. 80 Στεϖεν Ρυβιν/ϑ. Β. Πιχτυρεσ 44∠45 ϑαχκ Ηαρρισ/ςισυαλ Λογιχ 81 ∆. Αυβερτ/Σψγµα 46 Γαβορ Κισσ (τοπ ), ∆ιµιτρψ Σχηιδλοϖσκψ (βοττοµ) 82∠83 ςαυγηαν Η. Σηοεµακερ 84∠85 47 Ωιλλιαµ Φ. Ηαξβψ, Λαµοντ− ∆οηερτψ Εαρτη Οβσερϖατορψ Ροβερτο Οστι; ϑασον Κ⇑ερ (µαπσ ) 86 Ροβερτο Οστι 48∠49 ∆ιµιτρψ Σχηιδλοϖσκψ (τοπ ), ϑαχκ Ηαρρισ/ςισυαλ Λογιχ (βοττοµ) 87 Αρτηυρ Γλοορ/Ανιµαλσ Ανιµαλσ (τοπ λεφτ ), Παυλ Φρεεδ/Ανιµαλσ Ανιµαλσ (τοπ ριγητ ), Ροδολφο Ρυιβαλ (βοττοµ) ∆ιµιτρψ Σχηιδλοϖσκψ 52 Μαριο Ρ. Χαπεχχηι 53 Τοµο Ναρασηιµα 54∠57 ϑαρεδ Σχηνειδµαν ∆εσιγν 58 Μαριο Ρ. Χαπεχχηι (τοπ ), Τοµο Ναρασηιµα (βοττοµ) 63 Χουρτεσψ οφ Ιντερνατιοναλ Βυσινεσσ Μαχηινεσ Χορπορατιον Εσταβλισηεδ 1845 Ε∆ΙΤΟΡ: ϑονατηαν Πιελ ΒΟΑΡ∆ ΟΦ Ε∆ΙΤΟΡΣ: Μιχηελλε Πρεσσ , Μαναγινγ Εδιτορ ; ϑοην Ρεννιε, Ασσοχιατε Εδιτορ; Τιµοτηψ Μ. Βεαρδσλεψ ; Ω. Ωαψτ Γιββσ; Μαργυεριτε Ηολλο− ωαψ ; ϑοην Ηοργαν , Σενιορ Ωριτερ ; Πηιλιπ Μορρι− σον , Βοοκ Εδιτορ; Μαδηυσρεε Μυκερϕεε; Χορεψ Σ. Ποωελλ ; Ριχκι Λ . Ρυστινγ ; Γαρψ Στιξ ; Παυλ Ωαλ− λιχη ; Πηιλιπ Μ. Ψαµ ΑΡΤ : ϑοαν Σταρωοοδ, Αρτ ∆ιρεχτορ ; Εδωαρδ Βελλ , Αρτ ∆ιρεχτορ , Γραπηιχσ Σψστεµσ ; ϑεσσιε Νατηανσ, Ασσοχιατε Αρτ ∆ιρεχτορ ; ϑοηννψ ϑοηνσον, Ασσισταντ Αρτ ∆ιρεχτορ, Γραπηιχσ Σψστεµσ; Νισα Γελλερ, Πηο− τογραπηψ Εδιτορ ; Λισα Βυρνεττ, Προδυχτιον Εδιτορ ΧΟΠΨ: Μαρια− Χηριστινα Κελλερ, Χοπψ Χηιεφ ; Νανχψ Λ . Φρειρειχη; Μολλψ Κ. Φρανχεσ; ∆ανιελ Χ. Σχηλενο⇑ ΤΗΕ ΙΛΛΥΣΤΡΑΤΙΟΝΣ 50∠51 ♦ ΠΡΟ∆ΥΧΤΙΟΝ: Ριχηαρδ Σασσο, ςιχε Πρεσιδεντ, Προδυχτιον ; Ωιλλιαµ Σηερµαν, Προδυχτιον Μαν− αγερ ; Μαναγερσ: Χαρολ Αλβερτ, Πριντ Προδυχτιον ; ϑανετ Χερµακ , Θυαλιτψ Χοντρολ ; Τανψα ∆εΣιλϖα , Πρεπρεσσ; Χαρολ Ηανσεν , Χοµποσιτιον ; Μαδελψν Κεψεσ, Σψστεµσ; Εριχ Μαρθυαρδ, Σπεχιαλ Προϕεχτσ; Λεο ϑ. Πετρυζζι , Μανυφαχτυρινγ & Μακευπ; Αδ Τρα⇔χ: Χαρλ Χηερεβιν ΧΙΡΧΥΛΑΤΙΟΝ: Λορραινε Λειβ Τερλεχκι , Ασσοχιατε Πυβλισηερ/Χιρχυλατιον ∆ιρεχτορ ; Κατηερινε Ροβολδ, Χιρχυλατιον Μαναγερ; ϑοαννε Γυραλνιχκ, Χιρχυλα− τιον Προµοτιον Μαναγερ ; Ροσα ∆αϖισ, Φυλ⇒λλµεντ Μαναγερ Α∆ςΕΡΤΙΣΙΝΓ: Κατε ∆οβσον, Ασσοχιατε Πυβλιση− ερ/Αδϖερτισινγ ∆ιρεχτορ. ΟΦΦΙΧΕΣ: ΝΕΩ ΨΟΡΚ: Μερψλε Λοωεντηαλ, Νεω Ψορκ Αδϖερτισινγ Μαν− αγερ ; Ωιλλιαµ Βυχηαναν, Μαναγερ, Χορπορατε Αδϖερτισινγ ; Πετερ Φισχη, Ρανδψ ϑαµεσ, Ελιζα− βετη Ρψαν. Μιχηελλε Λαρσεν, ∆ιρεχτορ, Νεω Βυσι− νεσσ ∆εϖελοπµεντ. ΧΗΙΧΑΓΟ: 333 Ν. Μιχηιγαν Αϖε., Χηιχαγο, ΙΛ 60601; Πατριχκ Βαχηλερ, Αδϖερ− τισινγ Μαναγερ. ∆ΕΤΡΟΙΤ: 3000 Τοων Χεντερ, Συιτε 1435, Σουτη⇒ελδ, ΜΙ 48075; Εδωαρδ Α . Βαρτλεψ, ∆ετροιτ Μαναγερ. ΩΕΣΤ ΧΟΑΣΤ: 1554 Σ. Σεπυλϖεδα Βλϖδ., Συιτε 212, Λοσ Ανγελεσ, ΧΑ 90025; Λισα Κ. Χαρδεν, Αδϖερτισινγ Μαναγερ ; Τονια Ωενδτ. 235 Μοντγοµερψ Στ., Συιτε 724, Σαν Φρανχισχο, ΧΑ 94104; Λιαννε Βλοοµερ. ΧΑΝ− Α∆Α: Φενν Χοµπανψ, Ινχ. ∆ΑΛΛΑΣ: Γρι⇔τη Γρουπ ΜΑΡΚΕΤΙΝΓ ΣΕΡςΙΧΕΣ: Λαυρα Σαλαντ, Μαρκετινγ ∆ιρεχτορ ; ∆ιανε Σχηυβε, Προµοτιον Μαναγερ ; Μαρψ Σαδλιερ, Ρεσεαρχη Μαναγερ ; Ετηελ ∆. Λιττλε, Αδϖερτισινγ Χοορδινατορ 88 ϑοηννψ ϑοηνσον 90∠91 Πατριχια ϑ. Ωψννε 92 ϑασον Γολτζ ΙΝΤΕΡΝΑΤΙΟΝΑΛ: ΕΥΡΟΠΕ: Ροψ Εδωαρδσ, Ιντερ− νατιοναλ Αδϖερτισινγ Μαναγερ, Λονδον; ςιϖιεννε ∆αϖιδσον, Λινδα Καυφµαν, Ιντερµεδια Λτδ., Παρ− ισ; Καριν Οη⇑, Γρουπε Εξπανσιον, Φρανκφυρτ ; Βαρτη ∆αϖιδ Σχηωαρτζ, ∆ιρεχτορ, Σπεχιαλ Προϕ− εχτσ, Αµστερδαµ. ΣΕΟΥΛ: Βισχοµ, Ινχ. ΤΟΚΨΟ: Νικκει Ιντερνατιοναλ Λτδ.; ΣΙΝΓΑΠΟΡΕ: Ηοο Σιεω Σαι , Μαϕορ Μεδια Σινγαπορε Πτε. Λτδ. 93 ϑαρεδ Σχηνειδµαν ∆εσιγν Α∆ΜΙΝΙΣΤΡΑΤΙΟΝ: ϑοην ϑ. Μοελινγ, ϑρ., Πυβλισηερ ; Μαριε Μ . Βεαυµοντε, Γενεραλ Μαναγερ 94 Στεπηανιε Ραυσσερ 98 ϑαρεδ Σχηνειδµαν ∆εσιγν 99 Χηρισ Υσηερ/Βλαχκ Σταρ 64∠65 Ιαν Ωορπολε 66 ΙΒΜ (λεφτ ), ϑοηννψ ϑοηνσον (ριγητ ) 100 ϑαρεδ Σχηνειδµαν ∆εσιγν 67 Ιαν Ωορπολε 101 Στεπηανιε Ραυσσερ 68∠69 Πατριχια ϑ. Ωψννε 110∠111 Πατριχια ϑ. Ωψννε ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, ΙΝΧ. 415 Μαδισον Αϖενυε, Νεω Ψορκ, ΝΨ 10017−1111 (212) 754−0550 ΧΗΑΙΡΜΑΝ ΑΝ∆ ΧΗΙΕΦ ΕΞΕΧΥΤΙςΕ ΟΦΦΙΧΕΡ: ϑοην ϑ. Ηανλεψ ΧΟ−ΧΗΑΙΡΜΑΝ: ∆ρ. Πιερρε Γερχκενσ ΧΟΡΠΟΡΑΤΕ ΟΦΦΙΧΕΡΣ: Πρεσιδεντ, ϑοην ϑ. Μοελινγ, ϑρ.; Χηιεφ Φινανχιαλ Ο⇔χερ, Ρ . ςινχεντ Βαργερ ; ςιχε Πρεσιδεντσ, Ροβερτ Λ. Βιεωεν, ϑονατηαν Πιελ ∆ΙΡΕΧΤΟΡ, ΕΛΕΧΤΡΟΝΙΧ ΠΥΒΛΙΣΗΙΝΓ: Μαρτιν Παυλ ΧΗΑΙΡΜΑΝ ΕΜΕΡΙΤΥΣ: Γεραρδ Πιελ ΠΡΙΝΤΕ∆ ΙΝ Υ.Σ. Α. 8 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. ΛΕΤΤΕΡΣ ΤΟ ΤΗΕ Ε∆ΙΤΟΡΣ Φρεε−φορ−Αλλ ον Τραδε Ι ωασ ηοπεφυλ τηατ Τηε Χασε φορ Φρεε Τραδε, βψ ϑαγδιση Βηαγωατι, ανδ Τηε Περιλσ οφ Φρεε Τραδε, βψ Ηερµαν Ε. ∆αλψ [ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, Νοϖεµβερ 1993], ωουλδ ηελπ χλαριφψ τηε πολιχψ χονφυσιον γριππινγ τηισ ισσυε. Ινστεαδ, δεσπιτε σοµε ινσιγητφυλ αναλψσισ, τηεσε τωο µεν ωερε ταλκινγ παστ εαχη οτηερ λικε σεασονεδ πολιτιχαλ ριϖαλσ. Ιντερνατιοναλ τραδε αγρεεµεντσ λικε ΝΑΦΤΑ ανδ ΓΑΤΤ δο νοτ αλλοω χουν− τριεσ το ρεστριχτ τηε ιµπορτ οφ προδυχτσ βασεδ ον ηοω τηοσε προδυχτσ αρε µαδε. Ωηψ? Βεχαυσε α χουντρψ χουλδ τηεορετι− χαλλψ βλοχκ αλλ ιµπορτσ ωιτη ιτσ ενϖιρον− µενταλ, ηεαλτη ανδ λαβορ λαωσ∇τηροω− ινγ τραδιτιοναλ νοτιονσ οφ σοϖερειγντψ ανδ χοµπαρατιϖε αδϖανταγε ιντο α ταιλ− σπιν. Τηε ανσωερ, εασιερ σαιδ τηαν δονε, ισ το δε⇒νε χονχεπτσ συχη ασ νατιον− αλ σοϖερειγντψ µορε πρεχισελψ τηρουγη νεω τραδινγ ρυλεσ τηατ αχχουντ φορ τηε µψριαδ τηρεατσ το τηε γλοβαλ ενϖιρον− µεντ. Νο ονε ηασ ψετ γιϖεν α χοηερεντ ρεασον ωηψ τηε Υ.Σ. µυστ αχχεπτ δολ− πηιν−δεαδλψ τυνα ασ ΓΑΤΤ δεσιρεσ. Βηαγωατι∏σ Πανδορα∏σ βοξ ρεσπονσε βεγσ τηε θυεστιον. Το ηισ χρεδιτ, ∆αλψ ηασ ιδεντι⇒εδ συσ− ταιναβλε ρεσουρχε σχαλε, φυλλ−χοστ ιντερ− ναλιζατιον ανδ µιγρατορψ χαπιταλ ασ χονχεπτσ τηατ χουλδ αδϖανχε τηε ιντε− γρατιον οφ τραδε ανδ τηε ενϖιρονµεντ. Βυτ ∆αλψ ηασ α προβλεµ, τοο: Ηοω αρε τηε δεϖελοπινγ χουντριεσ γοινγ το ρεαχτ το α νο γροωτη µανδατε? Τηε χηαλ− λενγε φαχινγ βοτη ∆αλψ ανδ ενϖιρον− µενταλ οργανιζατιονσ ισ το δε⇒νε εξ− πλιχιτλψ ωηατ ισ µεαντ βψ συσταιναβλε δεϖελοπµεντ∇αν αππεαλινγ βυτ φαχτυ− αλλψ αµβιγυουσ χονχεπτ. Κρυεγερ στυδψ ασ εϖιδενχε τηατ ενϖι− ρονµενταλιστσ αρε ιν ερρορ ωηεν τηεψ φεαρ τηατ τραδε, τηρουγη γροωτη, ωιλλ νεχεσσαριλψ ινχρεασε πολλυτιον. Τηατ στυδψ φοχυσεσ ονλψ ον συλφυρ διοξιδε, παρτιχυλατε µαττερ ανδ σµοκε, ωηιχη ονε ωουλδ εξπεχτ το σεε διµινιση ασ εχονοµιεσ τυρν το λεσσ ιµµεδιατελψ ηαζαρδουσ µεανσ οφ γενερατινγ ενεργψ. Ψετ δεϖελοπεδ εχονοµιεσ προδυχε φαρ µορε τοξιχ χηεµιχαλσ, φαρ µορε ραδιο− αχτιϖε ωαστεσ, φαρ µορε χαρβον διοξιδε ανδ φαρ µορε οζονε δεπλετορσ. Τηε αδ− ϖερσε ενϖιρονµενταλ ιµπαχτσ οφ τηοσε πολλυταντσ αρε µυχη µορε ωορρισοµε ιν τηε λονγ ρυν. Βηαγωατι ισ χορρεχτ ιν ονε σενσε: µανψ οφ τηε δι⇑ερενχεσ βετωεεν εχον− οµιστσ ανδ ενϖιρονµενταλιστσ χαν βε αττριβυτεδ το µισχονχεπτιονσ. Ασ ηισ αρ− τιχλε ινδιχατεσ, ηοωεϖερ, ενϖιρονµεν− ταλιστσ αρε νοτ αλωαψσ τηε ονεσ µισσινγ τηε εσσεντιαλ χονχεπτσ. ΤΟΜ Ε. ΤΗΟΜΑΣ Ενϖιρονµενταλ Μαναγεµεντ Προγραµ ϑΑΜΕΣ Ρ. ΚΑΡΡ Ινστιτυτε φορ Ενϖιρονµενταλ Στυδιεσ Υνιϖερσιτψ οφ Ωασηινγτον Βηαγωατι ωριτεσ τηατ τηε Γροσσµαν ανδ Κρυεγερ στυδψ φουνδ τηατ συλφυρ διοξιδε λεϖελσ φελλ ασ περ χαπιτα ινχοµε ροσε. Ηε νοτεσ τηατ τηε ονλψ εξχεπτιον ωασ ιν χουντριεσ ωηοσε περ χαπιτα ιν− χοµεσ φελλ βελοω ∃5,000 ανδ ιµπλιεσ τηατ τηοσε εξχεπτιονσ αρε ραρε. Βυτ αχ− χορδινγ το τηε δατα ιν ∆αλψ∏σ πιε χηαρτ, 85 περχεντ οφ τηε ωορλδ∏σ ποπυλατιον εαρνσ ονλψ ∃1,000 αννυαλλψ περ χαπιτα. Ειτηερ Βηαγωατι ηασ νοτ ελυχιδατεδ ηισ χασε προπερλψ, ορ ιτ ισ ηισ αργυµεντ, νοτ τηε ενϖιρονµενταλιστσ∏, τηατ ισ ιν ερρορ. ΩΙΛΛΙΑΜ ϑ. ΣΝΑΠΕ ΙΙΙ ∆εφενδερσ οφ Ωιλδλιφε Ωασηινγτον, ∆.Χ. ΣΕΑΝ ΑΛΛΕΝ−ΗΕΡΜΑΝΣΟΝ ∆αρτµουτη, Νοϖα Σχοτια Βηαγωατι ρεπεατσ τηε λαργελψ υνσυβ− σταντιατεδ δογµα τηατ ονλψ ριχη ινδι− ϖιδυαλσ ανδ νατιονσ εξπρεσσ χονχερν αβουτ ενϖιρονµενταλ ϖαλυεσ. Α ρεχεντ Ηεαλτη οφ τηε Πλανετ συρϖεψ βψ τηε Γαλ− λυπ Οργανιζατιον χηαλλενγεσ τηατ δογ− µα. Ιτ ⇒νδσ τηατ ιν νινε ουτ οφ 12 δε− ϖελοπινγ νατιονσ συρϖεψεδ, α µαϕοριτψ οφ τηε ρεσπονδεντσ χονσιδερεδ ενϖιρον− µενταλ προτεχτιον το βε α ηιγηερ πριορι− τψ τηαν εχονοµιχ γροωτη. Τηε αυτηορ αλσο σκατεσ ον ϖερψ τηιν ιχε ωηεν ηε χιτεσ τηε Γροσσµαν ανδ Βηαγωατι ρεπλιεσ: Σναπε ασσερτσ τηατ νο χοηερεντ δε− φενσε οφ τηε ΓΑΤΤ πανελ∏σ τυνα−δολπηιν δεχισιον ηασ ψετ βεεν γιϖεν βψ ανψονε. Ρυββιση; µψ αρτιχλε χερταινλψ δοεσ σο. Ηε τηεν σηιφτσ γρουνδ ανδ σαψσ ινστεαδ τηατ ιτ βεγσ τηε θυεστιον. Ωηατ θυεσ− τιον? Ωηψ? Ηισ χονχλυσιονσ αρε µορε οβϖιουσ τηαν ηισ αργυµεντσ. Τηοµασ ανδ Καρρ αρε νο βεττερ. Χον− χερνσ οϖερ τηε ενϖιρονµεντ χαν ανδ δο χρισσχροσσ περ χαπιτα ρανκινγσ: τηε ΓΑΤΤ Ρεπορτ ον Τραδε ανδ τηε Ενϖι− 10 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 ρονµεντ στατεδ τηατ χλεαρλψ. Ασ Ι ωροτε: Ριχη χουντριεσ τοδαψ ηαϖε µορε γρουπσ ωορρψινγ αβουτ ενϖιρονµενταλ χαυσεσ τηαν δο ποορ χουντριεσ. Τηατ ισ βοτη χορρεχτ ανδ ωηολλψ δι⇑ερεντ φροµ τηε Τηοµασ−Καρρ ασσερτιον τηατ Ι βελιεϖε ονλψ ριχη ινδιϖιδυαλσ ανδ νατιονσ εξ− πρεσσ χονχερν αβουτ ενϖιρονµενταλ ϖαλ− υεσ! Αλλεν−Ηερµανσον ινφερσ φροµ µψ ωριτινγ ωηατ Ι δο νοτ αργυε ορ βελιεϖε. Τηε ιµπλιχατιον ισ ηισ ερρορ, νοτ µινε. Φορτυνατελψ, νοτ αλλ ενϖιρονµενταλιστσ αρε σο χαρελεσσ ορ χοντεµπτυουσ οφ ρεα− σονεδ αργυµεντ. Ι χοντινυε το βελιεϖε τηατ α βριδγε χαν βε βυιλτ βετωεεν τηειρ χονχερνσ ανδ τηοσε οφ εχονοµιστσ. ∆αλψ ρεπλιεσ: Ι ωουλδ νοτ συππορτ α νο−γροωτη µανδατε φορ τηε δεϖελοπινγ ωορλδ, ατ λεαστ νοτ ψετ. Συσταιναβλε δεϖελοπµεντ µυστ βεγιν ιν τηε Νορτη ανδ σπρεαδ ραπιδλψ το τηε Σουτη. Βυτ τηε χυρρεντ µοδελ ισ φαρ φροµ συσταιναβλε, ανδ τηε Νορτη σηουλδ νοτ πρεαχη ωηατ ιτ δοεσ νοτ εϖεν τρψ το πραχτιχε. ∆ε⇒νινγ συσταιναβλε δεϖελοπµεντ ισ νοτ σο ηαρδ : ιτ ισ θυαλιτατιϖε ιµπροϖε− µεντ ωιτηουτ θυαντιτατιϖε εξπανσιον∇ σπεχι⇒χαλλψ ωιτηουτ γροωτη ιν ρεσουρχε τηρουγηπυτ βεψονδ νατυρε∏σ ρεγενερα− τιϖε χαπαχιτψ ορ βεψονδ ιτσ χαπαχιτψ το αβσορβ ορ ρεχψχλε ωαστεσ. Νονρενεωαβλε ρεσουρχεσ αρε δεπλετεδ νο φαστερ τηαν ρενεωαβλε συβστιτυτεσ αρε δεϖελοπεδ. Αλλ ιµπορταντ χονχεπτσ ηαϖε σοµε αµ− βιγυιτιεσ, βυτ Ι συβµιτ τηατ τηισ δε⇒νι− τιον οφ συσταιναβλε δεϖελοπµεντ ισ νο µορε αµβιγυουσ τηαν εχονοµιστσ∏ δεφ− ινιτιονσ οφ µονεψ. Λεττερσ σελεχτεδ φορ πυβλιχατιον µαψ βε εδιτεδ φορ λενγτη ανδ χλαριτψ. Μαν− υσχριπτσ ωιλλ νοτ βε ρετυρνεδ ορ αχ− κνοωλεδγεδ υνλεσσ αχχοµπανιεδ βψ α σταµπεδ, σελφ−αδδρεσσεδ ενϖελοπε. ΕΡΡΑΤΑ Χοντραρψ το αν ιµπλιχατιον ιν ∆ια− µονδ Φιλµ Σεµιχονδυχτορσ [Οχτοβερ 1992], τηε γρουπ οφ Βορισ ς. Σπιτσψν ωασ νοτ ινϖολϖεδ ωιτη ρεσεαρχη ον πολψωατερ. Α νεωσ στορψ ον παγε 18 οφ τηε ∆ε− χεµβερ 1993 ισσυε ερρονεουσλψ στατεδ τηατ Ταργετεδ Γενετιχσ ισ υσινγ αδενο− ασσοχιατεδ ϖιρυσ ιν ιτσ γενε τηεραπψ φορ ΗΙς ινφεχτιον. Τηατ ϖιρυσ ισ βεινγ υσεδ το δεϖελοπ α χψστιχ ⇒βροσισ τηεραπψ; τηε ΗΙς τηεραπψ υσεσ α δι⇑ερεντ ϖιρυσ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. 50 ΑΝ∆ 100 ΨΕΑΡΣ ΑΓΟ ΜΑΡΧΗ 1944 Α ραδιχαλλψ νεω φορµ οφ λιγητηουσε∏ ραδιο ρελαψ στατιον ωιλλ µακε ρελαψινγ οφ τελεϖισιον προγραµσ α ρελατιϖελψ σιµ− πλε µαττερ αφτερ τηε ωαρ, αχχορδινγ το Ραλπη Ρ. Βεαλ, Ρεσεαρχη ∆ιρεχτορ οφ ΡΧΑ Λαβορατοριεσ. Ηε ενϖισαγεσ τηατ τηεσε υναττενδεδ στατιονσ, λοχατεδ 20 το 50 µιλεσ απαρτ, νοτ ονλψ ωιλλ λινκ τελεϖισιον στατιονσ ιντο α νατιοναλ νετωορκ βυτ ωιλλ οπεν α νεω ερα ιν ιντερνατιοναλ χοµ− µυνιχατιονσ. Τηε ρελαψ τρανσµιττερσ ωιλλ οπερατε ον µιχροωαϖεσ ωιτη τηε ενεργψ χονχεντρατεδ αλµοστ ιν α βεε λινε. Λοοκ υπον νατυραλ γασ ασ α ραω µα− τεριαλ σουρχε φορ τηε χηεµιχαλ ινδυστρψ ιν τηε νεαρ φυτυρε. Νινετψ−⇒ϖε περχεντ οφ προδυχτιον ισ χυρρεντλψ φορ ινδυσ− τριαλ ανδ ηουσεηολδ φυελ. Ιτ ισ εντιρελψ προβαβλε, ηοωεϖερ, τηατ µορε ανδ µορε οφ τηισ γασ ωιλλ βε διϖερτεδ το οτηερ πυρποσεσ. Βυταδιενε, γλψχερινε, χαρβον τετραχηλοριδε, γασολινε, συλφα δρυγσ, ανδ φερτιλιζερσ αρε σοµε οφ τηε προδυχτσ αϖαιλαβλε διρεχτλψ ορ ινδιρεχτλψ φροµ νατυραλ γασ. Τηε ρεχεντλψ χοµπλετεδ Στατε Στρεετ συβωαψ ιν Χηιχαγο ισ προϖινγ ιτσ ωορτη ιν τηατ χιτψ∏σ ϖαστ νετωορκ οφ τρανσιτ λινεσ. Αλτηουγη χονχειϖεδ οριγιναλλψ ασ αν αιδ το ρελιεϖινγ τηε βαδλψ χονγεστεδ τρα⇔χ χονδιτιονσ ιν τηε φαµουσ δοων− τοων Λοοπ∏ σεχτιον οφ τηε ελεϖατεδ ραπιδ−τρανσιτ λινεσ, τηισ µοδερν τρανσ− πορτατιον φαχιλιτψ ινχορπορατεσ µανψ χονϖενιενχεσ φορ ιτσ πατρονσ. Φορ εξαµ− πλε: Εσχαλατορσ φυρνιση ε⇑ορτλεσσ αχχεσσ το ανδ φροµ τηε λοαδινγ πλατφορµσ, ανδ αυτοµατιχ ϖεντιλατορσ προϖιδε φρεση αιρ ωιτηιν τηε συβωαψ. Τηισ 4.9−µιλε σεχ− τιον ισ τηε ⇒ρστ οφ φουρ προποσεδ υνιτσ το βε χοµπλετεδ. ΜΑΡΧΗ 1894 Μρ. Φ. Χορκελλ, ωριτινγ το τηε Μινινγ ανδ Σχιεντι⇒χ Πρεσσ, σαψσ: Ον τηε νιγητ οφ Φεβ. 1, ατ Χανδελαρια, Νεϖαδα, α βριλ− λιαντ µετεορ αππεαρεδ. Ιτ µαδε α τρε− µενδουσ ιλλυµινατιον συδδενλψ; τηε λιγητ ωασ α δαζζλινγ ελεχτριχ βλυε, λικε µανψ αρχ λιγητσ ηαδ σηοτ ιντο εξιστενχε φορ αβουτ φουρ σεχονδσ. Τηιρτψ σεχονδσ λατερ α τερρι⇒χ εξπλοσιον οχχυρρεδ, σηακ− ινγ τηε ηιλλσ ανδ εχηοινγ τηρουγη τηε ροχκψ χαϖερνσ. Τηερε φολλοωεδ α βοιλινγ, σιζζλινγ ροαρ, λικε αν ιµµενσε µασσ οφ ρεδ ηοτ ιρον χοολινγ ιν ωατερ. Τηισ λαστ− εδ αβουτ ⇒φτεεν σεχονδσ. Νονε ωηο σαω ορ ηεαρδ τηισ µετεορ ωιλλ φοργετ ιτ; τηεψ ωιλλ ρελατε ιτ ασ α γρεατ εϖεντ. Παυλ Βερτ ηασ φουνδ βψ εξπεριµεντ τηατ οξψγεν, τηισ γασ, ϖιταλ αβοϖε αλλ οτηερσ, ισ α ϖιολεντ ποισον, φορ τηε πλαντ ασ φορ τηε ανιµαλ, φορ τηε χελλυλε ασ φορ τηε χοµπλετε οργανισµ; ανδ, ιφ φουνδ ιν τηε αιρ ιν χερταιν προπορτιονσ, ιµµεδι− ατελψ βεχοµεσ αν ινστρυµεντ οφ δεατη. Τηισ ισ ονε οφ τηε µοστ χυριουσ οφ ρε− χεντ δισχοϖεριεσ. Νο οξψγεν, νο λιφε; τοο µυχη οξψγεν, εθυαλλψ νο λιφε.∇Πυβλιχ Οπινιον, φροµ Ρεϖυε δεσ ∆ευξ Μονδεσ. Ονε αφτερνοον τηισ ωιντερ, τηουγη ωαλκινγ βρισκλψ αλονγ, Ι ωασ υνχοµφορτ− αβλψ χολδ; µψ εαρσ ωερε σο χηιλλεδ ασ φρεθυεντλψ το ρεθυιρε τηε αππλιχατιον οφ µψ γλοϖεδ ηανδσ. Ι τηεν βεγαν τακινγ δεεπ, φορχεδ ινσπιρατιονσ, ηολδινγ τηε αιρ ασ λονγ ασ ποσσιβλε βεφορε εξπυλσιον. Αφτερ α φεω ινηαλατιονσ, τηε συρφαχε οφ µψ βοδψ γρεω ωαρµερ. Τηε νεξτ το φεελ τηε ε⇑εχτσ ωερε µψ εαρσ. Ωιτηιν τηε τιµε ρεθυιρεδ το ωαλκ τηρεε βλοχκσ, ηανδσ ανδ φεετ παρτοοκ οφ τηε γενεραλ ωαρµτη ανδ Ι φελτ ασ χοµφορταβλε ασ ιφ τηε τιµε ηαδ βεεν πασσεδ βψ α γλοωινγ ⇒ρε.∇Ε. Β. Σανγρεε, Μ.∆., Αµεριχαν Τηεραπιστ. Τηε χαµελσ νοω ρυννινγ ωιλδ ιν Αριζονα αρε τηε δεσχενδαντσ οφ α σµαλλ ηερδ οριγιναλλψ ιµπορτεδ το ςιργινια Χιτψ, Νεϖαδα. Τηεψ ωερε ωαντεδ φορ υσε ιν παχκινγ σαλτ αχροσσ τηε δεσερτ. Εϖεν− τυαλλψ τηεψ ωερε σεντ το Αριζονα φορ παχκινγ ορε. Βυτ τηεψ βεχαµε φοοτσορε ανδ υσελεσσ ανδ ωερε τυρνεδ αδριφτ το σηιφτ φορ τηεµσελϖεσ.∇Σαν Φρανχισχο Χηρονιχλε. Ηανδλινγ στεελ βιλλετσ βψ ελεχτριχαλ ποωερ 12 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Ουρ ιλλυστρατιον ρεπρεσεντσ αν ελεχ− τριχαλ αππαρατυσ εµπλοψεδ ατ τηε Ιλλι− νοισ Στεελ Χοµπανψ, ατ ϑολιετ, το λοαδ στεελ βιλλετσ ον ⇓ατ χαρσ ωιτη τηε µινι− µυµ αµουντ οφ µανυαλ λαβορ. Βιλλετσ το βε σηιππεδ αρε δελιϖερεδ φροµ τηε ψαρδ το α λονγ λινε οφ ρολλερσ, παρτλψ σηοων ατ τηε λεφτ ιν τηε ιλλυστρατιον, ανδ αρε τηυσ χαρριεδ αλονγ υντιλ τηεψ στρικε α δε⇓εχτινγ πλατε, βψ ωηιχη τηεψ αρε χονϖεψεδ το αν ενδλεσσ µοϖινγ απρον, σετ ατ αν ινχλινε, ασ προµινεντλψ σηοων. Τηισ απρον ⇒ρστ ελεϖατεσ ανδ τηεν δροπσ τηε βιλλετσ το α χαρ, ωηιχη λιεσ ον α δεπρεσσεδ ραιλροαδ τραχκ ον τηε φαρτηερ σιδε. Copyright 1994 Scientific American, Inc. NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION ΣΧΙΕΝΧΕ ΑΝ∆ ΤΗΕ ΧΙΤΙΖΕΝ ΧΟΡΕ ΟΦ ΣΠΙΡΑΛ ΓΑΛΑΞΨ Μ100 ασ σεεν βψ τηε Ηυββλε Σπαχε Τελεσχοπε βεφορε ρεφυρβισηµεντ (λεφτ ) ανδ αφτερ (ριγητ ). Τηε Ιµαγε Ενηανχεµεντ Ηυββλε ρεπαιρσ χρεατε ευπηορια ανδ βυρνιση ΝΑΣΑ∏σ ρεπυτατιον Α σµαλλ χηανγε φορ α µιρρορ, α γιαντ λεαπ φορ αστρονοµψ, ωασ ηοω Χηριστοπηερ ϑ. Βυρροωσ οφ τηε Σπαχε Τελεσχοπε Σχιενχε Ινστιτυτε επιτο− µιζεδ τηε φεελινγσ οφ τηε εχστατιχ ασ− τρονοµερσ ωηο ιν ϑανυαρψ προυδλψ σηοωεδ ο⇑ τηε ⇒ρστ, βριλλιαντλψ σηαρπ ιµαγεσ φροµ τηε νεωλψ ρεφυρβισηεδ Ηυββλε Σπαχε Τελεσχοπε. Α ϕυβιλαντ Να− τιοναλ Αεροναυτιχσ ανδ Σπαχε Αδµινισ− τρατιον ωαστεδ νο τιµε χαπιταλιζινγ ον τηε συχχεσσ οφ ∆εχεµβερ∏σ σηυττλε µισ− σιον δυρινγ ωηιχη αστροναυτσ χορρεχτεδ τηε βλυρρψ ϖισιον οφ τηε ορβιτινγ οβσερ− ϖατορψ. Ωε βελιεϖε Ηυββλε ισ ⇒ξεδ, δε− χλαρεδ αδµινιστρατορ ∆ανιελ Σ. Γολδιν. ΝΑΣΑ∏σ οων σηακεν ρεπυτατιον ενϕοψεδ σοµε ⇒ξινγ ασ ωελλ. Τηε αγενχψ ηασ συ⇑ερεδ α σεριεσ οφ ιγνοµινιουσ σετβαχκσ ιν ρεχεντ ψεαρσ, χυλµινατινγ ιν τηε λοσσ οφ τηε Μαρσ Οβ− σερϖερ λαστ Αυγυστ. Ηυββλε ηαδ βεεν αν ορβιτινγ εµβαρρασσµεντ σινχε τωο µοντησ αφτερ ιτσ λαυνχη ιν 1990, ωηεν ΝΑΣΑ ρεαλιζεδ τηατ τηε τελεσχοπε∏σ πρι− 14 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Ωιδε Φιελδ ανδ Πλανεταρψ Χαµερα τηατ τοοκ τηε πηοτο ατ τηε λεφτ ωασ ρεπλαχεδ το χορρεχτ τηε ερρορ ιν Ηυββλε∏σ µαιν µιρρορ. µαρψ µιρρορ ηαδ βεεν µανυφαχτυρεδ το τηε ωρονγ σηαπε. Ασ α ρεσυλτ, Ηυββλε∏σ περφορµανχε ηαδ φαλλεν φαρ σηορτ οφ εξπεχτατιονσ. Τηε ⇒ξ σηουλδ εναβλε τηε ∃1.5−βιλλιον τελεσχοπε το φυλ⇒λλ ιτσ οριγιναλ προµισε. Ηυββλε ηασ α ρεσολυτιον ατ λεαστ 10 τιµεσ βεττερ τηαν τηατ οφ ανψ γρουνδ− βασεδ ινστρυµεντ, σο ιτ χαν σεε χλεαρλψ τηρουγηουτ α ϖολυµε οφ σπαχε 1,000 τιµεσ λαργερ. Βεψονδ ουρ ωιλδεστ εξ− πεχτατιονσ ωασ τηε ϖερδιχτ οφ Εδ Ωειλ− ερ, Ηυββλε προγραµ σχιεντιστ. Νεω γψρο− σχοπεσ, σολαρ αρραψσ ανδ µαγνετοµετερσ αλσο ινσταλλεδ δυρινγ τηε µισσιον ηαϖε ιµπροϖεδ Ηυββλε∏σ σταβιλιτψ ανδ ιντρο− δυχεδ βαχκυπ χαπαβιλιτψ φορ ποιντινγ. Εϖερ µινδφυλ οφ τηε νεεδ φορ φριενδσ ον Χαπιτολ Ηιλλ, ΝΑΣΑ ινϖιτεδ Σενατορ Βαρβαρα Α. Μικυλσκι οφ Μαρψλανδ, χηαιρ οφ τηε σενατε συβχοµµιττεε τηατ οϖερ− σεεσ τηε αγενχψ∏σ αππροπριατιονσ, το ηελπ αννουνχε τηε συχχεσσ. Τηε ρεπαιρ οφ Ηυββλε ισ α βενχηµαρκ, Μικυλσκι σαιδ, ⇓ουρισηινγ πιχτυρεσ οφ α σταρ τακεν ωιτη τηε τελεσχοπε∏σ Φαιντ Οβϕεχτ Χαµ− ερα βεφορε ανδ αφτερ τηε ρε⇒τ. Τηερε ισ νοω α χον⇒δενχε τηατ τηε σπαχε στα− τιον χαν βε βυιλτ. Τηερε ωιλλ βε τηε τεχη− νιχαλ ανδ αστροναυτ χαπαβιλιτψ το δο ιτ. Μοστ αστρονοµερσ χουλδ νοτ χαρε λεσσ αβουτ τηε πλαννεδ σπαχε στατιον, βυτ, λικε α Χηαγαλλ βριδεγροοµ, τηεψ αρε οϖερ τηε µοον αβουτ τηε ωεαλτη οφ δατα νοω λικελψ το χοµε φροµ Ηυββλε. Τωο µαϕορ χηανγεσ ιν τηε τελεσχοπε ενηανχε ιτσ χαπαχιτιεσ. Ονε ισ ΧΟΣΤΑΡ, τηε χορ− ρεχτιϖε οπτιχσ παχκαγε, ωηιχη χαρριεσ 10 βυττον−σιζε µιρρορσ τηατ ρεµεδψ τηε ερρορ ιν τηε πριµαρψ µιρρορ φορ τηρεε Ηυββλε ινστρυµεντσ: τηε Φαιντ Οβϕεχτ Χαµερα, τηε Γοδδαρδ Ηιγη Ρεσολυτιον Σπεχτρογραπη ανδ τηε Φαιντ Οβϕεχτ Σπεχτρογραπη. Ανοτηερ ινστρυµεντ ωασ σαχρι⇒χεδ το µακε ροοµ φορ ΧΟΣΤΑΡ. Τηε οτηερ ιµπορταντ ⇒ξ ισ τηε νεω Ωιδε Φιελδ ανδ Πλανεταρψ Χαµερα (ΩΦΠΧ−2), ωηιχη χορρεχτσ τηε φαυλτ ιν τηε πριµαρψ µιρρορ ωιτηουτ ΧΟΣΤΑΡ∏σ ηελπ. Ασ οφ λατε ϑανυαρψ, τηε σπεχτρογραπη µιρρορσ ον ΧΟΣΤΑΡ ηαδ νοτ αλλ βεεν τεστεδ, βυτ ΝΑΣΑ ο⇔χιαλσ ωερε χον⇒− δεντ. Τηε Φαιντ Οβϕεχτ Χαµερα µιρρορσ οφ ΧΟΣΤΑΡ, ασ ωελλ ασ ΩΦΠΧ−2, βοτη ωορκεδ ασ σοον ασ τηεψ ωερε αχτιϖατεδ, νεεδινγ λιττλε αδϕυστµεντ το αχηιεϖε αλ− µοστ περφεχτ περφορµανχε. ΩΦΠΧ−2∏σ περφορµανχε ισ νοω ϖερψ χλοσε το τηε τηεορετιχαλ λιµιτ, αχχορδινγ το Βυρροωσ. Βετωεεν 60 ανδ 70 περχεντ οφ τηε λιγητ φροµ α ποιντ σουρχε ιµαγεδ ωιτη τηε χαµερα φαλλσ ωιτηιν α χιρχλε 0.2 Copyright 1994 Scientific American, Inc. NASA ΠΑΡΤ ΟΦ ΤΗΕ ΓΡΕΑΤ ΝΕΒΥΛΑ ιν Ορι− ον, α ρεγιον οφ ρεχεντ σταρ φορµατιον, ισ σεεν ιν υνπρεχεδεντεδ δεταιλ ιν αν ιµ− αγε φροµ Ηυββλε∏σ νεω χαµερα. Χολορσ χορρεσπονδ το δι⇑ερεντ γασεσ. αρχ σεχονδ αχροσσ. Βεχαυσε οφ σπηεριχαλ αβερρατιον χαυσεδ βψ τηε δεφεχτ ιν τηε πριµαρψ µιρρορ, τηε ολδ ΩΦΠΧ χουλδ πυτ ονλψ 12 περχεντ οφ τηε λιγητ φροµ α ποιντ ιν τηε σαµε αρεα. Ατ τηε Αµεριχαν Αστρονοµιχαλ Σοχιετψ µεετινγ ιν ϑαν− υαρψ, ϑ. ϑε⇑ρεψ Ηεστερ οφ Αριζονα Στατε Υνιϖερσιτψ πρεσεντεδ δραµατιχ ιµαγ− εσ µαδε ωιτη τηε νεω χαµερα οφ τηε στελλαρ νυρσερψ κνοων ασ Ρ 136. Τηε ⇒ρστ ΩΦΠΧ ρε− ϖεαλεδ τηατ Ρ 136, α χλυστερ ιν τηε νεβυλα 30 ∆οραδυσ, χοµπρισεδ σεϖεραλ ηυνδρεδ σταρσ; νοω ΩΦΠΧ−2 σεεσ µορε τηαν 4,000. ΩΦΠΧ−2 ηασ αλσο µαδε ϖιϖιδ ιµαγεσ οφ τηε γιαντ σταρ Ετα Χαριναε. Βυτ εϖεν συχη πριζεσ παλε βεφορε τηε προσπεχτ τηατ τηε ρεφυρβισηεδ τελεσχοπε ωιλλ εναβλε αστρονοµερσ ⇒ναλλψ το δε− τερµινε τηε ϖαλυε οφ α κεψ χοσµολογιχαλ παραµετερ: τηε Ηυββλε χονσταντ. Τηε Ηυββλε χονσταντ, ναµεδ∇λικε τηε τελε− σχοπε∇φορ τηε Αµεριχαν αστρονοµερ Εδωιν Ηυββλε, ισ α νυµβερ τηατ ρελατεσ τηε ϖελοχιτψ οφ αν αστρονοµιχαλ οβϕεχτ το ιτσ διστανχε. Ιτ τηυσ λεαδσ στραιγητ το αν εστιµατε οφ τηε αγε οφ τηε υνιϖερσε. Ατ πρεσεντ, αστρονοµερσ δισαγρεε βψ α φαχτορ οφ τωο οϖερ τηε σιζε οφ τηε Ηυβ− βλε χονσταντ. Χονσεθυεντλψ, τηε αγε οφ τηε υνιϖερσε χαννοτ βε χαλχυλατεδ ωιτη ανψ πρεχισιον βεψονδ τηατ οφ α ηανδ ωαϖε (τηε νυµβερ ισ τηουγητ το βε βε− τωεεν 10 ανδ 20 βιλλιον ψεαρσ). Το ρεσολϖε τηε αργυµεντ, ιτ ωιλλ βε νεχεσσαρψ το βρινγ ιντο φοχυσ ϖαριαβλε σταρσ χαλλεδ Χεπηειδσ ιν γαλαξιεσ ασ µυχη ασ 50 µιλλιον λιγητ−ψεαρσ αωαψ. Ασ Ηυββλε ρεαλιζεδ, τηε φαχτ τηατ τηε αβσο− λυτε βριγητνεσσ οφ α Χεπηειδ χαν βε ιν− φερρεδ φροµ ιτσ περιοδιχιτψ µακεσ τηεµ υσεφυλ ασ χοσµιχ µιλεστονεσ; σταρσ οφ τηε σαµε βριγητνεσσ λοοκ διµµερ τηε φαρτηερ αωαψ τηεψ αρε. Τηε ολδ ΩΦΠΧ χουλδ ρεσολϖε Χεπηειδσ τηατ λαψ ονλψ 12 µιλλιον ορ σο λιγητ−ψεαρσ αωαψ. Βυτ ΩΦΠΧ−2 εασιλψ ρεσολϖεσ ινδιϖιδυαλ σταρσ ιν τηε γαλαξψ Μ100, ωηιχη φλοατ ατ α δισ− τανχε βετωεεν 35 µιλλιον ανδ 80 µιλ− λιον λιγητ−ψεαρσ. Σοµε οφ τηοσε σταρσ Χηαοτιχ Χηαοσ Σ tudents of chaos have clung to the notion that chaotic systems retain some shreds of order. The shreds manifest themselves in the form of an attractor, a pattern of behavior toward which the system periodically settles. Identifying the attractor enables one to predict the final behavior of a chaotic system, at least in a qualitative, statistical sense. That comforting notion has been damaged by Edward Ott of the University of Maryland and John C. Sommerer of Johns Hopkins University and their colleagues. They have shown that for certain systems that have more than one attractor, even qualitative predictions are impossible. “The repeatability of an experiment gets thrown into question,” Ott says. The problem is rooted in the way a chaotic system determines which attractor to follow. The initial conditions that control the choice are said to be located in a basin of attraction. Ott and Sommerer have spoiled the party by showing that a basin may be rather leaky: it may have “holes” that make it impossible to predict which attractor the system will follow. Building on earlier mathematical work, the physicists used a computer to conduct numerical experiments in which a particle moving on a frictional surface is occasionally pushed. Consequently, the particle could begin moving either periodically or sporadically. The researchers found that even for this fairly simple system they could not determine which of the two attractors the particle would chase, because one basin is riddled with pieces 16 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 of the other basin. In fact, every area in one basin, no matter how small, contained pieces of the other basin within it. “Hence, arbitrarily small changes can cause the system to go to a completely different attractor,” Ott remarks. The only way to guarantee an outcome is not to have any error or noise whatsoever—a practical impossibility for real systems. And, anyway, what kind of chaos would that be? Ott points out that the results differ from other forms of chaos in which the starting point straddles the boundary between two basins of attraction. In such borderline situations, one might be able to move the starting point away from the boundary so that the attractor can be predicted. The same cannot be done for systems that have riddled basins, because no region is free of holes. “You’re always on the borderline,” Ott explains. Although riddled basins appear only in situations that have certain spatial symmetries, they are probably not rare. “A lot of physics is based on conservation laws, which are based on symmetries,” Sommerer observes. Currently the workers are looking for real physical phenomena that have riddled basins. They suspect that turbulent fluids, chemical mixtures and lasers may be among such systems. Sommerer even speculates that experimentalists have already encountered this kind of chaos. Projects that went awry the second time around could have been a result of the mischievous property of riddled basins. “I have a sneaking suspicion this might be the case for some,” he intones. —Philip Yam Copyright 1994 Scientific American, Inc. µαψ ωελλ βε Χεπηειδσ. Ωε αππεαρ το ηαϖε α χαµερα τηατ σηουλδ βε χαπαβλε οφ τηατ φυνδαµενταλ τασκ, σαψσ ϑον Ηολτζµαν οφ Λοωελλ Οβσερϖατορψ. Ιµαγεσ φροµ τηε Φαιντ Οβϕεχτ Χαµ− ερα, νοω σεεινγ σηαρπλψ φορ τηε ⇒ρστ τιµε τηανκσ το ΧΟΣΤΑΡ, αρε νο λεσσ ιµ− πρεσσιϖε. Πετερ ϑακοβσεν οφ τηε Ευρο− πεαν Σπαχε Αγενχψ, ωηιχη βυιλτ τηε Φαιντ Οβϕεχτ Χαµερα, δρεω σποντανεουσ αππλαυσε ατ τηε ϑανυαρψ µεετινγ ωηεν ηε σηοωεδ αν ιµαγε οφ συπερνοϖα ΣΝ1987Α φροµ τηε ινστρυµεντ. Τηε πηοτογραπη χλεαρλψ ρεσολϖεδ τηε χεντραλ ⇒ρεβαλλ οφ τηε εξπλοδινγ σταρ. Ροβερτ ϑεδρζεϕεωσκι οφ τηε Σπαχε Τελε− σχοπε Σχιενχε Ινστιτυτε ελιχιτεδ τηε σαµε ρεαχτιον ωηεν ηε εξηιβιτεδ α ϕυστ−δραων διαγραµ οφ τηε βριγητνεσσ ανδ τεµπερα− τυρε οφ σταρσ ιν τηε γλοβυλαρ χλυστερ 47 Τυχαναε. Περηαπσ τηε µοστ σπεχταχυλαρ ιµαγε ωασ δισπλαψεδ βψ Φ. ∆υχχιο Μαχ− χηεττο, αλσο οφ τηε Σπαχε Τελεσχοπε Σχι− ενχε Ινστιτυτε, ωηο πρεσεντεδ α ϖιεω οφ τηε ⇒ερψ ηεαρτ οφ α Σεψφερτ τψπε 2 γαλαξψ, ΝΓΧ 1068. Τηε χορε, βελιεϖεδ το χον− ταιν α βλαχκ ηολε, σηινεσ α βιλλιον τιµεσ βριγητερ τηαν τηε συν. Αλτηουγη ινφαλλ− ινγ µαττερ οβσχυρεσ τηε χορε, τηε νεω πηοτογραπη σηοωσ δεταιλεδ στρυχτυρε αρουνδ τηε ινφερνο ωηερε βεφορε τηερε ωασ ονλψ α βλυρ. Εδωιν Ηυββλε ωουλδ ηαϖε βεεν προυδ. ∇Τιµ Βεαρδσλεψ 18 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 ∆οων τηε Γρεεν Ασ Ρασ γραβσ ηεαδλινεσ, ωορκερσ ⇒νδ α σηορτ σιγναλινγ πατηωαψ Τ ηε Ρασ πατηωαψ, ονε ρουτε βψ ωηιχη ∆ΝΑ ισ τυρνεδ ον ανδ ο⇑ βψ σιγναλσ αρριϖινγ ατ τηε χελλ µεµβρανε, ηασ βεεν κεεπινγ χελλ βιολο− γιστσ βυσψ φορ τηε παστ ψεαρ. Ιφ µολεχυλαρ βιολογψ ωερε βιλλιαρδσ, τηε Ρασ πατηωαψ (σο ναµεδ βεχαυσε α κεψ ελεµεντ ιν ιτ ισ τηε Ρασ προτειν) ωουλδ βε αν επιχαλλψ χοµπλεξ χοµβινατιον σηοτ υσινγ εϖερψ βαλλ ανδ χυσηιον το ανγλε τηε ταργετ βαλλ, α γροωτη σιγναλ, τοωαρδ τηε ποχκετ. Ασ τηε Ρασ στορψ υνφολδεδ ιν α ραπιδ− λψ βυιλδινγ σεριεσ οφ παπερσ, οτηερ σχι− εντιστσ ωερε θυιετλψ υνχοϖερινγ α µυχη σιµπλερ πατηωαψ, α κινδ οφ στραιγητ σηοτ δοων τηε γρεεν. Τηε χοντρολ σεθυενχε τηεψ δεσχριβε χαρριεσ χηεµιχαλ ινφορµα− τιον φροµ τηε χελλ µεµβρανε το τηε νυ− χλευσ ϖια ονλψ τωο κεψ φαµιλιεσ οφ προ− τεινσ, ϑανυσ κινασεσ ( ϑΑΚ ) ανδ σιγναλ τρανσδυχερσ ανδ αχτιϖατορσ οφ τρανσχριπ− τιον προτεινσ (ΣΤΑΤ), ωιτηουτ ρελψινγ ον σεχονδαρψ µεσσενγερσ. Τηε σεθυενχε βεγινσ ωηεν αν οχχυπιεδ µεµβρανε ρε− χεπτορ πηοσπηορψλατεσ α ϑΑΚ κινασε, ωηιχη ιν τυρν χαλλσ ΣΤΑΤ προτεινσ ιντο αχτιον. Τηε ΣΤΑΤ προτεινσ τηεν ϕουρνεψ το τηε νυχλευσ, ωηερε αλονε ορ ιν ταν− δεµ ωιτη οτηερ ∆ΝΑ βινδινγ προτεινσ τηεψ στιµυλατε τρανσχριπτιον. Τηε Ρασ πατηωαψ ισ α µυχη µορε χοµπλεξ, σενσιτιϖε ιντερπλαψ οφ προτεινσ τηαν ωηατ ωε∏ρε λοοκινγ ατ, εξπλαινσ ϑαµεσ Ε. ∆αρνελλ, ϑρ., οφ τηε Ροχκεφελλερ Υνιϖερσιτψ, ονε οφ τηε δισχοϖερερσ οφ τηε νεω πατηωαψ. Ι δον∏τ βελιεϖε τηε Ρασ πατηωαψ ισ τηε δεχισιϖε πατηωαψ φορ τρανσχριπτιοναλ σιγναλσ, βυτ ιτ ισ χριτιχαλ ιν γροωτη χοντρολ. ∆αρνελλ ⇒ρστ νοτιχεδ τηε ρολε ΣΤΑΤ προτεινσ πλαψ ιν χελλσ ρε− σπονδινγ το σιγναλσ φροµ τωο ιντερ− φερονσ, ΙΦΝ−αλπηα ανδ ΙΦΝ−γαµµα, τηατ δοχκ ατ δι⇑ερεντ µεµβρανε ρεχεπτορσ. Βοτη σιγναλσ χαυσε αντιϖιραλ ρεαχτιονσ ασ ωελλ ασ ρεστραινεδ γροωτη ιν µανψ χελλ τψπεσ, βυτ τηεψ ωερε πρεσυµεδ το υσε ινδεπενδεντ πατηωαψσ. Ιτ τυρνσ ουτ τηατ βοτη χουλδ ενγαγε τηε σαµε προ− τειν, Στατ91. Μεανωηιλε βιολογιστσ ατ τηε Ιµπεριαλ Χανχερ Ρεσεαρχη Φυνδ ιν Λονδον ωερε δεϖελοπινγ αν αδδιτιοναλ λινε οφ εϖι− δενχε. Τηε Ενγλιση ινϖεστιγατορσ σελεχτ− εδ µυταντ χελλσ ινχαπαβλε οφ ρεσπονδ− ινγ το ΙΦΝ−αλπηα ορ ΙΦΝ−γαµµα, ορ βοτη. Βυτ τηε γρουπ φουνδ τηατ τηε ΙΦΝ ρε− σπονσε χουλδ βε ρεστορεδ βψ αδδινγ το τηε χελλσ γενετιχ ινστρυχτιονσ φορ τηε προδυχτιον οφ Στατ91. Τηε ϖαριουσ χελλ λινεσ σηοωεδ τηατ νοτ ονλψ ωασ τηε αχτι− Copyright 1994 Scientific American, Inc. ϖατιον οφ Στατ91 ρεθυιρεδ φορ α χελλ το ρεσπονδ το τηε ιντερφερονσ βυτ τηατ σεπ− αρατε σετσ οφ ϑΑΚ προτεινσ ωερε νεεδεδ το ιντεραχτ ωιτη τηε ΣΤΑΤ προτεινσ ιν ορδερ το ινιτιατε ειτηερ ρεπλψ. Σεϖεραλ λαβορατοριεσ ηαϖε σινχε δεµ− ονστρατεδ τηατ τηε ϑΑΚ−ΣΤΑΤ πατηωαψ ισ ινϖολϖεδ ιν χελλ ρεσπονσεσ το οτηερ γροωτη φαχτορσ ανδ χψτοκινεσ. Ωε δο κνοω τηατ τηε ϑΑΚ κινασεσ δεχορατε τηε ΣΤΑΤ προτεινσ, βυτ ωε δο νοτ ψετ κνοω ωηο πηοσπηορψλατεσ ωηοµ, ∆αρνελλ αδδσ. Τηε ϑΑΚ−ΣΤΑΤ πατηωαψ µαψ ωελλ φαχιλιτατε α ϖαστ νυµβερ οφ χελλυλαρ ρε− σπονσεσ. Μυχη λικε Λεγο βλοχκσ, τηεσε προτεινσ µαψ σναπ τογετηερ ιν α νυµβερ οφ χον⇒γυρατιονσ το αχτιϖατε µανψ δι⇑ερ− εντ γενεσ. Φυρτηερµορε, τηε διστινχτ προ− τειν αρρανγεµεντσ βινδ ωιτη ϖαρψινγ αφ− ⇒νιτιεσ το τηειρ ρελατεδ γενε σιτεσ. ΣΤΑΤ προτεινσ µαψ τηυσ εναβλε χελλσ το δισ− τινγυιση δεγρεεσ οφ υργενχψ ιν τηε εξ− τραχελλυλαρ σιγναλσ τηεψ ρεχειϖε. Ωε βελιεϖε δι⇑ερεντ εξτραχελλυλαρ σιγ− ναλσ προβαβλψ τριγγερ α δι⇑ερεντ προ⇒λε οφ γενε ρεσπονσεσ, ∆αρνελλ σαψσ. Βυτ ωε δον∏τ κνοω ηοω µανψ σεπαραβλε ρε− σπονσε ελεµεντσ τηερε αρε ιν τηε γε− νοµε ορ ηοω µανψ δι⇑ερεντ περµυτα− τιονσ οφ τρανσχριπτιον φαχτορσ ωιλλ βε ρε− θυιρεδ. Φορ α στραιγητ σηοτ δοων τηε γρεεν, τηισ σετυπ ισ βεγιννινγ το λοοκ φαιρλψ χοµπλιχατεδ. ∇Κριστιν Λευτωψλερ Copyright 1994 Scientific American, Inc. Σπιννινγ Ουτ Πηψσιχιστσ χαννοτ αγρεε ον τηε οριγιν οφ προτον σπιν ϑ υστ ηοω µυχη οφ α προτον∏σ σπιν χοµεσ φροµ τηατ οφ ιτσ θυαρκσ? Ασκ αν εξπεριµεντερ, ανδ τηε αν− σωερ ισ 10, 55 ορ, µοστ ρεχεντλψ, 35 περχεντ. Ιφ τηισ ισν∏τ χονφυσινγ ενουγη, ασκ α τηεοριστ. Πρεδιχτιονσ ρανγε αλλ τηε ωαψ φροµ 0 το 100 περχεντ; α γοοδ νυµ− βερ οφ τηεοριστσ χοµε ιν ατ αβουτ 65. Οτηερσ αργυε τηατ τηισ περχενταγε, χαλλεδ σιγµα ( ∑ ), ισ σιµπλψ ινχαλχυλαβλε. Τηατ ουρ βεστ−λοϖεδ συβατοµιχ παρτι− χλε σηουλδ ηαϖε χοµε το συχη α πασσ ισ περπλεξινγ. Τηε προτον∏σ χοµποσιτιον ισ σεεµινγλψ χλεαρ−χυτ: τωο υπ θυαρκσ ανδ ονε δοων θυαρκ ηελδ τογετηερ βψ γλυ− ονσ. Λικε µανψ οτηερ ελεµενταρψ παρτι− χλεσ, τηε προτον∇ανδ τηε θυαρκ∇χαρριεσ α βυιλτ−ιν ανγυλαρ µοµεντυµ, κνοων ασ σπιν, τηατ ηασ α µαγνιτυδε οφ 1/2 (οφ α θυαντυµ υνιτ). Βυτ βεχαυσε τηε προτον ισ µαδε οφ θυαρκσ, ιτσ σπιν ισ πλαυσιβλψ δισσεχταβλε ιντο τηατ οφ ιτσ θυαρκσ. Τηε δεβατε ον ηοω το ιµπλεµεντ τηισ δισ− σεχτιον χοντινυεσ ωηιλε τηε προτον, σο το σπεακ, ωαιτσ ον τηε οπερατινγ ταβλε. Αλονγσιδε λιεσ ιτσ σιγνι⇒χαντ οτηερ, τηε νευτρον; βοτη ηαϖε τηε σαµε ∑ . Ιν 1988 εξπεριµεντερσ ατ ΧΕΡΝ, τηε Ευροπεαν λαβορατορψ φορ παρτιχλε πηψσ− ιχσ, αννουνχεδ τηατ ∑ ισ ρουγηλψ 10 περ− χεντ. Τηισ ⇒νδινγ, χον⇓ιχτινγ ασ ιτ διδ ωιτη µοστ τηεορετιχαλ εξπεχτατιονσ, προ− ϖοκεδ α σωιρλ οφ αχτιϖιτψ. Ιν 1993 α γρουπ ατ τηε Στανφορδ Λινεαρ Αχχελερα− τορ Χεντερ (ΣΛΑΧ) φουνδ ∑ το βε 55 περ− χεντ, ωηερεασ τηε Ευροπεανσ χαµε βαχκ ωιτη α νεω µεασυρεµεντ: αγαιν 10 περ− χεντ. Τηεοριστσ ανδ εξπεριµεντερσ ωεντ ριγητ βαχκ το τηειρ δεσκσ ανδ λαβσ. Ιν εαρλψ ϑανυαρψ τηε ΧΕΡΝ χολλαβορατιον δεχλαρεδ ιτσ λατεστ ρεσυλτ : αβουτ 35 περ− χεντ. Τηε Στανφορδ γρουπ εξπεχτσ το ρε− ϖεαλ ιτσ νεω ρεσυλτ βψ τηισ συµµερ. Σο ωηατ ισ τηε ϖαλυε οφ ∑ ? Ιτ ωιλλ βε σοµε τιµε βεφορε τηε δυστ σεττλεσ: τηε µεασυρεµεντσ ηαϖε λαργε ερρορσ (οφ τενσ οφ περχεντσ), σο τηε ρεσυλτσ θυοτεδ αρε αχτυαλλψ θυιτε φυζζψ. Μεανωηιλε τηε χον− φυσιον ον τηε εξπεριµενταλ σιδε ισ µιρ− ρορεδ βψ τηεορετιχαλ υνχερταιντψ αβουτ ϕυστ ηοω το σλιχε υπ τηε προτον∏σ σπιν. Τηε ηιτχη ισ τηε ιντριχαχψ οφ τηε ρεαλ− λιφε προτον. Ιτσ θυαρκσ ανδ γλυονσ ιντερ− αχτ ωιτη ονε ανοτηερ ιν µψριαδ ωαψσ πρεσχριβεδ βψ τηε τηεορψ οφ θυαντυµ χηροµοδψναµιχσ (ΘΧ∆). Τηεσε ιντεραχ− τιονσ αρε σο ηαρδ το χαλχυλατε τηατ τηεο− ριστσ τρψ το αβστραχτ τηε εσσενχε οφ ΘΧ∆ ιν σιµπλερ µοδελσ, ωηιχη τηεψ τηεν υσε το µακε πρεδιχτιονσ. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 19 Ιν τηε ναιϖε θυαρκ µοδελ, ονε οφ τηε τηρεε θυαρκσ σπινσ ιν α διρεχτιον οππο− σιτε το τηε οτηερ τωο; ωηεν ωε συµ τηε σπινσ οφ αλλ τηρεε, ωε γετ 1/2 + 1/2 ∠ 1/2 − = 1/2∇ωηιχη ισ σιµπλψ τηε προτον∏σ σπιν. Ιν τηισ µοδελ αλλ τηε προτον∏σ σπιν χοµεσ φροµ τηε θυαρκσ∏: ∑ ισ 100 περχεντ. Μορε χοµπλεξ µοδελσ αλλοω τηε θυαρκσ το ορβιτ ονε ανοτηερ; σοµε οφ τηε προ− τον∏σ σπιν τηεν χοµεσ φροµ τηε θυαρκσ∏ ορβιταλ ανγυλαρ µοµεντυµ ανδ ονλψ αβουτ 65 περχεντ φροµ τηειρ σπιν. ϑοην Ελλισ οφ ΧΕΡΝ ανδ Ροβερτ Λ. ϑα⇑ε οφ τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ ηαϖε πρεδιχτεδ α ∑ οφ 60 περχεντ. Τηεψ υσε αν ελεγαντ φορµυλατιον οφ ΘΧ∆ τηατ τακεσ τηε υπ, δοων ανδ στρανγε θυαρκ µασσεσ το βε εθυαλ, ωηιλε ιγνορινγ τηε χοντριβυτιον το ∑ φροµ (σποντανεουσλψ χρεατεδ ) στρανγε θυαρκσ. Αλλ τηε αβοϖε χαλχυλατιονσ αρε θυεσ− τιονεδ βψ Αλφρεδ Η. Μυελλερ οφ Χολυµ− βια Υνιϖερσιτψ ανδ ηισ χολλαβορατορσ. Τηεψ αργυε τηατ γλυονσ µιξ ωιτη θυαρκσ σο ιντιµατελψ τηατ ιτ ισ ιµποσσιβλε το πρεδιχτ τηε σπιν χοντριβυτιον οφ τηε (υν− γλυεδ ) θυαρκσ. Ατ τηε φαρ σιδε οφ τηε δε− βατε λιεσ τηε Σκψρµε µοδελ, ωηιχη σεεσ τηε προτον ασ α ηεδγεηογλικε κινκ ιν α θυαντυµ ⇒ελδ; ιτ γιϖεσ α ∑ οφ 0 περχεντ. Τηε προβλεµ, ποιντσ ουτ Ξιανγδονγ ϑι οφ Μ.Ι.Τ., ισ τηατ ωε ρεαλλψ δον∏τ ηαϖε α γοοδ µοδελ φορ τηε προτον. Τηεοριστσ 20 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 δο αγρεε, ηοωεϖερ, ον ονε ασπεχτ: αν υπ θυαρκ∏σ χοντριβυτιον το ∑ σηουλδ βε θυιτε σιµιλαρ το τηατ οφ α δοων θυαρκ. Ιφ τηε εξπεριµεντσ ρυλε οτηερωισε, ϖιολατ− ινγ α 1966 πρεδιχτιον βψ ϑαµεσ ∆. Βϕορ− κεν οφ ΣΛΑΧ, τηεν ΘΧ∆ ιτσελφ ωιλλ βε χαλλεδ ιντο θυεστιον. Τηε διϖεργενχε οφ ΧΕΡΝ ανδ ΣΛΑΧ δατα ηασ τηρεατενεδ ϕυστ τηατ. Λοοκσ λικε τηε προτον ωιλλ ρεµαιν ον τηε οπερατινγ ταβλε φορ α ωηιλε. ∇Μαδηυσρεε Μυκερϕεε Μολεχυλαρ Μισχηιεφ Σπεχτροσχοπιχ στυδιεσ µαψ ποιντ το α χαυσε οφ σχηιζοπηρενια Ι ν ρεχεντ ψεαρσ, ινϖεστιγατορσ λοοκινγ φορ πηψσιολογιχαλ αβνορµαλιτιεσ ιν τηε βραιν τηατ µιγητ βε ασσοχιατεδ ωιτη σχηιζοπηρενια ηαϖε φοχυσεδ ον α ρεγιον κνοων ασ τηε πρεφρονταλ χορ− τεξ. ∆ιϖερσε χλυεσ συγγεστ τηατ ιτ ισ α σιτε οφ χρυχιαλ εϖεντσ. Ονε ισ τηε οβσερ− ϖατιον τηατ σχηιζοπηρενιχσ ηαϖε βελοω− αϖεραγε βλοοδ ⇓οω ιν τηειρ πρεφρονταλ χορτιχεσ, ωηιχη ινδιχατεσ δεπρεσσεδ αχ− τιϖιτψ τηερε. Ανοτηερ χλυε, φουνδ βψ Πα− τριχια Σ. Γολδµαν−Ρακιχ, Χηαρλεσ ϑ. Βρυχε ανδ Μαρτηα Γ. ΜαχΑϖοψ οφ Ψαλε Υνιϖερ− σιτψ, ισ τηατ χυτσ ατ σπεχι⇒χ λοχατιονσ ιν τηε πρεφρονταλ χορτιχεσ οφ ρηεσυσ µον− κεψσ µακε τηε ανιµαλσ προνε το ερρορσ ον τεστσ δεσιγνεδ το υσε ωορκινγ µεµορψ. Σχηιζοπηρενιχσ δο ποορλψ ον τηε σαµε τψπε οφ τεστ. Λεσιονσ ατ οτηερ σιτεσ ιν τηε σιµιαν πρεφρονταλ χορτεξ χαυσε ϕερκψ εψε µοϖεµεντσ ωηεν α φαστ−µοϖινγ οβϕεχτ ισ τραχκεδ∇αλσο α χηαραχτεριστιχ φεατυρε οφ σχηιζοπηρενια. ϑαψ Ω. Πεττεγρεω οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Πιττσβυργη ηασ πρεσσεδ ον το τηε µο− λεχυλαρ λεϖελ∇ιν ηυµαν βεινγσ. Πεττε− γρεω υσεσ νυχλεαρ µαγνετιχ ρεσονανχε σπεχτροσχοπψ το µεασυρε ωηατ ηε χαλλσ τηε µολεχυλαρ µισχηιεφ οφ τηε δισεασε. Ιν α στυδψ τηατ χοµπαρεδ 24 σχηιζο− πηρενιχσ ωηο ηαδ νεϖερ ρεχειϖεδ αντι− πσψχηοτιχ µεδιχατιον ωιτη 29 ηεαλτηψ ανδ µατχηεδ χοντρολ συβϕεχτσ, Πεττε− γρεω φουνδ τηατ τηε πατιεντσ ηαδ µαρκ− εδλψ λοωερ λεϖελσ οφ χηεµιχαλσ χαλλεδ πηοσπηοµονοεστερσ ιν τηειρ πρεφρονταλ χορτιχεσ. Ατ τηε αννυαλ µεετινγ οφ τηε Σοχιετψ φορ Νευροσχιενχε ιν Ωασηινγτον, ∆.Χ., λατε λαστ ψεαρ, Πεττεγρεω πρεσεντεδ εϖι− δενχε τηατ τηισ χηεµιχαλ αβνορµαλιτψ ηασ ρελεϖανχε το σψµπτοµσ. Πατιεντσ ωηο ωερε µορε σιχκ, ασ ασσεσσεδ βψ τεστσ οφ ϖερβαλ ⇓υενχψ ανδ οτηερ µεα− συρεσ, ηαδ λοωερ λεϖελσ οφ πηοσπηοµο− νοεστερσ τηαν τηοσε ωηο ωερε λεσσ σιχκ. Πηοσπηοµονοεστερσ αρε βυιλδινγ βλοχκσ φορ τηε πηοσπηολιπιδσ φουνδ ιν Copyright 1994 Scientific American, Inc. µεµβρανεσ συρρουνδινγ νευρονσ. Πετ− τεγρεω τηινκσ σχηιζοπηρενιχσ ηαϖε αν ιµπαιρεδ αβιλιτψ το σψντηεσιζε τηε µεµ− βρανεσ. Οτηερ χοµπουνδσ κνοων ασ πηοσπηοδιεστερσ αρε αλσο πρεσεντ ιν ελ− εϖατεδ αµουντσ ιν σχηιζοπηρενιχσ, α ⇒νδινγ τηατ χουλδ ινδιχατε τηατ ιν συχη πατιεντσ τηε βρεακδοων οφ νευραλ µεµ− βρανεσ ισ αχχελερατεδ. Τηε ρεσυλτσ, ωηιχη Πεττεγρεω σαψσ ηαϖε βεεν ρεπλιχατεδ, σεεµ το ⇒τ ιν ωιτη τηε ⇒νδινγ τηατ τηε χελλσ ιν τηε πρεφρονταλ χορτεξ οφ α σχηιζοπηρενιχ ινδιϖιδυαλ αρε τψπιχαλλψ σµαλλερ ανδ µορε δενσελψ παχκεδ τηαν τηοσε ιν νορµαλ βραινσ. Πεττεγρεω προποσεσ τηατ ιν σχηιζο− πηρενιχσ α πρυνινγ οφ νευρονσ τηατ νορµαλλψ οχχυρσ δυρινγ αδολεσχενχε ισ εξαγγερατεδ. Ιφ ηεαλτηψ χηιλδρεν ωηο ηαϖε υνυσυ− αλλψ λοω πηοσπηοµονοεστερ λεϖελσ αρε µορε λικελψ τηαν οτηερσ το σηοω σψµπ− τοµσ οφ σχηιζοπηρενια λατερ∇α βιγ ιφ∇ τηεν, Πεττεγρεω συγγεστσ, γιϖινγ συχη χηιλδρεν δρυγσ δεσιγνεδ το στιµυλατε τηε γροωτη οφ νευρονσ µιγητ φορεσταλλ τηε δεϖελοπµεντ οφ τηε δισεασε. Ωε σηουλδ σταρτ το τηινκ αβουτ σχηιζοπηρενια ασ σοµετηινγ ωε χαν πρεϖεντ, ηε δεχλαρεσ. Φιρστ, συχη δρυγσ µυστ βε φουνδ, ηοωεϖερ. Ωορκ ον τηισ δισεασε ηασ φαιλεδ το ρεδεεµ ιτσ προµισε µανψ τιµεσ βεφορε. ∇Τιµ Βεαρδσλεψ Copyright 1994 Scientific American, Inc. Γενε Ριχη, Χαση Ποορ Τηε γενοµε προϕεχτ ηασ πλεντψ οφ ⇒νδινγσ βυτ νοτ δολλαρσ Β ψ αλλ τηε σηορτ−τερµ µεασυρεσ, τηε Ηυµαν Γενοµε Προϕεχτ ισ συχ− χεεδινγ βεψονδ ιτσ πλαννερσ∏ δρεαµσ. Φουρ ψεαρσ αγο ιτ ωασ λαυνχηεδ ασ α 15−ψεαρ ε⇑ορτ το ρεαδ ανδ δεχιπηερ τηε ∆ΝΑ ιν ηυµαν χελλσ. Βυτ ωιτηιν τωο ψεαρσ ρεσεαρχηερσ ωιλλ ηαϖε φαιρλψ δε− ταιλεδ µαπσ οφ αλλ τηε χηροµοσοµεσ ανδ µαψ εϖεν κνοω ωηερε νεαρλψ αλλ τηε γενεσ αρε. Τηοσε δισχοϖεριεσ αρε υσηερ− ινγ ιν α νεω αγε ιν βιολογψ. Ωιτη γενετ− ιχ δεχοδερσ ιν ηανδ, ινϖεστιγατορσ ωιλλ σοον βε ⇒νδινγ µολεχυλαρ σολυτιονσ το λονγ−στανδινγ πυζζλεσ οφ δεϖελοπµεντ ανδ χελλυλαρ φυνχτιον. Ατ τηε σαµε τιµε, ηοωεϖερ, γενετιχιστσ αρε αλσο ωορρψινγ αβουτ ωηετηερ τηε προ− γραµ ηασ τηε τεχηνιχαλ ανδ ⇒νανχιαλ ρε− σουρχεσ το κεεπ τηε παρτψ γοινγ. Ιτ ισ ϖερψ δι⇔χυλτ το λοοκ ατ τηε βυδγετ ωε ηαϖε ανδ σεε ηοω ωε∏ρε γοινγ το γετ ιτ δονε βψ 2006, λαµεντσ Φρανχισ Χολλινσ, διρεχτορ οφ τηε γενοµε προϕεχτ ατ τηε Νατιοναλ Ινστιτυτεσ οφ Ηεαλτη. Ρεσεαρχηερσ υνανιµουσλψ αγρεε τηατ τηε χοµπιλατιον οφ γενετιχ λινκαγε ανδ πηψσιχαλ µαπσ, ωηιχη ινδιχατε ωηερε γενεσ αππεαρ ον χηροµοσοµεσ, αρε προ− χεεδινγ ον ορ αηεαδ οφ σχηεδυλε. ϑυστ βεφορε Χηριστµασ, ιν φαχτ, τηε πηψσιχαλ µαππινγ προϕεχτ ρεχειϖεδ α γιφτ φροµ ∆ανιελ Χοηεν οφ τηε Χεντρε δ∏τυδε δυ Πολψµορπηισµε Ηυµαιν (ΧΕΠΗ) ανδ Γντηον ιν Παρισ, ωηο ρελεασεδ α µαπ οφ µορε τηαν 90 περχεντ οφ τηε ηυµαν γενοµε. Χοηεν ισ α πιονεερ ιν τηε υσε οφ λαργε πιεχεσ οφ ψεαστ ∆ΝΑ, χαλλεδ µεγαΨΑΧσ, ασ µαππινγ τοολσ. Ηισ γρουπ ηαδ δισσεχτεδ χηροµοσοµε 21 βψ τηατ µετηοδ ιν 1992. Βυτ Χοηεν δεχιδεδ τηατ ηανδλινγ τηε ηυµαν χηροµοσοµεσ ονε βψ ονε ωασ τοο ινε⇔χιεντ, σο ηισ τεαµ χηανγεδ ταχτιχσ ανδ αναλψζεδ αλλ οφ τηεµ σιµυλτανεουσλψ. Ιφ τηε ΧΕΠΗ µαπ χοϖερσ ϖιρτυαλλψ τηε εντιρε ηυµαν γενοµε, ωηψ ισν∏τ τηατ παρτ οφ τηε προϕεχτ ⇒νισηεδ? Τηε ρεσο− λυτιον οφ τηε ΧΕΠΗ µαπ ισ λοω: τηε γενετ− ιχ λανδµαρκσ ιτ χηαρτσ αρε µιλλιονσ οφ νυχλεοτιδε βασε παιρσ απαρτ. Γενετιχιστσ υσυαλλψ νεεδ το βε ωιτηιν 100,000 βασεσ ορ σο οφ α µαρκερ το ⇒νδ ανδ σεθυενχε α σπεχι⇒χ γενε. Χολλινσ βελιεϖεσ α µαπ ωιτη α 300,000−βασε ρεσολυτιον χουλδ βε αϖαιλαβλε ιν 1995. Τηε υλτιµατε βλυεπριντ, ανδ τηε γοαλ οφ τηε σεθυενχινγ ε⇑ορτ, ωιλλ βε τηε ρεαδ− ουτ οφ αλλ τηρεε βιλλιον βασε παιρσ τηατ µακε υπ ηυµαν ∆ΝΑ. Βυτ τηισ λεγ οφ τηε γενοµε προϕεχτ ισ λοοκινγ ριχκετψ. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 21 Σιµπλε αριτηµετιχ σηοωσ ωηψ: εϖεν τηε βεστ λαβορατοριεσ χαν νοω σεθυενχε ονλψ αβουτ τωο µιλλιον βασε παιρσ α ψεαρ, ανδ ονλψ φουρ ορ ⇒ϖε λαβορατοριεσ ιν τηε Υ.Σ. χαν ωορκ τηατ φαστ. Ατ τηατ ρατε, σεθυενχ− ινγ τηε εντιρε γενοµε ωουλδ τακε µορε τηαν 300 ψεαρσ. Τηε σεθυενχινγ τιµε− ταβλε ωασ αλωαψσ βυιλτ ον τηε ασσυµπ− τιον τηατ τεχηνολογιχαλ ιµπροϖεµεντσ ωουλδ κεεπ τηε ρατε οφ σεθυενχινγ ρισ− ινγ εξπονεντιαλλψ. Βυτ βασιχ ρεσεαρχη ιντο δεϖελοπινγ σεθυενχινγ τεχηνολογιεσ ηασ συ⇑ερεδ φροµ νεγλεχτ. Τηε γοοδ νεωσ, Χολλινσ σαψσ, ισ τηατ µεετινγ τηε 2006 δεαδλινε ισν∏τ γοινγ το ρεθυιρε α βλυε−σκψ βρεακτηρουγη. Ωε∏ρε νοτ γοινγ το ηαϖε το δεπενδ ον σοµετηινγ ωε χαν∏τ τηινκ οφ ψετ. Ρε− σεαρχηερσ αρε αλρεαδψ ραισινγ τηε σπεεδ ανδ ε⇔χιενχψ οφ τηε ελεχτροπηορετιχ γελ εθυιπµεντ τηεψ υσε το αναλψζε ∆ΝΑ. Τηε βιγγεστ ϕυµπ, µοστ ινϖεστιγατορσ τηινκ, ωιλλ χοµε φροµ αυτοµατινγ ρεπετ− ιτιϖε τασκσ νοω δονε µανυαλλψ. Μολεχυλαρ γενετιχιστσ αρε αλσο λοοκ− ινγ ηοπεφυλλψ το ιµπροϖεµεντσ ιν σε− θυενχινγ τεχηνιθυεσ συχη ασ πριµερ ωαλκινγ. Ρεσεαρχηερσ χαν µακε πριµερ µολεχυλεσ οφ ∆ΝΑ αβουτ 18 βασεσ λονγ τηατ ωιλλ βινδ το α υνιθυε λοχατιον ιν τηε γενοµε. Ωιτη ενζψµεσ, τηεψ χαν εξτενδ α βουνδ πριµερ βψ σεϖεραλ ηυνδρεδ µορε βασεσ χοµπλεµενταρψ το τηε γε− νοµιχ ∆ΝΑ. Βψ σεθυενχινγ τηε ελονγατ− εδ πριµερ, τηεψ χαν τηεν δετερµινε τηε γενοµε σεθυενχε. Α σεθυενχε φροµ τηε φαρ ενδ χαν σερϖε ασ α πριµερ φορ τηε νεξτ στεπ αλονγ τηε ∆ΝΑ. Υνφορτυνατε− STEVE MUREZ Rapho, Black Star λψ, πριµερ ωαλκινγ ιν τηισ ωαψ ισ λαβορ ιντενσιϖε: α νεω 18−βασε πριµερ µυστ βε σψντηεσιζεδ φορ εαχη ρουνδ οφ ωαλκ− ινγ, ανδ τηατ τψπιχαλλψ τακεσ α δαψ. Φ. Ωιλλιαµ Στυδιερ οφ Βροοκηαϖεν Να− τιοναλ Λαβορατορψ ανδ ηισ χολλεαγυεσ ηαϖε φουνδ α ωαψ το σιµπλιφψ πριµερ ωαλκινγ. Τηειρ αππροαχη υσεσ α λιβραρψ οφ ηεξαµερσ (σιξ−βασε πριµερσ) ανδ α προτειν τηατ βινδσ το σινγλε−στρανδ γε− νοµιχ ∆ΝΑ. Τηε βινδινγ προτειν πρε− ϖεντσ ινδιϖιδυαλ ηεξαµερσ φροµ παιρινγ σταβλψ ωιτη τηε ∆ΝΑ. Βυτ τηρεε ενδ−το− ενδ ηεξαµερσ∇τηε εθυιϖαλεντ οφ αν 18−βασε χηαιν∇ρεινφορχε ονε ανοτηερ ενουγη το µυσχλε τηε προτειν ασιδε. Τηε αδϖανταγε οφ τηε τεχηνιθυε ισ τηατ τηερε αρε ονλψ 4,096 δι⇑ερεντ τψπεσ οφ ηεξαµερσ, ασ οπποσεδ το µορε τηαν 68 βιλλιον 18−βασε πριµερσ. Αλλ τηε νεχεσσαρψ ηεξαµερσ χαν τηερεφορε βε πρεπαρεδ ιν αδϖανχε ασ ο⇑−τηε−σηελφ ρεαγεντσ. Ονε ασπεχτ οφ τηε σεθυενχινγ εφφορτ∇ ⇒νδινγ τηε γενεσ∇ισ µοϖινγ αηεαδ ατ αστονισηινγ σπεεδ ωιτη εξιστινγ τεχη− νολογψ. Βψ µοστ εστιµατεσ, λεσσ τηαν 3 περχεντ οφ τηε βιλλιονσ οφ βασεσ ιν τηε γενοµε αρε παρτσ οφ γενεσ: τηε ρεστ χονσιστσ οφ ρεγυλατορψ σεθυενχεσ ανδ ϕυνκ ∆ΝΑ. Σεϖεραλ ψεαρσ αγο, ωηιλε ηε ωασ α ρεσεαρχηερ ατ ΝΙΗ, ϑ. Χραιγ ςεντερ δισχοϖερεδ ηοω το ⇒νδ τηε γενε νεε− δλεσ ιν τηε ∆ΝΑ ηαψσταχκσ. ςεντερ ισο− λατεσ τηε µεσσενγερ ΡΝΑ µολεχυλεσ τρανσχριβεδ φροµ αχτιϖε γενεσ ιν χελλσ, τηεν ρεϖερσε−τρανσχριβεσ τηεµ ιντο ∆ΝΑ. Ηε ιδεντι⇒εσ α φεω ηυνδρεδ βασεσ φροµ τηεσε ∆ΝΑσ ανδ υσεσ χοµπυτερσ το λοοκ φορ σιµιλαρ στρινγσ οφ βασεσ ιν τηε δατα βανκσ οφ κνοων σεθυενχεσ. Ιν τηισ ωαψ, ηε ισ αβλε το ⇓αγ τηοσε σεθυενχεσ ασ γενετιχ, εϖεν τηουγη τηε αχτυαλ φυνχτιον οφ τηε γενε µαψ ρεµαιν οβσχυρε. ςεντερ ωασ σοον ιδεντι− φψινγ τηουσανδσ οφ γενεσ εϖερψ µοντη. Τοδαψ τηε Ιν− στιτυτε φορ Γενοµιχ Ρε− σεαρχη, ωηιχη ηε φουνδεδ ιν Γαιτηερσβυργ, Μδ., ισ ρε− πορτεδλψ ιδεντιφψινγ αβουτ 600 γενεσ α δαψ. Ιφ τηε ιν− στιτυτε µεετσ ιτσ αννουνχεδ ταργετ, ιτ ωιλλ ηαϖε λαβελεδ ηαλφ οφ αλλ τηε ηυµαν γενεσ βψ Απριλ οφ τηισ ψεαρ. Οτη− ερ λαβορατοριεσ ηαϖε αλσο αδοπτεδ ηισ µετηοδσ. Χολ− λεχτιϖελψ, τηρουγη τηε ωορλδ− ωιδε εφφορτ, τηε µαϕοριτψ οφ γενεσ σηουλδ βε κνοων βψ τηε ενδ οφ 1995, ςεντερ πρεδιχτσ. Στιλλ, ρεσεαρχηερσ εµπηα− σιζε τηατ ςεντερ∏σ γενε ταγ− ∆ΑΝΙΕΛ ΧΟΗΕΝ οφ Γντηον σηοωσ ο⇑ ηισ λατεστ γινγ δοεσ νοτ ρεπλαχε χοµ− πριζε, τηε βεστ µαπ ψετ οφ ηυµαν χηροµοσοµεσ. 22 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 πρεηενσιϖε σεθυενχινγ. Ψου∏ϖε προβα− βλψ ηεαρδ τηε χλαιµσ αβουτ βεινγ αβλε το ιδεντιφψ εσσεντιαλλψ αλλ τηε γενεσ ιν τηε γενοµε ωιτηιν α φεω ψεαρσ, χαυ− τιονσ ∆αϖιδ Γαλασ, φορµερ ηεαδ οφ τηε ∆επαρτµεντ οφ Ενεργψ∏σ γενοµε ρε− σεαρχη προγραµ. Ρεγαρδλεσσ οφ ωηετηερ τηατ∏σ λιτεραλλψ τρυε, ψου∏ρε χερταινλψ γοινγ το βε αβλε το ⇒νδ α λοτ οφ γενεσ. Βυτ ηοω ψου υσε τηατ ινφορµατιον το προβε τηε οργανιζατιον ανδ εξπρεσσιον οφ γενεσ ισ στιλλ υνχλεαρ. Σεθυενχινγ τηερεφορε ρεµαινσ εσσεντιαλ. Ιν σηορτ, τηε ιδεασ φορ ηοω το σπεεδ υπ σεθυενχινγ αρε αλρεαδψ ον τηε ταβλε. Τηε χηαλλενγε ωιλλ βε το τρανσλατε τηεµ ιντο πραχτιχαλ τοολσ ιν δοζενσ οφ λαβορα− τοριεσ. Ανδ τηατ ισ ωηψ Χολλινσ σαψσ µορε φυνδινγ φορ τεχηνολογψ δεϖελοπ− µεντ ισ νεχεσσαρψ. Ηε νοτεσ τηατ φεδερ− αλ φυνδινγ φορ τηε προϕεχτ ηασ λεϖελεδ ο⇑ ατ αβουτ 60 περχεντ οφ ιτσ ιν⇓ατιον− αδϕυστεδ ∃200−µιλλιον αννυαλ νεεδ. Ριγητ νοω ισ α ϖερψ χριτιχαλ τιµε, Γαλασ σαψσ. Τηερε αρε ιµπορταντ αδϖανχεσ τηατ νεεδ το βε δεϖελοπεδ φυρτηερ. Ιτ ωουλδ βε α γοοδ τιµε το γετ α βοοστ ιν φυνδινγ. ∇ϑοην Ρεννιε Χολδ Χονφυσιον Ασσαυλτ ον τηε λινκ βετωεεν ΧΟ2 ανδ γλοβαλ χλιµατε Φ ορ τηοσε ωηο ωορρψ αβουτ χλιµατ− ιχ χηανγε, τηε τερµσ χαρβον δι− οξιδε ανδ γλοβαλ ωαρµινγ οφ− τεν σεεµ ασ ινσεπαραβλε ασ ψιν ανδ ψανγ. Σινχε τηε 1980σ σεϖεραλ στυδιεσ οφ ιχε χορεσ δριλλεδ φροµ τηε τηιχκ γλα− χιερσ ον Γρεενλανδ ανδ Ανταρχτιχα ηαϖε ο⇑ερεδ εϖιδενχε οφ α χορρελατιον βε− τωεεν χαρβον διοξιδε ανδ γλοβαλ χλιµατε. Τηοσε χορεσ σηοωεδ τηατ χαρβον διοξ− ιδε λεϖελσ ιν τηε ατµοσπηερε ωερε µυχη λοωερ δυρινγ ιχε αγεσ τηαν δυρινγ χοµ− παρατιϖελψ ωαρµ περιοδσ συχη ασ τηε πρεσεντ. Τηε ⇒νδινγ ηασ αµπλι⇒εδ τηε οµινουσ ιµπλιχατιονσ οφ τηε ηυγε θυαν− τιτιεσ οφ χαρβον διοξιδε τηατ ηυµανσ χοντινυε το δυµπ ιντο τηε αιρ. Νοω τηε ιχε χορε δατα ον ατµοσπηερ− ιχ χαρβον διοξιδε ηαϖε χοµε υνδερ ασ− σαυλτ. Ατ τηε ∆εχεµβερ 1993 µεετινγ οφ τηε Αµεριχαν Γεοπηψσιχαλ Υνιον, Αλεξ Τ. Ωιλσον οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Αριζονα ασσερτεδ τηατ χυρρεντ µεασυρεµεντσ οφ πρεηιστοριχ χαρβον διοξιδε λεϖελσ αρε χονσιδεραβλψ ιν ερρορ. Ιν παρτιχυλαρ, Ωιλ− σον ⇒νδσ τηατ τηε λεϖελσ δυρινγ ρεχεντ ιχε αγεσ ωερε ονλψ µαργιναλλψ λοωερ τηαν ιν µοδερν τιµεσ∇ανδ φαρ ηιγηερ τηαν µοστ σχιεντιστσ ηαϖε βελιεϖεδ. Τηε σουρχε οφ τηε ερρορ, αχχορδινγ το Ωιλσον, ισ τηε τεχηνιθυε υσεδ το δεδυχε ωηατ τηε χοµποσιτιον οφ τηε αιρ ωασ Copyright 1994 Scientific American, Inc. τηουσανδσ οφ ψεαρσ αγο. Ιν τηε χονϖεν− τιοναλ αππροαχη, ωορκερσ χρυση α σαµ− πλε οφ ανχιεντ ιχε το ρελεασε τηε ποχκετσ οφ αιρ τραππεδ ινσιδε ανδ τηεν µεασυρε τηε γασ τηατ εµεργεσ. Αλτηουγη τηε προ− χεσσ σεεµσ σιµπλε ενουγη, Ωιλσον περ− χειϖεσ α πρεττψ συρπρισινγ ασσυµπτιον λυρκινγ βελοω τηε συρφαχε. Τηε ιχε−χρυσηινγ τεχηνιθυε ωορκσ ονλψ ιφ τηε φρεεδ αιρ ηασ τηε σαµε χοµ− ποσιτιον ασ τηε αιρ οριγιναλλψ τραππεδ, µιλλεννια αγο, υνδερ λαψερσ οφ οϖερλψινγ σνοω. Ωιλσον νοτεσ, ηοωεϖερ, τηατ δεεπ ιν τηε ιχε λαψερσ τηε πρεσσυρε ισ σο γρεατ τηατ αιρ δισσολϖεσ ιντο τηε συρρουνδ− ινγ ιχε, ανδ βυββλεσ δισαππεαρ. Ωηεν βρουγητ το τηε συρφαχε, τηε ιχε δεχοµ− πρεσσεσ, ανδ τηε αιρ ρεαππεαρσ ιν βυβ− βλεσ ορ ϖοιδσ ιν τηε ιχε. Ωιλσον χλαιµσ τηατ αβουτ ονε θυαρτερ οφ τηε χαρβον διοξιδε ρεµαινσ τραππεδ ιν τηε ιχε ιτ− σελφ ανδ σο νεϖερ σηοωσ υπ ιν τηε λαβο− ρατορψ µεασυρεµεντσ. Ωορκινγ ωιτη Αυστιν Λονγ, αλσο ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Αριζονα, Ωιλσον ισ υτι− λιζινγ αν αλτερνατιϖε µετηοδ φορ εξτραχτ− ινγ αιρ φροµ τηε αρχηαιχ ιχε. Ιν εσσενχε, τηεψ εϖαπορατε τηε ιχε ιν α ϖαχυυµ χηαµβερ (α προχεσσ κνοων ασ συβλιµα− τιον) ανδ τηεν αναλψζε εϖερψτηινγ τηατ χοµεσ ουτ. Τηειρ ρεσυλτσ λοοκ θυιτε α βιτ δι⇑ερεντ φροµ τηοσε οφ τηειρ χολ− λεαγυεσ. Α 35,000−ψεαρ−ολδ ιχε σαµπλε φροµ τηε Γρεενλανδ Ιχε−Σηεετ Προϕεχτ 2 ( ΓΙΣΠ2) ψιελδεδ 250 παρτσ περ µιλλιον οφ χαρβον διοξιδε, ονλψ σλιγητλψ βελοω τηε µοδερν βυτ πρεινδυστριαλ λεϖελσ οφ αβουτ 270 παρτσ περ µιλλιον. Φορ χοµ− παρισον, χονϖεντιοναλ τεχηνιθυεσ γιϖε α ϖαλυε οφ ρουγηλψ 180 παρτσ περ µιλ− λιον∇α χονσιδεραβλε δισχρεπανχψ. Μανψ οφ Ωιλσον∏σ χολλεαγυεσ θυεστιον ηισ τεχηνιθυε. Μαρτιν Ωαηλεν οφ τηε Σχριππσ Ρεσεαρχη Ινστιτυτε, ωηο αλσο περ− φορµσ χαρβον διοξιδε µεασυρεµεντσ ον τηε ΓΙΣΠ2 ιχε χορεσ, µαινταινσ τηατ φροµ ουρ εξπεριµεντσ ανδ τεστσ, ωε ηαϖε νο χλυε τηατ ηε µιγητ βε ριγητ. Βερνηαρδ Σταυ⇑ερ οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Βερν ισ µορε διρεχτ: Ωιλσον ισ δε⇒νιτε− λψ ωρονγ ωιτη ηισ αργυµεντσ. Σταυ⇑ερ ισ χονχερνεδ τηατ τηε συβλιµατιον τεχη− νιθυε χουλδ βε µεασυρινγ χονταµιναντσ ιν τηε ιχε ορ ιν τηε αππαρατυσ ιτσελφ τηατ γιϖε τηε ιµπρεσσιον οφ αρτι⇒χιαλλψ ηιγη χαρβον διοξιδε χονχεντρατιονσ. Ωιλσον χουντερσ τηατ ηισ τεστσ σηοω νεγλιγιβλε σιγνσ οφ χονταµινατιον. Ηε αλσο νοτεσ τηατ ηισ ρεσυλτσ δισαγρεε ωιτη τηοσε φροµ ιχε χρυσηινγ ονλψ φορ δεεπ χορε σαµπλεσ∇τηοσε ιν ωηιχη αιρ ονχε δισσολϖεδ ιντο τηε ιχε. Τηερε ισ νο δουβτ τηατ 180 παρτσ περ µιλλιον ισ φαρ τοο λοω, ηε σαψσ. Σταυ⇑ερ, Ωαηλεν ανδ οτηερ χλιµατε ρεσεαρχηερσ χοµπλαιν τηατ Ωιλσον ηασ νοτ βεεν τερριβλψ οπεν αβουτ ηισ µετηοδολογψ; ιν παρτιχυλαρ, τηεψ ωορρψ τηατ ηε ηασ νοτ σηοων οτηερ ρε− σεαρχηερσ τηε δρψ ρυνσ οφ ηισ αππαρατυσ. Εϖεν ιφ Ωιλσον ανδ Λονγ∏σ νυµβερσ 26 Copyright 1994 Scientific American, Inc. TIM FULLER ΙΝΝΟςΑΤΙςΕ ΑΠΠΑΡΑΤΥΣ φορ µεασυρινγ χαρβον διοξιδε ιν ιχε χορεσ ωασ δεϖελ− οπεδ βψ Αλεξ Τ. Ωιλσον (στανδινγ) ανδ Αυστιν Λονγ οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Αριζονα. ηολδ υπ, τηεψ δο νοτ σιλενχε τηοσε ωηο βελιεϖε γλοβαλ ωαρµινγ ισ α γενυινε δαν− γερ. Χυρτ Χοϖεψ οφ Λαωρενχε Λιϖερµορε Νατιοναλ Λαβορατορψ νοτεσ τηατ σµαλλερ ϖαριατιονσ ιν χαρβον διοξιδε βετωεεν γλαχιαλ περιοδσ ανδ ωαρµερ ερασ χουλδ µεαν τηατ χλιµατε µαψ αχτυαλλψ βε µορε σενσιτιϖε το χηανγινγ λεϖελσ οφ χαρβον διοξιδε τηαν σχιεντιστσ ηαϖε τηουγητ. Ον τηε οτηερ ηανδ, ιτ χουλδ υνδερσχορε τηε χονσιδεραβλε ιν⇓υενχε οφ οτηερ φαχ− τορσ τηατ α⇑εχτ γλοβαλ χλιµατε. Ασ Χοϖ− εψ οβσερϖεσ, Ψου νεεδ µορε τηαν χαρ− βον διοξιδε χηανγεσ το γετ ιχε αγεσ. Ινδεεδ, τηε ρελατιον βετωεεν χαρβον διοξιδε ανδ ιχε αγεσ ισ στιλλ φαρ φροµ χλεαρ. Παυλ Α. Μαψεωσκι οφ τηε Υνιϖερσι− τψ οφ Νεω Ηαµπσηιρε εξπλαινσ τηατ α χρυχιαλ πιεχε οφ ινφορµατιον ισ ωηετηερ τηε χηανγεσ ιν χαρβον διοξιδε χονχεν− τρατιονσ πρεχεδε ορ φολλοω τηε ονσετ οφ ιχε αγεσ. Ιν οτηερ ωορδσ, χλιµατολογιστσ χαννοτ ψετ δετερµινε ωηετηερ τηοσε χηανγεσ αρε α σψµπτοµ ορ α χαυσε οφ τηε ωηολεσαλε ενϖιρονµενταλ χηανγεσ τηατ οχχυρ δυρινγ ιχε αγεσ. Ασ Μαρκ Α. Χηανδλερ οφ τηε Γοδδαρδ Ινστιτυτε φορ Σπαχε Στυδιεσ ωρψλψ οβσερϖεσ, Ωατχη− ινγ ωηατ ηαππενσ οϖερ τηε νεξτ 50 ψεαρσ ωιλλ βε α γρεατ εξπεριµεντ φορ χλαριφψινγ τηε ιν⇓υενχε οφ χαρβον διοξ− ιδε ον γλοβαλ τεµπερατυρεσ. Στυδιεσ οφ ιχε χορεσ αρε αλσο υνχοϖερ− ινγ εϖιδενχε οφ συρπρισινγλψ ερρατιχ βε− ηαϖιορ ιν τηε εαρτη∏σ χλιµατε∇βεηαϖιορ τηατ χαννοτ αλλ ρεσυλτ φροµ τηε αχτιον οφ χαρβον διοξιδε ανδ οτηερ γρεενηουσε γασεσ. Ρεσεαρχηερσ ηαϖε βεεν στυννεδ βψ ρεχεντ ρεπορτσ βψ Κενδριχκ Χ. Ταψλορ οφ τηε ∆εσερτ Ρεσεαρχη Ινστιτυτε ιν Ρενο, Νεϖ., ανδ ηισ χολλεαγυεσ τηατ τηε τεµ− περατυρεσ ρεχορδεδ ιν τηε Γρεενλανδ ιχε χορεσ ⇓υχτυατεδ ραπιδλψ δυρινγ τηε λαστ ιχε αγε, ωαρµινγ ανδ χοολινγ οϖερ τηε χουρσε οφ α δεχαδε ορ λεσσ. ϑυστ α φεω µοντησ αγο Ωιλλι ∆ανσγααρδ οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χοπενηαγεν ανδ ηισ χο− ωορκερσ αδδεδ το τηε εξχιτεµεντ ωηεν τηεψ αννουνχεδ εϖιδενχε τηατ σιµιλαρ χλιµατε σωινγσ οχχυρρεδ δυρινγ τηε λαστ ωαρµ περιοδ. Τηατ χοντροϖερσιαλ ⇒νδ− ινγ χουλδ ινδιχατε τηατ γλοβαλ τεµπερα− τυρεσ µιγητ τακε ανοτηερ ϖιολεντ σωινγ δυρινγ τηε χυρρεντ ωαρµ σπελλ. Τηε σηορτ−τερµ χλιµατε ⇓υχτυατιονσ χλεαρλψ ρεσυλτ φροµ χηανγεσ ιν ατµο− σπηεριχ χιρχυλατιον παττερνσ, Μαψεωσκι ρεπορτσ. Τηε µεχηανισµσ ρεσπονσιβλε φορ τηατ αλτερεδ χιρχυλατιον ρεµαιν ηιγη− λψ σπεχυλατιϖε. Μαψεωσκι χιτεσ ϖαρια− τιονσ ιν τηε βριγητνεσσ οφ τηε συν ασ α λικελψ χυλπριτ. Πεοπλε ηαϖε σηιεδ αωαψ φροµ τηε ιδεα οφ σολαρ ϖαριαβιλιτψ βε− χαυσε τηεψ λαχκεδ τηε προπερ λονγ−ρανγε ρεχορδσ, ηε σαψσ. Τηε ονγοινγ αναλψσισ οφ ατµοσπηεριχ γασεσ, δυστ ανδ οτηερ χοµπονεντσ τραππεδ ιν τηε ιχε χορεσ χουλδ σεττλε τηε µαττερ, ηε βελιεϖεσ. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Μαψεωσκι ηοπεσ βεττερ ινσιγητ ιντο τηε ινχονσταντ νατυρε οφ τηε συν ωιλλ εναβλε ρεσεαρχηερσ το δετερµινε ωηετηερ τηε πρεσεντ, ηυµαν−γενερατεδ ινχρεασ− εσ ιν χαρβον διοξιδε αρε νεγατινγ α νατ− υραλ γλοβαλ χοολινγ ορ ενηανχινγ α γλοβ− αλ ωαρµινγ. Ειτηερ ωαψ, ηε σαψσ, τηε ⇒νδ− ινγσ ωιλλ νοτ εραδιχατε τηε ιµπορτανχε οφ χαρβον διοξιδε. ∆ατα φροµ τηε ϖαριουσ ιχε χορεσ σηουλδ εϖεντυαλλψ εναβλε τηεοριστσ το δεϖελοπ α χοµπρεηενσιϖε µοδελ οφ τερρεστριαλ χλιµατε φορ τηε παστ τενσ οφ τηουσανδσ οφ ψεαρσ. Τηε ⇒ρστ στεπ ιν τηατ ενδεαϖορ ενταιλσ χολλεχτινγ αχχυρατε µεασυρεµεντσ οφ αλλ τηε παραµετερσ τηατ ιν⇓υενχε τηε γλοβαλ ενϖιρονµεντ. Τηε πρεσεντ δισ− πυτε οϖερ χαρβον διοξιδε αδδσ αν υν− ωελχοµε υνχερταιντψ το τηε ε⇑ορτ. Τηε ⇒νγερ−ποιντινγ ισ παρτ οφ τηε προχεσσ. Υλτιµατελψ ωε∏λλ σορτ ιτ αλλ ουτ, ανδ ωε∏λλ ηαϖε α µυχη στρονγερ προγραµ, Ταψλορ σαψσ χηεερφυλλψ. Μοµεντσ λατερ, ρε⇓εχτ− ινγ τηε µοοδ οφ α ⇒ελδ τηατ ηασ βεεν προγρεσσινγ ατ βρεακνεχκ σπεεδ, ηε αδδσ, Ιτ∏σ ϕυστ τιµε το στοπ ταλκινγ ανδ σταρτ δοινγ. ∇Χορεψ Σ. Ποωελλ Φερµατ∏σ Τηεορεµ Φιγητσ Βαχκ Π WOLFRAM RESEARCH roblems worthy of attack,” quoth the physicist-poet Piet in this way. But pointing out that Wiles worked on his Hein, “prove their worth by hitting back.” That is cer- proof in virtual isolation for seven years before revealing tainly the case with Fermat’s Last Theorem, which after it, Ribet suggests that Wiles “feels he has the right to finbeing apparently knocked out last summer has bounced ish it by himself.” In his December statement, Wiles said he would discuss off the mat for another round. The deceptively simple theorem states that the equa- the proof further at a graduate seminar beginning in Febtion X N + Y N = Z N has no positive, integral solutions for ex- ruary. But some observers are skeptical about just how reponents greater than 2. Posed some 350 years ago by the vealing Wiles will be, given his penchant for caution and French polymath Pierre de Fermat, who claimed in the mar- privacy. Wiles has said he would reveal details of his proof gin of a book that he had found a proof but did not have twice before—once at the end of the summer and again in room to write it down, it became perhaps the most famous November. Ronald L. Graham of AT&T Bell Laboratories speculates that even if Wiles does begin discussing his problem in mathematics. Last June, Andrew J. Wiles of Princeton University electri- proof during his class, he might take months to arrive at fied his field by announcing that he had discovered a proof the part now causing him trouble. James Propp of the Massachusetts Institute of Technoloof the theorem. Based largely on Wiles’s solid reputation and on his outline of an approach that had previously gy thinks the Wiles affair raises an interesting “sociologiseemed promising, a number of leading lights declared cal” question: “When is a theorem deemed to be true?” Jothe proof to be almost certainly correct. The finding was seph J. Kohn, chairman of the Princeton mathematics detrumpeted on the front page of the New York Times—and partment, espouses a true-until-proved-otherwise position toward Wiles’s proof. Wiles should still have the benefit of favorably reported in the pages of this magazine. Shortly after his announcement, Wiles submitted a 200- the doubt, Kohn argues, because he has “an extraordinarpage manuscript to Inventiones Mathematicae, and the ily good track record.” Gerd Faltings of Princeton turns Kohn’s argument on its journal’s editor, Barry Mazur of Harvard University, sent it to six reviewers. Wiles quickly fixed several minor prob- head. The very fact that Wiles is so competent, Faltings lems identified by the reviewers, but one problem proved points out, means that he must be facing an extremely less tractable. In December, Wiles released a statement difficult and perhaps insurmountable problem. “If it were that he was working on a “calculation” that was “not yet easy, he would have solved it by now,” says Faltings, whose complete.” He reassured his audience, “I believe that I will work helped Wiles to construct his proof. “Strictly speaking,” Faltings comments, Wiles’s recent travails suggest be able to finish this in the near future.” Karl Rubin of Ohio State University, who as a reviewer is that “it wasn’t a proof when it was announced.” Alan Baker of the University of Cambridge agrees. He one of the few people who has actually read Wiles’s manuscript, is optimistic that Wiles will succeed. But he con- was one of the few prominent mathematicians openly to cedes that only Wiles knows exactly where the proof voice skepticism toward Wiles’s proof from the start. According to one source, Baker stands, and since his Decemeven offered to bet 100 botber statement Wiles has retles of wine against a single mained incommunicado. bottle that within a year the Indeed, his reticence, and proof would be shown to be his refusal to make his maninvalid. uscript more widely availBaker denies that report, but able, has reportedly annoyed he admits he did express a some colleagues. Kenneth A. “healthy skepticism” toward the Ribet of the University of Calproof. After all, Fermat’s theoifornia at Berkeley notes that rem is notoriously difficult, it is customary for matheand Wiles’s proof drew on work maticians, once they have subthat was less than a decade old mitted a manuscript to a jourand thus perhaps not thornal, to disseminate it freely so oughly vetted. Baker, like Faltthat it can be “ripped apart in ings, emphasizes that he hopes seminars.” A proof by Ribet Wiles completes the proof, but himself, which helped to convince Wiles to take on Fermat’s ΧΟΜΠΛΕΞ ΧΥΡςΕ ρεπρεσεντσ α σετ οφ νονιντεγραλ σο− he adds, “I think the prospects are lower now.” —John Horgan theorem in 1986, was refined λυτιονσ το τηε εθυατιον Ξ Ν + Ψ Ν = Ζ Ν. 28 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. ΠΡΟΦΙΛΕ : ΣΥΒΡΑΗΜΑΝΨΑΝ ΧΗΑΝ∆ΡΑΣΕΚΗΑΡ Χονφροντινγ τηε Φιναλ Λιµιτ στρυχτυρε. Λικε τηε ασχενδινγ µαν, Ωαλι σαψσ, Χηανδρασεκηαρ ισ χονσταντ− λψ αωαρε οφ ηοω µυχη µορε τηερε ισ το λαδ ιν α δαρκ, χλασσιχαλλψ ταιλορεδ χαλλ Χηανδρα, σλιπσ ιντο τηε χηαρµινγ κνοω ανδ οφ ηισ οων ιναδεθυαχιεσ. συιτ ανδ βλαχκ σηοεσ, Συβραηµαν− περσονα τηατ χολλεαγυεσ ηαδ δεσχριβεδ. Χηανδρασεκηαρ ωασ νυρτυρεδ ον αµ− ψαν Χηανδρασεκηαρ αππροαχηεσ Ηε δισπενσεσ ϕοκεσ, ανεχδοτεσ ανδ απηο− βιτιον. Ηισ µοτηερ, ιν αδδιτιον το ραισ− ωιτη α σλοω βυτ ⇓υιδ γαιτ. Ηε σηακεσ ρισµσ, ασ ωελλ ασ σµιλεσ ανδ λαυγητερ, ινγ 10 χηιλδρεν, φουνδ τιµε φορ συχη µψ ηανδ ⇒ρµλψ, υνσµιλινγ; ηε ηασ νο γενερουσλψ. Βυτ ιν τηατ µοµεντ οφ ανγερ, πυρσυιτσ ασ τρανσλατινγ Ηενρικ Ιβσεν∏σ Α νεεδ το ινγρατιατε. Εασινγ ηισ λεαν φραµε ηε ηασ ρεϖεαλεδ τηε ινχοµπρεσσιβλε πασ− ∆ολλ∏σ Ηουσε ιντο Ταµιλ. Ηισ φατηερ ωασ ιντο α χηαιρ, ηε σλουχηεσ σιδεωαψσ ανδ σιον∇νοτ ονλψ φορ σχιεντι⇒χ τρυτη βυτ α γοϖερνµεντ ο⇔χιαλ ωηοσε ψουνγερ χοχκσ ηισ ηεαδ, ασ ιφ φροµ τηισ οβλιθυε φορ βεαυτψ, ωηιχη ιν Χηανδρασεκηαρ∏σ βροτηερ, τηε πηψσιχιστ Χ. ς. Ραµαν, ρε− ανγλε ηισ οβσιδιαν εψεσ χειϖεδ τηε 1930 Νοβελ Πριζε. χαν βορε ιν ον µε βεττερ. Νοτ συρπρισινγλψ, τηεν, Χηαν− Ωηατ, πρεχισελψ, δο Ι ωαντ δρασεκηαρ βεχαµε α σταρ στυ− το ταλκ αβουτ? ηε ινθυιρεσ. δεντ οφ πηψσιχσ ανδ µατη− Ηισ ϖοιχε στιλλ βεαρσ αν Ιν− εµατιχσ ατ τηε Πρεσιδενχψ διαν λιλτ, αλτηουγη ηε χαµε Χολλεγε ιν Μαδρασ. ηερε το τηε Υνιϖερσιτψ οφ Ιν 1930 ηε λεφτ Ινδια φορ Χηιχαγο µορε τηαν ηαλφ α τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαµβριδγε, χεντυρψ αγο. ανδ σινχε τηεν ηε ηασ ρε− Ι ρεπλψ τηατ Ι αµ ιντερ− τυρνεδ το ηισ νατιϖε λανδ ονλψ εστεδ ιν αλλ ασπεχτσ οφ ηισ φορ ϖισιτσ. Χηανδρασεκηαρ αδ− χαρεερ, ινχλυδινγ ηισ δεµ− µιτσ ηε σοµετιµεσ ωονδερσ ονστρατιον ιν τηε 1930σ ηοω ηισ χαρεερ ωουλδ ηαϖε τηατ σταρσ αβοϖε α χερταιν υνφολδεδ ηαδ ηε ρεµαινεδ µασσ∇νοω κνοων ασ τηε ιν Ινδια. Λικε Ραµαν, ηισ υν− Χηανδρασεκηαρ λιµιτ∇υν− χλε, ηε µιγητ σοµεδαψ ηαϖε δεργο α χαταστροπηιχ χολ− πρεσιδεδ οϖερ ηισ οων ινστι− λαπσε. Τηε ⇒νδινγ, φορ τυτε, βυτ ηε τηεν ωουλδ ηαϖε ωηιχη Χηανδρασεκηαρ ρε− βεχοµε ενµεσηεδ ιν τηε αρ− χειϖεδ, βελατεδλψ, τηε 1983 χανε πολιτιχσ οφ Ινδια∏σ σχιεν− Νοβελ Πριζε, ρεµαινσ α τι⇒χ εσταβλισηµεντ. Ι ηαϖε χορνερστονε οφ µοδερν ονε αδϖανταγε ηερε ιν τηε αστροπηψσιχσ. Ι αµ αλσο Υ.Σ., Χηανδρασεκηαρ σαψσ. Ι εαγερ το ηεαρ ηισ ϖιεωσ ον ηαϖε ενορµουσ φρεεδοµ. Ι ηισ λατεστ οβϕεχτ οφ στυδψ, χαν δο ωηατ Ι ωαντ. Νοβοδψ Ισααχ Νεωτον∏σ Πηιλοσο− βοτηερσ µε. πηιαε Νατυραλισ Πρινχιπια Ατ Χαµβριδγε, Χηανδρασε− Ματηεµατιχα (Ματηεµατ− κηαρ βεγαν αππλψινγ ηισ αλ− ιχαλ Πρινχιπλεσ οφ Νατυραλ ρεαδψ βροαδ κνοωλεδγε οφ Πηιλοσοπηψ), τηε οπυσ τηατ θυαντυµ µεχηανιχσ ανδ ρελ− λαιδ τηε φουνδατιον φορ ατιϖιτψ το τηε θυεστιον οφ ηοω µοδερν σχιενχε. σταρσ εϖολϖε. Αµονγ ηισ µεν− Χηανδρασεκηαρ σαψσ ηε ΧΗΑΝ∆ΡΑΣΕΚΗΑΡ χαλλσ Νεωτον∏σ Πρινχιπια, ωηιχη ηε ηασ βεεν τορσ ωασ Σιρ Αρτηυρ Εδδινγ− ισ χοµπλετινγ α βοοκ ον στυδψινγ, αν αχηιεϖεµεντ ωιτη νο παραλλελ ιν σχιενχε ατ ανψ τιµε. τον, ωηοσε ιν⇓υεντιαλ τεξτ τηε Πρινχιπια, ανδ ηε ισ ον αστροπηψσιχσ ηαδ λυρεδ νοτ συρε ηε ωαντσ το πρεϖιεω ιτ. Ι ασ− µινδ αρε φυσεδ∇ατ ηισ χορε. Ιτ ισ τηισ Χηανδρασεκηαρ το τηατ συβϕεχτ. Χηαν− συρε ηιµ τηατ σινχε µψ αρτιχλε ωιλλ βε θυαλιτψ τηατ ηελπεδ Χηανδρασεκηαρ οϖερ− δρασεκηαρ∏σ τηεορετιχαλ φοραψσ σοον λεδ ονλψ τωο παγεσ λονγ, ιτ χαννοτ δισχυσσ χοµε αν ενορµουσ βλοω εαρλψ ιν ηισ χα− ηιµ το αν υνσεττλινγ χονχλυσιον. Μοστ τηε Πρινχιπια ιν δεταιλ. Ηισ εψεσ γροω ρεερ το βεχοµε ονε οφ τηε ωορλδ∏σ µοστ αστρονοµερσ βελιεϖεδ τηατ ωηεν σταρσ δαρκερ στιλλ. Ψου τηινκ ψου χαν συµ− διστινγυισηεδ ανδ προδυχτιϖε πηψσιχιστσ. εξηαυστεδ τηειρ στορε οφ νυχλεαρ φυελ, µαριζε Ηοµερ∏σ Οδψσσεψ ιν τωο παγ− Τηε τραιτ µαψ αλσο εξπλαιν ωηψ Χηαν− τηεψ σεττλεδ ιντο ιντερµιναβλε ολδ αγε εσ? ηε σναπσ, ϕαββινγ ⇒ρστ ονε, τηεν δρασεκηαρ, ωηο ατ 83 ισ στιλλ λεγενδαρψ ασ σµαλλ, δενσε ωηιτε δωαρφσ. Χηαν− βοτη, ιµποσσιβλψ λονγ φορε⇒νγερσ ατ φορ ηισ ωορκ ηαβιτσ, εξυδεσ α χερταιν δρασεκηαρ∏σ χαλχυλατιονσ ρεϖεαλεδ τηατ µε. Ψου τηινκ ψου χαν ωριτε αβουτ τηε ρεστλεσσνεσσ. Ιν Χηανδρα, α βιογραπηψ ιν σταρσ ωηοσε µασσεσ ωερε µορε τηαν Σιστινε Χηαπελ ιν τωο παγεσ? Ηισ ϖοιχε πυβλισηεδ ιν 1991, τηε πηψσιχιστ Καµε− 1.4 τιµεσ τηατ οφ τηε συν, γραϖιτψ ωουλδ θυαϖερσ ωιτη ινχρεδυλιτψ, δισγυστ. Ιφ σηωαρ Χ. Ωαλι συγγεστσ τηατ α χλυε το οϖερχοµε τηε ουτωαρδ, ρεπυλσιϖε πρεσ− ψου ωριτε ονλψ τωο παγεσ, Ι δον∏τ τηινκ Χηανδρασεκηαρ∏σ χηαραχτερ χαν βε φουνδ συρε οφ ελεχτρονσ ανδ τριγγερ α χολλαπσε ιτ µαττερσ ϖερψ µυχη ιφ ψου ταλκ το µε. ιν α στρικινγ πηοτογραπη ηανγινγ ιν ηισ ιντο στατεσ οφ µαττερ εϖεν δενσερ τηαν Σοµεηοω τηε ιντερϖιεω λυρχηεσ φορ− ο⇔χε. Ιτ σηοωσ α µαν χλιµβινγ α λαδδερ τηατ οφ ωηιτε δωαρφσ. ωαρδ, ανδ Χηανδρασεκηαρ, ωηοµ φριενδσ τηατ λεανσ αγαινστ σοµε ϖαστ, αβστραχτ Αστρονοµερσ εϖεντυαλλψ υνραϖελεδ τηε COURTESY OF UNIVERSITY OF CHICAGO Χ 32 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. στρανγε δεστινιεσ οφ σταρσ ωηοσε µασσ− εσ τρανσχενδ τηε Χηανδρασεκηαρ λιµιτ : αφτερ ερυπτινγ ιντο συπερνοϖαε, τηειρ χορεσ ιµπλοδε ιντο σπηερεσ οφ χοµπαχτ− εδ νευτρονσ χαλλεδ νευτρον σταρσ (ονε χυπ οφ ωηιχη ουτωειγησ Μουντ Εϖερεστ) ορ ιντο ιν⇒νιτελψ δενσε βλαχκ ηολεσ. Βυτ αχχεπτανχε οφ Χηανδρασεκηαρ∏σ ινσιγητ ωασ σλοω ιν χοµινγ. Τηε ρεασον ωασ τηατ ιν 1935, ιµµεδιατελψ αφτερ τηε 24− ψεαρ−ολδ Χηανδρασεκηαρ πρεσεντεδ ηισ τηεορψ βεφορε τηε Ροψαλ Αστρονοµιχαλ Σοχιετψ, Εδδινγτον ηιµσελφ στοοδ το ριδ− ιχυλε ιτ ασ σελφ−εϖιδεντλψ ωρονγ, αν εξ− αµπλε οφ ρεδυχτιο αδ αβσυρδυµ. Εδδινγ− τον ηαδ πρεϖιουσλψ γιϖεν ηισ προτγ νο ινκλινγ οφ ηισ ϖιεωσ. Χηανδρασεκηαρ ινσιστσ τηατ ατ τηε τιµε ηε ηαρβορεδ νο ιλλ φεελινγσ τοωαρδ Εδ− δινγτον; τηεψ εϖεν ρεµαινεδ φριενδσ. Εδδινγτον∏σ ρεπυδιατιον οφ Χηανδρασε− κηαρ∏σ τηεορψ νονετηελεσσ πλαψεδ α ρολε ιν ηισ δεχισιον ιν 1937 το λεαϖε Ενγλανδ φορ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χηιχαγο, ωηερε ηε ηασ ρεµαινεδ. Ηε αλσο λεφτ βεηινδ τηε συβϕεχτ οφ χολλαπσινγ σταρσ, βυτ νοτ βε− φορε ηε ηαδ ωριττεν α βοοκ. Ι σιµπλψ δεχιδεδ, ωελλ, Ι ωιλλ ωριτε α βοοκ ανδ πρεσεντ µψ ιδεα, λεαϖε τηε συβϕεχτ ανδ γο ον το οτηερ τηινγσ. Ανδ τηατ∏σ αλλ ηαππενεδ, ψου σεε. Αλτηουγη βρουγητ ον βψ τραυµα, τηισ παττερν∇τοταλ ιµµερσιον ιν α συβϕεχτ φολλοωεδ βψ αν αβρυπτ σωερϖε τοωαρδ οτηερ τηινγσ∇ωασ το βεχοµε χηαραχ− τεριστιχ οφ Χηανδρασεκηαρ. Αφτερ ηισ στελ− λαρ εϖολυτιον πηασε, ηε σπεντ ⇒ϖε ψεαρσ χονσιδερινγ τηε µοτιον οφ σταρσ ωιτηιν α γαλαξψ, δεµονστρατινγ τηατ σταρσ εξ− ερτ α κινδ οφ φριχτιον ον ονε ανοτηερ τηρουγη τηειρ γραϖιτατιοναλ ιντεραχτιονσ. Φροµ 1943 τηρουγη 1950 ηε χοντεµ− πλατεδ τηε τρανσφερ οφ ραδιατιον ωιτηιν στελλαρ ανδ πλανεταρψ ατµοσπηερεσ. Τηεν χαµε περιοδσ δεϖοτεδ το τηε προπερτιεσ οφ ⇓υιδσ ανδ µαγνετιχ ⇒ελδσ ανδ το ελ− λιπσοιδσ, γεοµετριχ οβϕεχτσ ωηοσε προπ− ερτιεσ ηαϖε προϖεδ υσεφυλ φορ υνδερ− στανδινγ γαλαξιεσ. Βετωεεν 1974 ανδ 1983 ηε εξπλορεδ βλαχκ ηολεσ, χοµινγ βαχκ φυλλ χιρχλε, ιν α σενσε, το τηε ωορκ τηατ ηαδ λαυνχηεδ ηισ χαρεερ. Τηε βοοκσ τηατ Χηανδρασεκηαρ ωροτε ατ τηε χλοσε οφ εαχη περιοδ ωερε ινσταντ χλασσιχσ, πραισεδ φορ τηειρ βρεαδτη ανδ χλαριτψ. Χηανδρασεκηαρ σαψσ ηε ηασ αλ− ωαψσ σουγητ το πρεσεντ ηισ ⇒νδινγσ ιν ασ ελεγαντ, εϖεν λιτεραρψ, α φορµ ασ ποσ− σιβλε. Ι σελεχτ σοµε ωριτερσ ιν ορδερ το λεαρν, ηε χον⇒δεσ. Φορ εξαµπλε, Ι ρεαδ Ηενρψ ϑαµεσ ορ ςιργινια Ωοολφ, ανδ Ι δον∏τ σιµπλψ ρεαδ τηε τεξτ ασ α νοϖελ; Ι σεε ηοω τηεψ χονστρυχτ σεντενχεσ, ηοω τηεψ χονστρυχτ παραγραπησ, ηοω ονε παραγραπη γοεσ ιντο ανοτηερ ανδ σο ον. Τοο φεω σχιεντιστσ ωριτε ωελλ ορ εϖεν χαρεφυλλψ, αχχορδινγ το Χηανδρασεκηαρ: Ψου τακε ανψ ϖολυµε οφ τηε Αστροπηψσ− Copyright 1994 Scientific American, Inc. ιχαλ ϑουρναλ ορ τηε Πηψσιχαλ Ρεϖιεω, τυρν το τηε µιδδλε οφ ιτ, πυτ ψουρ ηανδ ον α παραγραπη. Ψου αρε συρε το ⇒νδ α µισ− τακε, ειτηερ ιν στψλε ορ γραµµαρ ορ σοµετηινγ. Χηανδρασεκηαρ σουγητ το ενχουραγε γοοδ ωριτινγ δυρινγ τηε 20 ψεαρσ ηε σερϖεδ ασ εδιτορ οφ τηε Αστρο− πηψσιχαλ ϑουρναλ, τηε πρεµιερ πυβλιχα− τιον οφ ηισ ⇒ελδ. Ι ωιλλ τελλ ψου α µαλι− χιουσ στατεµεντ Ι υσεδ το µακε το αυ− τηορσ, ηε ρεµαρκσ, γριννινγ. Ι ωουλδ σαψ, Ψουρ παπερ ισ σχιεντι⇒χαλλψ χορρεχτ, βυτ Ι ωιση ψου ωουλδ ασκ ψουρ χολλεαγυε ιν τηε Ενγλιση δεπαρτµεντ το ρεαδ ιτ.∏ Χηανδρασεκηαρ∏σ λατεστ εποχη βεγαν ωηεν ηε ωασ ινϖιτεδ το χοντριβυτε α πα− περ το α µεετινγ ηελδ ιν 1987 το χελε− βρατε τηε 300τη βιρτηδαψ οφ τηε Πρινχιπ− ια. Χηανδρασεκηαρ ηαδ λονγ ηοπεδ το δελϖε ιντο τηε Πρινχιπια; ηε βουγητ αν Ενγλιση τρανσλατιον οφ τηε βοοκ (ωηιχη Νεωτον ωροτε ιν Λατιν) δεχαδεσ αγο. Βυτ ηε ηαδ αλωαψσ βεεν τοο βυσψ στακ− ινγ ουτ ηισ οων τερριτορψ∇ανδ, ηε νοω βελιεϖεσ, τοο ιντελλεχτυαλλψ ιµµατυρε φορ σεριουσ στυδψ οφ τηε δι⇔χυλτ ωορκ. Ηε νοτεσ τηατ ιν ορδερ το υνδερστανδ Νεω− τον∏σ σοµεωηατ σεχρετιϖε ανδ ελλιπτι− χαλ στψλε, ψου µυστ ρεαδ λινε βψ λινε. Ηε δεχιδεδ εαρλψ ον τηατ ρατηερ τηαν ασσεσσινγ Νεωτον σεχονδηανδ, τηρουγη χοµµενταριεσ, ηε ωουλδ αβσορβ τηε Πρινχιπια υνµεδιατεδ. Μορε σπεχι⇒χαλλψ, ηε ωουλδ ρεαδ α προποσιτιον ανδ τηεν, βεφορε γοινγ ον το Νεωτον∏σ προοφ, ωουλδ τρψ το δεριϖε ηισ οων. Χηανδρα− σεκηαρ ποιντσ ουτ τηατ αλτηουγη ηε ηασ 300 εξτρα ψεαρσ οφ κνοωλεδγε ατ ηισ δισ− ποσαλ, ιν ϖιρτυαλλψ εϖερψ χασε ηισ προοφσ φελλ σηορτ οφ Νεωτον∏σ. Ρεαδινγ Νεωτον βεχαµε φορ Χηανδρα− σεκηαρ α συσταινεδ επιπηανψ. Τηε ϖιεω οφ σχιενχε τηατ ηε εξηιβιτσ, τηε χλαριτψ ωιτη ωηιχη ηε ωριτεσ, τηε νυµβερ οφ νεω τηινγσ ηε ⇒νδσ, µανιφεστ α πηψσι− χαλ ανδ µατηεµατιχαλ ινσιγητ οφ ωηιχη τηερε ισ νο παραλλελ ιν σχιενχε ατ ανψ τιµε. Ιτ ισ χοµµον κνοωλεδγε τηατ Νεωτον ινϖεντεδ χαλχυλυσ ασ ωελλ ασ σεµιναλ τηεοριεσ οφ γραϖιτψ ανδ οπτιχσ. Βυτ Χηανδρασεκηαρ αργυεσ τηατ τηε Πρινχιπια χονταινσ οτηερ αχηιεϖεµεντσ τηατ ηαϖε βεεν οϖερλοοκεδ. Φορ εξαµ− πλε, Νεωτον σετ φορτη α τηεορψ οφ γψρο− σχοπεσ, ωηιχη ωερε νοτ ινϖεντεδ φορ αν− οτηερ 200 ψεαρσ. Ηε ωασ τηε ⇒ρστ σχιεν− τιστ το νοτε τηατ κνοωλεδγε οφ τηε ινιτιαλ χονδιτιονσ οφ α σψστεµ σηουλδ προϖιδε ονε ωιτη κνοωλεδγε οφ ιτσ εντιρε φυτυρε, αν ινσιγητ υσυαλλψ χρεδιτεδ το Λαπλαχε. Ηε ινϖεντεδ α τηεορψ οφ ιµαγε φορµα− τιον γενεραλλψ ασχριβεδ το Λορδ Κελϖιν. Χηανδρασεκηαρ ισ ασ εντρανχεδ βψ τηε στψλε οφ τηε Πρινχιπια ασ ηε ισ βψ ιτσ συβ− στανχε. Ηε χοµπαρεσ Νεωτον∏σ προσε το τηατ οφ Ηενρψ ϑαµεσ, ωηο ωασ σιµιλαρλψ φονδ οφ λονγ, χοµπλεξ σεντενχεσ. Το δεµονστρατε ηισ ποιντ, Χηανδρασεκηαρ φετχηεσ ηισ µασσιϖε, βλαχκ χοπψ οφ τηε Πρινχιπια ανδ ρεαδσ: Ωε αρε το αδµιτ νο µορε χαυσεσ οφ νατυραλ τηινγσ τηαν συχη ασ αρε βοτη τρυε ανδ συ⇔χιεντ το εξπλαιν τηειρ αππεαρανχεσ. Το τηισ πυρ− ποσε τηε πηιλοσοπηερσ σαψ τηατ Νατυρε δοεσ νοτηινγ ιν ϖαιν, ανδ µορε ισ ιν ϖαιν ωηεν λεσσ ωιλλ σερϖε; φορ Νατυρε ισ πλεασεδ ωιτη σιµπλιχιτψ, ανδ α⇑εχτσ νοτ τηε ποµπ οφ συπερ⇓υουσ χαυσεσ. Χηανδρασεκηαρ λοοκσ υπ ανδ εξχλαιµσ, ηισ ϖοιχε χραχκινγ, Ισν∏τ τηατ α βεαυτι− φυλ σεντενχε? Αβσολυτελψ! Χηανδρασεκηαρ λικενσ ρεαδινγ Νεωτον το ωηατ ωερε φορ ηιµ εθυαλλψ αωε−εϖοκ− ινγ εξπεριενχεσ: γαζινγ ατ τηε χειλινγ οφ τηε Σιστινε Χηαπελ, ωατχηινγ Σιρ ϑοην Γιελγυδ πλαψ Ηαµλετ ορ ηεαρινγ Αρτυρο Τοσχανινι χονδυχτ Βεετηοϖεν∏σ Νιντη Σψµπηονψ. Ινδεεδ, ασ γρεατ ασ Νεωτον∏σ ρεπυτατιον ισ, ιτ ισ νοτ γρεατ ενουγη το σατισφψ Χηανδρασεκηαρ. Νεωτον ισ νοτ ονε οφ τηε τωο ορ τηρεε γρεατεστ σχιεν− τιστσ. Ηε ισ ονε οφ τηε τωο ορ τηρεε γρεατεστ ιντελλεχτσ, εϖερ, ιν ανψ συβϕεχτ. Ιφ ψου ωαντ το χοµπαρε Νεωτον το ανψ− βοδψ, ψου ηαϖε το γο ουτσιδε σχιενχε. Χηανδρασεκηαρ ηασ αλρεαδψ σεντ µορε τηαν 20 χηαπτερσ οφ ηισ πλαννεδ 30− χηαπτερ βοοκ το ηισ πυβλισηερ, ανδ ηε ηοπεσ το χοµπλετε ιτ τηισ σπρινγ. Ηασ ηε γιϖεν τηουγητ το σοµε νεω προϕεχτ βεψονδ τηατ? Νο, τηατ∏σ τηε ενδ, ηε σαψσ αβρυπτλψ. Ι δον∏τ εξπεχτ το δο σχι− ενχε αφτερ Ι ⇒νιση ωορκ ον τηε Πρινχιπ− ια. Ωηεν Ι εξπρεσσ συρπρισε τηατ σοµε− ονε ωηο ηασ βεεν σο χονσιστεντλψ προ− δυχτιϖε χουλδ σιµπλψ χεασε ωορκινγ, ηε σαψσ ηεατεδλψ, Οβϖιουσλψ Ι χαν γο ον δοινγ ωορκ οφ α θυαλιτψ τηατ ισ βελοω µψ στανδαρδσ, βυτ ωηψ δο τηατ? Σο τηε τιµε µυστ χοµε ωηεν Ι σαψ, Στοπ.∏ Ι αµ ρεµινδεδ οφ αν εσσαψ, πυβλισηεδ ιν Νατυρε ιν 1990, ιν ωηιχη Χηανδρα− σεκηαρ δεσχριβεσ τηε χρεατιϖε λιφε ασ α χονσταντ στριϖινγ αγαινστ ονε∏σ ινηερ− εντ ανδ οφτεν ινσυρµουνταβλε λιµιτα− τιονσ. Ηε χονχλυδεσ τηε εσσαψ ωιτη λινεσ φροµ α ποεµ βψ Τ. Σ. Ελιοτ: Ιτ ισ στρανγε, ισν∏τ ιτ/Τηατ α µαν σηουλδ ηαϖε α χονσυµινγ πασσιον/Το δο σοµετηινγ φορ ωηιχη ηε λαχκσ τηε χαπαχιτψ? Ψετ τηερε αρε χονσολατιονσ, εϖεν φορ α σεεκερ παστ ηισ πριµε. Χηανδρασεκηαρ ρεχολλεχτσ τηατ Γ. Η. Ηαρδψ, ιν ηισ χλασ− σιχ µεµοιρ Α Ματηεµατιχιαν∏σ Απολογψ, χαλλεδ αν ολδ µατηεµατιχιαν ωηοσε ιδεασ ηαϖε ρυν δρψ α πατηετιχ περσον. Ηαρδψ χονσολεδ ηιµσελφ, παρτιχυλαρλψ ωηεν φορχεδ το ενδυρε βορινγ, σεχονδ− ρατε χολλεαγυεσ, ωιτη τηε κνοωλεδγε τηατ ηε ηαδ ονχε χοµµυνεδ ωιτη σοµε οφ τηε γρεατεστ ιντελλεχτσ οφ ηισ αγε. Χηαν− δρασεκηαρ χονφεσσεσ τηατ ηε ηασ χυλτι− ϖατεδ α σιµιλαρ ηαβιτ ωηεν ηε ⇒νδσ ηιµ− σελφ ιν τιρεσοµε σιτυατιονσ: Ι τηινκ το µψσελφ, Ι ηαϖε βεεν ιν τηε χοµπανψ οφ Νεωτον.∏ ∇ϑοην Ηοργαν ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 33 Χαν τηε Γροωινγ Ηυµαν Ποπυλατιον Φεεδ Ιτσελφ ? As human numbers surge toward 10 billion, some experts are alarmed, others optimistic. Who is right? βψ ϑοην Βονγααρτσ ∆ εµογραπηερσ νοω προϕεχτ τηατ τηε ωορλδ∏σ ποπυλατιον ωιλλ δου− βλε δυρινγ τηε νεξτ ηαλφ χεντυ− ρψ, φροµ 5.3 βιλλιον πεοπλε ιν 1990 το µορε τηαν 10 βιλλιον βψ 2050. Ηοω ωιλλ τηε ενϖιρονµεντ ανδ ηυµανιτψ ρεσπονδ το τηισ υνπρεχεδεντεδ γροωτη? Εξπερτ οπινιον διϖιδεσ ιντο τωο χαµπσ. Ενϖι− ρονµενταλιστσ ανδ εχολογιστσ, ωηοσε ϖιεωσ ηαϖε ωιδελψ βεεν δισσεµινατεδ βψ τηε ελεχτρονιχ ανδ πριντ µεδια, ρε− γαρδ τηε σιτυατιον ασ α χαταστροπηε ιν τηε µακινγ. Τηεψ αργυε τηατ ιν ορδερ το φεεδ τηε γροωινγ ποπυλατιον φαρµερσ µυστ ιντενσιφψ αγριχυλτυραλ πραχτιχεσ τηατ αλρεαδψ χαυσε γραϖε εχολογιχαλ δαµ− αγε. Ουρ νατυραλ ρεσουρχεσ ανδ τηε εν− ϖιρονµεντ, νοω βυρδενεδ βψ παστ ποπ− υλατιον γροωτη, ωιλλ σιµπλψ χολλαπσε υν− δερ τηε ωειγητ οφ τηισ φυτυρε δεµανδ. Τηε οπτιµιστσ, ον τηε οτηερ ηανδ, χοµπρισινγ µανψ εχονοµιστσ ασ ωελλ ασ σοµε αγριχυλτυραλ σχιεντιστσ, ασσερτ τηατ τηε εαρτη χαν ρεαδιλψ προδυχε µορε τηαν ενουγη φοοδ φορ τηε εξπεχτεδ ϑΟΗΝ ΒΟΝΓΑΑΡΤΣ ηασ βεεν ϖιχε πρεσ− ιδεντ ανδ διρεχτορ οφ τηε Ρεσεαρχη ∆ιϖι− σιον οφ τηε Ποπυλατιον Χουνχιλ ιν Νεω Ψορκ Χιτψ σινχε 1989. Ηε ισ χυρρεντλψ α µεµβερ οφ τηε ϑοηνσ Ηοπκινσ Σοχιετψ οφ Σχηολαρσ ανδ τηε Ροψαλ ∆υτχη Αχαδεµψ οφ Σχιενχεσ. Ηε ωον τηε Μινδελ Σηεπσ Αωαρδ ιν 1986 φροµ τηε Ποπυλατιον Ασ− σοχιατιον οφ Αµεριχα ανδ τηε Ρεσεαρχη Χαρεερ ∆εϖελοπµεντ Αωαρδ ιν 1980∠85 φροµ τηε Νατιοναλ Ινστιτυτεσ οφ Ηεαλτη. 36 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 ποπυλατιον ιν 2050. Τηεψ χοντενδ τηατ τεχηνολογιχαλ ιννοϖατιον ανδ τηε χον− τινυεδ ινϖεστµεντ οφ ηυµαν χαπιταλ ωιλλ δελιϖερ ηιγη στανδαρδσ οφ λιϖινγ το µυχη οφ τηε γλοβε, εϖεν ιφ τηε ποπυλα− τιον γροωσ µυχη λαργερ τηαν τηε προ− ϕεχτεδ 10 βιλλιον. Ωηιχη ποιντ οφ ϖιεω ωιλλ ηολδ σωαψ? Ωηατ σηαπε µιγητ τηε φυτυρε οφ ουρ σπεχιεσ ανδ τηε ενϖιρον− µεντ αχτυαλλψ τακε? Μανψ ενϖιρονµενταλιστσ φεαρ τηατ ωορλδ φοοδ συππλψ ηασ ρεαχηεδ α πρε− χαριουσ στατε: Ηυµαν νυµβερσ αρε ον α χολλισιον χουρσε ωιτη µασσιϖε φαµ− ινεσ . . . . Ιφ ηυµανιτψ φαιλσ το αχτ, νατυρε ωιλλ ενδ τηε ποπυλατιον εξπλοσιον φορ υσ∇ιν ϖερψ υνπλεασαντ ωαψσ∇ωελλ βε− φορε 10 βιλλιον ισ ρεαχηεδ, ωριτε Παυλ Ρ. Εηρλιχη ανδ Αννε Η. Εηρλιχη οφ Σταν− φορδ Υνιϖερσιτψ ιν τηειρ 1990 βοοκ Τηε Ποπυλατιον Εξπλοσιον. Ιν τηε λονγ ρυν, τηε Εηρλιχησ ανδ λικε−µινδεδ εξπερτσ χονσιδερ συβσταντιαλ γροωτη ιν φοοδ προδυχτιον το βε αβσολυτελψ ιµποσσι− βλε. Ωε αρε φεεδινγ ουρσελϖεσ ατ τηε εξπενσε οφ ουρ χηιλδρεν. Βψ δε⇒νιτιον φαρµερσ χαν οϖερπλοω ανδ οϖερπυµπ ονλψ ιν τηε σηορτ ρυν. Φορ µανψ φαρµ− ερσ τηε σηορτ ρυν ισ δραωινγ το α χλοσε, στατεσ Λεστερ Ρ. Βροων, πρεσιδεντ οφ τηε Ωορλδωατχη Ινστιτυτε, ιν α 1988 παπερ. Οϖερ τηε παστ τηρεε δεχαδεσ, τηεσε αυτηορσ ποιντ ουτ, ενορµουσ ε⇑ορτσ ανδ ρεσουρχεσ ηαϖε βεεν ποολεδ το αµ− πλιφψ αγριχυλτυραλ ουτπυτ. Ινδεεδ, τηε τοταλ θυαντιτψ οφ ηαρϖεστεδ χροπσ ιν− χρεασεδ δραµατιχαλλψ δυρινγ τηισ τιµε. Ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ, φοοδ προδυχ− τιον ροσε βψ αν αϖεραγε οφ 117 περχεντ ιν τηε θυαρτερ οφ α χεντυρψ βετωεεν 1965 ανδ 1990. Ασια περφορµεδ φαρ βετ− τερ τηαν οτηερ ρεγιονσ, ωηιχη σαω ιν− χρεασεσ βελοω αϖεραγε. Βεχαυσε ποπυλατιον ηασ εξπανδεδ ραπιδλψ ασ ωελλ, περ χαπιτα φοοδ προδυχ− τιον ηασ γενεραλλψ σηοων ονλψ µοδεστ χηανγε; ιν Αφριχα ιτ αχτυαλλψ δεχλινεδ. Ασ α χονσεθυενχε, τηε νυµβερ οφ υνδερ− νουρισηεδ πεοπλε ισ στιλλ ρισινγ ιν µοστ παρτσ οφ τηε δεϖελοπινγ ωορλδ, αλτηουγη τηατ νυµβερ διδ φαλλ φροµ 844 µιλλιον το 786 µιλλιον δυρινγ τηε 1980σ. Βυτ τηισ δεχλινε ρε⇓εχτσ ιµπροϖεδ νυτριτιον− αλ χονδιτιονσ ιν Ασια αλονε. ∆υρινγ τηε σαµε περιοδ, τηε νυµβερ οφ πεοπλε ηαϖ− ινγ ενεργψ−δε⇒χιεντ διετσ ιν Λατιν Αµερ− ιχα, τηε Νεαρ Εαστ ανδ Αφριχα χλιµβεδ. Μανψ σοχιαλ φαχτορσ χαν βρινγ αβουτ χονδιτιονσ οφ ηυνγερ, βυτ τηε πεσσιµιστσ εµπηασιζε τηατ ποπυλατιον πρεσσυρε ον φραγιλε εχοσψστεµσ πλαψσ α σιγνι⇒χαντ ρολε. Ονε σπεχι⇒χ χονχερν ισ τηατ ωε σεεµ το βε ρυννινγ σηορτ ον λανδ συιτ− αβλε φορ χυλτιϖατιον. Ιφ σο, χυρρεντ εφ− φορτσ το βολστερ περ χαπιτα φοοδ προδυχ− τιον βψ χλεαρινγ µορε φερτιλε λανδ ωιλλ ⇒νδ φεωερ οπτιονσ. Βετωεεν 1850 ανδ 1950 τηε αµουντ οφ αραβλε λανδ γρεω θυιχκλψ το αχχοµµοδατε βοτη λαργερ ποπυλατιονσ ανδ γρεατερ δεµανδ φορ βεττερ διετσ. Τηισ εξπανσιον τηεν σλοωεδ ανδ βψ τηε λατε 1980σ χεασεδ αλτογετη− ερ. Ιν τηε δεϖελοπεδ ωορλδ, ασ ωελλ ασ ιν σοµε δεϖελοπινγ χουντριεσ (εσπεχιαλλψ Χηινα ), τηε αµουντ οφ λανδ υνδερ χυλτι− ϖατιον σταρτεδ το δεχλινε δυρινγ τηε Copyright 1994 Scientific American, Inc. ΡΙΧΕ ΠΑ∆∆ΙΕΣ ( τηεσε αρε ιν Ινδονεσια ) προϖιδε τηε πρινχιπαλ φοοδ φορ µορε τηαν ηαλφ τηε ωορλδ∏σ ποπυλατιον. Ιν µανψ παρτσ οφ Ασια τηε τερραιν πρεϖεντσ φαρµερσ φροµ υσινγ µεχηανιζεδ 1980σ. Τηισ δροπ ισ λαργελψ βεχαυσε σπρεαδινγ υρβαν χεντερσ ηαϖε ενγυλφεδ φερτιλε λανδ ορ, ονχε τηε λανδ ισ δεπλετ− εδ, φαρµερσ ηαϖε αβανδονεδ ιτ. Φαρµ− ερσ ηαϖε αλσο ⇓εδ φροµ ιρριγατεδ λανδ τηατ ηασ βεχοµε υνπροδυχτιϖε βεχαυσε οφ σαλτ αχχυµυλατιον. Μορεοϖερ, ενϖιρονµενταλιστσ ινσιστ Copyright 1994 Scientific American, Inc. φαρµ εθυιπµεντ; το γροω ανδ ηαρϖεστ α σινγλε αχρε οφ ριχε χαν δεµανδ µορε τηαν 1,000 µαν−ηουρσ. Στιλλ, Ασιαν χουν− τριεσ νοω προδυχε µορε τηαν 90 περχεντ οφ αλλ ριχε γροων. τηατ σοιλ εροσιον ισ δεστροψινγ µυχη οφ τηε λανδ τηατ ισ λεφτ. Τηε εξτεντ οφ τηε δαµαγε ισ τηε συβϕεχτ οφ χοντροϖερσψ. Α ρεχεντ γλοβαλ ασσεσσµεντ, σπονσορεδ βψ τηε Υνιτεδ Νατιονσ Ενϖιρονµεντ Προγραµ ανδ ρεπορτεδ βψ τηε Ωορλδ Ρεσουρχεσ Ινστιτυτε ανδ οτηερσ, ο⇑ερσ σοµε περσπεχτιϖε. Τηε στυδψ χονχλυδεσ τηατ 17 περχεντ οφ τηε λανδ συππορτινγ πλαντ λιφε ωορλδωιδε ηασ λοστ ϖαλυε οϖερ τηε παστ 45 ψεαρσ. Τηε εστιµατε ινχλυδεσ εροσιον χαυσεδ βψ ωατερ ανδ ωινδ, ασ ωελλ ασ χηεµιχαλ ανδ πηψσιχαλ δετεριο− ρατιον, ανδ ρανκσ τηε δεγρεε οφ σοιλ δεγραδατιον φροµ λιγητ το σεϖερε. Τηισ δεγραδατιον ισ λεαστ πρεϖαλεντ ιν Νορτη ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 37 ΙΝΧΙ∆ΕΝΧΕ ΟΦ ΧΗΡΟΝΙΧ ΥΝ∆ΕΡΝΥΤΡΙΤΙΟΝ φελλ ιν τηε δεϖελ− οπινγ ωορλδ φροµ αν εστιµατεδ 844 µιλλιον συφφερερσ ιν 1979 το 786 µιλλιον ιν 1990, σηοωινγ εϖιδενχε οφ δραµατιχ νυτρι− τιοναλ ιµπροϖεµεντσ ιν Ασια (λεφτ). Αγριχυλτυραλ προδυχτιϖιτψ Αµεριχα (5.3 περχεντ) ανδ µοστ ωιδε− σπρεαδ ιν Χεντραλ Αµεριχα (25 περχεντ), Ευροπε (23 περχεντ), Αφριχα (22 περχεντ) ανδ Ασια (20 περχεντ). Ιν µοστ οφ τηεσε ρεγιονσ, τηε αϖεραγε φαρµερ χουλδ νοτ γατηερ τηε ρεσουρχεσ νεχεσσαρψ το ρε− στορε µοδερατε ανδ σεϖερελψ α⇑εχτεδ σοιλ ρεγιονσ το φυλλ προδυχτιϖιτψ. Τηερε− φορε, προσπεχτσ φορ ρεϖερσινγ τηε ε⇑εχτσ οφ σοιλ εροσιον αρε νοτ γοοδ, ανδ ιτ ισ λικελψ τηατ τηισ προβλεµ ωιλλ ωορσεν. ∆εσπιτε τηε λοσσ ανδ δεγραδατιον οφ φερτιλε λανδ, τηε γρεεν ρεϖολυτιον ηασ προµοτεδ περ χαπιτα φοοδ προδυχτιον βψ ινχρεασινγ τηε ψιελδ περ ηεχταρε. Τηε νεω, ηιγη−ψιελδινγ στραινσ οφ γραινσ συχη ασ ωηεατ ανδ ριχε ηαϖε προλιφερατ− εδ σινχε τηειρ ιντροδυχτιον ιν τηε 1960σ, εσπεχιαλλψ ιν Ασια. Το ρεαπ φυλλ αδϖαν− ταγε φροµ τηεσε νεω χροπ ϖαριετιεσ, ηοωεϖερ, φαρµερσ µυστ αππλψ αβυνδαντ θυαντιτιεσ οφ φερτιλιζερ ανδ ωατερ. Ενϖιρονµενταλιστσ θυεστιον ωηετηερ φυρτηερ χονϖερσιον το συχη χροπσ χαν βε αχηιεϖεδ ατ ρεασοναβλε χοστ, εσπε− χιαλλψ ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ, ωηερε τηε γαιν ιν προδυχτιον ισ µοστ νεεδεδ. Ατ τηε µοµεντ, φαρµερσ ιν Ασια, Λατιν Αµεριχα ανδ Αφριχα υσε φερτιλιζερ σπαρ− ινγλψ, ιφ ατ αλλ, βεχαυσε ιτ ισ τοο εξπεν− σιϖε ορ υναϖαιλαβλε. Φερτιλιζερ υσε ιν τηε δεϖελοπεδ ωορλδ ηασ ρεχεντλψ ωανεδ. Τηε ρεασονσ φορ τηε δεχλινε αρε χοµ− πλεξ ανδ µαψ βε τεµποραρψ, βυτ χλεαρλψ φαρµερσ ιν Νορτη Αµεριχα ανδ Ευροπε ηαϖε δεχιδεδ τηατ ινχρεασινγ τηειρ αλ− ρεαδψ ηεαϖψ αππλιχατιον οφ φερτιλιζερ ωιλλ νοτ φυρτηερ ενηανχε χροπ ψιελδσ. Υνφορτυνατελψ, ιρριγατιον σψστεµσ, ωηιχη ωουλδ εναβλε µανψ δεϖελοπινγ χουντριεσ το ϕοιν ιν τηε γρεεν ρεϖολυ− 38 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 µυστ ιµπροϖε το χοντινυε τηισ τρενδ (ριγητ). Εϖεν ιφ µορε λανδ ισ ηαρϖεστεδ ιν 2050, τηε αϖεραγε ψιελδ µυστ ρισε σηαρπλψ ασ ωελλ το οφφερ τηε προϕεχτεδ Τηιρδ Ωορλδ ποπυλατιον οφ 8.7 βιλλιον τηε χυρρεντ διετ οφ 4,000 γροσσ χαλοριεσ περ δαψ. τιον, αρε οφτεν τοο εξπενσιϖε το βυιλδ. Ιν µοστ αρεασ, ιρριγατιον ισ εσσεντιαλ φορ γενερατινγ ηιγηερ ψιελδσ. Ιτ αλσο χαν µακε αριδ λανδ χυλτιϖαβλε ανδ προτεχτ φαρµερσ φροµ τηε ϖυλνεραβιλιτψ ινηερεντ ιν νατυραλ ϖαριατιονσ ιν τηε ωεατηερ. Λανδ βρουγητ ιντο χυλτιϖατιον τηισ ωαψ χουλδ βε υσεδ φορ γροωινγ µυλτιπλε χροπ ϖαριετιεσ, τηερεβψ ηελπινγ φοοδ προδυχτιον το ινχρεασε. Συχη αδϖανταγεσ ηαϖε βεεν ρεαλιζεδ σινχε τηε βεγιννινγ οφ αγριχυλτυρε: τηε εαρλιεστ ιρριγατιον σψστεµσ αρε τηου− σανδσ οφ ψεαρσ ολδ. Ψετ ονλψ α φραχτιον οφ προδυχτιϖε λανδ ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ ισ νοω ιρριγατεδ, ανδ ιτσ εξπαν− σιον ηασ βεεν σλοωερ τηαν ποπυλατιον γροωτη. Χονσεθυεντλψ, τηε αµουντ οφ ιρριγατεδ λανδ περ χαπιτα ηασ βεεν δωινδλινγ δυρινγ ρεχεντ δεχαδεσ. Τηε τρενδ, πεσσιµιστσ αργυε, ωιλλ βε ηαρδ το στοπ. Ιρριγατιον σψστεµσ ηαϖε βεεν βυιλτ ιν τηε µοστ α⇑ορδαβλε σιτεσ, ανδ τηε ηοπε φορ εξτενδινγ τηεµ ισ χυρταιλεδ βψ ρισινγ χοστσ. Μορεοϖερ, τηε αχχρετιον οφ σιλτ ιν δαµσ ανδ ρεσερϖοιρσ ανδ οφ σαλτ ιν αλρεαδψ ιρριγατεδ σοιλ ισ ινχρεασινγλψ χοστλψ το αϖοιδ ορ ρεϖερσε. Ενϖιρονµενταλιστσ Εηρλιχη ανδ Εηρ− λιχη νοτε τηατ µοδερν αγριχυλτυρε ισ βψ νατυρε ατ ρισκ ωηερεϖερ ιτ ισ πραχτιχεδ. Τηε γενετιχ υνιφορµιτψ οφ σινγλε, ηιγη− ψιελδινγ χροπ στραινσ πλαντεδ οϖερ λαργε αρεασ µακεσ τηεµ ηιγηλψ προδυχτιϖε βυτ αλσο ρενδερσ τηεµ παρτιχυλαρλψ ϖυλ− νεραβλε το ινσεχτσ ανδ δισεασε. Χυρρεντ πρεϖεντιϖε ταχτιχσ, συχη ασ σπραψινγ πεστιχιδεσ ανδ ροτατινγ χροπσ, αρε ονλψ παρτιαλ σολυτιονσ. Ραπιδλψ εϖολϖινγ πατη− ογενσ ποσε α χοντινυουσ χηαλλενγε. Πλαντ βρεεδερσ µυστ µαινταιν α βροαδ γενετιχ αρσεναλ οφ χροπσ βψ χολλεχτινγ ανδ στορινγ νατυραλ ϖαριετιεσ ανδ βψ βρεεδινγ νεω ονεσ ιν τηε λαβορατορψ. Τ ηε οπτιµιστσ δο νοτ δενψ τηατ µανψ προβλεµσ εξιστ ωιτηιν τηε φοοδ συππλψ σψστεµ. Βυτ µανψ οφ τηεσε αυτηοριτιεσ, ινχλυδινγ ∆. Γαλε ϑοηνσον, τηε λατε Ηερµαν Καην, Ωαλτερ Ρ. Βροων, Λ. Μαρτελ, τηε λατε Ρογερ Ρεϖ− ελλε, ςαχλαϖ Σµιλ ανδ ϑυλιαν Λ. Σιµον, βε− λιεϖε τηε ωορλδ∏σ φοοδ συππλψ χαν δρα− µατιχαλλψ βε εξπανδεδ. Ιρονιχαλλψ, τηεψ δραω τηειρ εντηυσιασµ φροµ εξτραπολα− τιον οφ τηε ϖερψ τρενδσ τηατ σο αλαρµ τηοσε εξπερτσ ωηο εξπεχτ δοοµ. Ιν φαχτ, στατιστιχσ σηοω τηατ τηε αϖεραγε δαιλψ χαλοριχ ιντακε περ χαπιτα χλιµβεδ βψ 21 περχεντ ( φροµ 2,063 χαλοριεσ το 2,495 χαλοριεσ) βετωεεν 1965 ανδ 1990 ιν τηε δεϖελοπινγ χουντριεσ. Τηεσε ηιγηερ χαλ− οριεσ ηαϖε γενεραλλψ δελιϖερεδ γρεατερ αµουντσ οφ προτειν. Ον αϖεραγε, τηε περ χαπιτα χονσυµπτιον οφ προτειν ροσε φροµ 52 γραµσ περ δαψ το 61 γραµσ περ δαψ βετωεεν 1965 ανδ 1990. Αχχορδινγ το τηε οπτιµιστσ, νοτ ονλψ ηασ τηε ωορλδ φοοδ σιτυατιον ιµπροϖεδ σιγνι⇒χαντλψ ιν ρεχεντ δεχαδεσ, βυτ φυρ− τηερ γροωτη χαν βε βρουγητ αβουτ ιν ϖαριουσ ωαψσ. Α δεταιλεδ ασσεσσµεντ οφ χλιµατε ανδ σοιλ χονδιτιονσ ιν 93 δε− ϖελοπινγ χουντριεσ (εξχλυδινγ Χηινα ) σηοωσ τηατ νεαρλψ τηρεε τιµεσ ασ µυχη λανδ ασ ισ χυρρεντλψ φαρµεδ, ορ αν αδδι− τιοναλ 2.1 βιλλιον ηεχταρεσ, χουλδ βε χυλ− τιϖατεδ. Ρεγιοναλ σοιλ εστιµατεσ ινδιχατε τηατ συβ−Σαηαραν Αφριχα ανδ Λατιν Αµερ− ιχα χαν εξπλοιτ µανψ µορε στρετχηεσ οφ υνυσεδ λανδ τηαν χαν Ασια, τηε Νεαρ Εαστ ανδ Νορτη Αφριχα. Copyright 1994 Scientific American, Inc. Εϖεν ιν ρεγιονσ ωηερε τηε αµουντ οφ ποτεντιαλλψ αραβλε λανδ ισ λιµιτεδ, χροπσ χουλδ βε γροων µορε τιµεσ εϖερψ ψεαρ τηαν ισ χυρρεντλψ τηε χασε. Τηισ σχεναρ− ιο ισ παρτιχυλαρλψ τρυε ιν τηε τροπιχσ ανδ συβτροπιχσ ωηερε χονδιτιονσ αρε συχη∇ ρελατιϖελψ εϖεν τεµπερατυρε τηρουγηουτ τηε ψεαρ ανδ α χονσιστεντ διστριβυτιον οφ δαψλιγητ ηουρσ∇τηατ µορε τηαν ονε χροπ ωουλδ τηριϖε. Νεαρλψ τωιχε ασ µανψ χροπσ αρε ηαρϖεστεδ εϖερψ ψεαρ ιν Ασια τηαν ιν Αφριχα ατ πρεσεντ, βυτ φυρτηερ ινχρεασεσ αρε ποσσιβλε ιν αλλ ρεγιονσ. Ιν αδδιτιον το µυλτιχροππινγ, ηιγηερ ψιελδσ περ χροπ αρε ατταιναβλε, εσπεχιαλ− λψ ιν Αφριχα ανδ τηε Νεαρ Εαστ. Μανψ µορε χροπσ αρε χυρρεντλψ ηαρϖεστεδ περ ηεχταρε ιν τηε Φιρστ Ωορλδ τηαν ελσε− ωηερε: χερεαλ ψιελδσ ιν Νορτη Αµεριχα ανδ Ευροπε αϖεραγεδ 4.2 τονσ περ ηεχτ− αρε, χοµπαρεδ ωιτη 2.9 ιν τηε Φαρ Εαστ (4.2 ιν Χηινα ), 2.1 ιν Λατιν Αµεριχα, 1.7 ιν τηε Νεαρ Εαστ ανδ ονλψ 1.0 ιν Αφριχα. Συχη ψιελδ ιµπροϖεµεντσ, τηε εντηυ− σιαστσ νοτε, χαν βε αχηιεϖεδ βψ εξπανδ− ινγ τηε στιλλ λιµιτεδ υσε οφ ηιγη−ψιελδ χροπ ϖαριετιεσ, φερτιλιζερ ανδ ιρριγατιον. Τηε Ποτεντιαλ Ιµπαχτ οφ Γλοβαλ Ωαρµινγ ον Αγριχυλτυρε Τ he scientific evidence on the greenhouse effect indicates that slow but significant global warming is likely to occur if the emission of greenhouse gases, such as carbon dioxide, methane, nitrogen oxide and chlorofluorocarbons, continues to grow. Agriculture is directly or, at least in some cases, indirectly responsible for releasing a substantial proportion of these gases. Policy responses to the potentially adverse consequences of global climatic change now focus primarily on hindering emissions rather than on halting them. But considering the present need to improve living standards and produce more food for vast numbers of people, experts doubt that even a reduction in global emissions could occur in the near future. In a 1990 study the Intergovernmental Panel on Climate Change estimated that over the next century the average global temperature will rise by three degrees Celsius. The study assumes that agriculture will expand considerably. This forecast of temperature change is uncertain, but there is now broad agreement that some global warming will take place. All the same, the effect that temperature rise will have on human society remains an open question. Global warming could either enhance or impede agriculture, suggest Cynthia Rosenzweig of Columbia University and Martin L. Parry of the University of Oxford. Given sufficient water and light, increased ambient carbon dioxide concentrations absorbed during photosynthesis could act as a fertilizer and facilitate growth in certain plants. In addition, by extending the time between the last frost in the spring and the first frost in the fall, global warming will benefit agriculture in cold regions where the growing sea- son is short, such as in Canada and northern areas of Europe and the former Soviet Union. Moreover, warmer air holds more water vapor, and so global warming will bring about more evaporation and precipitation. Areas where crop production is limited by arid conditions would benefit from a wetter climate. If increased evaporation from soil and plants does not coincide with more rainfall in a region, however, more frequent dry spells and droughts would occur. And a further rise in temperature will reduce crop yields in tropical and subtropical areas, where certain crops are already grown near their limit of heat tolerance. Furthermore, some cereal crops need low winter temperatures to initiate flowering. Warmer winters in temperate regions could therefore stall growing periods and lead to reduced harvests. Finally, global warming will precipitate a thermal swelling of the oceans and melt polar ice. Higher sea levels may claim low-lying farmland and cause higher salt concentrations in the coastal groundwater. Techniques used to model the climate are not sufficiently advanced to predict the balance of these effects in specific areas. The most recent analysis on the impact of climatic change on the world food supply, by Rosenzweig and Parry in 1992, concludes that average global food production will decline 5 percent by 2060. And they anticipate a somewhat larger drop in the developing world, thus exacerbating the problems expected to arise in attempts to feed growing populations. In contrast, their report predicts a slight rise in agricultural output in developed countries situated at middle and high latitudes. POSSIBLE BENEFITS OF GLOBAL WARMING ON AGRICULTURE CO2 CARBON DIOXIDE FERTILIZATION LONGER GROWING SEASONS INCREASED PRECIPITATION POSSIBLE DRAWBACKS OF GLOBAL WARMING ON AGRICULTURE MORE FREQUENT DROUGHTS HEAT STRESS Copyright 1994 Scientific American, Inc. SLOWER GROWING PERIODS INCREASED FLOODING AND SALINIZATION ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 39 Χηανγε ιν Φοοδ Προδυχτιον βετωεεν 1965 ανδ 1990 ΤΟΤΑΛ ΦΟΟ∆ ΠΡΟ∆ΥΧΤΙΟΝ ροσε νεαρλψ 120 περχεντ βετωεεν 1965 ανδ 1990 ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ. Περ χαπιτα φοοδ προδυχτιον σηοωεδ λιττλε χηανγε ιν ρεγιονσ ουτσιδε Ασια (τοπ). Σοιλ εροσιον ηασ δεβασεδ µυχη οφ τηε λανδ ωορλδωιδε ον ωηιχη τηατ φοοδ ωασ προδυχεδ (µιδδλε). Βυτ µανψ Τηιρδ Ωορλδ νατιονσ ηαϖε ϖαστ ηολδ− ινγσ τηατ χουλδ βε φαρµεδ συχχεσσφυλλψ ιφ γιϖεν µορε ωατερ ανδ φερτιλιζερ (βοττοµ). Ιν Ωορλδ Αγριχυλτυρε: Τοωαρδ 2000, Νικοσ Αλεξανδρατοσ οφ τηε Φοοδ ανδ Αγριχυλτυρε Οργανιζατιον (ΦΑΟ) οφ τηε Υνιτεδ Νατιονσ ρεπορτσ τηατ ονλψ 34 περχεντ οφ αλλ σεεδσ πλαντεδ δυρινγ τηε µιδ−1980σ ωερε ηιγη−ψιελδινγ ϖαριετιεσ. Στατιστιχσ φροµ τηε ΦΑΟ σηοω τηατ ατ πρεσεντ ονλψ αβουτ ονε ιν ⇒ϖε ηεχταρεσ οφ αραβλε λανδ ισ ιρριγατεδ, ανδ ϖερψ λιττλε φερτιλιζερ ισ υσεδ. Πεστιχιδεσ αρε σπαρσελψ αππλιεδ. Φοοδ ουτπυτ χουλδ δραστιχαλλψ βε ινχρεασεδ σιµπλψ βψ µορε ωιδεσπρεαδ ιµπλεµεντατιον οφ συχη τεχηνολογιεσ. Ασιδε φροµ προδυχινγ µορε φοοδ, µανψ εχονοµιστσ ανδ αγριχυλτυραλιστσ ποιντ ουτ, χονσυµπτιον λεϖελσ ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ χουλδ βε βοοστεδ βψ ωαστινγ φεωερ χροπσ, ασ ωελλ ασ βψ χυτ− τινγ στοραγε ανδ διστριβυτιον λοσσεσ. Ηοω µυχη οφ αν ινχρεασε ωουλδ τηεσε µεασυρεσ ψιελδ? Ροβερτ Ω. Κατεσ, διρεχ− τορ οφ τηε Αλαν Σηαων Φεινστειν Ωορλδ Ηυνγερ Προγραµ ατ Βροων Υνιϖερσιτψ, ωριτεσ ιν Τηε Ηυνγερ Ρεπορτ : 1988 τηατ ηυµανσ χονσυµε ονλψ 60 περχεντ οφ αλλ ηαρϖεστεδ χροπσ, ανδ σοµε 25 το 30 περχεντ ισ λοστ βεφορε ρεαχηινγ ινδιϖιδ− υαλ ηοµεσ. Τηε ΦΑΟ, ον τηε οτηερ ηανδ, εστιµατεσ λοωερ διστριβυτιον λοσσεσ: 6 περχεντ φορ χερεαλσ, 11 περχεντ φορ ροοτσ ανδ 5 περχεντ φορ πυλσεσ. Αλλ τηε σαµε, τηερε ισ νο δουβτ τηατ ιµπροϖεδ στορ− αγε ανδ διστριβυτιον σψστεµσ ωουλδ λεαϖε µορε φοοδ αϖαιλαβλε φορ ηυµαν νυτριτιον, ινδεπενδεντ οφ φυτυρε φοοδ προδυχτιον χαπαβιλιτιεσ. Φορ οπτιµιστσ, τηε λονγ−ρανγε τρενδ ιν φοοδ πριχεσ χονστιτυτεσ τηε µοστ χονϖινχινγ εϖιδενχε φορ τηε χορρεχτνεσσ οφ τηειρ ϖιεω. Ιν 1992∠93 τηε Ωορλδ Ρε− σουρχεσ Ινστιτυτε ρεπορτεδ τηατ φοοδ πριχεσ δροππεδ φυρτηερ τηαν τηε πριχε οφ µοστ νονφυελ χοµµοδιτιεσ, αλλ οφ ωηιχη ηαϖε δεχλινεδ ιν τηε παστ δε− χαδε. Χερεαλ πριχεσ ιν τηε ιντερνατιοναλ µαρκετ φελλ βψ αππροξιµατελψ ονε τηιρδ βετωεεν 1980 ανδ 1989. Ηυγε γοϖερν− µεντ συβσιδιεσ φορ αγριχυλτυρε ιν Νορτη Αµεριχα ανδ ωεστερν Ευροπε, ανδ τηε ρεσυλτινγ συρπλυσεσ οφ αγριχυλτυραλ προδ− υχτσ, ηαϖε δεπρεσσεδ πριχεσ. Οβϖιουσλψ, τηε οπτιµιστσ ασσερτ, τηε συππλψ αλρεαδψ εξχεεδσ τηε δεµανδ οφ α γλοβαλ ποπυ− λατιον τηατ ηασ δουβλεδ σινχε 1950. Τακεν τογετηερ, τηισ εϖιδενχε λεαδσ µανψ εξπερτσ το σεε νο σιγνι⇒χαντ οβ− σταχλεσ το ραισινγ λεϖελσ οφ νυτριτιον φορ ωορλδ ποπυλατιονσ εξχεεδινγ 10 βιλλιον πεοπλε. Τηε ποτεντιαλ φορ αν ενορµουσ εξπανσιον οφ φοοδ προδυχτιον εξιστσ, βυτ ιτσ ρεαλιζατιον δεπενδσ οφ χουρσε ον σενσιβλε γοϖερνµενταλ πολιχιεσ, ιν− χρεασεδ δοµεστιχ ανδ ιντερνατιοναλ τραδε ανδ λαργε ινϖεστµεντσ ιν ινφρα− στρυχτυρε ανδ αγριχυλτυραλ εξτενσιον. Συχη ιµπροϖεµεντσ χαν βε αχηιεϖεδ, τηε οπτιµιστσ βελιεϖε, ωιτηουτ ινχυρρινγ ιρ− 40 Copyright 1994 Scientific American, Inc. ALL OF THIRD WORLD TOTAL FOR REGION PER CAPITA AFRICA NEAR EAST ASIA LATIN AMERICA –20 0 20 40 60 PERCENT 80 100 120 140 Σοιλ Εροσιον οφ ςεγετατεδ Λανδ LIGHT MODERATE TO SEVERE WORLD EUROPE NORTH AMERICA AFRICA ASIA SOUTH AMERICA CENTRAL AMERICA 0 5 10 15 PERCENT 20 25 30 Αραβλε Λανδ IN USE POTENTIAL SUB-SAHARAN AFRICA NEAR EAST AND NORTH AFRICA ASIA (EXCLUDING CHINA) LATIN AMERICA 0 200 400 600 MILLIONS OF HECTARES ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 800 1,000 ρεπαραβλε δαµαγε το γλοβαλ εχοσψστεµσ. Προπονεντσ οφ ειτηερ οφ τηεσε χον− ⇓ιχτινγ περσπεχτιϖεσ ηαϖε δι⇔χυλτψ αχ− χεπτινγ τηε εξιστενχε οφ οτηερ πλαυσιβλε ποιντσ οφ ϖιεω. Μορεοϖερ, τηε πολαριτψ βετωεεν τηε τωο σιδεσ οφ εξπερτ οπιν− ιον σηοωσ τηατ νειτηερ γρουπ χαν βε χοµπλετελψ χορρεχτ. Φινδινγ σοµε χοµ− µον γρουνδ βετωεεν τηεσε σεεµινγλψ ιρρεχονχιλαβλε ποσιτιονσ ισ νοτ ασ διφφι− χυλτ ασ ιτ ατ ⇒ρστ αππεαρσ ιφ εµπιριχαλ ισ− συεσ αρε εµπηασιζεδ ανδ ιµπορταντ δι⇑ερενχεσ ιν ϖαλυε σψστεµσ ανδ πολιτι− χαλ βελιεφσ αρε ιγνορεδ. Βοτη σιδεσ αγρεε τηατ τηε δεµανδ φορ φοοδ ωιλλ σωελλ ραπιδλψ οϖερ τηε νεξτ σεϖεραλ δεχαδεσ. Ιν 1990 α περσον λιϖ− ινγ ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ ατε ον αϖ− εραγε 2,500 χαλοριεσ εαχη δαψ, τακεν φροµ 4,000 γροσσ χαλοριεσ οφ φοοδ χροπσ µαδε αϖαιλαβλε ωιτηιν α ηουσεηολδ. Τηε ρεµαινινγ 1,500 χαλοριεσ φροµ τηισ γροσσ τοταλ νοτ υσεδ το µεετ νυτριτιοναλ ρε− θυιρεµεντσ ωερε ειτηερ λοστ, ινεδιβλε ορ υσεδ ασ ανιµαλ φεεδ ανδ πλαντ σεεδ. Μοστ οφ τηισ φοοδ ωασ ηαρϖεστεδ φροµ 0.7 βιλλιον ηεχταρεσ οφ λανδ ιν τηε δεϖελ− οπινγ ωορλδ. Τηε ρεµαινινγ 5 περχεντ οφ τηε τοταλ φοοδ συππλψ χαµε φροµ ιµ− πορτσ. Το συσταιν τηισ 4,000−γροσσ−χαλο− ριε διετ φορ µορε τηαν τωιχε ασ µανψ ρεσιδεντσ, ορ 8.7 βιλλιον πεοπλε, λιϖινγ ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ βψ 2050, αγριχυλ− τυρε µυστ ο⇑ερ 112 περχεντ µορε χροπσ. Το ραισε τηε αϖεραγε Τηιρδ Ωορλδ διετ το 6,000 γροσσ χαλοριεσ περ δαψ, σλιγητλψ αβοϖε τηε 1990 ωορλδ αϖεραγε, φοοδ προδυχτιον ωουλδ νεεδ το ινχρεασε βψ 218 περχεντ. Ανδ το βρινγ τηε αϖεραγε Τηιρδ Ωορλδ διετ το α λεϖελ χοµπαραβλε ωιτη τηατ χυρρεντλψ φουνδ ιν τηε δεϖελ− οπεδ ωορλδ, ορ 10,000 γροσσ χαλοριεσ περ δαψ, φοοδ προδυχτιον ωουλδ ηαϖε το συργε βψ 430 περχεντ. Α µορε γενερουσ φοοδ συππλψ ωιλλ βε αχηιεϖεδ ιν τηε φυτυρε τηρουγη βοοστ− ινγ χροπ ψιελδσ, ασ ιτ ηασ βεεν αχχοµ− πλισηεδ ιν τηε παστ. Ιφ τηε ηαρϖεστεδ αρεα ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ ρεµαινσ ατ 0.7 βιλλιον ηεχταρεσ, τηεν εαχη ηεχ− ταρε µυστ µορε τηαν δουβλε ιτσ ψιελδ το µαινταιν αν αλρεαδψ ιναδεθυατε διετ φορ τηε φυτυρε ποπυλατιον οφ τηε δεϖελοπ− ινγ ωορλδ. Προϖιδινγ α διετ εθυιϖαλεντ το α Φιρστ Ωορλδ διετ ιν 1990 ωουλδ ρε− θυιρε τηατ εαχη ηεχταρε ινχρεασε ιτσ ψιελδ µορε τηαν σιξ τιµεσ. Συχη αν εϖεντ ιν τηε δεϖελοπινγ ωορλδ µυστ βε χονσιδ− ερεδ ϖιρτυαλλψ ιµποσσιβλε, βαρρινγ α µα− ϕορ βρεακτηρουγη ιν τηε βιοτεχηνολογψ οφ φοοδ προδυχτιον. Ινστεαδ φαρµερσ ωιλλ νο δουβτ πλαντ µορε αχρεσ ανδ γροω µορε χροπσ περ ψεαρ ον τηε σαµε λανδ το ηελπ αυγµεντ χροπ ηαρϖεστσ. Εξτραπολατιον οφ παστ τρενδσ συγγεστσ τηατ τηε τοταλ ηαρϖεστ− εδ αρεα ωιλλ ινχρεασε βψ αβουτ 50 περ− χεντ βψ τηε ψεαρ 2050. Εαχη ηεχταρε ωιλλ Copyright 1994 Scientific American, Inc. ΕΓΨΠΤΙΑΝ ΦΑΡΜΕΡΣ, αδϖισεδ βψ Ισραελι αγρονοµιστσ, ηαϖε χονϖερτεδ µορε τηαν 400,000 αχρεσ οφ δεσερτ σοιλ ιντο ριχη χροπλανδ βψ ιµπλεµεντινγ ιρριγατιον σψστεµσ. Φαρµσ ιν Νυβαριψα νοω προδυχε αµπλε ηαρϖεστσ οφ φρυιτ. τηεν ηαϖε το προϖιδε νεαρλψ 50 περχεντ µορε τονσ οφ γραιν ορ ιτσ εθυιϖαλεντ το κεεπ υπ ωιτη χυρρεντ διεταρψ λεϖελσ. Ιµ− προϖεδ διετσ χουλδ ρεσυλτ ονλψ φροµ µυχη λαργερ ψιελδσ. Τηε τεχηνολογιχαλ οπτιµιστσ αρε χορ− ρεχτ ιν στατινγ τηατ οϖεραλλ ωορλδ φοοδ προδυχτιον χαν συβσταντιαλλψ βε ιν− χρεασεδ οϖερ τηε νεξτ φεω δεχαδεσ. Χυρ− ρεντ χροπ ψιελδσ αρε ωελλ βελοω τηειρ τηεορετιχαλ µαξιµα, ανδ ονλψ αβουτ 11 περχεντ οφ τηε ωορλδ∏σ φαρµαβλε λανδ ισ νοω υνδερ χυλτιϖατιον. Μορεοϖερ, τηε εξπεριενχε γαινεδ ρεχεντλψ ιν α νυµβερ οφ δεϖελοπινγ χουντριεσ, συχη ασ Χηινα, ηολδσ ιµπορταντ λεσσονσ ον ηοω το ταπ τηισ ποτεντιαλ ελσεωηερε. Αγριχυλτυραλ προδυχτιϖιτψ ρεσπονδσ το ωελλ−δεσιγνεδ πολιχιεσ τηατ ασσιστ φαρµερσ βψ συππλψ− ινγ νεεδεδ φερτιλιζερ ανδ οτηερ ινπυτσ, βυιλδινγ σουνδ ινφραστρυχτυρε ανδ προ− ϖιδινγ µαρκετ αχχεσσ. Φυρτηερ ινϖεστ− µεντσ ιν αγριχυλτυραλ ρεσεαρχη ωιλλ σπαων νεω τεχηνολογιεσ τηατ ωιλλ φορ− τιφψ αγριχυλτυρε ιν τηε φυτυρε. Τηε ϖιταλ θυεστιον τηεν ισ νοτ ηοω το γροω µορε φοοδ βυτ ρατηερ ηοω το ιµπλεµεντ αγριχυλτυραλ µετηοδσ τηατ µαψ µακε ποσσιβλε α βοοστ ιν φοοδ προδυχτιον. Α µορε τρουβλεσοµε προβλεµ ισ ηοω το αχηιεϖε τηισ τεχηνολογιχαλ ενηανχε− µεντ ατ αχχεπταβλε ενϖιρονµενταλ χοστσ. Ιτ ισ ηερε τηατ τηε αργυµεντσ οφ τηοσε εξπερτσ ωηο φορεχαστ α χαταστροπηε χαρ− ρψ χονσιδεραβλε ωειγητ. Τηερε χαν βε νο δουβτ τηατ τηε λανδ νοω υσεδ φορ γροω− ινγ φοοδ χροπσ ισ γενεραλλψ οφ βεττερ θυαλιτψ τηαν υνυσεδ, ποτεντιαλλψ χυλτι− ϖαβλε λανδ. Σιµιλαρλψ, εξιστινγ ιρριγατιον σψστεµσ ηαϖε βεεν βυιλτ ον τηε µοστ φαϖοραβλε σιτεσ. Χονσεθυεντλψ, εαχη νεω µεασυρε αππλιεδ το ινχρεασε ψιελδσ ισ βεχοµινγ µορε εξπενσιϖε το ιµπλε− µεντ, εσπεχιαλλψ ιν τηε δεϖελοπεδ ωορλδ ανδ παρτσ οφ τηε δεϖελοπινγ ωορλδ συχη ασ Χηινα, ωηερε προδυχτιϖιτψ ισ αλρεαδψ ηιγη. Ιν σηορτ, συχη χονστραιντσ αρε ραισινγ τηε µαργιναλ χοστ οφ εαχη αδδι− τιοναλ τον οφ γραιν ορ ιτσ εθυιϖαλεντ. Τηισ ταξ ισ εϖεν ηιγηερ ιφ ονε τακεσ ιντο αχχουντ νεγατιϖε εξτερναλιτιεσ∇πριµαρ− ιλψ ενϖιρονµενταλ χοστσ νοτ ρε⇓εχτεδ ιν τηε πριχε οφ αγριχυλτυραλ προδυχτσ. Τηε ενϖιρονµενταλ πριχε οφ ωηατ ιν τηε Εηρλιχησ∏ ϖιεω αµουντσ το τυρνινγ τηε εαρτη ιντο α γιαντ ηυµαν φεεδλοτ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 41 ∆ΑΣΗΒΟΑΡ∆ ΧΟΜΠΥΤΕΡ ον α τραχτορ, χαρρψινγ µαπσ χοµπιλεδ ϖια σατελλιτε, χαν νοω γυιδε φαρµερσ ιν περφορµινγ σοιλ αναλψσισ ανδ αππλψινγ σιτε−σπεχι⇒χ αµουντσ ανδ βλενδσ οφ φερτιλιζερ. Συχη τεχηνολογψ σαϖεσ µονεψ ανδ ινχρεασεσ ε⇔χιενχψ. χουλδ βε σεϖερε. Α λαργε ιν⇓ατιον οφ αγριχυλτυρε το προϖιδε γροωινγ ποπυλα− τιονσ ωιτη ιµπροϖεδ διετσ ισ λικελψ το λεαδ το ωιδεσπρεαδ δεφορεστατιον, λοσσ οφ σπεχιεσ, σοιλ εροσιον ανδ πολλυτιον φροµ πεστιχιδεσ, ανδ ρυνο⇑ οφ φερτιλιζερ ασ φαρµινγ ιντενσι⇒εσ ανδ νεω λανδ ισ βρουγητ ιντο προδυχτιον. Ρεδυχινγ ορ µινιµιζινγ τηισ ενϖιρονµενταλ ιµπαχτ ισ ποσσιβλε βυτ χοστλψ. Γιϖεν σο µανψ υνχερταιντιεσ, τηε χουρσε οφ φυτυρε φοοδ πριχεσ ισ δι⇔χυλτ το χηαρτ. Ατ τηε ϖερψ λεαστ, τηε ρισινγ µαργιναλ χοστ οφ φοοδ προδυχτιον ωιλλ ενγενδερ στεεπερ πριχεσ ον τηε ιντερ− νατιοναλ µαρκετ τηαν ωουλδ βε τηε χασε ιφ τηερε ωερε νο ενϖιρονµενταλ χον− στραιντσ. Ωηετηερ τηεσε ηιγηερ χοστσ χαν ο⇑σετ τηε ηιστοριχαλ δεχλινε ιν φοοδ πριχεσ ρεµαινσ το βε σεεν. Αν υπωαρδ τρενδ ιν τηε πριχε οφ φοοδ σοµετιµε ιν τηε νεαρ φυτυρε ισ α διστινχτ ποσσιβιλιτψ. Συχη α ηικε ωιλλ βε µιτιγατεδ βψ τηε χοντινυεδ δεϖελοπµεντ ανδ αππλιχα− τιον οφ νεω τεχηνολογψ ανδ βψ τηε λικε− λψ ρεχοϖερψ οφ αγριχυλτυραλ προδυχτιον ανδ εξπορτσ ιν τηε φορµερ Σοϖιετ Υνιον, εαστερν Ευροπε ανδ Λατιν Αµεριχα. Αλσο, ανψ φυτυρε πριχε ινχρεασεσ χουλδ βε λεσσενεδ βψ τακινγ αδϖανταγε οφ τηε υνδερυτιλιζεδ αγριχυλτυραλ ρεσουρχεσ ιν Νορτη Αµεριχα, νοτεσ Περ Πινστρυπ−Αν− δερσεν οφ Χορνελλ Υνιϖερσιτψ ιν ηισ 1992 παπερ Γλοβαλ Περσπεχτιϖεσ φορ Φοοδ Προδυχτιον ανδ Χονσυµπτιον. Ρισινγ πριχεσ ωιλλ ηαϖε λιττλε ε⇑εχτ ον ηιγη−ιν− χοµε χουντριεσ ορ ον ηουσεηολδσ ποσ− σεσσινγ ρεασοναβλε πυρχηασινγ ποωερ, βυτ τηε ποορ ωιλλ συ⇑ερ. Ιν ρεαλιτψ, τηε φυτυρε οφ γλοβαλ φοοδ προδυχτιον ισ νειτηερ ασ γριµ ασ τηε πεσσιµιστσ βελιεϖε νορ ασ ροσψ ασ τηε οπ− 42 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 τιµιστσ χλαιµ. Τηε µοστ πλαυσιβλε ουτ− χοµε ισ τηατ διεταρψ ιντακε ωιλλ χρεεπ ηιγηερ ιν µοστ ρεγιονσ. Σιγνι⇒χαντ αν− νυαλ ⇓υχτυατιονσ ιν φοοδ αϖαιλαβιλιτψ ανδ πριχεσ αρε, οφ χουρσε, λικελψ; α ϖαρι− ετψ οφ φαχτορσ, ινχλυδινγ τηε ωεατηερ, τραδε ιντερρυπτιονσ ανδ τηε ϖυλνεραβιλι− τψ οφ µονοχροππινγ το πεστσ, χαν αλτερ φοοδ συππλψ ανψωηερε. Τηε εξπανσιον οφ αγριχυλτυρε ωιλλ βε αχηιεϖεδ βψ βοοστινγ χροπ ψιελδσ ανδ βψ υσινγ εξ− ιστινγ φαρµλανδ µορε ιντενσιϖελψ, ασ ωελλ ασ βψ βρινγινγ αραβλε λανδ ιντο χυλ− τιϖατιον ωηερε συχη αχτιον προϖεσ εχο− νοµιχαλ. Συχη εϖεντσ ωιλλ τρανσπιρε µορε σλοωλψ τηαν ιν τηε παστ, ηοωεϖερ, βεχαυσε οφ ενϖιρονµενταλ χονστραιντσ. Ιν αδδιτιον, τηε δεµανδ φορ φοοδ ιν τηε δεϖελοπεδ ωορλδ ισ αππροαχηινγ σατυρα− τιον λεϖελσ. Ιν τηε Υ.Σ., µουντινγ χον− χερνσ αβουτ ηεαλτη ηαϖε χαυσεδ τηε περ χαπιτα χονσυµπτιον οφ χαλοριεσ φροµ ανιµαλ προδυχτσ το δροπ. Σ τιλλ, προγρεσσ ωιλλ βε φαρ φροµ υνι− φορµ. Νυµερουσ χουντριεσ ωιλλ στρυγγλε το οϖερχοµε υνσατισφαχ− τορψ νυτριτιον λεϖελσ. Τηεσε χουντριεσ φαλλ ιντο τηρεε µαιν χατεγοριεσ. Σοµε λοω−ινχοµε χουντριεσ ηαϖε λιττλε ορ νο ρεσερϖεσ οφ φερτιλε λανδ ορ ωατερ. Τηε αβσενχε οφ αγριχυλτυραλ ρεσουρχεσ ισ ιν ιτσελφ νοτ αν ινσυρµουνταβλε προβλεµ, ασ ισ δεµονστρατεδ βψ ρεγιονσ, συχη ασ Ηονγ Κονγ ανδ Κυωαιτ, τηατ χαν πυρ− χηασε τηειρ φοοδ ον τηε ιντερνατιοναλ µαρκετ. Βυτ µανψ ποορ χουντριεσ, συχη ασ Βανγλαδεση, χαννοτ α⇑ορδ το βυψ φοοδ φροµ αβροαδ ανδ τηερεβψ χοµπεν− σατε φορ ινσυ⇔χιεντ νατυραλ ρεσουρχεσ. Τηεσε χουντριεσ ωιλλ προβαβλψ ρελψ µορε ον φοοδ αιδ ιν τηε φυτυρε. Λοω νυτριτιον λεϖελσ αρε αλσο φουνδ ιν µανψ χουντριεσ, συχη ασ Ζαιρε, τηατ δο ποσσεσσ λαργε ρεσερϖεσ οφ ποτεντιαλλψ χυλτιϖαβλε λανδ ανδ ωατερ. Γοϖερνµεντ νεγλεχτ οφ αγριχυλτυρε ανδ πολιχψ φαιλ− υρεσ ηαϖε τψπιχαλλψ χαυσεδ ποορ διετσ ιν συχη χουντριεσ. Α ρεχεντ Ωορλδ Βανκ ρεπορτ δεσχριβεσ τηε δαµαγινγ ε⇑εχτσ οφ διρεχτ ανδ ινδιρεχτ ταξατιον οφ αγρι− χυλτυρε, χοντρολσ πλαχεδ ον πριχεσ ανδ µαρκετ αχχεσσ, ανδ οϖερϖαλυεδ χυρρεν− χιεσ, ωηιχη δισχουραγε εξπορτσ ανδ εν− χουραγε ιµπορτσ. Ωηερε αγριχυλτυραλ προδυχτιον ηασ συ⇑ερεδ φροµ µισγυιδ− εδ γοϖερνµεντ ιντερϖεντιον (ασ ισ παρ− τιχυλαρλψ τηε χασε ιν Αφριχα ), τηε σολυ− τιον∇πολιχψ ρεφορµ∇ισ χλεαρ. Φοοδ αιδ ωιλλ βε νεεδεδ ασ ωελλ ιν αρ− εασ ριφε ωιτη πολιτιχαλ ινσταβιλιτψ ανδ χιϖιλ στριφε. Τηε µοστ δεϖαστατινγ φαµ− ινεσ οφ τηε παστ δεχαδε, κνοων το τελε− ϖισιον ϖιεωερσ αρουνδ τηε ωορλδ, ηαϖε οχχυρρεδ ιν ρεγιονσ ⇒γητινγ προλονγεδ χιϖιλ ωαρσ, συχη ασ Ετηιοπια, Σοµαλια ανδ τηε Συδαν. Ιν µανψ οφ τηεσε χασεσ, δρουγητ ωασ ινστρυµενταλ ιν στιρρινγ σοχιαλ ανδ πολιτιχαλ δισρυπτιον. Τηε αδ− διτιον οφ ϖιολεντ χον⇓ιχτ πρεϖεντεδ τηε ρεχυπερατιον οφ αγριχυλτυρε ανδ τηε δισ− τριβυτιον οφ φοοδ, τηυσ τυρνινγ βαδ βυτ ρεµεδιαβλε σιτυατιονσ ιντο δισαστερσ. Ιν− τερνατιοναλ µιλιταρψ ιντερϖεντιον, ασ ιν Σοµαλια, προϖιδεσ ονλψ α σηορτ−τερµ ρεµεδψ. Ιν τηε αβσενχε οφ σωεεπινγ πο− λιτιχαλ χοµπροµισε, ηυνγερ ανδ µαλνυ− τριτιον ωιλλ ρεµαιν ενδεµιχ ιν τηεσε ωαρ−τορν ρεγιονσ. Φεεδινγ α γροωινγ ωορλδ ποπυλατιον α διετ τηατ ιµπροϖεσ οϖερ τιµε ιν θυαλι− τψ ανδ θυαντιτψ ισ τεχηνολογιχαλλψ φεασι− βλε. Βυτ τηε εχονοµιχ ανδ ενϖιρονµεν− ταλ χοστσ ινχυρρεδ τηρουγη βολστερινγ φοοδ προδυχτιον µαψ ωελλ προϖε τοο γρεατ φορ µανψ ποορ χουντριεσ. Τηε χουρσε οφ εϖεντσ ωιλλ δεπενδ χρυχιαλλψ ον τηειρ γοϖερνµεντσ∏ αβιλιτψ το δεσιγν ανδ ενφορχε ε⇑εχτιϖε πολιχιεσ τηατ αδ− δρεσσ τηε χηαλλενγεσ ποσεδ βψ µουντ− ινγ ηυµαν νυµβερσ, ρισινγ ποϖερτψ ανδ ενϖιρονµενταλ δεγραδατιον. Ωηατ− εϖερ τηε ουτχοµε, τηε τασκ αηεαδ ωιλλ βε µαδε µορε δι⇔χυλτ ιφ ποπυλατιον γροωτη ρατεσ χαννοτ βε ρεδυχεδ. ΦΥΡΤΗΕΡ ΡΕΑ∆ΙΝΓ ΠΟςΕΡΤΨ ΑΝ∆ ΗΥΝΓΕΡ: ΙΣΣΥΕΣ ΑΝ∆ ΟΠ− ΤΙΟΝΣ ΦΟΡ ΦΟΟ∆ ΣΕΧΥΡΙΤΨ ΙΝ ∆ΕςΕΛΟΠ− ΙΝΓ ΧΟΥΝΤΡΙΕΣ. Ωορλδ Βανκ, 1986. ΕΝΕΡΓΨ, ΦΟΟ∆, ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤ: ΡΕΑΛΙ− ΤΙΕΣ, ΜΨΤΗΣ, ΟΠΤΙΟΝΣ. ςαχλαϖ Σµιλ. Χλαρενδον Πρεσσ, 1987. ΩΟΡΛ∆ ΑΓΡΙΧΥΛΤΥΡΕ: ΤΟΩΑΡ∆ 2000. Νικοσ Αλεξανδρατοσ. Νεω Ψορκ Υνιϖερ− σιτψ Πρεσσ, 1988. ΩΟΡΛ∆ ΡΕΣΟΥΡΧΕΣ 1992∠93. Ωορλδ Ρε− σουρχεσ Ινστιτυτε. Οξφορδ Υνιϖερσιτψ Πρεσσ, 1992. Copyright 1994 Scientific American, Inc. Τηε Εαρτη∏σ Μαντλε βελοω τηε Οχεανσ Samples collected from the ocean floor reveal how the mantle’s convective forces shape the earth’s surface, create its crust and perhaps even a›ect its rotation βψ Ενριχο Βοναττι Λ οοκινγ ατ α γλοβε, ονε χαν εασι− λψ ιµαγινε τηε χοντινεντσ ανδ οχεανσ ασ ετερναλ, υνχηανγινγ ασπεχτσ οφ τηε εαρτη∏σ συρφαχε. Γεοπηψσ− ιχιστσ νοω κνοω τηατ τηε αππεαρανχε οφ περµανενχε ισ αν ιλλυσιον χαυσεδ βψ τηε βρεϖιτψ οφ τηε ηυµαν λιφε σπαν. Οϖερ µιλλιονσ οφ ψεαρσ, βλοχκσ οφ τηε εαρτη∏σ ριγιδ ουτερ λαψερ, τηε λιτηοσπηερε, µοϖε αβουτ, διϖεργινγ ατ µιδοχεαν ριδγεσ, σλιδινγ αβουτ ατ φαυλτσ ανδ χολλιδινγ ατ τηε µαργινσ οφ σοµε οφ τηε οχεανσ. Τηοσε µοτιονσ χαυσε χοντινενταλ δριφτ ανδ δετερµινε τηε γλοβαλ διστριβυτιον οφ εαρτηθυακεσ ανδ ϖολχανοεσ. Αλτηουγη τηε τηεορψ οφ πλατε τεχτον− ιχσ ισ ωελλ εσταβλισηεδ, τηε ενγινε τηατ δριϖεσ τηε µοτιον οφ τηε λιτηοσπηεριχ πλατεσ χοντινυεσ το δεφψ εασψ αναλψσισ βεχαυσε ιτ ισ σο υττερλψ ηιδδεν φροµ ϖιεω. Το χονφροντ τηατ δι⇔χυλτψ, σεϖερ− αλ ινϖεστιγατορσ ανδ Ι ηαϖε φοχυσεδ ουρ ρεσεαρχη ον τηε µιδοχεαν ριδγεσ. Τηε ριδγεσ αρε µαϕορ, στρικινγ λοχατιονσ ωηερε τηε οχεαν ⇓οορ ισ ριππινγ απαρτ. Εξαµινατιον οφ τηε χοµποσιτιον, τοπογ− ραπηψ ανδ σεισµιχ στρυχτυρε οφ τηε ρε− γιον αλονγ τηε µιδοχεαν ριδγεσ ισ ψιελδ− ινγ ρεσυλτσ τηατ οφτεν ρυν χοντραρψ το χονϖεντιοναλ εξπεχτατιονσ. Μορε χοµ− πλιχατεδ ανδ φασχινατινγ τηαν ανψονε ηαδ αντιχιπατεδ, τηε χηεµιχαλ ανδ τηερ− µαλ προχεσσεσ ιν τηε µαντλε βελοω µιδ− οχεαν ριδγεσ διχτατε ηοω νεω οχεαν− ιχ χρυστ φορµσ. Μαντλε αχτιϖιτψ µαψ αλσο χαυσε δι⇑ερεντ τψπεσ οφ ισλανδσ το εµεργε ιν τηε µιδδλε οφ οχεανσ ανδ σοµε δεεπ τρενχηεσ το φορµ ατ τηειρ εδγεσ. Ιν φαχτ, τηεσε προχεσσεσ µαψ βε σο ποτεντ τηατ τηεψ µαψ εϖεν συβτλψ αφ− φεχτ τηε ροτατιον οφ τηε πλανετ. Τηε ιδεα τηατ τηε εαρτη ινχορπορατεσ α δψναµιχ ιντεριορ µαψ αχτυαλλψ ηαϖε ιτσ ροοτσ ιν τηε 17τη χεντυρψ. Ρεν ∆εσ− χαρτεσ, τηε γρεατ Φρενχη πηιλοσοπηερ, µαδε ονε οφ τηε ⇒ρστ αττεµπτσ το σπεχ− υλατε σχιεντι⇒χαλλψ αβουτ τηε εαρτη∏σ ιν− τεριορ. Ιν ηισ 1644 τρεατισε Πρινχιπλεσ οφ Πηιλοσοπηψ, ∆εσχαρτεσ ωροτε τηατ τηε εαρτη ηαδ α χεντραλ νυχλευσ µαδε οφ α πριµορδιαλ, συνλικε ⇓υιδ συρρουνδεδ βψ α σολιδ, οπαθυε λαψερ. Συχχεεδινγ χονχεντριχ λαψερσ οφ ροχκ, µεταλ, ωατερ ανδ αιρ µαδε υπ τηε ρεστ οφ τηε πλανετ. Γεοπηψσιχιστσ στιλλ συβσχριβε το τηε νοτιον οφ α λαψερεδ εαρτη, αλτηουγη τηειρ τηινκινγ ηασ εϖολϖεδ χονσιδεραβλψ σινχε τηε τιµε οφ ∆εσχαρτεσ. Ιν τηε χυρρεντ ϖιεω, τηε εαρτη ποσσεσσεσ α σολιδ ιννερ χορε ανδ α µολτεν ουτερ χορε. Βοτη χον− σιστ οφ ιρον−ριχη αλλοψσ. Τηε εαρτη∏σ χοµ− ποσιτιον χηανγεσ αβρυπτλψ αβουτ 2,900 κιλοµετερσ βελοω τηε συρφαχε, ωηερε τηε χορε γιϖεσ ωαψ το α µαντλε µαδε οφ σολ− ιδ µαγνεσιυµ−ιρον σιλιχατε µινεραλσ. Ανοτηερ σιγνι⇒χαντ δισχοντινυιτψ, λοχατ− DIRECTION OF RIFT CRUST ΕΝΡΙΧΟ ΒΟΝΑΤΤΙ ηολδσ δεγρεεσ ιν γε− ολογψ φροµ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Πισα ανδ τηε Σχυολα Νορµαλε Συπεριορε ιν Πισα. Αφ− τερ χοµινγ το τηε Υ.Σ. ιν 1959, ηε σπεντ σεϖεραλ ψεαρσ ασ α ρεσεαρχη σχιεντιστ ιν πετρολογψ ανδ µαρινε γεολογψ ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια∏σ Σχριππσ Ινστιτυ− τιον οφ Οχεανογραπηψ ανδ ασ α προφεσσορ ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Μιαµι∏σ Ροσενστιελ Σχηοολ οφ Μαρινε Σχιενχεσ. Σινχε 1975 ηε ηασ βεεν ωιτη Χολυµβια Υνιϖερσιτψ∏σ Λα− µοντ−∆οηερτψ Εαρτη Οβσερϖατορψ. Ρεχεντ− λψ ηε ηασ βεεν τεαχηινγ ανδ ρεσεαρχηινγ ιν ηισ νατιϖε χουντρψ. Ηε ηασ λεδ ορ παρ− τιχιπατεδ ιν εξπεδιτιονσ ιν αλλ τηε µαϕορ οχεανσ ανδ ιν σοµε ρεµοτε βυτ γεολογι− χαλλψ ιντριγυινγ λανδσ, µοστ ρεχεντλψ ιν τηε πολαρ Υραλ ρεγιον οφ Ρυσσια. 44 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 SOLID MANTLE DOWNWELLING MANTLE FLOW Copyright 1994 Scientific American, Inc. εδ 670 κιλοµετερσ βελοω τηε συρφαχε, µαρκσ τηε βουνδαρψ βετωεεν τηε υπ− περ ανδ λοωερ µαντλε (τηε λαττιχε στρυχ− τυρε οφ τηε µαντλε µινεραλσ χηανγεσ αχροσσ τηατ βουνδαρψ βεχαυσε οφ ηιγη πρεσσυρε). Αν αδδιτιοναλ µαϕορ τρανσι− τιον κνοων ασ τηε Μοηοροϖιχιχ δισχον− τινυιτψ, ορ Μοηο, σεπαρατεσ τηε δενσε µαντλε φροµ τηε χρυστ. Τηε Μοηο λιεσ 30 το 50 κιλοµετερσ βελοω τηε συρφαχε οφ τηε χοντινεντσ ανδ λεσσ τηαν 10 κιλο− µετερσ βελοω τηε σεα⇓οορ ιν τηε οχεαν βασινσ. Τηε λιτηοσπηερε, ωηιχη ινχλυδεσ τηε χρυστ ανδ τηε υππερ παρτ οφ τηε µαντλε, βεηαϖεσ λικε ριγιδ πλατεσ λψινγ αβοϖε α ηοττερ, µορε πλιαβλε λοωερ παρτ οφ τηε µαντλε χαλλεδ τηε αστηενοσπηερε. Τ ηισ ορδερεδ, λαψερεδ στρυχτυρε µιγητ σεεµ το ιµπλψ τηατ τηε εαρτη∏σ ιντεριορ ισ στατιχ. Ον τηε χοντραρψ, τηε δεεπ εαρτη ισ θυιτε δψ− ναµιχ. Τηερµαλ ενεργψ λεφτ οϖερ φροµ τηε τιµε οφ τηε εαρτη∏σ φορµατιον, αυγ− µεντεδ βψ ενεργψ ρελεασεδ τηρουγη τηε ραδιοαχτιϖε δεχαψ οφ ελεµεντσ συχη ασ υρανιυµ ανδ τηοριυµ, χηυρνσ τηε µα− τεριαλ ωιτηιν τηε εαρτη. Τηε ηεατ τραϖελσ αχροσσ τηε εαρτη∏σ ιννερ βουνδαριεσ ανδ σετσ ιντο µοτιον ηυγε χονϖεχτιον χυρ− ρεντσ τηατ χαρρψ ηοτ ρεγιονσ υπωαρδ ανδ χολδ ονεσ δοωνωαρδ. Τηεσε προ− χεσσεσ υλτιµατελψ χαυσε µανψ οφ τηε βροαδ γεολογιχ πηενοµενα ον τηε συρ− φαχε, ινχλυδινγ µουνταιν βυιλδινγ, ϖολ− χανισµ ανδ τηε µοτιονσ οφ χοντινεντσ. Αµονγ τηε ρεγιονσ ο⇑ερινγ τηε βεστ αχχεσσ το τηε εαρτη∏σ ινσιδεσ αρε µιδ− οχεαν ριδγεσ. Τηεσε ριδγεσ δισσεχτ αλλ τηε µαϕορ οχεανσ. Τηεψ αχτυαλλψ µακε υπ α σψστεµ τηατ ωινδσ αρουνδ τηε γλοβε λικε τηε σεαµσ οφ α βασεβαλλ, στρετχηινγ α τοταλ οφ µορε τηαν 60,000 κιλοµετερσ. Τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε ισ α παρτ οφ τηατ γλοβαλ ριδγε σψστεµ. Α ηυγε νορτη−σουτη σχαρ ιν τηε οχεαν ⇓οορ, ιτ φορµσ ασ τηε εαστερν ανδ ωεστερν παρτσ οφ τηε Ατλαντιχ µοϖε απαρτ ατ α σπεεδ οφ ρουγηλψ ονε χεντιµετερ περ ψεαρ. Ιν αδδιτιον το τηε φρεθυεντ εαρτηθυακεσ τηατ τακε πλαχε τηερε, τηε συµµιτ οφ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε σπεωσ ουτ ηοτ µαγµα δυρινγ φρεθυεντ ϖολχανιχ ερυπ− τιονσ. Τηε µαγµα χοολσ ανδ σολιδι⇒εσ, τηυσ φορµινγ νεω οχεανιχ χρυστ. Τηε ριδγε ισ ηιγηερ τηαν τηε ρεστ οφ τηε Ατ− λαντιχ βασιν. Ατ προγρεσσιϖελψ φαρτηερ διστανχεσ φροµ τηε ριδγε, τηε σεα⇓οορ δεεπενσ ωιτη ρεσπεχτ το σεα λεϖελ, πρε− συµαβλψ βεχαυσε τηε λιτηοσπηεριχ πλατε τηατ φορµσ τηε βοττοµ οφ τηε Ατλαντιχ χοντραχτσ ασ ιτ γραδυαλλψ χοολσ ωιτη αγε. Τηε µαγµα τηατ ρισεσ ατ τηε Μιδ−Ατ− λαντιχ Ριδγε οβϖιουσλψ οριγινατεσ ιν τηε υππερ µαντλε. Γεολογιστσ ηαϖε κνοων φορ ψεαρσ, ηοωεϖερ, τηατ τηε µατεριαλ τηατ συρφαχεσ ατ µιδοχεαν ριδγεσ διφ− φερσ χονσιδεραβλψ φροµ τηατ χοµποσινγ τηε µαντλε. Μαγµα ατ οχεαν ριδγεσ φορµσ α χοµµον κινδ οφ ροχκ κνοων ασ βασαλτ. Βυτ ρεσεαρχηερσ ηαϖε φουνδ τηατ σεισµιχ ωαϖεσ τραϖελ τηρουγη τηε υππερ µαντλε ατ α ρατε οφ µορε τηαν ειγητ κιλοµετερσ περ σεχονδ, φαρ φαστερ τηαν τηεψ ωουλδ πασσ τηρουγη βασαλτ. Τηε ονλψ µατεριαλ τηατ χουλδ ποσσιβλψ αλλοω συχη α ηιγη ϖελοχιτψ οφ σουνδ ισ α τψπε οφ δενσε, δαρκ−γρεεν ροχκ χαλλεδ περιδοτιτε. Περιδοτιτε χονσιστσ µοστλψ οφ τηρεε σιλιχον−βασεδ µινεραλσ: ολιϖινε, α δενσε σιλιχατε χονταινινγ µαγνεσιυµ ανδ ιρον; ορτηοπψροξενε, α σιµιλαρ βυτ λεσσ δενσε µινεραλ; ανδ χλινοπψροξενε, ωηιχη ινχορπορατεσ σοµε αλυµινυµ ΒΙΡΤΗ ΟΦ ΤΗΕ ΑΤΛΑΝΤΙΧ 100 µιλλιον ψεαρσ αγο µαψ ηαϖε βεεν α⇑εχτ− εδ βψ χονϖεχτιϖε προχεσσεσ ιν τηε µαντλε. Τηε λιτηοσπηερε ιν τηε εθυα− τοριαλ ζονε µαψ ηαϖε ρεστεδ αβοϖε δοωνωελλινγ µαντλε. Βεινγ χοολερ ανδ τηιχκερ τηαν αϖεραγε, τηε ζονε ωουλδ ηαϖε ρεσιστεδ τηε προπαγα− τιον οφ τηε οχεανιχ ριφτ. Τηε σλυγγιση οπενινγ ωουλδ ηαϖε χρεατεδ τηε λαργε φραχτυρε ζονεσ τηατ ο⇑σετ σηορτ σεγµεντσ οφ τηε ριφτ ανδ δε⇒νε τηε Ατλαντιχ χοαστλινεσ οφ Σουτη Αµεριχα ανδ Αφριχα. DENSE EQUATORIAL BELT A RIC AF ES ON Z RE TU AC FR ICA TH R ME A U SO LITHOSPHERE DOWNWELLING MANTLE FLOW Copyright 1994 Scientific American, Inc. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 45 AIR STONY CRUST GAS SUNLIKE MATTER WATER METALLIC CRUST DENSE MATTER CRUST UPPER MANTLE LOWER MANTLE OXIDES AND SILICATES OUTER CORE TRANSITION ZONES INNER CORE IRON ALLOY SOLID LIQUID SOLID DEPTH (KILOMETERS) 6,371 5,150 2,890 670 0 ΕΑΡΤΗ∏Σ ΙΝΤΕΡΙΟΡ ωασ ιµαγινεδ βψ τηε Φρενχη πηιλοσοπηερ Ρεν ∆εσχαρτεσ ιν τηε 17τη χεντυρψ (τοπ ). Ηε ϖιεωεδ τηε εαρτη ασ ηαϖινγ α νυχλευσ µαδε οφ α ηοτ, συνλικε ⇓υιδ χοϖερεδ βψ α δενσε, οπαθυε σολιδ. Συχχεεδινγ λαψερσ χονσιστεδ οφ µεταλ, ωα− τερ, γασ, στονε ανδ αιρ. Ιν τηε µοδερν ϖιεω (βοττοµ ), α σολιδ ιννερ χορε ισ χλοακεδ βψ α µολτεν ουτερ χορε; βοτη αρε µαδε οφ ιρον αλλοψ. Τηε µαντλε ισ χοµποσεδ µοστ− λψ οφ σολιδ σιλιχατεσ ανδ οξιδεσ οφ ιρον ανδ µαγνεσιυµ. ανδ µορε τηαν 20 περχεντ χαλχιυµ. Πε− ριδοτιτεσ αλσο ηαϖε σµαλλ θυαντιτιεσ οφ σπινελ, αν οξιδε οφ χηροµιυµ, αλυµι− νυµ, µαγνεσιυµ ανδ ιρον. Ηοω χαν βασαλτιχ µαγµα βε προ− δυχεδ φροµ α µαντλε µαδε οφ περιδο− τιτε? Μορε τηαν 20 ψεαρσ αγο εξπερι− µενταλ πετρολογιστσ συχη ασ Αλφρεδ Ε. Ρινγωοοδ ανδ ∆αϖιδ Η. Γρεεν ανδ τηειρ χολλεαγυεσ ατ τηε Αυστραλιαν Νατιοναλ Υνιϖερσιτψ εξποσεδ σαµπλεσ οφ περιδο− τιτε το ελεϖατεδ τεµπερατυρεσ (1,200 το 1,300 δεγρεεσ Χελσιυσ) ανδ ηιγη πρεσ− συρεσ (µορε τηαν 10,000 ατµοσπηερεσ). Τηεσε ϖαλυεσ δυπλιχατε τηε τεµπερατυρε ανδ πρεσσυρε τηατ εξιστ ιν τηε συβοχεαν− ιχ υππερ µαντλε ρουγηλψ 100 κιλοµε− τερσ βελοω τηε σεα⇓οορ. Τηε ωορκερσ σηοωεδ τηατ γραδυαλ δεχοµπρεσσιον οφ περιδοτιτε ατ τηοσε ηιγη τεµπερατυρεσ µελτσ υπ το 25 περχεντ οφ τηε ροχκ. Τηε µελτ ηαδ α βασαλτιχ χοµποσιτιον σιµιλαρ το τηατ οφ µελτσ ιν µιδοχεαν ριδγεσ. 46 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Τηεσε εξπεριµενταλ ρεσυλτσ συππορτ τηε ϖιεω τηατ ηοτ, περιδοτιτιχ µατεριαλ ρισεσ υνδερ τηε µιδοχεαν ριδγεσ φροµ δεπτησ εξχεεδινγ 100 κιλοµετερσ βελοω τηε σεα⇓οορ. Ασ ιτ µοϖεσ υπωαρδ, τηε µαντλε περιδοτιτε δεχοµπρεσσεσ ανδ παρτιαλλψ µελτσ. Τηε µελτεδ παρτ τακεσ ον τηε χοµποσιτιον οφ α βασαλτιχ µαγ− µα ανδ σεπαρατεσ φροµ τηε περιοδοτιτε τηατ διδ νοτ µελτ. Ιτ ρισεσ ραπιδλψ το− ωαρδ τηε συρφαχε. Παρτ οφ τηε µελτ ερυπτσ ον τηε σεα⇓οορ αλονγ τηε χρεστ οφ τηε µιδοχεαν ριδγε, ωηερε ιτ χοολσ ανδ σο− λιδι⇒εσ ανδ αδδσ το τηε ριδγε χρεστ. Τηε ρεµαινδερ χοολσ ανδ σολιδι⇒εσ σλοωλψ βελοω τηε συρφαχε, γιϖινγ ρισε το νεω οχεανιχ χρυστ. Ιφ τηε µοδελ ουτλινεδ αβοϖε ηαπ− πενεδ αλλ αλονγ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε, τηε συµµιτ οφ τηε ριδγε ωουλδ ρουγηλψ βε ατ τηε σαµε δεπτη βελοω σεα λεϖελ αλονγ ιτσ λενγτη. Τηισ δεπτη ωουλδ µαρκ αν εθυιλιβριυµ λεϖελ δετερµινεδ βψ τηε τεµπερατυρε ανδ ινιτιαλ χοµποσιτιον οφ τηε υππερ µαντλε βελοω τηε ριδγε. Ιν τηε ρεαλ ωορλδ συχη χονσιστενχψ ισ ηιγηλψ υνλικελψ. Σµαλλ ϖαριατιονσ ιν µαν− τλε τεµπερατυρε αλονγ τηε ριδγε ωουλδ χαυσε τηε συµµιτ το σεττλε ατ ϖαρψινγ ελεϖατιονσ. Ρεγιονσ οφ συβοχεανιχ µαν− τλε ωηερε τεµπερατυρεσ αρε ηιγηερ ηαϖε λοωερ δενσιτιεσ. Ασ α ρεσυλτ, τηε ριδγε συµµιτσ τηερε ωιλλ βε ηιγηερ. Ιν αδδι− τιον, α ηοττερ µαντλε ωουλδ µελτ µορε ανδ προδυχε α τηιχκερ βασαλτιχ χρυστ. Τηε συµµιτ οφ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε σηοωσ ϕυστ συχη ϖαριατιονσ ιν δεπτη βε− λοω σεα λεϖελ. Φορ ινστανχε, αλονγ τηε ριδγε βετωεεν αβουτ 35 ανδ 45 δεγρεεσ νορτη λατιτυδε λιεσ αν αρεα οφ αβνορµαλ− λψ ηιγη τοπογραπηψ. Εαρτη−ορβιτινγ σατ− ελλιτεσ ηαϖε δετεχτεδ ιν τηε σαµε ρεγιον αν υπωαρδ σωελλ ιν τηε λεϖελ οφ τηε γε− οιδ (τηε εθυιλιβριυµ λεϖελ οφ τηε εαρτη∏σ συρφαχε, ρουγηλψ εθυιϖαλεντ το τηε αϖερ− αγε σεα λεϖελ ). Ρεσεαρχηερσ γενεραλλψ αττριβυτε τηισ σωελλ το τηε ιν⇓υενχε οφ α σο−χαλλεδ ηοτ σποτ χεντερεδ ον τηε Αζορεσ ισλανδ γρουπ. Ηοτ σποτσ αρε ζονεσ τηατ ηαϖε ηιγη τοπογραπηψ ανδ εξχεσσ ϖολχανισµ. Τηεψ αρε γενεραλλψ ασχριβεδ το υνυσυαλ− λψ ηιγη µαντλε τεµπερατυρεσ. Μοστ οχεανιχ ισλανδσ, ινχλυδινγ τηε Ηαωαιιαν Ισλανδσ ανδ Ιχελανδ, αρε τηουγητ το βε τηε συρφαχε εξπρεσσιονσ οφ ηοτ σποτσ. Τηε σουρχε οφ τηε ηεατ ισ τηουγητ το λιε ιν τηε βουνδαρψ ζονεσ δεεπ ινσιδε τηε εαρτη, εϖεν ασ δεεπ ασ τηε χορε−µαντλε βουνδαρψ [σεε Τηε Χορε−Μαντλε Βουνδ− αρψ, βψ Ραψµονδ ϑεανλοζ ανδ Τηορνε Λαψ; ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, Μαψ 1993]. Μ ψ χολλεαγυεσ ανδ Ι σετ ουτ το τεστ τηατ τηεορψ βψ εξπλορινγ ηοω τηε τοπογραπηψ αλονγ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε ρελατεσ το τηε τεµ− περατυρε, στρυχτυρε ανδ χοµποσιτιον οφ τηε υνδερλψινγ µαντλε. Ονε ωαψ το χολ− λεχτ συχη ινφορµατιον ισ το εξαµινε τηε ϖελοχιτιεσ οφ σεισµιχ ωαϖεσ πασσινγ τηρουγη τηε µαντλε υνδερ τηε ριδγε. Ανοτηερ αππροαχη ινϖολϖεσ σεαρχηινγ φορ λοχαλ ϖαριατιονσ ιν τηε χηεµιστρψ οφ βασαλτσ τηατ ερυπτεδ αλονγ τηε αξισ οφ τηε ριδγε. Τηοσε ϖαριατιονσ χαν βε υσεδ το ινφερ τηε εξτεντ οφ µελτινγ ανδ τηε πηψσιχαλ νατυρε οφ τηε µαντλε σουρχε φροµ ωηιχη τηεψ δεριϖεδ. Ι φολλοωεδ α τηιρδ αππροαχη. Ι αττεµπτ− εδ το χολλεχτ ροχκ σαµπλεσ οφ µαντλε περιδοτιτε. Σοµε περιδοτιτε ισ λεφτ ασ α σολιδ ρεσιδυε αφτερ τηε βασαλτιχ µαγµα χοµπονεντ µελτσ ουτ οφ τηε υππερ µαντλε ροχκσ. Μαντλε ροχκσ νορµαλλψ λιε βυριεδ υνδερ σεϖεραλ κιλοµετερσ οφ οχεαν χρυστ, βυτ ιν σοµε χασεσ βλοχκσ οφ υππερ µαντλε περιδοτιτε αρε αχχεσσι− βλε. Τηεψ αρε τψπιχαλλψ φουνδ ωηερε τηε αξισ οφ τηε µιδοχεαν ριδγε ισ ο⇑σετ λατ− εραλλψ βψ τρανσφορµ φαυλτσ ορ ωηερε τηε Copyright 1994 Scientific American, Inc. µαντλε ροχκσ ηαϖε βεεν τρανσπορτεδ χλοσε το τηε σεα⇓οορ, σο τηατ τηεψ χαν βε σαµπλεδ βψ δριλλινγ ορ δρεδγινγ ορ ρετριεϖεδ διρεχτλψ τηρουγη τηε υσε οφ α συβµερσιβλε. Ιν 1989, δυρινγ α µοστλψ Φρενχη εξ− πεδιτιον οργανιζεδ βψ ϑεαν−Μαριε Αυ− ζενδε οφ τηε οχεανογραπηιχ ινστιτυτιον ΙΦΡΕΜΕΡ ιν Πλουζαν, Φρανχε, ωε υσεδ α σµαλλ συβµερσιβλε το γατηερ σαµπλεσ οφ α σεχτιον οφ υππερ µαντλε ατ τηε ςεµα τρανσφορµ ζονε ιν τηε Ατλαντιχ, 10 δεγρεεσ νορτη οφ τηε εθυατορ. Ηερε α τρανσφορµ φαυλτ, χυττινγ α δεεπ ϖαλλεψ τηρουγη τηε οχεανιχ χρυστ, ο⇑σετσ τηε αξισ οφ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε βψ αβουτ 320 κιλοµετερσ. Ωε πλαννεδ το δεσχενδ το τηε σεα⇓οορ∇µορε τηαν ⇒ϖε κιλοµε− τερσ δοων∇ιν τηε συβµερσιβλε Ναυτιλε το εξπλορε τηε ωαλλσ οφ τηατ τρανσφορµ ϖαλλεψ. Ωε ηοπεδ το ⇒νδ αν εξποσεδ, πριστινε σεχτιον οφ µαντλε ανδ χρυστ. Μοστ οφ ουρ χολλεαγυεσ ϖιεωεδ ουρ τασκ ωιτη σκεπτιχισµ: τηε πρεϖαλεντ οπινιον ωασ τηατ τηε νορµαλ σεθυενχε οφ υππερ µαντλε ανδ χρυστ ισ χοµπλετελψ δισρυπτ− εδ νεαρ α τρανσφορµ φαυλτ. Νεϖερτηελεσσ, ωε πρεσσεδ ον. Ωε βε− γαν α σεριεσ οφ διϖεσ τηατ σταρτεδ ατ τηε βασε οφ τηε τρανσφορµ ϖαλλεψ ωαλλ ανδ µοϖεδ υπ τηε σλοπε. Εαχη διϖε λαστεδ αβουτ 12 ηουρσ, αβουτ ηαλφ οφ ωηιχη ωασ σπεντ δεσχενδινγ το τηε σεα⇓οορ ανδ ρετυρνινγ το τηε συρφαχε. Τηε χραµπεδ θυαρτερσ οφ τηε Ναυτιλε αχχοµµοδατε τωο πιλοτσ ανδ ονε σχιεντιστ, ωηο λιεσ φαχε δοων φορ τηε δυρατιον οφ τηε τριπ. Ον ουρ ⇒ρστ διϖε ωε ϖερι⇒εδ τηατ τηε βασε οφ τηε σεχτιον χονσιστσ οφ µαντλε περιδοτιτε. Ον τηε σεχονδ δαψ ωε δισ− χοϖερεδ α λαψερ οφ γαββροσ∇ροχκσ τηατ φορµ βελοω τηε σεα⇓οορ ωηεν βασαλτιχ µελτσ χοολ σλοωλψ∇ρεστινγ αβοϖε τηε περιδοτιτε. Αχχορδινγ το ωιδελψ αχχεπτ− εδ γεοπηψσιχαλ µοδελσ, γαββροσ αρε τηε µαιν χοµπονεντ οφ τηε λοωερ παρτ οφ τηε οχεανιχ χρυστ. Τηε νεξτ δαψ Ι τοοκ τηε Ναυτιλε ον α διϖε τηατ σταρτεδ φροµ τηε λεϖελ ρεαχηεδ βψ τηε συβµερσιβλε τηε πρεϖιουσ δαψ. Ασ Ι προγρεσσεδ αλονγ τηε σλοπε, σκιµµινγ τηε σεα⇓οορ, α σπεχταχυλαρ ροχκ φορµα− τιον χαλλεδ α δικε χοµπλεξ γραδυαλλψ ρε− ϖεαλεδ ιτσελφ το µψ εψεσ. Τηεορψ ηολδσ τηατ δικε χοµπλεξεσ φορµ ωηερε ηοτ µολτεν µατεριαλ φροµ τηε µαντλε σθυιρτσ υπωαρδ τοωαρδ τηε σεα⇓οορ τηρουγη µανψ ναρροω ⇒σσυρεσ ιν τηε χρυστ. Νεϖ− ερ βεφορε ηαδ α δικε χοµπλεξ βεεν οβ− σερϖεδ ον τηε σεα⇓οορ. Τηε δικε χοµπλεξ, αβουτ ονε κιλοµε− τερ τηιχκ, ωασ τοππεδ βψ α λαψερ οφ πιλ− λοω βασαλτ, τηε φορµ τακεν βψ βασαλτιχ µαγµα ωηεν ιτ χοολσ ανδ σολιδι⇒εσ ραπ− ιδλψ ον ερυπτιον το τηε σεα⇓οορ. ∆υρινγ τηε νεξτ σεϖεραλ δαψσ, ωε εξπλορεδ α δι⇑ερεντ σεχτιον ανδ χον⇒ρµεδ ουρ πρεϖιουσ ⇒νδινγσ. Ωε ωερε θυιτε εξχιτ− Copyright 1994 Scientific American, Inc. εδ βεχαυσε νο ονε ηαδ εϖερ βεφορε οβ− σερϖεδ α χοµπλετε ανδ ρελατιϖελψ υνδισ− τυρβεδ σεχτιον οφ οχεανιχ υππερ µαντλε ανδ χρυστ. Ωε ιµµεδιατελψ δοχυµεντ− εδ ουρ δισχοϖερψ ιν α σηορτ παπερ τηατ ωε µαιλεδ το Νατυρε ασ σοον ασ ωε δοχκεδ α φεω ωεεκσ λατερ. ∆υρινγ τηε διϖεσ, ωε ηαδ υσεδ τηε Ναυτιλε∏σ µεχηανιχαλ αρµ το γραβ α νυµβερ οφ σαµπλεσ οφ µαντλε περιδο− τιτε. Τηοσε σαµπλεσ, αλονγ ωιτη µανψ οτηερσ Ι ανδ οτηερ ρεσεαρχηερσ χολλεχτεδ αλονγ τηε ριδγε, εναβλεδ υσ το σεαρχη φορ ρεγιοναλ ηετερογενειτιεσ ιν τηε χηεµιστρψ οφ τηε υππερ µαντλε. Το αναλψζε τηε µαντλε µινεραλσ ιν τηε Ατλαντιχ περιδοτιτε σαµπλεσ, µψ χολ− λεαγυεσ Πετερ ϑ. Μιχηαελ ανδ Μονιθυε Σεψλερ, τηεν ατ τηε Λαµοντ−∆οηερτψ Γεο− λογιχαλ Οβσερϖατορψ, ανδ Ι υσεδ αν ελεχ− τρον µιχροπροβε. Τηισ ινστρυµεντ φο− χυσεσ α βεαµ οφ ελεχτρονσ ονλψ α φεω µι− χρονσ ιν διαµετερ οντο α σλιχε οφ ροχκ. Ιν ρεσπονσε, τηε µινεραλ εµιτσ ξ−ραψσ οφ χηαραχτεριστιχ ωαϖελενγτησ. Αν αναλ− ψσισ οφ τηε ωαϖελενγτησ ανδ ιντενσιτιεσ οφ τηεσε ξ−ραψσ αλλοωσ α δετερµινατιον οφ τηε χηεµιχαλ χοµποσιτιον οφ τηε µιν− εραλ. Χολλαβορατινγ ωιτη Νοβυµιχηι Σηι− µιζυ οφ τηε Ωοοδσ Ηολε Οχεανογραπη− ιχ Ινστιτυτιον, ωε αλσο υσεδ α δι⇑ερεντ ινστρυµεντ∇αν ιον µιχροπροβε∇το δε− τερµινε τηε χονχεντρατιον οφ τραχε ελε− µεντσ συχη ασ τιτανιυµ, ζιρχονιυµ ανδ ραρε−εαρτη ελεµεντσ. Τηε ιον προβε φο− χυσεσ α βεαµ οφ ιονσ οντο α σαµπλε, ωηιχη δισλοδγεσ οτηερ ιονσ ιν τηε σαµ− πλε φορ µεασυρεµεντ. Τηε µετηοδ εν− αβλεδ υσ το δετερµινε τηε χονχεντρα− τιονσ οφ τραχε ελεµεντσ δοων το α φεω παρτσ περ βιλλιον. Συχη αναλψσεσ ρεϖεαλ µυχη αβουτ τηε ICELAND HOT-SPOT AREA EUROPE MID-ATLANTIC RIDGE AZORES HOT-SPOT AREA AFRICA SOUTH AMERICA ΣΑΤΕΛΛΙΤΕ ΜΑΠ οφ τηε Νορτη Ατλαντιχ ρεϖεαλσ τηε τοπογραπηψ οφ τηε σεα⇓οορ. Τηε σατελλιτε υσεδ ραδαρ το µεασυρε ϖαριατιονσ ιν σεα λεϖελ, ωηιχη χορρελατε ωιτη τηε βυµπσ ανδ δεπρεσσιονσ υνδερωατερ. Τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε ισ χλεαρλψ ϖισιβλε. Τηε ριδγε σωελλσ ιντο βροαδ πλατφορµσ αβοϖε τηε ηοτ σποτσ ασσοχιατεδ ωιτη Ιχελανδ ανδ τηε Αζορεσ. Α λαργε φραχτυρε ζονε βρεακσ τηε ριδγε βετωεεν τηε ηοτ σποτσ. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 47 48 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 χερταιν µινεραλ παιρσ τηατ χοεξιστ ιν εθυιλιβριυµ ιν τηε µαντλε υνδεργο τεµ− περατυρε−δεπενδεντ χηεµιχαλ ρεαχτιονσ. Φορ ινστανχε, τηε ορτηοπψροξενε ανδ χλινοπψροξενε ιν α µαντλε περιδοτιτε ρεαχτ ωιτη εαχη οτηερ υντιλ τηεψ ρεαχη αν εθυιλιβριυµ χοµποσιτιον τηατ δε− πενδσ ον τεµπερατυρε. Λαβορατορψ εξ− περιµεντσ ηαϖε χαλιβρατεδ τηατ ρελατιον. Τηυσ, δετερµινινγ τηε χοµποσιτιον οφ τηε χοεξιστινγ µινεραλ παιρ χαν ινδιχατε τηε τεµπερατυρε ατ ωηιχη τηε µεµβερσ οφ τηε παιρ ρεαχηεδ εθυιλιβριυµ. Ι αππλιεδ τωο γεοτηερµοµετερσ, ονε δεϖισεδ βψ ∆οναλδ Η. Λινδσλεψ οφ τηε Στατε Υνιϖερσιτψ οφ Νεω Ψορκ ατ Στονψ Βροοκ ανδ τηε οτηερ βψ Πετερ Ρ. Α. Ωελλσ οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Οξφορδ, το τηε Μιδ− Ατλαντιχ Ριδγε περιδοτιτεσ. Τηε ρεσυλτσ ωερε συρπρισινγ. Τηεψ διδ νοτ σηοω ηιγηερ τεµπερατυρεσ ιν τηε ηοτ−σποτ ρε− γιον; ιφ ανψτηινγ, τηε ρεγιον γιϖεσ τεµ− περατυρεσ τηατ αρε σλιγητλψ λοωερ. Ω ηψ διδ ωε νοτ ⇒νδ ηιγηερ µαν− τλε τεµπερατυρεσ φορ α ρεγιον τηατ δισπλαψσ ηιγη µελτινγ? Ονε ποσσιβιλιτψ ισ τηατ τηε υππερ µαντλε τηερε ηασ α χοµποσιτιον τηατ χαυσεσ ιτ το µελτ µορε εασιλψ. Ωατερ χουλδ βε τηε µαιν φαχτορ. Εξπεριµεντσ βψ Πετερ ϑ. Ωψλλιε οφ τηε Χαλιφορνια Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ, Ικυο Κυσηιρο οφ τηε Υνιϖερ− σιτψ οφ Τοκψο ανδ τηε Χαρνεγιε Ινστιτυ− τιον οφ Ωασηινγτον, ανδ σεϖεραλ οτηερσ ηαϖε δεµονστρατεδ τηατ τραχε αµουντσ οφ ωατερ ανδ οτηερ ϖολατιλε ελεµεντσ ιν περιδοτιτε δραστιχαλλψ δεχρεασε ιτσ µελτ− ινγ τεµπερατυρε. Σο, ιφ συχη α ωετ µαντλε υπωελλεδ υνδερ α στρετχη οφ µιδ− οχεαν ριδγε, ιτ ωουλδ σταρτ µελτινγ µορε δεεπλψ ιν τηε εαρτη τηαν νορµαλ, δρψ µαντλε ωουλδ. Βψ τηε τιµε τηε περιδο− τιτε ρεαχηεδ τηε συρφαχε, ιτ ωουλδ ηαϖε υνδεργονε α δεγρεε οφ µελτινγ σιγνι⇒− χαντλψ γρεατερ τηαν τηατ οφ δρψ µαντλε υνδερ σιµιλαρ τεµπερατυρεσ. Ισ τηερε ανψ εϖιδενχε τηατ τηε υππερ µαντλε βελοω τηε Αζορεσ ηοτ−σποτ αρεα ισ ωεττερ τηαν τηε µαντλε ελσεωηερε βελοω τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε? Ινδεεδ τηερε ισ. Α φεω ψεαρσ αγο ϑεαν−Γυψ Ε. Σχηιλλινγ ανδ ηισ χο−ωορκερσ ατ τηε Υνι− ϖερσιτψ οφ Ρηοδε Ισλανδ ρεπορτεδ τηατ βασαλτσ φροµ τηε σεγµεντ οφ τηε ηοτ σποτ σιτυατεδ βετωεεν 35 ανδ 45 δε− γρεεσ νορτη λατιτυδε χονταιν τηρεε το φουρ τιµεσ µορε ωατερ τηαν δο νορµαλ µιδοχεαν ριδγε βασαλτσ. Τηε βασαλτσ αλσο ηαϖε αβνορµαλλψ ηιγη χονχεντρα− τιονσ οφ οτηερ ϖολατιλε ελεµεντσ συχη ασ χηλορινε ανδ βροµινε. Μορεοϖερ, Σχηιλ− λινγ φουνδ τηατ τηε βασαλτσ φροµ τηε ηοτ−σποτ ριδγε σεγµεντ χονταιν α µυχη γρεατερ αβυνδανχε οφ σεϖεραλ χηεµιχαλ ελεµεντσ (µοστλψ λιγητ ραρε−εαρτη ελε− µεντσ) τηαν δο τηε νορµαλ µιδοχεαν ριδγε βασαλτσ. Τηε ανοµαλουσλψ ηιγη χονχεντρατιον οφ τηοσε ελεµεντσ µεανσ τηατ τηε παρεντ µαντλε ιν τηε ηοτ−σποτ 2,000 METERS BELOW SEA LEVEL χονδιτιονσ ιν τηε µαντλε ωηερε τηε σαµπλε ροχκσ φορµεδ, βεχαυσε τηε τεµ− περατυρεσ ανδ πρεσσυρεσ τηερε προδυχε διστινχτ χοµποσιτιονσ ιν τηε περιδοτιτεσ. Πετρολογιστσ, ινχλυδινγ Γρεεν ανδ Α. Λψντον ϑαθυεσ οφ τηε Αυστραλιαν Γεολογ− ιχαλ Συρϖεψ Οργανιζατιον, ηαϖε σηοων τηατ παρτιαλ µελτινγ µοδι⇒εσ τηε ρελα− τιϖε αβυνδανχεσ οφ τηε οριγιναλ µινερ− αλσ ιν τηε περιδοτιτε. Σοµε µινεραλσ, συχη ασ χλινοπψροξενε, µελτ µορε εασι− λψ τηαν δο οτηερσ ανδ ηενχε ραπιδλψ δε− χρεασε ιν αβυνδανχε δυρινγ τηε µελτ− ινγ. Μορεοϖερ, τηε παρτιαλ µελτινγ προ− χεσσ χηανγεσ τηε χοµποσιτιον οφ τηε οριγιναλ µινεραλσ: χερταιν ελεµεντσ ιν τηεµ, συχη ασ αλυµινυµ ανδ ιρον, τενδ το φολλοω τηε µελτ. Τηειρ χονχεντρατιον ιν τηε µινεραλσ δεχρεασεσ ασ µελτινγ προχεεδσ. Οτηερ ελεµεντσ, συχη ασ µαγ− νεσιυµ ανδ χηροµιυµ, τενδ το σταψ βε− ηινδ, σο τηατ τηε σολιδ ρεσιδυε βεχοµεσ ενριχηεδ ωιτη τηεµ. Τηυσ, ασ α ρεσυλτ οφ παρτιαλ µελτινγ, ολιϖινε (α σιλιχατε οφ ιρον ανδ µαγνεσιυµ) βεχοµεσ µορε µαγνεσιυµ−ριχη ανδ ιρον−ποορ; ορτηο− πψροξενε ανδ χλινοπψροξενε λοσε σοµε οφ τηειρ αλυµινυµ; τηε ρατιο οφ χηροµι− υµ το αλυµινυµ ιν σπινελ ινχρεασεσ; ανδ σο ον. Ουρ δατα σηοωεδ τηατ συβσταντιαλ ρε− γιοναλ ϖαριατιονσ εξιστ ιν τηε χοµποσι− τιον οφ τηε µαντλε. Φορ ινστανχε, τηε χηροµιυµ−το−αλυµινυµ ρατιο οφ σπινελ ισ ηιγηεστ ιν περιδοτιτεσ σαµπλεδ φροµ α βροαδ αρεα βετωεεν αβουτ 35 δεγρεεσ ανδ 45 δεγρεεσ νορτη λατιτυδε. Τηε ρα− τιο συγγεστσ τηατ τηε δεγρεε οφ µελτινγ οφ τηε υππερ µαντλε λψινγ βελοω τηισ ρε− γιον µαψ ρεαχη ασ ηιγη ασ 25 περχεντ. Ιν µοστ παρτσ, αβουτ 10 το 20 περχεντ οφ τηε µαντλε µελτσ δυρινγ τηε τριπ υπ− ωαρδ. Τηισ αρεα οφ αβοϖε−αϖεραγε µελτ− ινγ χορρεσπονδσ το τηε Αζορεσ ηοτ−σποτ ρεγιον, λενδινγ χρεδιβιλιτψ το τηε τηεορψ τηατ ηοτ σποτσ ρεσυλτ φροµ υνυσυαλλψ ηοτ µαντλε πλυµεσ υπωελλινγ δεεπ ωιτηιν τηε εαρτη. Οτηερ ⇒νδινγσ συππορτ τηατ ιδεα, ινχλυδινγ ωορκ βψ Ηενρψ ϑ. Β. ∆ιχκ οφ Ωοοδσ Ηολε, ωηο αλσο στυδιεδ οχεαν− ιχ περιδοτιτεσ, ανδ βψ Εµιλψ Μ. Κλειν ωορκινγ ωιτη Χηαρλεσ Η. Λανγµυιρ οφ Λαµοντ−∆οηερτψ, ωηο ινδεπενδεντλψ εξ− αµινεδ τηε χηεµιστρψ οφ βασαλτσ αλονγ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε. Χλεαρλψ, α ηοτ σποτ ωουλδ σεεµ το βε τηε χαυσε οφ σο µυχη µελτινγ. Ιν φαχτ, ασσυµινγ τηατ τεµπερατυρε αλονε χαυσ− εσ τηε µελτινγ ιν τηε Αζορεσ ηοτ−σποτ ρεγιον, ωε χαλχυλατεδ τηατ τηε ηοτ−σποτ µαντλε ωουλδ νεεδ το βε αβουτ 200 δε− γρεεσ Χ ωαρµερ τηαν τηε µαντλε φροµ ελσεωηερε βελοω τηε ριδγε. Ισ τηερε α ωαψ οφ τεστινγ τηε ϖαλιδιτψ οφ τηισ τεµπερατυρε εστιµατε ανδ ιτσ υνδερλψινγ ασσυµπτιον? Α νυµβερ οφ γεοτηερµοµετερσ ηαϖε βεεν προποσεδ. Τηεψ αρε βασεδ ον τηε οβσερϖατιον τηατ 3,000 NAUTILE (NOT TO SCALE) 4,000 5,000 PERIDOTITE ΕΞΠΛΟΡΑΤΙΟΝ ΟΦ ΤΗΕ ΣΕΑΦΛΟΟΡ βψ τηε Ναυτιλε οχχυρρεδ ατ τηε ςεµα τρανσφορµ φαυλτ, ωηιχη λιεσ ιν τηε νορτηερν σεχτιον οφ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε. Αλονγ τηε σουτη− ερν ωαλλ, µαντλε περιδοτιτεσ ωερε φουνδ το ουτχροπ ιν τηε λοωερ παρτ οφ τηε σλοπε. Αβοϖε τηεµ ωερε γαββροσ, ροχκσ χρεατεδ βψ τηε σλοω χοολινγ οφ βασαλτιχ µελτ (τηε Copyright 1994 Scientific American, Inc. αρεα ηαρβορσ αν ενριχηεδ συππλψ οφ τηεσε ελεµεντσ. Ιτ σεεµσ, τηερεφορε, τηατ τηε µαντλε βελοω τηε Αζορεσ ηοτ σποτ δι⇑ερσ φροµ τηε νορµαλ συβ−Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε µαν− τλε νοτ σο µυχη βψ βεινγ ηοττερ ασ βψ ηαϖινγ ινχορπορατεδ ατ σοµε σταγε ωα− τερ ανδ οτηερ ⇓υιδσ τηατ χηανγεδ ιτσ χηεµιχαλ χοµποσιτιον ανδ µελτινγ βε− ηαϖιορ. Τηισ χηεµιχαλ τρανσφορµατιον οφ µαντλε περιδοτιτε βψ ⇓υιδσ ισ χαλλεδ µετασοµατισµ. Ιτ ωουλδ εξπλαιν ωηψ ωετ µαντλε νεαρ τηε συρφαχε ωουλδ ηαϖε εξπεριενχεδ µορε µελτινγ τηαν νορµαλ µαντλε ωουλδ. Ιτ µαψ αλσο εξπλαιν ωηψ τηε εθυιλιβριυµ τεµπερατυρεσ εστιµατεδ φροµ περιδοτιτεσ ατ τηε Αζορεσ ηοτ σποτ δο νοτ αππεαρ ηιγηερ τηαν αϖεραγε. Μελτινγ ρεαχτιονσ χονσυµε ηεατ, σο τηατ παρτιαλ µελτινγ οφ υπωελλινγ µαντλε µαψ αχτυαλλψ ηαϖε χοολεδ τηε συρρουνδ− ινγ µαντλε. Τηε ηιγηερ τηε δεγρεε οφ µελτινγ, τηε γρεατερ τηε ηεατ λοσσ. Ωηερε δοεσ τηε ωατερ τηατ προδυχεσ µαντλε µετασοµατισµ χοµε φροµ? Ονε ποσσιβλε σουρχε ισ τηε σινκινγ οφ σλαβσ οφ ολδ οχεανιχ λιτηοσπηερε ιν συβδυχ− τιον ζονεσ ατ τηε µαργιν οφ τηε οχεανσ. Τηισ προχεσσ ρεχψχλεσ ωατερ ιντο τηε µαντλε. Ωατερ χουλδ αλσο βε ρελεασεδ ιν τηε υππερ µαντλε δυρινγ δεγασσινγ προ− χεσσεσ. Φορ ινστανχε, µετηανε, α γασ τηατ µιγητ βε πρεσεντ ιν τηε δεεπ µαν− τλε, χουλδ βε οξιδιζεδ ονχε τηε υπωελλ− ινγ ρεαχηεσ τηε υππερ µαντλε ρεγιον. 0 1,000 SUBDUCTED MANTLE SLAB NEW SPIN AXIS EQUATOR W NE TOR UA Q E SPIN AXIS ΣΗΙΦΤΙΝΓ ΟΦ ΤΗΕ ΕΑΡΤΗ∏Σ ΑΞΙΣ χαν βε ιν⇓υενχεδ βψ τηε σινκινγ οφ χολδ, δενσε σλαβσ οφ µαντλε. Συχη σινκινγ οχχυρσ ιν συβδυχτιον ζονεσ, συχη ασ τηοσε συρ− ρουνδινγ τηε Παχι⇒χ Οχεαν. Τηε εαρτη∏σ αξισ οφ ροτατιον ωουλδ τενδ το σηιφτ σο τηατ τηε εθυατορ ωουλδ µοϖε χλοσερ το τηε δενσε σλαβσ. Τηε ρεαχτιον ωουλδ ψιελδ ωατερ (πλυσ χαρβον, ειτηερ ασ διαµονδ ορ γραπηιτε). Βεχαυσε οφ ιτσ ινφερρεδ βελοω−αϖεραγε µαντλε τεµπερατυρε, τηε Αζορεσ ηοτ σποτ χλεαρλψ δοεσ νοτ ⇒τ ιντο τηε υσυαλ δε⇒νιτιον. Ηοω ισ ονε το διστινγυιση τηε δι⇑ερεντ τψπεσ οφ ηοτ σποτσ (τηοσε τηατ αρε ρεαλλψ ηοτ ανδ τηοσε τηατ αρε 2,000 METERS PILLOW BASALT Ο DIKE COMPLEX FAULT GABBRO µελτεδ παρτ οφ περιδοτιτε). Τηε Ναυτιλε αλσο δισχοϖερεδ α δικε χοµπλεξ, φορµεδ ωηεν βασαλτιχ µελτ χοολσ ανδ σολιδι⇒εσ βεφορε ρεαχηινγ τηε σεα⇓οορ. Αβοϖε τηε δικε χοµπλεξ λαψ πιλλοω βασαλτ, τηε φορµ τακεν βψ βασαλτιχ µελτ τηατ ερυπτσ ον τηε σεα⇓οορ ανδ χοολσ ραπιδλψ ον χονταχτ ωιτη οχεαν ωατερ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. νοτ σο ηοτ) ανδ δεδυχε τηειρ οριγινσ? Ηελιυµ γασ µαψ λεαδ υσ τοωαρδ αν αν− σωερ. Τηε ελεµεντ χαν φορµ τωο σταβλε ισοτοπεσ: ηελιυµ 3 ανδ ηελιυµ 4. Ηελι− υµ 4 ισ προδυχεδ χοντινυουσλψ ιν τηε εαρτη∏σ χρυστ βψ τηε ραδιοαχτιϖε δεχαψ οφ υρανιυµ ανδ τηοριυµ. Μοστ ινϖεστι− γατορσ βελιεϖε ηελιυµ 3 στεµσ φροµ αν ινχοµπλετε εσχαπε οφ πριµορδιαλ γασεσ τηατ ωερε ινχορπορατεδ ωιτηιν τηε εαρτη ιν τηε εαρλψ σταγεσ οφ ιτσ ηιστορψ. Τηε ρατιο οφ ηελιυµ 3 το ηελιυµ 4 ιν τηε εαρτη∏σ ατµοσπηερε ανδ ιν σεαωατερ ισ ρουγηλψ ονε το ονε µιλλιον. Ψετ τηατ ρατιο ισ δι⇑ερεντ ιν ροχκ σαµπλεσ ρετριεϖεδ φροµ µιδοχεαν ριδγ− εσ. Γρουπσ λεδ βψ Ηαρµον Χραιγ οφ τηε Σχριππσ Ινστιτυτιον οφ Οχεανογραπηψ ανδ Μαρκ ∆. Κυρζ οφ Ωοοδσ Ηολε ηαϖε σηοων τηατ τηε ηελιυµ 3 το ηελιυµ 4 ρατιο οφ βασαλτσ αλονγ µιδοχεαν ριδγεσ ισ αβουτ ειγητ τιµεσ ηιγηερ τηαν τηε ατ− µοσπηεριχ ρατιο. Τηε ρατιο ατ ηοτ σποτσ συχη ασ τηοσε υνδερ Ηαωαιι ανδ Ιχελανδ ισ εϖεν ηιγηερ, περηαπσ ρεαχηινγ 30 τιµεσ τηε ατµοσπηεριχ ρατιο. Τηε λαργε αµουντ οφ ηελιυµ 3 συγγεστσ τηατ αν− χιεντ γασεσ αρε εσχαπινγ ατ τηοσε σιτεσ. Τηυσ, ηοτ−σποτ αρεασ ωιτη ηιγη ρατιοσ χον⇒ρµ τηε νοτιον τηατ τηεψ ρεπρεσεντ υπωελλινγσ οφ ηοτ πλυµεσ φροµ δεεπ ωιτηιν τηε εαρτη. Α φεω ηοτ σποτσ∇τηε Αζορεσ ονε αµονγ τηεµ∇ηαϖε βασαλτσ ωιτη α ρατιο οφ ηελιυµ 3 το ηελιυµ 4 λοωερ τηαν τηοσε οφ τηε µιδοχεαν ριδγε βασαλτσ. Τηε πριµορδιαλ χοµπονεντ οφ τηοσε ηοτ σποτσ ωασ σοµεηοω λοστ ορ διλυτεδ. Τηε Αζορεσ ηοτ σποτ µαψ τηυσ βε α µελτινγ ανοµαλψ οφ ρελατιϖελψ συπερ− ⇒χιαλ οριγιν ιν τηε µαντλε. Ιτ µαψ νοτ βε λινκεδ το α τηερµαλ πλυµε οριγινατινγ φροµ τηε δεεπ µαντλε ορ τηε χορε−µαν− τλε βουνδαρψ. Τηεσε ηοτ σποτσ µαψ νοτ βε τρυλψ ηοτ ανδ περηαπσ αρε βεστ χλασ− σι⇒εδ ασ ωετ σποτσ, φορ τηε κεψ ρολε ⇓υιδσ µαψ πλαψ ιν τηειρ φορµατιον. υρ στυδιεσ οφ µαντλε περιδοτιτεσ φροµ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε συγγεστ τηατ σοµε αρεασ ωιτη χοολερ µαντλε τεµπερατυρεσ µαψ ρεπρε− σεντ τηε ρετυρν στροκεσ οφ τηε χονϖεχ− τιον χψχλε ιν τηε µαντλε∇τηατ ισ, τηε δοωνωελλινγ ρεγιονσ. Το υνδερστανδ τηε δεδυχτιον, ωε µυστ λοοκ σουτη οφ τηε Αζορεσ ρεγιον, το τηε εθυατοριαλ ζονε οφ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε. Τηε µινεραλ χοµποσιτιον οφ περιδοτιτεσ ρε− χοϖερεδ φροµ τηε εθυατοριαλ Ατλαντιχ ιν− διχατεσ τηατ τηεψ υνδερωεντ λιττλε ορ νο µελτινγ, ωηιχη ιµπλιεσ τηατ τηε µαντλε τεµπερατυρε ωασ εξχεπτιοναλλψ λοω. Να− δια Συσηεϖσκαψα οφ τηε ςερναδσκψ Ιν− στιτυτε οφ Γεοχηεµιστρψ οφ τηε Ρυσσιαν Αχαδεµψ οφ Σχιενχεσ ρεαχηεδ σιµιλαρ χονχλυσιονσ ιν ηερ στυδψ οφ βασαλτσ φροµ τηε εθυατοριαλ Ατλαντιχ. Μορεοϖερ, ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 49 τηε χρυστ οφ τηε εθυατοριαλ Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε λιεσ δεεπερ βελοω τηε γεοιδ τηαν τηατ οφ τηε ριδγε ατ ηιγηερ λατιτυδεσ, ανδ τηε ϖελοχιτψ οφ τηε σεισµιχ ωαϖεσ ισ φαστερ ιν τηε υππερ µαντλε βελοω τηε εθυατοριαλ Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε τηαν ατ ηιγηερ λατιτυδεσ. Βοτη τηεσε οβσερϖα− τιονσ ιµπλψ α δενσερ, χολδερ υππερ µαν− τλε βελοω τηε εθυατοριαλ ρεγιον οφ τηε Ατλαντιχ. Τηε τεµπερατυρε οφ τηε υππερ µαντλε τηερε µαψ βε µορε τηαν 150 δεγρεεσ Χ λοωερ τηαν τηε µαντλε τεµ− περατυρεσ ελσεωηερε βελοω τηε ριδγε. Α πλαυσιβλε εξπλανατιον φορ τηε ρελα− τιϖελψ χοολ ανδ δενσε εθυατοριαλ υππερ µαντλε ισ τηατ ιτ ρεσυλτσ φροµ δοωνωελλ− ινγ µαντλε χυρρεντσ. Υπωελλινγ πλυµεσ φροµ τηε νορτηερν ανδ σουτηερν Ατλαν− τιχ µαντλε δοµαινσ µαψ µεετ ηερε, γιϖε υπ τηειρ ηεατ το τηειρ χοολερ συρρουνδ− ινγσ ανδ τηεν σινκ. Κλειν, ϑε⇑ρεψ Ωεισσελ ανδ ∆εννισ Ε. Ηαψεσ ανδ τηειρ χο−ωορκερσ ατ Λαµοντ− ∆οηερτψ φουνδ α σοµεωηατ σιµιλαρ σιτ− υατιον ιν α στρετχη οφ µιδοχεαν ριδγε τηατ ρυνσ βετωεεν Αυστραλια ανδ Αντ− αρχτιχα. Τηισ ριδγε ισ εξχεπτιοναλλψ δεεπ, ανδ τηε βασαλτσ ρεχοϖερεδ φροµ ιτσ χρεστ γιϖε εϖιδενχε οφ ηαϖινγ βεεν προδυχεδ βψ εξτρεµελψ λιµιτεδ µελτινγ ιν τηε µαντλε. Τηειρ ⇒νδινγσ αρε χονσιστεντ ωιτη τηε ιδεα τηατ βροαδ µαντλε χονϖεχ− τιον χυρρεντσ σωεεπινγ φροµ τηε Παχι⇒χ ανδ τηε Ινδιαν Οχεαν χονϖεργε ανδ σινκ βετωεεν Αυστραλια ανδ Ανταρχτιχα. Τηε εθυατοριαλ ποσιτιον οφ τηε δοων− ωελλινγ Ατλαντιχ µαντλε βελτ µαψ νοτ βε αρβιτραρψ. Ιτ ισ ποσσιβλε τηατ τηε εαρτη∏σ ροτατιον ανδ χονϖεχτιον ιν τηε µαντλε αρε ιντιµατελψ χοννεχτεδ πηενοµενα. Ιν τηε λατε 1800σ Γεοργε ∆αρωιν (τηε 0.0 1.0 a σεχονδ σον οφ Χηαρλεσ) ποιντεδ ουτ τηατ τηε διστριβυτιον οφ λαργε µασσεσ ον τηε συρφαχε (συχη ασ χοντινεντσ) α⇑εχτσ τηε ποσιτιον οφ τηε εαρτη∏σ αξισ οφ ροτα− τιον. Σεϖεραλ σχιεντιστσ σινχε τηεν ηαϖε ινϖεστιγατεδ ηοω δενσιτψ ινηοµογενε− ιτιεσ ιν τηε µαντλε χαυσε τρυε πολαρ ωανδερ (τηατ ισ, τηε σηιφτινγ οφ τηε εν− τιρε µαντλε ρελατιϖε το τηε εαρτη∏σ αξισ). Τηε ωανδερ ρεσυλτσ φροµ τηε νατυραλ τενδενχψ οφ α σπιννινγ οβϕεχτ το µινι− µιζε τηε ενεργψ σπεντ φορ ιτσ ροτατιον. Τηε ρεδιστριβυτιον οφ µασσ ινσιδε τηε εαρτη µαψ βε ρεχορδεδ ιν τηε µαντλε. Τηε λατε Η. Ωιλλιαµ Μεναρδ ανδ ΛεΡοψ Μ. ∆ορµαν οφ Σχριππσ συγγεστεδ τηατ τηε δεπτη οφ µιδοχεαν ριδγεσ γενεραλ− λψ δεπενδσ ον λατιτυδε: ριδγεσ βεχοµε δεεπερ τοωαρδ τηε εθυατορ ανδ σηαλλοω− ερ τοωαρδ τηε πολεσ. Μορεοϖερ, γραϖιτψ µεασυρεµεντσ ρεϖεαλεδ τηατ αν εξχεσσ οφ µασσ σιτσ βελοω τηε εθυατοριαλ αρεασ. Τηεσε δατα ιµπλψ τηατ αβνορµαλλψ χολδ ανδ δενσε µασσεσ εξιστ ιν τηε εθυατορι− αλ υππερ µαντλε. Τηε σινκινγ οφ χολδ, δενσε σλαβσ ιντο τηε µαντλε αππεαρσ το ιν⇓υενχε τρυε πολαρ ωανδερ. Εϖιδενχε στρονγλψ συγ− γεστσ τηατ τηε µαντλε ισ λεσσ ϖισχουσ νεαρ τηε συρφαχε τηαν ιτ ισ δεεπερ δοων. Ανψ δενσε µασσεσ τηατ ⇒νδ τηειρ ωαψ το τηε µαντλε, συχη ασ τηοσε τηατ οχχυρ ιν συβδυχτιον ζονεσ ατ τηε εδγε οφ σοµε οχεανσ, ωιλλ α⇑εχτ τηε ποσιτιον οφ τηε ροτατιον αξισ. Τηε εθυατορ ωουλδ τενδ το σηιφτ τοωαρδ τηε δενσε µασσεσ. Ιφ ηιγη−δενσιτψ µασσεσ αρε νεαρ τηε εθυατορ, δοωνωελλινγ ανδ χοολερ µαν− τλε σποτσ αρε λικελψ το πρεϖαιλ ιν τηε εθυατοριαλ υππερ µαντλε. Τηατ πηενοµ− ενον ωουλδ εξπλαιν ατ λεαστ θυαλιτατιϖε− AXIAL TOPOGRAPHY OF MID-ATLANTIC RIDGE AZORES HOT SPOT (KILOMETERS BELOW SEA LEVEL) 2.0 3.0 c TEMPERATURE (DEGREES CELSIUS) 1,100 900 b (PERCENT) 40 20 0 60°N d RATIO OF CHROMIUM TO ALUMINUM 60 50° 40° 30° 20° 10° LATITUDE 0° 10° 20° 30°S ΠΡΟΦΙΛΕΣ ΑΛΟΝΓ ΤΗΕ ΑΞΙΣ οφ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε ρεϖεαλ τηε ανοµαλουσ νατυρε οφ τηε Αζορεσ αρεα. Ηερε τηε σεα⇓οορ βροαδλψ σωελλσ (α ). Μεασυρεµεντσ οφ τηε ρατιο οφ χηροµιυµ το αλυµινυµ ιν σπινελ, α χοµπονεντ οφ µαντλε περιδοτιτε, ινδι− χατε τηατ τηε µαντλε µελτεδ µοστ ηερε (β ). Τηεσε δατα συγγεστ τηατ τηε Αζορεσ ρεγιον ισ α ηοτ σποτ, αν αρεα οφ ηοτ µαντλε. Α δισχρεπανχψ εµεργεσ, ηοωεϖερ, ωηεν τεµπερατυρε χαλχυλα− τιονσ αρε ινχορπορατεδ: τηε Αζορεσ ρεγιον αππεαρσ το βε 50 Α δοωνωελλινγ µαντλε βουνδαρψ χουλδ αχχουντ φορ τηε πεχυλιαρ γεολογψ οφ τηε εθυατοριαλ ρεγιον. Ιν 1835, δυρινγ ηισ φαµουσ ϖοψαγε ωιτη τηε Η.Μ.Σ. Βεαγλε, Χηαρλεσ ∆αρωιν λανδ− εδ ον σοµε δεσολατε, σµαλλ ροχκψ ισλετσ τηατ βαρελψ ρεαχηεδ αβοϖε σεα λεϖελ. Τηε ισλανδσ, νοω κνοων ασ τηε Στ. Πετερ−Παυλ ροχκσ, αρε ιν τηε χεντερ οφ τηε Ατλαντιχ, ϕυστ α φεω µιλεσ νορτη οφ τηε εθυατορ. ∆αρωιν δεσχριβεδ ηοω νεστινγ χολονιεσ οφ τηε σεαβιρδσ χαλλεδ συλασ χοµπετε ωιτη λαργε ρεδ χραβσ φορ εαχη παρχελ οφ αϖαιλαβλε σπαχε ον τηε ροχκσ. Τηε σαµε χοντεστ χαν βε οβσερϖεδ τοδαψ. ∆αρωιν αλσο νοτεδ τηατ τηε ισλετσ αρε γεολογιχαλλψ δι⇑ερεντ φροµ µοστ οχεαν− ιχ ισλανδσ, ινσοφαρ ασ τηεψ αρε νοτ ϖολ− χανιχ. Τηισ οβσερϖατιον ηασ βεεν χον− ⇒ρµεδ, µοστ ρεχεντλψ βψ Ωιλλιαµ Γ. Μελσον οφ τηε Σµιτησονιαν Ινστιτυτιον ανδ Μαρψ Κ. Ροδεν οφ τηε Στατε Υνιϖερ− σιτψ οφ Νεω Ψορκ ατ Αλβανψ ανδ τηειρ χο−ωορκερσ. Τηε Στ. Πετερ−Παυλ ροχκσ αρε ιν φαχτ µαδε οφ περιδοτιτεσ ανδ ρεπρε− σεντ αν υπλιφτεδ βοδψ οφ υππερ µαντλε. Τηε περιδοτιτεσ οφ τηε Στ. Πετερ−Παυλ ροχκσ, ηοωεϖερ, δι⇑ερ φροµ τηοσε χολ− λεχτεδ ελσεωηερε αλονγ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε. Τηε χηεµιστρψ οφ τηε Στ. Πετερ− Παυλ µινεραλσ ινδιχατεσ τηατ τηεψ υν− δερωεντ λιττλε ορ νο µελτινγ. Τηε µατε− ριαλσ εθυιλιβρατεδ ιν τηε µαντλε ατ α λοω τεµπερατυρε. Τηεψ ρεσεµβλε περιδοτιτεσ φροµ χοντινενταλ, ορ πρεοχεανιχ, ριφτσ (συχη ασ τηοσε εξποσεδ ιν τηε ισλανδ οφ 1,000 4.0 80 1,200 λψ τηε χολδ υππερ µαντλε βελτ ανδ ρε− συλτινγ λαχκ οφ νορµαλ µελτινγ ιν τηε εθυατοριαλ ζονε οφ τηε Ατλαντιχ ανδ προβαβλψ τηε Παχι⇒χ. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 SEISMIC-WAVE VELOCITIES AS FUNCTION OF DEPTH (KILOMETERS) 0 100 200 300 400 60°N 50° 40° 30° 20° 10° LATITUDE 0° 10° 20° 30°S σλιγητλψ χοολερ (χ ). Τηε Αζορεσ αρεα µαψ ηαϖε υνδεργονε µυχη µελτινγ βεχαυσε τηε µαντλε µατεριαλ τηερε ισ ωετ, ασ ιν− διχατεδ βψ µεασυρεµεντσ οφ τηε ϖελοχιτιεσ οφ σεισµιχ ωαϖεσ µοϖινγ τηρουγη τηε υππερ µαντλε (δ ). Ωετ αρεασ ηαϖε βελοω− αϖεραγε δενσιτιεσ, σο σεισµιχ ωαϖεσ τραϖελ µορε σλοωλψ (ψελ− λοω) τηρουγη τηεµ. Τηε εθυατοριαλ αρεα σηοωσ φαστ σεισµιχ ϖελοχιτιεσ (βλυε), συγγεστινγ τηε πρεσενχε οφ δενσε µατεριαλ ανδ περηαπσ µαρκινγ α σιτε οφ µαντλε δοωνωελλινγ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. HOT MANTLE COLD MANTLE CRUST RIDGE AXIS RIDGE AXIS DEPTH BELOW SEA LEVEL 10% 30% 20% MELTING REGION OF DRY UPWELLING MANTLE 10% MELTING LINE FOR DRY MANTLE MELTING LINE FOR DRY MANTLE ADDED REGION OF MELTING IF THE MANTLE IS WET MELTING LINE FOR WET MANTLE 0% PERIDOTITE PERIDOTITE ΥΠΩΕΛΛΙΝΓ ΜΑΝΤΛΕ µελτσ το αν εξτεντ τηατ δεπενδσ ον ωηετηερ τηε µαντλε ισ ηοτ (λεφτ ) ορ χολδ (ριγητ ). Τηε περχεντ− αγεσ ινδιχατε τηε αµουντ οφ περιδοτιτε τηατ µελτσ. Μελτινγ προχεεδσ υντιλ τηε περιδοτιτε στοπσ ρισινγ ανδ σταρτσ ⇓οωινγ ηοριζονταλλψ. Τηε ηοττερ τηε µαντλε, τηε δεεπερ τηε µελτινγ Ζαβαργαδ ιν τηε Ρεδ Σεα ) ρατηερ τηαν τηοσε φροµ οχεαν ριδγεσ. Μορεοϖερ, τηεψ σηοω σιγνσ οφ ηαϖινγ βεεν στρονγ− λψ α⇑εχτεδ ιν τηε µαντλε βψ µετασοµα− τισµ∇µορε σο τηαν διδ τηε σαµπλεσ ωε χολλεχτεδ φροµ τηε Μιδ−Ατλαντιχ Ριδγε. Ηενχε, τηε Στ. Πετερ−Παυλ ισλετσ εξποσε ωηατ αππεαρσ το βε α µαντλε τψπιχαλ οφ α χοντινενταλ ριφτ ρατηερ τηαν οφ α µιδ− οχεαν ριδγε. Ινδεεδ, γεοχηεµιστρψ ωορκ βψ Ροδεν ανδ ηερ χολλεαγυεσ συγγεστσ τηατ τηε µετασοµατισµ τηατ α⇑εχτεδ τηε Στ. Πετερ−Παυλ µαντλε οχχυρρεδ αβουτ 150 µιλλιον ψεαρσ αγο; τηατ τιµε µαρκσ α ριφτ σταγε τηατ πρεχεδεδ τηε σεπαρα− τιον οφ Αφριχα ανδ Σουτη Αµεριχα ιν τηε εθυατοριαλ Ατλαντιχ (τηατ ισ, σοµετιµε δυρινγ τηε βρεακυπ οφ Πανγαεα ). Ηοω χουλδ βλοχκσ οφ οριγιναλλψ συβ− χοντινενταλ µαντλε ηαϖε βεεν λεφτ ιν τηε χεντερ οφ τηε Ατλαντιχ Οχεαν? Τηε αν− σωερ µαψ λιε ιν τηε ωαψ Πανγαεα βροκε υπ ιν τηε φαχε οφ α χολδ, δενσε υππερ µαντλε ιν τηε εθυατοριαλ ρεγιον. Α χολδερ−τηαν−νορµαλ εθυατοριαλ µαν− τλε ωηεν τηε Ατλαντιχ ⇒ρστ οπενεδ ωουλδ ιµπλψ α χολδερ ανδ τηιχκερ χοντινενταλ λιτηοσπηερε αλονγ τηε εθυατοριαλ βελτ. ( Τηε εθυατορ 100 µιλλιον ψεαρσ αγο χροσσεδ τηε φυτυρε Ατλαντιχ χοαστλινεσ οφ Αφριχα ανδ Σουτη Αµεριχα ρουγηλψ αλονγ τηε σαµε ποσιτιον ασ ιτ δοεσ το− δαψ.) Τηε χολδ ανδ τηιχκ εθυατοριαλ λιτη− οσπηερε µυστ ηαϖε ρεσιστεδ τηε ριφτ προπαγατινγ φροµ τηε σουτη. Τηε εθυα− τοριαλ ρεγιον µαψ ηαϖε βεηαϖεδ ασ α λοχκεδ ζονε ( ιν τηε σενσε υσεδ βψ Φρενχη γεολογιστ ςινχεντ Ε. Χουρτιλλοτ). Copyright 1994 Scientific American, Inc. 0% βεγινσ. Ασ α ρεσυλτ, µορε οφ τηε µαντλε µελτσ, χρεατινγ α τηιχκ− ερ χρυστ. Χολδ µαντλε µελτσ λεσσ, υνλεσσ ιτ ηαρβορσ ⇓υιδσ. Ιν τηατ χασε, ιτ βεγινσ το µελτ µυχη µορε δεεπλψ ιν τηε εαρτη ανδ µαψ εϖεν µελτ µορε τηαν ηοτ µαντλε χαν. Ωετ µαντλε µαψ εξπλαιν ωηψ τηε Αζορεσ ηοτ σποτ ισ ρατηερ χοολ. Ασ α ρεσυλτ, τηε εθυατοριαλ Ατλαντιχ οπενεδ σλυγγισηλψ. Τηισ σλοω οπενινγ µαψ ηαϖε χρεατεδ τηε λαργε εθυατοριαλ φραχτυρε ζονεσ, ϖισιβλε τοδαψ ασ εαστ− ωεστ βρεακσ τηατ ο⇑σετ σηορτ σεγµεντσ οφ τηε µιδοχεαν ριδγε. ∆υρινγ τηε οπενινγ οφ τηε εθυατοριαλ Ατλαντιχ, τηεσε φραχτυρε ζονεσ ωερε συβ− ϕεχτεδ το στρονγ χοµπρεσσιοναλ στρεσσ− εσ ανδ ιντενσε ϖερτιχαλ µοτιονσ οφ λιτη− οσπηεριχ βλοχκσ. Ασ α ρεσυλτ, βλοχκσ οφ χρυστ µαψ περιοδιχαλλψ ηαϖε σπρυνγ υπ τηρουγη τηε οχεαν ανδ συνκ βαχκ δοων. Σοµε σλιϖερσ οφ χοντινενταλ λιτηοσπηερε, ηοωεϖερ, µιγητ ηαϖε βεεν λεφτ βεηινδ ιν τηε µιδδλε οφ τηε οχεαν∇συχη ασ τηατ ωηοσε συµµιτ ωε ιδεντιφψ ασ τηε Στ. Πε− τερ−Παυλ ισλετσ. Ηενχε, ϕυστ ασ ηοτ, υπ− ωελλινγ µαντλε ρεγιονσ χρεατε διστινχτ τψπεσ οφ ϖολχανιχ ισλανδσ, σο τοο χαν χολδ, δοωνωελλινγ ζονεσ χαυσε α δι⇑ερ− εντ τψπε οφ ισλανδ το εµεργε. Ιτ ισ ιντερεστινγ το σπεχυλατε ον ηοω τηε ρισε ανδ φαλλ οφ συχη ισλανδσ µαψ ηαϖε ιν⇓υενχεδ λιφε ον τηε εαρτη. Ονε εξαµπλε ισ τηε µιγρατορψ βεηαϖιορ οφ τηε γρεεν σεα τυρτλε (Χηελονια µψδασ). Τηεσε τυρτλεσ λιϖε αλονγ τηε Βραζιλιαν χοαστ βυτ µακε αν αρδυουσ 2,000−κιλο− µετερ ϕουρνεψ το Ασχενσιον ισλανδ το βρεεδ. Τηισ χυριουσ αχτ µαψ βε ροοτεδ ιν τηε βεηαϖιορ οφ τηειρ ανχεστορσ, ωηιχη τηριϖεδ 80 µιλλιον ψεαρσ αγο, ωηεν τηε εθυατοριαλ Ατλαντιχ ωασ ναρ− ροω. Τηε ανχιεντ τυρτλεσ µαψ ηαϖε υσεδ ισλανδσ τηατ εµεργεδ χλοσε το τηε Βραζιλιαν χοαστ ασ βρεεδινγ γρουνδσ. Ασ τηε Ατλαντιχ οπενεδ ανδ σοµε οφ τηε ισ− λανδσ σανκ, τηειρ δεσχενδαντσ ωερε φορχεδ το εξτενδ τηειρ τρεκ βψ ηυνδρεδσ οφ κιλοµετερσ. Μυχη ρεµαινσ το βε δονε βεφορε γε− ολογιστσ δεϖελοπ α χοµπλετε πιχτυρε οφ µαντλε χονϖεχτιον ανδ ιτσ ιν⇓υενχε ον συρφαχε γεολογψ. Βεχαυσε σενδινγ συβ− µερσιβλεσ το τηε οχεαν ⇓οορ ισ νοτ αλ− ωαψσ πραχτιχαλ, οτηερ τεχηνιθυεσ, συχη ασ σεισµιχ τοµογραπηψ, µυστ βε φυρτηερ δεϖελοπεδ το διστινγυιση ωετ σποτσ φροµ ηοτ σποτσ. ∆εβατε περσιστσ ασ το τηε οριγινσ οφ τηε µαντλε χονϖεχτιον ανδ ωηετηερ ιτ εξτενδσ ιντο τηε λοωερ µαντλε. Ινδεεδ, σψµποσια τηατ ινχλυδε τηεορετιχιανσ, γεοπηψσιχιστσ, γεοχηεµ− ιστσ ανδ πετρολογιστσ ινϖαριαβλψ ψιελδ ηεατεδ δισχυσσιονσ ανδ µυχη δισσεντ. Ον ονε ποιντ τηερε ισ υνανιµιτψ : τηε εαρτη∏σ µαντλε ισ ϖερψ µυχη αλιϖε ανδ ισ αν εξχιτινγ ρεγιον το στυδψ. ΦΥΡΤΗΕΡ ΡΕΑ∆ΙΝΓ ΤΗΕΟΡΨ ΟΦ ΤΗΕ ΕΑΡΤΗ. ∆. Λ. Ανδερσον. Βλαχκωελλ Σχιεντιφιχ Πυβλιχατιονσ, 1989. ΝΟΤ ΣΟ ΗΟΤ ΗΟΤ ΣΠΟΤΣ ΙΝ ΤΗΕ ΟΧΕΑΝ− ΙΧ ΜΑΝΤΛΕ. Ε. Βοναττι ιν Σχιενχε, ςολ. 250, παγεσ 107∠111; Οχτοβερ 5, 1990. ΡΙ∆ΓΕΣ, ΗΟΤΣΠΟΤΣ ΑΝ∆ ΤΗΕΙΡ ΙΝΤΕΡΑΧ− ΤΙΟΝ ΑΣ ΟΒΣΕΡςΕ∆ ΙΝ ΣΕΙΣΜΙΧ ςΕΛΟΧΙΤΨ ΜΑΠΣ. Ψ. Σ. Ζηανγ ανδ Τ. Τανιµοτο ιν Νατυρε, ςολ. 355, Νο. 6355, παγεσ 45∠ 49; ϑανυαρψ 2, 1992. Α ΧΟΛ∆ ΣΥΒΟΧΕΑΝΙΧ ΜΑΝΤΛΕ ΒΕΛΤ ΑΤ ΤΗΕ ΕΑΡΤΗ∏Σ ΕΘΥΑΤΟΡ. Ε. Βοναττι, Μ. Σεψλερ ανδ Ν. Συσηεϖσκαψα ιν Σχιενχε, ςολ. 261, παγεσ 315∠320; ϑυλψ 16, 1993. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 51 Ταργετεδ Γενε Ρεπλαχεµεντ Researchers can now create mice bearing any chosen mutations in any known gene. The technology is revolutionizing the study of mammalian biology βψ Μαριο Ρ. Χαπεχχηι Ε ϖερψ χελλ οφ ουρ βοδιεσ ηασ ωιτηιν ιτσ νυχλευσ αν ινστρυχτιον µανυαλ τηατ σπεχι⇒εσ ιτσ φυνχτιον. Αλ− τηουγη εαχη χελλ χαρριεσ τηε σαµε µαν− υαλ, δι⇑ερεντ χελλ τψπεσ, συχη ασ λιϖερ ορ σκιν, υσε δι⇑ερεντ παρτσ οφ τηισ µανυαλ το δεταιλ τηειρ υνιθυε φυνχτιονσ. Περηαπσ µοστ ρεµαρκαβλε, τηε µανυαλ χονταινσ τηε ινφορµατιον τηατ αλλοωσ α ονε−χελλ εµβρψο, τηε φερτιλιζεδ εγγ, το βεχοµε α φετυσ ανδ τηεν α νεωβορν χηιλδ. Ασ τηε χηιλδ µατυρεσ πηψσιχαλλψ ανδ ιντελλεχ− τυαλλψ, ηε ορ σηε ισ στιλλ υσινγ τηε ινφορ− µατιον ωιτηιν τηε ινστρυχτιον µανυαλ. Ωε αρε εαχη υνιθυε, ανδ τηε µανυαλ ισ σλιγητλψ δι⇑ερεντ φορ εαχη οφ υσ; ιτ σπεχ− ι⇒εσ µοστ οφ τηε πηψσιχαλ ανδ µανψ οφ τηε βεηαϖιοραλ χηαραχτεριστιχσ τηατ δισ− τινγυιση υσ ασ ινδιϖιδυαλσ. Τηισ εξτραορδιναρψ µανυαλ, οτηερωισε κνοων ασ τηε γενοµε, ισ ωριττεν ιν τηε φορµ οφ νυχλεοτιδεσ, φουρ οφ ωηιχη χον− στιτυτε τηε εντιρε αλπηαβετ∇αδενψλατε (Α), χψτιδψλατε (Χ ), γυανψλατε (Γ ) ανδ τηψµιδψλατε (Τ ). Ιτ ισ τηε πρεχισε σε− θυενχε οφ τηε νυχλεοτιδεσ ιν ∆ΝΑ τηατ χονϖεψσ ινφορµατιον, µυχη ασ τηε σε− θυενχε οφ λεττερσ ιν α ωορδ χονϖεψσ µεανινγ. ∆υρινγ εαχη χελλ διϖισιον, τηε εντιρε µανυαλ ισ ρεπλιχατεδ, ανδ α χοπψ ισ ηανδεδ δοων φροµ τηε µοτηερ χελλ το εαχη οφ ιτσ τωο δαυγητερσ. Ιν ηυµανσ ανδ µιχε, τηε µανυαλσ εαχη χονταιν τηρεε βιλλιον νυχλεοτιδεσ. Ιφ τηε λεττερσ ρεπρεσεντινγ τηε νυχλεοτιδεσ ωερε ωριτ− τεν δοων ιν ορδερ σο τηατ α παγε χαρ− ριεδ 3,000 χηαραχτερσ, τηε µανυαλ ωουλδ ΜΑΡΙΟ Ρ. ΧΑΠΕΧΧΗΙ, ωηο ωασ βορν ιν ςερονα, Ιταλψ, ισ αν ινϖεστιγατορ ατ τηε Ηοωαρδ Ηυγηεσ Μεδιχαλ Ινστιτυτε ανδ προφεσσορ οφ ηυµαν γενετιχσ ατ τηε Υνι− ϖερσιτψ οφ Υταη Σχηοολ οφ Μεδιχινε. Ιν αδδιτιον το δεϖελοπινγ τηε τεχηνιθυεσ δεσχριβεδ ιν τηισ αρτιχλε, Χαπεχχηι ηασ ηελπεδ ελυχιδατε τηε µεχηανισµ οφ προ− τειν σψντηεσισ. Ηε ηασ αλσο χοντριβυτεδ το τηε δισχοϖερψ οφ ενηανχερσ ιν ∆ΝΑ ανδ το τηε δεϖελοπµεντ οφ α νοω ωιδελψ υσεδ τεχηνιθυε φορ διρεχτλψ ινϕεχτινγ ∆ΝΑ ιντο τηε νυχλει οφ χελλσ. 52 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 οχχυπψ 1,000 ϖολυµεσ, εαχη χονσιστινγ οφ 1,000 παγεσ. Τηυσ, α ϖερψ χοµπλεξ µανυαλ ισ ρεθυιρεδ το ορχηεστρατε τηε χρεατιον οφ α ηυµαν ορ µουσε φροµ α φερτιλιζεδ εγγ. Ρεχεντλψ µψ χολλεαγυεσ ατ τηε Υνιϖερ− σιτψ οφ Υταη ανδ Ι δεϖελοπεδ τηε τεχη− νολογψ φορ σπεχι⇒χαλλψ χηανγινγ α λεττερ, α σεντενχε ορ σεϖεραλ παραγραπησ ιν τηε ινστρυχτιον µανυαλ ωιτηιν εϖερψ χελλ οφ α λιϖινγ µουσε. Βψ ρεωριτινγ παρτσ οφ τηε µανυαλ ανδ εϖαλυατινγ τηε χονσεθυενχ− εσ οφ τηε αλτερεδ ινστρυχτιονσ ον τηε δε− ϖελοπµεντ ορ τηε ποστδεϖελοπµενταλ φυνχτιονινγ οφ τηε µουσε, ωε χαν γαιν ινσιγητ ιντο τηε προγραµ τηατ γοϖερνσ τηεσε προχεσσεσ. Τηε φυνχτιοναλ υνιτσ ωιτηιν τηε ιν− στρυχτιον µανυαλ αρε γενεσ. Ωε σπεχι⇒− χαλλψ χηανγε τηε νυχλεοτιδε σεθυενχε οφ α χηοσεν γενε ανδ τηερεβψ αλτερ ιτσ φυνχτιον. Φορ ινστανχε, ιφ ωε συσπεχτεδ α παρτιχυλαρ γενε ωερε ινϖολϖεδ ιν βραιν δεϖελοπµεντ, ωε χουλδ γενερατε µουσε εµβρψοσ ιν ωηιχη τηε νορµαλ γενε ωασ κνοχκεδ ουτ∇τηατ ισ, χοµπλετελψ ιν− αχτιϖατεδ. Ιφ τηισ ιναχτιϖατιον χαυσεδ νεωβορν µιχε το ηαϖε α µαλφορµεδ χερεβελλυµ, ωε ωουλδ κνοω τηατ τηε γενε ιν θυεστιον ωασ εσσεντιαλ το φορµ− ινγ τηατ παρτ οφ τηε βραιν. Τηε προχεσσ βψ ωηιχη σπεχι⇒εδ χηανγεσ αρε ιντρο− δυχεδ ιντο τηε νυχλεοτιδε σεθυενχε οφ α χηοσεν γενε ισ τερµεδ γενε ταργετινγ. Μυχη οφ ωηατ ισ λεαρνεδ φροµ γενε− ταργετινγ εξπεριµεντσ ιν µιχε σηουλδ βενε⇒τ ηυµανσ, βεχαυσε αν εστιµατεδ 99 περχεντ ορ µορε οφ τηε γενεσ ιν µιχε ανδ ηυµανσ αρε τηε σαµε ανδ σερϖε θυιτε σιµιλαρ πυρποσεσ. Αππλιχατιον οφ τηε τεχηνολογψ ιν µιχε ισ αλρεαδψ χλαρι− φψινγ νοτ ονλψ τηε στεπσ βψ ωηιχη ηυ− µαν εµβρψονιχ δεϖελοπµεντ οχχυρσ βυτ αλσο τηε ωαψσ ιν ωηιχη ουρ ιµµυνε σψστεµ ισ φορµεδ ανδ υσεδ το ⇒γητ ιν− φεχτιον. Γενε ταργετινγ σηουλδ αλσο γο φαρ τοωαρδ εξπλαινινγ συχη µψστεριεσ ασ ηοω τηε ηυµαν βραιν οπερατεσ ανδ ηοω δεφεχτσ ιν γενεσ γιϖε ρισε το δισ− εασε. Ιν τηε λαττερ ε⇑ορτ τηε τεχηνιθυε ισ βεινγ υσεδ το προδυχε µουσε µοδελσ οφ ηυµαν δισορδερσ∇αµονγ τηεµ, χψσ− τιχ ⇒βροσισ, χανχερ ανδ ατηεροσχλεροσισ. Εξχιτεµεντ οϖερ γενε ταργετινγ στεµσ φροµ ανοτηερ σουρχε ασ ωελλ. Ιτ προµισ− εσ το εξπανδ ον τηε κνοωλεδγε γενερ− ατεδ βψ τηε γενοµε προϕεχτ. Τηισ λαργε− σχαλε υνδερτακινγ αιµσ το δετερµινε τηε νυχλεοτιδε σεθυενχε οφ εϖερψ γενε ιν τηε µουσε ανδ ηυµαν γενοµεσ (απ− προξιµατελψ 200,000 γενεσ ιν εαχη). Χυρρεντλψ ωε κνοω τηε φυνχτιονσ οφ ονλψ α µινυτε περχενταγε οφ τηε γενεσ ιν ειτηερ σπεχιεσ. Τηε νυχλεοτιδε σε− θυενχε οφ α γενε σπεχι⇒εσ τηε αµινο αχιδσ τηατ µυστ βε στρυνγ τογετηερ το µακε α παρτιχυλαρ προτειν. ( Προτεινσ χαρρψ ουτ µοστ οφ τηε αχτιϖιτιεσ ιν χελλσ.) Τηε αµινο αχιδ σεθυενχε οφ α προτειν ψιελδσ ιµπορταντ χλυεσ το ιτσ ρολεσ ιν χελλσ, συχη ασ ωηετηερ ιτ σερϖεσ ασ αν ενζψµε, α στρυχτυραλ χοµπονεντ οφ τηε χελλ ορ α σιγναλινγ µολεχυλε. Βυτ τηε σε− θυενχε αλονε ισ νοτ συ⇔χιεντ το ρεϖεαλ τηε παρτιχυλαρ τασκσ περφορµεδ βψ τηε προτειν δυρινγ τηε λιφε οφ τηε ανιµαλ. Ιν ΤΑΡΓΕΤΕ∆ ΜΥΤΑΤΙΟΝ χαν βε γενερατ− εδ ιν α σελεχτεδ χελλυλαρ γενε βψ ινσερτ− ινγ µυτατεδ χοπιεσ οφ τηε γενε (γρεεν− ανδ−γολδ στριπσ ατ φαρ λεφτ ) ιντο χελλσ ανδ αλλοωινγ ονε χοπψ το τακε τηε πλαχε οφ τηε οριγιναλ, ηεαλτηψ γενε (γολδ φραγ− µεντ ατ φαρ ριγητ ) ον α χηροµοσοµε. Συχη αλτερεδ χελλσ αρε ηελπινγ ρεσεαρχη− ερσ το προδυχε µιχε χαρρψινγ σπεχι⇒χ γενετιχ µυτατιονσ. Τηε ⇒νδινγ οφ α χυρλεδ ταιλ ανδ α βαλανχε−ανδ−ηεαρινγ δισορδερ ιν ονε συχη µουσε (αβοϖε ) λεδ το τηε δισχοϖερψ τηατ τηε α⇑εχτεδ γενε, ιντ−2, παρτιχιπατεσ ιν δεϖελοπµεντ οφ τηε ταιλ ανδ τηε ιννερ εαρ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. χοντραστ, γενε ταργετινγ χαν προϖιδε τηισ ινφορµατιον ανδ τηερεβψ µοϖε ουρ υνδερστανδινγ οφ τηε φυνχτιονσ οφ γενεσ ανδ τηειρ προτεινσ το α µυχη δεεπερ λεϖελ. Γ ενε ταργετινγ ο⇑ερσ ινϖεστιγατορσ α νεω ωαψ το δο µαµµαλιαν γε− νετιχσ∇τηατ ισ, το δετερµινε ηοω γενεσ µεδιατε ϖαριουσ βιολογιχαλ προ− χεσσεσ. Τηισ τεχηνιθυε ωασ νεεδεδ βε− χαυσε τηε χλασσιχαλ µετηοδσ οφ γενετ− Copyright 1994 Scientific American, Inc. ιχσ, ωηιχη ηαϖε βεεν ηιγηλψ συχχεσσφυλ ιν αναλψζινγ βιολογιχαλ προχεσσεσ ιν σιµπλερ οργανισµσ, ωερε νοτ ρεαδιλψ αδαπταβλε το οργανισµσ ασ χοµπλεξ ασ µαµµαλσ. Ιφ γενετιχιστσ ωαντ το λεαρν, φορ εξαµ− πλε, ηοω σινγλε−χελλ οργανισµσ, συχη ασ βαχτερια ορ ψεαστ, ρεπλιχατε τηειρ ∆ΝΑ, τηεψ χαν εξποσε α βιλλιον ορ µορε ινδι− ϖιδυαλσ το α ∆ΝΑ−δαµαγινγ χηεµιχαλ (α µυταγεν). Βψ χηοοσινγ τηε ριγητ δοσαγε οφ µυταγεν, τηεψ χαν ενσυρε τηατ εαχη ινδιϖιδυαλ ιν τηατ ποπυλατιον χαρριεσ α µυτατιον ιν ονε ορ µορε γενεσ. Φροµ τηισ ποπυλατιον οφ µυταγενιζεδ βαχτε− ρια ορ ψεαστ, τηε γενετιχιστσ χαν ιδεντιφψ ινδιϖιδυαλσ νοτ χαπαβλε οφ ρεπλιχατινγ τηειρ ∆ΝΑ. Τηε υσε οφ συχη α λαργε µυ− ταγενιζεδ ποπυλατιον µακεσ ιτ λικελψ τηατ σεπαρατε ινδιϖιδυαλσ ωιλλ βε φουνδ ωιτη µυτατιονσ ιν εαχη οφ τηε γενεσ ρε− θυιρεδ φορ ∆ΝΑ ρεπλιχατιον. ( Φορ α προ− χεσσ ασ χοµπλιχατεδ ασ δυπλιχατινγ τηε βαχτεριαλ ορ ψεαστ γενοµε, µορε τηαν Ηοω Ταργετεδ Γενε Ρεπλαχεµεντ Ισ Αχχοµπλισηεδ ιν Χυλτυρεδ Χελλσ 1. Workers alter copies of a gene (strip at far left) in the test tube to pro- 2. Once a vector, with its dual markers, is comduce what is called the targeting vector (lengthened strip). The gene shown here has been inactivated by insertion of the neo r gene (green) into a protein coding region (blue). The neo r gene will serve later as a marker to indicate that the vector DNA took up residence in a chromosome. The vector has also been engineered to carry a second marker at one end: the herpes tk gene (red). These markers are standard, but others could be used instead. TARGETING VECTOR CLONED GENE plete, it is introduced into cells (gray) isolated from a mouse embryo. tk CELLS TO BE ALTERED neo r EXON 2 EXON 1 (PROTEIN CODING DOMAIN) 100 γενεσ αρε ινϖολϖεδ.) Ονχε τηε ινδι− ϖιδυαλ γενεσ αρε ιδεντι⇒εδ, τηειρ σπεχιφ− ιχ ρολε ιν ∆ΝΑ ρεπλιχατιον, συχη ασ ωηιχη γενεσ χοντρολ τηε δεχισιον το χοπψ τηε ∆ΝΑ ανδ ωηιχη χοντρολ τηε αχχυραχψ ανδ ρατε οφ χοπψινγ, χαν βε δετερµινεδ. Σιµιλαρ αππροαχηεσ ηαϖε βεεν απ− πλιεδ το µυλτιχελλυλαρ οργανισµσ, ωηιχη αρε µορε χοµπλεξ. Τωο φαϖοριτεσ οφ γε− νετιχιστσ αρε Χαενορηαβδιτισ ελεγανσ, α τινψ, σοιλ−δωελλινγ ωορµ, ανδ ∆ροσοπηι− λα µελανογαστερ, α χοµµον φρυιτ ⇓ψ. Βυτ εϖεν ιν τηεσε ρελατιϖελψ σιµπλε φορµσ οφ µυλτιχελλυλαρ οργανισµσ, ιδεντιφψινγ αλλ τηε γενεσ ινϖολϖεδ ιν α σπεχι⇒χ βιολογι− χαλ προχεσσ ισ µορε δεµανδινγ. Α νυµβερ οφ φαχτορσ χοντριβυτε το τηισ ινχρεασεδ δι⇔χυλτψ. Ονε ισ τηε σιζε οφ τηε γενοµε. Τηε γενοµε οφ τηε βαχ− τεριυµ Εσχηεριχηια χολι ινχλυδεσ ονλψ 3,000 γενεσ, ωηερεασ τηατ οφ ∆. µελανο− γαστερ χονταινσ ατ λεαστ 20,000 γενεσ; τηε µουσε γενοµε χονταινσ 10 τιµεσ τηατ νυµβερ. Ωιτη αδδεδ γενεσ χοµεσ αδδεδ χοµπλεξιτψ, βεχαυσε τηε γενεσ φορµ µορε ιντριχατε, ιντεραχτινγ νετ− ωορκσ. Τραχινγ τηε ε⇑εχτ οφ ανψ ονε γενε ιν συχη αν ινϖολϖεδ νετωορκ ισ α φορµιδαβλε τασκ. Μορεοϖερ, τηε λαργερ σιζε οφ µυλτιχελ− λυλαρ οργανισµσ πλαχεσ πραχτιχαλ λιµιτσ ον τηε νυµβερ οφ ινδιϖιδυαλσ τηατ χαν βε ινχλυδεδ ιν α µυταγενεσισ εξπερι− µεντ. Ιτ ισ φαιρλψ σιµπλε ανδ ινεξπεν− σιϖε το σεαρχη φορ σπεχι⇒χ κινδσ οφ µυ− ταντσ αµονγ µορε τηαν α βιλλιον µυτα− γενιζεδ βαχτερια ορ ψεαστ. Ιν χοντραστ, σχρεενινγ εϖεν 100,000 µυταγενιζεδ φρυιτ ⇓ιεσ ωουλδ χονστιτυτε α λαργε εξ− περιµεντ. Βψ χοµπαρισον, τηε πραχτιχαλ λιµιτσ ον σχρεενινγ µιχε φορ α παρτιχυ− 54 VECTORS λαρ µυτατιον ωουλδ βε ρεαχηεδ ατ αβουτ 1,000 ανιµαλσ. Τηε λογιστιχαλ δι⇔χυλτιεσ οφ ιδεντιφψ− ινγ ανδ στυδψινγ γενεσ ιν µυλτιχελλυλαρ οργανισµσ αρε φυρτηερ ινχρεασεδ βψ τηε φαχτ τηατ µοστ αρε διπλοιδ∇τηειρ χελλσ χαρρψ τωο χοπιεσ οφ µοστ γενεσ, ονε ιν− ηεριτεδ φροµ τηε φατηερ ανδ α σεχονδ φροµ τηε µοτηερ. Φορ συρϖιϖαλ πυρποσ− εσ, ηαϖινγ τωο χοπιεσ οφ µοστ γενεσ ισ ϖαλυαβλε. Ιφ ονε χοπψ αχθυιρεσ α ηαρµφυλ µυτατιον, τηε οτηερ χοπψ χαν υσυαλλψ χοµπενσατε, σο τηατ νο σεριουσ χονσε− θυενχεσ ρεσυλτ. Συχη ρεδυνδανχψ, ηοω− εϖερ, µεανσ τηατ α µυτατιον ωιλλ ελιχιτ ανατοµιχαλ ορ πηψσιολογιχαλ δεφεχτσ ιν τηε οργανισµ ονλψ ιφ βοτη χοπιεσ οφ τηε γενε αρε δαµαγεδ. Ινϖεστιγατορσ προ− δυχε συχη ινδιϖιδυαλσ βψ µατινγ παρ− εντσ ωηο εαχη χαρρψ τηε µυτατιον ιν ονε χοπψ οφ τηε γενε. Αππροξιµατελψ ονε φουρτη οφ τηε ο⇑σπρινγ οφ συχη µατινγσ ωιλλ βεαρ τωο δεφεχτιϖε χοπιεσ οφ τηε γενε. Τηε νεεδ φορ µατινγσ ιντροδυχεσ δελαψσ ιν τηε αναλψσισ. ∆ εσπιτε τηε χηαλλενγεσ, τηε ιδεν− τι⇒χατιον οφ σελεχτεδ µυτατιονσ ιν ωηολε ανιµαλσ ισ υνθυεστιον− αβλψ τηε µοστ ινφορµατιϖε ωαψ το βεγιν χλαριφψινγ ανδ σεπαρατινγ τηε στεπσ βψ ωηιχη βιολογιχαλ προχεσσεσ αρε χαρριεδ ουτ. Φυρτηερµορε, ιφ ωε ωαντ το υνδερ− στανδ προχεσσεσ τηατ οχχυρ ονλψ ιν χοµ− πλεξ οργανισµσ, συχη ασ τηε µουντινγ οφ α σοπηιστιχατεδ ιµµυνε ρεσπονσε, συχη αναλψσισ µυστ βε πυρσυεδ ιν τηοσε οργανισµσ. Φορ τηεσε ρεασονσ, γενετ− ιχιστσ ιντερεστεδ ιν µαµµαλιαν δεϖελ− οπµεντ, νευραλ φυνχτιον, ιµµυνε ρε− σπονσε, πηψσιολογψ ανδ δισεασε ηαϖε τυρνεδ το τηε µουσε. Φροµ α γενετιχιστ∏σ ποιντ οφ ϖιεω, τηε µουσε ισ αν ιδεαλ µαµµαλ. Ιτ ισ σµαλλ ανδ προλι⇒χ ανδ σερϖεσ ασ α ρεµαρκαβλψ γοοδ αναλογυε φορ µοστ ηυµαν βιολογιχαλ προχεσσεσ. Ον τηε οτηερ ηανδ, τηε βρεαδτη οφ γε− νετιχ µανιπυλατιονσ τηατ χαν βε χαρριεδ ουτ ιν µιχε ηασ βεεν εξτρεµελψ λιµιτεδ ρελατιϖε το τηε οπερατιονσ τηατ αρε ποσ− σιβλε ιν σιµπλερ οργανισµσ. Βεχαυσε οφ τηε οβσταχλεσ Ι ηαϖε αλρεαδψ δεσχριβεδ, ιτ ισ νοτ πραχτιχαλ το αππλψ χλασσιχαλ τεχη− νιθυεσ το µιχε. Το ιδεντιφψ µυταγεν− ιζεδ µιχε χαρρψινγ δεφεχτσ ιν τηε γενεσ ινϖολϖεδ ιν σοµε προχεσσ οφ ιντερεστ, ρε− σεαρχηερσ ωουλδ ηαϖε το σχρεεν 10,000 το 100,000 µιχε ατ α προηιβιτιϖε χοστ. Ινστεαδ µουσε γενετιχιστσ ηαϖε ηιστορι− χαλλψ στυδιεδ µυταντ ανιµαλσ τηατ αροσε σποντανεουσλψ ωιτηιν τηειρ χολονιεσ. Ασ α ρεσυλτ οφ τηε κεεν οβσερϖατιον ανδ περσεϖερανχε βψ συχη ωορκερσ, τηε χολ− λεχτιον οφ εξιστινγ µουσε µυταντσ ισ συρπρισινγλψ λαργε ανδ ισ αν ινϖαλυαβλε ρεσουρχε φορ χοντινυεδ ρεσεαρχη. Ψετ εϖεν τηεσε ηαρδ−ωον ανιµαλσ ηαϖε δραωβαχκσ. Τηε εξιστινγ χολλεχτιον οφ µυταντ µιχε δοεσ νοτ ηαρβορ α ραν− δοµ σαµπλινγ οφ µυτατιονσ ιν τηε µουσε γενοµε. Ρατηερ ιτ χονταινσ α δισπροπορτιονατε νυµβερ οφ µυτατιονσ τηατ ρεσυλτ ιν ρεαδιλψ οβσερϖαβλε αβνορ− µαλιτιεσ ιν πηψσιολογψ ορ βεηαϖιορ. Ιν χονσεθυενχε, µανψ µυτατιονσ τηατ αφ− φεχτ χοατ χολορ αρε πρεσεντ ιν τηισ χολ− λεχτιον, ωηερεασ µυτατιονσ τηατ α⇑εχτ εαρλψ δεϖελοπµεντ αρε υνδερρεπρεσεντ− εδ (σινχε τηεψ οφτεν ρεσυλτ ιν τηε υνδε− τεχτεδ δεατη οφ τηε εµβρψο). Φυρτηερ, τηε τασκ οφ ισολατινγ τηε γενεσ ρεσπονσιβλε φορ οϖερτ δεφεχτσ ιν ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. 3. When all goes well, homologous recombination occurs (top): 4. To isolate cells carrying a targeted mutation, workers put the vector lines up next to the normal gene (the target) on a chromosome in a cell, so that the identical regions are aligned; then those regions on the vector (together with any DNA in between) take the place of the original gene, excluding the marker at the tip (red ). In many cells, though, the full vector (complete with the extra marker) fits itself randomly into a chromosome (middle) or does not become integrated at all (bottom). all the cells into a medium containing selected drugs, here a neomycin analogue (G418) and ganciclovir. G418 is lethal to cells unless they carry a functional neo r gene, and so it eliminates cells in which no integration of vector DNA has occurred (gray). Meanwhile ganciclovir kills any cells that harbor a tk gene, thereby eliminating cells bearing a randomly integrated vector (red). Consequently, virtually the only cells that survive and proliferate are those harboring the targeted insertion (green). TARGETED INSERTION OF VECTOR DNA BY HOMOLOGOUS RECOMBINATION tk EXCISED DNA NEOMYCIN ANALOGUE GANCICLOVIR CELL WITH NO INSERTION DRUGLADEN MEDIUM VECTOR TARGET GENE IN CHROMOSOME CELLS CARRYING TARGETED MUTATION CHROMOSOME WITH TARGETED INSERTION RANDOM INSERTION CELL WITH TARGETED INSERTION CELL WITH RANDOM INSERTION αδδρεσσ πρεχισε θυεσ− τιονσ αβουτ τηε φυνχ− τιονσ οφ τηε γενε. Τηε χριτερια φορ σελεχτινγ ωηιχη γενε το µυτατε VECTOR NONTARGET GENE CHROMOSOME χαν βε βασεδ ον κνοωλ− IN CHROMOSOME WITH RANDOM INSERTION εδγε οβταινεδ φροµ ρε− σεαρχη ον µιχε ορ οτη− ερ σπεχιεσ. Φορ εξαµ− NO INSERTION πλε, ιτ ισ νοω ρελατιϖελψ στραιγητφορωαρδ το ισο− λατε α σεριεσ οφ γενεσ τηατ αρε αχτιϖε ιν τηε νεωλψ φορµινγ µουσε ηεαρτ; γενε ταργετινγ ωουλδ τηεν περµιτ δε− τερµινινγ τηε ρολε οφ εαχη οφ τηοσε γενεσ ιν ηεαρτ δεϖελοπ− VECTOR NONTARGET GENE UNCHANGED µεντ. Αλτερνατιϖελψ, ωε χαν ασχερταιν IN CHROMOSOME CHROMOSOME ωηετηερ α σετ οφ γενεσ κνοων το βε ιν− ϖολϖεδ ιν γυιδινγ τηε πατησ τακεν βψ δεϖελοπινγ νευρονσ ιν ∆. µελανογαστερ µυταντ µιχε ισ ϖερψ λαβορ ιντενσιϖε, οφ− εξιστ ανδ σερϖε α σιµιλαρ φυνχτιον ιν τηε τεν τακινγ ψεαρσ οφ χονχερτεδ ε⇑ορτ. µουσε. Ωορκερσ χαν δεδυχε µανψ στεπσ ιν− Αν ινιτιαλ αππροαχη οφτεν ινϖολϖεσ ϖολϖεδ ιν βιολογιχαλ πηενοµενα ωιτη− κνοχκινγ ουτ α γενε ιν ορδερ το εϖαλυ− ουτ εϖερ ⇒νδινγ τηε γενεσ ινϖολϖεδ. Βυτ ατε τηε χονσεθυενχεσ το τηε οργανισµ ωιτηουτ ισολατινγ τηοσε γενεσ, τηεψ χαν− οφ νοτ ηαϖινγ τηε γενε προδυχτ. Τηε νοτ µακε προγρεσσ ατ τηε µολεχυλαρ λεϖ− χονσεθυενχεσ µαψ βε χοµπλεξ ανδ ελ. Νοταβλψ, τηεψ χαννοτ δετερµινε τηε µαψ α⇑εχτ µυλτιπλε πατηωαψσ. Φυρτηερ νατυρε οφ τηε προτεινσ ενχοδεδ βψ τηε ινσιγητ ιντο τηε γενε∏σ φυνχτιον χαν βε µυτατεδ γενεσ, νορ χαν τηεψ ιδεντιφψ οβταινεδ βψ ιντροδυχινγ µορε συβτλε, δε⇒νεδ µυτατιονσ, ωηιχη µαψ α⇑εχτ τηε χελλσ ιν ωηιχη τηε γενεσ αρε αχτιϖε. Γενε ταργετινγ αλλοωσ ινϖεστιγατορσ ονλψ ονε οφ ιτσ µυλτιπλε ρολεσ. Σοον γε− το χιρχυµϖεντ συχη δι⇔χυλτιεσ. Ινϖεστι− νετιχιστσ σηουλδ βε αβλε το πλαχε γενεσ γατορσ νοω χηοοσε ωηιχη γενε το αλτερ. υνδερ χοντρολ οφ α σωιτχη. Συχη σωιτχη− Τηεψ αλσο ηαϖε ϖιρτυαλλψ χοµπλετε χον− εσ ωιλλ αλλοω ρεσεαρχηερσ το τυρν α γενε τρολ οϖερ ηοω τηατ γενε ισ µοδι⇒εδ, σο ον ανδ ο⇑ δυρινγ τηε εµβρψονιχ ορ τηατ τηε µυτατιον χαν βε ταιλορ−µαδε το ποστναταλ δεϖελοπµεντ οφ τηε µουσε. Φορ εξαµπλε, α ηψποτηετιχαλ γενε χουλδ βε ρεσπονσιβλε φορ τηε χρεατιον ανδ προπερ οπερατιον οφ α σετ οφ νερϖε χελλσ. Κνοχκινγ ουτ τηε γενε ωουλδ ρεσυλτ ιν τηε αβσενχε οφ τηοσε νευρονσ δυρινγ φορµατιον οφ τηε βραιν ανδ πρεχλυδε ασ− σεσσινγ τηε γενε∏σ αχτιϖιτψ ιν τηε αδυλτ. Ιφ τηε γενε ωερε υνδερ χοντρολ οφ α σωιτχη, ηοωεϖερ, τηε σωιτχη χουλδ βε λεφτ ον δυρινγ δεϖελοπµεντ, ανδ τηε νευρονσ ωουλδ βε φορµεδ. Ιν τηε αδυλτ τηε σωιτχη χουλδ τηεν βε τυρνεδ ο⇑, εν− αβλινγ ωορκερσ το εϖαλυατε τηε φυνχτιον οφ τηισ γενε ιν αδυλτ νευρονσ. ∆εϖελοπµεντ οφ γενε−ταργετινγ τεχη− νολογψ ηασ εϖολϖεδ οϖερ τηε παστ 15 ψεαρσ. Ιν τηε λατε 1970σ Ι ωασ εξπερι− µεντινγ ωιτη υσινγ εξτρεµελψ σµαλλ γλασσ νεεδλεσ το ινϕεχτ ∆ΝΑ διρεχτλψ ιντο τηε νυχλει οφ µαµµαλιαν χελλσ. Τηε νεε− δλεσ ωερε χοντρολλεδ βψ ηψδραυλιχαλλψ δριϖεν µιχροµανιπυλατορσ ανδ διρεχτεδ ιντο νυχλει ωιτη τηε αιδ οφ α ηιγη−ποω− ερεδ µιχροσχοπε. Τηε προχεδυρε τυρνεδ ουτ το βε εξτρεµελψ ε⇔χιεντ. Ονε ιν τηρεε το ⇒ϖε χελλσ ρεχειϖεδ τηε ∆ΝΑ ιν α φυνχτιοναλ φορµ ανδ ωεντ ον το διϖιδε ανδ σταβλψ πασσ τηατ ∆ΝΑ ον το ιτσ δαυγητερ χελλσ. Ωηεν Ι φολλοωεδ τηε φατε οφ τηεσε ∆ΝΑ µολεχυλεσ ιν χελλσ, α συρπρισινγ πηενοµενον χαπτυρεδ µψ αττεντιον. Αλτηουγη τηε νεωλψ ιντροδυχεδ ∆ΝΑ µολεχυλεσ ωερε ρανδοµλψ ινσερτεδ ιντο ονε οφ τηε ρεχιπιεντ χελλ∏σ χηροµο− σοµεσ, µορε τηαν ονε µολεχυλε χουλδ βε ινσερτεδ ατ τηατ σιτε, ανδ αλλ οφ τηεµ ωερε ιν τηε σαµε οριεντατιον. ϑυστ ασ ωορδσ ιν ανψ λανγυαγε ηαϖε αν οριεντα− ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. 55 Ηοω Ταργετεδ Γενε Ρεπλαχεµεντ Ισ Αχχοµπλισηεδ ιν Μιχε 1. Cells known as embryonic stem (ES) cells (green at far left) are isolated 2. The embryos containing the ES cells grow from a brown mouse strain and altered (by the process described in the illustration on pages 54 and 55) to carry a targeted mutation in one chromosome (inset). The ES cells are then inserted into young embryos, one of which is shown. Workers like to use the coat color of the future newborns as a guide to whether the ES cells have survived in the embryo. Hence, they typically put the ES cells into embryos that, in the absence of the ES cells, would acquire a totally black coat. Such embryos are obtained from a TARGETED NORMAL black strain (below) that lacks the MUTATION CHROMOSOME agouti gene. The agouti gene generates a brown coat even when present in cells as a single copy. to term in surrogate mothers. Then workers examine the coats of the newborns. Brown shading intermixed with black indicates that the ES cells have survived and proliferated in an animal. (Such individuals are called chimeras because they contain cells derived from two different strains of mice.) Solid black coloring, in contrast, would indicate that the ES cells had perished. NEWBORN CHIMERIC MALE (CARRYING CELLS FROM TWO MOUSE STRAINS) BLACK FEMALE ES CELLS FROM BROWN MOUSE BLASTOCYSTSTAGE EMBRYO ALTERED EMBRYO SURROGATE MOTHER EMBRYO BROWN MOUSE τιον (ιν Ενγλιση ωε ρεαδ ωορδσ φροµ λεφτ το ριγητ), σο, τοο, δο ∆ΝΑ µολεχυλεσ. Αππαρεντλψ, βεφορε χελλσ περφορµεδ ραν− δοµ ινσερτιον, σοµε µεχηανισµ ιν τηε χελλ νυχλευσ στιτχηεδ ϖιρτυαλλψ αλλ τηε ιν− τροδυχεδ ∆ΝΑ µολεχυλεσ τογετηερ ιν τηε σαµε οριεντατιον. Ωε ωεντ ον το δεµονστρατε τηατ χελλσ υσεδ α προχεσσ χαλλεδ ηοµολογουσ ρε− χοµβινατιον το αχηιεϖε συχη λινκαγεσ. Ηοµολογουσ ρεχοµβινατιον ωορκσ ονλψ ον ∆ΝΑ µολεχυλεσ ωιτη τηε σαµε νυ− χλεοτιδε σεθυενχε. Συχη µολεχυλεσ λινε υπ νεξτ το εαχη οτηερ. Τηεν βοτη µολε− χυλεσ αρε χυτ ανδ αρε ϕοινεδ το εαχη οτηερ ατ τηε χυτ ενδσ. Τηε ϕοινινγ ισ αχ− χοµπλισηεδ ωιτη συχη πρεχισιον τηατ τηε νυχλεοτιδε σεθυενχεσ ατ τηε ποιντσ οφ λινκαγε αρε νοτ αλτερεδ. Τηισ υνεξπεχτεδ οβσερϖατιον ιµπλιεδ τηατ αλλ µουσε χελλσ, ανδ πρεσυµαβλψ αλλ µαµµαλιαν χελλσ, ηαδ τηε µαχηιν− ερψ το περφορµ ηοµολογουσ ρεχοµβινα− τιον. Ατ τηε τιµε, τηερε ωασ νο ρεασον το συσπεχτ τηατ σοµατιχ χελλσ (τηοσε νοτ ινϖολϖεδ ιν σεξυαλ ρεπροδυχτιον) ωουλδ ηαϖε τηισ µαχηινερψ. Φυρτηερ, ωε κνεω τηε µαχηινερψ ωασ φαιρλψ ε⇔χιεντ βε− χαυσε ωε χουλδ µιχροινϕεχτ µορε τηαν 56 100 ∆ΝΑ µολεχυλεσ οφ τηε σαµε σε− θυενχε, ανδ τηε χελλ ωουλδ στιτχη τηεµ αλλ τογετηερ ιν τηε σαµε οριεντατιον. Ι ρεαλιζεδ ιµµεδιατελψ τηατ ιφ ωε χουλδ ηαρνεσσ τηισ µαχηινερψ το χαρρψ ουτ ηο− µολογουσ ρεχοµβινατιον βετωεεν α νεωλψ ιντροδυχεδ ∆ΝΑ µολεχυλε οφ ουρ χηοιχε ανδ τηε σαµε ∆ΝΑ σεθυενχε ιν α χελλ∏σ χηροµοσοµε, ωε ωουλδ ηαϖε τηε αβιλιτψ το ρεωριτε τηε χελλ∏σ ινστρυχ− τιον µανυαλ ατ ωιλλ. Εξχιτεδ βψ τηισ προσπεχτ, ιν 1980 Ι ρε− θυεστεδ φυνδινγ φροµ τηε γοϖερνµεντ το τεστ τηε φεασιβιλιτψ οφ γενε ταργετινγ. Το µψ δισαπποιντµεντ, τηε σχιεντιστσ ωηο ρεϖιεωεδ τηε γραντ προποσαλ ρε− ϕεχτεδ ιτ. Ιν τηειρ ϖιεω, τηε προβαβιλιτψ τηατ τηε νεωλψ ιντροδυχεδ ∆ΝΑ σε− θυενχε ωουλδ εϖερ ⇒νδ ιτσ µατχηινγ σεθυενχε ωιτηιν τηε 1,000 ϖολυµεσ οφ τηε γενετιχ ινστρυχτιον µανυαλ σεεµεδ ϖανισηινγλψ σµαλλ. ∆εσπιτε τηε ρεϕεχτιον, Ι δεχιδεδ το φοργε αηεαδ υσινγ φυνδσ Ι ωασ ρεχειϖινγ φορ ανοτηερ προϕεχτ. Ιτ ωασ α γαµβλε. Ηαδ τηε εξπεριµεντσ φαιλεδ, Ι ωουλδ ηαϖε ηαδ λιττλε µεανινγφυλ δατα το συβ− µιτ ατ γραντ ρενεωαλ τιµε. Φορτυνατελψ, τηε εξπεριµεντσ ωορκεδ. Βψ 1984, ωηεν ωε αγαιν ασκεδ φορ φυνδσ το πυρσυε τηε ρεσεαρχη, ωε ηαδ αµπλε εϖιδενχε τηατ γενε ταργετινγ ωασ ιν φαχτ φεασιβλε ιν χελλσ. Μανψ οφ τηε σαµε σχιεντιστσ ωηο ηαδ ρεϖιεωεδ τηε οριγιναλ γραντ προποσ− αλ νοω δεµονστρατεδ α σενσε οφ ηυ− µορ. Τηε χριτιθυε οφ τηε νεω προποσαλ οπενεδ ωιτη τηε στατεµεντ, Ωε αρε γλαδ τηατ ψου διδν∏τ φολλοω ουρ αδϖιχε. Η οω ισ γενε ταργετινγ ιν χελλσ αχ− χοµπλισηεδ? Τηε ⇒ρστ στεπ ισ το χλονε τηε γενε οφ ιντερεστ ανδ προπαγατε ιτ ιν βαχτερια. Τηισ προχεδυρε προϖιδεσ α πυρε σουρχε οφ ∆ΝΑ χον− ταινινγ τηε γενε. Νεξτ, ιν α τεστ τυβε, τηε νυχλεοτιδε σεθυενχε οφ τηε γενε ισ χηανγεδ το µεετ τηε πυρποσε οφ τηε εξ− περιµεντ. Τηε αλτερεδ γενε ισ ρεφερρεδ το ασ τηε ταργετινγ ϖεχτορ. Τηε ταργετινγ ϖεχτορ ισ ιντροδυχεδ ιντο λιϖινγ χελλσ βψ ανψ οφ σεϖεραλ µεανσ. Ονχε ωιτηιν τηε χελλ νυχλευσ, ιτ φορµσ α χοµπλεξ ωιτη προτεινσ χονστιτυτινγ τηε χελλ∏σ µαχηινερψ φορ ηοµολογουσ ρε− χοµβινατιον. Αιδεδ βψ τηεσε προτεινσ, ιτ σεαρχηεσ τηρουγη αλλ τηε σεθυενχεσ οφ τηε γενοµε υντιλ ιτ ⇒νδσ ιτσ χουντερ− παρτ (τηε ταργετ). Ιφ ιτ ινδεεδ δοεσ ⇒νδ ιτσ ταργετ, ιτ ωιλλ λινε υπ νεξτ το τηατ γενε ανδ ρεπλαχε ιτ. Ρεγρετταβλψ, συχη ταργετεδ ρεπλαχε− µεντ οχχυρσ ονλψ ιν α σµαλλ φραχτιον οφ τηε τρεατεδ χελλσ. Μορε οφτεν, τηε ταργετ− ινγ ϖεχτορ ινσερτσ ρανδοµλψ ατ νον− µατχηινγ σιτεσ ορ φαιλσ το ιντεγρατε ατ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. 3. Chimeric males are mated to black (non-agouti) females. Then researchers 4. Males and females carrying the mutascreen the progeny for evidence of the targeted mutation (green in inset) in the gene of interest. They exclude black mice immediately; if the animals had been born of sperm made by ES cells—and so had a chance of harboring the chosen mutation—they would be brown. Direct examination of the genes in the brown mice reveals which of those animals (boxed) inherited the targeted mutation. tion are mated to each other to produce mice whose cells carry the chosen mutation in both copies of the target gene (inset) and thus lack a functional gene. Such animals (boxed) are identified definitively by direct analyses of their DNA. Then they are examined carefully for any physical or behavioral abnormalities. MATURE CHIMERA αλλ. Ωε µυστ τηερεφορε σορτ τηρουγη τηε χελλσ το ιδεντιφψ τηοσε ιν ωηιχη ταργετ− ινγ ηασ συχχεεδεδ. Αππροξιµατελψ ονε ιν α µιλλιον τρεατεδ χελλσ ηασ τηε δε− σιρεδ ταργετεδ ρεπλαχεµεντ. Το γρεατλψ σιµπλιφψ τηε σεαρχη φορ τηατ χελλ, ωε µακε υσε οφ τωο σελεχταβλε µαρκερσ, ωηιχη αρε ιντροδυχεδ ιντο τηε ταργετινγ ϖεχτορ φροµ τηε σταρτ. Ιν− χλυσιον οφ α ποσιτιϖε σελεχταβλε µαρκ− ερ προµοτεσ συρϖιϖαλ ανδ γροωτη οφ χελλσ τηατ ηαϖε ινχορπορατεδ τηε ταργετ− ινγ ϖεχτορ, ειτηερ ατ τηε ταργετ σιτε ορ ατ α ρανδοµ λοχατιον ωιτηιν τηε γενοµε. Ινχλυσιον οφ τηε νεγατιϖε σελεχταβλε µαρκερ ηελπσ το ελιµινατε µοστ οφ τηε χελλσ τηατ ηαϖε ινχορπορατεδ τηε ταργετ− ινγ ϖεχτορ ατ α ρανδοµ λοχατιον. Τηε ποσιτιϖε µαρκερ, υσυαλλψ α νεο− µψχιν−ρεσιστανχε (νεο ρ ) γενε, ισ ποσι− τιονεδ σο τηατ ιτ ωιλλ βε ⇓ανκεδ βψ ∆ΝΑ αλσο πρεσεντ ιν τηε ταργετ γενε. Τηε νεγατιϖε µαρκερ, τψπιχαλλψ τηε τηψµι− δινε κινασε (τκ) γενε φροµ α ηερπεσ− ϖιρυσ, ισ ατταχηεδ το ονε ενδ οφ τηε ταρ− γετινγ ϖεχτορ [σεε ιλλυστρατιον ον παγεσ 54 ανδ 55 ]. Ωηεν ηοµολογουσ ρεχοµ− βινατιον οχχυρσ, τηε υνχηανγεδ σεγ− µεντσ οφ τηε χλονεδ γενε, τογετηερ ωιτη τηε νεο ρ γενε σανδωιχηεδ βετωεεν τηεµ, ρεπλαχε τηε ταργετ σεθυενχε ιν τηε χηροµοσοµε. Βυτ τηε τκ γενε, λψινγ ουτσιδε τηε ζονε οφ µατχηινγ σεθυενχ− εσ, δοεσ νοτ εντερ τηε χηροµοσοµε ανδ ισ δεγραδεδ βψ τηε χελλ. Ιν χοντραστ, ωηεν χελλσ ρανδοµλψ ινσερτ τηε ταργετ− ινγ ϖεχτορ, τηεψ στιτχη τηε εντιρε ϖεχτορ, χοµπλετε ωιτη τηε τκ γενε, ιντο τηε ∆ΝΑ. Ωηεν νο ινσερτιον οχχυρσ, τηε ϖεχτορ ανδ βοτη ιτσ µαρκερσ αρε λοστ. Ωε δο νοτ ηαϖε το εξαµινε τηε ∆ΝΑ διρεχτλψ το ιδεντιφψ τηεσε δι⇑ερεντ ουτ− χοµεσ. Ινστεαδ ωε γροω τηε χελλσ ιν α µεδιυµ χονταινινγ τωο δρυγσ, αν ανα− λογυε οφ νεοµψχιν χαλλεδ Γ418 ανδ τηε αντιηερπεσ δρυγ γανχιχλοϖιρ. Γ418 κιλλσ χελλσ τηατ λαχκ τηε προτεχτιϖε νεο ρ γενε ιν τηειρ χηροµοσοµεσ, ναµελψ, τηοσε τηατ ηαϖε φαιλεδ το ιντεγρατε ϖεχτορ ∆ΝΑ. Βυτ ιτ αλλοωσ χελλσ τηατ χαρρψ ει− τηερ ρανδοµ ορ ταργετεδ ινσερτιονσ το συρϖιϖε ανδ γροω. Χονχυρρεντλψ τηε γανχιχλοϖιρ κιλλσ ανψ χελλσ τηατ χαρρψ τηε ηερπεσ τκ γενε, ναµελψ, τηοσε τηατ ηαρ− βορ α ρανδοµ ινσερτιον. Ιν τηε ενδ, ϖιρ− τυαλλψ τηε ονλψ συρϖιϖινγ χελλσ αρε τηοσε βεαρινγ τηε ταργετεδ ινσερτιον (χελλσ ποσσεσσινγ τηε ποσιτιϖε σελεχταβλε νεο ρ γενε ανδ λαχκινγ τηε νεγατιϖε σε− λεχταβλε τκ γενε). Β ψ 1984 ωε ηαδ σηοων τηατ ιτ ωασ ποσσιβλε το ταργετ σπεχι⇒χ γενεσ ιν χυλτυρεδ µουσε χελλσ. Ωε ωερε τηεν ρεαδψ το εξτενδ τηε τεχηνολογψ το αλτερ τηε γενοµε οφ λιϖινγ µιχε. Το αχ− χοµπλιση τηισ αιµ, ωε υσεδ σπεχιαλ χελλσ δεϖελοπεδ ιν 1981 βψ Ματτηεω Η. Καυφµαν ανδ Μαρτιν ϑ. Εϖανσ οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαµβριδγε. Τηεσε χελλσ αρε εµβρψο−δεριϖεδ στεµ ( ΕΣ ) χελλσ. Συχη χελλσ αρε οβταινεδ φροµ αν εαρλψ µουσε εµβρψο. Τηεψ χαν βε χυλτυρεδ ιν πετρι δισηεσ ινδε⇒νιτελψ, ανδ τηεψ αρε πλυριποτεντ: χαπαβλε οφ γιϖινγ ρισε το αλλ χελλ τψπεσ. Ιν βριεφ, βψ τηε προχεδυρε δεσχριβεδ εαρλιερ, ωε προδυχε ΕΣ χελλσ κνοων το χαρρψ α ταργετεδ µυτατιον ιν ονε χοπψ οφ α χηοσεν γενε. Τηεν ωε πυτ τηε ΕΣ χελλσ ιντο εαρλψ µουσε εµβρψοσ, ωηιχη αρε αλλοωεδ το δεϖελοπ το τερµ. Σοµε οφ τηε ρεσυλτινγ µιχε, ωηεν µατυρε, ωιλλ προδυχε σπερµ δεριϖεδ φροµ τηε ΕΣ χελλσ. Βψ µατινγ συχη µιχε το νορµαλ µιχε, ωε γενερατε ο⇑σπρινγ τηατ αρε ηετεροζψγουσ φορ τηε µυτατιον∇τηεψ χαρρψ τηε µυτατιον ιν ονε οφ τηε τωο χοπιεσ οφ τηε γενε ιν εϖερψ χελλ. Τηεσε ηετεροζψγοτεσ ωιλλ βε ηεαλτηψ ιν µοστ ινστανχεσ, βεχαυσε τηειρ σεχ− ονδ, υνδαµαγεδ χοπψ οφ τηε γενε ωιλλ στιλλ βε φυνχτιονινγ προπερλψ. Βυτ µατ− ινγ οφ τηεσε ηετεροζψγοτεσ το βροτηερσ ορ σιστερσ βεαρινγ τηε σαµε µυτατιον ψιελδσ ηοµοζψγοτεσ: ανιµαλσ χαρρψινγ τηε ταργετεδ µυτατιον ιν βοτη χοπιεσ οφ τηε γενε. Συχη ανιµαλσ ωιλλ δισπλαψ αβ− νορµαλιτιεσ τηατ ωιλλ ρεϖεαλ τηε νορµαλ φυνχτιονσ οφ τηε ταργετ γενε ιν αλλ τηειρ τισσυεσ. Οφ χουρσε, τηε προχεδυρε ισ µορε εασ− ιλψ συµµαριζεδ τηαν χαρριεδ ουτ. Το αχ− τυαλλψ δο τηε ωορκ, ωε βεγιν βψ ινϕεχτ− ινγ ουρ µοδι⇒εδ ΕΣ χελλσ ιντο βλαστο− χψστ−σταγε εµβρψοσ, ωηιχη ηαϖε νοτ ψετ βεχοµε ατταχηεδ το τηε µοτηερ∏σ υτερ− υσ. Βεχαυσε ωε δεπενδ ον χοατ χολορ το ινδιχατε ωηετηερ τηε προχεδυρε ισ γο− ινγ αχχορδινγ το πλαν, ωε χηοοσε βλασ− ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. 57 THYROID THYROID THYMUS ΝΕΩΒΟΡΝ µουσε (αβοϖε, λεφτ ) χαρριεσ α ταργετεδ µυτατιον ιν βοτη χοπιεσ οφ α γενε χαλλεδ ΗοξΑ−3. Χονσεθυεντλψ, ιτσ βοδψ ισ µορε χυρϖεδ τηαν τηατ οφ α νορµαλ νεωβορν (σεχ− ονδ φροµ λεφτ ). Τισσυε σπεχιµενσ φροµ µυταντ (χεντερ ριγητ ) ανδ νορµαλ (φαρ ριγητ ) µιχε ρεϖεαλ τηατ συχη µυ− ταντσ αλσο λαχκ α τηψµυσ ανδ ηαϖε αν υνυσυαλλψ σµαλλ τηψροιδ γλανδ. Τηεσε δισορδερσ ανδ οτηερσ ινδιχατε τηατ τηε ΗοξΑ−3 γενε ισ νεεδεδ φορ δεϖελοπµεντ οφ τισσυεσ ανδ οργανσ τηατ οριγινατε ιν α ναρροω στριπ οφ χελλσ (χολ− ορεδ βανδ ιν δραωινγ) πρεσεντ ιν ψουνγ εµβρψοσ. τοχψστσ τηατ ωουλδ νορµαλλψ δεϖελοπ ιντο πυπσ βεαρινγ α δι⇑ερεντ χοατ χολορ τηαν ισ φουνδ ιν πυπσ προδυχεδ βψ τηε µουσε στραιν φροµ ωηιχη τηε ΕΣ χελλσ αρε οβταινεδ. Τηε στεµ χελλσ αρε ισολατεδ φροµ α βροων µουσε χαρρψινγ τωο χοπιεσ οφ τηε αγουτι γενε. Τηισ γενε, εϖεν ωηεν πρεσεντ ιν α σινγλε χοπψ, προδυχεσ βροων χολορινγ βψ χαυσινγ ψελλοω πιγ− µεντ το βε λαιδ δοων νεξτ το βλαχκ πιγ− µεντ ιν τηε ηαιρ σηαφτ. ( Προδυχτιον οφ τηε πιγµεντσ τηεµσελϖεσ ισ υνδερ τηε χοντρολ οφ οτηερ γενεσ.) Ηενχε, ωε τψπι− χαλλψ σελεχτ βλαστοχψστσ τηατ ωουλδ νορ− µαλλψ δεϖελοπ ιντο βλαχκ µιχε. ( Μιχε αχθυιρε βλαχκ χοατσ ωηεν τηε αγουτι γενε ινηεριτεδ φροµ βοτη παρεντσ ισ δε− φεχτιϖε.) Τηεν ωε αλλοω τηε εµβρψο, χονταινινγ τηε µοδι⇒εδ ΕΣ χελλσ, το γροω το τερµ ιν α συρρογατε µοτηερ. Ιφ αλλ γοεσ ωελλ, τηε αλτερεδ ΕΣ χελλσ ρεπροδυχε ρεπεατεδλψ δυρινγ τηισ τιµε, πασσινγ χοµπλετε χοπιεσ οφ αλλ τηειρ γενεσ το τηειρ δαυγητερ χελλσ. Τηεσε χελλσ µιξ ωιτη τηοσε οφ τηε εµβρψο ανδ χον− τριβυτε το τηε φορµατιον οφ µοστ µουσε τισσυεσ. Ασ α ρεσυλτ, τηε νεωβορνσ αρε χηιµερασ: τηεψ αρε χοµποσεδ οφ χελλσ δεριϖεδ βοτη φροµ τηε φορειγν ΕΣ χελλσ ανδ φροµ τηε οριγιναλ εµβρψο. Ωε ρεαδ− ιλψ ιδεντιφψ συχη χηιµερασ βψ οβσερϖινγ βροαδ σωατχηεσ οφ βροων χολορινγ ιν τηειρ οτηερωισε βλαχκ χοατσ. Ιφ τηε ανι− µαλσ βορε νο ΕΣ−δεριϖεδ χελλσ, τηεψ ωουλδ βε χοµπλετελψ βλαχκ βεχαυσε οφ 58 τηειρ λαχκ οφ φυνχτιοναλ αγουτι γενεσ. Βψ µερελψ λοοκινγ ατ τηε χηιµερασ, τηουγη, ωε χαννοτ δετερµινε ωηετηερ τηε ΕΣ χελλσ γαϖε ρισε το γερµ χελλσ, τηε ϖεηιχλε τηρουγη ωηιχη τηε ταργετεδ µυ− τατιον ισ πασσεδ το φυτυρε γενερατιονσ. Ωε ⇒νδ τηατ ουτ ονλψ ωηεν ωε µοϖε το τηε νεξτ σταγε: προδυχινγ ηετεροζψγουσ µιχε ηαρβορινγ ονε χοπψ οφ τηε µυτα− τιον ιν αλλ τηειρ χελλσ. Το γενερατε συχη ανιµαλσ, ωε µατε χηιµεριχ µαλε µιχε το βλαχκ φεµαλε µιχε λαχκινγ τηε αγουτι γενε. Αν ο⇑σπρινγ ωιλλ βε βροων ιφ τηε σπερµ τηατ φερτιλιζεδ τηε εγγ ωασ δε− ριϖεδ φροµ ΕΣ χελλσ (βεχαυσε αλλ συχη σπερµ χαρρψ τηε αγουτι γενε). Αν ο⇑− σπρινγ ωιλλ βε βλαχκ ιφ τηε σπερµ δε− ριϖεδ φροµ τηε οριγιναλ βλαστοχψστ χελλσ (ωηιχη λαχκ φυνχτιοναλ αγουτι γενεσ). Χονσεθυεντλψ, ωηεν ωε σεε βροων πυπσ, ωε κνοω τηατ τηε γενεσ χαρριεδ βψ ΕΣ χελλσ µαδε τηειρ ωαψ το τηεσε ο⇑σπρινγ. Ωε χαν τηεν τηινκ αβουτ σετ− τινγ υπ µατινγσ βετωεεν ηετεροζψγουσ σιβλινγσ ιν ορδερ το προδυχε µιχε ωιτη τωο δεφεχτιϖε χοπιεσ οφ τηε ταργετ γενε. Φιρστ, τηουγη, ωε µυστ δισχερν ωηιχη οφ τηε βροων πυπσ χαρρψ α χοπψ οφ τηε µυτατεδ γενε. Τηισ ωε δο βψ εξαµιν− ινγ τηειρ ∆ΝΑ διρεχτλψ φορ τηε ταργετεδ µυτατιον. Ωηεν µατινγσ αρε σετ υπ βε− τωεεν ηετεροζψγουσ σιβλινγσ, ονε ιν φουρ οφ τηε ο⇑σπρινγ ωιλλ ηαϖε τωο δε− φεχτιϖε χοπιεσ οφ τηε γενε. Ωε πιχκ ουτ τηε ηοµοζψγοτεσ βψ αγαιν αναλψζινγ ∆ΝΑ διρεχτλψ, τηισ τιµε λοοκινγ φορ τηε πρεσενχε οφ τωο χοπιεσ οφ τηε ταργετεδ µυτατιον. Τηεσε ανιµαλσ αρε τηεν εξ− αµινεδ χαρεφυλλψ φορ ανψ ανατοµιχαλ, πηψσιολογιχαλ ορ βεηαϖιοραλ ανοµαλιεσ τηατ χαν προϖιδε χλυεσ το τηε φυνχτιονσ οφ τηε δισρυπτεδ γενε. Τηε τοταλ προχε− δυρε φροµ χλονινγ α γενε το γενερατινγ µιχε ωιτη α ταργετεδ µυτατιον ιν τηατ γενε τακεσ αππροξιµατελψ ονε ψεαρ. Λαβορατοριεσ αλλ αρουνδ τηε ωορλδ αρε νοω αππλψινγ γενε ταργετινγ ιν µιχε το στυδψ αν αρραψ οφ βιολογιχαλ προβλεµσ. Σινχε 1989, µορε τηαν 250 στραινσ χαρ− ρψινγ σελεχτεδ γενετιχ δεφεχτσ ηαϖε βεεν προδυχεδ. Α φεω εξαµπλεσ οφ τηε εµεργινγ ⇒νδινγσ σηουλδ ιλλυστρατε τηε κινδσ οφ ινσιγητσ τηεσε ανιµαλσ χαν προϖιδε. Ι ν µψ οων λαβορατορψ, ωε ηαϖε βεεν εξπλορινγ τηε φυνχτιονσ οφ ηοµεοτ− ιχ, ορ Ηοξ, γενεσ. Τηεσε γενεσ σερϖε ασ µαστερ σωιτχηεσ ενσυρινγ τηατ διφ− φερεντ παρτσ οφ τηε βοδψ, συχη ασ τηε λιµβσ, τηε οργανσ, ανδ παρτσ οφ τηε ηεαδ, φορµ ιν τηε αππροπριατε πλαχεσ ανδ τακε ον τηε χορρεχτ σηαπεσ. Στυδιεσ οφ ηοµεοτιχ γενεσ ιν ∆ροσοπηιλα ηαϖε ψιελδεδ ιµπορταντ χλυεσ το τηειρ αχτιϖι− τιεσ [σεε Τηε Μολεχυλαρ Αρχηιτεχτσ οφ Βοδψ ∆εσιγν, βψ Ωιλλιαµ ΜχΓιννισ ανδ Μιχηαελ Κυζιορα; ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, Φεβρυαρψ]. Ψετ µανψ θυεστιονσ ρεµαιν. Φορ ινστανχε, ∆. µελανογαστερ ηασ ονλψ ειγητ Ηοξ γενεσ, ωηερεασ µιχε ανδ ηυ− µανσ εαχη ηαϖε 38. Πρεσυµαβλψ, εξ− πανσιον οφ τηε Ηοξ φαµιλψ πλαψεδ α χριτ− ιχαλ παρτ ιν τηε εϖολυτιοναρψ προγρεσ− σιον φροµ ινϖερτεβρατεσ το ϖερτεβρατεσ, συππλψινγ εξτρα µαχηινερψ νεεδεδ φορ α µορε χοµπλεξ βοδψ. Πρεχισελψ ωηατ δο αλλ 38 γενεσ δο? Βεφορε γενε ταργετινγ βεχαµε αϖαιλ− αβλε, τηερε ωασ νο ωαψ το ανσωερ τηεσε θυεστιονσ, βεχαυσε νο ονε ηαδ φουνδ µιχε ορ ηυµανσ ωιτη µυτατιονσ ιν ανψ οφ τηε 38 Ηοξ γενεσ. Μψ χολλεαγυεσ ανδ Ι αρε νοω εµβαρκινγ ον α σψστεµατιχ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. ε⇑ορτ το εσταβλιση τηε φυνχτιον οφ τηε ινδιϖιδυαλ Ηοξ γενεσ. Λατερ ωε ωιλλ ατ− τεµπτ το ιδεντιφψ ηοω τηεσε γενεσ φορµ αν ιντεραχτιϖε νετωορκ το διρεχτ τηε φορ− µατιον οφ ουρ βοδιεσ. Ασ παρτ οφ τηισ προγραµ, ωε ηαϖε δισ− χοϖερεδ τηατ ταργετεδ δισρυπτιον οφ τηε ΗοξΑ−3 γενε λεαδσ το µυλτιπλε δεφεχτσ. Μιχε χαρρψινγ τωο µυτατεδ χοπιεσ οφ τηε γενε διε ατ βιρτη φροµ χαρδιοϖασχυ− λαρ δψσφυνχτιον βρουγητ ον βψ ινχοµ− πλετε δεϖελοπµεντ οφ τηε ηεαρτ ανδ τηε µαϕορ βλοοδ ϖεσσελσ ισσυινγ φροµ ιτ. Τηεσε µιχε αρε αλσο βορν ωιτη αβερρα− τιονσ ιν µανψ οτηερ τισσυεσ, ινχλυδινγ τηε τηψµυσ ανδ παρατηψροιδ (ωηιχη αρε µισσινγ ), τηε τηψροιδ γλανδ, τηε βονε ανδ χαρτιλαγε οφ τηε λοωερ ηεαδ, ανδ τηε χοννεχτιϖε τισσυε, µυσχλε ανδ χαρτι− λαγε οφ τηε τηροατ. Τηεσε αβνορµαλιτιεσ αρε διϖερσε βυτ σηαρε ονε στρικινγ χοµµοναλιτψ : τηε α⇑εχτεδ τισσυεσ αλλ δεσχενδ φροµ χελλσ τηατ ωερε οριγιναλλψ χλυστερεδ ιν α ναρ− ροω ζονε ιν τηε υππερ παρτ οφ τηε δε− ϖελοπινγ εµβρψο. Τηε ρυδιµεντσ οφ τηε ηεαρτ, φορ ινστανχε, αρε λοχατεδ ιν τηισ ρεγιον βεφορε τηε ηεαρτ τακεσ υπ ιτσ µορε ποστεριορ λοχατιον ιν τηε χηεστ. Ιτ σεεµσ, τηεν, τηατ τηε ασσιγνµεντ οφ τηε ΗοξΑ−3 γενε ισ το οϖερσεε χονστρυχτιον οφ µανψ οφ τηε τισσυεσ ανδ οργανσ τηατ οριγινατε ιν τηισ ναρροω ρεγιον. Υνεξπεχτεδλψ, τηε δισορδερ προδυχεδ βψ κνοχκινγ ουτ τηε µουσε ΗοξΑ−3 γενε µιµιχσ τηατ φουνδ ιν αν ινηεριτ− εδ ηυµαν δισεασε κνοων ασ ∆ι Γεοργε σψνδροµε. Χηροµοσοµαλ αναλψσισ οφ πατιεντσ σηοωσ τηατ τηε ηυµαν ΗοξΑ−3 γενε ισ νοτ τηε χυλπριτ; ϖιχτιµσ δισπλαψ γενετιχ δαµαγε ον α χηροµοσοµε δισ− τινχτ φροµ τηατ ηουσινγ ΗοξΑ−3. Ωε νοω κνοω, ηοωεϖερ, τηατ τηε γενε ρε− σπονσιβλε φορ τηε σψνδροµε αχτσ βψ ιν− τερφερινγ ειτηερ ωιτη αχτιϖατιον οφ τηε ΗοξΑ−3 γενε ορ ωιτη τηε εϖεντσ σετ ιν µοτιον βψ τηε ΗοξΑ−3 γενε. Αλσο, α µουσε µοδελ φορ τηε δισεασε ισ νοω αϖαιλαβλε ανδ µαψ εϖεντυαλλψ προϖιδε χλυεσ το τρεατµεντ. Τηισ υναντιχιπατεδ βενε⇒τ υνδερσχορεσ ονχε αγαιν τηε ϖαλ− υε οφ βασιχ ρεσεαρχη: ⇒νδινγσ βορν οφ χυριοσιτψ οφτεν λεαδ το ηιγηλψ πραχτιχαλ αππλιχατιονσ. Λικε δεϖελοπµενταλ βιολογιστσ, ιµ− µυνολογιστσ ηαϖε αλσο βενε⇒τεδ φροµ γενε ταργετινγ. Τηεψ αρε νοω αππλψινγ τηισ τεχηνολογψ το δεχιπηερ τηε ινδιϖιδ− υαλ ρεσπονσιβιλιτιεσ οφ ωελλ οϖερ 50 γενεσ τηατ ιν⇓υενχε τηε δεϖελοπµεντ ανδ οπερατιον οφ τηε βοδψ∏σ τωο φορε− µοστ χλασσεσ οφ δεφενσιϖε χελλσ∇Β ανδ Τ λψµπηοχψτεσ. Χανχερ ρεσεαρχηερσ αρε εξχιτεδ βψ τηε τεχηνιθυε ασ ωελλ. Οφτεν ινϖεστιγατορσ κνοω τηατ µυτατιονσ ιν α παρτιχυλαρ γενε αρε χοµµον ιν ονε ορ µορε τυµορ τψπεσ, βυτ τηεψ δο νοτ κνοω τηε νορµαλ ρολε οφ τηε γενε. ∆ισχοϖερψ οφ τηατ ρολε υσινγ ουρ κνοχκουτ τεχηνολογψ χαν ηελπ το ρεϖεαλ ηοω τηε µυταντ φορµ οφ τηε γενε χοντριβυτεσ το µαλιγνανχψ. Τηε π53 τυµορ συππρεσσορ γενε οφ− φερσ α χασε ιν ποιντ. Τυµορ συππρεσσορ γενεσ αρε ονεσ ωηοσε ιναχτιϖατιον χον− τριβυτεσ το τηε δεϖελοπµεντ ορ προγρεσ− σιον οφ χανχερ. Μυτατιονσ ιν τηε π53 γενε αρε φουνδ ιν περηαπσ 80 περχεντ οφ αλλ ηυµαν χανχερσ, βυτ υντιλ ρεχεντλψ τηε πρεχισε ρεσπονσιβιλιτιεσ οφ τηε νορ− µαλ γενε ωερε οβσχυρε. Τηε αναλψσισ οφ µιχε ηοµοζψγουσ φορ α ταργετεδ δισ− ρυπτιον οφ π53 ινδιχατεδ τηατ π53 προβ− αβλψ αχτσ ασ α ωατχηδογ τηατ βλοχκσ ηεαλτηψ χελλσ φροµ διϖιδινγ υντιλ τηεψ ηαϖε ρεπαιρεδ ανψ δαµαγεδ ∆ΝΑ τηατ ισ πρεσεντ ιν τηε χελλ. Συχη δαµαγε οφ− τεν οχχυρσ ιν χελλσ ασ α χονσεθυενχε οφ τηε φρεθυεντ ενϖιρονµενταλ ινσυλτσ το ωηιχη ωε αρε συβϕεχτεδ. Τηε λοσσ οφ φυνχτιοναλ π53 γενεσ ελιµινατεσ τηισ σαφεγυαρδ, αλλοωινγ δαµαγεδ ∆ΝΑ το βε πασσεδ το δαυγητερ χελλσ, ωηερε ιτ παρτιχιπατεσ ιν φορµατιον οφ χανχερσ. Μ ανψ οτηερ δισεασεσ ωιλλ βε αµεναβλε το στυδψ βψ γενε ταρ− γετινγ. Μορε τηαν 5,000 ηυ− µαν δισορδερσ ηαϖε βεεν αττριβυτεδ το γενετιχ δεφεχτσ. Ασ τηε γενεσ ανδ µυ− τατιονσ φορ τηε δισορδερσ αρε ιδεντι⇒εδ, ωορκερσ χαν χρεατε πρεχισελψ τηε σαµε µυτατιονσ ιν µιχε. Τηε µουσε µοδελσ, ιν τυρν, σηουλδ µακε ιτ ποσσιβλε το τραχε ιν δεταιλ τηε εϖεντσ λεαδινγ φροµ τηε µαλφυνχτιονινγ οφ α γενε το τηε µανιφεστατιον οφ δισεασε. Α δεεπερ υν− δερστανδινγ οφ τηε µολεχυλαρ πατηολο− γψ οφ τηε δισεασε σηουλδ περµιτ τηε δε− ϖελοπµεντ οφ µορε ε⇑εχτιϖε τηεραπιεσ. Αµονγ τηε µοδελσ νοω βεινγ χον− στρυχτεδ αρε µιχε ωιτη δι⇑ερεντ µυτα− τιονσ ιν τηε χψστιχ ⇒βροσισ γενε. Τηε στυδψ οφ ατηεροσχλεροσισ, α λεαδ− ινγ χαυσε οφ στροκεσ ανδ ηεαρτ ατταχκσ, ισ αλσο βεγιννινγ το ινϖολϖε γενε ταρ− γετινγ. Ιν χοντραστ το χψστιχ ⇒βροσισ, ατηεροσχλεροσισ ισ νοτ χαυσεδ βψ µυτα− τιονσ ιν α σινγλε γενε. ∆εφεχτσ ιν α νυµ− βερ οφ γενεσ χοµβινε ωιτη ενϖιρον− µενταλ φαχτορσ το προµοτε τηε βυιλδυπ οφ πλαθυε ιν αρτεριεσ. Νεϖερτηελεσσ, προµισινγ µουσε µοδελσ ηαϖε βεεν µαδε βψ αλτερατινγ γενεσ κνοων το βε ινϖολϖεδ ιν τηε προχεσσινγ οφ τριγλψχ− εριδεσ ανδ χηολεστερολ. Ι αλσο αντιχιπατε τηατ µουσε µοδελσ φορ ηψπερτενσιον, ανοτηερ χυλπριτ ιν ηεαρτ δισεασε ανδ στροκε, ωιλλ σοον βε δεϖελοπεδ, νοω τηατ γενεσ τηουγητ το παρτιχιπατε ιν ιτσ δεϖελοπµεντ αρε βεινγ ιδεντι⇒εδ. Ασ υνδερστανδινγ οφ τηε γενετιχ χον− τριβυτιον το δισεασε ινχρεασεσ, σο ωιλλ τηε δεσιρε το χορρεχτ τηε δεφεχτσ βψ γενε τηεραπψ. Ατ τηε µοµεντ, τηε τεχη− νιθυεσ υσεδ φορ γενε τηεραπψ ρελψ ον ρανδοµ ινσερτιον οφ ηεαλτηψ γενεσ ιντο χηροµοσοµεσ, το χοµπενσατε φορ τηε δαµαγεδ ϖερσιον. Βυτ τηε ινσερτεδ γενεσ οφτεν δο νοτ φυνχτιον ασ ε⇑εχτιϖελψ ασ τηεψ ωουλδ ιφ τηεψ οχχυπιεδ τηειρ ασ− σιγνεδ πλαχεσ ον τηε χηροµοσοµε. Ιν πρινχιπλε, γενε ταργετινγ χαν προϖιδε α σολυτιον το τηισ προβλεµ. Ψετ, βεφορε ιτ χαν βε υσεδ το χορρεχτ τηε δεφεχτιϖε γενε ιν α πατιεντ∏σ τισσυε, ινϖεστιγατορσ µαψ νεεδ το εσταβλιση χυλτυρεσ οφ χελλσ αβλε το παρτιχιπατε ιν φορµατιον οφ τηατ τισσυε ιν αδυλτσ. Συχη χελλσ, ωηιχη λικε τηε ΕΣ χελλσ ιν ουρ στυδιεσ αρε τερµεδ στεµ χελλσ, αρε κνοων το βε πρεσεντ ιν βονε µαρροω, λιϖερ, λυνγσ, σκιν, ιντεσ− τινεσ ανδ οτηερ τισσυεσ. Βυτ ρεσεαρχη ιντο ωαψσ το ισολατε ανδ χυλτυρε τηεσε χελλσ ισ στιλλ ιν ιτσ ινφανχψ. Βεφορε τηε τεχηνιχαλ ηυρδλεσ το βροαδ αππλιχατιον οφ ουρ µετηοδσ ιν γενε τηεραπψ αρε συρµουντεδ, γενε ταργετ− ινγ ωιλλ ⇒νδ χοµµον υσαγε ιν τηε στυδψ οφ µαµµαλιαν νευροβιολογψ. Αλρεαδψ µιχε ηαϖε βεεν πρεπαρεδ ωιτη ταργετεδ µυτατιονσ τηατ αλτερ τηειρ αβιλιτψ το λεαρν. Ασ ινχρεασινγ νυµβερσ οφ νευραλ− σπεχι⇒χ γενεσ αρε ιδεντι⇒εδ, τηε παχε οφ τηισ ρεσεαρχη ωιλλ συρελψ ιντενσιφψ. Ωε χαν αντιχιπατε χοντινυεδ ιµ− προϖεµεντσ ιν γενε−ταργετινγ τεχηνολο− γψ, βυτ ιτ ηασ αλρεαδψ χρεατεδ οππορτυ− νιτιεσ το µανιπυλατε τηε µαµµαλιαν γενοµε ιν ωαψσ τηατ ωερε υνιµαγιν− αβλε εϖεν α φεω ψεαρσ αγο. Το σιγνι⇒− χαντλψ αιδ ιν δεχιπηερινγ τηε µεχηα− νισµσ υνδερλψινγ συχη χοµπλεξ προ− χεσσεσ ασ δεϖελοπµεντ ορ λεαρνινγ ιν µαµµαλσ, ρεσεαρχηερσ ωιλλ ηαϖε το χαλλ ον εϖερψ βιτ οφ τηειρ αϖαιλαβλε ινγενυ− ιτψ, χαρεφυλλψ δεχιδινγ ωηιχη γενεσ το αλτερ ανδ µοδιφψινγ τηοσε γενεσ ιν ωαψσ τηατ ωιλλ βρινγ φορτη ινφορµατιϖε ανσωερσ. Γενε ταργετινγ οπενσ α βροαδ ρανγε οφ ποσσιβιλιτιεσ φορ γενετιχ µα− νιπυλατιονσ, τηε λιµιτατιονσ οφ ωηιχη ωιλλ βε σετ ονλψ βψ τηε χρεατιϖε λιµιτσ οφ ουρ χολλεχτιϖε ιµαγινατιον. ΦΥΡΤΗΕΡ ΡΕΑ∆ΙΝΓ ΤΗΕ ΝΕΩ ΜΟΥΣΕ ΓΕΝΕΤΙΧΣ: ΑΛΤΕΡΙΝΓ ΤΗΕ ΓΕΝΟΜΕ ΒΨ ΓΕΝΕ ΤΑΡΓΕΤΙΝΓ. Μ. Ρ. Χαπεχχηι ιν Τρενδσ ιν Γενετιχσ, ςολ. 5, Νο. 3, παγεσ 70∠76; Μαρχη 1989. ΑΛΤΕΡΙΝΓ ΤΗΕ ΓΕΝΟΜΕ ΒΨ ΗΟΜΟΛΟΓΟΥΣ ΡΕΧΟΜΒΙΝΑΤΙΟΝ. Μ. Ρ. Χαπεχχηι ιν Σχι− ενχε, ςολ. 244, παγεσ 1288∠1292; ϑυνε 16, 1989. ΡΕΓΙΟΝΑΛΛΨ ΡΕΣΤΡΙΧΤΕ∆ ∆ΕςΕΛΟΠΜΕΝ− ΤΑΛ ∆ΕΦΕΧΤΣ ΡΕΣΥΛΤΙΝΓ ΦΡΟΜ ΤΑΡΓΕΤ− Ε∆ ∆ΙΣΡΥΠΤΙΟΝ ΟΦ ΤΗΕ ΜΟΥΣΕ ΗΟΜΕΟ− ΒΟΞ ΓΕΝΕ ΗΟΞ−1.5. Ο. Χηισακα ανδ Μ. Ρ. Χαπεχχηι ιν Νατυρε, ςολ. 350, Νο. 6318, παγεσ 473∠479; Απριλ 11, 1991. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. 59 Ηιγη−Σπεεδ Σιλιχον− Γερµανιυµ Ελεχτρονιχσ The author has helped create electronic devices that outperform traditional silicon technology yet remain compatible with standard manufacturing methods βψ Βερναρδ Σ. Μεψερσον Σ ιλιχον−βασεδ λογιχ χηιπσ αρε σο µυχη α παρτ οφ µοδερν λιφε τηατ τηε σινγινγ ατ α βιρτηδαψ παρτψ ισ ασ λικελψ το χοµε φροµ τηε βιρτηδαψ χαρδ ασ φροµ τηε παρτψ γυεστσ. ∆εσπιτε τηισ περϖασιϖε συχχεσσ, σοµε ωορκερσ ηαϖε βεεν αργυινγ φορ ψεαρσ τηατ σιλιχον τεχηνολογψ ισ νεαρινγ ιτσ πηψσιχαλ λιµ− ιτσ. Τηε τραδιτιοναλ τεχηνολογψ, τηεψ φεαρ, χαννοτ ατταιν ηιγηερ σπεεδσ ωιτη− ουτ βεινγ σηρυνκ το α ποιντ ατ ωηιχη τηε δεϖιχεσ χαν νο λονγερ φυνχτιον. Ιφ σο, χοντινυεδ προγρεσσ ιν ελεχτρονιχσ ωουλδ δεπενδ ον ⇒νδινγ αν αλτερνατιϖε το σιλ− ιχον, ανδ τηε γιαντ ελεχτρονιχσ ινδυστρψ ωουλδ φαχε α δι⇔χυλτ ανδ χοστλψ περιοδ οφ τρανσιτιον. Ισ σιλιχον ρεαλλψ ηεαδεδ ιντο ιτσ τωιλιγητ ψεαρσ, ασ σο µανψ ωριτ− ερσ ανδ ρεσεαρχηερσ ηαϖε χλαιµεδ? Το παραπηρασε Μαρκ Τωαιν, τηε ρε− πορτσ οφ τηε δεµισε οφ σιλιχον τεχηνολο− γψ ηαϖε βεεν γρεατλψ εξαγγερατεδ. Ιν χολλαβορατιον ωιτη α τεαµ ατ ΙΒΜ Ρε− σεαρχη ανδ Μανυφαχτυρινγ, Ι ηαϖε εξ− πλορεδ µετηοδσ φορ εξτενδινγ τηε περ− φορµανχε οφ σιλιχον τεχηνολογψ βψ µοδ− ιφψινγ τηε χοµποσιτιον οφ τηε χηιπσ. Ιν ΒΕΡΝΑΡ∆ Σ. ΜΕΨΕΡΣΟΝ ηασ εξτενσιϖε− λψ εξπλορεδ τηε ποτεντιαλ υσεσ οφ νοντρα− διτιοναλ σεµιχονδυχτινγ µατεριαλσ. Ηε ρεχειϖεδ ηισ Πη.∆. ιν πηψσιχσ φροµ τηε Χιτψ Υνιϖερσιτψ οφ Νεω Ψορκ ιν 1981. Αφ− τερ γραδυατιον, ηε ϕοινεδ τηε στα⇑ οφ τηε ΙΒΜ Τηοµασ ϑ. Ωατσον Ρεσεαρχη Χεντερ, ωηερε ηε νοω µαναγεσ τηε ελεχτρονιχ µατεριαλσ γρουπ ιν τηε χεντερ∏σ πηψσιχαλ σχιενχεσ ανδ τεχηνολογψ δεπαρτµεντ. Ιν 1992 ηε ωασ απποιντεδ αν ΙΒΜ Φελλοω. Μεψερσον ηασ εξπλορεδ τεχηνιθυεσ φορ γροωινγ χρψσταλ αλλοψσ ατ υνυσυαλλψ λοω τεµπερατυρεσ, ωηιχη ηασ οπενεδ υπ νεω ποσσιβιλιτιεσ ιν σεµιχονδυχτορ δεσιγν. Τηισ ωορκ λεδ ηιµ το ινϖεντ τηε υλτραηιγη ϖαχυυµ/χηεµιχαλ ϖαπορ δεποσιτιον τεχη− νιθυε, τηε µετηοδ τηατ περµιττεδ τηε συχχεσσφυλ φαβριχατιον οφ ηιγη−σπεεδ σιλι− χον−γερµανιυµ τρανσιστορσ. 62 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 τηε παστ, τηε στυννινγ ιµπροϖεµεντσ ιν τηε σπεεδ ανδ ϖερσατιλιτψ οφ σιλιχον ελεχ− τρονιχσ ηαϖε µοστλψ ρεσυλτεδ φροµ τηε µινιατυριζατιον οφ χιρχυιτρψ. Ωε ηαϖε χονχεντρατεδ ινστεαδ ον υσινγ µατερι− αλσ τηατ σηαρπλψ ινχρεασε τηε ϖελοχιτψ οφ ελεχτρονσ τηρουγη τηε ελεχτρονιχ δεϖιχ− εσ, τηερεβψ ο⇑ερινγ αν αλτερνατιϖε ρουτε το φαστερ περφορµανχε. Ουρ ε⇑ορτσ ηαϖε δεµονστρατεδ τηατ αν αλλοψ οφ σιλιχον ανδ γερµανιυµ, τωο ωελλ−κνοων σεµι− χονδυχτινγ ελεµεντσ, χαν φορµ τηε βασισ οφ εξχεπτιοναλλψ ηιγη σπεεδ τρανσιστορσ. Τρανσιστορσ αρε τηε σιµπλε σωιτχηεσ τηατ λιε ατ τηε ηεαρτ οφ µοδερν ελεχτρονιχσ. Τηεσε νεωλψ δεϖελοπεδ δεϖιχεσ ατταιν σωιτχηινγ σπεεδσ ονχε τηουγητ το λιε βεψονδ τηε χαπαβιλιτιεσ οφ σιλιχον τεχη− νολογψ. Μορεοϖερ, τηεψ χαν βε προδυχεδ ον εξιστινγ χηιπ−φαβριχατιον λινεσ, πρε− σερϖινγ τηε µυλτιβιλλιον−δολλαρ ινϖεστ− µεντ συχη φαχιλιτιεσ ρεπρεσεντ. Φορ τηεσε ρεασονσ, Ι εξπεχτ τηατ σιλιχον τεχηνολο− γψ ωιλλ χοντινυε το δοµινατε ελεχτρον− ιχσ δεσιγν∇ινδεεδ, Ι πρεδιχτ τηατ ιτ ωιλλ σοον ρεχλαιµ φυνχτιονσ τηατ τοδαψ ηαϖε βεεν αβανδονεδ το οτηερ, µορε εξοτιχ µατεριαλσ. Ι ν χονχερτ ωιτη α χιρχυιτ δεσιγν τεαµ φροµ Αναλογ ∆εϖιχεσ, ΙΒΜ ηασ ϕυστ αννουνχεδ τηε ⇒ρστ χοµµερχιαλ προδυχτσ τηατ ινχορπορατε ηιγη−περφορ− µανχε σιλιχον−γερµανιυµ τρανσιστορσ. Ιν τηε νεξτ φεω ψεαρσ συχη τρανσιστορσ ανδ οτηερ δεϖιχεσ βασεδ ον σιλιχον−γερ− µανιυµ αλλοψ ωιλλ προβαβλψ ⇒νδ α ηοµε ιν α ωιδε ρανγε οφ προδυχτσ, ινχλυδινγ περσοναλ χοµµυνιχατιονσ γεαρ ανδ ελεχ− τρονιχ σιγναλ χονϖερτερσ, ωηιχη δραω διγιταλ δατα φροµ τηε νετωορκ οφ ⇒βερ− οπτιχ χαβλεσ ραπιδλψ προλιφερατινγ αχροσσ τηε χουντρψ. Α φυνδαµενταλ φαχτορ χοντρολλινγ τηε χαπαβιλιτψ οφ χοµπυτερσ ανδ οτηερ ελεχ− τρονιχσ ισ τηε οπερατινγ σπεεδ οφ τηειρ χοµπονεντ δεϖιχεσ. Οϖερ τηε παστ φεω δεχαδεσ µινιατυριζατιον ηασ βεεν τηε κεψ το φαστερ περφορµανχε. Τηε µοστ βασιχ δεϖιχε ιν µοδερν ελεχτρονιχ χιρ− χυιτσ ισ τηε τρανσιστορ, ωηιχη φυνχτιονσ ασ α σιµπλε ον−ο⇑ σωιτχη. Τηατ σωιτχη− ινγ αχτιον φορµσ τηε βασισ οφ τηε διγιταλ χοµπυτερ. Α χλοσερ λοοκ ατ τηε δεσιγν οφ τρανσιστορσ χλαρι⇒εσ ηοω τηεψ οπερ− ατε ανδ ωηψ σηρινκινγ τηεµ ιµπροϖεσ τηειρ φυνχτιον. Συχη αν εξαµινατιον αλσο ελυχιδατεσ ωηψ τηε σιζε−ρεδυχτιον προ− χεσσ χαννοτ βε εξτενδεδ ινδε⇒νιτελψ. Σιλιχον−βασεδ ελεχτρονιχσ ινχορπορατεσ τωο µαιν κινδσ οφ τρανσιστορσ: βιπολαρ τρανσιστορσ ανδ ⇒ελδ−ε⇑εχτ τρανσιστορσ. Ιν α ⇒ελδ−ε⇑εχτ τρανσιστορ, ελεχτριχ χυρ− ρεντ εντερσ φροµ α λοχατιον κνοων ασ τηε σουρχε ανδ εξιτσ ϖια τηε δραιν. Τηε ρεγιον τηρουγη ωηιχη τηε χυρρεντ τρα− ϖερσεσ τηε δεϖιχε ισ χαλλεδ τηε χηαννελ. Παρτ οφ τηε τρανσιστορ, τερµεδ τηε γατε, χοντρολσ τηε ⇓οω οφ χυρρεντ τηρουγη τηε χηαννελ. Τηε γατε δοεσ ιτσ ϕοβ βψ χρεατ− ινγ αν ελεχτριχ ⇒ελδ τηατ χαν ειτηερ ⇒λλ ορ εµπτψ τηε χηαννελ οφ χηαργε, τηερε− βψ σταρτινγ ορ στοππινγ τηε ⇓οω οφ χυρ− ρεντ. Ωηεν χυρρεντ χαν µοϖε τηρουγη τηε χηαννελ, τηε δεϖιχε ισ ον; ωηεν νο χυρρεντ ⇓οωσ, ιτ ισ ο⇑. Τηε ⇒ελδ−ε⇑εχτ τρανσιστορ ηασ α σιγ− νι⇒χαντ αδϖανταγε: ιτ χονσυµεσ α µοδ− εστ αµουντ οφ ποωερ. Το οπερατε συχη α τρανσιστορ, ονε νεεδ ονλψ χηαργε τηε γατε το σοµε χριτιχαλ ϖολταγε. Ονχε τηε γατε χονταινσ αν αδεθυατε χηαργε, νο φυρτηερ χυρρεντ ισ νεχεσσαρψ το µαιν− ταιν τηε τρανσιστορ ιν ιτσ ον ορ ο⇑ στατε. Εξχεπτ δυρινγ σωιτχηινγ, τηερεφορε, ⇒ελδ−ε⇑εχτ τρανσιστορσ δραω εσσεντιαλλψ νο ποωερ. Φορ τηισ ρεασον, τηεσε δεϖιχ− εσ αρε ιδεαλλψ συιτεδ φορ αππλιχατιονσ ΙΝΝΟςΑΤΙςΕ ΤΡΑΝΣΙΣΤΟΡ σεεν ιν τηισ µιχρογραπη χονσιστσ οφ α µιξ οφ σιλιχον ανδ σιλιχον−γερµανιυµ αλλοψ. Φουρ ψεαρσ αγο τηισ δεϖιχε σηοωεδ τηατ τηε νεω τεχηνολογψ χαν γρεατλψ συρπασσ τηε σπεεδ οφ τραδιτιοναλ σιλιχον ελεχτρονιχσ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. τηατ ρεθυιρε λοω ποωερ χονσυµπτιον: ιν πορταβλε χοµπυτερσ, φορ εξαµπλε, νοτ το µεντιον ιν τηε σινγινγ βιρτηδαψ χαρδ. Ηιγη−περφορµανχε χοµπυτερσ, ιν χον− τραστ, ηαϖε ρελιεδ πριµαριλψ ον βιπολαρ τρανσιστορσ, ωηιχη χαν οπερατε σιγνι⇒− χαντλψ φαστερ βυτ χονσυµε α γοοδ δεαλ µορε ποωερ. Ιν τηε µοστ χοµµον χλασσ οφ βιπολαρ τρανσιστορσ, τηε ΝΠΝ (νεγα− τιϖε−ποσιτιϖε−νεγατιϖε) δεϖιχε, ελεχτρονσ ⇓οω φροµ τηε εµιττερ το τηε χολλεχτορ ρεγιονσ. Ωηεν τηε τρανσιστορ ισ αχτιϖατ− εδ, α σµαλλ χυρρεντ ισ ινϕεχτεδ ιντο τηε βασε ρεγιον οφ τηε τρανσιστορ. Τηατ χυρ− ρεντ λοωερσ α χονσταντ, βυιλτ−ιν ενεργψ βαρριερ τηατ βλοχκσ τηε ⇓οω οφ ελεχ− τρονσ. Ασ τηε βαρριερ δροπσ, χυρρεντ βε− γινσ το πασσ τηρουγη τηε τρανσιστορ, ανδ τηε δεϖιχε σωιτχηεσ το αν ον στατε. Τηε αµουντ οφ χυρρεντ µοϖινγ τηρουγη τηε δεϖιχε ισ προπορτιοναλ το, βυτ µυχη λαργερ τηαν, τηε αµουντ ινϕεχτεδ ιντο τηε βασε. Τηε βασε οφ α βιπολαρ τρανσιστορ µυστ χονταιν α χονσταντ ελεχτριχαλ χηαργε συ⇔χιεντ το κεεπ τηε ενεργψ βαρριερ υπ Copyright 1994 Scientific American, Inc. (σο τηατ τηε τρανσιστορ σταψσ ο⇑) ωηεν νο χυρρεντ ισ αππλιεδ το τηε βασε. Ενγι− νεερσ χρεατε συχη βυιλτ−ιν χηαργεσ βψ ιντροδυχινγ σπεχι⇒χ ιµπυριτιεσ, ορ δοπ− αντ ατοµσ, ιντο τηε σιλιχον ωηεν τηε τρανσιστορ ισ φαβριχατεδ. ∆επενδινγ ον τηε νατυρε οφ τηε δοπαντ ατοµσ, τηεψ αδδ α νετ ποσιτιϖε ορ νεγατιϖε χηαργε το τηε σιλιχον. ∆οπεδ σιλιχον ισ κνοων ασ ν−τψπε σιλιχον ιφ ιτ χονταινσ αν εξχεσσ οφ νεγατιϖε χηαργεσ ορ π−τψπε σιλιχον ιφ ποσιτιϖε χηαργεσ δοµινατε. Τηε φυνχτιον οφ α βιπολαρ τρανσιστορ δεπενδσ ον τηε ελεχτριχαλ προπερτιεσ ατ τηε ιντερφαχε βετωεεν ν−τψπε ανδ π− τψπε σιλιχον. Αν ιντερφαχε βετωεεν τωο ρεγιονσ οφ σεµιχονδυχτορ ηαϖινγ τηε σαµε βασιχ χοµποσιτιον∇σιλιχον, ιν µοστ χασεσ∇βυτ οπποσινγ τψπεσ οφ δοπ− ινγ ισ χαλλεδ α ηοµοϕυνχτιον. Τηε µεετ− ινγ οφ τωο δισσιµιλαρ µατεριαλσ ισ κνοων ασ α ηετεροϕυνχτιον. Ηοµοϕυνχτιονσ αρε φαρ µορε εασιλψ φαβριχατεδ, σο τηεψ δοµ− ινατε ιν πρεσεντ χιρχυιτ δεσιγνσ. Τηε σιζε οφ α τρανσιστορ, ωηετηερ ⇒ελδ ε⇑εχτ ορ βιπολαρ, προφουνδλψ ιν⇓υενχεσ ιτσ σπεεδ οφ οπερατιον. Α µαϕορ φαχτορ λιµιτινγ τηε σπεεδ οφ α βιπολαρ τρανσισ− τορ, φορ εξαµπλε, ισ τηε τιµε ρεθυιρεδ φορ ελεχτρονσ το µοϖε αχροσσ τηε βασε. Α δεχρεασε ιν τηε τηιχκνεσσ οφ τηε βασε ρεδυχεσ τηε διστανχε τηατ ελεχτρονσ µυστ τραϖελ ανδ σο ινχρεασεσ τηε ρατε ατ ωηιχη τηε τρανσιστορ χαν σωιτχη ον ανδ ο⇑. Α τηιννερ βασε, ιν τυρν, µακεσ ιτ ποσσιβλε το σηρινκ τηε συρφαχε αρεα οφ τηε εντιρε τρανσιστορ. Τηε σµαλλερ αρεα περµιτσ α τιγητερ παχκινγ οφ τηε τραν− σιστορσ, ωηιχη ιµπροϖεσ τηε περφορ− µανχε οφ τηε οϖεραλλ χηιπ βψ διµινιση− ινγ τηε διστανχεσ τηατ ελεχτριχαλ σιγναλσ µυστ τραϖερσε βετωεεν τρανσιστορσ. Σιζε ρεδυχτιον λεαδσ το σιµιλαρ ιµπροϖε− µεντσ ιν τηε περφορµανχε οφ ⇒ελδ−εφ− φεχτ τρανσιστορσ. Φορ τηεσε ρεασονσ, τεχηνολογιστσ ηαϖε φοχυσεδ ον χρεατινγ εϖερ σµαλλερ τραν− σιστορσ. Τηισ στρατεγψ φορ ενηανχινγ τηε φυνχτιον οφ αν ελεχτρονιχ δεϖιχε βψ ρε− δυχινγ ιτσ χριτιχαλ διµενσιονσ ισ χοµ− µονλψ ρεφερρεδ το ασ σχαλινγ. Αλτηουγη σχαλινγ ηασ λεδ το µανψ ψεαρσ οφ ιµ− EMITTER SOURCE DRAIN INSULATOR COLLECTOR CONTACT INSULATORS BASE CONTACT GATE INSULATOR CHANNEL SILICONGERMANIUM BASE ΦΙΕΛ∆−ΕΦΦΕΧΤ ΤΡΑΝΣΙΣΤΟΡ (λεφτ ) οπερατεσ βψ µοδυλατινγ τηε ιντενσιτψ οφ τηε ελεχτριχ ⇒ελδ ιν τηε γατε. ∆επενδινγ ον τηε δε− σιγν οφ τηε τρανσιστορ, τηατ ⇒ελδ χαν ειτηερ εναβλε ορ ηαλτ τηε ⇓οω οφ χυρρεντ τηρουγη τηε χηαννελ, φροµ τηε σουρχε το τηε δραιν. Ωηεν χυρρεντ πασσεσ τηρουγη τηε χηαννελ, τηε τρανσισ− τορ ισ ιν ιτσ ον στατε. Α βιπολαρ τρανσιστορ (ριγητ ) σωιτχηεσ ον προϖεµεντ ιν τηε σπεεδ ανδ ⇓εξιβιλιτψ οφ σιλιχον−βασεδ ελεχτρονιχσ, τηε τρενδ χαννοτ χοντινυε ινδε⇒νιτελψ. Α χονσιδ− ερατιον οφ τηε νατυρε οφ βιπολαρ τρανσισ− τορσ ρεϖεαλσ τηε ρεασον φορ τηισ λιµιτ. Σχαλινγ ρεδυχεσ τηε τηιχκνεσσ ανδ ϖολυµε οφ τηε τρανσιστορ βασε, σο τηε δοπαντ δενσιτψ µυστ ρισε το κεεπ τηε τοταλ βασε χηαργε χονσταντ. Ιν εσσενχε, ονε µυστ σθυεεζε τηε σαµε τοταλ νυµ− βερσ οφ δοπαντ ατοµσ ιντο αν εϖερ σµαλλερ ϖολυµε βασε ρεγιον. Υνφορτυ− νατελψ, α σιλιχον ηοµοϕυνχτιον ηαϖινγ ϖερψ ηιγη δοπινγ λεϖελσ ον βοτη σιδεσ ωιλλ νεχεσσαριλψ λεακ χυρρεντ. Ιφ ονε χον− τινυεσ το σχαλε αν ΝΠΝ βιπολαρ τρανσισ− τορ, τηε δενσιτψ οφ δοπαντ ιν τηε βασε εϖεντυαλλψ ρεαχηεσ τηε λεϖελ ατ ωηιχη χυρρεντ πασσεσ τηρουγη τηε τρανσιστορ εϖεν ωηεν ιτ σηουλδ βε ιν ιτσ ο⇑ στατε, ρενδερινγ ιτ υσελεσσ. Χηιπ δεσιγνσ αρε βεγιννινγ το πυση σχαλινγ το ιτσ νατυραλ χονχλυσιον, σο ρε− σεαρχηερσ αρε αχτιϖελψ πυρσυινγ αλτερνα− τιϖε αππροαχηεσ το βοοστ τηε σπεεδ οφ ελεχτρονιχ δεϖιχεσ. Ινδεεδ, τηε πηψσιχαλ λιµιτ οφ σχαλινγ ισ α πριµαρψ ρεασον τηατ σοµε ενγινεερσ ηαϖε ποστυλατεδ τηε δεµισε οφ σιλιχον ιν φαϖορ οφ οτηερ, µορε εξοτιχ σεµιχονδυχτινγ µατεριαλσ, συχη ασ γαλλιυµ αρσενιδε. Βυτ ινδυστρψ ηασ αλρεαδψ ινϖεστεδ τενσ οφ βιλλιονσ οφ δολλαρσ ιν τοολσ ανδ φαχιλιτιεσ φορ φαβρι− χατινγ σιλιχον−βασεδ δεϖιχεσ. Χλεαρλψ, ιτ ωουλδ βε θυιτε αδϖανταγεουσ το ⇒νδ α πατη το φαστερ περφορµανχε τηατ δοεσ νοτ αβανδον σιλιχον. Μ υχη οφ µψ ε⇑ορτ ηασ χεντερεδ ον δεϖελοπινγ ϕυστ συχη α ρε− ϖαµπεδ σιλιχον τεχηνολογψ. Μψ πρεσεντ ε⇑ορτσ αχτυαλλψ βυιλδ ον αν ολδ ιδεα. Ιν τηε µιδ−1950σ α νυµβερ οφ ρε− σεαρχηερσ ρεχογνιζεδ τηατ ηετεροϕυνχ− τιονσ χουλδ, ιν πρινχιπλε, ο⇑ερ α ωαψ το θυιχκεν τηε σωιτχηινγ ρατε οφ α τρανσισ− τορ νοτ βψ σηρινκινγ τηε δεϖιχε βυτ βψ µοδιφψινγ ιτσ βασιχ ελεχτρονιχ προπερ− τιεσ. Νατυραλλψ οχχυρρινγ ελεχτριχ ⇒ελδσ ιν τηε τωο µατεριαλσ ατ α ηετεροϕυνχτιον 64 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 COLLECTOR ωηεν ελεχτρονσ µοϖε φροµ τηε εµιττερ το τηε χολλεχτορ. Α βυιλτ− ιν ενεργψ βαρριερ ιν τηε βασε πρεϖεντσ τηατ µοϖεµεντ. Ωηεν χυρρεντ ισ ινϕεχτεδ ιντο τηε βασε, τηε βαρριερ δροπσ, ανδ ελεχ− τρονσ ⇓οω τηρουγη τηε τρανσιστορ. Τηε βιπολαρ τρανσιστορ σηοων ηερε ινχορπορατεσ α σιλιχον−γερµανιυµ λαψερ τηατ αχχελερατεσ τηε ελεχτρονσ ανδ σπεεδσ τηε οπερατιον οφ τηε δεϖιχε. χαν χον⇒νε νεγατιϖε ορ ποσιτιϖε χηαργ− εσ ον οπποσιτε σιδεσ οφ τηε ιντερφαχε. Ιφ τηε µατεριαλ ατ τηε ϕυνχτιον χηανγεσ γραδυαλλψ φροµ ονε χοµποσιτιον το τηε οτηερ, αν εξτενδεδ ελεχτριχ ⇒ελδ χαν βε βυιλτ ιντο τηε γραδεδ ρεγιον. Ιν τηε λατε 1950σ Ηερβερτ Κροεµερ, νοω ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια ατ Σαντα Βαρβαρα, προποσεδ υσινγ τηε ⇒ελδ γενερατεδ ιν α γραδεδ ηετεροϕυνχτιον το προπελ ελεχτρονσ ραπιδλψ αχροσσ τηε βασε οφ α βιπολαρ δεϖιχε. Βψ ινδυχινγ τηε ελεχτρονσ το τραϖελ µορε σωιφτλψ, ηετερο− ϕυνχτιονσ χουλδ φυνχτιον µυχη φαστερ τηαν ηοµοϕυνχτιονσ οφ α σιµιλαρ σιζε. Κροεµερ ενϖισιονεδ σεϖεραλ ποσσιβλε παιρινγσ οφ σεµιχονδυχτορ µατεριαλσ τηατ χουλδ σπεεδ τηε οπερατιον οφ τραν− σιστορσ; τηε µοστ προµισινγ παιρινγ ιν− ϖολϖεδ σιλιχον ον ονε σιδε ανδ γερµα− νιυµ ον τηε οτηερ. Αλτηουγη τηε ιδεα αππεαρεδ σουνδ, τηε πραχτιχαλ προβλεµ οφ βυιλδινγ α ωορκαβλε σιλιχον−γερµανι− υµ ηετεροϕυνχτιον προϖεδ το βε µονυ− µενταλ. Α προµισινγ δεϖελοπµεντ οχχυρρεδ δυρινγ τηε 1960σ, ωηεν ρεσεαρχηερσ δεϖελοπεδ επιταξψ, α τεχηνιθυε τηατ σεεµεδ ωελλ συιτεδ το συχη δελιχατε φαβριχατιον τασκσ. Ιν τηισ προχεσσ, λαψερσ οφ ατοµσ αρε δεποσιτεδ οντο αν εξιστ− ινγ χρψσταλλινε µατεριαλ. Τηε υνδερλψινγ χρψσταλ, ορ συβστρατε, σερϖεσ ασ α τεµ− πλατε σο τηατ τηε νεωλψ αχχυµυλατεδ λαψερσ φολλοω τηε σαµε ατοµιχ αρρανγε− µεντ ασ τηε χρψσταλ ιτσελφ. Βεχαυσε σιλιχον ανδ γερµανιυµ ηαϖε τηε σαµε χρψσταλ στρυχτυρε, α λαψερ οφ ονε µατεριαλ χαν βε δεποσιτεδ ον τηε οτηερ, µαινταινινγ α χονσιστεντ ατοµιχ ορδερ. Βυτ ατοµσ ιν α γερµανιυµ χρψσ− ταλ ηαϖε α νατυραλ σπαχινγ 4 περχεντ γρεατερ τηαν τηατ οφ ατοµσ ιν α σιλιχον χρψσταλ. Γερµανιυµ ατοµσ ωουλδ νορ− µαλλψ εξπανδ το τηειρ νατυραλ σπαχινγ, βυτ ωηεν δεποσιτεδ ον α µυχη τηιχκερ σιλιχον συβστρατε, τηεψ αρε λοχκεδ ιν πλαχε βψ τηε υνδερλψινγ σιλιχον. Α λαψερ οφ γερµανιυµ ατοµσ δεποσιτεδ ον τοπ οφ α τηιχκ σιλιχον συβστρατε εξπεριενχεσ τρεµενδουσ στραιν, ωηιχη µουντσ ασ αδδιτιοναλ λαψερσ αχχυµυλατε. Υλτιµατελψ, δεφεχτσ φορµ ιν τηε γερ− µανιυµ το ρελιεϖε τηε στραιν. Ωηεν α δεφεχτ οχχυρσ, εντιρε ροωσ οφ γερµανι− υµ ατοµσ σθυεεζε ουτ οφ τηε λαττιχε, τηερεβψ αλλοωινγ τηε ρεµαινινγ γερµα− νιυµ ατοµσ ιν τηε λαψερ το µοϖε απαρτ φροµ ονε ανοτηερ. Φουρ οφ εϖερψ 100 γερµανιυµ ατοµσ γροων αλονγ α σιλι− χον−γερµανιυµ ϕυνχτυρε µυστ ωορκ τηειρ ωαψ ουτ οφ τηε λαττιχε ιν ορδερ το βρινγ τηε στρυχτυρε το α φυλλψ ρελαξεδ στατε. Τηισ εξχλυσιον οφ γερµανιυµ ατοµσ ωουλδ ρεσυλτ ιν σεϖεραλ τριλλιονσ οφ δεφεχτσ ιν αν αρεα τηε σιζε οφ σινγλε χηιπ, µορε τηαν ενουγη το πρεϖεντ ιτσ προπερ φυνχτιον. Ονε ωαψ το ρεδυχε τηε στραιν ιν τηε χρψσταλ ισ το γροω α σιλιχον−γερµανιυµ αλλοψ, ρατηερ τηαν λαψερσ οφ πυρε γερµα− νιυµ, ον τηε σιλιχον συβστρατε. Συχη αν αλλοψ ηασ α χηαραχτεριστιχ ατοµιχ σπαχ− ινγ ιντερµεδιατε βετωεεν τηατ οφ σιλι− χον ανδ τηατ οφ γερµανιυµ. Βυτ γρεατ σκιλλ ισ στιλλ ρεθυιρεδ το φαβριχατε αν αλ− λοψ λαψερ, βεχαυσε εϖεν α µιξεδ σιλιχον− γερµανιυµ χοµποσιτιον δεϖελοπσ δε− φεχτσ ιφ τηε λαψερ ισ τοο τηιχκ ορ ιφ ιτ ισ τοο ριχη ιν γερµανιυµ. Τηε δισπαριτψ βετωεεν τηε ατοµιχ σπαχινγ ιν σιλιχον ανδ γερµανιυµ χρψσ− ταλσ, κνοων ασ λαττιχε µισµατχη, προϖεδ εξχεεδινγλψ δι⇔χυλτ το οϖερχοµε. ∆υρ− ινγ τηε εαρλψ 1980σ, µοστ οφ τηε ε⇑ορτσ αλονγ τηοσε λινεσ ρελιεδ ον α τεχηνιθυε χαλλεδ µολεχυλαρ−βεαµ επιταξψ. Ιν τηισ αππροαχη, ωορκερσ γροω τηε χρψσταλ ⇒λµ ιν α στεελ χηαµβερ τηατ ηασ βεεν εϖαχυ− ατεδ το αν ιντερναλ πρεσσυρε οφ λεσσ τηαν ονε τριλλιοντη οφ αν ατµοσπηερε. Τηε σιλ− ιχον συβστρατε ισ µουντεδ ιν τηε χηαµ− βερ ανδ ισ ηεατεδ το α τεµπερατυρε οφ 1,100 δεγρεεσ Χελσιυσ ορ µορε. Συχη σεαρινγ τεµπερατυρεσ εϖαπορατε χον− ταµιναντσ φροµ τηε σιλιχον, λεαϖινγ α χλεαν συρφαχε ον ωηιχη α ⇒λµ χαν γροω. Αφτερ τηε ηιγη−τεµπερατυρε χλεανινγ, ενγινεερσ αλλοω τηε συρφαχε το χοολ σοµεωηατ ανδ τηεν δεποσιτ α βυ⇑ερ Copyright 1994 Scientific American, Inc. λαψερ οφ πυρε σιλιχον ον τηε συβστρατε το βυρψ ανψ ρεσιδυαλ χονταµινατιον. Μολ− τεν ποολσ οφ σιλιχον ανδ γερµανιυµ ατ τηε βασε οφ τηε αππαρατυσ προϖιδε α σουρχε οφ ατοµσ; βεαµσ οφ τηοσε ατοµσ αρε διρεχτεδ ατ τηε συβστρατε το προ− δυχε τηε δεσιρεδ ⇒λµ. Τηε ατοµσ στρικε τηε σιλιχον συβστρατε ανδ αχχυµυλατε ιν χρψσταλλινε λαψερσ. Το µινιµιζε τηε στραιν τηατ ρεσυλτσ φροµ λαττιχε µισµατχη, ρεσεαρχηερσ χον− χεντρατεδ ον τρψινγ το βυιλδ λαψερσ οφ σιλιχον−γερµανιυµ αλλοψσ χονταινινγ λεσσ τηαν 30 περχεντ γερµανιυµ. Μο− λεχυλαρ−βεαµ επιταξψ εϖεντυαλλψ αλλοωεδ τηε φαβριχατιον οφ συχη µοδερατελψ δε− φεχτ−φρεε ηετεροϕυνχτιονσ. Βυτ τηεψ ωερε ονλψ γοοδ ενουγη το σερϖε ασ λαβορατο− ρψ τεστ βεδσ. Σοµε ρεσεαρχηερσ τηερεφορε γαϖε υπ ον µολεχυλαρ−βεαµ επιταξψ ιν φαϖορ οφ αν αλτερνατιϖε αππροαχη: χηεµιχαλ ϖα− πορ δεποσιτιον. Χηεµιχαλ ϖαπορ δεποσι− τιον υτιλιζεσ γασ µολεχυλεσ τηατ ινχορ− πορατε τηε δεσιρεδ ατοµσ∇σιλιχον ανδ γερµανιυµ, ιν τηισ χασε. Τηε ⇓οω οφ γασ χαρριεσ τηοσε ατοµσ το τηε συβστρατε συρφαχε, ωηερε τηεψ χολλεχτ ανδ φορµ τηε νεω χρψσταλ λαψερσ. Τηισ τεχηνιθυε, ωηιχη ηασ βεεν ωελλ κνοων φορ δε− χαδεσ, ισ ιν µανψ ωαψσ σιµπλερ τηαν µολεχυλαρ−βεαµ επιταξψ. Τηε βιγγεστ δραωβαχκ οφ χηεµιχαλ ϖαπορ δεποσιτιον ωασ τηατ ιτ ρεθυιρεδ ηιγη τεµπερατυρεσ: 1,100 δεγρεεσ Χ δυρινγ τηε ινιτιαλ χλεανινγ ανδ 1,000 δεγρεεσ Χ ωηιλε τηε ⇒λµσ ωερε γροωινγ. Υνδερ συχη ιντενσε ηεατ, στραινεδ µα− τεριαλσ, συχη ασ σιλιχον−γερµανιυµ αλ− λοψ, ραπιδλψ βεχοµε δεφεχτιϖε. Φυρτηερ− µορε, ηιγη τεµπερατυρεσ µακε ιτ ιµ− ποσσιβλε το πλαχε τηε δοπαντ µατεριαλ αχχυρατελψ. Ατ τεµπερατυρεσ αβοϖε 800 δεγρεεσ Χ, δοπαντ ατοµσ ιν σιλιχον ορ γερµανιυµ θυιχκλψ δι⇑υσε αωαψ φροµ τηειρ ινιτιαλ ποσιτιον. Χηεµιχαλ ϖαπορ δεποσιτιον χουλδ νοτ προδυχε υσαβλε ηετεροϕυνχτιονσ βετωεεν σιλιχον ανδ σιλ− ιχον−γερµανιυµ σο λονγ ασ τηε προχεσσ δεµανδεδ συχη ηιγη τεµπερατυρεσ. Α νυµβερ οφ ρεσεαρχηερσ, ινχλυδινγ µε, σουγητ α ωαψ το περφορµ χηεµιχαλ ϖαπορ δεποσιτιον ατ λοωερ τεµπερατυρεσ. Ουρ ενδεαϖορ χεν− τερεδ ον τηε τωο εσσεντιαλ στεπσ ιν τηε προχεσσ τηατ σεεµεδ το δεµανδ ηιγη τεµπερατυρεσ: χλεανινγ τηε σιλιχον συρ− φαχε βεφορε ⇒λµ γροωτη ανδ γροωινγ α δεφεχτ−φρεε ⇒λµ. Τηε πριµαρψ πυρποσε οφ τηε χλεανινγ ισ το δισλοδγε τηε σιλιχον οξιδεσ τηατ φορµ ωηεν πυρε σιλιχον χοµεσ ιν χον− ταχτ ωιτη αιρ ορ µοιστυρε. Σιλιχον οξιδεσ ηαϖε νο χρψσταλ στρυχτυρε, σο τηεψ ωουλδ ιντερφερε ωιτη επιταξψ υνλεσσ ρεµοϖεδ. Φυρτηερµορε, συχη οξιδεσ αβσορβ α σιλι− χον δοπαντ, βορον, ουτ οφ τηε αιρ, ανδ τραπ ιτ ον τηε σιλιχον συρφαχε ατ δισασ− τρουσλψ ηιγη χονχεντρατιονσ. Ατ ροοµ τεµπερατυρε, σιλιχον οξιδε γροωσ ον τηε συρφαχε το α τηιχκνεσσ οφ αβουτ 10 ατοµιχ λαψερσ. Τηε οξιδε τηεν αχτσ ασ α βαρριερ τηατ προτεχτσ τηε σιλιχον βελοω ιτ φροµ αδδιτιοναλ ρεαχτιον ωιτη τηε αιρ. Σχιεντιστσ ηαϖε λονγ κνοων τηατ διπ− πινγ α σιλιχον ωαφερ ιντο ηψδρο⇓υοριχ αχιδ ρεµοϖεσ τηε χοατινγ οφ σιλιχον οξ− ιδε, βυτ τηε χονϖεντιοναλ ωισδοµ ηελδ τηατ τηε οξιδεσ ρε−φορµεδ ινσταντλψ ωηεν τηε σιλιχον ωασ αγαιν εξποσεδ το αιρ. Χονσεθυεντλψ, αλλ µετηοδσ οφ επι− ταξψ ινχλυδεδ α στεπ ιν ωηιχη τηε σιλιχον ωασ βακεδ ατ ηιγη τεµπερατυρεσ, εϖεν ιφ τηε σιλιχον οξιδε ηαδ αλρεαδψ βεεν χηεµιχαλλψ στριππεδ υσινγ ηψδρο⇓υοριχ αχιδ. Ι συσπεχτεδ τηατ τηε χονϖεντιοναλ ωισδοµ ωασ νοτ χορρεχτ. Ασ α γραδυατε στυδεντ, Ι ηαδ σπεντ µανψ ηουρσ ηανδλινγ σιλιχον ωαφερσ ανδ ινεϖιταβλψ ενδεδ υπ δροππινγ σοµε οφ τηεµ. Ι νοτιχεδ τηατ ωηεν Ι ρινσεδ ο⇑ α ωαφερ ιν ωατερ τηε ωαφερ διδ νοτ βεχοµε ωετ; ινστεαδ τηε ωατερ ρολλεδ ο⇑ ιτσ συρφαχε. Ι κνεω τηατ σιλι− χον οξιδε αττραχτσ ωατερ, σο ιφ τηε σιλι− χον ωαφερ χουλδ νοτ βε µαδε ωετ, τηεν τηε οξιδε χουλδ νοτ ηαϖε βεεν πρεσεντ. Ιν µανψ χασεσ, ηοωεϖερ, σεϖεραλ ηουρσ ηαδ πασσεδ σινχε τηε ωαφερσ ωερε χλεανεδ ιν α βατη οφ ηψδρο⇓υοριχ αχιδ. Ιτ σεεµεδ τηατ τηε σιλιχον οξιδε τοοκ θυιτε σοµε τιµε το ρε−φορµ. Αφτερ ϕοινινγ ΙΒΜ, Ι εξαµινεδ τηε εαρλψ λιτερατυρε ιν τηισ ⇒ελδ ανδ φουνδ τηε σουρχε οφ τηε µισχονχεπτιον τηατ σιλιχον οξιδε φορµσ ινσταντλψ. Ψεαρσ αγο ρεσεαρχηερσ υσινγ χρυδε οπτιχαλ προβεσ τηουγητ τηεψ ηαδ δετεχτεδ σιλιχον οξ− ιδε, ωηεν αχτυαλλψ τηεψ ηαδ οβσερϖεδ τηε τηιν χοατινγ οφ ηψδρογεν τηατ φορµσ αφτερ σιλιχον ισ χλεανεδ ιν ηψδρο⇓υορ− ιχ αχιδ. Μοδερν, χηεµιχαλλψ σελεχτιϖε προβεσ ηαϖε χον⇒ρµεδ τηατ σιλιχον χαν X X ΑΤΟΜΙΧ ΣΠΑΧΙΝΓ ιν α γερµανιυµ χρψσταλ (πυρπλε ) ισ σλιγητλψ γρεατερ τηαν ιτ ισ ιν σιλιχον (ρεδ ). Τηατ λαττιχε µισµατχη (λεφτ ) ηασ λονγ φρυστρατεδ ενγινεερσ αττεµπτινγ το υτιλιζε τηε δεσιρ− αβλε ελεχτρονιχ προπερτιεσ ατ ϕυνχτιονσ βετωεεν σιλιχον ανδ γερµανιυµ. Γερµανιυµ ατοµσ δεποσιτεδ οντο σιλιχον ινιτιαλ− λψ φολλοω τηε υνδερλψινγ ατοµιχ αρρανγεµεντ. Ασ τηε γερµα− Copyright 1994 Scientific American, Inc. νιυµ ατοµσ ρεϖερτ το τηειρ νατυραλ σπαχινγ, τηεψ γιϖε ρισε το δεφεχτσ (µαρκεδ βψ τηε Ξ ) τηατ χρεατε σηορτ χιρχυιτσ ανδ ρυιν τηε ϕυνχτιον. Τηε αυτηορ ηασ συχχεεδεδ ιν γροωινγ δε− φεχτ−φρεε λαψερσ οφ σιλιχον−γερµανιυµ αλλοψ ον τοπ οφ α σιλιχον βασε (ριγητ ). Τηεσε ηψβριδ χρψσταλσ φορµ τηε βασισ οφ α νεω χλασσ οφ ηιγη−σπεεδ ελεχτρονιχ δεϖιχεσ. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 65 ρεµαιν φρεε οφ οξιδε φορ µανψ ηουρσ αφτερ α ηψδρο⇓υοριχ αχιδ βατη. Τηε ηψ− δρογεν λαψερ τηατ χλινγσ το τηε σιλιχον προτεχτσ τηε συρφαχε φροµ τηε αιρ, ρε− ταρδινγ οξιδε φορµατιον. Τηατ προτεχτιϖε λαψερ οβϖιατεσ τηε νεεδ φορ α ηιγη−τεµπερατυρε πρεπαρατο− ρψ στεπ ιν επιταξψ. Ιν φαχτ, ηψδρο⇓υοριχ αχιδ χλεανινγ δοεσ νοτ µερελψ αλλοω λοω τεµπερατυρεσ, ιτ δεµανδσ τηεµ, βεχαυσε ηιγη τεµπερατυρεσ ωουλδ δριϖε ο⇑ τηε ηψδρογεν λαψερ. Τ ηε νεξτ χηαλλενγε ωασ το ⇒νδ α µεανσ βψ ωηιχη το γροω α ηιγη− θυαλιτψ ⇒λµ ατ ρελατιϖελψ χοολ τεµ− περατυρεσ. Εαρλψ ωορκ ον σιλιχον επιταξψ ινδιχατεδ τηατ τηε νυµβερ οφ δεφεχτσ ιν τηε δεποσιτεδ ⇒λµσ ρισεσ δραµατιχαλλψ ασ τηε τεµπερατυρε δροπσ. Ιµπυριτιεσ τηατ αρε νορµαλλψ πρεσεντ δυρινγ χηεµ− ιχαλ ϖαπορ δεποσιτιον∇οξψγεν ανδ ωα− τερ, ιν παρτιχυλαρ∇ινχορπορατε τηεµ− σελϖεσ ιντο τηε ⇒λµσ φαρ µορε ρεαδιλψ ατ λοω τεµπερατυρεσ τηαν ατ ηιγη ονεσ. Τηεσε ιµπυριτιεσ χαν χλυστερ τογετηερ ωιτηιν α γροωινγ λαψερ, χαυσινγ δεφεχτσ ιν τηε µατεριαλ. Τηε οβϖιουσ ωαψ το χοµβατ τηισ προβ− λεµ ισ το µινιµιζε τηε χονχεντρατιον οφ φορειγν ατοµσ ιν τηε χηαµβερ ωηερε ϖαπορ δεποσιτιον τακεσ πλαχε. Λαβορατο− ρψ εξπεριµεντσ ινδιχατεδ τηατ γροωινγ υνχονταµινατεδ ⇒λµσ ατ τεµπερατυρεσ βελοω 700 δεγρεεσ Χ ωουλδ δεµανδ υλ− τραηιγη ϖαχυυµ χονδιτιονσ, τηουγη νοτ ασ σεϖερε ασ τηοσε νεεδεδ φορ µολεχυ− λαρ−βεαµ επιταξψ. Ηοω µιγητ ποσσιβλε σουρχεσ οφ χον− ταµινατιον φροµ τηε ιντεριορ οφ α χρψσ− ταλ−γροωινγ αππαρατυσ βε ελιµινατεδ? Ατ ΙΒΜ, ωε µαναγεδ το ρεµοϖε συχη χονταµιναντσ ωιτη σπεχιαλιζεδ ϖαχυυµ πυµπσ ανδ τιγητ σεαλσ. Ιν τηισ ωαψ, ωε χαν ε⇑εχτ υλτραηιγη ϖαχυυµ χονδιτιονσ ιν αν ινεξπενσιϖε γλασσ τυβε, ωηιχη ισ συρρουνδεδ βψ α φυρναχε τηατ συππλιεσ τηε ηεατ ρεθυιρεδ φορ επιταξψ. Συχη αν αρρανγεµεντ ενσυρεσ τηατ τηε αππαρα− τυσ δοεσ νοτ χοντριβυτε ενουγη ιµπυρι− τιεσ το ιντερφερε ωιτη ⇒λµ γροωτη. Α σπεχιαλ αιρλοχκ µακεσ ιτ ποσσιβλε το λοαδ τηε µαιν γροωτη χηαµβερ ωιτηουτ εξποσινγ ιτ το τηε συρρουνδινγ ατµο− σπηερε. Τηισ φεατυρε ισ ιµπορταντ βε− χαυσε χονταµιναντσ φροµ τηε αιρ χλινγ τεναχιουσλψ το τηε ινσιδε οφ τηε χηαµ− βερ; ιτ τακεσ χονσιδεραβλε τιµε το βακε τηεµ ο⇑ ανδ πυµπ τηεµ ουτ. Τηε γασεσ χονταινινγ τηε σιλιχον ανδ γερµανιυµ, ωηιχη ⇓οω τηρουγη τηε αππαρατυσ δυρινγ χηεµιχαλ ϖαπορ δεπο− σιτιον, χαν βε ανοτηερ σουρχε οφ χον− ταµιναντσ. Ωε κεεπ τηε πρεσσυρε ιν τηε ρεαχτορ θυιτε λοω, τψπιχαλλψ ονε µιλ− λιοντη οφ αν ατµοσπηερε, το µινιµιζε τηε θυαντιτψ οφ φορειγν µατεριαλ τηατ εντερσ ιν τηισ ωαψ. Ωε τηερεφορε χαλλ ουρ αππροαχη τηε υλτραηιγη ϖαχυυµ/ χηεµιχαλ ϖαπορ δεποσιτιον τεχηνιθυε. Βεχαυσε τηεσε προχεδυρεσ εσταβλιση αν εξτρεµελψ χλεαν ενϖιρονµεντ ωιτηιν τηε γροωτη χηαµβερ, ωε χαν ρυν τηε φυρναχε ατ τεµπερατυρεσ ωελλ βελοω τηοσε υσεδ ιν χονϖεντιοναλ επιταξψ. Μψ γρουπ ατ ΙΒΜ ηασ φουνδ τηατ τεµπερα− τυρεσ οφ 400 το 500 δεγρεεσ Χ συ⇔χε φορ πρεπαρινγ ηιγη−θυαλιτψ σιλιχον ανδ σιλιχον−γερµανιυµ αλλοψ ⇒λµσ. Τηε αβιλιτψ το φαβριχατε α ηετεροϕυνχ− τιον ατ συχη µοδερατε τεµπερατυρεσ περµιτσ τηε χρεατιον οφ σοπηιστιχατεδ ανδ ⇓εξιβλε χηιπ δεσιγνσ. Φορ ινστανχε, ονε χαν γροω τηε σιλιχον−γερµανιυµ λαψερ ον τοπ οφ α σιλιχον ωαφερ τηατ αλ− ρεαδψ χονταινσ αλλ τηε προπερ χηεµιχαλ ρεγιονσ φορ τηε ελεχτρονιχ δεϖιχεσ τηατ τηε χηιπ ωιλλ εϖεντυαλλψ βεαρ. Συχη ιµ− πριντεδ χηεµιχαλ παττερνσ µακε ιτ ποσ− σιβλε το βυιλδ α χηιπ ηαϖινγ αν εξχεπ− τιοναλλψ ηιγη δενσιτψ οφ τρανσιστορσ ορ οτηερ δεϖιχεσ. Τηε τεµπερατυρεσ υσεδ ιν τραδιτιοναλ επιταξψ ωουλδ σεϖερελψ διστορτ ανψ συχη πρεεξιστινγ παττερνσ. Ι ΣΩΙΤΧΗΙΝΓ ΣΠΕΕ∆Σ οφ σιλιχον βιπολαρ τρανσιστορσ ηαϖε στεαδιλψ ιµπροϖεδ οϖερ τηε ψεαρσ (λεφτ ). Σιλιχον−γερµανιυµ τεχηνολογψ αχχελερατεσ τηατ τρενδ, ψιελδινγ λεϖελσ οφ περφορµανχε πρεϖιουσλψ χονσιδερεδ ιµποσσιβλε φορ σιλιχον−βασεδ ελεχτρονιχσ. Αν ιν− νοϖατιϖε χρψσταλ−γροωινγ σψστεµ (ριγητ ) βρουγητ τηε νεω τεχηνολογψ το φρυιτιον. ηαδ δονε µυχη οφ τηε ινιτιαλ δεϖελ− οπµεντ οφ τηε υλτραηιγη ϖαχυυµ/ χηεµιχαλ ϖαπορ δεποσιτιον προχεσσ ον µψ οων. Τηεν, βεγιννινγ ιν 1988, Ι ϕοινεδ φορχεσ ωιτη α νυµβερ οφ οτηερ σπεχιαλιστσ το ταχκλε τηε µυχη µορε δι⇔χυλτ τασκ οφ υσινγ τηε προχεσσ το βυιλδ ωορκαβλε, ηιγη−σπεεδ βιπολαρ τραν− σιστορσ. Ωε ωεντ αρουνδ βεατινγ ον τηε δοορσ οφ χολλεαγυεσ κνοων το ηαϖε α σενσε οφ αδϖεντυρε, νοτ το µεντιον α σενσε οφ ηυµορ∇α ρεθυιρεµεντ το συρ− ϖιϖε τηε ινεϖιταβλε δισαστερσ τηατ οχχυρ ιν συχη υνπροϖεδ ωορκ. Ιν τηε ενδ ωε πυλλεδ τογετηερ α τεαµ τηατ ωεντ ον το βρεακ εϖερψ εξιστινγ περφορµανχε ρεχ− ορδ ιν σιλιχον τεχηνολογψ. Ωε σταρτεδ βψ υσινγ λοω−τεµπερατυρε επιταξψ το βυιλδ πυρε σιλιχον ηοµοϕυνχ− τιονσ. Τηεσε σιµπλε δεϖιχεσ φυνχτιονεδ περφεχτλψ, δεµονστρατινγ τηε σουνδ− νεσσ οφ ουρ τεχηνιθυε. Σταρτινγ ιν 1989, α γρουπ οφ ΙΒΜ ρεσεαρχηερσ φαβριχατεδ τηε ⇒ρστ ιν α σεριεσ οφ ΝΠΝ βιπολαρ τραν− σιστορσ τηατ ρεαλιζεδ Κροεµερ∏σ χονχεπτ οφ α γραδεδ ηετεροϕυνχτιον βετωεεν σιλ− ιχον ανδ σιλιχον−γερµανιυµ αλλοψ. Αλ− τηουγη τηε αλλοψ χονταινεδ λεσσ τηαν 4 περχεντ γερµανιυµ, τηεσε τρανσιστορσ αλρεαδψ εξχεεδεδ τηε συπποσεδ χαπα− βιλιτιεσ οφ σιλιχον τεχηνολογψ. Τηε βυιλτ− ιν ελεχτριχ ⇒ελδ (αππροξιµατελψ 30,000 ϖολτσ περ χεντιµετερ αχροσσ τηε βασε) ιν τηεσε δεϖιχεσ αχχελερατεδ ελεχτρονσ σο στρονγλψ τηατ τηεψ τραϖερσεδ τηε βασε οφ τηε δεϖιχε ιν ηαλφ τηε τιµε ρεθυιρεδ ιν χονϖεντιοναλ, αλλ−σιλιχον τρανσιστορσ. Α στανδαρδ µεασυρε οφ τηε περφορ− µανχε οφ α βιπολαρ τρανσιστορ ισ τηε µαννερ ιν ωηιχη τηε γαιν οφ τηε τραν− σιστορ (τηε ρατιο οφ τηε χυρρεντ σωιτχηεδ βψ τηε τρανσιστορ το τηε χυρρεντ νεεδεδ το τυρν τηε τρανσιστορ ον) δεπενδσ ον τηε φρεθυενχψ οφ σωιτχηινγ. Ιν α τψπιχαλ αππλιχατιον ιν α χοµπυτερ, α χονϖεν− τιοναλ βιπολαρ τρανσιστορ µιγητ ηαϖε α γαιν οφ αβουτ 100. Ατ ηιγηερ σωιτχηινγ φρεθυενχιεσ, τηε γαιν βεχοµεσ προγρεσ− σιϖελψ σµαλλερ. Ωηεν τηε γαιν δροπσ το ονε, τηε τρανσιστορ βεχοµεσ υσελεσσ, βε− χαυσε τηε χυρρεντ τηατ µυστ βε πυτ ιν το τυρν ιτ ον εθυαλσ τηε χυρρεντ τηατ χοµεσ ουτ ; ιν τηατ χασε, τηε τρανσιστορ φυνχ− 66 Copyright 1994 Scientific American, Inc. BIPOLAR TRANSISTOR SWITCHING SPEEDS SILICON-GERMANIUM TRANSISTORS (AUTHOR'S TECHNIQUE) CUTOFF FREQUENCY (GIGAHERTZ) ALL-SILICON TRANSISTOR (AUTHOR'S TECHNIQUE) 120 100 LIQUID-NITROGEN COOLED 80 60 40 SILICON (TRADITIONAL TECHNOLOGY) 20 0 1980 1990 1985 1995 YEAR ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 SEALS FURNACE GATE SEALS VALVE GATE VALVE LOAD LOCK QUARTZ TUBE SILICON WAFERS TURBOMOLECULAR PUMP ROOTS BLOWER GAS INLET FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSITION TURBOMOLECULAR PUMP MECHANICAL PUMP EXHAUST VACUUM PUMPS FOR FURNACE ΧΡΨΣΤΑΛ−ΓΡΟΩΙΝΓ ΤΕΧΗΝΙΘΥΕ ινϖεντεδ βψ τηε αυτηορ αϖοιδσ τηε δεστρυχτιϖελψ ηιγη τεµπερατυρεσ υτιλιζεδ ιν εαρλιερ αππροαχηεσ. ςαχυυµ πυµπσ, σπεχιαλ ϖαλϖεσ ανδ σεαλσ πρε− ϖεντ χονταµιναντσ φροµ εντερινγ τηε φυρναχε, ωηερε α σιλι− τιονσ ασ νο µορε τηαν α σιµπλε ωιρε. Τεχηνολογιστσ γαυγε τηε σπεεδ οφ α τρανσιστορ ιν τερµσ οφ ηοω ραπιδλψ ιτ χαν σωιτχη ον ανδ ο⇑ βεφορε ιτσ γαιν δροπσ το ονε. Τηε ⇒ρστ γραδεδ ηετεροϕυνχτιονσ τηατ ωε βυιλτ ιν 1989 σωιτχηεδ ατ 75 γι− γαηερτζ (βιλλιονσ οφ χψχλεσ περ σεχονδ ), νεαρλψ τωιχε τηε σπεεδ οφ τηε φαστεστ χοµπαραβλε σιλιχον δεϖιχεσ. Μορε ρεχεντ ωορκ ατ ΙΒΜ ηασ πυσηεδ τηε ηετεροϕυνχ− τιονσ το σπεεδσ ιν τηε ρανγε οφ 110 το 117 γιγαηερτζ, α λεϖελ οφ περφορµανχε πρεϖιουσλψ χονσιδερεδ ιµποσσιβλε υσινγ σιλιχον. Ιν φολλοω−υπ εξπεριµεντσ µψ χολλεαγυεσ ανδ Ι ηαϖε ινχορπορατεδ τηεσε δεϖιχεσ ιντο χοµπλετε χιρχυιτσ τηατ οπερατεδ ατ ρεχορδ−φαστ σπεεδ. Τηατ ωασ α χρυχιαλ τεστ, βεχαυσε ηιγη−σπεεδ τραν− σιστορσ οφτεν ψιελδ µυχη λοωερ πραχτιχαλ περφορµανχε σπεεδσ ωηεν ωιρεδ ιντο ρεαλ χιρχυιτσ. Α χολλαβορατιον βετωεεν ΙΒΜ ανδ Αναλογ ∆εϖιχεσ ισ νοω βρινγινγ συχη χιρχυιτσ το τηε µαρκετπλαχε. Ατ λαστ ψεαρ∏σ Ιντερνατιοναλ Ελεχτρον ∆εϖιχεσ Μεετινγ ιν Ωασηινγτον, ∆.Χ., Αναλογ ∆εϖιχεσ ρεπορτεδ τηατ ιτ ωιλλ σοον βεγιν σελλινγ σιλιχον−γερµανιυµ−βασεδ χιρχυιτ− ρψ, ινχλυδινγ α διγιταλ−το−αναλογ χον− ϖερτερ, α σταπλε οφ ηοµε ελεχτρονιχσ. Τηε σιλιχον−γερµανιυµ χονϖερτερ τρανσ− φορµσ νυµεριχαλ δατα ιντο ελεχτρονιχ ουτπυτ ατ α ρεχορδ−φαστ ρατε οφ ονε βιλ− λιον χονϖερσιονσ περ σεχονδ. Ιτ µατχηεσ τηε σπεεδ οφ τηε βεστ συχη χιρχυιτσ βυιλτ υσινγ γαλλιυµ−αρσενιδε ϕυνχτιονσ ανδ ψετ οπερατεσ ον α φραχτιον οφ τηε ποωερ τηεψ ρεθυιρε. Τηε αππεαρανχε οφ α χοµµερχιαλλψ ϖι− αβλε, σιλιχον−γερµανιυµ ιντεγρατεδ χιρ− χυιτ µαρκσ α µιλεστονε ιν τηε ε⇑ορτ το Copyright 1994 Scientific American, Inc. MECHANICAL PUMP VACUUM PUMPS FOR LOAD LOCK χον−γερµανιυµ αλλοψ ισ δεποσιτεδ οντο τηε σιλιχον ωαφερσ. Τηε αχτυαλ δεποσιτιον προχεσσ οχχυρσ ιν α νεαρ ϖαχυυµ, τηερεβψ µινιµιζινγ τηε χονχεντρατιονσ οφ φορειγν ατοµσ τηατ χαν ιντερφερε ωιτη τηε προπερ οπερατιον οφ ελεχτρονιχσ. ⇒νδ πατησ το ηιγηερ περφορµανχε οτηερ τηαν σχαλινγ. Ενγινεερσ ατ Αναλογ ∆ε− ϖιχεσ αρε αλρεαδψ χονσιδερινγ αδδιτιον− αλ αππλιχατιονσ φορ τηε σιλιχον−γερµανι− υµ δεϖιχεσ, συχη ασ διγιταλ χορδλεσσ τελεπηονεσ τηατ χαν ηανδλε αν υνυσυαλ− λψ ραπιδ δατα ⇓οω. ∆ιγιταλ−το−αναλογ χον− ϖερτερσ αρε εσσεντιαλ φορ τρανσλατινγ τηε διγιταλ δατα φροµ αν οπτιχαλ ⇒βερ ιντο αναλογ σιγναλσ φορ α τελεπηονε ορ τελεϖι− σιον. Φαστερ διγιταλ−το−αναλογ χιρχυιτσ µαψ τηερεφορε ηαστεν τηε αρριϖαλ οφ διγ− ιταλ δατα νετωορκσ ιντο βοτη ηοµε ανδ βυσινεσσ. Συχη χονϖερτερσ ωιλλ αλσο λιε ατ τηε ηεαρτ οφ τηε πορταβλε χοµµυνι− χατιονσ δεϖιχεσ τηατ αρε λικελψ το βε− χοµε ινχρεασινγλψ πρεϖαλεντ. Α τ πρεσεντ, σιλιχον−γερµανιυµ τεχηνολογψ ισ στιλλ ιν ιτσ ινφανχψ. ∆εσιγνερσ νεεδ το µοδιφψ µανψ εξιστινγ χιρχυιτ δεσιγνσ το εξπλοιτ φυλλψ τηε σπεεδ οφ τηε νεω δεϖιχεσ. Το δατε, ΙΒΜ ισ τηε ονλψ χοµπανψ τηατ ηασ δεµ− ονστρατεδ τηε αβιλιτψ το ιντεγρατε α σιγ− νι⇒χαντ νυµβερ οφ ηιγη−περφορµανχε ηετεροϕυνχτιον βιπολαρ τρανσιστορσ ιντο χιρχυιτσ. Μψ γρουπ ηασ σηοων τηατ σιλι− χον−γερµανιυµ µατεριαλσ χαν βοοστ τηε περφορµανχε οφ ⇒ελδ−ε⇑εχτ τρανσισ− τορσ ασ ωελλ, βυτ ωε ηαϖε ψετ το ιντε− γρατε συχη δεϖιχεσ ιντο λαργερ χιρχυιτσ. Εϖεντυαλλψ τηε τεχηνολογψ σηουλδ µακε ιτ ποσσιβλε το χοµβινε µυλτιπλε φυνχ− τιονσ (τρανσµιττερ, σιγναλ χονϖερτερ, ρε− χειϖερ ) οντο α σινγλε χηιπ. Ιν τηισ ωαψ, αλλ κινδσ οφ εξοτιχ γεαρ, συχη ασ ∆ιχκ Τραχψ∠στψλε τωο−ωαψ ωριστ τελεϖισιονσ, χουλδ πασσ φροµ φαντασψ το ρεαλιτψ. Λεψβολδ−Α.Γ. ρεχεντλψ βεγαν µανυ− φαχτυρινγ α χοµµερχιαλ ϖερσιον οφ ουρ υλτραηιγη ϖαχυυµ/χηεµιχαλ ϖαπορ δε− ποσιτιον αππαρατυσ. Νοω τηατ τηεψ ηαϖε στανδαρδιζεδ εθυιπµεντ το ωορκ ωιτη, ενγινεερσ χαν φοχυσ ον δεϖελοπινγ ιν− χρεασινγλψ χοµπλεξ χιρχυιτσ ανδ ⇒νδινγ ωαψσ το βροαδεν τηε ϖαριετψ οφ σιλιχον− γερµανιυµ ηετεροϕυνχτιον δεϖιχεσ τηατ µαψ βε χοµβινεδ οντο α σινγλε χηιπ. Ιτ ισ ονλψ α µαττερ οφ τιµε∇ανδ προβαβλψ νοτ µυχη τιµε∇βεφορε µανψ νοϖελ ελεχτρονιχ δεϖιχεσ χοµε το φρυιτιον. Εαρλιερ, φαχινγ τηε λιµιτσ οφ σχαλινγ, µανψ ρεσεαρχηερσ ηαδ µιστακενλψ χον− χλυδεδ τηατ σιλιχον ωασ ρεαχηινγ τηε ενδ οφ ιτσ λιφε ασ αν ελεχτρονιχ µατεριαλ. Ιν τηε ηεψδαψ οφ τηισ ϖιεω, Ι σαω α ποστ− ερ ηανγινγ ον τηε ωαλλ οφ α χολλεαγυε∏σ ο⇔χε. Ιτ δεπιχτεδ αν αυτοµοβιλε∏σ ταιλ− λιγητσ δισαππεαρινγ ιντο α χλουδ οφ τιρε σµοκε; τηε χαπτιον ρεαδ, Γαλλιυµ αρ− σενιδε λεαϖεσ σιλιχον ιν τηε δυστ. Θυιτε τηε χοντραρψ. Ι ωουλδ σαψ ουρ τεαµ ηασ σηοων τηατ σιλιχον ισ στιλλ ϖερψ µυχη ιν τηε ραχε, ανδ ωαγερινγ αγαινστ ιτσ λονγ− τερµ συχχεσσ ωουλδ βε α βαδ βετ. ΦΥΡΤΗΕΡ ΡΕΑ∆ΙΝΓ ΠΗΨΣΙΧΣ ΟΦ ΣΕΜΙΧΟΝ∆ΥΧΤΟΡ ∆ΕςΙΧΕΣ. Σ. Μ. Σζε. Ωιλεψ Ιντερσχιενχε, 1981. ΕςΟΛΥΤΙΟΝ ΟΦ ΤΗΕ ΜΟΣ ΤΡΑΝΣΙΣΤΟΡ: ΦΡΟΜ ΧΟΝΧΕΠΤΙΟΝ ΤΟ ςΛΣΙ. Χηιη−Τανγ Σαη ιν Προχεεδινγσ οφ τηε ΙΕΕΕ, ςολ. 76, Νο. 10, παγεσ 1280∠1326; Οχτοβερ 1988. ΥΗς/Χς∆ ΓΡΟΩΤΗ ΟΦ ΣΙΛΙΧΟΝ ΑΝ∆ ΣΙΛΙ− ΧΟΝ∠ΓΕΡΜΑΝΙΥΜ ΑΛΛΟΨΣ: ΧΗΕΜΙΣΤΡΨ, ΠΗΨΣΙΧΣ, ΑΝ∆ ∆ΕςΙΧΕ ΑΠΠΛΙΧΑΤΙΟΝΣ. Βερναρδ Σ. Μεψερσον ιν Προχεεδινγσ οφ τηε ΙΕΕΕ, ςολ. 80, Νο. 10, παγεσ 1592∠ 1608; Οχτοβερ 1992. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 67 Τηε Θυαντυµ Πηψσιχσ οφ Τιµε Τραϖελ Common sense may rule out such excursions—but the laws of physics do not βψ ∆αϖιδ ∆ευτσχη ανδ Μιχηαελ Λοχκωοοδ Ι µαγινε, ιφ ψου ωιλλ, τηατ ουρ φριενδ Σονια κεεπσ α τιµε µαχηινε ιν ηερ γαραγε. Λαστ νιγητ σηε υσεδ ιτ το ϖισ− ιτ ηερ γρανδφατηερ ιν 1934, ωηεν ηε ωασ στιλλ χουρτινγ ηερ γρανδµοτηερ. Σο− νια χονϖινχεδ ηιµ οφ ηερ ιδεντιτψ βψ ρε− φερρινγ το φαµιλψ σεχρετσ τηατ ηε ηαδ νοτ ψετ ρεϖεαλεδ το ανψονε. Τηισ λεφτ ηιµ στυννεδ, βυτ ωορσε ωασ το φολλοω. Ωηεν ηε τολδ ηισ σωεετηεαρτ οϖερ διν− νερ τηατ ηε ηαδ ϕυστ µετ τηειρ φυτυρε γρανδδαυγητερ, τηε λαδψ∏σ ρεσπονσε ωασ βοτη το δουβτ ηισ σανιτψ ανδ το τακε οφ− φενσε ατ ηισ πρεσυµπτιον. Τηεψ νεϖερ µαρριεδ ανδ νεϖερ ηαδ τηε βαβψ ωηο ωουλδ ηαϖε βεχοµε Σονια∏σ µοτηερ. Σο ηοω χαν Σονια βε σιττινγ ηερε το− δαψ, τελλινγ υσ οφ ηερ αδϖεντυρε? Ιφ ηερ µοτηερ ωασ νεϖερ βορν, ηοω ωασ σηε εϖερ βορν? Τηε ρεαλ θυεστιον ισ, ωηεν Σονια ρετυρνσ το 1934, χαν σηε ορ χαν σηε νοτ βρινγ ηερ γρανδπαρεντσ∏ ρο− µανχε το α πρεµατυρε ενδ? Ειτηερ αν− σωερ χρεατεσ προβλεµσ. Ιφ Σονια χαν πρεϖεντ ηερ οων βιρτη, τηερε ισ α χοντρα− διχτιον. Ιφ σηε χαννοτ, τηατ ιναβιλιτψ χον− ⇓ιχτσ ωιτη χοµµον σενσε, φορ ωηατ ισ το πρεϖεντ Σονια φροµ βεηαϖινγ ασ σηε πλεασεσ? Ωιλλ σοµε στρανγε παραλψσισ γριπ ηερ ωηενεϖερ σηε τριεσ το εναχτ χερταιν ιντεντιονσ? Σιτυατιονσ λικε τηισ∇α µιλδ ϖερσιον οφ τηε χλασσιχ γρανδφατηερ παραδοξ, ιν ωηιχη τηε γρανδφατηερ ισ µυρδερεδ βψ ηισ τιµε−τραϖελινγ γρανδχηιλδ∇αρε οφ− τεν ρεγαρδεδ ασ ρυλινγ ουτ τιµε τραϖελ. ΓΡΑΝ∆ΦΑΤΗΕΡ ΠΑΡΑ∆ΟΞ, ιν ωηιχη α τιµε τραϖελερ πρεϖεντσ ηισ ορ ηερ οων βιρτη, ισ α στοχκ οβϕεχτιον το τιµε τραϖελ. 68 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Ψετ, συρπρισινγλψ, τηε λαωσ οφ πηψσιχσ δο νοτ φορβιδ συχη αδϖεντυρεσ. Ανοτηερ παραδοξ, ωηιχη οφτεν απ− πεαρσ ιν σχιενχε ⇒χτιον, ηασ βεεν δισ− χυσσεδ βψ τηε Οξφορδ πηιλοσοπηερ Μι− χηαελ ∆υµµεττ. Αν αρτ χριτιχ φροµ τηε φυτυρε ϖισιτσ α 20τη−χεντυρψ παιντερ, ωηο ισ ρεγαρδεδ ιν τηε χριτιχ∏σ οων χεντυρψ ασ α γρεατ αρτιστ. Σεεινγ τηε παιντερ∏σ χυρρεντ ωορκ, τηε χριτιχ ⇒νδσ ιτ µεδι− οχρε ανδ χονχλυδεσ τηατ τηε αρτιστ ηασ ψετ το προδυχε τηοσε ινσπιρεδ παιντινγσ τηατ σο ιµπρεσσεδ φυτυρε γενερατιονσ. Τηε χριτιχ σηοωσ τηε παιντερ α βοοκ οφ ρεπροδυχτιονσ οφ τηεσε λατερ ωορκσ. Τηε παιντερ χοντριϖεσ το ηιδε τηισ βοοκ, φορχινγ τηε χριτιχ το λεαϖε ωιτηουτ ιτ, ανδ τηεν σετσ αβουτ µετιχυλουσλψ χοπψ− ινγ τηε ρεπροδυχτιονσ οντο χανϖασ. Τηυσ, τηε ρεπροδυχτιονσ εξιστ βεχαυσε TIME TRAVELER GREETS GRANDFATHER GRANDFATHER MEETS CHARMING LADY GRANDFATHER DRESSES FOR DINNER DISASTROUS DINNER DELIGHTFUL DINNER Copyright 1994 Scientific American, Inc. τηεψ αρε χοπιεδ φροµ τηε παιντινγσ, ανδ τηε παιντινγσ εξιστ βεχαυσε τηεψ αρε χοπ− ιεδ φροµ τηε ρεπροδυχτιονσ. Αλτηουγη τηισ στορψ τηρεατενσ νο χοντραδιχτιον, τηερε ισ σοµετηινγ ϖερψ ωρονγ ωιτη ιτ. Ιτ πυρπορτσ το γιϖε υσ τηε παιντινγσ ωιτη− ουτ ανψονε∏σ ηαϖινγ το εξπενδ αρτιστιχ εφφορτ ιν χρεατινγ τηεµ∇α κινδ οφ αρτισ− τιχ φρεε λυνχη. Π ερσυαδεδ βψ συχη οβϕεχτιονσ, πηψσιχιστσ ηαϖε τραδιτιοναλλψ ιν− ϖοκεδ α χηρονολογψ πρινχιπλε τηατ, βψ ⇒ατ, ρυλεσ ουτ τραϖελ ιντο τηε παστ. Ονε−ωαψ τραϖελ ιντο τηε φυτυρε ραισεσ νο συχη προβλεµσ. Εινστειν∏σ σπεχιαλ τηεορψ οφ ρελατιϖιτψ πρεδιχτσ τηατ, ωιτη συ⇔χιεντ αχχελερατιον, αστροναυτσ χουλδ γο ον α ϕουρνεψ ανδ ρετυρν το τηε εαρτη δεχαδεσ ιντο τηε φυτυρε, ωηιλε πηψσιχαλλψ αγινγ ονλψ α ψεαρ ορ τωο. Ιτ ισ ιµπορταντ το διστινγυιση βετωεεν πρεδιχτιονσ συχη ασ τηισ, ωηιχη αρε µερελψ συρπρισινγ, ανδ προχεσσεσ τηατ ωουλδ ϖιολατε πηψσ− ιχαλ λαωσ ορ ινδεπενδεντλψ ϕυστι⇒αβλε πηιλοσοπηιχαλ πρινχιπλεσ. Ωε σηαλλ σηορτλψ εξπλαιν ωηψ τραϖελ− ινγ ιντο τηε παστ ωουλδ νοτ ϖιολατε ανψ συχη πρινχιπλε. Το δο σο, ωε µυστ ⇒ρστ εξπλορε τηε χονχεπτ οφ τιµε ιτσελφ, ασ NO WEDDING πηψσιχιστσ υνδερστανδ ιτ. Ιν Εινστειν∏σ σπεχιαλ ανδ γενεραλ τηεοριεσ οφ ρελατιϖι− τψ, τηρεε−διµενσιοναλ σπαχε ισ χοµβινεδ ωιτη τιµε το φορµ φουρ−διµενσιοναλ σπαχε−τιµε. Ωηερεασ σπαχε χονσιστσ οφ σπατιαλ ποιντσ, σπαχε−τιµε χονσιστσ οφ σπατιοτεµποραλ ποιντσ, ορ εϖεντσ, εαχη οφ ωηιχη ρεπρεσεντσ α παρτιχυλαρ πλαχε ατ α παρτιχυλαρ τιµε. Ψουρ λιφε φορµσ α κινδ οφ φουρ−διµενσιοναλ ωορµ ιν σπαχε−τιµε: τηε τιπ οφ τηε ωορµ∏σ ταιλ χορρεσπονδσ το τηε εϖεντ οφ ψουρ βιρτη, ανδ τηε φροντ οφ ιτσ ηεαδ το τηε εϖεντ οφ ψουρ δεατη. Αν οβϕεχτ, σεεν ατ ανψ ονε ινσταντ, ισ α τηρεε−διµενσιοναλ χροσσ σεχτιον οφ τηισ λονγ, τηιν, ιντριχατελψ χυρϖεδ ωορµ. Τηε λινε αλονγ ωηιχη τηε ωορµ λιεσ ( ιγνορινγ ιτσ τηιχκνεσσ) ισ χαλλεδ τηατ οβϕεχτ∏σ ωορλδλινε. Ατ ανψ ποιντ ον ψουρ ωορλδλινε, τηε ανγλε ιτ µακεσ ωιτη τηε τιµε αξισ ισ α µεασυρε οφ ψουρ σπεεδ. Τηε ωορλδλινε οφ α ραψ οφ λιγητ ισ τψπιχαλλψ δραων ασ µακινγ αν ανγλε οφ 45 δεγρεεσ; α ⇓αση οφ λιγητ σπρεαδινγ ουτ ιν αλλ διρεχτιονσ φορµσ α χονε ιν σπαχε−τιµε, χαλλεδ α λιγητχονε [σεε ιλλυστρατιον ον νεξτ παγε]. Αν ιµπορταντ δι⇑ερενχε βετωεεν σπαχε ανδ σπαχε−τιµε ισ τηατ α ωορλδλινε∇υν− λικε, σαψ, α λινε δραων ον παπερ∇χαν− NO CHILDREN ∆ΑςΙ∆ ∆ΕΥΤΣΧΗ ανδ ΜΙΧΗΑΕΛ ΛΟΧΚ− ΩΟΟ∆, βοτη οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Οξφορδ, σηαρε αν ιντερεστ ιν τηε πηιλοσοπηιχαλ φουνδατιονσ οφ πηψσιχσ. ∆ευτσχη ισ α ρε− σεαρχη φελλοω ατ Ωολφσον Χολλεγε; ηε εαρνεδ ηισ δοχτορατε ιν πηψσιχσ ατ Οξ− φορδ υνδερ ∆εννισ Σχιαµα, διδ ποστδοχ− τοραλ ρεσεαρχη υνδερ ϑοην Α. Ωηεελερ, Βρψχε ∆εΩιττ ανδ Ρογερ Πενροσε ανδ ισ νοω ωορκινγ ον τηε θυαντυµ τηεορψ οφ χοµπυτατιον. ∆ευτσχη ισ ωριτινγ α βοοκ ον πηψσιχσ ανδ πηιλοσοπηψ εντιτλεδ Τηε Φαβριχ οφ Ρεαλιτψ. Λοχκωοοδ ισ α φελλοω οφ Γρεεν Χολλεγε ανδ λεχτυρερ ατ τηε δεπαρτ− µεντ φορ χοντινυινγ εδυχατιον; ηε εαρνεδ ηισ δοχτορατε ιν πηιλοσοπηψ, αλσο ατ Οξ− φορδ, υνδερ τηε λατε Σιρ Αλφρεδ Αψερ. Ηισ βοοκ, Μινδ, Βραιν, ανδ τηε Θυαντυµ, ωασ πυβλισηεδ ιν 1989, ανδ ηε ισ χυρρεντλψ ωριτινγ ανοτηερ ον τηε νατυρε οφ τιµε. Τηε αυτηορσ βελιεϖε τηατ τηε ρεαλ υνι− ϖερσε ισ φαρ στρανγερ τηαν ανψτηινγ χον− χειϖεδ οφ ιν σχιενχε ⇒χτιον βυτ ισ αλσο υλ− τιµατελψ µορε ιντελλιγιβλε. νοτ βε ανψ αρβιτραρψ σθυιγγλε. Βεχαυσε νοτηινγ χαν τραϖελ φαστερ τηαν λιγητ, τηε ωορλδλινε οφ α πηψσιχαλ οβϕεχτ χαν νεϖ− ερ στραψ ουτσιδε τηε λιγητχονε εµανατ− ινγ φροµ ανψ εϖεντ ιν ιτσ παστ. Ωορλδ− λινεσ τηατ µεετ τηισ χριτεριον αρε χαλλεδ NO GRANDCHILDREN TIME MACHINE AND TIME TRAVELER NO TIME TRAVELER WEDDING BIRTH OF DAUGHTER Copyright 1994 Scientific American, Inc. BIRTH OF GRANDDAUGHTER (TIME TRAVELER) ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 69 χρεατε ΧΤΧσ βψ διστορτινγ ανδ τεαρινγ τηε φαβριχ οφ σπαχε−τιµε. Σο α τιµε µα− χηινε, ρατηερ τηαν βεινγ α σπεχιαλ κινδ οφ ϖεηιχλε, ωουλδ προϖιδε α ρουτε το τηε παστ, αλονγ ωηιχη αν ορδιναρψ ϖεηιχλε, συχη ασ α σπαχεχραφτ, χουλδ τραϖελ. Βυτ υνλικε α σπατιαλ ρουτε, α ΧΤΧ (ορ ρατηερ, τηε συρρουνδινγ χλοσεδ τιµελικε τυβε) γετσ υσεδ υπ ιφ ρεπεατεδλψ τραϖερσεδ; ϕυστ σο µανψ ωορλδλινε ωορµσ χαν ⇒τ ιντο ιτ, ανδ νο µορε. Ιφ ονε τραϖελσ ον ιτ το α παρτιχυλαρ εϖεντ, ονε ωιλλ µεετ εϖ− ερψονε ωηο ηασ εϖερ τραϖελεδ, ορ ωιλλ εϖερ τραϖελ, το τηατ εϖεντ. LIGHTCONE ∆ WORLDLINE HEIGHT TIME WIDTH ΣΠΑΧΕ ΑΝ∆ ΤΙΜΕ αρε χοµβινεδ ιντο ονε φουρ−διµενσιοναλ εντιτψ, σπαχε−τιµε. Ηερε ωε σηοω τωο σπαχε διµενσιονσ ανδ τιµε. Α ωορλδλινε χοννεχτσ αλλ εϖεντσ ιν ουρ λιφε ιν σπαχε−τιµε; σινχε ωε ηαϖε σοµε σιζε, α περσον∏σ ωορλδλινε ισ µορε λικε α ωορµ εξτενδινγ φροµ βιρτη το δεατη τηαν α λινε. Τηε ωορλδλινεσ οφ λιγητ ραψσ εµα− νατινγ ιν αλλ σπαχε διρεχτιονσ φροµ αν εϖεντ τραχε ουτ α χονε ιν σπαχε−τιµε, χαλλεδ α λιγητχονε. Τηε ωορλδλινε οφ ανψ οβϕεχτ, συχη ασ τηε ναϖελ οφ τηισ ⇒γυρε, χαννοτ στραψ ουτσιδε α λιγητχονε εµανατινγ φροµ ανψ ποιντ ιν ιτσ παστ. τιµελικε. Τιµε, ασ µεασυρεδ βψ α ωατχη, ινχρεασεσ ιν ονε διρεχτιον αλονγ α ωορλδλινε. Εινστειν∏σ σπεχιαλ τηεορψ οφ ρελατιϖιτψ ρεθυιρεσ ωορλδλινεσ οφ πηψσιχαλ οβϕεχτσ το βε τιµελικε; τηε ⇒ελδ εθυατιονσ οφ ηισ γενεραλ τηεορψ οφ ρελατιϖιτψ πρεδιχτ τηατ µασσιϖε βοδιεσ συχη ασ σταρσ ανδ βλαχκ ηολεσ διστορτ σπαχε−τιµε ανδ βενδ ωορλδλινεσ. Τηισ ισ τηε οριγιν οφ γραϖιτψ: τηε εαρτη∏σ ωορλδλινε σπιραλσ αρουνδ τηε συν∏σ, ωηιχη σπιραλσ αρουνδ τηατ οφ τηε χεντερ οφ ουρ γαλαξψ. Συπποσε σπαχε−τιµε βεχοµεσ σο δισ− τορτεδ τηατ σοµε ωορλδλινεσ φορµ χλοσεδ λοοπσ [σεε ιλλυστρατιον ον οπποσιτε παγε]. 70 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Συχη ωορλδλινεσ ωουλδ βε τιµελικε αλλ τηε ωαψ αρουνδ. Λοχαλλψ τηεψ ωουλδ χονφορµ το αλλ τηε φαµιλιαρ προπερτιεσ οφ σπαχε ανδ τιµε, ψετ τηεψ ωουλδ βε χορριδορσ το τηε παστ. Ιφ ωε τριεδ το φολ− λοω συχη α χλοσεδ τιµελικε χυρϖε (ορ ΧΤΧ ) εξαχτλψ, αλλ τηε ωαψ αρουνδ, ωε ωουλδ βυµπ ιντο ουρ φορµερ σελϖεσ ανδ γετ πυσηεδ ασιδε. Βυτ βψ φολλοωινγ παρτ οφ α ΧΤΧ, ωε χουλδ ρετυρν το τηε παστ ανδ παρτιχιπατε ιν εϖεντσ τηερε. Ωε χουλδ σηακε ηανδσ ωιτη ουρ ψουν− γερ σελϖεσ ορ, ιφ τηε λοοπ ωερε λαργε ενουγη, ϖισιτ ουρ ανχεστορσ. Το δο τηισ, ωε σηουλδ ειτηερ ηαϖε το ηαρνεσσ νατυραλλψ οχχυρρινγ ΧΤΧσ ορ οεσ ουρ υνιϖερσε νοω, ορ ωιλλ ιτ εϖερ, χονταιν ΧΤΧσ? Ωε δο νοτ κνοω, βυτ τηερε αρε ϖαριουσ τηεορετιχαλ χονϕεχτυρεσ αβουτ ηοω τηεψ µιγητ βε φορµεδ. Τηε µατηεµατιχιαν Κυρτ Γδελ φουνδ α σολυτιον το Ειν− στειν∏σ εθυατιονσ τηατ δεσχριβεσ ΧΤΧσ. Ιν τηατ σολυτιον, τηε ωηολε υνιϖερσε ρο− τατεσ (αχχορδινγ το χυρρεντ εϖιδενχε, τηε αχτυαλ υνιϖερσε δοεσ νοτ). ΧΤΧσ αλσο αππεαρ ιν σολυτιονσ οφ Εινστειν∏σ εθυα− τιονσ δεσχριβινγ ροτατινγ βλαχκ ηολεσ. Βυτ τηεσε σολυτιονσ νεγλεχτ ινφαλλινγ µαττερ, ανδ ηοω φαρ τηεψ αππλψ το ρεαλ− ιστιχ βλαχκ ηολεσ ισ α µαττερ οφ χοντρο− ϖερσψ. Αλσο, α τιµε τραϖελερ ωουλδ βε τραππεδ ινσιδε τηε βλαχκ ηολε αφτερ ρεαχηινγ τηε παστ, υνλεσσ ιτσ ροτατιον ρατε εξχεεδεδ α χριτιχαλ τηρεσηολδ. Ασ− τροπηψσιχιστσ τηινκ ιτ υνλικελψ τηατ ανψ νατυραλλψ οχχυρρινγ βλαχκ ηολεσ αρε σπιννινγ τηατ φαστ. Περηαπσ α χιϖιλιζατιον φαρ µορε αδϖανχεδ τηαν ουρσ χουλδ σηοοτ µαττερ ιντο τηεµ, ινχρεασινγ τηειρ ροτατιον ρατε υντιλ σαφε ΧΤΧσ αππεαρεδ, βυτ µανψ πηψσιχιστσ δουβτ τηατ τηισ ωουλδ βε ποσσιβλε. Α κινδ οφ σηορτχυτ τηρουγη σπαχε− τιµε, χαλλεδ α ωορµηολε, ηασ βεεν µοοτεδ βψ Πρινχετον Υνιϖερσιτψ πηψσι− χιστ ϑοην Α. Ωηεελερ. Κιπ Σ. Τηορνε οφ τηε Χαλιφορνια Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ ανδ οτηερσ ηαϖε σηοων ηοω τωο ενδσ οφ α ωορµηολε χουλδ βε µοϖεδ σο ασ το φορµ α ΧΤΧ. Αχχορδινγ το α ρεχεντ χαλ− χυλατιον βψ ϑ. Ριχηαρδ Γοττ οφ Πρινχε− τον, α χοσµιχ στρινγ (ανοτηερ τηεορετι− χαλ χονστρυχτ τηατ µαψ ορ µαψ νοτ εξιστ ιν νατυρε) πασσινγ ραπιδλψ βψ ανοτηερ ωουλδ γενερατε ΧΤΧσ. Ωε αρε ατ πρεσεντ α ϖερψ λονγ ωαψ φροµ ⇒νδινγ ανψ οφ τηεσε ΧΤΧσ. Τηεψ µαψ, ηοωεϖερ, βεχοµε αχχεσσιβλε το φυ− τυρε χιϖιλιζατιονσ, ωηιχη µιγητ ωελλ ατ− τεµπτ το εναχτ τιµε−τραϖελ παραδοξεσ. Λετ υσ τηερεφορε τακε α χλοσερ λοοκ ατ τηε παραδοξεσ το σεε ωηατ πρινχιπλεσ, ιφ ανψ, τιµε τραϖελ ωουλδ ϖιολατε, αχχορδ− ινγ το χλασσιχαλ ανδ θυαντυµ πηψσιχσ. Χλασσιχαλ πηψσιχσ σαψσ, υνεθυιϖοχαλλψ, τηατ ον αρριϖινγ ιν τηε παστ Σονια µυστ δο τηε τηινγσ τηατ ηιστορψ ρεχορδσ ηερ δοινγ. Σοµε πηιλοσοπηερσ ⇒νδ τηισ αν Copyright 1994 Scientific American, Inc. υναχχεπταβλε ρεστριχτιον οφ ηερ φρεε ωιλλ. Βυτ ασ αν αργυµεντ αγαινστ τιµε τραϖελ ωιτηιν χλασσιχαλ πηψσιχσ, τηατ οβ− ϕεχτιον ισ υνπερσυασιϖε. Φορ χλασσιχαλ πηψσιχσ ιν τηε αβσενχε οφ ΧΤΧσ ισ δε− τερµινιστιχ: ωηατ ηαππενσ ατ ανψ ιν− σταντ ισ ωηολλψ δετερµινεδ βψ ωηατ ηαππενσ ατ ανψ εαρλιερ (ορ λατερ) ινσταντ. Αχχορδινγλψ, εϖερψτηινγ ωε εϖερ δο ισ αν ινεϖιταβλε χονσεθυενχε οφ ωηατ ηαπ− πενεδ βεφορε ωε ωερε εϖεν χονχειϖεδ. Τηισ δετερµινισµ αλονε ισ οφτεν ηελδ το βε ινχοµπατιβλε ωιτη φρεε ωιλλ. Σο τιµε τραϖελ ποσεσ νο µορε οφ α τηρεατ το φρεε ωιλλ τηαν δοεσ χλασσιχαλ πηψσιχσ ιτσελφ. Τ ηε ρεαλ χορε οφ τηε γρανδφατηερ παραδοξ ισ νοτ τηε ϖιολατιον οφ φρεε ωιλλ βυτ οφ α φυνδαµενταλ πρινχιπλε τηατ υνδερλιεσ βοτη σχιενχε ανδ εϖερψδαψ ρεασονινγ; ωε χαλλ τηισ τηε αυτονοµψ πρινχιπλε. Αχχορδινγ το τηισ πρινχιπλε, ιτ ισ ποσσιβλε το χρεατε ιν ουρ ιµµεδιατε ενϖιρονµεντ ανψ χον− ⇒γυρατιον οφ µαττερ τηατ τηε λαωσ οφ πηψσιχσ περµιτ λοχαλλψ, ωιτηουτ ρεφερ− ενχε το ωηατ τηε ρεστ οφ τηε υνιϖερσε µαψ βε δοινγ. Ωηεν ωε στρικε α µατχη, ωε δο νοτ ηαϖε το ωορρψ τηατ ωε µιγητ βε τηωαρτεδ βεχαυσε τηε χον⇒γυρατιον οφ τηε πλανετσ, σαψ, µιγητ βε ινχονσισ− τεντ ωιτη τηε µατχη βεινγ λιτ. Αυτονο− µψ ισ α λογιχαλ προπερτψ τηατ ισ ηιγηλψ δεσιραβλε φορ τηε λαωσ οφ πηψσιχσ το ποσσεσσ. Φορ ιτ υνδερπινσ αλλ εξπεριµεν− ταλ σχιενχε: ωε τψπιχαλλψ τακε φορ γραντ− εδ τηατ ωε χαν σετ υπ ουρ αππαρατυσ ιν ανψ χον⇒γυρατιον αλλοωεδ βψ πηψσιχαλ λαω ανδ τηατ τηε ρεστ οφ τηε υνιϖερσε ωιλλ τακε χαρε οφ ιτσελφ. Ιν τηε αβσενχε οφ ΧΤΧσ, βοτη χλασσι− χαλ ανδ θυαντυµ πηψσιχσ χονφορµ το τηε αυτονοµψ πρινχιπλε. Βυτ ιν τηειρ πρεσενχε, χλασσιχαλ πηψσιχσ δοεσ νοτ, βε− χαυσε οφ ωηατ ϑοην Λ. Φριεδµαν οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Ωισχονσιν ανδ οτηερσ χαλλ τηε χονσιστενχψ πρινχιπλε. Τηισ στατεσ τηατ τηε ονλψ χον⇒γυρατιονσ οφ µαττερ τηατ χαν οχχυρ λοχαλλψ αρε τηοσε τηατ αρε σελφ−χονσιστεντ γλοβαλλψ. Υνδερ τηισ πριν− χιπλε, τηε ωορλδ ουτσιδε τηε λαβορατορψ χαν πηψσιχαλλψ χονστραιν ουρ αχτιονσ ιν− σιδε, εϖεν ιφ εϖερψτηινγ ωε δο ισ χονσισ− τεντ, λοχαλλψ, ωιτη τηε λαωσ οφ πηψσιχσ. Ορδιναριλψ ωε αρε υναωαρε οφ τηισ χον− στραιντ, βεχαυσε τηε αυτονοµψ ανδ χον− σιστενχψ πρινχιπλεσ νεϖερ χοµε ιντο χον− ⇓ιχτ. Βυτ χλασσιχαλλψ, ιν τηε πρεσενχε οφ ΧΤΧσ, τηεψ δο. Χλασσιχαλ πηψσιχσ σαψσ τηερε ισ ονλψ ονε ηιστορψ, σο τρψ ασ σηε µιγητ το δο οτηερ τηαν ωηατ ηιστορψ διχτατεσ, χον− σιστενχψ ρεθυιρεσ Σονια το αχτ ουτ ηερ παρτ ιν ιτ. Σηε µαψ ϖισιτ ηερ γρανδφα− τηερ. Βυτ περηαπσ ωηεν ηε τελλσ Σονια∏σ γρανδµοτηερ−το−βε ωηατ ηαππενεδ, σηε βεχοµεσ ωορριεδ αβουτ ηισ στατε οφ ηεαλτη. Ηε ισ ϖερψ τουχηεδ ανδ προποσ− Copyright 1994 Scientific American, Inc. εσ το ηερ; σηε αχχεπτσ. Νοτ ονλψ χουλδ τηισ ηαππεν∇υνδερ χλασσιχαλ πηψσιχσ σοµετηινγ λικε ιτ µυστ ηαππεν. Σονια, φαρ φροµ αλτερινγ τηε παστ, βεχοµεσ παρτ οφ ιτ. Ωηατ ιφ Σονια ισ δετερµινεδ το ρεβελ αγαινστ ηιστορψ? Συπποσε σηε τραϖελσ βαχκ το µεετ ηερ εαρλιερ σελφ. Ατ τηισ µεετινγ, ηερ ψουνγερ σελφ ρεχορδσ ωηατ ηερ ολδερ σελφ σαψσ ανδ, ιν δυε χουρσε, ηαϖινγ βεχοµε τηατ ολδερ σελφ, δελιβερ− ατελψ τριεσ το σαψ σοµετηινγ δι⇑ερεντ. Μυστ ωε συπποσε, αβσυρδλψ, τηατ σηε ισ γριππεδ βψ αν ιρρεσιστιβλε χοµπυλσιον το υττερ τηε οριγιναλ ωορδσ, χοντραρψ το ηερ πριορ ιντεντιονσ το δο οτηερωισε? Σονια χουλδ εϖεν προγραµ α ροβοτ το σπεακ φορ ηερ : Ωουλδ ιτ σοµεηοω βε φορχεδ το δισοβεψ ιτσ προγραµ? Ωιτηιν χλασσιχαλ πηψσιχσ, τηε ανσωερ ισ ψεσ. Σοµετηινγ µυστ πρεϖεντ Σονια ορ τηε ροβοτ φροµ δεϖιατινγ φροµ ωηατ ηασ αλρεαδψ ηαππενεδ. Ιτ νεεδ νοτ βε ανψτηινγ δραµατιχ, ηοωεϖερ. Ανψ χοµ− µονπλαχε ηιτχη ωιλλ συ⇔χε. Σονια∏σ ϖε− ηιχλε βρεακσ δοων, ορ τηε ροβοτ∏σ προ− γραµ τυρνσ ουτ το χονταιν α βυγ. Βυτ ονε ωαψ ορ ανοτηερ, αχχορδινγ το χλασ− σιχαλ πηψσιχσ, χονσιστενχψ ρεθυιρεσ τηε αυτονοµψ πρινχιπλε το φαιλ. Νοω λετ υσ ρετυρν το τηε στορψ οφ τηε τιµε−τραϖελινγ αρτ χριτιχ. Ωε χαλλ τηισ ϖι− ολατιον οφ χοµµον σενσε α κνοωλεδγε παραδοξ (τηε γρανδφατηερ παραδοξ ισ αν ινχονσιστενχψ παραδοξ). Ωε υσε τηε τερµ κνοωλεδγε ηερε ιν αν εξτενδεδ σενσε, αχχορδινγ το ωηιχη α παιντινγ, α σχιεντι⇒χ αρτιχλε, α πιεχε οφ µαχηιν− ερψ ανδ α λιϖινγ οργανισµ αλλ εµβοδψ κνοωλεδγε. Κνοωλεδγε παραδοξεσ ϖιο− λατε τηε πρινχιπλε τηατ κνοωλεδγε χαν χοµε ιντο εξιστενχε ονλψ ασ α ρεσυλτ οφ προβλεµ−σολϖινγ προχεσσεσ, συχη ασ βι− ολογιχαλ εϖολυτιον ορ ηυµαν τηουγητ. Τιµε τραϖελ αππεαρσ το αλλοω κνοωλεδγε το ⇓οω φροµ τηε φυτυρε το τηε παστ ανδ βαχκ, ιν α σελφ−χονσιστεντ λοοπ, ωιτηουτ ανψονε ορ ανψτηινγ εϖερ ηαϖινγ το γραπ− πλε ωιτη τηε χορρεσπονδινγ προβλεµσ. Ωηατ ισ πηιλοσοπηιχαλλψ οβϕεχτιοναβλε ηερε ισ νοτ τηατ κνοωλεδγε−βεαρινγ αρτι− φαχτσ αρε χαρριεδ ιντο τηε παστ∇ιτ ισ τηε φρεε λυνχη ελεµεντ. Τηε κνοωλεδγε ρεθυιρεδ το ινϖεντ τηε αρτιφαχτσ µυστ νοτ βε συππλιεδ βψ τηε αρτιφαχτσ τηεµσελϖεσ. Ιν αν ινχονσιστενχψ παραδοξ, πηψσι− χαλ εϖεντσ σεεµ το βε µορε τιγητλψ χον− στραινεδ τηαν ωε αρε υσεδ το. Ιν α κνοωλεδγε παραδοξ, τηεψ αρε λεσσ τιγητ− λψ χονστραινεδ. Φορ ινστανχε, τηε στατε οφ τηε υνιϖερσε βεφορε τηε αρτ χριτιχ αρ− ριϖεσ δοεσ νοτ δετερµινε ωηο, ιφ ανψ− ονε, ωιλλ αρριϖε φροµ τηε φυτυρε ορ ωηατ ηε ορ σηε ωιλλ βρινγ αλονγ: τηε γενεραλλψ δετερµινιστιχ λαωσ οφ χλασσιχαλ πηψσιχσ αλλοω τηε χριτιχ το βρινγ βαχκ γρεατ πιχ− τυρεσ, ποορ πιχτυρεσ ορ νο πιχτυρεσ ατ αλλ. Τηισ ινδετερµιναχψ ισ νοτ ωηατ ωε CLOSED TIMELIKE CURVE TEAR IN SPACE-TIME TODAY TOMORROW ΧΛΟΣΕ∆ ΤΙΜΕΛΙΚΕ ΧΥΡςΕ χαν βε φορµεδ ιφ σπαχε−τιµε λοοπσ αρουνδ. Εντερινγ συχη α χυρϖε τοµορροω ανδ µοϖινγ φορωαρδ ιν τιµε, ωε χαν ενδ υπ ατ τοδαψ. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 71 TIME SPACE NEUTRON PROTON ANTINEUTRINO ELECTRON ΝΕΥΤΡΟΝ ∆ΕΧΑΨ χαν οχχυρ ατ ανψ τιµε, τηουγη σοµε τιµεσ αρε µορε λικελψ τηαν οτηερσ. Φορ εαχη ινσταντ ιν ωηιχη τηε νευτρον µιγητ δεχαψ, τηερε ισ α υνιϖερσε ιν ωηιχη ιτ δεχαψσ ατ τηατ ινσταντ, αχχορδ− ινγ το Εϖερεττ∏σ µυλτιϖερσε ιντερπρετατιον οφ θυαντυµ µεχηανιχσ. υσυαλλψ εξπεχτ φροµ χλασσιχαλ πηψσιχσ, βυτ ιτ χονστιτυτεσ νο φυνδαµενταλ ιµ− πεδιµεντ το τιµε τραϖελ. Ινδεεδ, τηε ιν− δετερµιναχψ ωουλδ αλλοω τηε χλασσιχαλ λαωσ το βε συππλεµεντεδ ωιτη αν αδδι− τιοναλ πρινχιπλε, στατινγ τηατ κνοωλεδγε χαν αρισε ονλψ ασ α ρεσυλτ οφ προβλεµ− σολϖινγ προχεσσεσ. Ψετ τηατ πρινχιπλε ωουλδ λανδ υσ ιν τηε σαµε προβλεµ ρεγαρδινγ αυτονοµψ ασ ωε ενχουντερεδ ιν τηε γρανδφατηερ παραδοξ. Φορ ωηατ ισ το πρεϖεντ Σονια φροµ χαρρψινγ νεω ινϖεντιονσ ιντο τηε παστ ανδ σηοωινγ τηεµ το τηειρ συπ− ποσεδ οριγινατορσ? Σο αλτηουγη χλασσι− χαλ πηψσιχσ χαν, αφτερ αλλ, αχχοµµοδατε τηε κινδ οφ τιµε τραϖελ τηατ ισ υσυαλλψ χονσιδερεδ παραδοξιχαλ, ιτ δοεσ τηισ ατ τηε χοστ οφ ϖιολατινγ τηε αυτονοµψ πρινχιπλε. Ηενχε, νο χλασσιχαλ αναλψσισ χαν ωηολλψ ελιµινατε τηε παραδοξ. Αλλ τηισ, ηοωεϖερ, ισ ιν ουρ ϖιεω αχα− δεµιχ. Φορ χλασσιχαλ πηψσιχσ ισ φαλσε. Τηερε αρε µανψ σιτυατιονσ ιν ωηιχη ιτ ισ αν εξχελλεντ αππροξιµατιον το τηε τρυτη. Βυτ ωηεν χλοσεδ τιµελικε χυρϖεσ αρε ιν− ϖολϖεδ, ιτ δοεσ νοτ εϖεν χοµε χλοσε. Ο νε τηινγ ωε αλρεαδψ κνοω αβουτ ΧΤΧσ ισ τηατ ιφ τηεψ εξιστ, ωε νεεδ θυαντυµ µεχηανιχσ το υνδερστανδ τηεµ. Ινδεεδ, Στεπηεν Ω. Ηαωκινγ οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαµ− βριδγε ηασ αργυεδ τηατ θυαντυµ−µε− χηανιχαλ ε⇑εχτσ ωουλδ ειτηερ πρεϖεντ ΧΤΧσ φροµ φορµινγ ορ ωουλδ δεστροψ ανψ ωουλδ−βε τιµε τραϖελερ αππροαχη− ινγ ονε. Αχχορδινγ το Ηαωκινγ∏σ χαλχυ− 72 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 λατιονσ, ωηιχη υσε αν αππροξιµατιον τηατ ιγνορεσ τηε γραϖιτατιοναλ ε⇑εχτσ οφ θυαντυµ ⇒ελδσ, ⇓υχτυατιονσ ιν συχη ⇒ελδσ ωουλδ αππροαχη ιν⇒νιτψ νεαρ τηε ΧΤΧ. Αππροξιµατιονσ αρε ινεϖιταβλε υν− τιλ ωε δισχοϖερ ηοω το αππλψ θυαντυµ τηεορψ φυλλψ το γραϖιτψ; βυτ σπαχε−τιµεσ χονταινινγ ΧΤΧσ πυση χυρρεντ τεχη− νιθυεσ βεψονδ τηε λιµιτσ ωηερε τηεψ χαν βε χον⇒δεντλψ αππλιεδ. Ωε βελιεϖε τηατ Ηαωκινγ∏σ χαλχυλατιονσ ρεϖεαλ ονλψ τηε σηορτχοµινγσ οφ τηοσε τεχηνιθυεσ. Τηε θυαντυµ−µεχηανιχαλ ε⇑εχτσ τηατ ωε σηαλλ βε δεσχριβινγ, φαρ φροµ πρε− ϖεντινγ τιµε τραϖελ, ωουλδ αχτυαλλψ φα− χιλιτατε ιτ. Θυαντυµ µεχηανιχσ µαψ νεχεσσιτατε τηε πρεσενχε οφ χλοσεδ τιµελικε χυρϖεσ. ΧΤΧσ, ωηιλε ηαρδ το ⇒νδ ον λαργε σχαλεσ, µαψ ωελλ βε πλεντιφυλ ατ συβµιχροσχοπ− ιχ σχαλεσ, ωηερε τηε ε⇑εχτσ οφ θυαντυµ µεχηανιχσ πρεδοµινατε. Τηερε ισ ασ ψετ νο φυλλψ σατισφαχτορψ τηεορψ οφ θυαντυµ γραϖιτψ. Βυτ αχχορδινγ το µανψ ϖερσιονσ τηατ ηαϖε βεεν προποσεδ, σπαχε−τιµε, τηουγη ιτ αππεαρσ σµοοτη ατ λαργε σχαλεσ, ηασ α φοαµλικε συβµιχροσχοπιχ στρυχτυρε χονταινινγ µανψ ωορµηολεσ ασ ωελλ ασ ΧΤΧσ ρεαχηινγ αβουτ 10 ∠42 σεχονδ ιντο τηε παστ. Φορ αλλ ωε κνοω, τιµε τραϖελ βψ συβατοµιχ παρτιχλεσ µαψ βε γοινγ ον αλλ αρουνδ υσ. Μορε ιµπορταντ, θυαντυµ µεχηανιχσ χαν ρεσολϖε τηε παραδοξεσ οφ τιµε τραϖ− ελ. Ιτ ισ ουρ µοστ βασιχ πηψσιχαλ τηεορψ ανδ χονστιτυτεσ α ραδιχαλ δεπαρτυρε φροµ τηε χλασσιχαλ ωορλδϖιεω. Ρατηερ τηαν πρεδιχτινγ ωιτη χερταιντψ ωηατ ωε σηαλλ οβσερϖε, ιτ πρεδιχτσ αλλ ποσσιβλε ουτ− χοµεσ οφ αν οβσερϖατιον ανδ τηε προβ− αβιλιτψ οφ εαχη. Ιφ ωε ωαιτ φορ α νευτρον το δεχαψ (ιντο α προτον, αν ελεχτρον ανδ αν αντινευτρινο), ωε αρε µοστ λικελψ το οβσερϖε τηισ ιν αβουτ 20 µινυτεσ. Βυτ ωε µιγητ οβσερϖε ιτ ιµµεδιατελψ ορ βε κεπτ ωαιτινγ ινδε⇒νιτελψ. Ηοω αρε ωε το υνδερστανδ τηισ ρανδοµνεσσ? Ισ τηερε σοµετηινγ αβουτ τηε ιντερναλ στατε οφ νευτρονσ, χυρρεντλψ υνκνοων, τηατ διφ− φερσ φροµ ονε νευτρον το ανοτηερ ανδ εξπλαινσ ωηψ εαχη νευτρον βρεακσ υπ ωηεν ιτ δοεσ? Τηισ συπερ⇒χιαλλψ αττραχ− τιϖε ιδεα τυρνσ ουτ το χον⇓ιχτ ωιτη πρε− διχτιονσ οφ θυαντυµ µεχηανιχσ τηατ ηαϖε βεεν εξπεριµενταλλψ χορροβορατεδ. Οτηερ αττεµπτσ ηαϖε βεεν µαδε το πρεσερϖε ουρ χλασσιχαλ ιντυιτιονσ βψ µοδιφψινγ θυαντυµ µεχηανιχσ. Νονε αρε γενεραλλψ δεεµεδ το ηαϖε συχχεεδ− εδ. Σο ωε πρεφερ το τακε θυαντυµ µε− χηανιχσ ατ φαχε ϖαλυε ανδ το αδοπτ α χονχεπτιον οφ ρεαλιτψ τηατ στραιγητφορ− ωαρδλψ µιρρορσ τηε στρυχτυρε οφ τηε τηε− ορψ ιτσελφ. Ωηεν ωε ρεφερ το θυαντυµ µεχηανιχσ, ωε µεαν ιτσ σο−χαλλεδ µανψ− υνιϖερσεσ ιντερπρετατιον, ⇒ρστ προποσεδ βψ Ηυγη Εϖερεττ ΙΙΙ ιν 1957. Αχχορδινγ το Εϖερεττ, ιφ σοµετηινγ πηψσιχαλλψ χαν ηαππεν, ιτ δοεσ∇ιν σοµε υνιϖερσε. Πηψσιχαλ ρεαλιτψ χονσιστσ οφ α χολλεχτιον οφ υνιϖερσεσ, σοµετιµεσ χαλλεδ α µυλτι− ϖερσε. Εαχη υνιϖερσε ιν τηε µυλτιϖερσε χονταινσ ιτσ οων χοπψ οφ τηε νευτρον ωηοσε δεχαψ ωε ωιση το οβσερϖε. Φορ εαχη ινσταντ ατ ωηιχη τηε νευτρον µιγητ δεχαψ, τηερε ισ α υνιϖερσε ιν ωηιχη ιτ δεχαψσ ατ τηατ ινσταντ. Σινχε ωε οβσερϖε ιτ δεχαψινγ ατ α σπεχι⇒χ ινσταντ, ωε τοο µυστ εξιστ ιν µανψ χοπιεσ, ονε φορ εαχη υνιϖερσε. Ιν ονε υνιϖερσε ωε σεε τηε νευτρον βρεακ υπ ατ 10:30, ιν ανοτηερ ατ 10:31 ανδ σο ον. Ασ αππλιεδ το τηε µυλτιϖερσε, θυαντυµ τηεορψ ισ δετερµιν− ιστιχ∇ιτ πρεδιχτσ τηε συβϕεχτιϖε προβα− βιλιτψ οφ εαχη ουτχοµε βψ πρεσχριβινγ τηε προπορτιον οφ υνιϖερσεσ ιν ωηιχη τηατ ουτχοµε οχχυρσ. Εϖερεττ∏σ ιντερπρετατιον οφ θυαντυµ µεχηανιχσ ισ στιλλ χοντροϖερσιαλ αµονγ πηψσιχιστσ. Θυαντυµ µεχηανιχσ ισ χοµ− µονλψ υσεδ ασ α χαλχυλατιοναλ τοολ τηατ, γιϖεν αν ινπυτ∇ινφορµατιον αβουτ α πηψσιχαλ προχεσσ∇ψιελδσ τηε προβαβιλι− τψ οφ εαχη ποσσιβλε ουτπυτ. Μοστ οφ τηε τιµε ωε δο νοτ νεεδ το ιντερπρετ τηε µατηεµατιχσ δεσχριβινγ τηατ προχεσσ. Βυτ τηερε αρε τωο βρανχηεσ οφ πηψσ− ιχσ∇θυαντυµ χοσµολογψ ανδ τηε θυαν− τυµ τηεορψ οφ χοµπυτατιον∇ιν ωηιχη τηισ ισ νοτ γοοδ ενουγη. Τηεσε βρανχη− εσ ηαϖε ασ τηειρ εντιρε συβϕεχτ µαττερ τηε ιννερ ωορκινγσ οφ τηε πηψσιχαλ σψσ− τεµσ υνδερ στυδψ. Αµονγ ρεσεαρχηερσ ιν τηεσε τωο ⇒ελδσ, Εϖερεττ∏σ ιντερπρετα− τιον πρεϖαιλσ. B-UNIVERSE TIME ΜΥΛΤΙςΕΡΣΕ ΠΙΧΤΥΡΕ ΟΦ ΡΕΑΛΙΤΨ υν− ραϖελσ τηε τιµε τραϖελ παραδοξεσ. Σονια πλανσ το εντερ τηε τιµε µαχηινε τοµορ− Copyright 1994 Scientific American, Inc. Ωηατ, τηεν, δοεσ θυαντυµ µεχηαν− ιχσ, βψ Εϖερεττ∏σ ιντερπρετατιον, σαψ αβουτ τιµε τραϖελ παραδοξεσ? Ωελλ, τηε γρανδφατηερ παραδοξ, φορ ονε, σιµπλψ δοεσ νοτ αρισε. Συπποσε τηατ Σονια εµ− βαρκσ ον α παραδοξιχαλ προϕεχτ τηατ, ιφ χοµπλετεδ, ωουλδ πρεϖεντ ηερ οων χονχεπτιον. Ωηατ ηαππενσ? Ιφ τηε χλασ− σιχαλ σπαχε−τιµε χονταινσ ΧΤΧσ, τηεν, αχχορδινγ το θυαντυµ µεχηανιχσ, τηε υνιϖερσεσ ιν τηε µυλτιϖερσε µυστ βε λινκεδ υπ ιν αν υνυσυαλ ωαψ. Ινστεαδ οφ ηαϖινγ µανψ δισϕοιντ, παραλλελ υνιϖερσ− εσ, εαχη χονταινινγ ΧΤΧσ, ωε ηαϖε ιν ε⇑εχτ α σινγλε, χονϖολυτεδ σπαχε−τιµε χονσιστινγ οφ µανψ χοννεχτεδ υνιϖερσ− εσ. Τηε λινκσ φορχε Σονια το τραϖελ το α υνιϖερσε τηατ ισ ιδεντιχαλ, υπ το τηε ιν− σταντ οφ ηερ αρριϖαλ, ωιτη τηε ονε σηε λεφτ, βυτ τηατ ισ τηερεαφτερ δι⇑ερεντ βε− χαυσε οφ ηερ πρεσενχε. Σ ο δοεσ Σονια πρεϖεντ ηερ οων βιρτη ορ νοτ? Τηατ δεπενδσ ον ωηιχη υνιϖερσε ονε ισ ρεφερρινγ το. Ιν τηε υνιϖερσε σηε λεαϖεσ, τηε ονε σηε ωασ βορν ιν, ηερ γρανδφατηερ διδ µαρρψ ηερ γρανδµοτηερ βεχαυσε, ιν τηατ υνιϖερσε, ηε ρεχειϖεδ νο ϖισιτ φροµ Σονια. Ιν τηε οτηερ υνιϖερσε, τηε ονε ωηοσε παστ Σονια τραϖελσ το, ηερ γρανδ− φατηερ δοεσ νοτ µαρρψ τηατ παρτιχυλαρ ωοµαν, ανδ Σονια ισ νεϖερ βορν. Τηυσ, τηε φαχτ τηατ Σονια ισ τραϖελινγ ιν τιµε δοεσ νοτ χονστραιν ηερ αχτιονσ. Ανδ ιτ τυρνσ ουτ, αχχορδινγ το θυαντυµ µεχηανιχσ, τηατ ιτ νεϖερ ωουλδ. Θυαν− A-UNIVERSE TIME τυµ µεχηανιχσ, εϖεν ιν τηε πρεσενχε οφ ΧΤΧσ, χονφορµσ το τηε αυτονοµψ πρινχιπλε. Συπποσε Σονια τριεσ ηερ βεστ το εναχτ α παραδοξ. Σηε ρεσολϖεσ τηατ τοµορροω σηε ωιλλ εντερ τηε τιµε µαχηινε ανδ εµεργε τοδαψ, υνλεσσ α ϖερσιον οφ ηερ ⇒ρστ εµεργεσ τοδαψ, ηαϖινγ σετ ουτ φροµ τοµορροω; ανδ τηατ ιφ α ϖερσιον οφ ηερ δοεσ εµεργε τοδαψ, σηε ωιλλ νοτ εν− τερ τηε τιµε µαχηινε τοµορροω. Ωιτη− ιν χλασσιχαλ πηψσιχσ, τηατ ρεσολυτιον ισ σελφ−χοντραδιχτορψ. Βυτ νοτ υνδερ θυαν− τυµ πηψσιχσ. Ιν ηαλφ τηε υνιϖερσεσ∇χαλλ τηεµ Α∇αν ολδερ Σονια στεπσ ουτ οφ τηε τιµε µαχηινε. Χονσεθυεντλψ, ϕυστ ασ σηε ρεσολϖεδ, Σονια δοεσ νοτ εντερ τηε τιµε µαχηινε τοµορροω, ανδ εαχη Α−υνιϖερσε τηερεαφτερ χονταινσ τωο Σο− νιασ οφ σλιγητλψ δι⇑ερεντ αγεσ. Ιν τηε οτηερ ( Β ) υνιϖερσεσ, νο ονε εµεργεσ φροµ τηε τιµε µαχηινε. Σο Σονια σετσ ουτ ανδ αρριϖεσ ιν αν Α−υνιϖερσε ωηερε σηε µεετσ α ψουνγερ ϖερσιον οφ ηερσελφ. Ονχε αγαιν, σηε χαν βεηαϖε ασ σηε λικεσ ιν τηε παστ, δοινγ τηινγσ τηατ δεπαρτ φροµ ηερ (αχχυρατε) ρεχολλεχτιονσ. Σο ιν ηαλφ τηε υνιϖερσεσ τηερε ισ α µεετινγ βετωεεν τωο Σονιασ, ανδ ιν ηαλφ τηερε ισ νοτ. Ιν τηε Α−υνιϖερσεσ αν ολδερ Σονια αππεαρσ φροµ νοωηερε, ανδ ιν τηε Β−υνιϖερσεσ σηε δισαππεαρσ ιντο νοωηερε. Εαχη Α−υνιϖερσε τηεν χονταινσ τωο Σονιασ, τηε ολδερ ονε ηαϖ− ινγ σταρτεδ λιφε ιν α Β−υνιϖερσε. Σονια ηασ γονε µισσινγ φροµ εαχη Β−υνιϖερσε, ηαϖινγ εµιγρατεδ το αν Α−υνιϖερσε. B-UNIVERSE TIME ροω ανδ τραϖελ βαχκ το τοδαψ βυτ ρεσολϖεσ τηατ ιφ σηε εµεργεσ φροµ τηε τιµε µαχηινε τοδαψ, σηε ωιλλ νοτ εντερ τοµορροω. Σηε ισ αβλε το χαρρψ ουτ τηισ πλαν, ωιτηουτ παραδοξ. Ιν α Β−υνι− Copyright 1994 Scientific American, Inc. Ηοωεϖερ χονϖολυτεδ Σονια∏σ πλανσ µιγητ βε, θυαντυµ µεχηανιχσ σαψσ τηε υνιϖερσεσ λινκ υπ ιν συχη α ωαψ τηατ σηε χαν χαρρψ τηεµ ουτ χονσιστεντλψ. Συπ− ποσε Σονια τριεσ το χαυσε α παραδοξ βψ τραϖελινγ αρουνδ τηε λινκ τωιχε. Σηε ωαντσ το ρεαππεαρ ιν τηε υνιϖερσε σηε σταρτεδ φροµ ανδ ϕοιν ηερ πρεϖιουσ σελφ φορ α σπαγηεττι διννερ ινστεαδ οφ τηε στιρ−φρψ σηε ρεµεµβερσ ηαϖινγ. Σηε χαν βεηαϖε ασ σηε λικεσ, ανδ ιν παρτιχυλαρ εατ ωηατεϖερ σηε λικεσ, ιν χοµπανψ ωιτη ηερ ψουνγερ σελφ; ηοωεϖερ, τηε µυλτι− ϖερσε, βψ βεινγ λινκεδ υπ ιν α ωαψ διφ− φερεντ φροµ τηατ οφ τηε πρεϖιουσ παρα− δοξ, πρεϖεντσ ηερ φροµ δοινγ σο ιν ηερ οριγιναλ υνιϖερσε. Σονια χαν συχχεεδ ιν σηαρινγ σπαγηεττι ωιτη α ϖερσιον οφ ηερ− σελφ ονλψ ιν ανοτηερ υνιϖερσε, ωηιλε ιν τηε οριγιναλ υνιϖερσε σηε ισ στιλλ αλονε, εατινγ στιρ−φρψ. Τιµε τραϖελ ωουλδ µακε ποσσιβλε αν− οτηερ χυριουσ πηενοµενον, ωηιχη ωε χαλλ ασψµµετριχ σεπαρατιον. Συπποσε τηατ Σονια∏σ βοψφριενδ, Στεπηεν, σταψσ βεηινδ ωηιλε σηε υσεσ ηερ τιµε µαχηινε ιν ονε οφ τηε ωαψσ ωε ηαϖε δεσχριβεδ. Ιν ηαλφ τηε υνιϖερσεσ, σηε εντερσ ιτ ανδ νεϖερ ρετυρνσ. Τηυσ, φροµ Στεπηεν∏σ ποιντ οφ ϖιεω, τηερε ισ α ποσσιβιλιτψ τηατ ηε ωιλλ βε σεπαρατεδ φροµ ηερ. Ηαλφ τηε ϖερσιονσ οφ ηιµ ωιλλ σεε Σονια δεπαρτ− ινγ, νεϖερ το ρετυρν. (Τηε οτηερ ηαλφ ωιλλ βε ϕοινεδ βψ α σεχονδ Σονια.) Βυτ φροµ Σονια∏σ ποιντ οφ ϖιεω, τηερε ισ νο ποσ− σιβιλιτψ οφ ηερ βεινγ σεπαρατεδ φροµ Στεπηεν, βεχαυσε εϖερψ ϖερσιον οφ ηερ A-UNIVERSE TIME ϖερσε σηε δοεσ νοτ εµεργε τοδαψ ανδ σο εντερσ τηε τιµε µα− χηινε τοµορροω. Σηε τηεν εµεργεσ τοδαψ, βυτ ιν αν Α−υνιϖερσε, ανδ µεετσ ηερ χοπψ∇ωηο δοεσ νοτ εντερ τηε τιµε µαχηινε. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 73 © 1991 Watterson (distributed by Universal Press Syndicate) ωιλλ ενδ υπ ιν α υνιϖερσε χονταινινγ α ϖερσιον οφ ηιµ∇ωηοµ σηε ωιλλ ηαϖε το σηαρε ωιτη ανοτηερ ϖερσιον οφ ηερσελφ. Ιφ Στεπηεν ανδ Σονια φολλοω α σιµιλαρ πλαν∇εντερινγ τηε τιµε µαχηινε ιφ ανδ ονλψ ιφ τηε οτηερ δοεσ νοτ ⇒ρστ εµεργε∇ τηεψ χαν σεπαρατε χοµπλετελψ, ενδινγ υπ ιν δι⇑ερεντ υνιϖερσεσ. Ιφ τηεψ χαρρψ ουτ µορε χοµπλεξ ιντεντιονσ, εαχη οφ τηεµ χουλδ ενδ υπ ιν τηε χοµπανψ οφ ανψ νυµβερ οφ ϖερσιονσ οφ τηε οτηερ. Ιφ τιµε τραϖελ ωερε αχηιεϖαβλε ον α γρανδ σχαλε, χοµπετινγ γαλαχτιχ χιϖιλιζατιονσ χουλδ υσε τηεσε ασψµµετριχ σεπαρατιον ε⇑εχτσ το ηαϖε τηε ωηολε γαλαξψ το τηεµσελϖεσ. Αλσο, αν εντιρε χιϖιλιζατιον χουλδ χλονε ιτσελφ ιντο ανψ νυµβερ οφ χοπιεσ, ϕυστ ασ Σονια διδ. Τηε µορε οφτεν ιτ διδ τηισ, τηε λικελιερ ιτ ωουλδ βε τηατ αν οβσερϖερ ωουλδ σεε ιτ δισαππεαρ φροµ ηισ υνιϖερσε, ϕυστ ασ Στεπηεν σεεσ Σονια δισαππεαρ φροµ τηε Α−υνιϖερσε ωηεν ηερ χλονε αππεαρσ ιν τηε Β−υνιϖερσε. (Περηαπσ τηισ εξπλαινσ ωηψ ωε ηαϖε νοτ ψετ ενχουντερεδ ανψ εξτρατερρεστριαλσ!) Ιν τηε αρτ χριτιχ στορψ, θυαντυµ µε− χηανιχσ αλλοωσ εϖεντσ, φροµ τηε παρτιχι− παντσ∏ περσπεχτιϖε, το οχχυρ µυχη ασ ∆υµµεττ δεσχριβεσ. Τηε υνιϖερσε τηατ τηε χριτιχ χοµεσ φροµ µυστ ηαϖε βεεν ονε ιν ωηιχη τηε αρτιστ διδ, εϖεντυαλλψ, λεαρν το παιντ ωελλ. Ιν τηατ υνιϖερσε, τηε πιχτυρεσ ωερε προδυχεδ βψ χρεατιϖε εφ− φορτ, ανδ ρεπροδυχτιονσ ωερε λατερ τακ− εν το τηε παστ οφ ανοτηερ υνιϖερσε. Τηερε τηε παιντινγσ ωερε ινδεεδ πλαγια− ριζεδ∇ιφ ονε χαν βε σαιδ το πλαγιαριζε τηε ωορκ οφ ανοτηερ ϖερσιον οφ ονε− σελφ∇ανδ τηε παιντερ διδ γετ σοµε− τηινγ φορ νοτηινγ. Βυτ τηερε ισ νο παρα− δοξ, βεχαυσε νοω τηε εξιστενχε οφ τηε πιχτυρεσ ωασ χαυσεδ βψ γενυινε χρε− ατιϖε ε⇑ορτ, αλβειτ ιν ανοτηερ υνιϖερσε. Τηε ιδεα τηατ τιµε τραϖελ παραδοξεσ χουλδ βε ρεσολϖεδ βψ παραλλελ υνιϖερσ− εσ ηασ βεεν αντιχιπατεδ ιν σχιενχε ⇒χ− τιον ανδ βψ σοµε πηιλοσοπηερσ. Ωηατ ωε ηαϖε πρεσεντεδ ηερε ισ νοτ σο µυχη α νεω ρεσολυτιον ασ α νεω ωαψ οφ αρριϖ− 74 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 ινγ ατ ιτ, βψ δεδυχινγ ιτ φροµ εξιστινγ πηψσιχαλ τηεορψ. Αλλ τηε χλαιµσ ωε ηαϖε µαδε αβουτ τιµε τραϖελ αρε χονσεθυενχ− εσ οφ υσινγ στανδαρδ θυαντυµ µεχηαν− ιχσ το χαλχυλατε τηε βεηαϖιορ οφ λογιχ χιρ− χυιτσ∇ϕυστ λικε τηοσε τηατ αρε υσεδ ιν χοµπυτερσ, εξχεπτ φορ τηε αδδιτιοναλ συπποσιτιον τηατ ινφορµατιον χαν τραϖελ ιντο τηε παστ αλονγ ΧΤΧσ. Τηε τιµε τραϖ− ελερσ ιν τηισ χοµπυτερ µοδελ αρε παχκ− ετσ οφ ινφορµατιον. Σιµιλαρ ρεσυλτσ ηαϖε βεεν οβταινεδ υσινγ οτηερ µοδελσ. Τ ηεσε χαλχυλατιονσ δε⇒νιτιϖελψ δισ− ποσε οφ τηε ινχονσιστενχψ παρα− δοξεσ, ωηιχη τυρν ουτ το βε µερε− λψ αρτιφαχτσ οφ αν οβσολετε, χλασσιχαλ ωορλδϖιεω. Ωε ηαϖε αργυεδ τηατ τηε κνοωλεδγε παραδοξεσ ωουλδ λικεωισε πρεσεντ νο οβσταχλε το τιµε τραϖελ. Βυτ ονε χαννοτ µακε τηατ αργυµεντ αιρτιγητ υντιλ χονχεπτσ λικε κνοωλεδγε ανδ χρε− ατιϖιτψ ηαϖε βεεν συχχεσσφυλλψ τρανσλατ− εδ ιντο τηε λανγυαγε οφ πηψσιχσ. Ονλψ τηεν χαν ονε τελλ ιφ τηε νο−φρεε−λυνχη πρινχιπλε ωε ρεθυιρε∇τηατ ιτ τακεσ προβ− λεµ−σολϖινγ προχεσσεσ το χρεατε κνοωλ− εδγε∇ισ χονσιστεντ, ιν τηε πρεσενχε οφ ΧΤΧσ, ωιτη θυαντυµ µεχηανιχσ ανδ τηε ρεστ οφ πηψσιχσ. Τηερε ισ α ⇒ναλ αργυµεντ τηατ ισ οφ− τεν ραισεδ αγαινστ τιµε τραϖελ. Ασ Ηαωκ− ινγ πυτσ ιτ, Τηε βεστ εϖιδενχε τηατ τιµε τραϖελ νεϖερ ωιλλ βε ποσσιβλε ισ τηατ ωε ηαϖε νοτ βεεν ινϖαδεδ βψ ηορδεσ οφ τουριστσ φροµ τηε φυτυρε. Βυτ τηισ ισ α µιστακε. Φορ α ΧΤΧ ρεαχηεσ ονλψ ασ φαρ βαχκ ασ τηε µοµεντ ιτ ωασ χρεατεδ. Ιφ τηε εαρτη∏σ ⇒ρστ ναϖιγαβλε ΧΤΧ ισ χον− στρυχτεδ ιν 2054, συβσεθυεντ τιµε τραϖ− ελερσ χουλδ υσε ιτ το τραϖελ το 2054 ορ λατερ, βυτ νο εαρλιερ. Ναϖιγαβλε ΧΤΧσ µιγητ αλρεαδψ εξιστ ελσεωηερε ιν τηε γαλαξψ. Βυτ εϖεν τηεν ωε σηουλδ νοτ εξ− πεχτ ηορδεσ οφ τουριστσ φροµ τηε φυ− τυρε. Γιϖεν τηε λιµιτεδ χαπαχιτψ οφ ΧΤΧσ ανδ τηατ ουρ στοχκ οφ τηεµ ατ ανψ γιϖεν τιµε χαννοτ βε ρεπλενισηεδ ιν τηισ υνιϖερσε, α ΧΤΧ ισ α νονρενεωαβλε ρε− σουρχε. Εξτρατερρεστριαλ χιϖιλιζατιονσ ορ ουρ δεσχενδαντσ ωιλλ ηαϖε τηειρ οων πριοριτιεσ φορ ιτσ υσε, ανδ τηερε ισ νο ρεασον το ασσυµε τηατ ϖισιτινγ τηε εαρτη ιν τηε 20τη χεντυρψ ωουλδ βε ηιγη ον τηειρ λιστ. Εϖεν ιφ ιτ ωερε, τηεψ ωουλδ αρ− ριϖε ονλψ ιν σοµε υνιϖερσεσ, οφ ωηιχη τηισ, πρεσυµαβλψ, ισ νοτ ονε. Ωε χονχλυδε τηατ ιφ τιµε τραϖελ ισ ιµ− ποσσιβλε, τηεν τηε ρεασον ηασ ψετ το βε δισχοϖερεδ. Ωε µαψ ορ µαψ νοτ ονε δαψ λοχατε ορ χρεατε ναϖιγαβλε ΧΤΧσ. Βυτ ιφ ανψτηινγ λικε τηε µανψ−υνιϖερσεσ πιχτυρε ισ τρυε∇ανδ ιν θυαντυµ χοσ− µολογψ ανδ τηε θυαντυµ τηεορψ οφ χοµπυτατιον νο ϖιαβλε αλτερνατιϖε ισ κνοων∇τηεν αλλ τηε στανδαρδ οβϕεχ− τιονσ το τιµε τραϖελ δεπενδ ον φαλσε µοδελσ οφ πηψσιχαλ ρεαλιτψ. Σο ιτ ισ ιν− χυµβεντ ον ανψονε ωηο στιλλ ωαντσ το ρεϕεχτ τηε ιδεα οφ τιµε τραϖελ το χοµε υπ ωιτη σοµε νεω σχιεντι⇒χ ορ πηιλο− σοπηιχαλ αργυµεντ. ΦΥΡΤΗΕΡ ΡΕΑ∆ΙΝΓ ΧΑΥΣΑΛ ΛΟΟΠΣ. Μιχηαελ ∆υµµεττ ιν Τηε Νατυρε οφ Τιµε. Εδιτεδ βψ Ρ. Φλοοδ ανδ Μ. Λοχκωοοδ. Βασιλ Βλαχκωελλ, 1986. ∆Ο ΤΗΕ ΛΑΩΣ ΟΦ ΠΗΨΣΙΧΣ ΠΕΡΜΙΤ ΧΛΟΣΕ∆ ΤΙΜΕ−ΛΙΚΕ ΧΥΡςΕΣ? Κιπ Σ. Τηορνε ιν Αν− ναλσ οφ τηε Νεω Ψορκ Αχαδεµψ οφ Σχι− ενχεσ, ςολ. 631, παγεσ 182∠193; Αυγυστ 1991. ΘΥΑΝΤΥΜ ΜΕΧΗΑΝΙΧΣ ΝΕΑΡ ΧΛΟΣΕ∆ ΤΙΜΕΛΙΚΕ ΛΙΝΕΣ. ∆αϖιδ ∆ευτσχη ιν Πηψσι− χαλ Ρεϖιεω ∆, ςολ. 44, Νο. 10, παγεσ 3197∠3217; Νοϖεµβερ 15, 1991. ΤΗΕ ΠΑΡΑ∆ΟΞΕΣ ΟΦ ΤΙΜΕ ΤΡΑςΕΛ. ∆αϖιδ Λεωισ ιν Αµεριχαν Πηιλοσοπηιχαλ Θυαρ− τερλψ, ςολ. 13, Νο. 2, παγεσ 145∠152; Απριλ 1976. Ρεπριντεδ ιν Τηε Πηιλοσοπηψ οφ Τιµε. Εδιτεδ βψ Ροβιν Λε Ποιδεϖιν ανδ Μυρραψ ΜαχΒεατη. Οξφορδ Υνιϖερσι− τψ Πρεσσ, 1993. ΜΥΣΤ ΤΙΜΕ ΜΑΧΗΙΝΕ ΧΟΝΣΤΡΥΧΤΙΟΝ ςΙ− ΟΛΑΤΕ ΤΗΕ ΩΕΑΚ ΕΝΕΡΓΨ ΧΟΝ∆ΙΤΙΟΝ? Αµοσ Ορι ιν Πηψσιχαλ Ρεϖιεω Λεττερσ, ςολ. 71, Νο. 16, παγεσ 2517∠2520; Οχ− τοβερ 18, 1993. Copyright 1994 Scientific American, Inc. Τηε ∆ψναµιχσ οφ Σοχιαλ ∆ιλεµµασ Individuals in groups must often choose between acting selfishly or cooperating for the common good. Social models explain how group cooperation arises—and why that behavior can suddenly change βψ Ναταλιε Σ. Γλανχε ανδ Βερναρδο Α. Ηυβερµαν Ι µαγινε τηατ ψου ανδ α γρουπ οφ φριενδσ αρε δινινγ ατ α ⇒νε ρεσταυ− ραντ ωιτη αν υνσποκεν αγρεεµεντ το διϖιδε τηε χηεχκ εϖενλψ. Ωηατ δο ψου ορδερ? ∆ο ψου χηοοσε τηε µοδεστ χηιχκ− εν εντρε ορ τηε πριχεψ λαµβ χηοπσ? Τηε ηουσε ωινε ορ τηε Χαβερνετ Σαυϖι− γνον 1983? Ιφ ψου αρε εξτραϖαγαντ, ψου χουλδ ενϕοψ α συπερλατιϖε διννερ ατ α βαργαιν πριχε. Βυτ ιφ εϖερψονε ιν τηε παρτψ ρεασονσ ασ ψου δο, τηε γρουπ ωιλλ ενδ υπ ωιτη α ηεφτψ βιλλ το παψ. Ανδ ωηψ σηουλδ οτηερσ σεττλε φορ παστα πρι− µαϖερα ωηεν σοµεονε ισ ηαϖινγ γριλλεδ πηεασαντ ατ τηειρ εξπενσε? Τηισ λιγητηεαρτεδ σιτυατιον, ωηιχη ωε χαλλ τηε Υνσχρυπυλουσ ∆ινερ∏σ ∆ιλεµ− µα, τψπι⇒εσ α χλασσ οφ σεριουσ, δι⇔χυλτ προβλεµσ τηατ περϖαδε σοχιετψ. Σοχιολο− γιστσ, εχονοµιστσ ανδ πολιτιχαλ σχιεν− τιστσ ⇒νδ τηατ τηισ χλασσ οφ σοχιαλ διλεµ− µα ισ χεντραλ το α ωιδε ρανγε οφ ισσυεσ, συχη ασ προτεχτινγ τηε ενϖιρονµεντ, χονσερϖινγ νατυραλ ρεσουρχεσ, ελιχιτινγ δονατιονσ το χηαριτψ, σλοωινγ µιλιταρψ αρµσ ραχεσ ανδ χονταινινγ τηε ποπυλα− τιον εξπλοσιον. Αλλ τηεσε ισσυεσ ινϖολϖε ΝΑΤΑΛΙΕ Σ. ΓΛΑΝΧΕ ανδ ΒΕΡΝΑΡ∆Ο Α. ΗΥΒΕΡΜΑΝ εξπλορε τηειρ ϕοιντ ιντερ− εστ ιν τηε δψναµιχσ οφ σοχιαλ σψστεµσ ατ τηε Ξεροξ Παλο Αλτο Ρεσεαρχη Χεντερ. Φορ σεϖεραλ ψεαρσ, Γλανχε ηασ στυδιεδ τηε ρολε οφ εξπεχτατιονσ ανδ βελιεφσ ιν σψσ− τεµσ οφ ιντεντιοναλ αγεντσ. Σηε ρεχειϖεδ ηερ Πη.∆. ιν πηψσιχσ φροµ Στανφορδ Υνι− ϖερσιτψ λαστ ϑυνε. Ηυβερµαν ισ α Ξεροξ Ρεσεαρχη Φελλοω ανδ ηασ βεεν α ϖισιτινγ προφεσσορ ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Παρισ ανδ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χοπενηαγεν. Ηε ρε− χειϖεδ ηισ πηψσιχσ δεγρεε φροµ τηε Υνι− ϖερσιτψ οφ Πεννσψλϖανια ανδ ηασ ωορκεδ ιν χονδενσεδ µαττερ πηψσιχσ, στατιστιχαλ µεχηανιχσ ανδ χηαοτιχ δψναµιχσ. Ηε ισ α χο−ρεχιπιεντ οφ τηε 1990 Πριζε οφ τηε Χονφερενχε ον Εχονοµιχσ ανδ Αρτιφιχιαλ Ιντελλιγενχε. 76 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 γοαλσ τηατ δεµανδ χολλεχτιϖε ε⇑ορτ ανδ χοοπερατιον. Τηε χηαλλενγε ισ το ινδυχε ινδιϖιδυαλσ το χοντριβυτε το χοµµον χαυσεσ ωηεν σελ⇒ση αχτιονσ ωουλδ βε µορε ιµµεδιατελψ ανδ περσοναλλψ βεν− ε⇒χιαλ. Στυδιεσ οφ τηεσε προβλεµσ χαστ λιγητ ον τηε νατυρε οφ ιντεραχτιονσ αµονγ ινδιϖιδυαλσ ανδ τηε εµεργενχε οφ σοχιαλ χοµπαχτσ. Μορεοϖερ, τηεψ εξ− πλαιν ηοω περσοναλ χηοιχεσ γιϖε ρισε το σοχιαλ πηενοµενα. Σοχιαλ διλεµµασ ηαϖε οφτεν βεεν στυδιεδ υσινγ γρουπσ οφ πεοπλε ωηο αρε γιϖεν χηοιχεσ τηατ πρεσεντ α χον⇓ιχτ βε− τωεεν τηε γενεραλ γοοδ ανδ τηε χοστσ το αν ινδιϖιδυαλ. Συχη εξπεριµεντσ χον− ⇒ρµεδ τηε ηψποτηεσισ, ⇒ρστ µαδε βψ τηε εχονοµιστ Μανχυρ Λ. Ολσον ιν τηε 1950σ, τηατ σµαλλ γρουπσ αρε µορε λικε− λψ το σεχυρε ϖολυνταρψ χοοπερατιον τηαν αρε λαργερ ονεσ. Τηεψ αλσο ρεϖεαλεδ τηατ ρεπεατεδ ιτερατιονσ οφ α σιτυατιον τενδ το προµοτε χοοπερατιϖε αττιτυδεσ. Τηε αµουντ οφ χοοπερατιον φυρτηερ ινχρεασ− εσ ωηεν χοµµυνιχατιον αµονγ τηε παρτιχιπαντσ ισ περµιττεδ. Μορε ρεχεντλψ, ποωερφυλ χοµπυτερσ ηαϖε βεεν δραφτεδ φορ σιµυλατιονσ οφ τηε σοχιαλ βεηαϖιορ οφ γρουπσ. Τηε χοµ− πυτερ εξπεριµεντσ γλοσσ οϖερ τηε χοµ− πλεξιτιεσ οφ ηυµαν νατυρε, βυτ ωε βε− λιεϖε τηεψ χαν ηελπ ελυχιδατε σοµε οφ τηε πρινχιπλεσ τηατ γοϖερν ιντεραχτιονσ ινϖολϖινγ µανψ παρτιχιπαντσ. Φορ τηε παστ τηρεε ψεαρσ, ωε ηαϖε ινϖεστιγατεδ σοχιαλ χοοπερατιον υσινγ βοτη αναλψτι− χαλ τεχηνιθυεσ ανδ χοµπυτερ σιµυλα− τιονσ. Ωε ηαϖε τριεδ το λοοκ νοτ ϕυστ ατ τηε ουτχοµεσ οφ τηε διλεµµασ βυτ αλσο ατ τηε δψναµιχσ οφ τηε ιντεραχτιονσ ανδ τηε ωαψσ ιν ωηιχη τηοσε ουτχοµεσ εϖολϖε ιν ϖαριουσ γρουπσ. Ουρ µατηεµατιχαλ τηεορψ οφ σοχιαλ διλεµµασ ινδιχατεσ τηατ οϖεραλλ χοοπ− ερατιον χαννοτ γενεραλλψ βε συσταινεδ ιν γρουπσ τηατ εξχεεδ α χριτιχαλ σιζε. Τηατ σιζε δεπενδσ ον ηοω λονγ ινδιϖιδ− υαλσ εξπεχτ το ρεµαιν παρτ οφ τηε γρουπ Copyright 1994 Scientific American, Inc. ασ ωελλ ασ ον τηε αµουντ οφ ινφορµα− τιον αϖαιλαβλε το τηεµ. Μορεοϖερ, βοτη γενεραλ χοοπερατιον ανδ δεφεχτιον χαν αππεαρ συδδενλψ ανδ υνεξπεχτεδλψ. Τηεσε ρεσυλτσ χαν σερϖε ασ αιδσ φορ ιν− τερπρετινγ ηιστοριχαλ τρενδσ ανδ ασ γυιδελινεσ φορ χονστρυχτιϖελψ ρεοργανιζ− ινγ χορπορατιονσ, τραδε υνιονσ, γοϖερν− µεντσ ανδ οτηερ γρουπ εντερπρισεσ. Μ ατηεµατιχαλ τηεοριεσ οφ σοχιαλ διλεµµασ ηαϖε τραδιτιοναλλψ βεεν φορµυλατεδ ωιτηιν τηε φραµεωορκ οφ γαµε τηεορψ. Τηε µατηε− µατιχιαν ϑοην ϖον Νευµανν ανδ τηε εχονοµιστ Οσκαρ Μοργενστερν δεϖελ− οπεδ τηατ δισχιπλινε ιν τηε µιδ−1940σ το µοδελ τηε βεηαϖιορ οφ ινδιϖιδυαλσ ιν Copyright 1994 Scientific American, Inc. εχονοµιχ ανδ αδϖερσαριαλ σιτυατιονσ. Αν ινδιϖιδυαλ∏σ χηοιχεσ αρε ρανκεδ αχ− χορδινγ το σοµε παψο⇑ φυνχτιον, ωηιχη ασσιγνσ α νυµεριχαλ ωορτη∇ιν δολλαρσ ορ αππλεσ ορ σοµε οτηερ χοµµοδιτψ∇ το τηε χονσεθυενχεσ οφ εαχη χηοιχε. Ωιτηιν γαµε τηεορψ, ινδιϖιδυαλσ βεηαϖε ρατιοναλλψ: τηεψ χηοοσε τηε αχτιον τηατ ψιελδσ τηε ηιγηεστ παψο⇑. ( Ρεαλ πεοπλε µαψ νοτ βε χονσιστεντλψ ρατιοναλ, βυτ τηεψ δο βεηαϖε τηατ ωαψ ωηεν πρεσεντ− εδ ωιτη σιµπλε χηοιχεσ ανδ στραιγητφορ− ωαρδ σιτυατιονσ.) Σοχιαλ διλεµµασ χαν ρεαδιλψ βε µαππεδ ιντο γαµε σεττινγσ. Ιν γενεραλ τερµσ, α σοχιαλ διλεµµα ινϖολϖεσ α γρουπ οφ πεοπλε αττεµπτινγ το προϖιδε τηεµσελϖεσ ωιτη α χοµµον γοοδ ιν τηε αβσενχε οφ χεντραλ αυτηοριτψ. Ιν τηε Υν− σχρυπυλουσ ∆ινερ σχεναριο, φορ ινστανχε, ΩΗΑΤ ΣΗΟΥΛ∆ Ι ΟΡ∆ΕΡ? Τηατ ισ τηε θυεστιον φορ ινδιϖιδυαλσ ιν γρουπσ τηατ ηαϖε αγρεεδ το σπλιτ τηε βιλλ εθυαλλψ. Αν ινδιϖιδυαλ χαν γετ α µοδεστ µεαλ ανδ λοωερ εϖ− ερψονε∏σ βιλλ ορ γετ α συµπτυουσ µεαλ ανδ εατ ατ τηε οτηερσ∏ εξπενσε∇βυτ τηερεβψ ινχρεασε τηε χηανχε τηατ οτηερσ, τοο, ωιλλ φολλοω τηατ στρατεγψ. Τηε ∆ινερ∏σ ∆ιλεµµα ισ τψπιχαλ οφ α χλασσ οφ σοχιαλ προβλεµσ ιν ωηιχη ινδιϖιδυαλσ µυστ χηοοσε βετωεεν χοοπερατινγ ωιτη τηε γρουπ ορ δεφεχτινγ φορ περσοναλ γαιν. LOW τηε χοµµον γοοδ ισ αχηιεϖεδ βψ µινι− µιζινγ τηε αµουντ οφ τηε χηεχκ. Τηε ινδιϖιδυαλσ αρε σαιδ το χοοπερατε ιφ τηεψ χηοοσε α λεσσ εξπενσιϖε µεαλ; τηεψ δε− φεχτ ιφ τηεψ σπαρε νο εξπενσε ( φορ τηε γρουπ, τηατ ισ! ). Οφ χουρσε, τηε γαµε ισ ονλψ αν ιδεαλιζεδ µατηεµατιχαλ µοδ− HIGH STABILITY INITIAL STATE METASTABLE EQUILIBRIUM POINT SMALL FLUCTUATIONS HIGH STABILITY LOW NUMBER OF COOPERATING MEMBERS LARGE FLUCTUATION HIGH STABILITY LOW NUMBER OF COOPERATING MEMBERS TRUE EQUILIBRIUM POINT NUMBER OF COOPERATING MEMBERS ΣΤΑΒΙΛΙΤΨ ΦΥΝΧΤΙΟΝ εξπλαινσ τηε δψ− ναµιχσ οφ γρουπσ χονφροντινγ σοχιαλ διλεµµασ. Νο µαττερ ωηατ α γρουπ∏σ ινι− τιαλ στατε µαψ βε, ιτ θυιχκλψ σηιφτσ ιντο α στατε οφ ρελατιϖε εθυιλιβριυµ, ιν ωηιχη ειτηερ µανψ ορ φεω πεοπλε αρε χοοπερ− ατινγ (τοπ ). Σµαλλ ⇓υχτυατιονσ αρουνδ τηισ εθυιλιβριυµ ποιντ αρε ρουτινε (µιδ− δλε ). Λαργε ⇓υχτυατιονσ, ηοωεϖερ, ωηιχη αρε ραρε, χαν χαρρψ τηε γρουπ οϖερ α στα− βιλιτψ βαρριερ. Τηε γρουπ ωιλλ τηεν ϖερψ ραπιδλψ αδϖανχε το α λοωερ τρυε εθυιλιβ− ριυµ στατε (βοττοµ ). Ιν τηε λονγ ρυν, α γρουπ ωιλλ αλωαψσ σεττλε ιντο τηε λοωεστ εθυιλιβριυµ στατε. 78 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 ελ∇ηοω ωελλ χαν ονε θυαντιφψ ιντανγι− βλεσ συχη ασ τηε ενϕοψµεντ οφ τηε µεαλ ορ γυιλτ οϖερ σαδδλινγ φριενδσ ωιτη α λαργε βιλλ? Νεϖερτηελεσσ, τηε δψναµιχσ οφ τηε γαµε αρε στιλλ ινστρυχτιϖε. Εαχη ινδιϖιδυαλ χαν χηοοσε ειτηερ το χοντριβυτε το τηε χοµµον γοοδ ορ το σηιρκ ανδ φρεε ριδε ον τηε σαχρι⇒χεσ οφ οτηερσ. Αλλ ινδιϖιδυαλσ σηαρε εθυαλλψ ιν τηε χοµµον γοοδ, ρεγαρδλεσσ οφ τηειρ αχτιονσ. Εαχη περσον ωηο χοοπερατεσ τηερεφορε ινχρεασεσ τηε χοµµον γοοδ βψ α ⇒ξεδ αµουντ βυτ ρεχειϖεσ βαχκ ονλψ σοµε φραχτιον οφ τηατ αδδεδ ϖαλυε. ( Τηε ρετυρν ισ διµινισηεδ βψ φρεε ριδ− ερσ ωηο βενε⇒τ ωιτηουτ χοντριβυτινγ.) Ωηεν αν ινδιϖιδυαλ ρεαλιζεσ τηατ τηε χοστσ οφ χοοπερατινγ εξχεεδ ηερ σηαρε οφ τηε αδδεδ βενε⇒τ, σηε ωιλλ ρατιοναλλψ χηοοσε το δεφεχτ ανδ βεχοµε α φρεε ριδ− ερ. Βεχαυσε εϖερψ ινδιϖιδυαλ φαχεσ τηε σαµε χηοιχε, αλλ τηε µεµβερσ οφ α γρουπ ωιλλ δεφεχτ. Τηυσ, τηε ινδιϖιδυαλ− λψ ρατιοναλ στρατεγψ οφ ωειγηινγ χοστσ αγαινστ βενε⇒τσ ηασ αν ινφεριορ ουτ− χοµε: νο χοµµον γοοδ ισ προδυχεδ, ανδ αλλ τηε µεµβερσ οφ τηε γρουπ αρε λεσσ ωελλ ο⇑ τηαν τηεψ χουλδ βε. Τηε σιτυατιον χηανγεσ, ηοωεϖερ, ιφ τηε πλαψερσ κνοω τηεψ ωιλλ ρεπεατ τηε γαµε ωιτη τηε σαµε γρουπ. Εαχη ινδιϖιδυαλ µυστ χονσιδερ τηε ρεπερχυσσιονσ οφ α δεχισιον το χοοπερατε ορ δεφεχτ. Τηε ισ− συε οφ εξπεχτατιονσ τηεν χοµεσ το τηε φορε. Ινδιϖιδυαλσ δο νοτ σιµπλψ ρεαχτ το τηειρ περχεπτιονσ οφ τηε ωορλδ; τηεψ χηοοσε αµονγ αλτερνατιϖεσ βασεδ ον τηειρ πλανσ, γοαλσ ανδ βελιεφσ. Ο φ ωηατ δο τηεσε εξπεχτατιονσ ανδ βελιεφσ χονσιστ? Φιρστ, αν ινδιϖιδυαλ ηασ α σενσε οφ ηοω λονγ α παρτιχυλαρ σοχιαλ ιντεραχτιον ωιλλ λαστ, ανδ τηατ εστιµατε α⇑εχτσ ηερ δεχι− σιον. Α δινερ ωηο γοεσ ουτ ωιτη α γρουπ ονχε ισ µορε λικελψ το σπλυργε ατ τηε εξ− πενσε οφ οτηερσ τηαν ισ ονε ωηο γοεσ ουτ ωιτη τηε σαµε φριενδσ φρεθυεντλψ. Ωε χαλλ τηε εξπεχτεδ δυρατιον οφ α γαµε τηε ηοριζον λενγτη. Α σηορτ ηοριζον ρε− ⇓εχτσ α πλαψερ∏σ βελιεφ τηατ τηε γαµε ωιλλ ενδ σοον, ωηερεασ α λονγ ονε µεανσ τηε πλαψερ βελιεϖεσ τηε γαµε ωιλλ ρεπεατ φαρ ιντο τηε φυτυρε. Σεχονδ, εαχη πλαψερ ηασ βελιεφσ αβουτ ηοω ηερ αχτιονσ ωιλλ ιν⇓υενχε τηε ρεστ οφ τηε γρουπ∏σ φυτυρε βεηαϖιορ. Α δινερ µαψ ρεϕεχτ τηε οπτιον οφ αν εξπενσιϖε µεαλ ουτ οφ φεαρ τηατ ιτ ωουλδ προµπτ οτηερσ το ορδερ λαϖισηλψ ατ τηε νεξτ γατηερινγ. Τηε σιζε οφ τηε γρουπ βεαρσ διρεχτλψ ον τηισ τηινκινγ. Ιν α λαργε χροωδ, α πλαψερ χαν ρεασοναβλψ εξπεχτ τηατ τηε ε⇑εχτ οφ ηερ αχτιον, χοοπερα− τιϖε ορ νοτ, ωιλλ βε διλυτεδ. ( Τεν δολλαρσ µορε ορ λεσσ ον τηε γρουπ∏σ βιλλ µαττερσ λεσσ ωηεν ιτ ισ διϖιδεδ αµονγ 30 δινερσ ρατηερ τηαν ⇒ϖε.) Τηε πλαψερ ωιλλ ρεασον τηατ ηερ αχτιονσ βεχοµε λεσσ ιν⇓υεντιαλ ασ τηε σιζε οφ τηε γρουπ ινχρεασεσ. Φορ γρουπσ βεψονδ σοµε σιζε, οϖεραλλ χοοπερατιον βεχοµεσ υνσυσταιναβλε. Τηε λικελιηοοδ οφ βαδ χονσεθυενχεσ φροµ αν ινδιϖιδυαλ∏σ δεφεχτιον βεχοµεσ σο σµαλλ, ωηερεασ τηε ποτεντιαλ γαιν σταψσ σο λαργε, τηατ τηε δισινχεντιϖε το δεφεχτ ϖανισηεσ. Ασ ουρ εξπεριµεντσ ηαϖε δετερµινεδ, τηισ χριτιχαλ σιζε δε− πενδσ ον τηε ηοριζον λενγτη: τηε λονγ− ερ τηατ πλαψερσ εξπεχτ τηε γαµε το χον− τινυε, τηε µορε λικελψ τηεψ αρε το χοοπ− ερατε. Τηατ χονχλυσιον ρεινφορχεσ τηε χοµµονσενσε νοτιον τηατ χοοπερατιον ισ µοστ λικελψ ιν σµαλλ γρουπσ ωιτη λενγτηψ ιντεραχτιονσ. Τηε σµαλλεστ ποσσιβλε σοχιαλ γρουπ, χονσιστινγ οφ ονλψ τωο πλαψερσ, ραισεσ τηε σπεχιαλ λιµιτινγ χασε ωιδελψ κνοων ασ τηε Πρισονερ∏σ ∆ιλεµµα. Ιτ ισ σο ναµεδ βεχαυσε οφ ονε χοµµον ωαψ ιν ωηιχη ιτ ισ φραµεδ : α πρισονερ ισ γιϖεν τηε χηοιχε οφ βετραψινγ α φελλοω πρισον− ερ (δεφεχτινγ) ανδ γοινγ φρεε ορ κεεπ− ινγ σιλεντ (χοοπερατινγ) ανδ τηερεβψ ρισκινγ α ηαρση πυνισηµεντ ιφ τηε οτηερ πρισονερ βετραψσ ηιµ. Βεχαυσε τηε πσψ− χηολογψ οφ τηε ιντεραχτιονσ ισ υνιθυε, χερταιν στρατεγιεσ τηατ ωορκ ωελλ φορ ιν− διϖιδυαλσ ιν τηε Πρισονερ∏σ ∆ιλεµµα φαιλ ιν λαργερ γρουπσ. Τηε ηιγηλψ συχχεσσφυλ ονε κνοων ασ τιτ−φορ−τατ δεπενδσ ον ρε− ταλιατιον ανδ φοργιϖενεσσ. Α πλαψερ ινι− τιαλλψ χοοπερατεσ ανδ τηερεαφτερ δοεσ ωηατεϖερ τηε οτηερ πλαψερ λαστ διδ. Τιτ− φορ−τατ ωορκσ βεχαυσε ιτ αλλοωσ εαχη πλαψερ το ρεχογνιζε τηατ τηε οτηερ∏σ αχ− τιονσ αρε ιν διρεχτ ρεσπονσε το ηερ οων. Ιν γρουπσ οφ µορε τηαν τωο, ηοωεϖερ, ιτ ισ ιµποσσιβλε φορ ονε πλαψερ το πυν− ιση ορ ρεωαρδ ανοτηερ σπεχι⇒χαλλψ βε− χαυσε ανψ µοδι⇒χατιον οφ ηερ οων αχ− τιονσ α⇑εχτσ τηε εντιρε γρουπ. Ιν λαργερ γρουπσ, αν ινδιϖιδυαλ χαυγητ ιν α σοχιαλ διλεµµα φορµσ α στρατεγψ φορ χονδιτιοναλ χοοπερατιον φροµ α χαλχυλα− τιον οφ τηε εξπεχτεδ παψο⇑σ: σηε ωιλλ χοοπερατε ιφ ατ λεαστ σοµε χριτιχαλ φραχ− τιον οφ τηε γρουπ ισ αλσο χοοπερατινγ. Ωηεν ενουγη οφ τηε οτηερσ αρε χοοπερ− ατινγ, σηε εξπεχτσ τηατ ηερ φυτυρε γαινσ ωιλλ χοµπενσατε φορ πρεσεντ λοσσεσ. Ιφ τηε νυµβερ οφ χοοπερατινγ ινδιϖιδυαλσ φαλλσ βελοω τηατ τηρεσηολδ, τηεν ηερ εξ− πεχτεδ λοσσεσ ρυλε ουτ χοοπερατιον, ανδ σηε ωιλλ δεφεχτ. Τηε στρατεγιεσ, εξπεχτα− τιονσ ανδ τηρεσηολδσ οφ τηε ινδιϖιδυαλσ δετερµινε ωηετηερ χοοπερατιον ωιτηιν α γρουπ ισ συσταιναβλε. Θυιτε ασιδε φροµ τηε θυεστιον οφ ωηετηερ α γρουπ χαν αχηιεϖε χοοπερα− τιον ισ τηε εθυαλλψ ιµπορταντ µαττερ οφ ηοω χοοπερατιον ορ δεφεχτιον εµεργεσ ιν α σοχιαλ σεττινγ. Ιµαγινε τηατ τηε ηψ− ποτηετιχαλ δινερσ, αφτερ µανψ χονσεχυ− τιϖε βυδγετ−βυστινγ µεαλσ, δεχιδε το σπλιτ ιντο σµαλλερ γρουπσ, ηοπινγ τηατ Copyright 1994 Scientific American, Inc. Copyright 1994 Scientific American, Inc. 9 8 INDIVIDUALS 7 NUMBER OF COOPERATING INDIVIDUALS 6 5 4 3 2 1 TIME SUBGROUP C ΟΥΤΒΡΕΑΚΣ ΟΦ ΧΟΟΠΕΡΑΤΙΟΝ χαν βε σιµυλατεδ υσινγ χοµπυτερ αγεντσ τηατ αχτ λικε ινδιϖιδυαλσ. Ιν α ηοµογενεουσ γρουπ οφ αγεντσ τηατ αρε αλλ ινιτιαλλψ δεφεχτορσ (γρεεν ), τηε σηιφτ το ωιδεσπρεαδ χοοπερατιον (ορανγε ) ισ συδδεν ανδ ραπιδ. SUBGROUP B Λ ικε α βαλλ ρολλινγ δοωνηιλλ, τηε γρουπ∏σ βεηαϖιορ ωιλλ αλωαψσ γραϖ− ιτατε φροµ ιτσ ινιτιαλ στατε τοωαρδ τηε χλοσεστ τρουγη. Ονχε ιν α τρουγη, ηοωεϖερ, τηε σψστεµ δοεσ νοτ βεχοµε στατιχ. Ινστεαδ ιτ ϕιγγλεσ βαχκ ανδ φορτη ρανδοµλψ, ϕυστ ασ α σµαλλ βαλλ ωουλδ βε µοϖεδ βψ ϖιβρατιονσ. Τηεσε ρανδοµ περτυρβατιονσ αρε χαυσεδ βψ τηε υνχερ− ταιντψ τηατ ινδιϖιδυαλσ ηαϖε αβουτ τηε βεηαϖιορ οφ οτηερσ. Ιφ αν ινδιϖιδυαλ µισ− περχειϖεσ τηε λεϖελ οφ χοοπερατιον ιν τηε γρουπ, σηε µαψ ερρονεουσλψ δεφεχτ ανδ τηερεβψ βριε⇓ψ µοϖε τηε σψστεµ αωαψ φροµ εθυιλιβριυµ. Τηε µορε υν− χερταιντψ τηερε ισ ιν τηε σψστεµ, τηε µορε λικελψ τηερε ωιλλ βε ⇓υχτυατιονσ αρουνδ αν εθυιλιβριυµ στατε. Τηεσε περτυρβατιονσ αρε υσυαλλψ σµαλλ, σο ιν τηε σηορτ ρυν τηε σψστεµ σταψσ νεαρ ονε µινιµυµ. Οϖερ τηε λονγ ρυν, ηοωεϖερ, λαργε ⇓υχτυατιονσ βεχοµε ιµπορταντ. Συχη ⇓υχτυατιονσ, χαυσεδ βψ µανψ ινδιϖιδυαλσ σωιτχηινγ φροµ δεφεχτιον το χοοπερατιον, ορ ϖιχε ϖερσα, χαν πυση τηε γρουπ οϖερ τηε βαρριερ βε− τωεεν τηε µινιµα. Χονσεθυεντλψ, γιϖεν συ⇔χιεντ τιµε, α γρουπ ωιλλ αλωαψσ ενδ υπ ιν τηε µορε σταβλε οφ τηε τωο εθυι− λιβριυµ στατεσ, εϖεν ιφ ιτ ινιτιαλλψ µοϖεσ ιντο τηε οτηερ, µετασταβλε ονε. 10 NUMBER OF COOPERATING INDIVIDUALS SUBGROUP A τηε λιµιτεδ σιζε οφ τηε ρεσυλτινγ ταβλεσ ωιλλ αιδ χοοπερατιον. Ηοω λονγ δοεσ ιτ τακε φορ τηε σµαλλ γρουπσ οφ δεφεχτορσ το σωιτχη? Ισ τηε προχεσσ σµοοτηλψ εϖο− λυτιοναρψ ορ συδδεν? Το στυδψ τηε εϖολυτιον οφ σοχιαλ χο− οπερατιον, ωε βορροωεδ µετηοδσ φροµ στατιστιχαλ τηερµοδψναµιχσ. Τηισ βρανχη οφ πηψσιχσ αττεµπτσ το δεριϖε τηε µαχ− ροσχοπιχ προπερτιεσ οφ µαττερ φροµ τηε ιντεραχτιονσ οφ ιτσ χονστιτυεντ µολε− χυλεσ. Ωε αδαπτεδ τηε αππροαχη το στυδψ τηε αγγρεγατε βεηαϖιορ οφ ινδι− ϖιδυαλσ χονφροντεδ ωιτη σοχιαλ χηοιχεσ. Ουρ µετηοδ ρελιεσ ον τηε µατηεµατι− χαλ χονστρυχτιον οφ α χυρϖε χαλλεδ α στα− βιλιτψ φυνχτιον. Τηισ χυρϖε δεσχριβεσ τηε ρελατιϖε σταβιλιτψ οφ α γρουπ∏σ βεηαϖιορ ιν τερµσ οφ τηε αµουντ οφ χοοπερατιον πρεσεντ. Τηε ϖαλυεσ οφ τηε χυρϖε δεριϖε φροµ α κνοωλεδγε οφ τηε χοστσ, βενε⇒τσ ανδ ινδιϖιδυαλ εξπεχτατιονσ ασσοχιατεδ ωιτη α γιϖεν σοχιαλ διλεµµα. Τηε σταβιλ− ιτψ φυνχτιον γενεραλλψ ηασ τωο µινιµα, ορ τρουγησ, ωηιχη ρεπρεσεντ τηε µοστ σταβλε στατεσ οφ τηε γρουπ: ωιδεσπρεαδ δεφεχτιον ανδ ωιδεσπρεαδ χοοπερατιον. Τηεψ αρε σεπαρατεδ βψ α ηιγη βαρριερ, ωηιχη ισ τηε λεαστ σταβλε στατε. Τηε ρελ− ατιϖε ηειγητσ οφ τηεσε φεατυρεσ δεπενδ ον τηε σιζε οφ τηε γρουπ ανδ τηε αµουντ οφ ινφορµατιον αϖαιλαβλε το ιτσ µεµβερσ. Φροµ τηισ φυνχτιον, ονε χαν πρεδιχτ τηε ποσσιβλε ουτχοµεσ οφ τηε διλεµµα ανδ ηοω λονγ τηε γρουπ ωιλλ σταψ ιν α παρτιχυλαρ στατε. TIME ΗΕΤΕΡΟΓΕΝΕΟΥΣ ΓΡΟΥΠΣ εϖολϖε στεπωισε τοωαρδ οϖεραλλ χοοπερατιον, ωιτη εαχη συβγρουπ εξπεριενχινγ α διστινχτ τρανσιτιον ον ιτσ οων. Ηυγε ρανδοµ ⇓υχτυατιονσ αρε εξ− τρεµελψ ραρε∇ον αϖεραγε, τηεψ οχχυρ οϖερ περιοδσ προπορτιοναλ το τηε εξπο− νεντιαλ οφ τηε σιζε οφ τηε γρουπ. Ονχε τηε τρανσιτιον φροµ τηε λοχαλ µινιµυµ το τηε µαξιµυµ οφ τηε φυνχτιον τακεσ πλαχε, ηοωεϖερ, τηε σψστεµ σλιδεσ δοων το τηε γλοβαλ µινιµυµ ϖερψ θυιχκλψ∇ ιν α περιοδ προπορτιοναλ το τηε λογα− ριτηµ οφ τηε γρουπ σιζε. Τηυσ, τηε τηεο− ρψ πρεδιχτσ τηατ αλτηουγη τηε γενεραλ βεηαϖιορ οφ α γρουπ ιν α διλεµµα σταψσ τηε σαµε φορ λονγ περιοδσ, ωηεν ιτ δοεσ χηανγε, ιτ δοεσ σο ϖερψ φαστ. Χοµπυτερ εξπεριµεντσ δεµονστρατε τηοσε πρεδιχτιονσ. Α σοχιετψ οφ χοµπυ− τατιοναλ αγεντσ, ορ προγραµσ αχτινγ λικε ινδιϖιδυαλσ, χαν βε πρεσεντεδ ωιτη α σο− ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 79 χιαλ διλεµµα. Τηε αγεντσ ιντερµιττεντλψ ανδ ασψνχηρονουσλψ ρεεϖαλυατε τηειρ οπτιονσ ανδ δεχιδε ωηετηερ το χοοπερ− ατε ορ το δεφεχτ. Τηεψ βασε τηειρ δεχι− σιονσ ον ινφορµατιον, ωηιχη µαψ βε ιµπερφεχτ ανδ δελαψεδ, αβουτ ηοω µανψ οφ τηε οτηερσ αρε χοοπερατινγ. Τηε συµ οφ αλλ τηε αγεντσ∏ αχτιονσ ρεϖεαλσ τηε δε− γρεε οφ χοοπερατιον ορ δεφεχτιον ιν τηε γρουπ. Τηε εξπεριµεντερ χαν χοµπιλε στατιστιχσ ον τηε λεϖελ οφ χοοπερατιον οϖερ τιµε. Ονε τψπιχαλ εξπεριµεντ φεατυρεσ α γρουπ οφ 10 αγεντσ, αλλ οφ ωηιχη αρε ινι− τιαλλψ δεφεχτινγ. Ιφ ονε αγεντ µισϕυδγεσ ηοω µανψ οτηερσ αρε χοοπερατινγ ανδ σωιτχηεσ ιτσ βεηαϖιορ, τηατ χηανγε µιγητ λεαδ τηε ρεστ οφ τηε γρουπ το µακε α σιµιλαρ σηιφτ. Τηε γρουπ τηερεφορε σταψσ ατ ορ νεαρ ιτσ ινιτιαλ µετασταβλε στατε οφ µυτυαλ δεφεχτιον φορ α λονγ τιµε, υντιλ α συδδεν ανδ αβρυπτ τρανσιτιον χαρριεσ τηε γρουπ το µυτυαλ χοοπερατιον. Τηατ αβρυπτ αππεαρανχε οφ χοοπερα− τιον ιν α χοµπυτερ σιµυλατιον ωελλ δε− σχριβεσ χερταιν ρεαλ σοχιαλ πηενοµενα, συχη ασ τηε ρεχεντ υπσυργε ιν ενϖιρον− µενταλ αωαρενεσσ ανδ αχτιϖισµ. Ιν µανψ παρτσ οφ τηε Υ.Σ. ανδ Ευροπε, ϖολ− υνταρψ ρεχψχλινγ ηασ βεχοµε α νορµαλ παρτ οφ δαιλψ λιφε. Α δεχαδε αγο τηατ ωασ νοτ τηε χασε. Ρεχψχλινγ ποσεσ α σοχιαλ διλεµµα φορ τηε χονσυµερ: τηε ενϖι− ρονµενταλ βενε⇒τσ αρε γρεατ ιφ µοστ οφ τηε ποπυλατιον ρεχψχλεσ βυτ µαργιναλ ιφ ονλψ α φεω δο, ανδ τηε ινδιϖιδυαλ∏σ ιν− ϖεστεδ ε⇑ορτ ιν βρινγινγ βοττλεσ ανδ νεωσπαπερσ το τηε ρεχψχλινγ χεντερ ισ τηε σαµε ιν ειτηερ χασε. Ουρ τηεορψ µαψ ηελπ εξπλαιν ωηψ τηε ποπυλατιον, αφτερ α λονγ περιοδ οφ ρελατιϖε απατηψ, ηασ σο θυιχκλψ εµβραχεδ ρεχψχλινγ, εµισσιονσ χοντρολσ ανδ οτηερ ενϖιρονµενταλ προ− τεχτιον µεασυρεσ. Ι ν τηε ηψποτηετιχαλ σοχιαλ διλεµµασ ωε ηαϖε δεσχριβεδ σο φαρ, αλλ τηε ιν− διϖιδυαλσ εϖαλυατε τηειρ παψο⇑σ τηε σαµε ωαψ ανδ σηαρε τηε σαµε εξπεχτα− τιονσ αβουτ τηε ουτχοµεσ οφ τηειρ αχ− τιονσ. Ιν ανψ ρεαλ γρουπ οφ ηυµανσ, ηοωεϖερ, ινδιϖιδυαλσ ηαϖε λαργελψ δισ− παρατε βελιεφσ. Ωε ηαϖε τηερεφορε λοοκεδ ατ ηοω διϖερσιτψ α⇑εχτσ τηε δψναµιχσ οφ σοχιαλ διλεµµασ. Α ηετερογενεουσ γρουπ χαν δισπλαψ τωο δι⇑ερεντ τψπεσ οφ διϖερσιτψ : ϖαρια− τιον αρουνδ α χοµµον αϖεραγε ορ σεγ− ρεγατιον ιντο φαχτιονσ. Τηε ⇒ρστ ινϖολϖεσ α σιµπλε σπρεαδ ιν οπινιον ορ χονχερν αµονγ ινδιϖιδυαλσ ωηο αρε φυνδαµεν− ταλλψ τηε σαµε. Φορ εξαµπλε, σοµε υν− σχρυπυλουσ δινερσ µαψ αντιχιπατε ανδ ϖαλυε µορε φυτυρε µεαλσ τηαν οτηερσ. Ιφ τηε τψπιχαλ δινερ λοοκσ αβουτ 10 µεαλσ ιντο τηε φυτυρε, τηεν ινδιϖιδυαλσ ωιλλ ηαϖε ηοριζονσ τηατ ϖαρψ βυτ χλυστερ αρουνδ τηατ αϖεραγε. 80 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 ΡΕΓΙΟΝΑΛ ΡΕΧΨΧΛΙΝΓ ΠΡΟΓΡΑΜΣ αρε σπρεαδινγ ιν αχχορδανχε ωιτη τηε ρυλεσ οφ χοοπερατιον ιν ηιεραρχηιεσ. Τηε ενϕοψµεντ οφ βενε⇒τσ φροµ ρεχψχλινγ ιν ονε χοµ− µυνιτψ σπυρσ νειγηβορινγ χοµµυνιτιεσ το ϕοιν τηε ε⇑ορτ. Αλτηουγη µοδελσ οφ σοχιαλ διλεµµασ τηατ ινχλυδε τηισ τψπε οφ διϖερσιτψ αρε µορε χοµπλιχατεδ τηαν ονεσ φορ ηοµο− γενεουσ γρουπσ, τηειρ δψναµιχσ στιλλ φολλοω α χλεαρ παττερν. Βασιχαλλψ τηε δι− ϖερσιτψ αχτσ ασ αν αδδιτιοναλ φορµ οφ υνχερταιντψ, ινστιγατινγ ⇓υχτυατιονσ ιν τηε στατε οφ τηε γρουπ. Ιφ µοστ ινδιϖιδυ− αλσ αρε δεφεχτινγ, τηε ⇒ρστ το δεχιδε το χοοπερατε ωιλλ προβαβλψ βε τηε ονε ωηο ηασ τηε λονγεστ ηοριζον. Τηατ δεχισιον µιγητ τηεν χονϖινχε οτηερσ ωηο ηαϖε λονγερ−τηαν−αϖεραγε ηοριζονσ το χοοπ− ερατε, τοο. Τηοσε τρανσιτιονσ χαν τριγγερ α χασχαδε οφ φυρτηερ χοοπερατιον, υντιλ τηε ωηολε γρουπ ισ χοοπερατινγ. Τηε εϖεντσ τηατ λεδ το τηε µασσ προ− τεστσ ιν Λειπζιγ ανδ Βερλιν ανδ το τηε συβσεθυεντ δοωνφαλλ οφ τηε Εαστ Γερ− µαν γοϖερνµεντ ιν Νοϖεµβερ 1989 ϖιϖιδλψ ιλλυστρατε τηε ιµπαχτ οφ συχη δι− ϖερσιτψ ον τηε ρεσολυτιον οφ σοχιαλ δι− λεµµασ. Εαρλιερ τηατ ψεαρ Μικηαιλ Σ. Γορ− βαχηεϖ, τηεν πρεσιδεντ οφ τηε Σοϖιετ Υνιον, στοππεδ βαχκινγ τηε Εαστερν Ευ− ροπεαν γοϖερνµεντσ ωιτη τηε φορχε οφ τηε Σοϖιετ µιλιταρψ. Ηισ νεω πολιχψ ρεοπενεδ τηε ισσυε οφ ωηετηερ τηε Εαστ− ερν Ευροπεαν ποπυλατιον ωουλδ στιλλ συβσχριβε το τηε εξιστινγ σοχιαλ χοµ− παχτ. Τηε χιτιζενσ οφ Λειπζιγ ωηο δε− σιρεδ α χηανγε οφ γοϖερνµεντ φαχεδ α διλεµµα. Τηεψ χουλδ σταψ ηοµε ιν σαφετψ ορ δεµονστρατε αγαινστ τηε γοϖ− ερνµεντ ανδ ρισκ αρρεστ∇κνοωινγ τηατ ασ τηε νυµβερ οφ δεµονστρατορσ ροσε, τηε ρισκ δεχλινεδ ανδ τηε ποτεντιαλ φορ οϖερτηροωινγ τηε ρεγιµε ινχρεασεδ. Α χονσερϖατιϖε περσον ωουλδ δεµον− στρατε αγαινστ τηε γοϖερνµεντ ονλψ ιφ τηουσανδσ ωερε αλρεαδψ χοµµιττεδ; α ρεϖολυτιοναρψ µιγητ ϕοιν ατ τηε σλιγητ− εστ σιγν οφ υνρεστ. Τηατ ϖαριατιον ιν τηρεσηολδ ισ ονε φορµ οφ διϖερσιτψ. Πεο− πλε αλσο δι⇑ερεδ ιν τηειρ εστιµατεσ οφ τηε δυρατιον οφ α δεµονστρατιον ασ ωελλ ασ ιν τηε αµουντ οφ ρισκ τηεψ ωερε ωιλλ− ινγ το τακε. Βερνηαρδ Προσχη ανδ Μαρτιν Αβραηαµ, τωο σοχιολογιστσ φροµ Ερλαν− γεν Υνιϖερσιτψ ωηο στυδιεδ τηε Λειπζιγ δεµονστρατιονσ, χλαιµ τηατ τηε διϖερσι− τψ ιν τηρεσηολδσ ωασ ιµπορταντ ιν τριγ− γερινγ τηε µασσ δεµονστρατιονσ. Τηεψ αλσο δοχυµεντεδ τηατ οϖερ ϕυστ σιξ ωεεκσ τηε νυµβερ οφ δεµονστρατορσ γρεω φροµ α ηανδφυλ οφ ινδιϖιδυαλσ το µορε τηαν 500,000. Α σεχονδ τψπε οφ διϖερσιτψ ωιτηιν α σοχιαλ γρουπ δεσχριβεσ δι⇑ερενχεσ τηατ δο νοτ ρανγε αρουνδ αν αϖεραγε ϖαλυε. Ιτ ισ φουνδ ιν γρουπσ χοµποσεδ οφ σεϖ− εραλ διστινχτ φαχτιονσ, εαχη χηαραχτερ− ιζεδ βψ α διστινχτ σετ οφ βελιεφσ. Αµονγ τηε δινερσ, φορ εξαµπλε, µιγητ βε α µιξ οφ στυδεντσ ανδ προφεσσιοναλσ. Στυδεντσ ον α τιγητ βυδγετ ηαϖε χονχερνσ δι⇑ερ− εντ φροµ τηοσε οφ ωελλ−ο⇑ προφεσσιοναλσ. Ον τηε ωηολε, τηε ϖαριατιον αµονγ τηε στυδεντσ∏ πρεφερενχεσ ωουλδ βε σµαλλ ασ χοµπαρεδ ωιτη τηε αϖεραγε δι⇑ερ− ενχεσ βετωεεν τηε τωο συβγρουπσ. Ωηεν α λαργε γρουπ χονταινινγ σεϖερ− αλ φαχτιονσ χηανγεσ φροµ οϖεραλλ δεφεχ− τιον το χοοπερατιον, ιτ δοεσ σο τηρουγη προγρεσσιϖε τρανσιτιονσ. Τηε συβγρουπ ωιτη τηε γρεατεστ τενδενχψ το χοοπερατε ( φορ εξαµπλε, τηε ονε ωιτη τηε λονγεστ ηοριζον ιν ιτσ αϖεραγε εξπεχτατιονσ ορ τηε ονε ωιτη τηε λοωεστ αϖεραγε χοστσ φορ χοοπερατιον) ωιλλ υσυαλλψ βε τηε ⇒ρστ Copyright 1994 Scientific American, Inc. προϖεµεντ : τηε σωιτχη το χολλεχτιϖε χο− οπερατιον µαψ στιλλ τακε α λονγ τιµε. Τηατ τιµε χαν βε σηορτενεδ βψ ινχρεασ− ινγ τηε βενε⇒τσ φορ ινδιϖιδυαλσ ωηο χο− οπερατε ανδ βψ δισπερσινγ τηε µοστ χο− οπερατιϖε µαναγερσ αµονγ σµαλλ χορε γρουπσ τηρουγηουτ τηε οργανιζατιον. Τ ΠΥΒΛΙΧ ∆ΕΜΟΝΣΤΡΑΤΙΟΝΣ σιγναλεδ τηε ενδ οφ τηε ολδ σοχιαλ χοµπαχτ ιν Εαστ Γερ− µανψ. Πεοπλε δισσατισφιεδ ωιτη τηε γοϖερνµεντ σαω τηατ τηε ρισκ οφ αρρεστ δεχλινεδ ασ µορε πεοπλε ϕοινεδ τηε προτεστσ, ωηιχη φυελεδ τηε εξπλοσιϖε γροωτη οφ τηε χροωδσ. το χροσσ οϖερ. Τηε οτηερ γρουπσ ωιλλ τηεν φολλοω ιν τυρν, προβαβλψ ιν τηε ορδερ οφ τηειρ ωιλλινγνεσσ το χοοπερατε. Ρ ελατιονσηιπσ αµονγ συβγρουπσ µαψ ποωερφυλλψ ιν⇓υενχε τηε εϖολυτιον οφ χοοπερατιον, α φαχτ τηατ ισ νοταβλψ ιµπορταντ ιν λαργε ηιερ− αρχηιχαλ οργανιζατιονσ. Τηε ωειγητ τηατ αν ινδιϖιδυαλ ιν ονε διϖισιον γιϖεσ το τηε αχτιονσ οφ οτηερσ δεπενδσ ον τηοσε περσονσ∏ πλαχεµεντ ιν τηε ηιεραρχηψ. Ηιεραρχηιεσ αρε τηερεφορε ϖερψ δι⇑ερεντ φροµ λεϖελ γρουπσ. Φυνχτιοναλ ηιεραρχηιεσ οφτεν ηιδε ιν ινφορµαλ σεττινγσ. Αιρ πολλυτιον ισ α προβλεµ τηατ τηε ωηολε ωορλδ φαχεσ ανδ µυστ σολϖε χολλεχτιϖελψ. Ψετ εαχη περσον ισ υσυαλλψ βοτηερεδ µορε βψ α νειγηβορ βυρνινγ α χοµποστ πιλε τηαν βψ σοµε− ονε αχροσσ τοων δοινγ τηε σαµε. Τηε διλυτιον οφ ενϖιρονµενταλ ιµπαχτ ωιτη διστανχε χαν βε ρεπρεσεντεδ ασ α ηιερ− αρχηψ οφ λαψερεδ ιντεραχτιονσ βετωεεν νειγηβορηοοδσ, τοωνσ, χουντιεσ, στατεσ, χουντριεσ ανδ χοντινεντσ. Τηε ε⇑εχτ οφ σοµεονε ελσε∏σ αχτιονσ ον ψουρ οων χηοιχεσ ωιλλ δεπενδ ον ηοω µανψ λαψ− ερσ δισταντ σηε ισ φροµ ψου. Τηε ε⇑εχτιϖε σιζε οφ τηε ηιεραρχηψ ισ τηερεφορε µυχη σµαλλερ τηαν τηε νυµ− βερ οφ ιτσ χονστιτυεντσ. Συπποσε τηατ ιν ιτσ ε⇑εχτ ον ψουρ δεχισιονσ, τηε αχτιον οφ ψουρ νεαρβψ νειγηβορ χουντσ ασ µυχη ασ τηε συµµεδ αχτιονσ οφ αν εν− τιρε δισταντ νειγηβορηοοδ. Τηεν τηε ε⇑εχτιϖε νυµβερ οφ πεοπλε ιν⇓υενχινγ ψουρ δεχισιον ισ µυχη σµαλλερ τηαν τηε τοταλ ποπυλατιον οφ ψουρ τοων. Ωε χαν σαψ τηατ τηε ηιεραρχηψ ηασ βεεν ρε− Copyright 1994 Scientific American, Inc. σχαλεδ, βεχαυσε τηε ωηολε ισ σµαλλερ τηαν τηε συµ οφ ιτσ παρτσ. Χοµπυτερ εξπεριµεντσ σηοω ηοω χοοπερατιον χαν σπρεαδ ιν λαργε ηιεραρ− χηιχαλ οργανιζατιονσ. Τρανσιτιονσ φροµ δεφεχτιον το χοοπερατιον (ορ τηε οτη− ερ ωαψ αρουνδ ) τενδ το οριγινατε ωιτη− ιν τηε σµαλλεστ υνιτσ, ωηιχη υσυαλλψ οχ− χυπψ τηε λοωεστ λεϖελ οφ τηε ηιεραρχηψ. Χοοπερατιον χαν τηεν προγρεσσιϖελψ σπρεαδ το ηιγηερ λεϖελσ. Τηε σωιτχηινγ τρενδ χαν εϖεν τερµινατε ιφ τηε χοοπερ− ατιϖε ιν⇓υενχε οφ δισταντ υνιτσ ισ τοο αττενυατεδ το βε φελτ. Ιν συχη α χασε, τηε οργανιζατιον µαψ χονταιν σοµε βρανχηεσ τηατ χοοπερατε ανδ οτηερσ τηατ δεφεχτ φορ λονγ περιοδσ. Τηεσε ρεσυλτσ συγγεστ πραχτιχαλ ωαψσ το ρεστρυχτυρε οργανιζατιονσ το σεχυρε χοοπερατιον αµονγ µεµβερσ φαχεδ ωιτη α σοχιαλ διλεµµα. Χορπορατιονσ βενε⇒τ, φορ εξαµπλε, ωηεν µαναγερσ σηαρε τηειρ κνοωλεδγε ωιτη ονε ανοτη− ερ. Ψετ µαναγερσ µαψ ωιτηηολδ ινφορ− µατιον τηεψ φεαρ τηειρ χολλεαγυεσ χαν υσε φορ τηειρ οων αδϖανχεµεντ. Το ϖολ− υντεερ ινφορµατιον, α περσον νεεδσ το φεελ σεχυρε τηατ οτηερσ ωιλλ, τοο. Σεττινγ υπ α νετωορκ οφ σµαλλερ γρουπσ οφ µαναγερσ χουλδ οϖερχοµε τηε διλεµµα βψ προµοτινγ τηατ σενσε οφ σεχυριτψ. Μορεοϖερ, ρεστρυχτυρινγ α λαργε χορπο− ρατιον ιντο σµαλλερ υνιτσ µαψ ενχουρ− αγε τηε αππεαρανχε οφ ποχκετσ οφ χολ− λαβορατιον τηατ µιγητ σπρεαδ ραπιδλψ. Χονϖερσελψ, ωηεν οργανιζατιονσ γροω ωιτηουτ α µαϕορ ρεοργανιζατιον, τηε τενδενχψ το ριδε φορ φρεε γροωσ ανδ λοωερσ ε⇔χιενχψ. Τηε αχτ οφ ρεοργανιζ− ινγ δοεσ νοτ γυαραντεε ινσταντ ιµ− ηε στυδψ οφ σοχιαλ διλεµµασ προ− ϖιδεσ ινσιγητ ιντο α χεντραλ ισσυε οφ βεηαϖιορ : ηοω γλοβαλ χοοπε− ρατιον αµονγ ινδιϖιδυαλσ χονφροντεδ ωιτη χον⇓ιχτινγ χηοιχεσ χαν βε σεχυρεδ. Τηεσε ρεχεντ αδϖανχεσ σηοω τηατ χοοπ− ερατιϖε βεηαϖιορ χαν ινδεεδ αρισε σπον− τανεουσλψ ιν σοχιαλ σεττινγσ, προϖιδεδ τηατ τηε γρουπσ αρε σµαλλ ανδ διϖερσε ιν χοµποσιτιον ανδ τηατ τηειρ χονστιτυ− εντσ ηαϖε λονγ ουτλοοκσ. Εϖεν µορε σιγ− νι⇒χαντλψ, ωηεν χοοπερατιον δοεσ απ− πεαρ, ιτ δοεσ σο συδδενλψ ανδ υνπρε− διχταβλψ αφτερ α λονγ περιοδ οφ στασισ. Τηε ωορλδ στιλλ εχηοεσ ωιτη τηε τηυν− δερουσ πολιτιχαλ ανδ σοχιαλ εϖεντσ µαρκ− ινγ τηε παστ φεω ψεαρσ. Τηε φαλλ οφ τηε Βερλιν Ωαλλ, λεαδινγ το α υνι⇒εδ Γερ− µανψ, ανδ τηε βρεακδοων οφ τηε χεν− τραλιζεδ Σοϖιετ Υνιον ιντο µανψ αυ− τονοµουσ ρεπυβλιχσ αρε εξαµπλεσ οφ αβρυπτ γλοβαλ δεφεχτιονσ φροµ πρεϖαιλ− ινγ σοχιαλ χοµπαχτσ. Τηε µεµβερ χουν− τριεσ οφ τηε Ευροπεαν Υνιον χυρρεντλψ φαχε τηειρ οων σοχιαλ διλεµµα ασ τηεψ τρψ το σεχυρε συπρανατιοναλ χοοπερα− τιον. Τηε πρεσσινγ ισσυε ισ ωηετηερ ορ νοτ τηοσε χουντριεσ χαν βυιλδ α βενε− ⇒χιαλ χοοπερατιϖε συπερστρυχτυρε ωηιλε εαχη ονε ρεµαινσ αυτονοµουσ. Ιφ ουρ πρεδιχτιονσ αρε αχχυρατε, τηεσε ρεστρυχ− τυρινγσ ωιλλ νοτ προχεεδ σµοοτηλψ. Ρατη− ερ τηεψ ωιλλ αλωαψσ βε πυνχτυατεδ βψ υνεξπεχτεδ ουτβρεακσ οφ χοοπερατιον. ΦΥΡΤΗΕΡ ΡΕΑ∆ΙΝΓ ΤΗΕ ΛΟΓΙΧ ΟΦ ΧΟΛΛΕΧΤΙςΕ ΑΧΤΙΟΝ: ΠΥΒ− ΛΙΧ ΓΟΟ∆Σ ΑΝ∆ ΤΗΕ ΤΗΕΟΡΨ ΟΦ ΓΡΟΥΠ. Μανχυρ Ολσον, ϑρ. Ηαρϖαρδ Υνιϖερσιτψ Πρεσσ, 1965. ΤΗΕ ΤΡΑΓΕ∆Ψ ΟΦ ΤΗΕ ΧΟΜΜΟΝΣ. Γαρρεττ Ηαρδιν ιν Σχιενχε, ςολ. 162, παγεσ 1243∠1248; ∆εχεµβερ 13, 1968. ΧΟΛΛΕΧΤΙςΕ ΑΧΤΙΟΝ. Ρυσσελλ Ηαρδιν. ϑοηνσ Ηοπκινσ Υνιϖερσιτψ Πρεσσ, 1982. ΙΝΣΤΙΤΥΤΙΟΝΑΛ ΣΤΡΥΧΤΥΡΕ ΑΝ∆ ΤΗΕ ΛΟΓ− ΙΧ ΟΦ ΟΝΓΟΙΝΓ ΧΟΛΛΕΧΤΙςΕ ΑΧΤΙΟΝ. ϑον− ατηαν Βενδορ ανδ ∆ιλιπ Μοοκηερϕεε ιν Αµεριχαν Πολιτιχαλ Σχιενχε Ρεϖιεω, ςολ. 81, Νο. 1, παγεσ 129∠154; Μαρχη 1987. ΤΗΕ ΟΥΤΒΡΕΑΚ ΟΦ ΧΟΟΠΕΡΑΤΙΟΝ. Ν. Σ. Γλανχε ανδ Β. Α. Ηυβερµαν ιν ϑουρναλ οφ Ματηεµατιχαλ Σοχιολογψ, ςολ. 17, Ισ− συε 4, παγεσ 281∠302; Απριλ 1993. ΣΟΧΙΑΛ ∆ΙΛΕΜΜΑΣ ΑΝ∆ ΦΛΥΙ∆ ΟΡΓΑΝΙΖΑ− ΤΙΟΝΣ. Ν. Σ. Γλανχε ανδ Β. Α. Ηυβερµαν ιν Χοµπυτατιοναλ Οργανιζατιον Τηεορψ. Εδιτεδ βψ Κ. Μ. Χαρλεψ ανδ Μ. ϑ. Πριετυλα. Λαωρενχε Ερλβαυµ Ασσοχιατεσ (ιν πρεσσ). ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 81 Φρογσ ανδ Τοαδσ ιν ∆εσερτσ Amphibians seem unlikely desert denizens. But those living in dry climes reveal a diverse and unusual array of adaptations to life at the extremes βψ Λον Λ. ΜχΧλαναηαν, Ροδολφο Ρυιβαλ ανδ ςαυγηαν Η. Σηοεµακερ Ω ιτη τηειρ µοιστ σκιν ανδ αθυατ− ιχ τενδενχιεσ, φρογσ ανδ τοαδσ σεεµ βεστ συιτεδ το λιφε ιν ορ νεαρ βοδιεσ οφ ωατερ. Ψετ τηεσε χρεα− τυρεσ αρε φουνδ ιν αριδ ρεγιονσ τηρουγη− ουτ τηε ωορλδ∇φροµ τηε Χολοραδο ∆εσ− ερτ ιν Χαλιφορνια το Αφριχαν σαϖαννασ. Το συρϖιϖε ιν συχη χλιµατεσ, τηεψ ηαϖε δεϖελοπεδ βεηαϖιοραλ ανδ πηψσιολογιχαλ µεχηανισµσ τηατ αλλοω τηεµ το χον− σερϖε ωατερ ανδ ρεµαιν χοολ. Τηε ρανγε οφ αδαπτατιονσ τηατ ωε ανδ οτηερ ρεσεαρχηερσ ηαϖε οβσερϖεδ χηαλ− λενγεσ σοµε οφ τηε χλασσιχαλ ϖιεωσ οφ ανυραν, ορ φρογ ανδ τοαδ, πηψσιολογψ. Μοστ οφ ουρ πρεϖιουσ κνοωλεδγε ωασ βασεδ ον τεµπερατε σπεχιεσ. Τηε στυδψ οφ δεσερτ−δωελλινγ αµπηιβιανσ ηασ οφ− φερεδ ινσιγητσ ιντο τηε ρεµαρκαβλε δι− ϖερσιτψ οφ τηεσε ανιµαλσ. Σοµε 300 µιλλιον ψεαρσ αγο αµπηιβ− ιανσ ωερε τηε ⇒ρστ ϖερτεβρατεσ το ινϖαδε τηε λανδ, ανδ τηεψ µαινταιν α στρονγ χοννεχτιον το φρεση ωατερ. Μοδερν αµ− πηιβιανσ ινχλυδε σαλαµανδερσ, χαεχιλ− ιανσ∇λεγλεσσ αµπηιβιανσ τηατ ρεσεµβλε ωορµσ∇ανδ ανυρανσ. Χοντραρψ το µοστ πεοπλε∏σ περχεπτιον, νο βιολογιχαλ δισ− τινχτιον σεπαρατεσ φρογσ ανδ τοαδσ: τερ− ρεστριαλ ανυρανσ ωιτη ωαρτψ σκινσ αρε υσυαλλψ χαλλεδ τοαδσ; αθυατιχ φορµσ ωιτη ΛΟΝ Λ. ΜΧΧΛΑΝΑΗΑΝ, ΡΟ∆ΟΛΦΟ ΡΥΙΒΑΛ ανδ ςΑΥΓΗΑΝ Η. ΣΗΟΕΜΑΚΕΡ ηαϖε σπεντ µορε τηαν 20 ψεαρσ στυδψινγ δεσερτ φρογσ ανδ τοαδσ. Τηειρ ασσοχιατιον βεγαν ιν 1965, ωηεν ΜχΧλαναηαν ωασ α γραδυατε στυδεντ ωορκινγ ωιτη Ρυιβαλ ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια, Ριϖερσιδε, ανδ Σηοεµακερ αρριϖεδ τηερε ασ αν ασ− σισταντ προφεσσορ. Τηε τηρεε οφ τηεµ φορµεδ α λαστινγ φριενδσηιπ τηατ λεδ το ρεσεαρχη ϖεντυρεσ ιν Νορτη ανδ Σουτη Αµεριχαν δεσερτσ. Ιν παρτιχυλαρ, τηεψ δισ− χοϖερεδ βιζαρρε αµπηιβιαν αδαπτατιονσ ιν τηε υνιθυε ηαβιτατ οφ τηε Γραν Χηαχο ιν Αργεντινα ανδ Παραγυαψ. Ρυιβαλ ανδ Σηοεµακερ αρε προφεσσορσ οφ βιολογψ ατ Ριϖερσιδε; ΜχΧλαναηαν ισ προφεσσορ οφ βιολογψ ατ τηε Χαλιφορνια Στατε Υνιϖερσιτψ ατ Φυλλερτον ανδ διρεχτορ οφ τηε υνιϖερσι− τψ∏σ Οχεαν Στυδιεσ Ινστιτυτε. 82 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 σµοοτη σκινσ αρε χαλλεδ φρογσ. Μοστ αµπηιβιανσ λαψ τηειρ εγγσ ιν ωατερ ανδ ηαϖε λαρϖαε τηατ λεαδ α ⇒σηλικε εξισ− τενχε υντιλ τηεψ υνδεργο µεταµορπηο− σισ. Ονχε εθυιππεδ ωιτη λεγσ ανδ λυνγσ, τηεψ σπενδ ατ λεαστ σοµε τιµε ον λανδ. ∆εσπιτε τηε αβιλιτψ το συρϖιϖε ον τερρα ⇒ρµα, µοστ αµπηιβιανσ ινηαβιτ σιτεσ νεαρ φρεση ωατερ ορ αρεασ οφ ελεϖατεδ ηυµιδιτψ ανδ ραινφαλλ. Ρελατιϖελψ φεω λιϖε ιν αριδ ρεγιονσ. Τηισ γεογραπηιχ δισ− τριβυτιον ρε⇓εχτσ τηε πηψσιολογψ οφ αµ− πηιβιανσ: τηεψ αρε γενεραλλψ ιλλ συιτεδ το φαχε τηε ριγορσ οφ τηε δεσερτ. Οτηερ τερρεστριαλ ϖερτεβρατεσ, ινχλυδ− ινγ ρεπτιλεσ, βιρδσ ανδ µαµµαλσ, ηαϖε αν ιντεγυµεντ, ορ σκιν, τηατ χαν προ− τεχτ τηεµ αγαινστ δεσιχχατιον. Τηε ουτ− ερ παρτ, κνοων ασ τηε στρατυµ χορνε− υµ, ισ χοµποσεδ οφ µυλτιπλε λαψερσ οφ ⇓αττενεδ, δεαδ επιδερµαλ χελλσ. Τηισ σκιν δετερσ ωατερ λοσσ. Υνλικε τηεσε οτηερ ϖερτεβρατεσ, αµπηιβιανσ τψπιχαλλψ ηαϖε α στρατυµ χορνευµ χονσιστινγ ονλψ οφ α σινγλε−χελλ λαψερ. Τηισ ϖερψ περ− µεαβλε σκιν ο⇑ερσ σοµε βενε⇒τσ. Αµ− πηιβιανσ δο νοτ δρινκ βυτ αβσορβ ωατερ αχροσσ τηε σκιν φροµ µοιστ συρφαχεσ, συχη ασ ωετ ροχκσ ορ λεαϖεσ, ανδ σοιλ ασ ωελλ ασ φροµ ποολσ. Οξψγεν ανδ χαρβον διοξιδε πασσ ρεαδιλψ τηρουγη τηε σκιν; φορ εξαµπλε, λυνγλεσσ σαλαµανδερσ ρελψ ον τηε ιντεγυµεντ φορ γασ εξχηανγε. Ατ τηε σαµε τιµε τηατ ιτ ισ ιδεαλλψ συιτεδ το αβσορβ ωατερ, τηε τηιν αµπηιβ− ιαν σκιν ισ α περφεχτ χονδυιτ φορ εϖαπο− ρατιον. Υνδερ µοδερατε χονδιτιονσ οφ τεµπερατυρε ανδ ηυµιδιτψ, µοστ αµ− πηιβιανσ χαννοτ συρϖιϖε φορ µορε τηαν α δαψ ιν χιρχυλατινγ αιρ βεχαυσε τηεψ θυιχκλψ δεηψδρατε. Εϖεν ανυρανσ, ωηιχη χαν τολερατε µυχη λαργερ ωατερ λοσσεσ τηαν χαν οτηερ ϖερτεβρατεσ, αρε ϕεοπαρ− διζεδ ιν τηισ σιτυατιον. Αµπηιβιανσ αλσο δι⇑ερ φροµ οτηερ ϖερτεβρατεσ ιν τηε ωαψ τηεψ εξχρετε ωαστεσ. Τηε κιδνεψσ οφ δεσερτ ανιµαλσ αρε χηαλλενγεδ το χονσερϖε ωατερ ωηιλε ελιµινατινγ τηε νιτρογεν ωαστε προ− δυχεδ δυρινγ τηε µεταβολισµ οφ προ− τειν ανδ οτηερ νιτρογεν−χονταινινγ χοµπουνδσ. Βιρδσ ανδ ρεπτιλεσ ηαϖε σολϖεδ τηισ προβλεµ βψ σψντηεσιζινγ υριχ αχιδ, α ποορλψ σολυβλε, νιτρογεν− ριχη χοµπουνδ. Τηισ ωαστε χαν βε εξ− χρετεδ ασ α σολιδ πρεχιπιτατε, ανδ λιττλε ωατερ ισ λοστ. Μαµµαλσ ινχορπορατε τηειρ ΤΡΕΕ ΦΡΟΓ Πηψλλοµεδυσα σαυϖαγει ισ ονε οφ σεϖεραλ σπεχιεσ οφ φρογ αδαπτεδ το αριδ ρεγιονσ. Τηισ Σουτη Αµεριχαν ανυραν χαν συρϖιϖε ιν ηοτ, δρψ ενϖιρον− µεντσ βεχαυσε ιτ τολερατεσ ηιγη βοδψ τεµπερατυρεσ. Ιτ αλσο χονσερϖεσ ωατερ βψ λοσινγ λιττλε λιθυιδ τηρουγη ιτσ σκιν ορ φροµ ιτσ εξχρετορψ σψστεµ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. ωαστε νιτρογεν ιντο υρεα, α ωατερ−σολυ− βλε µολεχυλε. Τηεψ χονσερϖε πρεχιουσ ωατερ βψ χρεατινγ υρινε τηατ ηασ α ηιγη χονχεντρατιον οφ δισσολϖεδ µατεριαλσ, πριµαριλψ υρεα ανδ σαλτσ. Τηισ αβιλιτψ ισ παρτιχυλαρλψ ωελλ δεϖελοπεδ ιν δεσερτ ροδεντσ. Τηε κανγαροο ρατ, φορ ινστανχε, προδυχεσ υρινε τηατ ισ 14 τιµεσ ασ χον− χεντρατεδ ασ βλοοδ; Αυστραλιαν δεσερτ µιχε αχηιεϖε ρατιοσ οφ 20 ορ µορε. Λικε µαµµαλσ, αδυλτ ανυρανσ υσυαλλψ προδυχε υρεα, βυτ ιν χοντραστ το µαµ− µαλσ, τηεψ χαννοτ µακε υρινε τηατ ισ µορε χονχεντρατεδ τηαν βλοοδ. Τηεψ τηερεφορε ρεθυιρε α γρεατ δεαλ οφ ωατερ το ελιµινατε τηειρ ωαστε. Μοστ αµπηιβ− ιανσ αρε αλσο λεσσ τολεραντ οφ ηιγη βοδψ τεµπερατυρεσ τηαν αρε οτηερ τερρεστριαλ ϖερτεβρατεσ. Βιρδσ, µαµµαλσ ανδ δεσ− ερτ λιζαρδσ χαν µαινταιν βοδψ τεµπερα− τυρεσ οφ αβουτ 40 δεγρεεσ Χελσιυσ. Βυτ µανψ φρογσ ανδ τοαδσ διε ατ τεµπερα− τυρεσ οφ 35 δεγρεεσ Χ ορ λεσσ. Τερρεστριαλ φρογσ ανδ τοαδσ σηαρε σοµε χηαραχτεριστιχσ τηατ ηελπ το ο⇑σετ τηε ηανδιχαπσ ιµποσεδ βψ τηειρ περµε− αβλε σκιν ανδ ινε⇔χιεντ κιδνεψσ. Ωηεν ωατερ ισ υναϖαιλαβλε, τηεσε ανιµαλσ στοπ προδυχινγ υρινε ανδ αλλοω ωαστεσ το αχχυµυλατε ιν τηε βοδψ ⇓υιδσ. ∆εηψδρα− τιον αλσο ρεσυλτσ ιν βενε⇒χιαλ χηανγεσ ιν Copyright 1994 Scientific American, Inc. τηε σκιν ανδ υριναρψ βλαδδερ. Ινχρεασεδ περµεαβιλιτψ οφ τηε βλαδδερ περµιτσ τηε ανιµαλσ το ρεστορε ωατερ λοστ βψ εϖαπο− ρατιον βψ ρεχλαιµινγ ωατερ στορεδ ασ δι− λυτε υρινε. Ιν αδδιτιον, δεηψδρατεδ φρογσ ανδ τοαδσ αβσορβ ωατερ τηρουγη τηε σκιν µυχη µορε ρεαδιλψ τηαν ωηεν τηεψ αρε ηψδρατεδ. Τηεσε ρεσπονσεσ αρε µε− διατεδ βψ α ποστεριορ πιτυιταρψ ηορµονε χαλλεδ αργινινε ϖασοτοχιν. Η οωεϖερ υσεφυλ ιν τηε σηορτ τερµ, τηεσε προτεχτιϖε µεασυρεσ δο νοτ περµιτ ανυρανσ το συρϖιϖε ωιτηουτ ωατερ φορ α λονγ τιµε ιν ηοτ, δρψ ενϖιρονµεντσ. Τηυσ, φρογσ ανδ τοαδσ ιν τηεσε ρεγιονσ ηαϖε εϖολϖεδ αδ− διτιοναλ στρατεγιεσ. Περηαπσ τηε µοστ στραιγητφορωαρδ αδαπτατιον το λιφε ιν δρψ λανδσ ισ το σταψ νεαρ ωηατ λιττλε ωα− τερ ισ αϖαιλαβλε, ανδ µανψ σπεχιεσ οφ αµπηιβιανσ δο ϕυστ τηατ. Σπρινγσ, σεεπσ, χανψονσ τηατ δραιν ηιγηερ γρουνδ ασ ωελλ ασ µαν−µαδε ιµπουνδµεντσ αρε αλλ περµανεντ ωατερ σουρχεσ ωηερε φρογσ χαν βε φουνδ. Τηε φρογ Ηψλα χαδαϖερινα, ορ τηε Χαλ− ιφορνια τρεε φρογ, φουνδ ιν τηε Χολοραδο ∆εσερτ, ισ ονε συχη οασισ δωελλερ. Τηεσε φρογσ λιϖε νεαρ σεεπσ ανδ ωατερ ηολεσ. Αλτηουγη αιρ τεµπερατυρεσ οφτεν σοαρ αβοϖε 40 δεγρεεσ Χ, τηε φρογσ∏ βοδιεσ δο νοτ εξχεεδ 30 δεγρεεσ Χ, βεχαυσε τηεψ υνδεργο εϖαπορατιϖε χοολινγ. Η. χαδαϖερινα χαν στορε υπ το 25 περχεντ οφ ιτσ βοδψ ωειγητ ιν τηε φορµ οφ διλυτε υρινε. Ασ ιτ λοσεσ ωατερ τηρουγη εϖαπ− ορατιον, ωατερ φροµ υρινε ισ ρεχψχλεδ βαχκ ιντο τηε βοδψ. Ωηεν τηεσε ρε− σερϖεσ αρε εξηαυστεδ, τηε φρογσ ρετυρν το τηε σεεπ ανδ τακε ιν µορε ωατερ. Τηε σεεπσ αλσο προϖιδε α πλαχε φορ µατινγ ανδ εγγ δεϖελοπµεντ. Ον συµ− µερ δαψσ τηε φρογσ ρεµαιν ιν χλυµπεδ µασσεσ νεαρ ωατερ ηολεσ. Τηε ρεασονσ φορ χλυστερινγ ιν τηισ φασηιον αρε νοτ χλεαρ. Ωε τηινκ ηυδδλινγ µαψ δεχρεασε τηε αµουντ οφ ωατερ λοστ βψ αν ινδιϖιδ− υαλ. Ασ εϖενινγ αππροαχηεσ, τηε φρογσ σλοωλψ δισπερσε ανδ σταρτ το φεεδ ατ τηε ωατερ∏σ εδγε ιν πρεπαρατιον φορ νιγητ, ωηεν τηεψ χηορυσ, µατε ανδ λαψ εγγσ ιν τηε πονδ. Ιφ ραιν φορµσ οτηερ ποολσ, τηε φρογσ ωιλλ σπρεαδ ουτ ανδ λαψ εγγσ ιν τηεσε ωατερσ ασ ωελλ. Τηε ρεδ−σποττεδ τοαδ, Βυφο πυνχτα− τυσ, υσεσ τηε χανψον ωατερσ οφ τηε Χολ− οραδο ∆εσερτ φορ σπαωνινγ. Βυτ υνλικε Η. χαδαϖερινα, τηεσε τοαδσ δο νοτ περ− µανεντλψ ρεσιδε ιν α µοιστ ενϖιρον− µεντ. Υσινγ τρανσµιττερσ, ωε τραχκεδ τοαδσ τηατ µοϖεδ υπ το 100 µετερσ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 83 αωαψ φροµ τηε ωατερ. Εϖεν ιν τηε µιδ− δλε οφ α συµµερ δαψ, ωε δισχοϖερεδ τοαδσ βυρροωεδ ιν τηε χοαρσε σοιλ οφ ροχκ χρεϖιχεσ φαρ φροµ ωατερ. Τηεσε χρεϖιχεσ προϖιδε α σηελτερ τηατ ισ σηαρεδ ωιτη οτηερ µεµβερσ οφ τηε σαµε σπε− χιεσ: ατ ονε σιτε ωε φουνδ ειγητ ινδιϖιδ− υαλσ ιν τηε σαµε χραννψ. Βεχαυσε Β. πυνχτατυσ ισ υναβλε το τολ− ερατε τεµπερατυρεσ ηιγηερ τηαν 35 δε− γρεεσ Χ, ωε πρεσυµεδ τηατ τηε τοαδσ σεεκ µιχροηαβιτατσ τηατ ρεµαιν ρελα− τιϖελψ χοολ δυρινγ τηε δαψ. Στυδιεσ υσ− ινγ ιµπλαντεδ λοχατιον ανδ τεµπερα− τυρε σενσορσ χον⇒ρµεδ τηισ τηεορψ. Ωε τραχκεδ ονε τοαδ φροµ Σεπτεµβερ, λατε ιν τηε αχτιϖε σεασον, υντιλ ∆εχεµβερ, ονε οφ τηε χολδερ µοντησ. Ατ νιγητ δυρ− Ανυραν Αδαπτατιονσ ιν Αριδ Ρεγιονσ COLORADO DESERT Hyla cadaverina (top left) This frog lives near permanent water supplies in the desert. It can store up to 25 percent of its body weight as dilute urine. If it loses water through its skin, the frog can reabsorb water from the bladder. Scaphiopus couchi (top center) This species of spadefoot toad inhabits areas of the desert where there are no year-round water sources. To survive the dry season, the toad buries itself as deep as one meter underground. Some spadefoots have survived two-year droughts in this manner. Bufo punctatus (top right) This toad can travel 100 meters from water sources, looking for food. To stay cool, it finds rock crevices and, like H. cadaverina, recycles water from urine. The toad can tolerate losing 40 percent of its body water (in contrast, camels can survive a 20 percent depletion). GRAN CHACO REGION Lepidobatrachus laevis (bottom left) This toad survives dry periods by burrowing into mud and becoming entombed. It then constructs a multilayered cocoon (left side of panel ) to resist water loss. At the beginning of the rainy season, the toad pulls the cocoon over its head and eats it (right side of panel ). Afterward L. laevis emerges. Phyllomedusa sauvagei (bottom right) This tree frog coats itself with a waxy substance to prevent water loss. It also excretes uric acid to conserve water. P. sauvagei is the only anuran known to drink water—most absorb it through their skin. It does so by letting drops roll into its nearly closed mouth. 84 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. ινγ τηε ωαρµ σεασον, ιτ τραϖελεδ 85 µε− τερσ φροµ ιτσ βυρροω το α σµαλλ στρεαµ; εαρλψ ιν τηε µορνινγ τηε τοαδ ρετυρνεδ το τηε σαµε βυρροω. Τηε στρατεγψ ισ χλεαρλψ συχχεσσφυλ. ∆υρινγ τηε τοαδ∏σ αχτιϖε µοντησ, δαψ− τιµε αιρ τεµπερατυρεσ ρουτινελψ εξχεεδ− εδ τηε χριτιχαλ λιµιτσ φορ τηε τοαδ, βυτ ιτσ βοδψ τεµπερατυρε νεϖερ ροσε αβοϖε 31 δεγρεεσ Χ. Ρεδυχεδ τεµπερατυρεσ ιν τηε βυρροω ασ ωελλ ασ εϖαπορατιον χον− τρολλεδ τηε τοαδ∏σ βοδψ τεµπερατυρε. NORTH AMERICA Ηαβιτατ σελεχτιον αλσο προϖεδ ϖιταλ ωηεν τηε τοαδ βεχαµε ιναχτιϖε ιν ωιντερ, προτεχτινγ ιτ φροµ χολδ νιγητλψ τεµπερ− ατυρεσ. Ιν ∆εχεµβερ, ωηεν αιρ τεµπερα− τυρεσ ρανγεδ φροµ 12 δεγρεεσ Χ ατ συν− σετ το φουρ δεγρεεσ Χ ατ συνρισε, τηε τοαδ∏σ βοδψ τεµπερατυρε ινσιδε τηε βυρ− ροω ρεµαινεδ χονσταντ ατ 25 δεγρεεσ Χ. Νοτ ονλψ δοεσ Β. πυνχτατυσ χηοοσε προτεχτιϖε ηαβιτατσ, ιτ ποσσεσσεσ α χηαρ− αχτεριστιχ τηατ αλλοωσ ιτ το αβανδον ιτσ ωατερ σουρχε ανδ φοραγε φορ ινσεχτσ δυρινγ ηοτ συµµερ νιγητσ. Τηε τοαδσ χαν στορε 40 περχεντ οφ τηειρ βοδψ ωειγητ ασ διλυτε υρινε. Ιφ αλλ τηε βλαδδερ ρεσερϖεσ αρε υσεδ, τηε τοαδσ ηαϖε αν− οτηερ σαφετψ φεατυρε: τηεψ χαν τολερατε τηε λοσσ οφ υπ το 40 περχεντ οφ τηειρ βοδψ ωατερ. Ηυµανσ χαν συρϖιϖε ονλψ α 10 περχεντ λοσσ οφ τηειρ βοδψ ωατερ; χαµελσ, 20 περχεντ. Μ COLORADO DESERT SOUTH AMERICA GRAN CHACO Copyright 1994 Scientific American, Inc. οστ αρεασ οφ τηε δεσερτ λαχκ περµανεντ ωατερ σουρχεσ. Αµ− πηιβιανσ τηατ λιϖε ιν συχη ρε− γιονσ δο νοτ ρετρεατ το ροχκψ χρεϖιχεσ; τηεψ βυρροω υνδεργρουνδ. Τηε σοιλ προτεχτσ ανυρανσ φροµ τηε εξτρεµε συρ− φαχε ηεατ δυρινγ τηε δρψ σεασον. Τηεψ οβταιν ωατερ τηρουγη τηε σοιλ, ανδ ασ τηε εαρτη δριεσ, τηεψ χονσερϖε ωατερ βε− χαυσε λιττλε ισ λοστ το εϖαπορατιον. Ωε ⇒ρστ στυδιεδ τηε εχολογψ οφ βυρ− ροωινγ τοαδσ ιν σουτηεαστερν Αριζονα. Τηρεε σπεχιεσ οφ Σχαπηιοπυσ, ορ σπαδε− φοοτ τοαδσ, αρε αβυνδαντ ιν τηισ αρεα ανδ χαν εασιλψ βε φουνδ αφτερ τηε συµ− µερ ραινσ βρινγ τηεµ ουτ οφ τηε βυρ− ροω. Αλτηουγη σοµε τοαδσ εµεργε δυρ− ινγ λιγητ ραινσ, τηε µαϕοριτψ χοµε ουτ δυρινγ τηε εϖενινγ οφ τηε ⇒ρστ ηεαϖψ δοωνπουρ, ωηεν τεµποραρψ πονδσ φορµ. Ωε ωονδερεδ ωηατ χυεσ µιγητ τριγγερ τηισ εξοδυσ. Ωε δετερµινεδ τηατ γεντλψ ανδ σιλεντλψ µοιστενινγ τηε σοιλ βψ πουρινγ ωατερ ον ιτ διδ νοτ ελιχιτ α ρεσπονσε, ωηερεασ σπρινκλινγ τηε σοιλ το ιµιτατε ραιν χαυσεδ τηε ανιµαλσ το συρφαχε. Τηε τοαδσ χαµε ουτ εϖεν ωηεν τηε γρουνδ ωασ κεπτ δρψ ωιτη πλαστιχ. Σουνδ αλονε ισ α συ⇔χιεντ χυε. Αφτερ τηεψ ηαϖε λεφτ τηε βυρροω, αδυλτσ µακε τηειρ ωαψ το τηε πονδσ το βρεεδ. Τοαδσ χαπτυρεδ ον τηε ωαψ οφτεν ηαϖε α στοµαχη φυλλ οφ τερµιτεσ τηατ ηαϖε σι− µυλτανεουσλψ εµεργεδ φροµ τηειρ υν− δεργρουνδ νεστσ. Σπαδεφοοτσ ηαϖε α προδιγιουσ αππετιτε ανδ χαν χονσυµε 55 περχεντ οφ τηειρ βοδψ ωειγητ ιν α σινγλε νιγητ. Ονε µεαλ οφ λιπιδ−ριχη τερ− µιτεσ χαν προϖιδε ενουγη ενεργψ το µαινταιν α τοαδ φορ µορε τηαν α ψεαρ; ιτ µαψ εϖεν βε συ⇔χιεντ το αλλοω α φε− µαλε το προδυχε εγγσ. Ονχε ιν τηε ωατερ, τηε τοαδσ υσυαλλψ σταψ αβουτ 24 ηουρσ, ϕυστ λονγ ενουγη το µατε ανδ λαψ εγγσ. Τηεψ τηεν λεαϖε ανδ σοµετιµεσ τραϖελ µιλεσ το τακε υπ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 85 Χοµπαρισον οφ Νιτρογεν Εξχρετιον∗ Μ ost amphibians, such as the northern leopard frog, excrete nitrogen as urea in solution, using ample water. Desert-dwelling mammals use less water to excrete the same amount of urea. Desert frogs, such as Phyllomedusa sauvagei, resemble mammals in that they use little water; they differ in that they excrete nitrogen waste as precipitated uric acid. PHYLLOMEDUSA SAUVAGEI 3 GRAMS URIC ACID DESERT KANGAROO RAT 2.1 GRAMS UREA NORTHERN LEOPARD FROG 2.1 GRAMS UREA *per gram of nitrogen ρεσιδενχε ιν σηαλλοω βυρροωσ. Ον ωινδ− λεσσ νιγητσ τηεψ φοραγε ον τηε στιλλ δαµπ δεσερτ ⇓οορ. Τηε τοαδσ ρετυρν το τηε βυρροω αφτερ φεεδινγ, ρεβυρψινγ τηεµσελϖεσ ιν τηε φριαβλε σοιλ. Βψ λατε συµµερ τηεψ δισαππεαρ ανδ αρε νοτ σεεν υντιλ τηεψ υνεαρτη τηεµσελϖεσ τηε νεξτ συµµερ. Ιν παρτσ οφ τηε Χολοραδο ∆εσερτ, ονε οφ τηε σπαδεφοοτ τοαδσ, Σχαπηιοπυσ χουχηι, ωασ φουνδ το συρ− ϖιϖε φορ νεαρλψ τωο ψεαρσ ωιτηουτ ραιν. Φατ ρεσερϖεσ αρε συ⇔χιεντ βεχαυσε τηε τοαδ δραστιχαλλψ λοωερσ ιτσ µεταβολιχ ρατε δυρινγ ιτσ ρετρεατ υνδεργρουνδ. Ωε χονσιδερεδ ωηετηερ σπαδεφοοτ τοαδσ χουλδ ρεγυλατε τηε χοµποσιτιον οφ τηειρ βοδψ ⇓υιδσ ωηιλε βελοω γρουνδ. Σο βεφορε τηε ραιν χαµε, ωε τριεδ το λο− χατε τοαδσ βψ διγγινγ νεαρ τηε δριεδ− ουτ πονδσ ωηερε τηεψ βρεεδ; ωε εϖεν υσεδ α βυλλδοζερ το εξχαϖατε α λαργε αρεα. Ωε διδ νοτ ⇒νδ ανψ τοαδσ. Φορτυ− νατελψ, ονε οφ τηε λοχαλ ρανχηερσ ιν− φορµεδ υσ τηατ ηε οχχασιοναλλψ υνχοϖ− ερεδ τοαδσ ωηεν διγγινγ ηολεσ φορ φενχε ποστσ, σοµε ατ τηε δεπτη οφ νεαρ− λψ ονε µετερ. Μορεοϖερ, τηε βυρροωεδ χρεατυρεσ ωερε συρπρισινγλψ φαρ, ατ 100 µετερσ, φροµ τηε ϖανισηεδ πονδ. Αρµεδ ωιτη τηισ ινφορµατιον, ωε ωερε αβλε το ⇒νδ σοµε σιτεσ ωηερε βυρ− ιεδ τοαδσ χουλδ βε εξχαϖατεδ ανδ στυδ− ιεδ. Ατ α λοχατιον ιν Αριζονα, ωε δυγ υπ τοαδσ ατ ϖαριουσ τιµεσ δυρινγ τηε ψεαρ. Ωε τοοκ σαµπλεσ οφ πλασµα ανδ υρινε ανδ αναλψζεδ τηεµ φορ ελεχτρολψτεσ, υρεα ανδ τοταλ σολυτε χονχεντρατιον. Ιν αδδιτιον, ωε µεασυρεδ τηε ϖολυµε οφ υρινε ιν τηε βλαδδερ ανδ τηε µοιστυρε χοντεντ οφ τηε σοιλ ατ τηε βυρροω σιτε. Ωε δισχοϖερεδ τηατ φροµ τηε τιµε τηε τοαδσ βυρροωεδ ιν Σεπτεµβερ υντιλ ωε υνεαρτηεδ τηεµ ιν Μαρχη τηε σολυτε χονχεντρατιον ιν πλασµα ανδ υρινε ωασ τψπιχαλ οφ φυλλψ ηψδρατεδ ανυρανσ. Φυρ− τηερµορε, ιν Μαρχη µοστ ινδιϖιδυαλσ ηαδ ρεταινεδ α λοτ οφ διλυτε υρινε ιν τηειρ βλαδδερσ∇αν αµουντ εθυιϖαλεντ το βετωεεν 25 ανδ 50 περχεντ οφ τηειρ 86 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 0 12 36 60 84 108 132 156 180 WATER (MILLILITERS) βοδψ ωειγητ. Τηε σοιλ αδϕαχεντ το τηε τοαδσ ωασ αλσο φαιρλψ µοιστ, ανδ τηε φορχεσ βινδινγ ωατερ το σοιλ ωερε συ⇔− χιεντλψ ωεακ, σο τηατ ωατερ χουλδ µοϖε οσµοτιχαλλψ ιντο τηε ανιµαλ. Ιν λατε ϑυνε, ϕυστ βεφορε τηε ⇒ρστ ραινσ, τηε τοαδσ ωερε στιλλ ιν εξχελλεντ χονδιτιον βυτ χονταινεδ ηιγη χονχεν− τρατιονσ οφ υρεα ιν βοτη πλασµα ανδ υρινε. Βψ τηεν τηε σοιλ ηαδ δριεδ σο µυχη τηατ ωατερ χουλδ νοτ πασσ φροµ σοιλ το ανιµαλ∇υνλεσσ τηερε ωασ ενουγη βυιλδυπ ιν τηε τοταλ σολυτε χονχεντρα− τιον ιν τηε τοαδσ το οϖερχοµε τηε ιν− χρεασεδ φορχεσ βινδινγ ωατερ το τηε σοιλ. Τ ηε αχχυµυλατιον οφ υρεα ιν τηε σπαδεφοοτσ∏ βοδψ ⇓υιδσ τιλτσ τηισ εξθυισιτε οσµοτιχ βαλανχε. Ιν λαβ− ορατορψ στυδιεσ ωε ηαϖε φουνδ τηατ τηε τοαδσ χαν προδυχε ανδ στορε υρεα ον δεµανδ. Ιφ τηεψ αρε πλαχεδ ιν ρελατιϖελψ δρψ σοιλ, τηεψ µακε µορε υρεα τηαν ωηεν τηεψ αρε ιν ωεττερ σοιλσ. Τηισ σαµε στρατεγψ οφ στορινγ υρεα ισ υσεδ βψ φρογσ τηατ χαν αδαπτ το βραχκιση ωατερ (τηερε αρε νο τρυλψ µαρινε φρογσ). Ιν τηισ χασε, τηε αχχυµυλατιον οφ υρεα µακεσ τηε βοδψ ⇓υιδσ µορε χονχεντρατεδ τηαν τηοσε ⇓υιδσ συρρουνδινγ τηε ανιµαλ, χαυσινγ ωατερ το εντερ τηε χρεατυρε βψ οσµοσισ. Φορ τηε σαµε ρεασον, σοµε µαρινε ⇒σηεσ συχη ασ σηαρκσ ανδ χοελα− χαντησ αλσο ρεταιν ελεϖατεδ χονχεντρα− τιονσ οφ υρεα ιν τηε βοδψ ⇓υιδσ. Α βιζαρρε βυρροωινγ τοαδ φροµ τηε φαµιλψ Χερατοπηρψιδαε ηασ αν εϖεν µορε ελαβορατε συρϖιϖαλ ταχτιχ τηαν τηε σπαδε− φοοτ τοαδ. Υνλικε σπαδεφοοτσ, τηεσε ανι− µαλσ δο νοτ στορε ηιγη χονχεντρατιονσ οφ υρεα ιν τηειρ βοδψ ⇓υιδσ; τηεψ δε− πενδ ον α χοχοον το πρεϖεντ ωατερ λοσσ. Τηεσε τοαδσ ινηαβιτ τηε Γραν Χηα− χο, α σεµιαριδ ρεγιον τηατ εξτενδσ φροµ νορτη−χεντραλ Αργεντινα ιντο Παραγυαψ, ωηερε τηεψ λιϖε ιν τεµποραρψ πονδσ τηατ ⇒λλ υπ δυρινγ τηε συµµερ ραινσ. Ονε οφ τηε χρεατυρεσ, Λεπιδοβατραχηυσ λαεϖισ, ισ ϖοραχιουσ ανδ πυγναχιουσ. Ιτ σχρεαµσ λουδλψ ανδ βιτεσ ωηεν τηρεατ− ενεδ. Τηε ανιµαλ ισ κνοων ασ κυρυρ− χηιν, ορ τηε τοαδ τηατ σηριεκσ, ιν Γυαραν, τηε λανγυαγε οφ Παραγυαψ. Υνλικε σπαδεφοοτ τοαδσ, τηε κυρυρ− χηιν ρεµαιν ιν πονδσ δυρινγ τιµεσ οφ δρουγητ. Ασ ωατερ εϖαπορατεσ, τηεψ βυρ− ροω το α σηαλλοω δεπτη ανδ βεχοµε εν− τοµβεδ ασ τηε µυδ δριεσ. Τηε τοαδσ τηεν σταρτ το προδυχε α µυλτιλαψερεδ χοχοον. Τηε κυρυρ−χηιν ισ νοτ αλονε ιν τηισ πραχτιχε. ςαριουσ οτηερ βυρροω− ινγ σπεχιεσ ιν Αυστραλια, Αφριχα ανδ Μεξιχο αρε κνοων το φορµ χοχοονσ∇ ινδεεδ, ιτ σεεµσ χοχοον φορµατιον εϖολϖεδ ινδεπενδεντλψ σεϖεραλ τιµεσ. Αλλ ανυρανσ περιοδιχαλλψ σηεδ τηε ουτερµοστ χελλ λαψερ οφ τηειρ σκιν αφτερ α ρεπλαχεµεντ λαψερ ηασ βεεν φορµεδ. ∆υρινγ χοχοον φορµατιον, ηοωεϖερ, τηε ουτερµοστ λαψερ οφ σκιν ισ νοτ σηεδ ανδ σταψσ ιν πλαχε ασ αδδιτιοναλ λαψερσ γροω βενεατη. Ινδεεδ, τηε κυρυρ−χηιν φορµσ α νεω λαψερ εϖερψ 24 ηουρσ υντιλ ιτ ισ ενχλοσεδ βψ α µυλτιλαψερεδ χοχοον οφ ⇓ατ χελλσ ωιτη δριεδ µυχυσ βετωεεν εαχη λαψερ. Ωηεν πλοττεδ αγαινστ τιµε, εϖαπορατιϖε ωατερ λοσσ δυρινγ χοχοον φορµατιον σηοωσ α ηψπερβολιχ δεχλινε ασ εαχη λαψερ φορµσ. Ιν τηε λαβορατορψ τηε κυρυρ−χηιν ωιλλ χονστρυχτ α χοχοον ιφ ιτ ισ δεπριϖεδ οφ ωατερ ανδ πλαχεδ ιν α θυιετ, δαρκ πλαχε. Τιµε−λαπσε ⇒λµινγ σηοωσ τηατ τηε τοαδ µοϖεσ ονλψ σλιγητλψ ασ τηε χοχοον τηιχκ− ενσ; αφτερ α φεω ωεεκσ, ιτ ρεµαινσ µο− τιονλεσσ φορ δαψσ ον ενδ. Βυτ εϖεν ωηεν ενσχονχεδ ιν ιτσ φυλλψ φορµεδ χοχοον, τηε κυρυρ−χηιν ρεταινσ ιτσ υννερϖινγ αβιλιτψ το σηριεκ ωηεν διστυρβεδ. Ιφ τηε τοαδ ισ γεντλψ µοιστενεδ ωιτη ωατερ, ιτ ωιλλ αωακεν ανδ σταρτ το σηεδ τηε χο− χοον ιν ονε πιεχε. Τηε ανιµαλ υσεσ ιτσ λεγσ το ρολλ τηε χοχοον υπ φροµ τηε ποσ− τεριορ παρτ οφ τηε βοδψ, οϖερ ιτσ ηεαδ. Τηε κυρυρ−χηιν τηεν προµπτλψ εατσ τηε εντιρε ωετ χασινγ. Περηαπσ τηε µοστ στρικινγ ανυραν αδαπτατιον το λιφε ιν τηε δεσερτ ωασ δισ− χοϖερεδ σερενδιπιτουσλψ. Ιν 1970 ωε ρε− χειϖεδ α συρπρισινγ ρεπριντ φροµ ϑοην Π. Λοϖεριδγε οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Ζιµ− βαβωε (τηεν Ρηοδεσια ). Ιτ δεσχριβεδ εξ− περιµεντσ σηοωινγ τηατ τηε γραψ τρεε φρογ, Χηιροµαντισ ξεραµπελινα, χουλδ συρϖιϖε φορ λονγ περιοδσ ιν οπεν, δρψ χονταινερσ. Τηε φρογ λοστ ωειγητ ατ α φραχτιον οφ τηε ρατε οφ οτηερ φρογσ∇ ρατεσ σιµιλαρ το τηοσε οφ α λιζαρδ κεπτ υνδερ ιδεντιχαλ χονδιτιονσ. Λοϖεριδγε αλσο νοτεδ τηατ µοστ οφ τηε δρψ µασσ οφ τηε φρογ∏σ υρινε ωασ υριχ αχιδ. Ηισ ⇒νδινγσ ωερε ηερετιχαλ. Αλλ φρογσ ανδ τοαδσ ωερε τηουγητ το ηαϖε ωατερ− περµεαβλε σκινσ∇ωιτη τηε εξχεπτιον οφ χοχοον−φορµινγ βυρροωερσ∇ανδ το εξχρετε νιτρογεν ασ υρεα. Λοϖεριδγε∏σ δεσχριπτιον συγγεστεδ α φρογ ωιτη α Copyright 1994 Scientific American, Inc. ΧΟΛΟΡ ΧΗΑΝΓΕ περµιτσ Χηιροµαντισ ξεραµπελινα το ενδυρε διρεχτ συνλιγητ. Βψ αβανδονινγ ιτσ δαρκ, προτεχτιϖε χολορινγ (λεφτ ) ανδ αδοπτινγ ωηιτε (ριγητ ), τηε τρεε φρογ ρεφλεχτσ τηε ρεπτιλε∏σ ιµπερµεαβλε σκιν ανδ α ρεπ− τιλε∏σ χαπαχιτψ το εξχρετε υριχ αχιδ. Ατ τηε τιµε τηε παπερ αππεαρεδ, ωε ωερε βεγιννινγ στυδιεσ οφ αµπηιβιανσ ιν τηε Γραν Χηαχο. Ωε ωερε ιµπρεσσεδ ωιτη τηε διϖερσιτψ οφ τηε αµπηιβιαν φαυνα λιϖινγ ιν τηισ ρεγιον, ωηιχη ιν− χλυδεδ α γρεεν αρβορεαλ φρογ, Πηψλλοµε− δυσα σαυϖαγει, κνοων λοχαλλψ ασ ρανα ϖερδε. Ωηερεασ µοστ φρογσ λιϖινγ ιν αριδ ρεγιονσ µυστ ρεµαιν υνδεργρουνδ ορ νεαρ ωατερ, εξχεπτ δυρινγ τηε ραινψ σεα− σον, Πηψλλοµεδυσα ανδ Χηιροµαντισ χαν ρεµαιν περχηεδ ιν τρεεσ, ωηερε τηεψ φεεδ. Π. σαυϖαγει ισ αχτιϖε βεφορε τηε ον− σετ οφ συµµερ ραινσ ιν Παραγυαψ, ανδ Χηιροµαντισ χαν βε φουνδ δυρινγ τηε δρψ σεασον ιν Ζιµβαβωε. Βεχαυσε οφ Λοϖεριδγε∏σ ωορκ, ωε µαδε χρυδε µεα− συρεµεντσ οφ ωατερ λοσσ ιν Π. σαυϖα− γει ιν τηε λαβορατορψ, βυτ ωε οβσερϖεδ νοτηινγ υνυσυαλ. Α φεω ωεεκσ λατερ ονε φρογ ϖοιδεδ α λαργε βλοβ οφ σεµισολιδ υρινε ωηιλε βε− ινγ ηανδλεδ. Α θυιχκ τριπ το τηε σπεχ− τροπηοτοµετερ ρεϖεαλεδ τηατ τηε µαϕορ χοµπονεντ ωασ υριχ αχιδ. Στυδιεσ οφ νι− τρογεν βαλανχε ιν Πηψλλοµεδυσα ανδ Χηιροµαντισ ηαϖε αµπλψ χον⇒ρµεδ τηε βενε⇒τσ οφ υριχ αχιδ εξχρετιον. Ιν βοτη σπεχιεσ, αβουτ 80 περχεντ οφ τηε ωαστε νιτρογεν ισ εµιττεδ ασ υριχ αχιδ ορ υρατε σαλτσ. Ιν αδδιτιον, σοδιυµ ανδ ποτασσι− υµ πρεχιπιτατε αλονγ ωιτη υριχ αχιδ, ωηιχη φυρτηερ ινχρεασεσ τηε εξχρετορψ χαπαχιτψ οφ τηε κιδνεψσ. Τηυσ, τηεσε φρογσ χαν φεεδ ωηιλε δεπριϖεδ οφ ωατερ φορ λονγ περιοδσ. Αχροσσ σπεχιεσ, τηερε αππεαρσ το βε α ωιδε ρανγε ιν τηε αβιλι− τψ το σψντηεσιζε υριχ αχιδ : φροµ 230 µιλλιγραµσ περ κιλογραµ περ δαψ ιν Π. σαυϖαγει το ονλψ 40 µιλλιγραµσ περ κι− λογραµ περ δαψ ιν Π. βιχολορ, ωηιχη ιν− ηαβιτσ τροπιχαλ ρεγιονσ οφ Βραζιλ. Τηε αβιλιτψ το µακε ανδ εξχρετε υριχ αχιδ τυρνεδ ουτ το βε ονλψ ονε ασπεχτ ΩΙΠΙΝΓ ΙΤΣ ΣΚΙΝ ωιτη εαχη οφ ιτσ φουρ λεγσ, ιν τυρν, αλλοωσ Πηψλλοµεδυσα σαυϖαγει το χοµπλετελψ χοϖερ ιτσελφ (λεφτ ) ωιτη τηε ωαξψ συβστανχε τηατ ιτ σεχρετεσ το πρεϖεντ ωατερ λοσσ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. συν∏σ ραψσ. Τηε φρογ αλσο συρϖιϖεσ τηε ηεατ βψ στορινγ λαργε ϖολυµεσ οφ ωατερ ιν ιτσ βλαδδερ ανδ τηεν υσινγ τηε ρεσερϖε φορ εϖαπορατιϖε χοολινγ. οφ τηε τρεε φρογ∏σ αδαπτατιονσ. Ωε ρε− µεασυρεδ τηε εϖαπορατιϖε ωατερ λοσσ ιν Πηψλλοµεδυσα∇ωιτη χαρε ανδ πατιενχε τηισ τιµε∇ανδ φουνδ τηατ Πηψλλοµεδυ− σα, λικε Χηιροµαντισ, χουλδ ρεδυχε ιτσ ωατερ λοσσ το ϖερψ λοω λεϖελσ ωηεν ιτ ωασ αλλοωεδ το περχη ανδ βεηαϖε νορµαλλψ. Ωε ηαδ οβσερϖεδ τηατ τηε φρογ υσεσ εαχη φοοτ ιν τυρν το ωιπε ιτσ εντιρε βοδψ. Αφτερ τηισ ριτυαλ, ρανα ϖερδε λοοκσ ασ ιφ ιτ χονσιστεδ οφ πλαστιχ. Ωατερ δριππεδ οντο τηε χρεατυρε∏σ σκιν βεαδσ υπ, ασ ιτ δοεσ ον α ωαξεδ συρφαχε. Ηιστολογιχαλ στυδιεσ ρεϖεαλεδ τηε πρεσενχε ιν τηε σκιν οφ α νοϖελ φορµ οφ γλανδ, ωηιχη ωασ ιντερσπερσεδ βετωεεν τηε µυχουσ γλανδσ ανδ ποισον γλανδσ τηατ αρε τψπι− χαλλψ φουνδ ιν φρογσ. Τηε γλανδσ αρε τινψ ανδ νυµερουσ, αβουτ 30 περ σθυαρε µιλλιµετερ οφ σκιν; τηεψ σταιν ιντενσελψ ωηεν τρεατεδ ωιτη λιπιδ−σολυβλε δψεσ. Ιτ ισ νοω χλεαρ τηατ τηε ωατερπροοφινγ προχεσσ ινϖολϖεσ τηε σψνχηρονουσ δισ− Ονχε χοατεδ, τηε φρογ αππεαρσ το βε µαδε οφ πλαστιχ. Τηε προ− τεχτιϖε λιπιδ ισ προδυχεδ ιν τινψ σκιν γλανδσ τηατ αρε σηοων µαγνιφιεδ 150 τιµεσ ανδ δψεδ ρεδ ιν τηισ µιχρογραπη (ριγητ ). ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 87 χηαργε οφ τηεσε γλανδσ, ιµ− µεδιατελψ φολλοωεδ βψ ωιπινγ. Τηε χοατινγ, α ρατηερ ηετερογε− νεουσ µιξτυρε οφ λιπιδσ, ισ πρι− µαριλψ ωαξ εστερ. Λικε Πηψλλο− µεδυσα, ινσεχτσ ανδ πλαντσ υσε α ϖαριετψ οφ ωαξεσ το ρεταρδ ωα− τερ λοσσ. Χυριουσλψ, Χηιροµαν− τισ δοεσ νοτ ηαϖε λιπιδ γλανδσ. Τηε µεχηανισµ βψ ωηιχη ιτ πρεϖεντσ εϖαπορατιον ρεµαινσ οβσχυρε. εδ το ανψ παρτιχυλαρ ηαβιτατ. Σοµε ινστανχεσ αρε χλεαρλψ τηε ρεσυλτ οφ ηυµαν ιντερϖεν− PHYLLOMEDUSA τιον. ςαριουσ πλαχεσ τηατ ωερε PAILONA ονχε ηοµε το σπαδεφοοτ τοαδσ PHYLLOMEDUSA ιν σουτηερν Χαλιφορνια αρε νοω IHERENGI ηουσινγ τραχτσ. Ωε ηαϖε σεεν PHYLLOMEDUSA ωιδεσπρεαδ δεστρυχτιον οφ τηε TRINITATUS ηαβιτατ οφ Πηψλλοµεδυσα ιν τηε PHYLLOMEDUSA Γραν Χηαχο, ωηερε τρεεσ αρε BICOLOR χυτ φορ φυελ. Αιρ ανδ ωατερ χον− PACHYMEDUSA ταµινατιον, τηε ιντροδυχτιον οφ DACNICOLOR πρεδατορψ ⇒σηεσ ανδ εϖεν χον− AGALYCHNIS ηψλλοµεδυσα ανδ Χηιρο− συµπτιον οφ φρογ λεγσ χοντριβ− ANNAE µαντισ αρε αβλε το συρ− υτε ασ ωελλ. Ιν σοµε χασεσ, ηυ− 0 50 100 150 200 250 300 ϖιϖε ιν ϖερψ ηοτ ενϖιρον− µανσ ενχουραγε συρϖιϖαλ. Τηε MILLIGRAMS OF NITROGEN µεντσ. Τηεψ αχχοµπλιση τηισ γρεατ αβυνδανχε οφ σπαδεφοοτ PER KILOGRAM OF BODY WEIGHT PER DAY ρεµαρκαβλε φεατ βψ χοντρολλινγ τοαδσ ιν σουτηωεστερν Αριζονα URIC ACID EXCRETION UREA ACCUMULATION τηειρ βοδψ τεµπερατυρε. Βεφορε ισ προβαβλψ τηε ρεσυλτ οφ χαττλε τηε συµµερ ραινσ, τηε αιρ µαψ ΥΡΙΧ ΑΧΙ∆ ΠΡΟ∆ΥΧΤΙΟΝ ϖαριεσ γρεατλψ. Φρογσ ιν αριδ ρε− τανκσ χονστρυχτεδ βψ ρανχηερσ εξχεεδ 40 δεγρεεσ Χ. Βοδψ γιονσ, συχη ασ Π. σαυϖαγει, χονϖερτ 80 περχεντ οφ τηειρ το χατχη ρυνο⇑ φροµ τηυνδερ− τεµπερατυρεσ οφ Π. σαυϖαγει νιτρογεν ωαστε ιντο σεµισολιδ υριχ αχιδ, ρεδυχινγ τηε υρεα στορµσ. Συχη φαχιλιτιεσ σερϖε ασ ωερε φουνδ το τραχκ αιρ τεµπερ− ιν τηε βλοοδ ανδ σαϖινγ ωατερ. Τροπιχαλ φρογσ, συχη ασ Π. βρεεδινγ σιτεσ. ατυρε, εξχεπτ δυρινγ τηε ηοτ− βιχολορ, χονϖερτ 20 περχεντ. (Παχηψµεδυσα δαχνιχολορ ανδ Ψετ ποπυλατιονσ οφ ανυρανσ τεστ παρτσ οφ τηε ηοττεστ δαψσ. Αγαλψχηνισ ανναε αρε χλοσελψ ρελατεδ το Πηψλλοµεδυσα.) ηαϖε δεχλινεδ ορ δισαππεαρεδ Ατ τηεσε τιµεσ, τηε φρογσ ρε− ιν ρελατιϖελψ υνδιστυρβεδ ορ µαινεδ αβουτ 40 δεγρεεσ Χ∇τωο το τηε δαψ. Χηιροµαντισ, ηοωεϖερ, χαν βε προτεχτεδ πλαχεσ. Αλτηουγη α πορτιον οφ φουρ δεγρεεσ χοολερ τηαν τηε αιρ ανδ οβσερϖεδ σιττινγ ιν τηε φυλλ συν. Χηιρο− συχη εϖεντσ µαψ ρεπρεσεντ νατυραλ ⇓υχ− τηρεε το ⇒ϖε δεγρεεσ χοολερ τηαν α τηερ− µαντισ µινιµιζεσ τηε ε⇑εχτσ οφ σολαρ τυατιον, χονχερν γροωσ τηατ αµπηιβιαν µοµετερ χονστρυχτεδ το µατχη τηε σιζε, ραδιατιον βψ υνδεργοινγ α δραµατιχ χολ− δεχλινε µαψ ινδιχατε συβτλε ενϖιρον− σηαπε ανδ αβσορπτιϖε χηαραχτεριστιχσ οφ ορ χηανγε. Ιτ φορσακεσ ιτσ γραψ ορ βροων µενταλ δετεριορατιον ον α γλοβαλ σχαλε. τηε φρογ. προτεχτιϖε χολορατιον ανδ ινστεαδ βε− Τηε χοµπλεξ λιφε χψχλεσ ανδ ρεπροδυχ− Τηε φρογσ αχηιεϖε συχη τηερµορεγυ− χοµεσ ωηιτε το ρε⇓εχτ συνλιγητ. τιϖε σπεχιαλιζατιονσ οφ αµπηιβιανσ µαψ λατιον βψ χοντρολλινγ εϖαπορατιον ρατεσ. Ωε ωονδερεδ ιφ Πηψλλοµεδυσα χουλδ µακε τηεµ δουβλψ συσχεπτιβλε. ∆εσερτ− Λαβορατορψ ωορκ ηασ σηοων τηατ τηε τακε αδϖανταγε οφ τηε λιγητ ραιν τηατ αδαπτεδ σπεχιεσ αππεαρ νο βεττερ αβλε φρογσ χαν µατχη εϖαπορατιϖε ηεατ λοσσ φρεθυεντλψ πρεχεδεσ α ηεαϖψ δοωνπουρ. το ωιτηστανδ τηε ε⇑εχτσ οφ ηυµαν αχ− το ινχρεασεσ ιν αµβιεντ ηεατ οϖερ α ωιδε Βεχαυσε ιτσ σκιν ισ ωατερπροοφεδ, τηε τιϖιτψ τηαν αρε τηειρ χουντερπαρτσ ιν ωετ ρανγε οφ τεµπερατυρεσ, ωινδ σπεεδσ ανδ ανιµαλ χαννοτ αβσορβ µοιστυρε τηατ χονδιτιονσ. Εϖεν χρεατυρεσ τηατ σπενδ ρελατιϖε ηυµιδιτιεσ. Τηε µεχηανισµ απ− ωαψ. Τηερεφορε, ωε περφορµεδ εξπερι− µοστ οφ τηε ψεαρ υνδεργρουνδ µυστ πεαρσ το βε αναλογουσ το σωεατινγ. Μι− µεντσ ιν ωηιχη ωατερ ωασ δριππεδ ον ⇒νδ αβυνδαντ φοοδ ανδ συιταβλε αθυατ− χροσχοπιχ οβσερϖατιον οφ τηε σκιν σηοωσ ιτσ ηεαδ. Αστονισηινγλψ, ωε οβσερϖεδ ιχ βρεεδινγ σιτεσ ωηεν τηεψ εµεργε. Το περιοδιχ δισχηαργε φροµ µανψ οφ τηε Πηψλλοµεδυσα λιφτ ιτσ ηεαδ το γυλπ δροπσ πρεϖεντ φυρτηερ εξτινχτιονσ, ιτ ισ ιµπερ− γλανδ δυχτσ τηατ δοτ τηε σκιν. Ωε πρε− οφ ωατερ. Εξπεριµεντσ υσινγ ωατερ ωιτη ατιϖε τηατ ωε υνδερστανδ τηε πανοπλψ συµε βυτ ηαϖε νοτ χονχλυσιϖελψ δεµ− δψεσ ινχαπαβλε οφ δι⇑υσινγ τηρουγη τηε οφ ανδ λιµιτσ το τηε δεϖιχεσ τηατ φρογσ ονστρατεδ τηατ µυχουσ γλανδσ αρε ρε− σκιν σηοωεδ χολορατιον ιν τηε εσοπηα− ανδ τοαδσ υσε το τηριϖε ιν αλλ ηαβιτατσ. σπονσιβλε. Πηαρµαχολογιχαλ στυδιεσ οφ γυσ, στοµαχη ανδ σµαλλ ιντεστινε∇τηε Χηιροµαντισ ινδιχατε τηε γλανδσ αρε ωατερ ηαδ χλεαρλψ βεεν ινγεστεδ, νοτ χοντρολλεδ βψ σψµπατηετιχ νερϖεσ τηατ αβσορβεδ. Πηψλλοµεδυσα ισ τηε ονλψ ΦΥΡΤΗΕΡ ΡΕΑ∆ΙΝΓ στιµυλατε βετα−αδρενεργιχ ρεχεπτορσ. ανυραν κνοων το δρινκ. ΒΕΗΑςΙΟΡ ΑΝ∆ ΤΗΕΡΜΑΛ ΡΕΛΑΤΙΟΝΣ ΟΦ Τηε ρεγυλατιον οφ βοδψ τεµπερατυρε ΤΗΕ ΑΡΒΟΡΕΑΛ ΦΡΟΓ ΠΗΨΛΛΟΜΕ∆ΥΣΑ ρεθυιρεσ τηε µοστ ωατερ δυρινγ τηε δρψ ηε στυδψ οφ αµπηιβιανσ ιν δεσ− ΣΑΥςΑΓΕΙ. Λον Λ. ΜχΧλαναηαν ανδ περιοδ, ϕυστ βεφορε τηε συµµερ ραινσ. ερτσ ανδ σεµιαριδ ρεγιονσ ηασ ρε− ςαυγηαν Η. Σηοεµακερ ιν Νατιοναλ Γε− Τηε φρογσ οβϖιατε τηισ προβλεµ βεχαυσε ϖεαλεδ εξτενσιϖε ανδ διϖερσε σπε− ογραπηιχ Ρεσεαρχη, ςολ. 3, Νο. 1, παγεσ τηεψ χαν τολερατε ηιγη βοδψ τεµπερα− χιαλιζατιονσ φορ τερρεστριαλ εξιστενχε. 11∠21; Ωιντερ 1987. ΠΗΨΣΙΟΛΟΓΙΧΑΛ ΕΧΟΛΟΓΨ ΟΦ ΑΜΠΗΙΒ− τυρεσ. Ον µοστ δαψσ, τηερε ισ νο νεεδ Τηε εµεργινγ πιχτυρε οφ ανυραν πηψσι− ΙΑΝΣ ΙΝ ΑΡΙ∆ ΕΝςΙΡΟΝΜΕΝΤΣ. ςαυγηαν το εϖαπορατε ωατερ φορ τηερµορεγυλα− ολογψ δε⇒εσ τηε στερεοτψπε βασεδ ον Η. Σηοεµακερ ιν ϑουρναλ οφ Αριδ Ενϖι− τιον; ον ϖερψ ωαρµ δαψσ, τηερµορεγυ− εαρλιερ στυδιεσ οφ τεµπερατε σπεχιεσ. ρονµεντσ, Νο. 14, ςολ. 2, παγεσ 145∠ λατιον ισ ρεθυιρεδ φορ α φεω ηουρσ. Σιµιλαρλψ, αµπηιβιανσ ιν οτηερ ηαβιτατσ 153; Μαρχη 1988. Λικε οτηερ φρογσ, Πηψλλοµεδυσα ανδ ηαϖε οτηερ χαπαβιλιτιεσ∇συχη ασ τολερ− ΕΞΧΗΑΝΓΕ ΟΦ ΩΑΤΕΡ, ΙΟΝΣ, ΑΝ∆ ΡΕΣΠΙ− Χηιροµαντισ χαν στορε λαργε ϖολυµεσ οφ ανχε το φρεεζινγ∇τηατ ωερε υνκνοων ΡΑΤΟΡΨ ΓΑΣΕΣ ΙΝ ΤΕΡΡΕΣΤΡΙΑΛ ΑΜΠΗΙΒ− ωατερ ιν τηε βλαδδερ ανδ υσε ιτ το ο⇑− υντιλ ρεχεντλψ [σεε Φροζεν ανδ Αλιϖε, ΙΑΝΣ. ςαυγηαν Η. Σηοεµακερ, ωιτη σετ λοσσ τηρουγη εϖαπορατιον. Ωηεν βψ Κεννετη Β. Στορεψ ανδ ϑανετ Μ. Στο− Στανλεψ Σ. Ηιλλµαν, Στανλεψ ∆. Ηιλλψαρδ, ∆οναλδ Χ. ϑαχκσον, Λον Λ. ΜχΧλαναηαν, βλαδδερ ρεσερϖεσ αρε εξηαυστεδ, τηε ρεψ; ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ, ∆εχεµβερ Πηιλιπ Χ. Ωιτηερσ ανδ Μαρκ Λ. Ωψγοδα φρογσ αλλοω βοδψ τεµπερατυρεσ το ρεαχη 1990]. ∆εσπιτε τηισ διϖερσιτψ, ορ περ− ιν Ενϖιρονµενταλ Πηψσιολογψ οφ τηε Αµ− εϖεν ηιγηερ λεϖελσ, τηερεβψ ρεδυχινγ τηε ηαπσ βεχαυσε οφ ιτ, τηερε ισ εϖιδενχε πηιβιανσ. Εδιτεδ βψ Μαρτιν Ε. Φεδερ ανδ νεεδ φορ εϖαπορατιϖε χοολινγ. Πηψλλοµε− οφ α ωορλδωιδε ρεδυχτιον ιν σοµε αµ− Ωαρρεν Ω. Βυργγρεν. Υνιϖερσιτψ οφ Χηι− δυσα αππεαρσ το ρεµαιν σηαδεδ ωηιλε πηιβιαν ποπυλατιονσ ανδ τηε εξτινχτιον χαγο Πρεσσ, 1992. περχηεδ ιν τρεεσ, ατ λεαστ φορ µοστ οφ οφ οτηερσ. Τηε δεχλινε ισ νοτ ρεστριχτ− PHYLLOMEDUSA SAUVAGEI Π Τ 88 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. ΤΡΕΝ∆Σ ΙΝ ΧΟΜΜΥΝΙΧΑΤΙΟΝΣ Ωιρε Πιρατεσ βψ Παυλ Ωαλλιχη, στα⇑ ωριτερ Σ οµεδαψ τηε Ιντερνετ µαψ βεχοµε αν ινφορ− µατιον συπερηιγηωαψ, βυτ ριγητ νοω ιτ ισ µορε λικε α 19τη−χεντυρψ ραιλροαδ τηατ πασσεσ τηρουγη τηε βαδλανδσ οφ τηε Ολδ Ωεστ. Ασ ωαϖεσ οφ νεω σεττλερσ φλοχκ το χψβερ− σπαχε ιν σεαρχη οφ φρεε ινφορ− µατιον ορ χοµµερχιαλ οππορ− τυνιτψ, τηεψ µακε εασψ µαρκσ φορ σηαρπερσ ωηο πλαψ α κεψ− βοαρδ ασ δεφτλψ ασ Βιλλψ τηε Κιδ εϖερ δρεω α σιξ−γυν. Ολδ ηανδσ ον τηε ελεχτρονιχ φρον− τιερ λαµεντ βοτη τηε ρισινγ χριµε ρατε ανδ τηε ωανινγ οφ λονγ−εσταβλισηεδ νορµσ οφ οπεν χολλαβορατιον. Ιτ ισ δι⇔χυλτ εϖεν φορ τηοσε ωηο πλψ ιτ εϖερψ δαψ το απ− πρεχιατε ηοω µυχη τηε Ιντερ− νετ δεπενδσ ον χολλεγιαλ τρυστ ανδ µυτυαλ φορβεαρανχε. Τηε 30,000 ιντερχοννεχτεδ νετ− ωορκσ ανδ 2.5 µιλλιον ορ µορε ατταχηεδ χοµπυτερσ τηατ µακε υπ τηε σψστεµ σωαπ γιγαβψτεσ οφ ινφορµατιον βασεδ ον νοτη− ινγ µορε τηαν α διγιταλ ηανδ− σηακε ωιτη α στρανγερ. ( Εϖεν εστιµατεσ οφ τηε Ιντερνετ∏σ σιζε, χοµπιλεδ βψ ΣΡΙ Ιντερ− νατιοναλ, ρελψ ον τηε χοοπερα− τιον οφ σψστεµ αδµινιστρατορσ αρουνδ τηε γλοβε.) Μοστ πεο− πλε κνοω, φορ εξαµπλε, τηατ ελεχτρονιχ−µαιλ µεσσαγεσ χαν βε ρεαδ βψ µανψ πεοπλε οτη− ερ τηαν τηειρ ιντενδεδ ρεχιπι− εντσ, βυτ τηεψ αρε λεσσ αωαρε τηατ ε−µαιλ ανδ οτηερ χοµµυ− νιχατιονσ χαν βε αλµοστ τραχε− ΙΝΗΑΒΙΤΑΝΤΣ ΟΦ ΧΨΒΕΡΣΠΑΧΕ µαψ βε ϖιλλαινσ, ϖιχτιµσ ορ βψστανδ− ερσ (σοµε οφ τηεµ αρε σηοων ατ τηε ριγητ). Σελφ−δεφενσε χαν βε δι⇔χυλτ ιν αν ενϖιρονµεντ ρυλεδ βψ τρυστ. 90 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 42 46 52 11 6 55 40 1 1 47 51 21 20 2 14 27 24 28 28 32 15 28 53 29 1 38 10 30 25 36 1. USERS 2. CRACKER 3. WIZARD 4. GURU 5. GOPHER 6. ARCHIE 7. VERONICA 8. WORLD-WIDE WEB 9. MOSAIC 10. FETCH 11. CRON DAEMON 12. FINGER DAEMON 13. FTP ( FILE TRANSFER PROTOCOL ) DAEMON 14. TELNET DAEMON 15. MAILER-DAEMON 16. ROOT 17. NOBODY 18. ZOMBIE PROGRAMS 19. SATAN 20. CRACK 21. WORM 22. COPS 23. TRIPWIRE 24. TROJAN HORSE 25. PACKET SNIFFER 26. DOT FILES 27. DEVICE FILES 28. SHELLS 29. NETWORK FILE SYSTEM (NFS) Copyright 1994 Scientific American, Inc. Consumers and entrepreneurs crowd onto the information highway, where electronic bandits and other hazards await them 18 8 12 45 4 35 54 9 17 16 7 44 22 27 5 13 33 48 50 49 34 39 3 23 26 37 43 19 31 41 30. DOMAIN NAME SERVER 31. IDENT DAEMON 32. INTERNET-DAEMON 33. LOGIN DAEMON 34. NFS-DAEMON 35. PAGE DAEMON 36. PASSWORD-AUTHORIZATION DAEMON 37. QUOTA DAEMON 38. REMOTE-LOGIN DAEMON 39. STAT-DAEMON 40. SWAPPER 41. SYSLOG DAEMON 42. UPDATE DAEMON 43. USENET NEWS DAEMON 44. FINGER HACKER 45. SHOULDER SURFER 46. CELLULAR-PHONE CLONES Copyright 1994 Scientific American, Inc. 47. REMOTE PROCEDURE CALL 48. MAGIC COOKIES 49. SHELL SCRIPTS 50. FILTER 51. MIME 52. FIRE WALL 53. ROUTER 54. CHALLENGE-RESPONSE SYSTEM 55. KERBEROS λεσσλψ φοργεδ∇ϖιρτυαλλψ νο ονε ρεχειϖινγ α µεσσαγε οϖερ τηε νετ χαν βε συρε ιτ χαµε φροµ τηε οστενσιβλε σενδερ. Ελεχτρονιχ ιµπερσονατορσ χαν χοµµιτ σλανδερ ορ σολιχιτ χριµιναλ αχτσ ιν σοµεονε ελσε∏σ ναµε; τηεψ χαν εϖεν µασθυεραδε ασ α τρυστεδ χολ− λεαγυε το χονϖινχε σοµεονε το ρεϖεαλ σενσιτιϖε περσοναλ ορ βυσινεσσ ινφορµατιον. Οφ τηοσε φεω ωηο κνοω ενουγη το ωορρψ αβουτ ελεχτρονιχ φοργεριεσ, εϖεν φεωερ υνδερ− στανδ ηοω αν ινσιδιουσλψ χοδ− εδ ε−µαιλ µεσσαγε χαν χαυσε σοµε χοµπυτερσ το γιϖε τηε σενδερ αλµοστ υνλιµιτεδ αχ− χεσσ το αλλ τηε ρεχιπιεντ∏σ ⇒λεσ. Ανδ µαιλ−τρανσφερ προγραµσ αρε ονλψ ονε οφ τηε ωιδε ρανγε οφ ωαψσ τηατ αν ατταχκ− ερ χαν γαιν αχχεσσ το α νετ− ωορκεδ χοµπυτερ. Ιτ∏σ λικε τηε Ωιλδ Ωεστ, σαψσ ∆ονν Β. Παρκερ οφ ΣΡΙ: Νο λαωσ, ραπ− ιδ γροωτη ανδ εντερπρισε∇ ιτ∏σ σηοοτ ⇒ρστ ορ βε κιλλεδ. Το υνδερστανδ ηοω τηε Ιν− τερνετ, ον ωηιχη σο µανψ βασε τηειρ ηοπεσ φορ εδυχα− τιον, προφιτ ανδ ιντερνατιοναλ χοµπετιτιϖενεσσ, χαµε το τηισ πασσ, ιτ χαν βε ινστρυχτιϖε το λοοκ ατ τηε σεχυριτψ ρεχορδ οφ οτηερ παρτσ οφ τηε ιντερνα− τιοναλ χοµµυνιχατιονσ ινφρα− στρυχτυρε. Α χοµπυτερ χραχκ− ερ µαψ βεχοµε α πηονε πηρεακ το αϖοιδ παψινγ φορ τηε λονγ−διστανχε ηαβιτ τηατ χοµπυτερ ιντρυσιον σοµε− τιµεσ ρεθυιρεσ, ορ ηε µαψ τακε υπ πηονε πηρεακινγ ασ α ρελατεδ ηοββψ (µυχη ασ α ποαχηερ µιγητ βοτη ηυντ ανδ ⇒ση). Νοτ ονλψ αρε σοµε οφ τηε πλαψερσ τηε σαµε, σο αρε µανψ οφ τηε βασιχ δεσιγν ισ− ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 91 συεσ. Φυρτηερµορε, ενγινεερσ βυιλδ− ινγ εαχη νεω γενερατιον οφ τεχηνολ− ογψ αππεαρ το µακε τηε σαµε µισ− τακεσ ασ τηειρ πρεδεχεσσορσ. Τηε ⇒ρστ, βιγγεστ ερρορ τηατ δε− σιγνερσ σεεµ το ρεπεατ ισ αδοπτιον οφ τηε σεχυριτψ τηρουγη οβσχυριτψ στρατεγψ. Τιµε ανδ αγαιν, αττεµπτσ το κεεπ α σψστεµ σαφε βψ κεεπινγ ιτσ ϖυλνεραβιλιτιεσ σεχρετ ηαϖε φαιλεδ. Χονσιδερ, φορ εξαµπλε, τηε ρυννινγ ωαρ βετωεεν ΑΤ&Τ ανδ τηε πηονε πηρεακσ. Ωηεν ηοστιλιτιεσ βεγαν ιν τηε 1960σ, πηρεακσ χουλδ µανιπυ− λατε ωιτη ρελατιϖε εασε τηε λονγ−δισ− τανχε νετωορκ ιν ορδερ το µακε υν− παιδ τελεπηονε χαλλσ βψ πλαψινγ χερ− ταιν τονεσ ιντο τηε ρεχειϖερ. ( Ονε πηρεακ, ϑοην ∆ραπερ, ωασ κνοων ασ Χαπταιν Χρυνχη φορ ηισ δισχοϖερψ τηατ α µοδι⇒εδ χερεαλ−βοξ ωηιστλε χουλδ µακε τηε 2,600−ηερτζ τονε ρε− θυιρεδ το υνλοχκ α τρυνκ λινε.) Τηε πρεχισε φρεθυενχιεσ ωερε ηιδδεν ιν τεχηνιχαλ µανυαλσ ανδ οβσχυρε ϕουρναλ αρτιχλεσ, βυτ χολλεγε στυδεντσ ανδ οτηερσ σοον φερρετεδ τηεµ ουτ. Πηρεακσ βυιλτ σο−χαλλεδ βλαχκ, βλυε ανδ ρεδ βοξεσ το προδυχε τηε ρε− θυιρεδ σιγναλσ, ανδ α σµαλλ χοτταγε ινδυστρψ ⇓ουρισηεδ υντιλ τηε τελεπηονε χοµπανψ αδοπτεδ µετηοδσ τηατ ωερε λεσσ ϖυλνεραβλε το σποοφινγ τηρουγη τηε τελεπηονε µουτηπιεχε. Τελεπηονε χρεδιτ χαρδσ υνδερωεντ αν εϖολυτιοναρψ προχεσσ τηατ χοντινυεσ το− δαψ. Ωηεν τηε χαρδσ ωερε ⇒ρστ ιντρο− δυχεδ, ρεχαλλσ Ηενρψ Μ. Κλυεπφελ οφ Βελλ Χοµµυνιχατιονσ Ρεσεαρχη, χρεδιτ−χαρδ νυµβερσ χονσιστεδ οφ α σεθυενχε οφ διγιτσ (υσυαλλψ αρεα χοδε, νυµβερ ανδ βιλλινγ ο⇔χε χοδε) φολλοωεδ βψ α χηεχκ διγιτ τηατ δεπενδεδ ον τηε οτηερ διγ− ιτσ. Οπερατορσ χουλδ εασιλψ περφορµ τηε µατη το δετερµινε ωηετηερ α παρτιχυ− λαρ χρεδιτ−χαρδ νυµβερ ωασ ϖαλιδ. Ανδ πηρεακσ χουλδ εασιλψ ⇒γυρε ουτ ηοω το γενερατε τηε προπερ χηεχκ διγιτ φορ ανψ γιϖεν τελεπηονε νυµβερ. Τηε τελεπηονε χοµπανψ ηαδ το ρελψ ον δετεχτινγ φραυδ− υλεντ χαλλσ ασ τηεψ οχχυρρεδ, τραχκινγ πηρεακσ δοων ανδ προσεχυτινγ τηεµ, α στρατεγψ τηατ νεϖερ ωορκεδ ιν τηε λονγ τερµ, αχχορδινγ το Κλυεπφελ. Ιν 1982 ΑΤ&Τ ⇒ναλλψ πυτ ιν πλαχε α µορε ροβυστ µετηοδ. Τηε χορπορατιον ασσιγνεδ εαχη χαρδ φουρ χηεχκ διγιτσ (τηε ΠΙΝ, ορ περσοναλ ιδεντι⇒χατιον νυµβερ ) τηατ χουλδ νοτ βε χοµπυτεδ εασιλψ φροµ τηε οτηερ 10. Α νατιονωιδε ον−λινε δαταβασε µαδε τηε νυµβερσ αϖαιλαβλε το οπερατορσ σο τηατ τηεψ χουλδ δετερµινε ωηετηερ α χαρδ ωασ ϖαλιδ. Σινχε τηεν, τηεφτ οφ τελεπηονε χρεδιτ− χαρδ νυµβερσ ηασ βεχοµε α µαττερ οφ οβσερϖατιον ανδ γυιλε ρατηερ τηαν µατη− εµατιχσ. Σηουλδερ συρφερσ ηαυντ τραιν στατιονσ, ηοτελ λοββιεσ, αιρλινε τερµιναλσ 92 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Ιτ∏σ ονλψ ινσεχυρε ιφ ιτ∏σ χον⇒γυρεδ ωρονγ. ∇Μαρκ Αβενε, Πηιβερ Οπτικ, ηαχκερ ανδ οτηερ λικελψ ϖενυεσ. Ωηεν τηεψ σεε α ϖιχτιµ πυνχηινγ ιν α χρεδιτ−χαρδ νυµ− βερ, τηεψ τρανσµιτ ιτ το χονφεδερατεσ φορ ωιδεσπρεαδ υσε. Κλυεπφελ νοτεδ ρυε− φυλλψ τηατ ηισ οων χαρδ ωασ χοµπρο− µισεδ ονε δαψ ιν 1993 ανδ υσεδ το οριγινατε µορε τηαν 600 ιντερνατιοναλ χαλλσ ιν τηε τωο µινυτεσ βεφορε νετ− ωορκ−σεχυριτψ σπεχιαλιστσ δετεχτεδ ανδ χανχελεδ ιτ. Ι µαδε α χαλλ φροµ α χοιν πηονε ανδ σηιελδεδ τηε νυµβερ φροµ τηε σχρυ⇑ψ−λοοκινγ γυψ ον µψ λεφτ, βυτ Ι ωασ υναωαρε οφ τηε γυψ ιν τηε βυσι− νεσσ συιτ ον µψ ριγητ, ηε χονφεσσεσ. Κλυεπφελ χιτεσ εστιµατεσ τηατ στολεν χαλλινγ χαρδσ χοστ λονγ−διστανχε χαρριερσ ανδ τηειρ χυστοµερσ ον τηε ορδερ οφ ηαλφ α βιλλιον δολλαρσ α ψεαρ. Τηε Υ.Σ. Σε− χρετ Σερϖιχε ηασ πλαχεδ τηε τοταλ ϖολ− υµε οφ τελεχοµµυνιχατιονσ φραυδ ατ ∃2.5 βιλλιον; ινδυστρψ νυµβερσ ρανγε φροµ ∃1 βιλλιον το ∃9 βιλλιον. Σοµεβοδψ Ελσε∏σ Προβλεµ Οϖερ τηε χουρσε οφ α γενερατιον, ΑΤ&Τ δεϖελοπεδ µονιτορινγ τοολσ το τηωαρτ χαλλερσ τρψινγ το εϖαδε τολλ χηαργ− εσ. Τηε χορπορατιον αλσο υσεδ τηεµ το φοιλ ινδιϖιδυαλσ ωηο διαλεδ ιντο τελε− πηονε σωιτχηινγ σψστεµσ το µανιπυ− λατε τηε φαχιλιτιεσ διρεχτλψ. Συχη αχχεσσ λετ πηρεακσ φορωαρδ οτηερ πεοπλε∏σ τελε− πηονεσ το νεω λοχατιονσ, ρουτε χαλλσ αρουνδ τηε ωορλδ ορ εϖεν χυτ ο⇑ ονε ανοτηερ∏σ τελεπηονε σερϖιχε. Αφτερ τηε Βελλ σψστεµ βρεακυπ ιν 1984, ηοωεϖερ, ΑΤ&Τ ωασ νο λονγερ τηε γλοβαλ πολιχε− µαν οφ τηε τελεχοµµυνιχατιονσ ωορλδ. Ιν παρτιχυλαρ, τενσ οφ τηου− σανδσ οφ λαργε ανδ σµαλλ χοµπανιεσ τηατ πυρχηασεδ ΠΒΞσ (σο−χαλλεδ πρι− ϖατε βρανχη εξχηανγεσ) το αυτοµατε τηειρ ιντερναλ τελεπηονε νετωορκσ φουνδ τηεµσελϖεσ τηε ταργετσ οφ ⇒ν− γερ ηαχκερσ, βυτ τηεψ ηαδ νοτηινγ λικε ΑΤ&Τ∏σ εξπερτισε ιν σελφ−δεφενσε. Τηε σιµπλεστ ωαψ το χοµµιτ ⇒ν− γερ ηαχκινγ, σαψσ Κεϖιν Ηανλεψ οφ ΑΤ&Τ, ισ διαλ 1−800 ανδ σεϖεν διγ− ιτσ. Ατ τηε οτηερ ενδ οφ µανψ τολλ− φρεε λινεσ σιτσ α ΠΒΞ ρεµοτε−αχχεσσ υνιτ, α συβσψστεµ τηατ περµιτσ χοµ− πανψ εµπλοψεεσ το χαλλ τηειρ ηοµε ο⇔χε ανδ τηεν διαλ ουτ φροµ τηερε το ανψ νυµβερ ιν τηε ωορλδ. Μοστ συχη υνιτσ ρεθυιρε α σεχυριτψ χοδε φορ ουτγοινγ χαλλσ, Ηανλεψ νοτεσ, βυτ σοµετιµεσ τηε χηαιρµαν δοεσν∏τ ωαντ το ρεµεµβερ α πασσωορδ. Νο ονε κνοωσ πρεχισελψ ωηατ συχη οϖερ− σιγητ ανδ σελφ−ινδυλγενχε χοστ. Ιν− δυστρψ εστιµατεσ φορ ΠΒΞ φραυδ ρανγε φροµ α φεω ηυνδρεδ µιλλιον το µορε τηαν α βιλλιον δολλαρσ α ψεαρ. Ιτ∏σ α βονεηεαδ χριµε, σνεερσ Μαρκ Αβενε, α ηαχκερ νοω σερϖινγ α ονε−ψεαρ σεν− τενχε ιν φεδεραλ πρισον φορ χοµπυτερ ιντρυσιον. ( ∆υρινγ αν ιντερϖιεω, Αβενε σκετχηεσ ουτ τηε αρχηιτεχτυρε οφ διγιταλ ιντερο⇔χε σιγναλινγ σψστεµσ ωηιλε χοµ− πλαινινγ αβουτ ωηατ ηε χονσιδερσ υν− ωαρραντεδ σλυρσ ον ηισ χηαραχτερ ιν ιν− τερναλ τελεπηονε−χοµπανψ µεµοσ.) Νεϖερτηελεσσ, ρελεντλεσσ τριαλ−ανδ−ερ− ρορ διαλινγ ισ ηιγηλψ προ⇒ταβλε. Φινγερ ηαχκερσ χαν µακε τενσ ορ ηυνδρεδσ οφ τηουσανδσ οφ δολλαρσ ιν χαλλσ βεφορε βε− ινγ δετεχτεδ. Μοστ συχη χριµεσ, Ηανλεψ νοτεσ, αρε χοµµιττεδ βψ οργανιζεδ γρουπσ οφ χριµιναλσ, ωηο µαψ εϖεν σετ υπ στορεφροντσ ωηερε τηεψ σελλ λονγ−δισ− τανχε χαλλσ ατ χυτ πριχε. Χυστοµερσ ωαλκ ιν, παψ τηειρ µονεψ ανδ τελλ αν αττεν− δαντ τηε νυµβερ τηεψ ωαντ το χαλλ. Λεσσ ιµαγε−χονσχιουσ τηιεϖεσ µαψ σελλ χαλλσ ουτ οφ α χορνερ τελεπηονε βοοτη. Αλµοστ αλλ τηεσε ατταχκσ χαν βε χιρ− χυµϖεντεδ βψ χον⇒γυρινγ α σψστεµ το βλοχκ χαλλσ το λοχατιονσ ωηερε α χοµπα− νψ δοεσ νο βυσινεσσ ανδ βψ λογγινγ ιν− χοµινγ χαλλσ το δετεχτ αττεµπτσ ατ ιν− τρυσιον. Ψετ µανψ ΠΒΞ οωνερσ αρε υν− αωαρε οφ τηε δανγερ τηεψ φαχε, Ηανλεψ σαψσ. Εϖεν τηοσε ωηο δο κνοω τηειρ περ− ιλ µαψ νοτ ηαϖε µαναγερσ ον δυτψ ατ νιγητ ορ δυρινγ ωεεκενδσ, ωηεν µοστ φραυδσ οχχυρ. Οφ τηε 40 ορ 50 αττενδεεσ ατ τηε σεχυριτψ σεµιναρσ τηατ Ηανλεψ χονδυχτσ, ονλψ τωο ορ τηρεε κνοω ηοω τολλ φραυδ ωορκσ, ηε ασσερτσ: Μαψβε 30 ορ 40 περχεντ κνοω ωηατ ιτ ισ, ανδ τηατ ιτ∏σ α βαδ τηινγ. ∆εσιγνερσ οφ τηε νεξτ βιγ ιννοϖατιον ιν τελεχοµµυνιχατιονσ, τηε χελλυλαρ τελεπηονε, αππαρεντλψ ιγνορεδ τηε λεσ− Copyright 1994 Scientific American, Inc. σονσ τηατ τηειρ ωιρε−βουνδ πρεδεχεσ− σορσ σο παινφυλλψ λεαρνεδ. Λεαϖινγ ασιδε τηε φαχτ τηατ ανψονε ωιτη τηε ριγητ ρα− διο ρεχειϖερ χαν λιστεν ιν ον χαλλσ, τηε υνιτσ αρε υνιθυελψ ϖυλνεραβλε το τολλ φραυδ. Εϖερψ χελλυλαρ τελεπηονε χαλλ βε− γινσ ωιτη α βροαδχαστ οφ τηε τελεπηονε∏σ σεριαλ νυµβερ ανδ βιλλινγ νυµβερ. Χελ− λυλαρ σωιτχηεσ χηεχκ τηε παιρ αγαινστ α δαταβασε οφ ωορκινγ τελεπηονεσ το δε− χιδε ωηετηερ α χαλλ σηουλδ γο τηρουγη. Υνφορτυνατελψ, τηεσε νυµβερσ αρε αλσο τηε ονλψ ινφορµατιον α τηιεφ νεεδσ το ιµπερσονατε α λεγιτιµατε χαλλερ. Ασ εαρλψ ασ 1984, χοµµυνιχατιονσ εξπερτ Γεο⇑ρεψ Σ. Γοοδφελλοω (ωηο γοτ ηισ σταρτ ιν τηε ⇒ελδ ωηεν ηε βροκε ιντο α χοµπυτερ ατ ΣΡΙ ανδ ενδεδ υπ ωιτη α ϕοβ ο⇑ερ ) ωροτε αν αρτιχλε λαψινγ ουτ α ροαδ µαπ φορ χελλυλαρ−πηονε φραυδ; ονλψ δυρινγ τηε παστ ψεαρ ορ τωο ηαϖε τηιεϖεσ υσεδ τηε µορε σοπηιστιχατεδ σχηεµεσ ηε ουτλινεδ. Τηε φυνδαµενταλ προβλεµ, Γοοδφελλοω ασσερτεδ, ωασ τηατ χελλυλαρ− πηονε ενγινεερσ υνδερεστιµατεδ βοτη τηε τεχηνιχαλ εξπερτισε ανδ τηε περσισ− τενχε οφ τηοσε ωηο µιγητ ωαντ το συβ− ϖερτ τηειρ εθυιπµεντ. Ηε χαλλεδ φορ ιµ− µεδιατε ρεπλαχεµεντ οφ χυρρεντ χελλυ− λαρ−πηονε στανδαρδσ ωιτη µορε σεχυρε αλτερνατιϖεσ, βυτ το λιττλε αϖαιλ. Τηε σιµπλεστ ατταχκ ισ κνοων ασ χλονινγ: ρεπρογραµµινγ τηε σεριαλ νυµ− βερ ανδ τελεπηονε νυµβερ οφ α πιρατε υνιτ το τηατ οφ α τελεπηονε χυρρεντλψ ιν υσε βψ α λεγιτιµατε χυστοµερ. Αλτηουγη στανδαρδσ χαλλ φορ τελεπηονεσ το βε βυιλτ σο τηατ ιτ ωιλλ βε ιµποσσιβλε το χηανγε α σεριαλ νυµβερ ωιτηουτ ιρρεπαραβλε δαµ− αγε, σοµε εαρλψ χελλυλαρ−πηονε µανυ− φαχτυρερσ συππλιεδ τηε νυµβερσ ιν α µεµορψ χηιπ τηατ χουλδ βε ποππεδ ουτ ωιτη α σχρεωδριϖερ. Οτηερσ νοω πλαχε τηε ινφορµατιον ιν αν ελεχτριχαλλψ προ− γραµµαβλε χηιπ τηατ χαν βε αχχεσσεδ σιµπλψ βψ αππλψινγ τηε αππροπριατε ϖολταγε το τηε τελεπηονε. Μορε σοπηιστιχατεδ φραυδσ αδαπτ τηε σαµε χιρχυιτρψ τηατ αλλοωσ α χελλυλαρ πηονε το λιστεν φορ ινχοµινγ χαλλσ το δεχοδε τηε νυµβερσ ασ τηεψ αρε βροαδ− χαστ. Α τηιεφ χαν τηεν ρεπλαψ τηεµ το µακε χαλλσ τηατ ωιλλ βε βιλλεδ το οτηερσ. Τηε χοµπανιεσ τηατ χαρρψ χελλυλαρ−πηονε τρα⇔χ∇ανδ τηυσ αρε ⇒νανχιαλλψ ρε− σπονσιβλε φορ φραυδυλεντ χηαργεσ∇ηαϖε αδοπτεδ α νυµβερ οφ µονιτορινγ τεχη− νιθυεσ το δετεχτ ιλλιχιτ χαλλσ; ιν αδδιτιον, MAINTENANCE PORT MAINTENANCE PROCESSOR REMOTEACCESS PORT REGULAR INCOMING LINES σοµε ηαϖε σετ τηειρ σωιτχηινγ εθυιπ− µεντ το πρεϖεντ λονγ−διστανχε χελλυλαρ τρα⇔χ το αρεασ οφ τηε ωορλδ ωηερε φραυδστερσ οφτεν χαλλ (τηε χουντριεσ τηατ τοππεδ ονε χαρριερ∏σ λιστ εαρλψ ιν 1993, φορ εξαµπλε, ωερε τηε ∆οµινιχαν Ρε− πυβλιχ, Εγψπτ, Πακισταν, Ινδια, τηε φορ− µερ Σοϖιετ Υνιον, Ελ Σαλϖαδορ, Χηινα, Χολοµβια, Μεξιχο ανδ Γηανα ). Ινστεαδ οφ ϕυστ µονιτορινγ χαλλινγ πατ− τερνσ, τελεχοµµυνιχατιονσ ενγινεερσ ηαϖε βεεν ωορκινγ ον ηαρδωαρε ⇒ξεσ τηατ χουλδ βλοχκ τηε ϖαστ βυλκ οφ φραυδ− υλεντ χελλυλαρ χαλλσ. Ιν τηε φαλλ οφ 1993 ΤΡΩ αννουνχεδ α τεχηνιθυε φορ ανα− λψζινγ τηε αναλογ τρανσµισσιον σιγνα− τυρε οφ εαχη τελεπηονε ανδ στορινγ ιτ αλονγ ωιτη τηε σεριαλ νυµβερ ανδ τελε− πηονε νυµβερ. Ιφ α υνιτ∏σ σεριαλ νυµβερ ανδ τελεπηονε νυµβερ δο νοτ µατχη τηε σιγνατυρε, ιτ µυστ βε φραυδυλεντ. ∆ε− ταιλσ οφ τηε χηαραχτεριστιχσ τηατ µακε υπ τηε σιγνατυρε αρε, οφ χουρσε, συπποσεδ το ρεµαιν σεχυρε το πρεϖεντ εϖιλδοερσ φροµ δεϖισινγ χουντερµεασυρεσ. Συχη µεασυρεσ αρε α στοπγαπ. Τηε µαϕορ χελλυλαρ χαρριερσ αρε αλρεαδψ πρε− παρινγ το ρεπλαχε τηε χυρρεντ αναλογ χελλυλαρ−πηονε σψστεµ ωιτη α διγιταλ ονε. Μοστ προποσεδ διγιταλ−χελλυλαρ στανδαρδσ ινχορπορατε προτοχολσ ιν ωηιχη α τελε− πηονε µακινγ αν ουτγοινγ χαλλ µυστ ρεσπονδ το α µατηεµατιχαλ χηαλλενγε βασεδ ον ιτσ σεριαλ νυµβερ ανδ τελε− πηονε νυµβερ, ρατηερ τηαν δισχλοσινγ τηε παιρ διρεχτλψ. Σοµε υνιτσ χαν αλσο ενχρψπτ χονϖερσατιονσ το πρεϖεντ τηε νοω υβιθυιτουσ πραχτιχε οφ χελλυλαρ εαϖεσδροππινγ; ιν σοµε χουντριεσ τηισ φεατυρε ηασ λεδ λαω−ενφορχεµεντ αγεν− χιεσ το οπποσε τηειρ σαλε. OUTGOING LINES PBX DATA CONTROL VOICE MAIL INTERNAL LINES ΤΕΛΕΠΗΟΝΕ ΣΨΣΤΕΜΣ αρε ϖυλνεραβλε το α ωιδε ρανγε οφ ατ− ταχκσ. Φινγερ ηαχκερσ χαν διαλ ιντο α τολλ−φρεε ρεµοτε−αχχεσσ πορτ οφ α ΠΒΞ ανδ υσε α σεχυριτψ χοδε το µακε φραυδυλεντ χαλλσ (βλυε ), ορ τηεψ χαν δυπε α ϖοιχε−µαιλ σψστεµ ιντο τρανσ− φερρινγ τηεµ το αν ουτσιδε λινε (πυρπλε). Τηε ϖοιχε−µαιλ σψσ− Copyright 1994 Scientific American, Inc. τεµ χαν βε συβορνεδ ιντο διϖυλγινγ ιτσ χοντεντσ, τρανσµιττινγ υναυτηοριζεδ µεσσαγεσ ορ δεστροψινγ στορεδ δατα. Ατταχκερσ χαν αλσο διαλ ιντο α ΠΒΞ∏σ µαιντενανχε πορτ ανδ δισαβλε σεχυ− ριτψ ον τηε ρεµοτε−αχχεσσ πορτ (ρεδ ), φορωαρδ χαλλσ το ουτσιδε νυµβερσ (γρεεν ) ορ οτηερωισε ρεχον⇒γυρε τηε σψστεµ. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 93 ∆υρινγ τηε σαµε ψεαρσ τηατ τελε− πηονε χοµπανιεσ ωερε ⇒γητινγ τηε πηονε πηρεακσ ανδ χελλυλαρ−πηονε αρχηιτεχτσ ωερε δεσιγνινγ αν εστι− µατεδ βιλλιον−δολλαρ αννυαλ φραυδ βιλλ φορ υσερσ ανδ προϖιδερσ οφ σερ− ϖιχε, χοµπυτερ σχιεντιστσ ωερε λαψ− ινγ τηε φουνδατιονσ οφ τηε Ιντερνετ. Αλτηουγη ινιτιαλ φυνδινγ χαµε φροµ τηε ∆επαρτµεντ οφ ∆εφενσε∏σ Αδ− ϖανχεδ Ρεσεαρχη Προϕεχτσ Αγενχψ, σεχυριτψ ωασ νοτ ρεαλλψ α χονχερν, ρε− χαλλσ ΑΡΠΑνετ ϖετεραν ∆αϖιδ ϑ. Φαρ− βερ, νοω ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Πενν− σψλϖανια. Ιν τηε εαρλψ δαψσ, ονλψ ρε− σεαρχηερσ ηαδ αχχεσσ το τηε νετ, ανδ τηεψ σηαρεδ α χοµµον σετ οφ γοαλσ ανδ ετηιχσ, ποιντσ ουτ Ευγενε Η. Σπα⇑ορδ οφ Πυρδυε Υνιϖερσιτψ. Τηε ϖερψ νατυρε οφ Ιντερνετ τρανσ− µισσιονσ εµβοδιεσ τηισ χολλεγιαλ αττιτυδε: δατα παχκετσ αρε φορωαρδεδ αλονγ νετωορκ λινκσ φροµ ονε χοµ− πυτερ το ανοτηερ υντιλ τηεψ ρεαχη τηειρ δεστινατιον. Α παχκετ µαψ τακε α δοζεν ηοπσ ορ µορε, ανδ ανψ οφ τηε ιντερµεδιαρψ µαχηινεσ χαν ρεαδ ιτσ χοντεντσ. Ινδεεδ, µανψ Ιντερνετ παχκετσ σταρτ τηειρ ϕουρνεψσ ον α λο− χαλ−αρεα νετωορκ ( ΛΑΝ ), ωηερε πρι− ϖαχψ ισ εϖεν λεσσ προτεχτεδ. Ον α τψπι− χαλ ΛΑΝ, χοµπυτερσ βροαδχαστ εαχη µεσσαγε το αλλ τηε οτηερ χοµπυτερσ ατ− ταχηεδ το τηε νετωορκ. Ονλψ α γεντλε− µαν∏σ αγρεεµεντ ασσυρεσ τηε σενδερ τηατ τηε ρεχιπιεντ ανδ νο ονε ελσε ωιλλ ρεαδ τηε µεσσαγε. Χραχκερσ αρε αηεαδ οφ λεγιτι− µατε αδµινιστρατορσ; τηεψ∏ρε ωαψ αηεαδ οφ εϖερψβοδψ ελσε. Τηε Χψβερ−Νειγηβορηοοδ Γοεσ ∆οωνηιλλ Α λαχκ οφ σεχυριτψ ον τηε ΑΡΠΑνετ διδ νοτ βοτηερ ανψονε, βεχαυσε τηατ ωασ παρτ οφ τηε παχκαγε, αχχορδινγ το ∆ορ− οτηψ Ε. ∆εννινγ, α προφεσσορ οφ χοµ− πυτερ σχιενχε ατ Γεοργετοων Υνιϖερσι− τψ: Τηε χονχερνσ τηατ αρε αρισινγ νοω ωουλδν∏τ ηαϖε βεεν λεγιτιµατε ιν τηε βεγιννινγ. Ασ τηε Ιντερνετ γρεω, ηοω− εϖερ, τηε χηαραχτερ οφ ιτσ ποπυλατιον βε− γαν χηανγινγ, ανδ µανψ οφ τηε νεω− χοµερσ ηαδ λιττλε ιδεα οφ τηε χοµπλεξ σοχιαλ χοντραχτ∇ανδ τηε τεµπεραµεν− ταλ σοφτωαρε∇γυιδινγ τηε υσε οφ τηειρ µαρϖελουσ νεω τοολ. Βψ 1988, ωηεν α ρογυε προγραµ υν− λεασηεδ βψ Ροβερτ Τ. Μορρισ, ϑρ., α Χορ− νελλ γραδυατε στυδεντ, βρουγητ µοστ Ιν− τερνετ τρα⇔χ το α ηαλτ φορ σεϖεραλ δαψσ, α χλεαρ σπλιτ ηαδ δεϖελοπεδ βετωεεν τηε κνοωσ ανδ τηε κνοω−νοτσ. Ωιλλισ Ωαρε οφ Ρανδ, ονε οφ τηε δεανσ οφ χοµ− πυτερ σεχυριτψ, ρεχαλλσ τηατ τηερε ωερε τωο χλασσεσ οφ πεοπλε ωριτινγ µεσσαγ− εσ. Τηε ⇒ρστ υνδερστοοδ τηε ϕαργον, ωηατ ηαδ ηαππενεδ ανδ ηοω, ανδ τηε σεχονδ ωασ σαψινγ τηινγσ λικε, Ωηατ δοεσ τηατ ωορδ µεαν?∏ ορ Ι δον∏τ ηαϖε 94 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 ∇Πετερ Γ. Νευµανν, ΣΡΙ τηε σουρχε χοδε φορ τηατ προγραµ, ωηατ δο Ι δο?∏ Σινχε τηεν, τηε Ιντερνετ∏σ ϖυλνεραβιλι− τιεσ ηαϖε ονλψ γοττεν ωορσε. Πετερ Γ. Νευµανν οφ ΣΡΙ, α σεχυριτψ ρεσεαρχηερ ωηο εδιτσ τηε ΡΙΣΚΣ Φορυµ, αν ον−λινε δισχυσσιον οφ χοµπυτερ ϖυλνεραβιλιτιεσ, χηαραχτεριζεσ τηε σιτυατιον ασ υνβελιεϖ− αβλψ βαδ. Ανψονε ωηο χαν σχρουνγε υπ α χοµπυτερ, α µοδεµ ανδ ∃20 α µοντη ιν χοννεχτιον φεεσ χαν ηαϖε α διρεχτ λινκ το τηε Ιντερνετ ανδ βε συβ− ϕεχτ το βρεακ−ινσ∇ορ λαυνχη ατταχκσ ον οτηερσ. Α φεω ψεαρσ αγο τηε ροστερ χουντεδ εσταβλισηεδ ναµεσ συχη ασ µιτ.εδυ, στανφορδ.εδυ ορ ιβµ.χοµ; τοδαψ ψου αρε ασ λικελψ το ⇒νδ µτϖ. χοµ ορ εϖεν πελλ.χηι.ιλ.υσ, τηε νοµ δυ νετ οφ α βαττερεδ ΠΧ−χοµπατιβλε ωιτη α ηαρδωαρε−στορε βρασσ ηανδλε σχρεωεδ ιντο ιτσ χασε φορ πορταβιλιτψ. Μορεοϖερ, ασ τηε Ιντερνετ βεχοµεσ α γλοβαλ εντιτψ, Υ.Σ. λαωσ βεχοµε µερε λο− χαλ ορδινανχεσ. Ιν Ευροπεαν χουντριεσ συχη ασ τηε Νετηερλανδσ, φορ ινστανχε, χοµπυτερ ιντρυσιον ισ νοτ νεχεσσαριλψ α χριµε. Σπα⇑ορδ χοµπλαινσ∇ιν ϖαιν, ασ ηε φρεελψ αδµιτσ∇οφ χοµπυτερ σχιενχε προφεσσορσ ωηο ασσιγν τηειρ στυδεντσ σιτεσ ον τηε Ιντερνετ το βρεακ ιντο ανδ ⇒λεσ το βρινγ βαχκ ασ προοφ τηατ τηεψ υνδερστανδ τηε προτοχολσ ινϖολϖεδ. Ιρονιχαλλψ, τηε µορε τηορουγηλψ χοµ− πυτεριζεδ ανδ νετωορκεδ αν οργανιζα− τιον ισ, τηε µορε ρισκ ιτ µαψ φαχε ωηεν µακινγ ιτσ ινιτιαλ χοννεχτιονσ το τηε ουτσιδε ωορλδ. Τηε ιντερναλ νετωορκ οφ α ηιγη−τεχηνολογψ χοµπανψ µαψ λοοκ µυχη λικε τηε ΑΡΠΑνετ οφ ολδ∇ δοζενσ ορ εϖεν ηυνδρεδσ οφ υσερσ, αλλ σηαρινγ ινφορµατιον φρεελψ, µακ− ινγ υσε οφ δατα στορεδ ον α φεω χεν− τραλ ⇒λε σερϖερσ, νοτ εϖεν χαρινγ ωηιχη ωορκστατιον τηεψ υσε το αχ− χεσσ τηειρ ⇒λεσ. Ασ λονγ ασ συχη αν ιδψλλιχ λιττλε ποχκετ οφ χψβερσπαχε ρεµαινσ ισολατ− εδ, χαρεφρεε σεχυριτψ πραχτιχεσ µαψ βε δεφενσιβλε. Σψστεµ αδµινιστρατορσ χαν σαφελψ χον⇒γυρε εαχη ωορκστα− τιον ον τηειρ νετωορκ το αλλοω χον− νεχτιονσ ωιτη ανψ οτηερ ωορκστατιον. Τηεψ χαν εϖεν σετ υπ τηειρ νετωορκ ⇒λε σψστεµ το εξπορτ ωιδελψ υσεδ ⇒λε διρεχτοριεσ το ωορλδ∇αλλοωινγ εϖ− ερψονε το ρεαδ τηεµ∇βεχαυσε, αφτερ αλλ, τηε ωορλδ ενδσ ατ τηειρ χορπορατε βουνδαριεσ. Ινδεεδ, χοµπυτερ χοµ− πανιεσ ηαϖε µαδε α πραχτιχε οφ σηιπ− πινγ τηειρ ωαρεσ πρεχον⇒γυρεδ σο τηατ εαχη µαχηινε αυτοµατιχαλλψ σηαρεσ ρεσουρχεσ ωιτη αλλ ιτσ πεερσ. Ιτ δοεσ νοτ τακε µυχη ιµαγινατιον το σεε ωηατ χαν ηαππεν ωηεν συχη α τρυστινγ ενϖιρονµεντ οπενσ ιτσ διγι− ταλ δοορσ το τηε Ιντερνετ. Συδδεν− λψ, ωορλδ ρεαλλψ µεανσ τηε εντιρε γλοβε, ανδ ανψ χοµπυτερ ον τηε νετωορκ µεανσ εϖερψ χοµπυτερ ον ανψ νετωορκ. Φιλεσ µεαντ το βε αχχεσ− σιβλε το χολλεαγυεσ δοων τηε ηαλλ ορ ιν ανοτηερ δεπαρτµεντ χαν νοω βε ρεαχηεδ φροµ Φινλανδ ορ Φιϕι. Ωηατ ωασ ονχε α πριϖατε λανε ισ νοω α ηιγηωαψ οπεν το ασ µυχη τρα⇔χ ασ ιτ χαν βεαρ. ∆αν Φαρµερ οφ Συν Μιχροσψστεµσ ανδ Ωιετσε ςενεµα οφ τηε Εινδηοϖεν Υνι− ϖερσιτψ οφ Τεχηνολογψ ρεπορτ τηατ εϖεν σοµε οφ τηε µοστ ρεσπεχτεδ δοµαινσ ον τηε Ιντερνετ χονταιν χοµπυτερσ τηατ αρε ε⇑εχτιϖελψ ωιδε οπεν το αλλ χοµερσ∇ τηε εθυιϖαλεντ οφ α χαρ λεφτ υναττενδεδ ωιτη τηε ενγινε ρυννινγ. Α ρεχεντ σεχυ− ριτψ αλερτ φροµ ΧΕΡΤ (τηε Χοµπυτερ Εµεργενχψ Ρεσπονσε Τεαµ), α χλεαρινγ− ηουσε φορ σεχυριτψ−ρελατεδ προβλεµσ βασεδ ατ Χαρνεγιε Μελλον Υνιϖερσιτψ, ιλ− λυστρατεσ τηε ποιντ. Τηε αλερτ δισχλοσεδ τηατ αλλ Συν ωορκστατιονσ ωιτη βυιλτ−ιν µιχροπηονεσ ηαδ βεεν πρεσετ το γιϖε τηειρ αυδιο ινπυτ ωορλδ−ρεαδαβλε στα− τυσ. Ανψονε ωηο χουλδ γαιν νετωορκ αχχεσσ το συχη α ωορκστατιον χουλδ λισ− τεν το χονϖερσατιονσ νεαρβψ. Ανοτηερ αλερτ ωαρνεδ σψστεµ αδµιν− ιστρατορσ τηατ τηε µεµορψ βυ⇑ερσ τηατ στορε ιµαγεσ δισπλαψεδ ον ωορκστατιον σχρεενσ µιγητ αλσο βε πρεσετ το ωορλδ− ρεαδαβλε στατυσ, ασ µιγητ τηοσε τηατ στορε χηαραχτερσ τψπεδ ον τηε κεψβοαρδ. Πατιεντ ατταχκερσ ηαϖε ωατχηεδ υντιλ σοµεονε λογγεδ ιν το α πριϖιλεγεδ αχ− χουντ ανδ τηεν σιµπλψ ρεαδ τηε πασσ− ωορδ ουτ οφ τηε χοµπυτερ∏σ µεµορψ. Ονχε ιντρυδερσ ηαϖε γαινεδ συχη ροοτ αχχεσσ, τηεψ χαν µασθυεραδε ασ ανψ λε− Copyright 1994 Scientific American, Inc. γιτιµατε υσερ ανδ ρεαδ, αλτερ ορ δελετε ανψ ⇒λεσ. Τηεψ χαν αλσο ινσταλλ προ− γραµσ το ηελπ τηεµ ινϖαδε οτηερ χοµ− πυτερσ ανδ εϖεν µοδιφψ σψστεµ λογσ το ερασε σιγνσ οφ τηειρ ιντρυσιον. Εϖεν ιφ νεωχοµερσ το τηε νετ τρψ το σεχυρε τηειρ σψστεµσ, τηεψ δο νοτ αλ− ωαψσ ηαϖε αν εασψ τιµε ⇒νδινγ τηε ιν− φορµατιον τηεψ νεεδ. Χοµπυτερ ηαρδ− ωαρε ανδ σοφτωαρε ϖενδορσ αρε οφτεν λοατη το ταλκ αβουτ σεχυριτψ προβλεµσ, Νευµανν σαψσ. Ανδ ΧΕΡΤ γενεραλλψ ισ− συεσ νετ−ωιδε αδϖισοριεσ ονλψ αφτερ µανυφαχτυρερσ ηαϖε δεϖελοπεδ α δε⇒ν− ιτιϖε ⇒ξ∇ωεεκσ ορ µοντησ λατερ, ορ σοµετιµεσ νεϖερ. Μοστ αδϖισοριεσ δο νοτ εξπλαιν τηε σεχυριτψ ⇓αω ιν θυεσ− τιον; ινστεαδ τηεψ ναµε τηε σοφτωαρε ανδ ηαρδωαρε ινϖολϖεδ ανδ σπεχιφψ τηε µοδι⇒χατιονσ τηατ σηουλδ βε µαδε το ρεδυχε τηε χηανχεσ οφ ιντρυσιον. Τηισ πολιχψ κεεπσ ποτεντιαλλψ υσεφυλ ινφορµατιον αωαψ φροµ τηοσε χραχκερσ ωηο αρε νοτ ωελλ χοννεχτεδ ωιτηιν τηε ιλλιχιτ χοµµυνιτψ. Βυτ ιτ αλσο κεεπσ µανψ νοϖιχε σψστεµ αδµινιστρατορσ ιν τηε δαρκ, Νευµανν χοµπλαινσ: Ψου ⇒νδ ουτ βψ ηαϖινγ α βυδδψ ωηο∏σ α σψσ− τεµ αδµινιστρατορ σοµεωηερε ελσε. Νευµανν εστιµατεσ τηατ βετωεεν ηαλφ ανδ τηρεε θυαρτερσ οφ τηε σεχυριτψ ηολεσ χυρρεντλψ κνοων το ηαχκερσ ηαϖε ψετ το βε οπενλψ αχκνοωλεδγεδ. Πεοπλε δον∏τ κνοω τηε ρισκσ, Σπα⇑ορδ χοµµεντσ. Τηεψ κνοω τηε βενε⇒τσ βεχαυσε πεο− πλε ταλκ αβουτ τηοσε. Μανψ οφ τηοσε βενε⇒τσ χοµε φροµ προγραµσ συχη ασ Γοπηερ, Ωορλδ−Ωιδε Ωεβ ορ Μοσαιχ, ωηιχη ηελπ πεοπλε ναϖι− γατε τηρουγη χψβερσπαχε ιν σεαρχη οφ ινφορµατιον. Α σινγλε µενυ σελεχτιον ορ χλιχκ οφ α µουσε µαψ τακε α ρεσεαρχηερ Ιντερνετ Ιντρυσιον φροµ α χοµπυτερ ιν Μιννεσοτα το αν− οτηερ ιν Μελβουρνε ορ Ζυριχη. Φιλεσ χον− ταινινγ Υ.Σ. χενσυσ δατα, πιχτυρεσ οφ τηε αφτ πλυµβινγ οφ τηε σπαχε σηυττλε ανδ λιστσ οφ Βριτιση πυβσ ορ οφ αρτι⇒χιαλ−ιντελ− λιγενχε σοφτωαρε αρε αϖαιλαβλε φρεε φορ τηε ⇒νδινγ. Συχη τοολσ, µανψ οφ τηεµ ϕυστ α γλεαµ ιν ρεσεαρχηερσ∏ εψεσ α φεω ψεαρσ αγο, αρε δραωινγ τενσ οφ τηου− σανδσ οφ πεοπλε το τηε Ιντερνετ. Ψετ τηατ ραπιδ εϖολυτιον µαψ ηαϖε λεαπφρογγεδ στεπσ τηατ χουλδ ηαϖε χον− τριβυτεδ το σεχυριτψ, Σπα⇑ορδ νοτεσ. Χψ− βερσυρφερσ αρε ρελψινγ ον τηε ⇒ρστ ορ σεχονδ ϖερσιον οφ προγραµσ οριγιναλλψ ωριττεν το τεστ ιδεασ ρατηερ τηαν το προ− ϖιδε ινδυστριαλ−στρενγτη σερϖιχεσ. Τηε ποπυλαρ Γοπηερ προγραµ, αχ− χορδινγ το ΧΕΡΤ αδϖισοριεσ ανδ οτηερ σουρχεσ, ηασ σεχυριτψ ⇓αωσ τηατ µακε ιτ ποσσιβλε το αχχεσσ νοτ ονλψ πυβλιχ ⇒λεσ FINGER GOPHER FTP ELECTRONIC MAIL DOMAIN NAME SERVER NETWORK FILE SYSTEM IDENT REMOTE PROCEDURE CALL ROUTER REMOTE SHELL FILE SYSTEM REMOTE LOGIN TELNET Χ omputers attached to the Internet may be taken over in many different ways. Services such as Gopher, ftp (file transfer protocol), electronic mail or a network file system may be used to extract passwords or other vital files or to plant data that will cause a system to welcome intruders. A cracker may also employ facilities that allow one computer on a network to execute programs on another computer—including remote procedure call (rpc ), remote shell (rshell) and remote login (rlogin)—to gain privileged access directly. Telnet, a tool for interactive communication with remote computers, or finger, a service that provides data about users, can help ferret out information that may guide other attacks. A would-be intruder may telnet to a computer’s mail port, for example, to find out whether a particularly vulnerable mail program is running or to determine whether certain privileged accounts may be easily accessible. 98 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. βυτ πριϖατε ονεσ ασ ωελλ. (Ιτ∏σ ονλψ ινσεχυρε ιφ ψου χον⇒γυρε ιτ ωρονγ, ινσιστσ Αβενε, ωηο ωιλλ ρετυρν το ηισ ϕοβ ασ σψστεµ αδµινιστρατορ φορ αν ον−λινε σερϖιχε ιν Νεω Ψορκ Χιτψ ωηεν ηε ισ ρελεασεδ φροµ πρισον.) Ρυννινγ Γοπηερ ινιτιατεσ α διαλογυε βετωεεν α χλιεντ προγραµ ον τηε υσερ∏σ µαχηινε ανδ α Γοπηερ σερϖερ σοµεωηερε ον τηε Ιντερνετ. Τηε σερϖερ πρεσεντσ τηε χλιεντ ωιτη α µενυ οφ χηοιχεσ φορ ινφορµατιον, αλονγ ωιτη α σετ οφ µαγιχ χοοκιεσ∇ σηορτηανδ σπεχι⇒χατιονσ φορ τηε λο− χατιον οφ αδδιτιοναλ ινφορµατιον. Ιφ τηε υσερ ωαντσ το δελϖε δεεπερ ιντο α παρτιχυλαρ συβϕεχτ, τηε χλιεντ προγραµ σενδσ τηε σερϖερ τηε χοοκιε χορρεσπονδινγ το τηατ πιεχε οφ ινφορ− µατιον. Ψετ ιτ ισ ρελατιϖελψ εασψ το µοδιφψ τηε χοοκιε σο τηατ ιτ σπεχι− φιεσ τηε λοχατιον οφ ινφορµατιον ον τηε σερϖερ∏σ µαχηινε τηατ ισ συπ− ποσεδ το βε κεπτ πριϖατε. Αν υνσυσ− πεχτινγ Γοπηερ σερϖερ ωιλλ δελιϖερ τηοσε πριϖατε ⇒λεσ ωιτηουτ χηεχκινγ ωηετηερ τηε χοοκιε ιτ ρεχειϖεσ µατχη− εσ ονε οφ τηε ιτεµσ ιν τηε µενυ ιτ πρεσεντεδ. Αλτηουγη Γοπηερ σερϖερσ χαν ρεαδιλψ βε χον⇒νεδ σο τηατ τηεψ ηαϖε αχχεσσ ονλψ το πυβλιχ ινφορµατιον, βψ δεφαυλτ τηεψ ηαϖε φρεε ρειν. Βψ Βιτσ ∆εχειϖεδ Φαιλυρε το χηεχκ τηε προπριετψ οφ χοµµανδσ ισ α χοµµον οϖερσιγητ∇ασ Οτηελλο ωιτη Ιαγο, χοµπυτερσ ον τηε Ιν− τερνετ τρυστ νοτ ωισελψ βυτ τοο ωελλ. Ε− µαιλ, ονε οφ τηε νετ∏σ µοστ βασιχ σερϖιχ− εσ, σετσ τηε τονε: αν ελεχτρονιχ λεττερ χονσιστσ σιµπλψ οφ α τεξτ ⇒λε χονταινινγ α ηεαδερ σπεχιφψινγ τηε σενδερ, αδ− δρεσσεε, συβϕεχτ, δατε ανδ ρουτινγ ιν− φορµατιον, φολλοωεδ βψ α βλανκ λινε ανδ τηε βοδψ οφ τηε µεσσαγε. Αλτηουγη µαιλ προγραµσ γενεραλλψ ⇒λλ ιν τηε ηεαδερ λινεσ αχχυρατελψ, τηερε ισ λιττλε το πρε− ϖεντ α ωηιµσιχαλ ορ µαλιχιουσ περσον φροµ ινσερτινγ ωηατεϖερ ινφορµατιον τηεψ πλεασε. Α µεσσαγε φροµ πρεσιδεντ ≅ωηιτεηουσε.γοϖ χουλδ ασ εασιλψ οριγι− νατε φροµ α ωορκστατιον ιν Αµστερδαµ ασ φροµ τηε Εξεχυτιϖε Ο⇔χε Βυιλδινγ ιν Ωασηινγτον, ∆.Χ. Φοργινγ ε−µαιλ ισ τριϖ− ιαλ, Φαρβερ ασσερτσ; ωηατ µακεσ συχη φοργεριεσ α προβλεµ ασ τηε Ιντερνετ γροωσ ισ τηατ τηε ινχεντιϖε φορ συχχεσσ− φυλ φοργεριεσ δοεσ σο, τοο, ασ δο τηε δαν− γερσ οφ βεινγ τακεν ιν. Χοµπανιεσ ανδ ινδιϖιδυαλσ ηαϖε αλρεαδψ βεγυν δοινγ βυσινεσσ ϖια ε−µαιλ; ρεαλ µονεψ ανδ γοοδσ χηανγε ηανδσ ον τηε βασισ οφ ελεχτρονιχ προµισεσ. Χοµπυτερ σχιεντιστσ ηαϖε δεϖελοπεδ προτοχολσ φορ ϖεριφψινγ τηε σουρχε οφ ε− µαιλ µεσσαγεσ, βυτ σποοφερσ αρε αλσο ιµπροϖινγ τηειρ τεχηνιθυεσ. Χορρεσπον− Copyright 1994 Scientific American, Inc. Πεοπλε αρε ατταχκινγ ινδιϖιδυ− αλ σψστεµσ, νοτ τηε νετ περ σε. ∇∆οροτηψ Ε. ∆εννινγ, Γεοργετοων Υνιϖερσιτψ δενχε ον Υσενετ δισχυσσιον γρουπσ συχη ασ χοµπ.σεχυριτψ.µισχ ιλλυστρατεσ τηισ χοεϖολυτιον: σοµε σεχυριτψ−µινδεδ σψστεµ αδµινιστρατορσ ηαϖε αδϖοχατεδ τηε υσε οφ Ι∆ΕΝΤ δαεµονσ. Ιφ α σποοφ− ερ χοννεχτσ το α µαιλ σερϖερ ανδ ο⇑ερσ α φαλσε ιδεντι⇒χατιον (τηε ⇒ρστ στεπ ιν σενδινγ α φοργεδ µεσσαγε), τηε µαιλ σερϖερ χαν θυερψ τηε Ι∆ΕΝΤ δαεµον ον τηε σποοφερ∏σ µαχηινε. Οτηερσ δισπαραγε Ι∆ΕΝΤ; τηεψ ποιντ ουτ τηατ τηε ναµε ρετυρνεδ βψ τηε δαε− µον ισ ονλψ ασ τρυστωορτηψ ασ τηε χοµ− πυτερ ιτ ρυνσ ον. Ονχε ηαχκερσ ηαϖε γαινεδ χοντρολ οφ α µαχηινε∇ειτηερ βψ βρεακινγ ιν ορ βεχαυσε τηεψ οων ιτ∇ τηεψ χαν χον⇒γυρε τηε Ι∆ΕΝΤ δαεµον το ρεσπονδ το θυεριεσ ωιτη ωηατεϖερ ναµε τηεψ πλεασε. Σοµε σψστεµ αδµινιστρατορσ αρε µεετινγ τηε τηρεατ οφ συχη δεχεπτιονσ βψ βαρρινγ χοννεχτιονσ το τηειρ χοµ− πυτερσ φροµ υντρυστωορτηψ παρτσ οφ τηε Ιντερνετ. Εαχη ρανγε οφ νυµβερεδ αδ− δρεσσεσ ον τηε Ιντερνετ χορρεσπονδσ το α παρτιχυλαρ οργανιζατιον, ορ δοµαιν, ανδ σο ιτ ισ σιµπλε το ρεφυσε χοννεχ− τιονσ φροµ χοµπυτερσ ιν α δοµαιν βε− λιεϖεδ το σερϖε ασ α ϖεηιχλε φορ ηαχκερσ. Εϖεν τηισ στεπ ηασ α χουντερµεασυρε. Σπα⇑ορδ ποιντσ ουτ τηατ µοστ µα− χηινεσ ρελψ ον δοµαιν ναµε σερϖερσ το τρανσλατε βαχκ ανδ φορτη βετωεεν νυµβερεδ νετωορκ αδδρεσσεσ ανδ δο− µαινσ συχη ασ ξεροξ.χοµ ορ υµιχη. εδυ. Βυτ τηε ναµε σερϖερσ αρε ϕυστ ορ− διναρψ χοµπυτερσ. Τηεψ αρε ϖυλνεραβλε το δεχεπτιον ορ ιντρυσιον, ανδ σο τηε ροαδ µαπσ τηεψ προϖιδε χαν βε ρε− ωριττεν το σερϖε δεχειτφυλ ενδσ. Α χραχκερ χαν µοδιφψ τηε ναµε σερϖ− ερ∏σ δαταβασε σο τηατ ιτ τελλσ ανψ χοµπυτερ θυερψινγ ιτ τηατ τηε αδ− δρεσσ βελονγινγ το, σαψ, εϖιλ.ϖι− χιουσ.ηαχκερσ.οργ ισ ινστεαδ τηατ οφ ηαρϖαρδ.εδυ. Α χοµπυτερ τηατ αχ− χεπτσ χοννεχτιονσ φροµ Ηαρϖαρδ Υνιϖερσιτψ ωιλλ τηεν αλλοω τηε ηαχκ− ερσ ιν ασ ωελλ. Ινδεεδ, Σπα⇑ορδ λα− µεντσ, ιτ ισ αλµοστ ιµποσσιβλε φορ ανψ προγραµ το κνοω φορ συρε ωηερε τηε δατα παχκετσ ρεαχηινγ ιτ οϖερ τηε Ιντερνετ ρεαλλψ χοµε φροµ ορ ωηερε τηε παχκετσ ιτ σενδσ ουτ αρε γοινγ. Ανοτηερ χλασσ οφ σεχυριτψ προβ− λεµσ χοµεσ νοτ φροµ µισπλαχεδ τρυστ ιν δοµαιν ναµε σερϖερσ ορ Ι∆ΕΝΤ δαεµονσ βυτ ρατηερ φροµ τηε σαµε ϖερσατιλιτψ τηατ µακεσ νετ− ωορκεδ χοµπυτερσ σο υσεφυλ. Περ− ηαπσ τηε βεστ εξαµπλε οφ τηισ ισ τηε σενδµαιλ βυγ, α δισαστρουσ λοοπ− ηολε τηατ ηασ ρεαππεαρεδ τιµε αφτερ τιµε ιν τηε ηιστορψ οφ τηε νετ. Τηε βυγ αρισεσ βεχαυσε µοστ µαιλ προγραµσ µακε ιτ ποσσιβλε το ρουτε µεσσαγεσ νοτ ονλψ το υσερσ βυτ αλσο διρεχτλψ το παρτιχυλαρ ⇒λεσ ορ προ− γραµσ. Πεοπλε φορωαρδ µαιλ, φορ ιν− στανχε, το α προγραµ χαλλεδ ϖαχατιον, ωηιχη σενδσ α ρεπλψ τελλινγ χορρεσπον− δεντσ τηατ τηε ιντενδεδ ρεχιπιεντ ισ ουτ οφ τοων. Μανψ πεοπλε αλσο ρουτε µαιλ τηρουγη ⇒λτερ προγραµσ τηατ χαν φορ− ωαρδ ιτ το ανψ οφ σεϖεραλ λοχατιονσ δε− πενδινγ ον σενδερ, συβϕεχτ µαττερ ορ χοντεντ. Βυτ τηισ σαµε µεχηανισµ χαν βε συβϖερτεδ το σενδ ελεχτρονιχ µαιλ το α προγραµ τηατ ισ δεσιγνεδ το εξεχυτε σηελλ σχριπτσ, ωηιχη χονσιστ οφ α σεριεσ οφ χοµµανδσ το περφορµ σψστεµ φυνχ− τιονσ, συχη ασ εξτραχτινγ ινφορµατιον φροµ ⇒λεσ ορ δελετινγ αλλ ⇒λεσ ολδερ τηαν α χερταιν δατε. Τηισ προγραµ ωιλλ τηεν ιντερπρετ τηε βοδψ οφ τηε µεσσαγε ασ α σχριπτ ανδ ωιλλ εξεχυτε ανψ χοµ− µανδσ ιτ χονταινσ. Τηοσε χοµµανδσ χουλδ χαυσε α χοπψ οφ τηε ρεχειϖινγ χοµπυτερ∏σ πασσωορδ ⇒λε το βε σεντ το αν ιντρυδερ φορ αναλψσισ, φασηιον α συβ− τλε βαχκ δοορ φορ λατερ εντρψ ορ σιµπλψ ωρεακ ηαϖοχ ον τηε ρεχιπιεντ∏σ στορεδ δατα. Μαιλ σεντ το χερταιν ⇒λεσ χαν ηαϖε σιµιλαρ ε⇑εχτσ. Σοµε ⇒ξεσ φορ τηε λατεστ ινχαρνατιον οφ τηε σενδµαιλ βυγ ηαϖε βεεν πυβ− λισηεδ ον τηε Ιντερνετ ανδ πρεσυµαβλψ ηαϖε βεεν ιµπλεµεντεδ βψ µοστ σψσ− τεµ αδµινιστρατορσ ωηο σαω τηεµ, βυτ µανψ σψστεµσ ρεµαιν ϖυλνεραβλε. Φυρ− τηερµορε, οτηερ προγραµσ τηατ προχεσσ ελεχτρονιχ µαιλ χονταιν αναλογουσ ηολεσ. Εϖεν µορε οµινουσ ισ τηε φαχτ τηατ ε− µαιλ ισ βψ νο µεανσ τηε σολε ωαψ το πλαντ υνχοντρολλεδ δατα ιν α ϖιχτιµ∏σ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 99 χοµπυτερ. Στεϖεν Μ. Βελλοϖιν, α ρε− σεαρχηερ ατ Βελλ Λαβσ, ποιντσ ουτ τηατ Γοπηερ ανδ οτηερ ινφορµατιον−ρετριεϖαλ προγραµσ αλσο τρανσφερ λαργε, ποτεντιαλ− λψ ιλλ−ιδεντι⇒εδ ⇒λεσ. Α ηαχκερ ωουλδ ηαϖε το γο το σοµε τρουβλε το σετ υπ α χορρυπτ Γοπηερ σερϖερ ανδ ωουλδ εϖεν ηαϖε το στοχκ ιτ ωιτη υσεφυλ ινφορµα− τιον το εντιχε πεοπλε ιντο µακινγ χον− νεχτιονσ το ιτ. Ι ωον∏τ βε συρπρισεδ ωηεν ιτ σταρτσ ηαππενινγ, Βελλοϖιν σαψσ. Ωαλλσ ιν Χψβερσπαχε Ιφ τηε Ιντερνετ, στορεηουσε οφ ωον− δερσ, ισ αλσο α νο−χοµπυτερ∏σ−λανδ οφ ιν− ϖισιβλε περιλσ, ηοω σηουλδ νεωχοµερσ το χψβερσπαχε προτεχτ τηεµσελϖεσ? Σε− χυριτψ εξπερτσ αγρεε τηατ τηε ⇒ρστ λαψερ οφ δεφενσε ισ εδυχατινγ υσερσ ανδ σψσ− τεµ αδµινιστρατορσ το αϖοιδ τηε παρτιχ− υλαρλψ στυπιδ µιστακεσ. Πεοπλε στιλλ ταπε πασσωορδσ το τηειρ κεψβοαρδσ ορ υσε νο πασσωορδ ατ αλλ φορ πριϖιλεγεδ χοµ− πυτερ αχχουντσ. Ονε γραδυατε στυδεντ, πρεσσεδ ιντο σερϖιχε ασ αδµινιστρατορ φορ α χλυστερ οφ ωορκστατιονσ ατ τηε Υνι− ϖερσιτψ οφ Μιχηιγαν, φουνδ τηατ α σιµ− πλε πασσωορδ−γυεσσινγ προγραµ χουλδ χοµπροµισε α θυαρτερ οφ ηερ υσερσ∏ αχχουντσ. Φιϖε οφ 80 υσερσ ηαδ χηοσεν τηειρ ναµεσ ασ πασσωορδσ. Σοµε αδµιν− ιστρατορσ ηαϖε ινσταλλεδ προγραµσ τηατ ρεϕεχτ πασσωορδσ βασεδ ον διχτιοναρψ ωορδσ ορ οβϖιουσ περσοναλ ιδεντι⇒ερσ, βυτ τηειρ υσε ισ φαρ φροµ ωιδεσπρεαδ. Τηε νεξτ λεϖελ οφ δεφενσε ισ τηε σο− χαλλεδ ⇒ρε ωαλλ, α χοµπυτερ τηατ προ− τεχτσ ιντερναλ νετωορκσ φροµ ιντρυσιον. Μοστ µαϕορ χοµπανιεσ ηαϖε λονγ σινχε ινσταλλεδ ⇒ρε ωαλλσ, ανδ µανψ υνιϖερσι− τιεσ αρε αδοπτινγ τηεµ ασ ωελλ. Φιρε ωαλλσ εξαµινε αλλ τηε παχκετσ εντερινγ ανδ λεαϖινγ α δοµαιν το λιµιτ τηε κινδσ οφ χοννεχτιονσ τηατ χαν βε µαδε φροµ τηε Ιντερνετ ατ λαργε. Τηεψ µαψ αλσο ρεστριχτ τηε ινφορµατιον τηατ χαν βε πασσεδ αχροσσ τηοσε χοννεχτιονσ. Ανψ− ονε ωηο ωουλδ χοννεχτ α χορπορατε νετωορκ διρεχτλψ το τηε Ιντερνετ σηουλδ βε ⇒ρεδ, Φαρβερ ασσερτσ. Προποσινγ α ⇒ρε ωαλλ ανδ χονστρυχτ− ινγ ιτ αρε τωο δι⇑ερεντ µαττερσ. Υσερσ ωουλδ λικε το ηαϖε αχχεσσ το αλλ ποσσι− βλε Ιντερνετ σερϖιχεσ. Βυτ τηατ δεσιρε εν− χουντερσ α ηαρση ρεαλιτψ : Σοµε τηινγσ ψου χαν∏τ δο σεχυρελψ, µαινταινσ Μαρ− χυσ ϑ. Ρανυµ οφ Τρυστεδ Ινφορµατιον Σψστεµσ. Ρανυµ, ωηο ηελπεδ το ινσταλλ τηε ⇒ρε ωαλλ φορ ωηιτεηουσε.γοϖ, ναµεσ Γοπηερ ανδ Μοσαιχ ασ τωο προ− γραµσ ωηοσε τρυστινγ νατυρε δε⇒εσ τηε αττεµπτσ οφ α ⇒ρε ωαλλ δεσιγν το προϖιδε σαφετψ. Ιν συχη χασεσ, ηε αργυεσ, σεχυρι− τψ εξπερτσ µυστ βε χοντεντ το µινιµιζε ρισκ ρατηερ τηαν ελιµινατε ιτ εντιρελψ. Ατ α βαρε µινιµυµ, α ⇒ρε ωαλλ µυστ πασσ µαιλ, αχχορδινγ το Βελλοϖιν (εϖεν τηουγη µαιλερσ µαψ βε δεµονστραβλψ ινσεχυρε). Αφτερ τηατ, υσερσ ωαντ το βε αβλε το λογ ιν το µαχηινεσ ελσεωηερε ον τηε Ιντερνετ ανδ το ρετριεϖε ⇒λεσ φροµ πυβλιχ αρχηιϖε σιτεσ ορ φροµ τηε διρεχτο− ριεσ οφ χολλεαγυεσ ατ οτηερ ινστιτυτιονσ. Το περφορµ τηεσε φυνχτιονσ, ΑΤ&Τ βυιλτ α ⇒ρε ωαλλ χονσιστινγ οφ τωο δεδι− χατεδ χοµπυτερσ: ονε χοννεχτεδ το τηε Ιντερνετ ανδ τηε οτηερ χοννεχτεδ το τηε χορπορατιον∏σ οων νετωορκ. Τηε εξτερ− ναλ µαχηινε εξαµινεσ αλλ ινχοµινγ τραφ− φιχ ανδ φορωαρδσ ονλψ τηε σαφε παχκ− ετσ το ιτσ ιντερναλ χουντερπαρτ. Ιν αδδι− τιον, ιτ ωιλλ αχχεπτ ουτγοινγ τρα⇔χ ονλψ φροµ τηε ιντερναλ γατεωαψ µαχηινε, σο αν ατταχκερ αττεµπτινγ το τρανσφερ ιν− φορµατιον ιλλιχιτλψ ουτ οφ ΑΤ&Τ∏σ δοµαιν ωουλδ βε υναβλε το δο σο ωιτηουτ συβ− ϖερτινγ τηε ιντερναλ γατεωαψ. Τηε ιντερ− ναλ γατεωαψ, µεανωηιλε, αχχεπτσ ιν− χοµινγ τρα⇔χ ονλψ φροµ τηε εξτερναλ ονε, σο τηατ ιφ υναυτηοριζεδ παχκετσ δο σοµεηοω ⇒νδ τηειρ ωαψ το ιτ, τηεψ χαν− νοτ πασσ. Οτηερ σερϖιχεσ αρε µορε προβλεµατιχ. Ωορκερσ ωουλδ λικε το βε αβλε το λογ ιν το τηειρ ο⇔χε χοµπυτερσ φροµ ανψ− ωηερε ον τηε Ιντερνετ, φορ ινστανχε. Ανψ ιντερµεδιατε χοµπυτερ ρελαψινγ τρα⇔χ οϖερ τηε Ιντερνετ µιγητ ηαϖε βεεν χοµ− FINGER GOPHER OPEN RESTRICTED CLOSED MEDIATED FTP MAIL NETWORK FILE SYSTEM REMOTE PROCEDURE CALL FIRE WALL (INCOMING) FIRE WALL (OUTGOING) REMOTE SHELL REMOTE LOGIN TELNET ΝΕΤΩΟΡΚ ΦΙΡΕ ΩΑΛΛ πρεϖεντσ µαλιχιουσ δατα παχκετσ φροµ ωρεακινγ ηαϖοχ ον τρυστινγ χοµπυτερσ. Ιν σοµε χασεσ, τηε ⇒ρε ωαλλ µαψ αλλοω αχχεσσ ονλψ φροµ τρυστεδ λοχατιονσ ον τηε Ιντερνετ το παρτιχυλαρ µαχηινεσ ινσιδε τηε ⇒ρε ωαλλ. Ορ ιτ µαψ αλλοω ονλψ δεµονστραβλψ σαφε ινφορµατιον το πασσ (περηαπσ περµιττινγ υσερσ το ρεαδ τηε ε−µαιλ φροµ ρεµοτε λοχατιονσ βυτ 100 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 νοτ το ρυν πριϖιλεγεδ προγραµσ). Ιν οτηερ χασεσ, ιτ ισ ιµποσσι− βλε το διστινγυιση σαφε υσε οφ α παρτιχυλαρ νετωορκ σερϖιχε φροµ υνσαφε υσε, ανδ σο αλλ ρεθυεστσ µυστ βε βλοχκεδ. Τηε ⇒ρε ωαλλ µαψ αλσο προϖιδε α συβστιτυτε φορ σοµε νετωορκ σερ− ϖιχεσ (συχη ασ ⇒νγερ, τελνετ ορ φτπ) τηατ περφορµσ µοστ οφ τηε σαµε φυνχτιονσ βυτ ισ νοτ ασ ϖυλνεραβλε το πενετρατιον. Copyright 1994 Scientific American, Inc. προµισεδ, ηοωεϖερ, ανδ χουλδ βε ρεαδινγ παχκετσ ( ινχλυδινγ τηοσε χονταινινγ πασσωορδσ) ασ τηεψ γο βψ. Ιν φαχτ, ιν τωο σεπαρατε ινχιδεντσ ιν Οχτοβερ 1993, ηαχκερσ γαινεδ αχ− χεσσ το Πανιξ, α πυβλιχ−αχχεσσ Ιντερ− νετ σιτε ιν Νεω Ψορκ Χιτψ, ανδ το ΒΑΡΡΝετ, αν Ιντερνετ χαρριερ ιν Χαλι− φορνια, ανδ ινσταλλεδ παχκετ σνιφ− φερσ. Τηεσε προγραµσ ωατχηεδ αλλ τηε δατα γοινγ βψ ανδ ρεχορδεδ υσερ ναµεσ ανδ πασσωορδσ ασ πεοπλε λογγεδ ιν το (ατ λεαστ) ηυνδρεδσ οφ οτηερ χοµπυτερ σψστεµσ, αχχορδινγ το σψστεµ αδµινιστρατορσ ατ Πανιξ. Συχη ατταχκσ ρενδερ χονϖεντιοναλ πασσωορδσ οβσολετε, Ρανυµ ασ− σερτσ. Ινστεαδ σαφε χοννεχτιονσ το µαχηινεσ ινσιδε α ⇒ρε ωαλλ ρεθυιρε α δι⇑ερεντ κινδ οφ αυτηεντιχατιον µεχηανισµ, ονε τηατ χαννοτ βε ρεχορδεδ βψ α σνι⇑ερ ανδ τηεν ρε− πλαψεδ το γαιν υναυτηοριζεδ αχχεσσ. Τωο µετηοδσ αρε αλρεαδψ ιν λιµιτεδ υσε: τηε ονε−τιµε πασσωορδ ανδ χηαλλενγε−ρεσπονσε. Το υσε ονε−τιµε πασσωορδσ, α ωορκερ σιµπλψ χαρριεσ α λιστ οφ τηεµ. Ρευσε ινδιχατεσ τηατ αν ιντρυσιον ατ− τεµπτ ισ ιν προγρεσσ. Χηαλλενγε−ρε− σπονσε σψστεµσ ηαϖε νο λιστ οφ πασσ− ωορδσ; ινστεαδ τηεψ ρεθυιρε αν ανσωερ το α ρανδοµ θυερψ βεφορε αλλοωινγ αχ− χεσσ. Μοστ οφτεν τηε θυερψ χονσιστσ οφ α νυµβερ τηατ µυστ βε µατηεµατιχαλλψ τρανσφορµεδ βψ α σεχρετ κεψ κνοων ονλψ το αυτηοριζεδ υσερσ. Μοστ πεοπλε χαννοτ µυλτιπλψ 100−διγιτ νυµβερσ ιν τηειρ ηεαδσ, σο χοµµερχιαλ χηαλλενγε− ρεσπονσε εθυιπµεντ υσυαλλψ εµπλοψσ α χρψπτογραπηιχ χαλχυλατορ, πριµεδ ωιτη τηε κεψ ανδ αχτιϖατεδ βψ α σηορτερ σε− θυενχε τηατ α περσον χαν ρεµεµβερ. Ενχρψπτιον Ισ Κεψ Ιφ πασσωορδσ σηουλδ τραϖερσε τηε Ιντερνετ ονλψ ιν ενχρψπτεδ φορµ, ωηατ αβουτ οτηερ σενσιτιϖε ινφορµατιον? Στανδαρδιζατιον ε⇑ορτσ φορ πριϖαχψ−εν− ηανχεδ ε−µαιλ ηαϖε βεεν υνδερ ωαψ φορ µορε τηαν ⇒ϖε ψεαρσ, βυτ ωιδεσπρεαδ αδοπτιον λιεσ ωελλ ιν τηε φυτυρε. Τηε ιντεροπεραβιλιτψ προβλεµ ισ ναστψ, Ωαρε σαψσ, υνλεσσ εϖερψονε ηασ σοφτωαρε τηατ χαν ηανδλε ενχρψπτεδ µεσσαγεσ, ιτ ισ οφ λιττλε υσε το ανψονε. Ενχρψπτιον χουλδ προϖιδε νοτ ονλψ πριϖαχψ βυτ αυτηεντιχατιον ασ ωελλ: µεσ− σαγεσ ενχοδεδ υσινγ σο−χαλλεδ πυβλιχ− κεψ χιπηερσ χαν υνιθυελψ ιδεντιφψ βοτη ρεχιπιεντ ανδ σενδερ. Βυτ ενχρψπτιον σοφτωαρε ιν γενεραλ ρεµαινσ ατ τηε χεν− τερ οφ α στορµ οφ πολιτιχαλ ανδ λεγαλ χον− τροϖερσψ. Τηε Υ.Σ. γοϖερνµεντ βαρσ εασψ εξπορτ οφ ποωερφυλ ενχοδινγ σοφτωαρε εϖεν τηουγη τηε σαµε χοδεσ αρε φρεελψ αϖαιλαβλε οϖερσεασ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. Ατ τηε χιϖιλ λεϖελ, χονστραιντσ. Ατ τηε χριµιναλ λεϖελ, χον− στραιντσ. Ατ τηε τεχηνολογιχαλ λεϖελ, χονστραιντσ. ∇∆ονν Β. Παρκερ, ΣΡΙ Ωιτηιν τηε Υ.Σ., πατεντ ριγητσ το πυβ− λιχ−κεψ ενχρψπτιον αρε ϕεαλουσλψ γυαρδ− εδ βψ ΡΣΑ ∆ατα Σεχυριτψ, α πριϖατε ⇒ρµ τηατ λιχενσεδ τηε πατεντσ φροµ τηειρ ιν− ϖεντορσ. Αλτηουγη σοφτωαρε εµπλοψινγ πυβλιχ−κεψ αλγοριτηµσ ηασ βεεν ωιδελψ πυβλισηεδ, µοστ πεοπλε ουτσιδε τηε Υ.Σ. γοϖερνµεντ χαννοτ υσε ιτ ωιτηουτ ρισκ− ινγ αν ινφρινγεµεντ συιτ. Το χοµπλιχατε µαττερσ εϖεν φυρτηερ, τηε γοϖερνµεντ ηασ προποσεδ α δι⇑ερ− εντ ενχρψπτιον στανδαρδ, ονε ωηοσε αλ− γοριτηµ ισ σεχρετ ανδ ωηοσε κεψσ ωουλδ βε ηελδ ιν εσχροω βψ λαω−ενφορχεµεντ αγενχιεσ. Αλτηουγη µανψ χιϖιλ λιβερταρι− ανσ ανδ χοµπυτερ σχιεντιστσ οπποσε τηε µεασυρε, σοµε ινδυστρψ ⇒γυρεσ ηαϖε χοµε ουτ ιν φαϖορ οφ ιτ. Ψου χαν∏τ ηαϖε αβσολυτε πριϖαχψ, Παρκερ σαψσ. Α δε− µοχραχψ ϕυστ χαν∏τ οπερατε τηατ ωαψ. Τηε θυεστιον ισ νοτ ωηετηερ χψβερ− σπαχε ωιλλ βε συβϕεχτεδ το λεγισλατιον βυτ ρατηερ ηοω ανδ ωηεν λαω ανδ ορ− δερ ωιλλ βε ιµποσεδ, Παρκερ σαψσ. Ηε πρεδιχτσ τηατ τηε χυρρεντ στατε οφ α⇑αιρσ ωιλλ γετ µυχη ωορσε βεφορε τηε γοϖερν− µεντ στεπσ ιν το ασσυρε πριϖαχψ ανδ το προτεχτ τηε ριγητσ πεοπλε δο ηαϖε. Οτηερσ δο νοτ ηαϖε Παρκερ∏σ χον⇒− δενχε ιν γοϖερνµεντ ιντερϖεντιον. Ρα− νυµ φορεσεεσ αν Ιντερνετ µαδε υπ µοστλψ οφ πριϖατε ενχλαϖεσ βεηινδ ⇒ρε ωαλλσ τηατ ηε ανδ ηισ χολλεαγυεσ ηαϖε βυιλτ. Τηερε αρε τηοσε ωηο σαψ τηατ ⇒ρε ωαλλσ αρε εϖιλ, τηατ τηεψ∏ρε βαλκανιζινγ τηε Ιντερνετ, ηε νοτεσ, βυτ βροτηερλψ λοϖε φαλλσ ον ιτσ φαχε ωηεν µιλλιονσ οφ δολλαρσ αρε ινϖολϖεδ. ∆εννινγ χουντσ ηερσελφ αµονγ τηε οπτιµιστσ. Σηε λενδσ ηερ συππορτ το λοχαλ σεχυριτψ µεασυρεσ, βυτ Ι δον∏τ λοσε ανψ σλεεπ οϖερ σεχυριτψ, σηε σαψσ. Φαρβερ, αλσο χαυτιουσλψ οπτιµισ− τιχ, σεεσ τωο ποσσιβλε διρεχτιονσ φορ τηε Ιντερνετ ιν τηε νεξτ φεω ψεαρσ: ραπιδ εξπανσιον οφ εξιστινγ σερϖιχ− εσ, ορ φυνδαµενταλ ρεενγινεερινγ το προϖιδε α σεχυρε βασε φορ τηε φυτυρε. Ηε λεαϖεσ νο δουβτ ασ το ωηιχη χουρσε ηε φαϖορσ. Σπα⇑ορδ ισ λικε− µινδεδ βυτ γλοοµιερ. Ιτ∏σ α χατχη− 22, ηε ρεµαρκσ. Εϖερψονε ωαντσ το οπερατε ωιτη ωηατ εξιστσ, βυτ τηε εξ− ιστινγ στανδαρδσ αρε ροττεν. Τηεψ∏ρε νοτ ωηατ ψου∏δ ωαντ το βυιλδ ον. Εϖεν ιφ χοµπυτερ σχιεντιστσ δο ρεδεσιγν τηε Ιντερνετ, ηε ποιντσ ουτ, πυττινγ νεω στανδαρδσ ιν πλαχε µαψ βε ιµποσσιβλε βεχαυσε οφ τηε ενορ− µουσ ινϖεστµεντ ιν ολδ ηαρδωαρε ανδ σοφτωαρε. Σο µυχη οφ τηε Ιντερ− νετ ρεστσ ον ϖολυνταρψ χοοπερατιον, ηε οβσερϖεσ, τηατ µακινγ σωεεπινγ χηανγεσ ισ αλµοστ ιµποσσιβλε. Τηεν αγαιν, Ωαρε χουντερσ, περ− ηαπσ πιεχεµεαλ εϖολυτιον µαψ βε τηε ονλψ ποσσιβιλιτψ. Νο σινγλε οργα− νιζατιον υνδερστανδσ τηε ιδεα οφ α νατιοναλ ινφορµατιον ινφραστρυχτυρε ωελλ ενουγη το βε πυτ ιν χηαργε, ηε χον− τενδσ: Τηερε∏σ νο πλαχε το γο ανδ σαψ, Ηερε∏σ τηε µονεψ, ωορκ ουτ τηε προβ− λεµσ.∏ Τηερε αρεν∏τ εϖεν τηρεε πλαχεσ, ανδ Ι∏µ νοτ συρε τηερε σηουλδ βε. Ιν τηε µεαντιµε, τηε νετωορκ γροωσ, ανδ πεοπλε ανδ βυσινεσσεσ εντρυστ το ιτ τηειρ κνοωλεδγε, τηειρ µονεψ ανδ τηειρ γοοδ ναµεσ. ΦΥΡΤΗΕΡ ΡΕΑ∆ΙΝΓ ΠΡΑΧΤΙΧΑΛ ΥΝΙΞ ΣΕΧΥΡΙΤΨ. Σιµσον Γαρ− ⇒νκελ ανδ Γενε Σπα⇑ορδ. Ο∏Ρειλλψ ανδ Ασσοχιατεσ, 1992. ΖΕΝ ΑΝ∆ ΤΗΕ ΑΡΤ ΟΦ ΤΗΕ ΙΝΤΕΡΝΕΤ. Βρενδαν Π. Κεηοε. Πρεντιχε−Ηαλλ, 1993. ΙΜΠΡΟςΙΝΓ ΤΗΕ ΣΕΧΥΡΙΤΨ ΟΦ ΨΟΥΡ ΣΙΤΕ ΒΨ ΒΡΕΑΚΙΝΓ ΙΝΤΟ ΙΤ. ∆αν Φαρµερ ανδ Ωιετσε ςενεµα. Αϖαιλαβλε βψ φτπ φροµ ωιν.τυε.νλ ασ /πυβ/σεχυριτψ/αδµιν− γυιδε−το−χραχκινγ.Ζ ΦΟΡΥΜ ΟΝ ΡΙΣΚΣ ΤΟ ΤΗΕ ΠΥΒΛΙΧ ΙΝ ΧΟΜ− ΠΥΤΕΡΣ ΑΝ∆ ΡΕΛΑΤΕ∆ ΣΨΣΤΕΜΣ. Αϖαιλ− αβλε ϖια υσενετ νεωσγρουπ χοµπ.ρισκσ ορ βψ ε−µαιλ φροµ ρισκσ−ρεθυεστ≅χσλ. σρι.χοµ. Βαχκ ισσυεσ αρε αϖαιλαβλε βψ φτπ φροµ χρϖαξ.σρι.χοµ ιν τηε ΡΙΣΚΣ: διρεχτορψ. Υσενετ νεωσγρουπσ τηατ χοϖερ σεχυριτψ: χοµπ.σεχυριτψ.µισχ; χοµπ.σεχυριτψ. υνιξ; αλτ.σεχυριτψ Χοµπυτερ Εµεργενχψ Ρεσπονσε Τεαµ αδϖισοριεσ αρε αϖαιλαβλε βψ φτπ φροµ χερτ.οργ Σεχυριτψ−ρελατεδ ινφορµατιον αϖαιλαβλε βψ φτπ φροµ τισ.χοµ ( Τρυστεδ Ινφορµατιον Σψστεµσ) ανδ ρεσεαρχη.αττ.χοµ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 101 ΣΧΙΕΝΧΕ ΑΝ∆ ΒΥΣΙΝΕΣΣ FEDERAL RESERVE SEAL – This code letter is the same as the first letter in the two serial numbers. MICROPRINTING – "The United States of America" is printed repeatedly on the sides of the portrait (arrow). Letters are too small to read without magnification and become indistinct when they are photocopied. BORDER – The fine lines and lacy, weblike design of the border should be distinct and unbroken. FIBERS – Minuscule red-and-blue fibers are embedded in the paper. PORTRAIT – Lifelike portrait is distinct from fine, screenlike background. TREASURY SEAL – Sawtooth points are distinct and unbroken. The seal is in the same color as the two serial numbers. Χ ΝΟΤΕ ΠΡΟΤΕΧΤΙΟΝ ισ α⇑ορδεδ βψ α ϖαριετψ οφ δεσιγν φεα− τυρεσ φορ τηισ δενοµινατιον ασ ωελλ ασ οτηερ νοτεσ. Βεχαυσε οφ τηε προσπεχτ οφ α ωαϖε οφ χασυαλ χουντερφειτινγ δονε ον χολ− Μακινγ Μονεψ ∆εσκτοπ χουντερφειτινγ µαψ κεεπ τηε φεδσ ηοππινγ Τ ηε ερα οφ τηε δεσκτοπ χουντερ− φειτερ ισ χοµινγ. Βψ 1995 τηε αβιλ− ιτψ το µανιπυλατε ανδ πριντ χολ− ορ ιµαγεσ ον περσοναλ χοµπυτερ∠βασεδ πυβλισηινγ σψστεµσ τηατ χοστ λεσσ τηαν ∃5,000 χουλδ µεαν τηατ σοµεονε ωηο ισ πινχηεδ φορ χαση µιγητ φοργο α τριπ το τηε νεαρεστ αυτοµατιχ τελλερ. Τρυε προφεσσιοναλσ µαψ λαµεντ τηισ γροωινγ τρενδ τοωαρδ αµατευρισµ. Ιν παστ ψεαρσ ιλλιχιτ µονεψ µανυφαχτυρε ρεθυιρεδ α χραφτσµαν ωιτη σκιλλσ ατ εξεχυτινγ λιτη− ογραπηιχ ρεπροδυχτιον. Τηατ χαρε ωασ νεεδεδ το χονϖεψ τηε ριγητ νυανχεσ οφ ηιγηλιγητ ανδ δεταιλ σο τηατ α σαλεσχλερκ ωουλδν∏τ γιϖε Ανδρεω ϑαχκσον∏σ µυγ α σεχονδ γλανχε. Τηε Υ.Σ. Σεχρετ Σερϖιχε ϕοινσ ιν τηε λαµεντ. Ιτ ηασ φουνδ τηατ τηε φαστεστ− γροωινγ µεανσ οφ µακινγ ιλλεγαλ τεν− δερ ισ βψ ινκ−ϕετ πριντερ. Α χοµπυτερ ατ− ταχηεδ το τηε πριντερ χαν βε εθυιππεδ ωιτη αν ελεχτρονιχ σχαννερ το χαπτυρε 102 DENOMINATION – The value on the corners of the note is the same as that over the treasury seal. ορ χοπιερσ ανδ δεσκτοπ πυβλισηινγ σψστεµσ (σιµιλαρ το τηε ονε υσεδ το προδυχε τηισ λικενεσσ οφ α βιλλ), τηε τρεασυρψ δεπαρτµεντ µαψ ηαϖε το χονσιδερ φυρτηερ στεπσ το χοµβατ φυννψ µονεψ. τηε ιµαγε οφ α νοτε, ωηιχη χαν τηεν βε ενηανχεδ ωιτη σοφτωαρε. Τηε ϖαλυε οφ συχη βιλλσ δισχοϖερεδ βψ τηε Σεχρετ Σερ− ϖιχε ωασ α πιδδλινγ ∃66,000 ορ σο φροµ Οχτοβερ 1992 το τηε ενδ οφ ϑυνε 1993. Βυτ τηεσε νοτεσ, αλλ οφ λοω δενοµινα− τιονσ, τυρνεδ υπ ατ 205 πλαχεσ τηρουγη− ουτ τηε χουντρψ. Ονε φοργερψ αππαρεντ− λψ ηαδ νοτηινγ το δο ωιτη ανοτηερ. Τηε λοω νυµβερ ανδ ϖαλυε οφ τηε νοτεσ ινδι− χατε τηατ µοστ οφ τηεµ χαν βε αττριβυτ− εδ το χασυαλ χουντερφειτερσ, οβσερϖεδ α ρεχεντ Νατιοναλ Ρεσεαρχη Χουνχιλ ρε− πορτ τηατ ρεχοµµενδσ χηανγεσ ιν χυρ− ρενχψ το χοµβατ χουντερφειτινγ. Τηε δοχυµεντ, Χουντερφειτ ∆ετερρεντ Φεατυρεσ φορ τηε Νεξτ−Γενερατιον Χυρ− ρενχψ ∆εσιγν, αλσο πονδερσ τηε διστυρβ− ινγ προσπεχτ τηατ, λεφτ υνχηεχκεδ, τηε γροωτη οφ φυννψ µονεψ µαδε ον βοτη χολορ χοπιερσ ανδ χοµπυτερ πριντερσ χουλδ χοντινυε το δουβλε εϖερψ ψεαρ, ασ ιτ ηασ σινχε 1989. Νοτεσ φροµ τηεσε σουρχεσ αχχουντεδ φορ ονλψ ∃6 µιλλιον το ∃8 µιλλιον ιν 1992. Βυτ συχη γροωτη ωουλδ µεαν βιλλσ ωιτη α τοταλ ϖαλυε οφ ∃1.6 βιλλιον το ∃2 βιλλιον χουλδ βε ιν− φυσεδ ιντο τηε εχονοµψ δυρινγ τηε ψεαρ 2000. Τηατ αµουντ ωουλδ οϖερσηαδοω ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 SERIAL NUMBERS – Both serial numbers have distinctive styling and even spacing between numbers. No two notes of the same series and denomination have the same serial number. τηε ρουγηλψ ∃160 µιλλιον οφ Υ.Σ. χουντερ− φειτ βιλλσ εστιµατεδ το ηαϖε βεεν µιντεδ δυρινγ τηε 1993 φεδεραλ βυδγετ ψεαρ. Αλλ τηεσε συµσ αρε παλτρψ χοµπαρεδ ωιτη τηε µορε τηαν ∃300 βιλλιον ιν χαση τηατ νοω χιρχυλατεσ. Βυτ α βιλλιον−δολλαρ χροπ οφ χουντερφειτ βιλλσ προδυχεδ βψ τηουσανδσ οφ ηοββψιστσ µακινγ µονεψ ιν τηειρ σπαρε τιµε χουλδ παραλψζε εν− φορχεµεντ ε⇑ορτσ βψ τηε Σεχρετ Σερϖιχε. Τηε αγενχψ χυρρεντλψ ρεµοϖεσ αβουτ ∃25 το ∃70 µιλλιον α ψεαρ βεφορε ιτ εϖερ ρεαχηεσ χιρχυλατιον. Τηατ τασκ ωουλδ βε− χοµε µορε αρδυουσ σηουλδ τηε αγενχψ βε χονφροντεδ ωιτη ⇓οχκσ οφ ωεεκενδ χουντερφειτερσ ινστεαδ οφ α φεω ιλλιχιτ µιντσ χρανκινγ ουτ σταχκσ οφ βιλλσ. Τηε Υ.Σ. αλρεαδψ ινχορπορατεσ α νυµ− βερ οφ φεατυρεσ το δισχουραγε χουντερ− φειτερσ. Σπεχιαλ παπερ, ενγραϖινγ τεχη− νιθυεσ ανδ πριντινγ µετηοδσ διστιν− γυιση ρεαλ βανκ νοτεσ φροµ φακε ονεσ. Σινχε 1990 τηε τρεασυρψ ηασ αλσο ινχορ− πορατεδ α σεχυριτψ τηρεαδ, α 1.5−µιλλι− µετερ−ωιδε µεταλλιζεδ πολψεστερ τηρεαδ ον ωηιχη ισ πριντεδ τηε λεττερσ ΥΣΑ ανδ τηε δενοµινατιον οφ τηε βιλλ. Στιλλ, Υ.Σ. χυρρενχψ ηασ νοτ υνδεργονε α φυν− δαµενταλ ρεδεσιγν σινχε 1929. Copyright 1994 Scientific American, Inc. Τηε ΝΡΧ πανελ χονχλυδεδ τηατ τηε τηρεατ φροµ χολορ πριντερσ ανδ χοπψινγ µαχηινεσ ωαρραντσ α νεω ρουνδ οφ χοπψ−προτεχτιον µεασυρεσ: τηε υσε οφ α παττερν τηατ ωουλδ προδυχε α σεριεσ οφ ωαϖψ λινεσ (α µοιρ) ωηεν χοπιεδ ορ ινκσ ωηοσε χολορ χηανγεσ ον τηε οριγι− ναλ ωηεν ϖιεωεδ φροµ δι⇑ερεντ ανγλεσ (τηε χολορ ον α χοπψ ωουλδ ρεµαιν υν− χηανγεδ). Ατ τηε σαµε τιµε, α λαω µιγητ βε χονσιδερεδ τηατ ωουλδ ρεθυιρε χοπι− ερ µανυφαχτυρερσ το πλαχε αν ιδεντιφψ− ινγ νυµβερ ιν ανψ ιµαγε ρεπροδυχεδ. ( Ιν φαχτ, λεγισλατιον ⇓οατινγ αρουνδ τηε Ηουσε Βανκινγ Χοµµιττεε συγγεστσ τηατ τηε γοϖερνµεντ γιϖε πριοριτψ το ρε− δεσιγνινγ τηε δολλαρ.) Τηε ΝΡΧ ρεπορτ εξαµινεσ φυρτηερ µεασυρεσ, ρανγινγ φροµ ηολογραµσ ανδ λαµινατεδ παπερσ το ινσερτιον οφ σµαλλ µεταλ παρτιχλεσ τηατ ωουλδ ρε⇓εχτ α ρα− δαρ βεαµ. Τηε τρεασυρψ µιγητ αλσο ταλκ το σοµε φορειγν χεντραλ βανκερσ. ∆υτχη χυρρενχψ νοω ηασ βαρ χοδεσ. Αυστραλια πριντσ βιλλσ ον α πλαστιχ συβστρατε ανδ πλανσ το εµπλοψ δι⇑ραχτιϖε οπτιχαλ ελε− µεντσ χαλλεδ κινεγραµσ. Εϖεν αφτερ χαρεφυλ στυδψ, α γοοδ δε− τερρεντ ωιλλ βε ηαρδ το ⇒νδ∇ασ ιτ ηασ βεεν φορ χεντυριεσ. Φεαρ οφ δεατη ισ νοτ ενουγη το τηωαρτ τηε ε⇑ορτσ οφ αν ιν− τρεπιδ µονεψµακερ. Ασ τηε ΝΡΧ ρεπορτ νοτεδ, χουντερφειτ− Ινσιδε Στορψ ∆ the angle of view, strip away certain parts—the skull, say—or cut away a section and look inside. “Volume rendering is relatively new to the market,” says Hambleton D. Lord, AVS’s director of product marketing. University researchers have used the technique for several years, however. Jeanne B. Lawrence, a cell biologist at the University of Massachusetts Medical Center, made the cover of Science last year when she used volume visualization with images of cell nuclei to discover that RNA is collected into a few dozen “hot spots” within the nucleus. Thomas R. Nelson, a physicist-turned-radiologist at the University of California at San Diego, has been working with T. Todd Elvins of the San Diego Supercomputer Center (which has developed volume graphics software for Unix machines that it distributes free of charge over the Internet) on a system to produce useful 3-D ultrasound images. Lord sees several potentially lucrative markets for commercial volume-rendering packages. “The medical imaging market is growing very rapidly,” he says, as 3-D diagnostic techniques like CT scanning, magnetic resonance imaging and positron emission tomography grow ever more commonplace. “Another heavy user is the oil and gas exploration market. They take their thumper trucks out into the field or use towed sonar arrays to collect massive amounts of seismic data.” Extracting and rendering the surfaces of such large data sets is unfeasible. AVS is competing with some of the giants in the computer industry, notably IBM and Silicon Graphics, for these estab- ςΟΛΥΜΕ ΓΡΑΠΗΙΧΣ βυιλδσ χοµπυτερ µοδελσ ουτ οφ 3−∆ ϖοξελσ ρατηερ τηαν 2−∆ συρφαχεσ. ςιεωερσ χαν τηεν δισσεχτ χοµπλεξ ϖολ− 104 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 KARL HEINZ HÖHNE ET AL. University of Hamburg KARL HEINZ HÖHNE ET AL. UNIVERSITY OF HAMBURG octors like to look inside things. So do scientists and engineers. Yet the computer graphics many rely on to make sense of the ever growing mountains of data spewed from their instruments and simulations have been annoyingly superficial. Despite tremendous increases over the past decade in speed and realism, nearly all graphics software can still draw only geometric surfaces—fine for designing a turbine blade but inadequate for peering inside a threedimensional ultrasound image of a fetus. One solution, a technique known as volume rendering, is finally wending its way out of academia and into the marketplace. Volume rendering enables researchers to view three-dimensional data sets in ways that would choke even the most powerful supercomputer running surface-rendering software. A computed tomographic (CT) scan of a patient’s head, for example, produces a stack of two-dimensional images that are then melded together to form a digital 3-D model. Surface graphics programs would wrap contour lines around the model and connect them to create a detailed but empty shell composed of thousands of polygons. Volume graphics software, such as that developed by Advanced Visual Systems (AVS) in Waltham, Mass., works like a fluoroscope to reveal inner detail. It stores the entire model in memory as a collection of “voxels” (volume elements akin to pixels), then draws a screen image by casting imaginary rays from behind the model. Each ray accumulates data from every voxel it passes through and then splats on the screen in the appropriate color. The software lets the user change υµετριχ δατα, συχη ασ τηισ 3−∆ υλτρασουνδ ιµαγε (ριγητ) οφ αν 18− ωεεκ−ολδ φετυσ. ∆οχτορσ χουλδ χοµπαρε συχη ιµαγεσ ωιτη α 3−∆ Copyright 1994 Scientific American, Inc. ινγ ωασ α χαπιταλ ο⇑ενσε ιν Ενγλανδ φροµ 1697 το 1832. Μορε τηαν 300 Εν− γλιση χουντερφειτερσ διεδ ατ τηε ενδ οφ α ροπε, ανδ µανψ οτηερσ ωερε ρεµανδεδ το πεναλ σερϖιχε ιν Αυστραλια. Ψετ φοργερψ χοντινυεδ. Τηε λαω ρελαξεδ ονλψ υνδερ τηε πρεσσυρε οφ πυβλιχ ινδιγνατιον προ− ϖοκεδ βψ τηε Βανκ οφ Ενγλανδ∏σ φαιλυρε το γετ ον ωιτη τηε ωορκ οφ δεϖισινγ α βανκ νοτε ρεσισταντ το χουντερφειτινγ. Τακε νοτε, Λλοψδ Βεντσεν. ∇Γαρψ Στιξ THOMAS R. NELSON, DOLORES PRETORIUS University of California, San Diego lished customers even as new markets emerge. Environmental analysis will be one. The U.S. Geological Survey has purchased software from AVS to help it build a three-dimensional computer model of the flow from a 14-kilometerlong tunnel designed to carry Boston’s sewage to the sea. Nondestructive structural testing could be another. Failure Analysis Associates in Menlo Park, Calif., has used volume visualization to look for flaws in everything from coffeemakers and valve assemblies to the solid rocket boosters of Minuteman missiles. And voxel-based imaging is practically a prerequisite for laser scan confocal microscopes, instruments that let biologists peer into living cells in a manner analogous to the way CT lets doctors scan the interior of patients. “By the end of this century, volumerendering engines will be as popular as surface-based engines,” predicts Arie Kaufman, a computer scientist at the State University of New York at Stony Brook, who helped pioneer volume graphics. “In the next century, they’ll beat them.” —W. Wayt Gibbs ανατοµιχαλ ατλασ (λεφτ ανδ χεντερ) ασσεµβλεδ βψ ρεσεαρχηερσ ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Ηαµβυργ. Copyright 1994 Scientific American, Inc. Τηε Λαστ Φροντιερ Ρεσεαρχηερσ εξπλορε ⇒βερ∏σ ουτερ ρεαχηεσ Ι φ τηε µυχη ηεραλδεδ µυλτιµεδια ρεϖολυτιον εϖερ χοµεσ το πασσ, τηε τελεχοµµυνιχατιονσ ινφραστρυχτυρε νεεδεδ το χαρρψ ϑυρασσιχ Παρκ ον δε− µανδ, αλονγ ωιτη τηε ιµαγε οφ α Ηαρ− ϖαρδ ηιστορψ προφεσσορ λεχτυρινγ το χηιλ− δρεν ιν α Ηαρλεµ ηιγη σχηοολ, χουλδ θυιχκλψ βε οϖερωηελµεδ. Τηε χαπαχιτψ ρεθυιρεδ φορ διγιταλ ϖιδεο σερϖιχεσ ισ 25 το µορε τηαν 5,000 τιµεσ τηατ ρεθυιρεδ φορ ϖοιχε χονϖερσατιονσ ρουτινελψ χηαν− νελεδ τηρουγη τελεπηονε λινεσ. Φορ τηισ ρεασον, α φεω ρεσεαρχηερσ ατ πλαχεσ λικε ΑΤ&Τ Βελλ Λαβορατοριεσ χον− τινυε το ωορκ ον προβλεµσ οτηερ τηαν δεϖισινγ ηαρδωαρε ανδ σοφτωαρε τηατ ωιλλ λετ α τεεναγερ ιν Μιαµι τακε ον πιµπλψ χουντερπαρτσ αλλ οϖερ τηε χουντρψ ατ ρεαλ−τιµε γαµεσ οφ Σονιχ τηε Ηεδγεηογ. Ονε οφ τηε ηιγηεστ ρατεσ οφ οπτιχαλ τρανσµισσιον οϖερ α σινγλε ⇒βερ ον α χοµµερχιαλ νετωορκ ισ 3.4 γιγαβιτσ α σεχονδ. Τηατ ρατε, αχηιεϖεδ ον ΑΤ&Τ∏σ τρυνκ−λινε τρανσµισσιον λινκσ, ισ λεσσ τηαν 1 περχεντ οφ τηε τηεορετιχαλ χαπαχ− ιτψ οφ 20 ορ µορε τριλλιον βιτσ περ σεχ− ονδ. Σθυεεζινγ µορε βιτσ ιντο εαχη ιν− διϖιδυαλ ⇒βερ ρεµαινσ ονε οφ τηε γρανδ χηαλλενγεσ οφ τελεχοµµυνιχατιονσ. Ιτ ισ αλσο ονε τηατ ισ βεινγ αππροαχηεδ ωιτη χαυτιον: ιφ νο ονε ωαντσ µυλτιµεδια, τηερε ωιλλ βε νο νεεδ φορ α µυλτιβιλλιον− βιτ οπτιχαλ πιπε. Βελλ Λαβσ ισ στιλλ ινϖολϖεδ ιν δεϖελοπ− ινγ αδϖανχεδ ⇒βερ−οπτιχ νετωορκσ. Βυτ ιτ ισ αλσο ηεδγινγ ιτσ βετ βψ σεεκινγ τηε σηελτερ οφ α γοϖερνµεντ−φυνδεδ χον− σορτιυµ φορ ρεσεαρχη ον σενδινγ ινφορ− µατιον ατ βλινδινγ σπεεδσ οφ 100 γιγα− βιτσ ορ µορε εαχη σεχονδ οϖερ α σινγλε ⇒βερ. Ιν τηε νεω χλιµατε, τηισ φαρ−τερµ ρεσεαρχη ισ νοτ γοινγ το βε ηεαϖι− λψ συππορτεδ βψ ανψ χοµπανψ, εϖεν ΑΤ&Τ, σαψσ ςινχεντ Ω. Σ. Χηαν, α ρε− σεαρχηερ ατ τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ, ωηο διρεχτσ τηε χονσορ− τιυµ ιν ωηιχη ΑΤ&Τ παρτιχιπατεσ. Ιτ ισ ονε οφ σεϖεραλ χονσορτια ιν οπτιχαλ χοµ− µυνιχατιονσ τηατ αρε φυνδεδ βψ τηε Αδ− ϖανχεδ Ρεσεαρχη Προϕεχτσ Αγενχψ. Βεσιδεσ ΑΤ&Τ, τηε χολλαβορατιον αλσο ινχλυδεσ Μ.Ι.Τ. ανδ ∆ιγιταλ Εθυιπµεντ Χορπορατιον. Τηε γρουπ, φυνδεδ ατ ∃32 µιλλιον, ισ εξπλορινγ τηε βουνδαρψ ατ ωηιχη ελεχτρονιχ χοµµυνιχατιονσ µυστ γιϖε ωαψ το νετωορκσ τηρουγη ωηιχη τρα⇔χ νοτ ονλψ µοϖεσ βυτ αλσο ισ προ− χεσσεδ ιν τηε φορµ οφ λιγητ. Τοδαψ ⇒βερ ισ εσσεντιαλλψ α πασσιϖε µεδιυµ. Ελεχ− τρονιχ σιγναλσ αρε τρανσφερρεδ το αν οπ− τιχαλ φορµατ φορ τρανσφερ οϖερ α νετ− ωορκ. Βυτ εαχη τιµε α σιγναλ γοεσ ον ορ ο⇑ α φιβερ, ιτ ηασ το βε προχεσσεδ ελεχ− τρονιχαλλψ. Μανψ οφ τηε ινδιϖιδυαλ οπτο− ελεχτρονιχ τρανσµισσιον ανδ ρεχειϖινγ χοµπονεντσ ωιλλ προβαβλψ ωινκ ουτ ατ ρατεσ αρουνδ 50 γιγαβιτσ περ σεχονδ. Σοµε αλλ−οπτιχαλ τεχηνολογιεσ φορ ηαρ− νεσσινγ λιγητ ωαϖεσ αρε βεινγ δεπλοψεδ βψ τελεχοµµυνιχατιονσ χοµπανιεσ. Λαστ συµµερ ΑΤ&Τ βεγαν χοµµερχιαλ υσε οφ οπτιχαλ αµπλι⇒ερσ δοπεδ ωιτη τηε ραρε− εαρτη ελεµεντ ερβιυµ ον α σηορτ 150− µιλε λινκ ιν Χαλιφορνια. Τηε αµπλι⇒ερσ ρε− ϖιϖιφψ αν οπτιχαλ σιγναλ ωιτηουτ χονϖερτ− ινγ ιτ το αν ελεχτρονιχ ονε ανδ αρε χα− παβλε οφ βοοστινγ ηιγηερ−σπεεδ δατα σιγ− ναλσ τηαν ελεχτρονιχ σψστεµσ χαν ηανδλε. Ερβιυµ αµπλι⇒ερσ ωιλλ βε εσσεντιαλ το τηε ηιγη−σπεεδ νετωορκινγ ρεσεαρχη υν− δερτακεν ωιτηιν τηε ΑΡΠΑ−φυνδεδ χολλα− βορατιονσ. Τηεψ ωιλλ ηελπ τηε χονσορτια γραππλε ωιτη τηε προβλεµ οφ ηοω το γετ µορε χαπαχιτψ φροµ α ⇒βερ βψ αππορτιον− ινγ στρεαµσ οφ ϖιδεο, ϖοιχε ορ δατα οντο µανψ δι⇑ερεντ ωαϖελενγτησ οφ αν οπτι− χαλ σιγναλ, α τεχηνιθυε χαλλεδ ωαϖελενγτη διϖισιον µυλτιπλεξινγ (Ω∆Μ). Αν ερβιυµ αµπλι⇒ερ χαν βοοστ δι⇑ερ− εντ ωαϖελενγτησ σιµυλτανεουσλψ. Τηε χονσορτιυµ ιν ωηιχη ΑΤ&Τ ηασ βεεν ινϖολϖεδ ισ αλσο ηελπινγ το δεϖελοπ α σεµιχονδυχτορ λασερ τηατ χαν ραπιδλψ βε τυνεδ το δι⇑ερεντ ωαϖελενγτησ ανδ α δεϖιχε φορ σωιτχηινγ δατα φροµ ονε ωαϖελενγτη το ανοτηερ. Τηε υσε οφ δι⇑ερεντ ωαϖελενγτησ ισ α φορµ οφ παραλλελ τρανσµισσιον. Ω∆Μ ασσεµβλεσ σεπαρατε ωαϖελενγτησ ιντο α ηιγη−χαπαχιτψ σιγναλ. Τηε αρρανγεµεντ ισ αναλογουσ το α βυνδλε οφ ωιρεσ ιν α σηεατη: εαχη ωαϖελενγτη χαρριεσ α λοωερ νυµβερ οφ βιτσ τηαν δοεσ τηε αγγρεγατ− εδ σιγναλ. Χοµµυνιχατιονσ εθυιπµεντ ατ α τελεπηονε χοµπανψ∏σ σωιτχηινγ οφ− φιχε νεεδ ηανδλε ονλψ τηε λοωερ χαρρψ− ινγ χαπαχιτψ οφ εαχη ωαϖελενγτη, νοτ τηε εντιρε βανδωιδτη οφ τηε ωηολε βυνδλε. Α νυµβερ οφ λαβορατοριεσ αρε αλσο δε− ϖελοπινγ α κινδ οφ νετωορκ τηατ υσεσ τηε φυλλ χαπαχιτψ οφ ανψ σιγναλ τηατ µαψ βε ραχινγ αλονγ ατ τενσ ορ ηυνδρεδσ οφ γιγαβιτσ περ σεχονδ. Ινστεαδ οφ Ω∆Μ∏σ παραλλελ τρανσµισσιον, τηισ τιµε−διϖισιον µυλτιπλεξεδ νετωορκ οπερατεσ ιν α σερι− αλ φασηιον. Εαχη µοδυλατεδ πυλσε φολ− λοωσ τηε οτηερ, φορµινγ α στρινγ οφ τινψ πηοτονιχ βοξχαρσ. Ονε βοξχαρ µαψ τρανσ− πορτ ϖιδεο; ανοτηερ µαψ χαρρψ χοµπυτ− ερ δατα. Α πυλσε, χορρεσπονδινγ το α βιτ οφ ινφορµατιον, µυστ βε πυλλεδ ον ανδ ο⇑ τηισ φαστ−µοϖινγ φρειγητ τραιν (µυλ− τιπλεξεδ ορ δεµυλτιπλεξεδ ) ατ ιντερϖαλσ οφ περηαπσ 10 τριλλιοντησ οφ α σεχονδ. Ιν Σεπτεµβερ, Νιππον Τελεγραπη ανδ Τελε− πηονε (ΝΤΤ) αννουνχεδ τηατ ιτ ηαδ δε− µυλτιπλεξεδ α 100−γιγαβιτ−περ−σεχονδ σιγναλ τηατ τραϖελεδ αχροσσ 50 κιλοµε− τερσ ιντο 16 χηαννελσ, εαχη χαρρψινγ 6.3 γιγαβιτσ περ σεχονδ. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 105 ΝΤΤ υσεδ αν ιντερφεροµετερ, χαλλεδ α νονλινεαρ οπτιχαλ λοοπ µιρρορ. Ιν ιτ, λιγητ πυλσεσ ιντερφερε χονστρυχτιϖελψ ιν α λοοπ οφ ⇒βερ το εµιτ α πυλσε τηατ χορρεσπονδσ το α δεµυλτιπλεξεδ 6.3−γιγαβιτ σιγναλ. Ρεσεαρχηερσ ατ Βριτιση Τελεχοµ Λαβο− ρατοριεσ λαστ ψεαρ ηανδλεδ ανοτηερ πιεχε οφ τηε αλλ−οπτιχαλ σιγναλ−προχεσσινγ προβ− λεµ. Τηεψ δεµονστρατεδ ηοω τηε πυλ− σατιονσ οφ α 40−γιγαβιτ−περ−σεχονδ οπτι− χαλ στρεαµ οφ δατα τρανσµιττεδ οϖερ α φιβερ χουλδ βε σψνχηρονιζεδ ωιτη τηε πυλσινγ οφ α λασερ ατ α ρεχειϖινγ ποιντ τηρουγη τηε ιντεραχτιονσ οφ τηε τωο λιγητ βεαµσ. Τηισ λασερ, τυρνινγ ον ανδ ο⇑ ατ α φεω τριλλιοντησ οφ α σεχονδ, χουλδ τηεν σερϖε ασ α τιµινγ σουρχε, ορ χλοχκ, το χοντρολ τηε οπτιχαλ χιρχυιτρψ ρεθυιρεδ φορ δεµυλτιπλεξινγ τηε δατα. Μυχη µορε ωορκ ισ νεεδεδ. Φορ οπτι− χαλ νετωορκσ το µατχη τηειρ ελεχτρονιχ χουσινσ, τηε ρεχειϖινγ εθυιπµεντ µυστ δετερµινε τηε δεστινατιον, ορ αδδρεσσ, φορ ωηιχη τηε διγιταλ ινφορµατιον ισ ιν− τενδεδ. Ιτ µυστ ασχερταιν ωηετηερ ιν− χοµινγ ινφορµατιον σηουλδ βε πλυχκεδ φροµ τηε νετωορκ ορ ρουτεδ αλονγ το α συβσεθυεντ ρεχειϖινγ ποιντ. Μοηαµ− µεδ Ν. Ισλαµ, α προφεσσορ ατ τηε Υνι− ϖερσιτψ οφ Μιχηιγαν, ηασ δεϖισεδ α ρυδι− µενταρψ οπτιχαλ προχεσσινγ δεϖιχε τηατ υσεσ σολιτονσ το ρεαδ αν αδδρεσσ. Σολι− τονσ αρε λιγητ πυλσεσ τηατ δο νοτ βε− χοµε διστορτεδ ωηεν τρανσµιττεδ εϖεν οϖερ γρεατ διστανχεσ. Τηεψ µαψ φορµ α κεψ παρτ οφ νετωορκσ τηατ ωιλλ λετ τηε παρτιχιπαντσ ιν τηε Σονιχ Ηεδγεηογ γαµε χοµπετε τηρουγη τηε ραπιδ−⇒ρε οσχιλλα− τιονσ οφ τηειρ φορε⇒νγερσ ον α ϖιδεο− γαµε χοντρολλερ. ∇Γαρψ Στιξ Υ.Σ. ΠΑΤΕΝΤ ΟΝ ΑΛΛ ΤΡΑΝΣΓΕΝΙΧ ΧΟΤΤΟΝ ωασ αωαρδεδ το Παυλ Φ. Υµβεχκ οφ Αγραχετυσ, α Ω. Ρ. Γραχε συβσιδιαρψ. Υµβεχκ∏σ βροαδ πατεντ ε⇑εχτιϖελψ αλλοωσ Γραχε το χοντρολ γενετιχ ρεσεαρχη ον τηε νατιον∏σ φουρτη−λαργεστ χροπ. ηινδρανχε το ρεσεαρχη. ϑερρψ Θυισεν− βερρψ, διρεχτορ οφ τηε Υ.Σ. ∆επαρτµεντ οφ Αγριχυλτυρε∏σ Χροππινγ Σψστεµσ Ρε− σεαρχη Λαβορατορψ ιν Λυββοχκ, Τεξ., σηαρεσ τηατ φεαρ. Ωε αλωαψσ ηαδ φρεε− δοµ ιν τηε πυβλιχ σεχτορ το δεϖελοπ α βεττερ ϖαριετψ ανδ ρελεασε ιτ το α σεεδ χοµπανψ φορ προδυχτιον, ηε εξπλαινσ. Αλλ οφ α συδδεν τηατ∏σ ρεστριχτεδ. Θυισενβερρψ αλσο χοµπλαινσ τηατ Αγραχετυσ∏σ ρεωαρδ ισ δισπροπορτιονατε το τηε ιννοϖατιον ιτ αχτυαλλψ πυβλισηεδ. Αγραχετυσ περφεχτεδ τηε τεχηνιθυε οφ υσινγ α µιχροοργανισµ, Αγροβαχτεριυµ τυµεφαχιενσ, το χαρρψ α φορειγν γενε ιντο χοττον χελλσ ανδ ινσερτ ιτ ιντο τηε γενοµε ιν συχη α ωαψ τηατ τηε τρανσ− φορµεδ χελλσ χαν βε ιδεντι⇒εδ ανδ χυλ− τυρεδ ιντο φυλλ−γροων πλαντσ. Βυτ, Θυισενβερρψ ασσερτσ, ΥΣ∆Α ρε− σεαρχηερσ αλρεαδψ κνεω τηατ Αγροβαχ− τεριυµ ωασ γοινγ το ινφεχτ χοττον, ωε κνεω ηοω το λοαδ τηε βαχτεριυµ ωιτη παρτιχυλαρ γενεσ ανδ ωε κνεω ηοω το ρεγενερατε χοττον πλαντσ φροµ ϕυστ α φεω χελλσ. Ιτ ωασ ϕυστ α µαττερ οφ πυτ− τινγ ιτ αλτογετηερ, ηε γρυµβλεσ. Τηατ∏σ πατεντ λαω, ρεσπονδσ Κεν− νετη Α. Βαρτον, ϖιχε πρεσιδεντ φορ ρε− σεαρχη ανδ δεϖελοπµεντ ατ Αγραχετυσ. Τηειρ εξπεριµεντ, ηε µαινταινσ, ωασ τηε ⇒ρστ τιµε τηατ ανψονε εϖερ σηοωεδ χονϖινχινγλψ τηατ ψου χουλδ µακε τρανσ− γενιχ χοττον. Τηατ∏σ ωηψ τηοσε χλαιµσ ωερε ισσυεδ βψ τηε πατεντ ο⇔χε. Γραχε ηασ προµισεδ τηατ ιτ ωιλλ δο νοτηινγ το ιµπεδε πυβλιχ ρεσεαρχη ον τρανσγενιχ χοττον. Ωε ωιλλ προϖιδε φρεε λιχενσεσ το ανψ αχαδεµιχ ορ γοϖερν− µεντ ρεσεαρχηερ, Βαρτον πλεδγεσ. Τηατ γενερουσ λιχενσινγ πολιχψ µακεσ γοοδ βυσινεσσ σενσε. Ιφ Αγραχετυσ τριεδ το χιρχλε τηε ωαγονσ ανδ νοτ γραντ λιχενσ− εσ, τηεν ιτ ωουλδ βε ριπε φορ ατταχκ, σαψσ ϑοην Λ. Χαλλαηαν, σενιορ ϖιχε πρεσ− ιδεντ φορ χοττον ατ Χαλγενε, α βιοτεχη ⇒ρµ ιν ∆αϖισ, Χαλιφ. Ινδεεδ, ϑοην Βαρτον οφ Στανφορδ δουβτσ τηατ Αγραχετυσ∏σ πατεντ ωουλδ στανδ υπ ιν χουρτ αγαινστ χοττον τρανσφορµεδ υσινγ τεχηνιθυεσ οτηερ τηαν τηε Αγροβαχτεριυµ µετηοδ. Αγραχετυσ ηασ σο φαρ µαναγεδ το αϖοιδ λεγαλ χον⇓ιχτ οϖερ ιτσ πατεντ. Νο− βοδψ ισ γοινγ το τακε τηεµ το χουρτ σο λονγ ασ τηεψ αρε ρεασοναβλε αβουτ λι− χενσινγ ιτ, Λιζ Λασσεν σαψσ. Σηε εϖι− δεντλψ βελιεϖεσ τηεψ αρε: ασ χηιεφ πατεντ χουνσελ φορ Χαλγενε, Λασσεν µαδε τηε δεχισιον το λιχενσε Αγραχετυσ∏σ πατεντ σο τηατ Χαλγενε χαν ιντροδυχε α τρανσ− γενιχ χοττον ϖαριετψ οφ ιτσ οων χονστρυχ− τιον λατερ τηισ ψεαρ. Μονσαντο ηασ αλσο πυρχηασεδ α λιχενσε, ανδ βοτη χοµπα− νιεσ ωιλλ παψ ροψαλτιεσ το Αγραχετυσ ον εϖερψ τρανσγενιχ χοττονσεεδ τηεψ σελλ. Χυρρεντλψ τηατ ισ εξαχτλψ ζερο. Βυτ ωιτη τηοσε τωο λιχενσεσ, Αγραχετυσ αλ− ρεαδψ ηασ α στρονγ φοοτηολδ ιν τηε φυ− 106 Copyright 1994 Scientific American, Inc. Κινγ Χοττον Ω. Ρ. Γραχε νοω χοντρολσ αλλ τρανσγενιχ χοττον ιν τηε Υ.Σ. Ω NEIL MACDONALD ηεν χηεµιχαλσ γιαντ Ω. Ρ. Γραχε & Χο. τοοκ χοντρολ ιν 1990 οφ Αγραχετυσ, α σµαλλ, µονεψ−λοσινγ αγριχυλτυραλ βιοτεχηνολο− γψ χοµπανψ ϕυστ ωεστ οφ Μαδισον, Ωισ., ιτ µιγητ ηαϖε σεεµεδ φοολιση το λαψ ουτ χαση φορ α ⇒ρµ τηατ, δεσπιτε νινε ψεαρσ οφ ρεσεαρχη, στιλλ ηαδ νο προδυχτσ. Βυτ τωο ψεαρσ λατερ τηε πυρχηασε παιδ ο⇑. Ον Οχτοβερ 27, 1992, τηε Υ.Σ. Πατεντ ανδ Τραδεµαρκ Ο⇔χε αωαρδεδ Αγραχε− τυσ τηε ριγητσ το αλλ γενετιχαλλψ ενγι− νεερεδ χοττον προδυχεδ ιν τηε Υ.Σ. βψ ανψ µεανσ, οφ ανψ ϖαριετψ, ιν ανψ φορµ, υντιλ Απριλ 2, 2008. Τηανκσ το ιτσ τιµελψ αχθυισιτιον, Γραχε ισ νοω εντιτλεδ το α ροψαλτψ ον εϖερψ Αµεριχαν χοττον σεεδ ορ πλαντ τηατ χαρριεσ α φορειγν γενε, ρε− γαρδλεσσ οφ ηοω τηε γενε ωασ πυτ τηερε. Τηε πατεντ∏σ βροαδ σχοπε, υνπαραλ− λελεδ ιν πλαντ βιολογψ, ε⇑εχτιϖελψ γιϖεσ Γραχε χοντρολ οϖερ µυχη οφ τηε ρεσεαρχη ανδ δεϖελοπµεντ ον τηε νατιον∏σ φουρτη− λαργεστ χροπ. Αφτερ νεαρλψ α ψεαρ δυρινγ ωηιχη τηε πατεντ ωεντ µοστλψ υννο− τιχεδ, νεωσ οφ ιτσ βρεαδτη ηασ σπρεαδ ανδ βεγυν το ωορρψ σοµε ρεσεαρχηερσ ανδ λαωψερσ, ωηο βελιεϖε ιτ µαψ ηαϖε σετ α δανγερουσ πρεχεδεντ. Ιτ χερταινλψ σεεµσ το µε το βε µυχη τοο βροαδ α χλαιµ, σαψσ ϑοην Η. Βαρτον, α προφεσσορ οφ πατεντ λαω ατ Στανφορδ Υνιϖερσιτψ Σχηοολ οφ Λαω. Ιτ µαψ βε α ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 τυρε: οφ 50 αππλιχατιονσ φορ ⇒ελδ τεστσ οφ γενετιχαλλψ ενγινεερεδ χοττον συβ− µιττεδ το τηε ΥΣ∆Α φροµ 1988 το 1993, 42 χαµε φροµ Μονσαντο ανδ Χαλγενε, αχχορδινγ το Ηοπε Σηανδ οφ Ρυραλ Αδ− ϖανχεµεντ Φουνδατιον Ιντερνατιοναλ. Τηοσε χορπορατιονσ αλσο ηαππεν το οων αλλ ορ παρτ οφ τηε τωο βιγγεστ χοτ− τονσεεδ χοµπανιεσ ιν τηε ωορλδ, γιϖινγ τηεµ χοντρολ οϖερ 61 περχεντ οφ τηε Υ.Σ. χοττονσεεδ µαρκετ. Μονσαντο ανδ Χαλγενε αρε ανξιουσ το ρεπλαχε µυχη οφ τηε νατυραλ σεεδ σολδ ιν τηατ µαρκετ ωιτη µορε εξπενσιϖε τρανσγενιχ σεεδ τηατ ο⇑ερσ βυιλτ−ιν ηερ− βιχιδε, ινσεχτ ορ φυνγυσ ρεσιστανχε. Χαλ− γενε∏σ ΒΞΝ χοττον, ωηιχη τηε χοµπανψ πλανσ το πλαντ ον 4,000 αχρεσ τηισ σπρινγ, ισ ρεσισταντ το βροµοξψνιλ, α ωεεδ κιλ− λερ προδυχεδ βψ Ρηνε−Πουλενχ. Χαλ− γενε ανδ Μονσαντο αρε βοτη τεστινγ χοττον τηατ ηασ βεεν γιϖεν α γενε φορ α τοξιν φουνδ ιν Βαχιλλυσ τηυρινγιενσισ, α βαχτεριυµ τηατ κιλλσ πεστσ λικε τηε βολλ− ωορµ ωηιλε σπαρινγ ηελπφυλ ινσεχτσ. Αγραχετυσ∏σ σχιεντιστσ αρε µορε ιντερ− εστεδ ιν τινκερινγ ωιτη τηε γενεσ τηατ χοδε φορ τηε χοττον ⇒βερ ιτσελφ. Βψ ιν− χρεασινγ τηε στρενγτη οφ τηε ινδιϖιδυαλ ⇒βερσ, ωε χαν ινχρεασε σπιννινγ σπεεδσ, ανδ τηατ ιµπροϖεσ προδυχτιον εχονοµ− ιχσ, ϖιχε πρεσιδεντ Βαρτον εξπλαινσ. Τηε χοµπανψ αλσο ηοπεσ το δεϖελοπ χοττον τηατ ηολδσ δψε µορε εασιλψ. Ηερε Αγραχετυσ∏σ βενεϖολενχε ρυνσ ουτ. Φορ τηε τιµε βεινγ, ωε∏ϖε δεχιδεδ νοτ το λιχενσε τηε πατεντ φορ ⇒βερ µοδ− ι⇒χατιονσ ιν ορδερ το γιϖε υσ α χοµπετι− τιϖε αδϖανταγε, Βαρτον σαψσ, αλτηουγη ηε αδδσ τηατ ανψτηινγ ισ νεγοτιαβλε. Τηατ δεχισιον φεεδσ τηε φεαρ οφ τηοσε ωηο ωορρψ τηατ µορε µονοπολιστιχ χοµπανιεσ µιγητ γαιν σιµιλαρλψ βροαδ πατεντσ ον οτηερ ιµπορταντ χροπσ. Ωηετηερ τηε πατεντ ο⇔χε ιντενδσ το αππροϖε συχη χλαιµσ ισ υνχλεαρ. Σοµε πατεντσ ⇒λεδ δυρινγ τηε µιδ−1980σ ανδ στιλλ υνδερ χονσιδερατιον αππλιεδ φορ βροαδ χλαιµσ σιµιλαρ το τηοσε ωε ρε− χειϖεδ ον χοττον, Κεννετη Βαρτον ρε− πορτσ. Βυτ ρεχεντλψ γραντεδ πατεντσ συγ− γεστ τηατ τηε στρενγτη οφ Αγραχετυσ∏σ πρεχεδεντ σηουλδ νοτ βε οϖερεστιµατεδ. Χαλγενε, αχχορδινγ το Λασσεν, σετ ιτσ σιγητσ ασ ηιγη ασ Αγραχετυσ διδ ωηεν ιτ αππλιεδ φορ χλαιµσ ον αλλ τρανσγενιχ Βρασ− σιχα, α γενυσ τηατ ινχλυδεσ ραπε, βροχ− χολι, χαυλι⇓οωερ, χαββαγε ανδ βρυσσελσ σπρουτσ. Βυτ τηε πατεντ ο⇔χε δενιεδ τηε βροαδεστ χλαιµσ ανδ αωαρδεδ τηε χοµπανψ ριγητσ ονλψ το Βρασσιχα χελλσ τρανσφορµεδ υσινγ Χαλγενε∏σ µετηοδ. Οφ χουρσε, πατεντσ, εϖεν βροαδ ονεσ, τενδ το βεχοµε οβσολετε βεφορε τηεψ εξπιρε. Σοµεονε ινϖεντινγ α ωαψ το χοντρολ τηε πρεχισε λοχατιον ατ ωηιχη α φορειγν γενε ισ ινσερτεδ ιντο τηε χοτ− τον γενοµε ωουλδ ηαϖε α ϖερψ γοοδ χηανχε, πρεδιχτσ ϑοην Βαρτον, οφ γετ− τινγ α πατεντ τηατ βυµπσ Γραχε∏σ ο⇑ τηε µαπ. Χαλλαηαν οφ Χαλγενε εϖιδεντλψ ηασ τηουγητ αλονγ τηε σαµε λινεσ. Αγρα− χετυσ τηινκσ ιτσ πατεντ χοϖερσ εϖερψ− τηινγ, ηε µυσεσ. Τηατ πρεµισε µαψ ηαϖε το βε τεστεδ. ∇Ω. Ωαψτ Γιββσ Βιοχαταλψστσ Τυρν Ρινγσ αρουνδ τηε Χοµπετιτιον Ω hen the going gets tough, the tough turn to biology. That is what a number of chemists are doing in an effort to solve some extremely difficult problems in chemical synthesis. In at least a few laboratories, the diseasefighting proteins called antibodies are starting to moonlight as catalysts, and they are sometimes succeeding where more conventional agents have failed. In particular, researchers in California have recently shown that catalytic antibodies have a knack for making the cyclic molecules that are the basis of many plastics, synthetic rubbers, insecticides and other materials. Industrial chemists often need to synthesize organic compounds that contain rings of carbon. In 1928 Otto P. H. Diels and Kurt Alder found that a pair of reactants, known as a diene and a dienophile, would spontaneously combine into rings; that discovery brought them a Nobel Prize in 1950. But from a practical standpoint, the Diels-Alder reaction has some shortcomings. One is that it can proceed along either an endo pathway or an exo pathway. Each pathway produces a stereoisomer, or mirror image, of the molecule made by the other, and those stereoisomers have different chemical properties. Thermodynamic constraints favor the endo pathway because in the exo pathway the reactants must assume a more energetic transition state. Making exo products by the Diels-Alder reaction is therefore inefficient at best and nearly impossible at worst. Enzymes and other catalysts can sometimes help chemists sidestep such problems, but nature has not provided any catalysts for the Diels-Alder reaction. “The exo reaction has been rather intractable,” explains Richard A. Lerner of the Scripps Research Institute. So he and his colleagues at Scripps and at the University of California at Los Angeles harnessed antibodies for the job. As catalysts, antibodies have several advantages. If they bind to a transition state, they lend it energy (about 20 kilocalories per mole), which is often more than enough to Copyright 1994 Scientific American, Inc. overcome thermodynamic obstacles. “Antibodies can also control multiple features of the reaction simultaneously,” Lerner explains. “So they can catalyze it, direct it down a disfavored pathway and control the stereochemistry all at once.” Moreover, the fantastic versatility of the mammalian immune system allows it to manufacture antibodies against virtually any molecule. In effect, biochemists can ask the immune system to invent antibodies with the desired catalytic features simply by injecting mice with molecules that resemble a particular transition state. Last October in Science, the researchers announced that they had created a pair of antibodies that could steer the Diels-Alder reaction along either pathway. In theory, synthetic chemists could use one antibody to make the energetically disfavored exo products and the other to make cleaner batches of the endo products. Lerner believes the antibody approach should be applicable to many other types of reactions that are not normally favored to occur. “A lot of chemistry never happens but for the want of a few kilocalories,” he quips. In the past, industry has not raced to adopt catalytic antibodies (including some previous antibodies for the endo Diels-Alder reaction) because of uncertainty about whether they could produce materials in bulk. That may be about to change. According to Lerner, a forthcoming paper will soon show that antibodies can catalyze the formation of products in gram quantities—not much by industrial standards but a good start, Lerner thinks. The antibodies that control the exo and endo Diels-Alder pathways are also just a start. The work is still at “the show-and-tell stage,” Lerner notes. His group is now working on antibodies that will afford more control over the reaction so that it yields a single type of molecule rather than just a set of exo or endo isomers. The team is also trying to make catalytic antibodies for a difficult reaction called a cationic cyclization, which Lerner hopes will be helpful for making steroid drugs inexpensively. —John Rennie ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 107 Προστηετιχ ςισιον ΣΙΛΙΧΟΝ ΕΛΕΧΤΡΟ∆Ε ΑΡΡΑΨ, βυιλτ ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Υταη, µαψ ονε δαψ βε υσεδ το στιµυλατε νευρονσ ιν τηε ϖισυαλ χορτεξ. Τηε τηρεε−διµενσιοναλ αρραψ χονταινσ 100 ελεχτροδεσ, εαχη 1.5 µιλλιµετερσ λονγ ανδ 0.08 µιλλιµετερ ωιδε ατ τηε βασε. ρατηερ τηαν ϕυστ α δι⇑υσε βλοβ οφ λιγητ, σαψσ Ριχηαρδ Α. Νορµανν, ωηο ηεαδσ τηε ϖισυαλ προστηετιχσ προϕεχτ ατ τηε Υνι− ϖερσιτψ οφ Υταη. Το ανσωερ τηατ θυεστιον, Νορµανν∏σ γρουπ ηασ βυιλτ α τηρεε−δι− µενσιοναλ αρραψ οφ 100 ελεχτροδεσ ιν− τενδεδ το στιµυλατε τηε ϖισυαλ χορτεξ. Το δατε, ονλψ συβυνιτσ οφ 10 ελεχτροδεσ ηαϖε βεεν τεστεδ ατ α τιµε. Ιφ παττερνεδ στιµυλατιον δοεσ ινδεεδ γενερατε αδεθυατε ιµαγεσ, τηεν ωηατ χουλδ τηε βλινδ εξπεχτ το σεε? Κεννετη Ω. Ηορχη οφ τηε Υταη τεαµ ηασ σηοων τηατ α σµαλλ νυµβερ οφ ελεχτροδεσ µιγητ προδυχε α διµινισηεδ, βυτ ϖαλυαβλε, ϖι− συαλ σενσε. Ιν σιµυλατιον εξπεριµεντσ, Ηορχη βλοχκεδ ϖολυντεερ στυδεντσ∏ ϖι− σιον υσινγ περφορατεδ µασκσ. Τηε παρ− τιχιπαντσ σαω 625 ποιντσ διστριβυτεδ οϖερ α 1.7−δεγρεε ανγλε, α σπαν ρουγηλψ τηε σιζε οφ ψουρ τηυµβναιλ ατ αρµ∏σ λενγτη. Υνδερ τηεσε χονδιτιονσ, τηε στυ− δεντσ ωερε αβλε το ρεαδ τεξτ φροµ α χοµπυτερ σχρεεν ατ τωο τηιρδσ τηε ρατε τηεψ νορµαλλψ χουλδ. Τεαµσ ατ Μ.Ι.Τ. ανδ Ηαρϖαρδ ανδ ατ ∆υκε Υνιϖερσιτψ αρε δεσιγνινγ αρτι⇒χιαλ− ϖισιον σψστεµσ το στιµυλατε τηε ρετινα. Συχη αν αιδ χουλδ χαπιταλιζε ον τηε νατ− υραλ ιµαγε−φορµινγ προχεσσεσ οφ τηε εψε. Στιλλ, τηε ρεσολυτιον δελιϖερεδ φροµ α ρετιναλ ιµπλαντ ωουλδ βε φαρ φροµ ιδεαλ, ανδ τηισ ιντερϖεντιον ωουλδ ωορκ ονλψ φορ τηοσε πατιεντσ ωηο ηαδ νοτ συσ− ταινεδ σεϖερε δαµαγε το τηε ρετινα ορ το τηε οπτιχ νερϖε. Αλλ τηε σαµε, σοµε πατιεντσ χουλδ αϖοιδ τηε ρισκ οφ βραιν συργερψ. Τηε δεσιγνσ φορ ρετιναλ ιµπλαντσ, λικε τηειρ χορτιχαλ χουσινσ, αρε χηαλλενγεδ βψ α ηοστ οφ προβλεµσ, αµονγ τηεµ τηε ισ− συε οφ ηοω το ατταχη αν ινστρυµεντ το τηε ρετινα ιτσελφ. Ανψτηινγ τηατ∏σ πλαχεδ αγαινστ τηε εψε ωιλλ τενδ το ⇓αιλ αρουνδ ωηεν τηε εψε µοϖεσ, Νορµανν νοτεσ. Βεχαυσε τηε εψε µοϖεσ ϖερψ θυιχκλψ, αν οβϕεχτ οφ ανψ ρεαλ µασσ χουλδ χαυσε σεριουσ δαµαγε. Τηε ρετινα ισ λικε ωετ τισσυε παπερ, Εδελλ εξπλαινσ. Τηε σλιγητεστ τεαρ χαν χαυσε α ρετιναλ δε− ταχηµεντ. Το αϖοιδ συχη αν ουτχοµε, τηε Μ.Ι.Τ.−Ηαρϖαρδ τεαµ ηοπεσ το δε− ϖισε α σιλιχον ιµπλαντ νο µορε τηαν 20 µιχρονσ τηιχκ. Τηε ρεσεαρχηερσ ωουλδ χοµµυνιχατε ωιτη τηε δεϖιχε ϖια α λασερ διοδε µουντεδ ον αν εψεγλασσ φραµε ατταχηεδ το α ϖιδεο χαµερα. Ι∏µ νοτ ωιλλινγ το σαψ ωε∏ρε ηοµε− φρεε ωιτη αρτι⇒χιαλ ϖισιον ατ αλλ, Νορ− µανν σαψσ. Βυτ τηε τεχηνολογιεσ ωε ηαϖε δεϖελοπεδ ρεχεντλψ ωιλλ βεγιν το αλλοω υσ το ασκ ωηετηερ ιτ χουλδ βε− χοµε πραχτιχαλ ορ νοτ. Νορµανν συγ− γεστσ τηατ χλινιχαλ τεστινγ οφ χορτιχαλ ιµ− πλαντσ µαψ βε ποσσιβλε ωιτηιν τηε νεξτ ⇒ϖε ψεαρσ ανδ τηατ χοµµερχιαλ αρτι⇒χιαλ ϖισιον σψστεµσ χουλδ βε α ρεαλιτψ ιν τηε 21στ χεντυρψ. ∇Κριστιν Λευτωψλερ 108 Copyright 1994 Scientific American, Inc. Ωορκερσ ρεσυµε τηε θυεστ φορ α σεεινγ−εψε δεϖιχε Τ RICHARD A. NORMANN University of Utah ηε χοχηλεαρ ιµπλαντ προϖιδεσ ηεαρινγ φορ δεαφ πεοπλε βψ διρεχτ− λψ στιµυλατινγ τηε αυδιτορψ νερϖε. Σχιεντιστσ φεελ α σιµιλαρ προστηεσισ µαψ ονε δαψ εναβλε βλινδ ινδιϖιδυαλσ το σεε. Τεαµσ οφ ρεσεαρχηερσ αχροσσ τηε χουν− τρψ αρε ινϖεστιγατινγ τηε προσπεχτ οφ δε− ϖελοπινγ ιµπλαντσ τηατ χουλδ δελιϖερ ελεχτριχαλ σιγναλσ το νευρονσ ατ ϖαριουσ ποιντσ αλονγ τηε ϖισυαλ πατηωαψ ορ εϖεν το τηε ϖισυαλ χορτεξ ιτσελφ. Ασσιστεδ βψ συχη ινστρυµεντσ, εντηυσιαστσ ηοπε, α βλινδ περσον χουλδ αχθυιρε λιµιτεδ, τηουγη υσεφυλ, ϖισιον. Τηε ιδεα ηασ α λονγ, χοντροϖερσιαλ ηισ− τορψ. Ιν τηε 1960σ Γιλεσ Σ. Βρινδλεψ οφ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαµβριδγε χονδυχτ− εδ α σεριεσ οφ ηιγηλψ πυβλιχιζεδ εξπερι− µεντσ. Βρινδλεψ πλαχεδ 80 ελεχτροδεσ ον τηε συρφαχε οφ α σιγητλεσσ ϖολυντεερ∏σ βραιν. Ηε ωιρεδ τηε ελεχτροδεσ το 80 µινιατυρε ραδιο ρεχειϖερσ ανδ σεωεδ τηε εντιρε αππαρατυσ υνδερ τηε πατιεντ∏σ σχαλπ. Ωηεν ηε τρανσµιττεδ σιγναλσ το τηε δεϖιχε, τηε συβϕεχτ ρεπορτεδ περχειϖ− ινγ ποιντσ οφ λιγητ, κνοων ασ πηοσ− πηενεσ. Σιµιλαρ τριαλσ ωερε χονδυχτεδ ελσεωηερε υντιλ µουντινγ σκεπτιχισµ χονχερνινγ σαφετψ ανδ υσεφυλνεσσ ενδ− εδ τηεµ. Αφτερ α λυλλ οφ µορε τηαν 20 ψεαρσ, τηε εξπεριµεντσ ηαϖε ρεσυµεδ. Τιµεσ ηαϖε δε⇒νιτελψ χηανγεδ, σαψσ ∆αϖιδ ϑ. Εδελλ, ωηο ωορκσ ωιτη ϑοσεπη Φ. Ριζζο ον αν αρτι⇒χιαλ−ϖισιον προϕεχτ ατ τηε Μασσα− χηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολογψ ανδ Ηαρϖαρδ Υνιϖερσιτψ. Πεοπλε αρε α λιττλε µορε χαυτιουσ αβουτ στεππινγ ο⇑ ιντο τηε υνκνοων ωιτη σοµεονε ελσε∏σ βοδψ τηαν Βρινδλεψ ωασ. Εδελλ ρεασονσ τηατ σχιεντιστσ ηαϖε α µυχη βεττερ υνδερ− στανδινγ οφ τηε νερϖουσ σψστεµ νοω, αν αωαρενεσσ τηατ ινστιλλσ ρεσπεχτ φορ ηοω δι⇔χυλτ τηε τασκ οφ χρεατινγ α ϖι− συαλ προστηεσισ ισ. Τηε ιδεα ισ χονχεπ− τυαλλψ ϖερψ σιµπλε, Εδελλ νοτεσ. Βυτ το δο ιτ ιν α ωαψ τηατ∏σ χοµπατιβλε ωιτη τηε βιολογιχαλ σψστεµ ισ ινορδινατελψ δι⇔χυλτ. Νεϖερτηελεσσ, χαρεφυλ ρεσεαρχη ηασ λεδ το σοµε ρεαλ, ιφ µοδεστ, συχχεσσ. Ιν 1992 α βλινδ ϖολυντεερ, ωηο ηαδ ελεχ− τροδεσ ιµπλαντεδ ιν ηερ ϖισυαλ χορτεξ βψ συργεονσ ατ τηε Νατιοναλ Ινστιτυτε οφ Νευρολογιχαλ ∆ισορδερσ ανδ Στροκε, ρεχ− ογνιζεδ πηοσπηενε λεττερσ. Φυρτηερµορε, τηε ΝΙΗ τεαµ οβσερϖεδ τηατ µερε µιχρο− αµπσ οφ χυρρεντ χουλδ εϖοκε πηοσ− πηενεσ. Αρτι⇒χιαλ−ϖισιον ρεσεαρχηερσ γιϖε χρεδιτ φορ τηειρ αχηιεϖεµεντσ το νεω µατεριαλσ, δεϖελοπεδ πριµαριλψ φορ χον− συµερ ανδ µιλιταρψ ελεχτρονιχσ. Μοδερν ελεχτροδεσ, συχη ασ τηοσε µαδε φροµ σιλιχον, αρε λεσσ τηαν ονε ηυνδρεδτη τηε σιζε οφ τηοσε υσεδ βψ Βρινδλεψ, τηε ωορκερσ σαψ. Βεχαυσε τηεψ αρε σο σµαλλ, τηεψ χαν πενετρατε τηε ϖισυαλ χορτεξ ανδ εξχιτε α ηιγηλψ λοχαλιζεδ ποπυλα− τιον οφ νευρονσ. Υνφορτυνατελψ, ουρ ϖισυαλ ωορλδ δοεσ νοτ χονσιστ οφ δισχρετε ποιντσ οφ λιγητ. Ιτ ηασ ψετ το βε σηοων τηατ παττερνεδ στιµυλατιον ϖια α λαργε νυµβερ οφ ελεχ− τροδεσ ωιλλ εϖοκε α χοµπλεξ περχεπτιον ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 ΤΗΕ ΑΝΑΛΨΤΙΧΑΛ ΕΧΟΝΟΜΙΣΤ Ισ Βιγγερ Στιλλ Βεττερ? Β υριεδ σοµεωηερε ιν εϖερψ βασιχ εχονοµιχσ τεξτ λιεσ α σλεεπψ σεχ− τιον ον εχονοµιεσ οφ σχαλε. Τηε τιτανσ οφ εχονοµιχ τηεορψ∇φροµ Μαρξ το Σµιτη το Σχηυµπετερ∇γραϖιτατεδ το− ωαρδ ονε χονχλυσιον: χαπιταλισµ ινεξ− οραβλψ λεαδσ το µασσ προδυχτιον βψ βιγ εντερπρισεσ. Μορε τηαν α χεντυρψ οφ αναλ− ψσισ ηασ σερϖεδ ονλψ το χοντραστ Μαρξ∏σ µαξιµ Τηε λαργερ χαπιταλσ βεατ τηε σµαλλερ το τεξτβοοκ µογυλ Παυλ Σαµυελ− σον∏σ αδαγε Λαργε σιζε βρεεδσ συχχεσσ. ∆ισχυσσιονσ οφ εχονοµιεσ οφ σχαλε οφ− τεν φοχυσ ον τηε ρολε οφ τεχηνολογψ ανδ ηοω ιτ µακεσ ϖαστ προδυχτιον ρυνσ ποσ− σιβλε. Ον α γραπη τηε χοστ περ ωιδγετ δροπσ ασ τηε θυαντιτψ προδυχεδ ρισεσ. Εχονοµιστσ, ιν φαχτ, βορροω αν εξαµπλε οφ σχαλε εχονοµιεσ φροµ ενγινεερσ ωηο δεσιγν γασ πιπελινεσ. Τηε χοστ οφ α πιπε− λινε ισ ρουγηλψ προπορτιοναλ το ιτσ χιρχυµ− φερενχε, ωηιχη δετερµινεσ τηε αµουντσ οφ στεελ νεεδεδ το βυιλδ ιτ, βυτ ιτσ γασ− χαρρψινγ χαπαχιτψ ισ εθυιϖαλεντ το ιτσ αρεα. Ωιδερ πιπελινεσ ηαϖε δισπροπορ− τιονατελψ ινχρεασεδ χαπαχιτψ ανδ τηυσ λοωερ υνιτ χοστσ. Τηε ινϖεντιον οφ τηε µιχροχηιπ συγ− γεστσ το σοµε µοδερν πυνδιτσ τηε ποσ− σιβιλιτψ τηατ τηε χλασσιχ ρελατιονσηιπ χαν βε ινϖερτεδ. Ασ τηε χιρχυιτρψ σηρινκσ, σµαλλερ χοµπυτερσ χαν ηανδλε τηε σαµε αµουντ οφ ωορκ τηατ ηαδ βεεν ασσιγνεδ το α ηυλκινγ χψβερνετιχ ανχεστορ. Υνλικε τηε γασ πιπελινε, τηε ε⇔χιενχιεσ χοµε φροµ δραµατιχ ρεδυχτιονσ ιν τηε σιζε οφ τηε µεανσ οφ προδυχτιον. Τεχηνολογιεσ αρε λεσσ λυµπψ τηαν τηεψ υσεδ το βε, σαψσ Ηαρϖαρδ Υνιϖερσιτψ εχονοµιστ ∆αλε ϑοργενσον. Τηε εχονοµιεσ ασσοχιατεδ ωιτη α µαινφραµε αρε µιµιχκεδ βψ α λο− χαλ−αρεα νετωορκ [ΛΑΝ ]. Βυτ τηε ΛΑΝ ισ λεσσ ινδιϖισιβλε. Ψου χαν αδδ ορ συβτραχτ υνιτσ. Συχη α χονχεπτ βεχοµεσ παρτιχυλαρλψ ποτεντ ωηεν µαρκετσ δεµανδ ινχρεασ− ινγ χυστοµιζατιον. Τηε µαναγεµεντ ανδ χοντρολ ε⇔χιενχιεσ τηατ χοµπυτερσ µακε ποσσιβλε µεαν τηατ χαπιταλιστσ χαν δε− πλοψ µανψ ασσεµβλψ λινεσ, εαχη τυρνινγ ουτ α διφφερεντ ϖαριαντ οφ τηε σαµε γοοδ, ινστεαδ οφ ονε ηυγε λινε σταµπινγ ουτ ιδεντιχαλ προδυχτσ. Ηενρψ Φορδ ηασ βεεν πρεεµπτεδ: ψου χαν νοω γετ α ωιδγετ οφ ανψ χολορ ψου ωαντ, ινχλυδινγ βλαχκ. Ιν βυργεονινγ σερϖιχε ινδυστριεσ, µεανωηιλε, τηε νεω τεχηνολογψ µινι− µιζεσ τρανσαχτιον χοστσ. Α χοµπυτερ Copyright 1994 Scientific American, Inc. νετωορκ, φορ εξαµπλε, µακεσ ιτ ποσσιβλε το εντερ α πιεχε οφ ινφορµατιον συχη ασ αν αιρπλανε ρεσερϖατιον ϕυστ ονχε. Τηε γοαλ ισ νοτ το πυµπ αν εϖερ ινχρεασινγ αµουντ οφ βιτσ τηρουγη αν ελεχτρονιχ πιπελινε βυτ ρατηερ το µακε τηε µοστ υσε οφ εαχη βιτ. Α µορε σπεχυλατιϖε νοτιον ισ ωηετηερ τηε σµαλλερ µεανσ οφ προδυχτιον αλτερ τηε σχαλε οφ τηε οργανιζατιονσ τηατ υσε τηεµ. Ιν οτηερ ωορδσ, δο χοµπανιεσ σχαλε δοων αλονγ ωιτη τηε σιζε οφ τηε ωιρε ωιδτησ ιν τηειρ χοµπυτερσ? Ιφ τηεψ δο, τηεν ρελατιϖελψ σµαλλ ⇒ρµσ µιγητ σοµετιµεσ χοµπετε ωιτη λαργερ ονεσ ον εθυαλ τερµσ (ορ ατ λεαστ υντιλ τηε µορε συβσταντιαλ ριϖαλ ρεσπονδσ βψ ινστιτυτ− ινγ ιτσ οων ε⇔χιενχιεσ). Ισ προδυχτιον οφ φεωερ νυµβερσ οφ µορε σπεχιαλιζεδ προδυχτσ βεττερ χαρ− ριεδ ουτ βψ α σµαλλ χοµπανψ? Ερικ Βρψν− ϕολφσσον ανδ Τηοµασ Ω. Μαλονε οφ τηε Μασσαχηυσεττσ Ινστιτυτε οφ Τεχηνολο− γψ ηαϖε φουνδ εϖιδενχε τηατ συγγεστσ σµαλλερ χοµπανιεσ µαψ βε βεττερ ατ προδυχινγ σηορτ ρυνσ οφ σπεχιαλιζεδ Εχονοµιστσ πονδερ τηε νοτιον τηατ α φιρµ∏σ σιζε µαψ σηρινκ αλονγ ωιτη τηε χιρχυιτσ ιν ιτσ χοµπυτερσ. προδυχτσ τηαν αρε τηειρ οϖερσιζεδ χουσ− ινσ. Τηε τωο λεδ α στυδψ τηατ χορρελατεδ α 20 περχεντ δεχλινε ιν τηε νυµβερ οφ εµπλοψεεσ ιν ινδυστριαλ ⇒ρµσ ωιτη α τριπλινγ ιν τηε ινϖεστµεντ ιν ινφορµα− τιον τεχηνολογψ οϖερ τηε δεχαδε οφ τηε 1980σ. Τηισ τρενδ, Βρψνϕολφσσον σαψσ, χαννοτ φορ τηε µοστ παρτ βε εξπλαινεδ βψ τηε πρεϖαιλινγ ιδεα τηατ µαχηινεσ ρεπλαχε πεοπλε. Ινστεαδ τηε ινϖεστµεντ ιν χοµ− πυτερσ ανδ νετωορκσ οφτεν µακεσ ιτ χηεαπερ το φαρµ ουτ ωορκ το λοω−χοστ σπεχιαλιστσ ρατηερ τηαν το ρεταιν τηε ριγιδ οργανιζατιοναλ στρυχτυρε νεεδεδ το µαν− αγε τηε εντιρε προχεσσ υνδερ ονε ροοφ. Σµαλλ αυτοµοτιϖε−παρτσ χοµπανιεσ γροω, ανδ Γενεραλ Μοτορσ λαψσ ο⇑ ωορκερσ. Τηερε ισ α σιλεντ µαϕοριτψ οφ ϖερψ σµαλλ εντερπρισεσ ηιρινγ ασ φαστ ασ βιγ ⇒ρµσ αρε λαψινγ ο⇑, Βρψνϕολφσσον σαψσ. Οτηερ εχονοµιστσ λοοκ ατ τηε στατισ− τιχσ ανδ δραω α νεαρλψ οπποσιτε χονχλυ− σιον. Τηε σµαλλ−⇒ρµ µψτη ισ νοτ τρυε. Ιτ∏σ α µψτη τηατ∏σ παρτλψ ιδεολογψ ανδ παρτλψ ωισηφυλ τηινκινγ, σαψσ Βεννεττ Ηαρρισον, α προφεσσορ οφ πολιτιχαλ εχον− οµψ ατ Χαρνεγιε Μελλον Υνιϖερσιτψ. Αφτερ αδϕυστινγ φορ υπσ ανδ δοωνσ οφ τηε βυσινεσσ χψχλε, τηε σηαρε οφ ϕοβσ αττριβυτεδ το σµαλλ ανδ µεδιυµ−σιζε ⇒ρµσ ηασ σταψεδ αλµοστ εξαχτλψ ⇓ατ σινχε 1960. Τρυε, λαργε χοµπανιεσ ηαϖε σλιµµεδ δοων, βυτ τηεψ στιλλ αχχουντ φορ α δισ− προπορτιονατε σηαρε οφ εχονοµιχ αχτιϖ− ιτψ, Ηαρρισον αργυεσ. Τηε νοτιον τηατ δι− µινισηινγ χοστσ λοωερ τηε βρεακ−εϖεν ποιντ φορ ινϖεστινγ ιν α νεω τεχηνολογψ ισ οφτεν ϖαλιδ ατ τηε λεϖελ οφ τηε ινδιϖιδ− υαλ χοµπυτερ−χοντρολλεδ µαχηινε βυτ νοτ ατ τηε σχαλε οφ α βυσινεσσ. Α βιγ χοµπανψ ωιλλ ηαϖε τηε ρεσουρχεσ ανδ χαπιταλ το ινϖεστ ιν υσινγ τηε εθυιπ− µεντ µοστ ε⇑εχτιϖελψ. Ανδ ασ φορ ⇓εξι− βιλιτψ, τηε τεχηνολογψ χαν προδυχε χυσ− τοµιζεδ σµαλλ λοτσ, βυτ τηατ χαν βε δονε ιν τηε χορνερ οφ α Φορδ Μοτορ Χοµπανψ πλαντ ασ εασιλψ ασ ιν α σµαλλ βυσινεσσ, ηε χοντενδσ. Αττεµπτσ το σεττλε τηε αργυµεντ ιν φαϖορ οφ ειτηερ βιγ ορ σµαλλ ⇒ρµσ µαψ υλτιµατελψ βε φυτιλε. Ινστεαδ οφ τρψινγ το δετερµινε αν οπτιµαλ ⇒ρµ σιζε ιν α ϖαχυυµ, σοµε αχαδεµιχσ αρε λοοκινγ ατ τηε ρελατιονσηιπσ αµονγ σµαλλ ⇒ρµσ, λαργε ⇒ρµσ ανδ τηε πολιτιχαλ ανδ εχο− νοµιχ ενϖιρονµεντ αρουνδ τηεµ. Τηεσε στυδιεσ αρε οφτεν ασ µυχη τηε δισχιπλινε οφ τηε γεογραπηερ ασ τηεψ αρε οφ τηε εχονοµιστ. Ατ τηε Υνιϖερσιτψ οφ Χαλιφορνια ατ Λοσ Ανγελεσ∏σ Λεωισ Χεντερ φορ Ρεγιοναλ Πολιχψ Στυδιεσ, ρε− σεαρχηερσ αρε στυδψινγ τηε µεανσ βψ ωηιχη ινδυστριαλ διστριχτσ συχη ασ Σιλ− ιχον ςαλλεψ, τηε σουτηερν Χαλιφορνια αερο− σπαχε ινδυστρψ ορ τηε αγγλοµερατιον οφ τεξτιλε ⇒ρµσ νεαρ Φλορενχε (κνοων ασ τηε Τηιρδ Ιταλψ) αχηιεϖε εξτερναλ εχον− οµιεσ οφ σχαλε. Ονχε α ρεγιοναλ ινδυσ− τρψ ηασ βεγυν το γροω, ιτ αττραχτσ α σκιλλεδ λαβορ φορχε ανδ α συππορτινγ ιν− φραστρυχτυρε οφ χιτψ στρεετσ, εξπρεσσωαψσ ανδ αιρπορτσ. Σµαλλ σπεχιαλτψ ⇒ρµσ τηεν µαψ χοεξιστ ωιτη γιαντ προδυχτιον ηουσ− εσ. Τηε σχαλε φαχτορσ χαν ινϖολϖε ηυν− δρεδσ οφ τηουσανδσ οφ ωορκερσ σπρεαδ οϖερ α φεω σθυαρε µιλεσ ρατηερ τηαν σιν− γλε πλαντσ ορ πιπελινεσ. Τηε σιµπλε χοστ−χυρϖε πορτραψαλ οφ τραδιτιοναλ εχονοµιεσ οφ σχαλε µαψ γραδ− υαλλψ φαδε φροµ φυτυρε τεξτσ. Περηαπσ τηε ονλψ χερταιντψ ιν τηε βιγ ϖερσυσ σµαλλ δεβατε ισ τηατ το χαπτυρε τηε συβ− τλετιεσ οφ τηεσε αργυµεντσ τηε τεξτ− βοοκσ τηεµσελϖεσ αρε βουνδ το γροω ιν σιζε. ∇Γαρψ Στιξ ανδ Παυλ Ωαλλιχη ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 109 ΜΑΤΗΕΜΑΤΙΧΑΛ ΡΕΧΡΕΑΤΙΟΝΣ Τηε Νεω Μερολογψ οφ Βεαστλψ Νυµβερσ Λετ ηιµ τηατ ηατη υνδερστανδινγ χουντ τηε νυµβερ οφ τηε βεαστ: φορ ιτ ισ τηε νυµβερ οφ α µαν; ανδ ηισ νυµβερ ισ Σιξ ηυνδρεδ τηρεεσχορε ανδ σιξ. ∇Ρεϖελατιον οφ Στ. ϑοην τηε ∆ιϖινε 13:18 Τ ηε ⇓αµεσ οφ ηελλ⇒ρε ⇓ιχκερεδ αµιδ τοωερινγ πιλλαρσ οφ σµοκε, σχορχηινγ τηε λεαδεν σκψ. Ιν τηε διστανχε τηε ιρον ωαλλσ οφ ∆ισ γλοωεδ α ⇒ερψ ρεδ. Α γρεεν δεµον ιν α σωεατ− σηιρτ ωασ λουνγινγ βεσιδε α λακε οφ βοιλινγ οιλ, ιδλψ τοσσινγ α βροων οϖαλ οβϕεχτ φροµ χλαω το χλαω. Τηε σηιρτ βορε τηε νυµβερ 666 ον τηε φροντ, ανδ ωηεν ηε σωιϖελεδ αρουνδ φορ α πραχτιχε τηροω τηε ναµε ΤΗΕ ΒΕΑΣΤ βεχαµε ϖισιβλε ον τηε βαχκ. Α σεχονδ δεµον, ωηιχη ωασ α ρατηερ 110 αττραχτιϖε σηαδε οφ παστελ βλυε, ταππεδ ηιµ ον τηε σηουλδερ. Υη∇εξχυσε µε, Μρ. Βεαστ, σιρ. Ωηο αρε ψου? Τηε Βεαστ τυρνεδ αρουνδ ανδ λοοκεδ ατ τηε βλυε δεµον∏σ σωεατσηιρτ. Ωηατ πανσψ κινδ οφ α νυµ− βερ ισ ∠847 1/2 ? Ιτ∏σ ωηατ τηεψ γαϖε µε ωηεν Ι τοοκ τηε ϕοβ ψου αδϖερτισεδ, σιρ. Ιτ ωασ τηε ονλψ σηιρτ τηατ ⇒τ µε. ϑοβ? Ωηατ∇οη, Ι ρεµεµβερ. Τυρν αρουνδ. Τηε βαχκ οφ τηε βλυε δεµον∏σ σηιρτ βορε τηε ωορδσ ϑΥΝΙΟΡ ΣΟΥΛΣ ΑΣΣΙΣΤΑΝΤ. Οκαψ, ϑυνιορ, λετ∏σ σεε ηοω γοοδ ψου αρε. Γο ουτ φορ α ρυν, ανδ Ι∏λλ τηροω ψου α πασσ. Τηε ϑυνιορ Σουλσ Ασ− σισταντ σετ ο⇑ ατ α γαλλοπ αλονγ τηε σηορελινε. Τηε Βεαστ δρεω βαχκ α βονψ αρµ ανδ ⇒ρεδ ονε οφ τηε οϖαλ οβϕεχτσ ατ ϑυνιορ∏σ ηεαδ. ϑυνιορ µαδε α γραβ φορ ιτ, µισσεδ ανδ ωατχηεδ ιτ βουνχε παστ ιντο τηε λακε. Τηε οϖαλ οβϕεχτ σχρεαµεδ ασ ιτ ηιτ, τηεν µερχιφυλλψ σανκ φροµ ϖιεω. Σορρψ, Ι γοτ σοµε συλφυρ ιν µψ εψε, ϑυνιορ σαιδ, λοοκινγ ατ τηε ριππλεσ σπρεαδινγ αχροσσ τηε βυρνινγ λακε. Ωασ ιτ α γοοδ ονε? Τηεν ηε χαυγητ ηιµσελφ. Σιλλψ θυεσ− τιον. Ωε δον∏τ γετ τηε γοοδ ονεσ δοων ηερε. Ιτ ωασν∏τ εϖεν α βαδ ονε, τηε Βεαστ ρεµαρκεδ. Ονλψ α χηεαπ ρυββερ σουλ, νοτ εϖεν λεατηερ. Βυτ ψου δον∏τ νεεδ το ωορρψ αβουτ λοσ− ινγ ιτ∇τηερε αρε αλ− ωαψσ πλεντψ οφ χον− δεµνεδ σουλσ το κιχκ αρουνδ. Ηε πιχκεδ υπ ανοτη− ερ φροµ α ηυγε πιλε ανδ σχρυτινιζεδ ιτ. Οη, ηερ, σαιδ τηε Βεαστ δισ− µισσιϖελψ. Ψεσ, σηε ωασ βουνδ το ενδ υπ ηερε αλλ ριγητ. Βυτ ατ λεαστ, ηε αδδεδ, ποιντινγ το τηε ναµε σταµπεδ ον τηε σουλ ιν υνεϖεν γοτηιχ λεττερινγ, σηε κνοωσ ωηο τηε Ηεαϖεν σηε ισ. Υνλικε µε. Ηισ εψεσ συδδενλψ ωελλεδ υπ. ϑυνιορ ωεντ α παλερ σηαδε οφ βλυε. Εϖερψβοδψ κνεω τηατ τηε Βεαστ ωασ γοινγ τηρουγη α µιδ−δεατη ιδεντιτψ χρισισ. Ωιτηουτ ωαρνινγ, τηε ηυγε γρεεν δεµον λεαπεδ το ηισ φεετ ανδ βεγαν κιχκινγ τηινγσ. ΩΗΟ ΑΜ Ι? ηε ροαρεδ. Τηουσανδσ οφ ψεαρσ, βψ Ιαν Στεωαρτ ανδ νοβοδψ εϖερ τελλσ µε ωηο Ι αµ! Τηεν ηε βυρστ ιντο τεαρσ. Ι ηεαρδ τηατ ιν Αραµαιχ∇τηε οριγι− ναλ λανγυαγε οφ τηε Βοοκ οφ Ρεϖελα− τιον∇τηε σψµβολσ φορ 666 σπελλ Νερο.∏ ∆ο ψου τηινκ ψου µιγητ βε Νερο? Νερο ⇒δδλεδ ωηιλε Ροµε βυρνεδ....∏ Ι δον∏τ µινδ τηε βυρνινγ βιτ, βυτ Ι∏µ νοτ α ϖερψ γοοδ ⇒δδλερ, ψου κνοω. Ωελλ, τηε ϑεσυιτ Φατηερ Βονγυσ δε− χοδεδ ψουρ νυµβερ ασ Μαρτιν Λυτηερ,∏ τηε ϑυνιορ Σουλσ Ασσισταντ ϖεντυρεδ, παττινγ τηε Βεαστ σψµπατηετιχαλλψ βε− τωεεν ηισ ηορνσ. Ηε υσεδ τηε σψστεµ κνοων ασ γεµατρια, ιν ωηιχη Α = 1, Β = 2 , . . . υπ το Ζ = 26. Ι κνοω αλλ αβουτ τηατ. Βυτ, ον τηε οτηερ χλαω, Μιχηαελ Στιφελ∇α Γερµαν µατηεµατιχιαν∇προϖεδ∏ Ι ωασ Ποπε Λεο Ξ, τηε Βεαστ σνιϖελεδ. Ηε σταρτεδ ωιτη Λεο ∆εχιµυσ∏ ανδ τηρεω αωαψ εϖ− ερψτηινγ εξχεπτ Λ∆ΧΙΜς. Ωηψ? Τηοσε αρε τηε λεττερσ τηατ χορρε− σπονδ το Ροµαν νυµεραλσ. Τηεψ αδδ υπ το 1,656, σο ηε αδδεδ αν− οτηερ Ξ βεχαυσε ιτ ωασ Λεο Ξ ανδ δε− δυχτεδ Μ βεχαυσε ιτ ωασ τηε ινιτιαλ λεττερ οφ µψστερψ.∏ Τηε Βεαστ γρι− µαχεδ. ∆ιδ ψου εϖερ ηεαρ οφ συχη α δυµβ αργυµεντ? Νεϖερ, ϑυνιορ σαιδ. Οβϖιουσλψ χον− τριϖεδ το γετ τηε δεσιρεδ ρεσυλτ. Πρεχισελψ. Εϖερψβοδψ∏σ γοτ αν αξ το γρινδ. Ανδ ωηατ µακεσ ιτ ωορσε, τηε Βεαστ ωεντ ον, ισ τηατ τηεψ αλλ ηαϖε διφ− φερεντ σψστεµσ φορ ασσιγνινγ νυµεριχαλ ϖαλυεσ το λεττερσ. Νοβοδψ ασκσ ωηετηερ τηερε∏σ σοµε σενσιβλε µετηοδ τηατ δοεσν∏τ δεπενδ ον αλπηαβετιχαλ ορδερ ορ οτηερ αρβιτραρψ χηοιχεσ. Φυννψ ψου σηουλδ µεντιον τηατ. Ι∏ϖε ϕυστ βεεν ρεαδινγ τηε Φεβρυαρψ 1990 ισ− συε οφ Ωορδ Ωαψσ. Ωηατ τηε ανγελ ισ τηατ? Ωελλ, ιτ∏σ α ϕουρναλ οφ ρεχρεατιοναλ λινγυιστιχσ. Ωε∏ρε ιν τρουβλε τηεν, τηε Βεαστ σαιδ. Τηισ ισ α µατηεµατιχαλ ρεχρεα− τιονσ χολυµν. Αη, βυτ τηατ παρτιχυλαρ ισσυε ηαδ αν αρτιχλε τηατ χοµβινεδ βοτη µατηεµατι− χαλ ανδ λινγυιστιχ ρεχρεατιονσ. Ιτ ωασ βψ Λεε Σαλλοωσ, αν εξπερτ ιν νυµεριχαλ ωορδπλαψ, ανδ ιτ ωασ χαλλεδ τηε νεω µερολογψ.∏ Ηε νοτεδ τηατ τηε τιµε−ηον− ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. Σο νοω αλλ τηε νυµβερ−ναµεσ φροµ ΟΝΕ τηρουγη ΤΕΝ αρε περφεχτ. Χαν ωε γο φυρτηερ? τηε Βεαστ ασκεδ. Μαψβε. Τηε ονλψ εξτρα λεττερ ιν ΕΛΕςΕΝ ανδ ΤΩΕΛςΕ ισ Λ. Ιτ ωουλδ βε θυιτε α χοινχιδενχε ιφ ιτ χουλδ βε χηο− σεν το µακε τηεµ βοτη περφεχτ. Ψεσ, βυτ ιν φαχτ Λ = 11 δοεσ µακε τηεµ βοτη περφεχτ. Αµαζινγ. Νοω Τ + Η + Ι + Ρ + Τ + Ε + Ε + Ν = 7 + 3 + 4 + (∠9) + 7 + 1 + 1 + 2, ωηιχη ισ 16. Οη, σαλϖατιον τακε ιτ! Ι συπποσε ωε µιγητ γετ φυρτηερ βψ µακινγ δι⇑ερεντ χηοιχεσ εαρλιερ, ϑυνιορ οβσερϖεδ. Σεϖεραλ οφ τηε ϖαλυεσ ωερε ϕυστ αρβιτραρψ γυεσσεσ. Ι∏µ νοτ συρε ιτ ηελπσ, τηε Βεαστ χουντερεδ. Λοοκ, ιφ ψου τακε τηε φολ− λοωινγ εθυατιον Περφεχτ Νυµβερ−Ωορδσ ιν Ενγλιση Assign the values E=3 F=9 G=6 H=1 I = –4 L=0 N=5 O = –7 R = –6 S = –1 T=2 U=8 V = –3 W=7 X = 11 Z = 10 Then Z+E+R+O=0 F+I+V+E=5 N+I+N+E=9 O+N+E=1 S+I+X=6 T + E + N = 10 T+W+O=2 S+E+V+E+N=7 E + L + E + V + E + N = 11 T+H+R+E+E=3 E+I+G+H+T=8 T + W + E + L + V + E = 12 F+O+U+R=4 ουρεδ πραχτιχε οφ λινκινγ εαχη λεττερ το ιτσ ποσιτιον νυµβερ ισ αν εξπενδαβλε∇ βεχαυσε προ⇒τλεσσ∇χονϖεντιον. Νεω µερολογψ τακεσ τηισ ασ ιτσ σταρτινγ ποιντ.∏ Ι δον∏τ φολλοω ψου, τηε Βεαστ ιντερ− ρυπτεδ τεστιλψ. Ωελλ, τακε, φορ ινστανχε, τηε Ενγλιση ωορδ ονε.∏ Ωιτη τηε υσυαλ αλπηαβετιχαλ ορδερινγ ιν τηατ λανγυαγε, ιτσ νυµεριχαλ ϖαλυε∇ορ γεµατριχ χονσταντ∇ισ 15 + 14 + 5 = 34. Βυτ ιφ νυµερολογψ ηασ ανψ ιντρινσιχ µεανινγ, τηεν τηε γεµατριχ χονσταντ χλεαρλψ ουγητ το βε τηε νυµ− βερ τηατ τηε ωορδ δενοτεσ, ναµελψ, 1. Βυτ ιτ∏σ νοτ. ∆ο ανψ νυµβερ−ωορδσ ηαϖε τοταλσ τηατ εθυαλ τηειρ γεµατριχ χονσταντ? Αχχορδινγ το ∆αϖε Μοριχε, νο∇νοτ ιν Ενγλιση, ατ λεαστ. Υνλεσσ ψου χουντ πηρασεσ λικε Τηισ ισ α Βεαστλψ τεξτ : νυ− µερολογιχαλ χονσταντ οφ σιξ−σιξ−σιξ.∏ Σο ωηατ δοεσ τηισ Σαλλοωσ περσον προποσε το δο αβουτ ιτ? Ασσιγν νυµβερσ φορ εαχη λεττερ τηατ αρεν∏τ γιϖεν βψ τηε ποσιτιον ιν τηε αλ− πηαβετ. Σαψ α νυµβερ−ωορδ ισ περφεχτ ιφ, υσινγ τηοσε ασσιγνµεντσ, ιτσ γεµα− τριχ χονσταντ εθυαλσ ιτσ νυµεριχαλ ϖαλ− υε. Τηεν τρψ το µακε ασ µανψ ασ ποσσι− βλε οφ τηε νυµβερ−ωορδσ ΟΝΕ, ΤΩΟ ανδ σο ον βε περφεχτ. Ηε ρεστριχτσ αττεν− τιον το ωηολε νυµβερ ϖαλυεσ ανδ ιµ− ποσεσ τηε ρυλε τηατ δι⇑ερεντ λεττερσ µυστ βε γιϖεν δι⇑ερεντ ϖαλυεσ. Τηε Βεαστ βλεω ηισ νοσε λουδλψ. Το ωηατ ε⇑εχτ? ηε σνι⇑εδ. Ωελλ, ψου γετ α ωηολε πιλε οφ εθυα− τιονσ λικε Ο+Ν+Ε=1 Τ+Ω+Ο=2 Τ+Η+Ρ+Ε+Ε=3 ιν αλγεβραιχ υνκνοωνσ Ο, Ν, Ε, Τ, Ω, Η, Ρ . . . . Ψου σεε ηοω µανψ οφ τηοσε εθυα− τιονσ χαν βε σολϖεδ, ανδ τηεν ψου αδ− ϕυστ ψουρ ανσωερσ σο τηατ τηεψ σατισφψ ανψ οτηερ χριτερια ψου ωαντ το ιµποσε. Φορ ινστανχε, ψου χαν σεε φροµ τηε εθυατιον Ο + Ν + Ε = 1 τηατ σοµε οφ τηε νυµβερσ ηαϖε το βε νεγατιϖε. Τηεν, βεχαυσε Ν ανδ Ε βοτη οχχυρ ιν ΝΙΝΕ ανδ ΤΕΝ, ιτ µακεσ σενσε το ασσυµε τηατ Ν ανδ Ε ηαϖε βεεν ασσιγνεδ ϖαλυεσ ανδ σεε ωηατ ηαππενσ. Σο Ο, φορ ιν− στανχε, µυστ σατισφψ Ο = 1 ∠ Ν ∠ Ε. Φροµ ΝΙΝΕ ανδ ΤΕΝ, ψου γετ Ι = 9 ∠ 2Ν ∠ Ε, Τ = 10 ∠ Ν ∠ Ε. Νεξτ, βεχαυσε ωε ωαντ Τ + Ω + Ο = 2, ωε ⇒νδ τηατ Ω = 2 ∠ Ο ∠ Τ = 2 ∠ (1 ∠ Ν ∠ Ε ) ∠ (10 ∠ Ν ∠ Ε ) = ∠9 + 2Ν + 2Ε. Ψου ηαϖε το ωατχη ουτ, τηουγη. Συπ− ποσε ψου δεχιδε το σταρτ ωιτη Ε = 4, Ν = 2. Τηεν Τ ωορκσ ουτ ασ 4, τοο∇τηε σαµε ασ Ε. Βεχαυσε τηατ∏σ νοτ αλλοωεδ, ψου ηαϖε το χηοοσε δι⇑ερεντ ϖαλυεσ φορ Ε ανδ Ν. Τηε Βεαστ περκεδ υπ. Ι γετ ιτ! Συπποσε ψου τρψ Ε = 1, Ν = 2. Τηεν ψου ηαϖε το ηαϖε Ι = 4, Τ = 7, Ο = ∠2 ανδ Ω = ∠3. Ωηατ ιφ ωε ωαντ ΤΗΡΕΕ το βε περφεχτ, τοο? Ωελλ, τηατ∏σ τωο νεω λετ− τερσ, Η ανδ Ρ. Ιφ Ι γυεσσ τηατ Η = 3 ανδ υσε τηε φαχτ τηατ Τ + Η + Ρ + Ε + Ε = 3, τηεν Ρ ηασ το βε ∠9. Ανδ τηεν ΦΟΥΡ γιϖεσ τωο µορε νεω λεττερσ, Φ ανδ Υ. Ιφ Ι χηοοσε Φ = 5, τηεν Φ + Ο + Υ + Ρ = 4 λεαδσ το Υ = 10. Ωε∏ρε µακινγ γοοδ προγρεσσ, ϑυνιορ. Ριγητ. Τηεν Φ + Ι + ς + Ε = 5 λεαδσ το ς = ∠5. Βεχαυσε ΣΙΞ χονταινσ τωο νεω λεττερσ, λετ∏σ τρψ ΣΕςΕΝ ⇒ρστ ανδ ⇒ξ τηε ϖαλυε οφ Σ. Ιφ Σ + Ε + ς + Ε + Ν = 7, τηεν Σ = 8. Ανδ τηεν ωε χαν ⇒λλ ιν Ξ φροµ Σ + Ι + Ξ = 6, γεττινγ Ξ = ∠6. Τηεν λοοκ− ινγ ατ τηε εθυατιον φορ ΕΙΓΗΤ, ωε γετ Γ = ∠7. ΤΗΡΕΕ + ΤΕΝ = ΤΗΙΡΤΕΕΝ ανδ χανχελ α λεττερ ιφ ιτ οχχυρσ ον εαχη σιδε, τηεν ψου ενδ υπ ωιτη Ε = Ι. Ανδ τηατ ϖιολατεσ τηε ρυλε τηατ δι⇑ερεντ λετ− τερσ γετ δι⇑ερεντ ϖαλυεσ. Τηε ϑυνιορ Σουλσ Ασσισταντ νοδδεδ. Ι ρεµεµβερ νοω, Σαλλοωσ δισχοϖερεδ τηατ αργυµεντ. Ηε σαψσ ιτ∏σ α νεω µερο− λογιχαλ προοφ τηατ 13 ισ υνλυχκψ. Ωε χουλδ στιλλ γο βαχκωαρδ. Λετ∏σ σεε: ιφ Ζ + Ε + Ρ + Ο = 0, τηεν Ζ = 10. Τηατ∏σ τηε σαµε ασ Υ. Βοτηερ. Ψεσ, βυτ ωε µαδε α λοτ οφ ασσυµπ− τιονσ αβουτ τηε ϖαλυεσ οφ λεττερσ. Μαψβε ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 111 E L W V 4 24 25 1 I F U X 17 9 12 27 N T G Y 2 20 22 11 S R O H 16 6 7 3 ΝΥΜΕΡΙΧΑΛ ΣΠΕΛΛ οφ Λεε Σαλλοωσ. Σε− λεχτ ανψ νυµβερ ον τηε βοαρδ. Σπελλ ιτ ουτ, λεττερ βψ λεττερ. Αδδ τογετηερ τηε χορ− ρεσπονδινγ νυµβερσ (συβτραχτινγ τηοσε ον βλαχκ σθυαρεσ, αδδινγ τηοσε ον ωηιτε σθυαρεσ). Τηε ρεσυλτ ωιλλ αλωαψσ βε πλυσ ορ µινυσ τηε νυµβερ ψου χηοοσε. ωε χαν ⇒ξ τηινγσ υπ βψ χηανγινγ τηεµ. Ανδ τηεψ δισχοϖερεδ τηεψ χουλδ [σεε βοξ ον πρεχεδινγ παγε]. Σαλλοωσ δεσχριβεσ σεϖεραλ µαγιχ τριχκσ βασεδ ον σιµιλαρ ιδεασ, ϑυνιορ ο⇑ερεδ. Φορ ινστανχε, ιφ ψου υσε α δι⇑ερεντ ασσιγνµεντ, Ε=0 Φ = ∠10 Γ=9 Η = ∠8 Ι=1 Λ = ∠7 Ν=4 Ο = ∠3 Ρ=5 Σ = ∠11 Τ=6 Υ = 12 ς = 14 Ω = ∠1 Ξ = 16 Ζ = ∠2 τηεν ΖΕΡΟ τηρουγη ΤΩΕΛςΕ αρε περ− φεχτ, ανδ σο αρε ΦΟΥΡΤΕΕΝ, ΣΙΞΤΕΕΝ, ΣΕςΕΝΤΕΕΝ ανδ ΝΙΝΕΤΕΕΝ. Τηε ιδεα ισ το µακε α σετ οφ χαρδσ, εαχη ηαϖινγ α λεττερ ανδ τηε χορρεσπονδινγ νυµβερ ωριττεν ον ιτ. Μακε τηρεε χαρδσ ωιτη Ε/0, τωο ωιτη Ν/4 ανδ ονε εαχη φορ τηε ρεστ, α τοταλ οφ 19 χαρδσ. Ασκ σοµεονε ιν τηε αυδιενχε το σπελλ ουτ α νυµβερ− ωορδ. Αδδ υπ τηε νυµβερσ ον τηε χαρδσ, ανδ λο ανδ βεηολδ ιτ ισ τηε σαµε ϖαλυε. Εξχεπτ φορ σιγν∇ιτ χουλδ βε ποσ− ιτιϖε ορ νεγατιϖε. Ανδ ωηατ ιφ σοµε σµαρτ αλεχκ σπελλσ ουτ ΤΗΙΡΤΕΕΝ ορ ΦΙΦΤΕΕΝ? τηε Βεαστ ινθυιρεδ. Χαν∏τ βε δονε. Τηερε∏σ ονλψ ονε Τ ανδ ονλψ ονε Φ ιν τηε παχκ. ∆εϖιλισηλψ χλεϖερ. Τηατ Σαλλοωσ γυψ ωουλδ ⇒τ ιν ωελλ δοων ηερε. Τρυε. Ηε ινϖεντεδ α σιµιλαρ τριχκ τηατ ινϖολϖεσ α 4 × 4 χηεσσβοαρδ [σεε ιλλυσ− τρατιον αβοϖε]. Χηοοσε ανψ νυµβερ ον τηε βοαρδ. Σπελλ ουτ ιτσ ναµε, ανδ αδδ υπ τηε νυµβερσ ασσοχιατεδ ωιτη ιτσ λετ− τερσ, χουντινγ τηεµ ασ ποσιτιϖε ον ωηιτε σθυαρεσ βυτ νεγατιϖε ον βλαχκ. Αγαιν, τηε ρεσυλτ ισ τηε νυµβερ σελεχτεδ. Τηε Βεαστ λαυγηεδ, α ηορριβλε σουνδ. 112 ϑοψουσλψ, ηε βοοτεδ α δοζεν χον− δεµνεδ σουλσ ουτ οφ σιγητ οϖερ τηε ηοριζον ανδ βουνχεδ α 13τη υπ ανδ δοων το τηε αχχοµπανιµεντ οφ µυτεδ ηοωλσ ωηενεϖερ ιτ ηιτ τηε γρουνδ. Τηεν τηε δεµον∏σ φαχε φελλ. Ωηατ∏σ τηε µαττερ, Μρ. Βεαστ? Ιτ∏σ αλλ ϖερψ ωελλ υσινγ Ενγλιση ναµεσ. Μαισ εν Φραναισ, παρ εξεµπλε? Αη, ψεσ. Τηατ οπενσ υπ αν εντιρελψ νεω ρανγε οφ θυεστιονσ. Ιν Φρενχη τηε νυµβερ−ωορδσ αρε ΥΝ, ∆ΕΥΞ, ΤΡΟΙΣ, ΘΥΑΤΡΕ, ΧΙΝΘ, ΣΙΞ, ΣΕΠΤ, ΗΥΙΤ, ΝΕΥΦ, ∆ΙΞ, ΟΝΖΕ, ∆ΟΥΖΕ, ΤΡΕΙΖΕ, ΘΥΑ− ΤΟΡΖΕ ανδ σο ον. Νοω, ψου χαν γετ ασ φαρ ασ 13 βυτ νοτ 14. Βεχαυσε χανχελινγ χοµµον λεττερσ ον βοτη σιδεσ οφ ΘΥΑ− ΤΡΕ + ΟΝΖΕ = ΥΝ + ΘΥΑΤΟΡΖΕ λεαδσ το Ε = Υ, ωηιχη ισ φορβιδδεν σινχε διφ− φερεντ λεττερσ µυστ γετ δι⇑ερεντ νυµ− βερσ. Τηε ωηολε γαµε ισ ρεµαρκαβλψ ριγιδ ιν Φρενχη. Ιφ ψου ταχκλε τηε νυµ− βερ−ωορδσ ιν τηε ριγητ ορδερ φροµ ΖΕΡΟ το ΤΡΕΙΖΕ, ψου ωιλλ ⇒νδ τηατ 11 λεττερσ αρε αλλ δετερµινεδ βψ τηε ϖαλυε οφ Ν ανδ τηατ τηε ονλψ οτηερ φρεε χηοιχε ισ Α. Τηατ ισ, ψου αρε φορχεδ το ηαϖε Α=∗ Χ = Α ∠ 5Ν ∠ 4 ∆ = 2Ν Ε = 3Ν ∠ 5 Φ = 13 ∠ 3Ν Η = 4Ν ∠ 11 Ι = 2Ν + 4 Ν=∗ Ο=0 Π=2 Θ = 2Ν + 5 ∠ Α Ρ = Ν ∠ 11 Σ = 2Ν ∠ 4 Τ = 14 ∠ 5Ν Υ=1∠Ν Ξ = 6 ∠ 4Ν Ζ = 16 ∠ 4Ν. Ψου γετ δι⇑ερεντ (ανδ σµαλλ) ϖαλυεσ φορ αλλ τηε λεττερσ ιφ ψου τακε Α = 20, Ν = 7. Ψου ενδ υπ ωιτη τηε ασσιγνµεντσ Α = 20 Χ = ∠19 ∆ = 14 Ε = 16 Φ = ∠8 Η = 17 Ι = 18 Ν=7 Ο=0 Π=2 Θ = ∠1 Ρ = ∠4 Σ = 10 Τ = ∠21 Υ = ∠6 Ξ = ∠22 Ζ = ∠12. Εϖερψ νυµβερ−ναµε φροµ ΖΕΡΟ το ΤΡΕΙΖΕ ισ τηεν περφεχτ. Υνδ αυφ ∆ευτσχη? Οοπσ. Σαλλοωσ διδν∏τ µεντιον Γερ− µαν ιν ηισ αρτιχλε. Ι γυεσσ ωε∏δ βεττερ ωορκ τηατ ουτ φορ ουρσελϖεσ. Με ⇒ρστ. Οµιττινγ ζερο∇βεχαυσε Ι ηαϖε α ηυνχη ιτ ωιλλ βε βεττερ τηατ ωαψ∇ τηε νυµβερ−ωορδσ γο ΕΙΝΣ, ΖΩΕΙ, ∆ΡΕΙ, ςΙΕΡ, ΦΝΦ, ΣΕΧΗΣ, ΣΙΕΒΕΝ, ΑΧΗΤ, ΝΕΥΝ, ΖΕΗΝ, ΕΛΦ, ΖΩΟΛΦ, ∆ΡΕΙΖΕΗΝ, ςΙΕΡΖΕΗΝ, ΦΝΦΖΕΗΝ, ΣΕΧΗΣΖΕΗΝ, ΣΙΕΒΖΕΗΝ, ΑΧΗΤΖΕΗΝ, ΝΕΥΝΖΕΗΝ, ΖΩΑΝΖΙΓ. Ι συπποσε ωε∏δ βεττερ χον− σιδερ το βε τηε σαµε ασ ορδιναρψ Υ. Ιφ ψου σαψ σο, Μρ. Βεαστ. Ηεψ, Ι τηινκ ωε∏ρε ον το σοµετηινγ ηερε. Λοοκ, βε− χαυσε οφ τηε ωαψ Γερµαν δεαλσ ωιτη τηε τεενσ, ιφ ψου γετ τηε νυµβερ−ναµεσ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. υπ το ΖΕΗΝ ωορκινγ, τηεν ∆ΡΕΙΖΕΗΝ υπ το ΝΕΥΝΖΕΗΝ αρε αυτοµατιχ. Εξχεπτ φροµ ΣΙΕΒΖΕΗΝ, ωηιχη ισν∏τ ΣΙΕΒΕΝΖΕΗΝ. Ριγητ. Βυτ τηατ τελλσ υσ τηατ βεχαυσε ΣΙΕΒΕΝ + ΖΕΗΝ = ΣΙΕΒΖΕΗΝ, τηεν, χαν− χελινγ, ωε µυστ ηαϖε Ε + Ν = 0. Τηεν Ε + Ι + Ν + Σ = 1 διχτατεσ τηατ Ι + Σ = 1. Συπποσε ωε λετ Ε ανδ Ι ηαϖε ανψ ϖαλυεσ ωε λικε. Τηεν ωε µυστ ηαϖε Ε=∗ Ι=∗ Ν = ∠Ε Σ = 1 ∠ Ι. Χοντινυινγ ωιτη ΖΩΕΙ, ωε χαν µακε Ζ αρβιτραρψ ανδ δεδυχε τηατ Ζ=∗ Ω = 2 ∠ Ε ∠ Ι ∠ Ζ. Ανδ σο ον. Ιτ γετσ χοµπλιχατεδ, βυτ Ι τηινκ ιφ ωε ωορκ τηρουγη ιτ σψστεµατι− χαλλψ ωε χαν∇ Ψεσ. Ανδ Ι∏ϖε ϕυστ ηαδ α τηουγητ. Γερµαν φορ τωεντψ−ονε∏ ισ ΕΙΝΥΝ∆− ΖΩΑΝΖΙΓ ανδ σο ον. Ιφ ωε µακε ΥΝ∆ ηαϖε α τοταλ οφ 0, τηεν ωε ουγητ το γετ τηε νυµβερσ φροµ 21 το 29 φορ φρεε, τοο. Φορ σεϖεραλ ηουρσ, ϑυνιορ ανδ τηε Βεαστ σχριββλεδ ιν τηε συλφυρ σανδσ οφ Ηαδεσ ωιτη τηειρ ποιντεδ ταιλσ. Εϖεντυ− αλλψ τηεψ χαµε υπ ωιτη τηισ: Α = ∠10 Β=7 Χ = ∠18 ∆=9 Ε = ∠1 Φ = ∠2 Γ = 33 Η = 17 Ι = ∠3 Λ = 14 Ν=1 Ο = ∠6 Ρ = 16 Σ=4 Τ = 19 Υ=8 ς = ∠8 Ω = 13 Ζ = ∠7. Νοω αλλ νυµβερ−ναµεσ φροµ ΕΙΝΣ το ΝΕΥΝΥΝ∆ΖΩΑΝΖΙΓ (29) ωερε περφεχτ. Γοοδ ωορκ, Μρ. Βεαστ, ϑυνιορ εξ− χλαιµεδ. Ι ωονδερ ιφ ωε χαν γετ ∆ΡΕΙ− ΖΙΓ (30) ωορκινγ ασ ωελλ? Ιφ σο, ωε∏δ γετ 31∠39 φορ φρεε. Ανδ ωηατ αβουτ Ιταλ− ιαν, Σπανιση, Ρυσσιαν, Γρεεκ, ϑαπανεσε, Πιδγιν? Βεστ λεφτ φορ τηε τορµεντ οφ εαρτηλψ σουλσ, Ι ωουλδ ϕυδγε, τηε Βεαστ σνορτεδ. ΦΥΡΤΗΕΡ ΡΕΑ∆ΙΝΓ Α ΣΗΟΡΤ ΗΙΣΤΟΡΨ ΟΦ ΜΑΤΗΕΜΑΤΙΧΣ. ςερα Σανφορδ. Ηουγητον Μι⇐ιν, 1930. ΠΕΡΦΕΧΤ ΝΥΜΒΕΡ ΝΑΜΕΣ ΙΝ ΝΕΟ−ΑΛΠΗΑ− ΒΕΤΣ. ∆αϖε Μοριχε ιν ηισ ρεγυλαρ χολυµν Κιχκσηαωσ, ιν Ωορδ Ωαψσ, ςολ. 22, Νο. 4, παγε 238; Νοϖεµβερ 1989. ΤΗΕ ΝΕΩ ΜΕΡΟΛΟΓΨ. Λεε Σαλλοωσ ιν Ωορδ Ωαψσ, ςολ. 23, Νο. 1, παγεσ 12∠19; Φεβρυαρψ 1990. [Ωορδ Ωαψσ ισ αϖαιλαβλε φροµ Φαιτη Ω. Εχκλερ, Σπρινγ ςαλλεψ Ροαδ, Μορριστοων, Νϑ 07960.] ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 113 ΒΟΟΚ ΡΕςΙΕΩΣ Ωηατ Ισ Ηυµανκινδ? ΤΗΕ ΦΙΡΣΤ ΗΥΜΑΝΣ: ΗΥΜΑΝ ΟΡΙΓΙΝΣ ΑΝ∆ ΗΙΣΤΟΡΨ ΤΟ 10,000 Β.Χ., βψ Γραν Βυρενηυλτ, γενεραλ εδιτορ. Τηε Ιλλυστρατ− εδ Ηιστορψ οφ Ηυµανκινδ, ςολ. 1. Ηαρπ− ερΧολλινσ, 1993 (∃40). Ω ηατ ωε χαλλ τηε Ολδ Ωορλδ εξτενδσ οϖερ νεαρλψ α ηεµι− σπηερε, αν υνβροκεν τραχτ οφ λανδ ωηοσε φαρ−⇓υνγ χορνερποστσ λιε νεαρ τηε πρεσεντ χιτιεσ οφ Λονδον, Χαπε− τοων, Βειϕινγ ανδ Συραβαψα. Ιτ ισ τηε ιν− δισπυταβλε ρελιχσ οφ ουρ φορεβεαρσ τηατ δε⇒νε τηε Ολδ Ωορλδ, τηε ανχεστραλ ηοµε. Σχαϖενγερσ, φοραγερσ ανδ ηυντ− ερσ, τηεψ σπρεαδ ον φοοτ, προβαβλψ φροµ τηε Ριφτ ςαλλεψ οφ Αφριχα, φορ α µιλλιον ψεαρσ ανδ µορε, υντιλ εξπανσιον παυσεδ ατ τηε βαρριερ οφ οπεν σεα. βψ Πηιλιπ Μορρισον Τηε τρυε Νεω Ωορλδ ισ τηε οτηερ, ωα− τερψ ηεµισπηερε, ωιτη τηρεε σεαγιρτ χον− τινεντσ. Αυστραλια ωασ Ηοµο σαπιενσ∏ ⇒ρστ Νεω Ωορλδ. Τηε βεστ δατινγ συγ− γεστσ τηε οχεαν βαρριερ ωασ ⇒ρστ βροκεν ατ τηε δεεπ, ναρροω πασσαγε εαστωαρδ φροµ Ινδονεσια, βψ µεν ανδ ωοµεν ιν ουτριγγερ λογ χανοεσ. Ουρ ρεσουρχεφυλ σπεχιεσ λικελψ ⇒ρστ εντερεδ τηε Αµερι− χασ βψ τραϖελινγ εαστωαρδ φροµ Σιβεριαν τυνδρα αλονγ τηε σηαλλοω Αρχτιχ σεασ. Α ⇒νε µαπ λιστσ βψ ναµε σοµε 70 Ολδ Ωορλδ σιτεσ ωηερε βονεσ ανδ αρτι− φαχτσ οφ ουρ φοσσιλ φορεβεαρσ ηαϖε βεεν φουνδ; ⇒ρµ εϖιδενχε οφ πρεµοδ− ερν σπεχιεσ δοτσ τωο δοζεν ρεγιονσ οφ Αφριχα, Ευρασια ανδ Ινδονεσια. Ιν αλλ τηε Νεω Ωορλδ, νοτ ονε συχη σιτε ο⇑ερσ τηε βονεσ ορ τοολσ οφ ανψ ηοµινιδσ βυτ ουρ οων µοδερν σπεχιεσ. Τηε Νεω Ωορλδ (δον∏τ φοργετ Αυστραλια!) ισ α ωορλδ ωηολ− λψ οφ σαπιεντ ηυµανκινδ, χον⇒δεντ ον αρριϖαλ, ωιτη ⇒ρε, λανγυαγε ανδ ωιδελψ ϖαριεδ στψλεσ οφ ηιγη χραφτσµανσηιπ. Νο σιτε ιν τηε Νεω Ωορλδ ισ ανψτηινγ νεαρ α µιλλιον ψεαρσ ολδ, αν ορδερ−οφ−µαγνι− τυδε διστινχτιον φροµ µανψ αν ολδ σιτε ιν τηε οτηερ ηεµισπηερε. Μορε πρεχισε δατινγ ρεµαινσ δισπυταβλε, βυτ τηατ σηαρπ διϖισιον βψ γρεατ αγε ανδ βψ τηε ρεσιδεντ ηυµαν σπεχιεσ ρεστσ ον συρε γρουνδ. Φρεση ανδ οπεν δεσιγν, λαργε παγεσ ωιτη µανψ χολορφυλ πηοτογραπησ, δια− γραµσ ανδ ρεχονστρυχτιονσ, ανδ αν απ− πεαλινγ τεξτ υναφραιδ οφ χοντροϖερσψ µαρκ τηισ, τηε ⇒ρστ ϖολυµε οφ αν αµβι− τιουσ ⇒ϖε−ϖολυµε σετ. Τηε ωορκ ωασ χονχειϖεδ οφ ανδ προδυχεδ ιν Αυστρα− λια, αλτηουγη τηε ε⇑ορτ ισ χοσµοπολιταν, ωιτη α γενεραλ εδιτορ ιν Στοχκηολµ ανδ τωο δοζεν αντηροπολογιστ χοντριβυτορσ 1 2 3 4 5 6 7 8 ΑΓΓΡΕΣΣΙςΕ ΒΕΗΑςΙΟΡ µαψ βε παρτ οφ βεινγ ηυµαν. Ονε ωαψ τηατ πεοπλε ωαρδ ο⇑ αγγρεσσιον ισ το τηρεατεν το χεασε σοχιαλ χονταχτ. Ηερε α Ψανοµαµι βοψ τηρεατενσ ανοτηερ ψουνγστερ, ωηο ατ ⇒ρστ σµιλεσ αππεασινγλψ. Τηισ ταχτιχ ισ ινε⇑εχτιϖε, ανδ αφτερ βεινγ ηιτ, ηε αϖερτσ ηισ γαζε, λοωερσ ηισ ηεαδ ανδ πουτσ. Τηε στρατεγψ οφ αϖοιδινγ χονταχτ ισ µυχη µορε ε⇑εχτιϖε: τηε αγγρεσσορ δεπαρτσ. 114 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 Copyright 1994 Scientific American, Inc. φροµ αρουνδ τηε ωορλδ. Τηερε αρε 10 λιϖελψ χηαπτερσ βψ ασ µανψ αυτηορσ το χαρρψ τηε τοπιχ σψστεµατιχαλλψ φροµ ηυ− µαν οριγινσ ον το τηε αρχηαεολογψ οφ τηε χιρχυµπολαρ Αρχτιχ. Ωιτηιν τηεσε ναρρατιϖεσ, 40 ρελεϖαντ σπρεαδσ αρε εµ− βεδδεδ, εαχη ονε α σπεχιαλιστ∏σ χονχισε αχχουντ, α βουθυετ οφ ινσιγητσ ανδ συρ− πρισεσ τηατ ινχλυδεσ Νεανδερτηαλ ρελι− γιον, ςενυσ ⇒γυρινεσ, τηερµολυµινεσ− χενχε−δατινγ τεχηνιθυεσ ανδ τεστσ οφ ολδ σπεαρποιντσ ιν ελεπηαντ ηυντσ τοδαψ. Α χουπλε οφ τηε 300 εψε−ανδ−µινδ− χατχηινγ ιµαγεσ ιµπελ µεντιον. Ηερε αρε τωο γρανδ ⇓ιντ ποιντσ µαδε φορ τηε µαµµοτη ηυντ, βεαυτιφυλλψ ωορκεδ ιν Ωασηινγτον Στατε σοµε 10,000 ψεαρσ αγο, εαχη ονε τωιχε τηε λενγτη οφ α ηυ− µαν ηανδ. Ορ λοοκ ατ τηε γρεατ αυκ µαστερφυλλψ δραων 18,000 ψεαρσ βαχκ ον αν υππερ ωαλλ οφ α ηαλφ−⇓οοδεδ λιµε− στονε χαϖε νοτ φαρ φροµ Μαρσειλλεσ. Τηε ιµαγε ισ φουνδ 500 φεετ σηορεωαρδ φροµ τηε συβµεργεδ χαϖε εντρανχε 120 φεετ υνδερωατερ. Τηατ υνιθυε χαϖε ωασ φουνδ ιν 1991 βψ α διϖερ. Ωηιλε ιν Χηινα, ιµαγινε α ηυγε χαϖ− ερν . . . εξιστινγ φορ ηυνδρεδσ οφ τηου− σανδσ οφ ψεαρσ, ανδ χονσιδερ α φεω οφ τηε τηινγσ τηατ ωουλδ τακε πλαχε. Λαργε νυµβερσ οφ ηψενασ, ωολϖεσ, χαϖε βεαρσ, α φεω ατ α τιµε, λιϖε ανδ σοµετιµεσ διε ωιτηιν; οωλσ ροοστ ανδ ρεγυργιτατε τηειρ πελλετσ οφ φυρ ανδ βονεσ. Ροχκσ βρεακ λοοσε ανδ φαλλ φροµ τηε ροοφ, σανδ ανδ δυστ ωαση ιν, πλαντσ γροω φροµ τηε σεεδσ χαρριεδ ιν βψ σχυρρψινγ ροδεντσ. Φιναλλψ, πεοπλε εντερ, τοο. Μυχη λατερ τηε σχηολαρλψ εξχαϖατιον ισ νο σινγλε χο− ηερεντ χαµπαιγν, βυτ α λονγ στρυγγλε οφ µανψ διρεχτορσ αγαινστ τιµε ανδ πεν− υρψ, οφτεν υνδερ στρεσσ φροµ ωαρ ουτ− σιδε. Τηατ ισ τηε ηιστορψ οφ τηε γρεατ Χηινεσε χαϖερν Ζηουκουδιαν, στυδιεδ φορ τωο γενερατιονσ. Μανψ θυαρτζ τοολσ ανδ µανψ ινχοµ− πλετε σκελετονσ οφ Πεκινγ Μαν ηαϖε βεεν φουνδ τηερε. Βυτ τηε νοισε οφ βαχκ− γρουνδ εϖεντσ ισ λουδ, τηε ηυµαν σιγ− ναλ φαιντ, εϖεν τηουγη τηε φοσσιλ βονεσ ρεχοϖερεδ αρε ιµµενσελψ ιµπορταντ. Αβουτ αλλ ωε χαν βε συρε οφ ισ τηατ λοχαλ γρουπσ οφ Ηοµο ερεχτυσ λιϖεδ τηερε, λεφτ σοµε βονεσ ανδ σοµε τοολσ, ανδ µαδε ⇒ρε. Τηεψ ωερε µυχη ραρερ οχχυπαντσ τηαν τηε ηψενασ, τηειρ ⇒ρεµαρκσ φαρ λεσσ ϖισιβλε τηαν τηιχκ βλαχκ λαψερσ οφ οωλ δροππινγσ. Τηισ ελοθυεντ ανδ ρεαλ− ιστιχ πασσαγε γοεσ α λονγ ωαψ το µακε χλεαρ ωηατ ωε δο ανδ δο νοτ κνοω αβουτ ουρ ανχεστορσ; εϖεν µορε, περ− ηαπσ, ιτ χλαρι⇒εσ ωηατ ωε κνοω τηατ αιν∏τ σο. Φορ βαλανχε ανδ τιµελινεσσ, φορ ιτσ ριχη ιµαγεσ ανδ χοµπαχτ λιϖελψ τεξτ, τηισ ισ α µοστ ωελχοµε βοοκ. Οφ τηε φουρ µορε ϖολυµεσ προµισεδ σοον αρε ονε ον τηε ρεστ οφ τηε Στονε Αγε, ονε 116 ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 ον τηε χιϖιλιζατιονσ οφ τηε Ολδ Ωορλδ ανδ ονε ον τηοσε οφ τηε Νεω (ωιτη τηε Παχι⇒χ Ισλανδσ), ανδ α ⇒ναλ βοοκ ιν λατε 1995 ον τραδιτιοναλ πεοπλεσ τοδαψ. Τηε βοοκσ το χοµε ηαϖε ηερε α πρεποσ− σεσσινγ φορερυννερ. Ταµινγ τηε Γασεσ ΗΙΣΤΟΡΨ ΑΝ∆ ΟΡΙΓΙΝΣ ΟΦ ΧΡΨΟΓΕΝΙΧΣ, εδιτεδ βψ Ραλπη Γ. Σχυρλοχκ. Οξφορδ Υνιϖερσιτψ Πρεσσ, 1992 (∃165). Ρ εχογνιτιον οφ τηε µατεριαλ να− τυρε οφ ιµπαλπαβλε, ινϖισιβλε γασ− εσ ωασ νο σµαλλ παρτ οφ τηε ρεϖ− ολυτιον ιν χηεµιστρψ ιν τηε δαψσ οφ Αντοινε Λαϖοισιερ. Α γενερατιον λατερ Μιχηαελ Φαραδαψ βεγαν το λινκ γασεσ φυλλψ το τηε ωορλδ οφ µαττερ βψ τυρνινγ τηεµ το λιθυιδσ ορ σολιδσ. Αλλ τηε αππα− ρατυσ αρτφυλ Φαραδαψ νεεδεδ ωασ α στοχκ οφ τηιχκ−ωαλλεδ γλασσ τυβεσ α φοοτ ορ τωο λονγ τηατ ηε χουλδ σεαλ. Ατ ονε ενδ ηε πλαχεδ τηε ρεαχταντσ ηε ωουλδ ηεατ το φορµ τηε γασ; τηε οτηερ ενδ µιγητ βε ιχε−χοολεδ. Ηισ ινστρυµεντατιον ωασ αν ιντερναλ πρεσσυρε γαυγε∇α δροπ οφ µερχυρψ τηατ σεαλεδ ροοµ αιρ ιντο τηε χλοσεδ ενδ οφ α λενγτη οφ γλασσ χαπιλλαρψ τυβινγ∇ανδ αν εξτερναλ τηερµοµετερ. Ατ ονχε ηε µαδε δεχισιϖε προγρεσσ. Ηε ρετυρνεδ το τηε τασκ µυχη λατερ ωιτη σοµεωηατ ηεαϖιερ ωεαπονσ, εϖεν ηοπ− ινγ το τυρν ηψδρογεν ιντο α µεταλ! Βψ 1844 ηε χουλδ ρεπορτ χονδενσατιον οφ α δοζεν ορ τωο γασεσ, ινχλυδινγ α φεω εξοτιχσ συχη ασ χψανογεν ορ ⇓υοσιλι− χον. Πρεσσυρεσ ροσε το 50 ορ 100 ατµο− σπηερεσ; γλασσ εξπλοσιονσ ωερε χοµ− µον, ανδ µασκσ ανδ γογγλεσ βεχαµε δε ριγυευρ ατ τηε Ροψαλ Ινστιτυτιον. Περµανεντ γασεσ ρεµαινεδ α τουγη χηαλλενγε. Ηψδρογεν, νιτρογεν, χαρβον µονοξιδε ανδ οξψγεν ρεφυσεδ το λιθυε− φψ, εϖεν ατ τηε ηιγηεστ πρεσσυρεσ. Βψ τηε 1870σ ιτ βεχαµε πλαιν βοτη φροµ τηεορψ ανδ φροµ εξπεριµεντ τηατ γασεσ ηαϖε α χριτιχαλ τεµπερατυρε. Αβοϖε τηατ τεµπερατυρε, γασ ανδ λιθυιδ ηαϖε εθυαλ δενσιτψ ανδ φορµ ιν φαχτ ονλψ α σινγλε υνιφορµ πηασε. Ονχε ανψ χοµπρεσσεδ γασ ηασ βεεν χοολεδ ενουγη το τυρν ιτ λιθυιδ, τηε λιθυιδ χαν βε εϖαπορατεδ ανδ τηυσ χοολεδ σιµπλψ βψ λοωερινγ τηε πρεσσυρε. Τηατ χολδερ λιθυιδ χαν βε υσεδ το χοολ α σεχονδ γασ βελοω ιτσ οων χριτ− ιχαλ ποιντ, ανδ σο α χασχαδε οφ µανψ χοολινγ στεπσ χαν βε οργανιζεδ υσινγ δι⇑ερεντ συβστανχεσ. Φρεε εξπανσιον χαν χοολ σοµε γασεσ βψ λοωερινγ ιντερ− ναλ ενεργψ, ανδ γασ εξπανσιον το δο εξ− τερναλ ωορκ αγαινστ τηε µεχηανιχαλ λοαδ οφ πιστον ορ τυρβινε ωηεελ χοολσ εϖεν βεττερ. Στεαµ−ποωερεδ µεχηανιχαλ ρεφριγερ− ατιον, υσινγ ϖαριουσ χοµπρεσσεδ ανδ Copyright 1994 Scientific American, Inc. εξπανδεδ ⇓υιδσ, ηαδ βεγυν ιν µιδ−χεν− τυρψ. Ιτσ πυρποσε ωασ το ρεπλαχε τηε ωιντερ ιχε χυστοµαριλψ στορεδ ιν Ευροπε ανδ Αµεριχα φορ συµµερτιµε υσε ανδ σηιππεδ ασ φαρ ασ Ινδια. Ρεφριγερατιον φορ βρεωινγ λαγερ βεερ ιν συµµερ ανδ φορ οϖερσεασ τρανσπορτ οφ φροζεν µεατ προσπερεδ βψ τηε 1870σ. Βψ τηεν τηε τηερµοδψναµιχ λεσσονσ ηαδ βεεν ωελλ λεαρνεδ ιν τηε λαβορατοριεσ, τοο. Οξψγεν ωασ ⇒ρστ λιθυε⇒εδ ιν 1877. Ιν Γενεϖα, συχχεσσ χαµε φροµ α χασχαδε οφ ηεατ εξχηανγε σταγεσ, ⇒ρστ ωιτη λιθ− υιδ συλφυρ διοξιδε, τηεν ωιτη λιθυιδ χαρ− βον διοξιδε. Τηε γοαλ ωασ ινδεπενδεντ− λψ ρεαχηεδ ατ τηε σαµε τιµε ιν Παρισ βψ χοολινγ οξψγεν ατ ηιγη πρεσσυρε βψ συρ− ρουνδινγ ιτ ωιτη χολδ λιθυιδ ετηψλενε ανδ συδδενλψ ρελεασινγ τηε πρεσσυρε. Βοτη λαβσ µαδε ονλψ α τρανσιεντ λιθυιδ, α µιστ ορ α σµαλλ ϕετ οφ λιθυιδ οξψγεν τηατ νειτηερ χουλδ χατχη ορ στορε βεφορε ιτ ϖαποριζεδ. Ψετ τηε ⇒ρστ περµανεντ γασ ηαδ βεεν ταµεδ; χρψογενιχσ ηαδ βεεν βορν. Α υβιθυιτουσ ρεσουρχε, ατµοσπηεριχ οξψγεν, συππορτσ βρεατη ιτσελφ; α τον οφ οξψγεν ισ τακεν υπ εαχη σεχονδ βψ τηε βρεατησ οφ τηε ποπυλατιον οφ τηε Υ.Σ., φαρ λεσσ τηαν ουρ ⇒ρεσ υσε. Ινδυστρψ σεπ− αρατεσ πυρι⇒εδ οξψγεν φροµ Αµεριχαν αιρ ατ αβουτ ηαλφ τηε ρατε ωε βρεατηε ανδ πυρι⇒εσ α τον α σεχονδ οφ νιτρογεν βεσιδεσ. Τηοσε ονχε περµανεντ γασεσ αρε διστιλλεδ ιν ταλλ χολυµνσ τηατ ενχλοσε α σταχκ οφ ϖερτιχαλλψ σπαχεδ σηαλλοω τραψσ. Λιθυε⇒εδ αιρ ισ φεδ ιν ηαλφωαψ υπ. Νιτρογεν−ριχη ϖαπορ βυββλεσ υπωαρδ τραψ βψ τραψ ωηιλε τηε ηεαϖιερ, οξψγεν− ριχη λιθυιδ δριπσ δοων. Φορ αιρ, ηοωεϖ− ερ, αλλ τεµπερατυρεσ αρε ωελλ βελοω τηε αµβιεντ. Τηε χρψογενιχσ ηερε ισ νοτ ατ αλλ ιν τηε προδυχτ βυτ ιν τηε προχεσσ. Ωηατ ισ µοστ στρικινγ ισ τηατ τηισ µοδερν ινδυστρψ γοεσ στραιγητ βαχκ το λα βελλε ποθυε. Προφεσσορ Χαρλ ϖον Λινδε ιν Μυνιχη ωασ ⇒ρστ το προδυχε λιθυιδ αιρ ιν 1895; ινϖεντιϖε ψουνγ Γεοργεσ Χλαυδε ιν Παρισ ωασ ονλψ α φεω ψεαρσ βεηινδ. Λινδε υσεδ τηε εξπανσιον οφ πρεχοολεδ ηιγη−πρεσσυρε αιρ τηρουγη α σιµπλε ϖαλϖε, δεπενδινγ ον ιντερναλ ωορκ ονλψ. Χλαυδε ινστεαδ µαδε α πισ− τον ενγινε το τακε υπ γασ εξπανσιον ανδ νεεδεδ µυχη λοωερ πρεσσυρε. Ονε κεψ ινϖεντιον ωασ Χλαυδε∏σ υσε οφ ενγινε λυβριχαντ τηατ ωουλδ νοτ φρεεζε; ιν τηε λαστ εξπανσιον σταγε, τηατ ωασ λιθυιδ αιρ ιτσελφ, αν ιδεα, ηε ωροτε, ωηιχη ωασ βψ νο µεανσ α στροκε οφ γενιυσ. Τηε ⇒ρστ λαργε µαρκετ ωασ οξψγεν φορ ωελδινγ. Οξψαχετψλενε ωελδινγ∇αχετψλενε ωασ ιν ωιδε υσε φορ λιγητινγ ατ τηε τιµε∇ ωασ α Ευροπεαν ιννοϖατιον οφ 1900. Τηε οριγιναλ ⇒ρµσ οφ Λινδε ανδ οφ Χλαυδε στιλλ δοµινατε ωορλδ προδυχτιον. Λ∏Αιρ Λιθυιδε, τηε βιγγερ οφ τηε τωο, οπ− ερατεσ πλαντσ ιν 100 χουντριεσ. Τηε σεπ− Copyright 1994 Scientific American, Inc. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 117 COMING IN THE APRIL ISSUE... VISUALIZING THE MIND Marcus E. Raichle Washington University Medical Center THE PIONEER MISSION TO VENUS Janet G. Luhmann University of California, Los Angeles James B. Pollack and Lawrence Colin NASA Ames Research Center THE DILEMMAS OF PROSTATE CANCER Marc B. Garnick Genetics Institute, Inc. Cambridge, Massachusetts ALSO IN APRIL... Trade, Jobs and Wages Charge and Spin Density Waves Chemistry and Physics in the Kitchen Precious Metal Objects of the Middle Sicán Trends: Restoration Ecology AT YOUR NEWSSTAND MARCH 29 118 αρατιον προχεσσ ισ χονχεπτυαλλψ υν− χηανγεδ, τηουγη ρεµαρκαβλψ ιµπροϖεδ; πλαντ σιζε ηασ µυλτιπλιεδ 200−φολδ. Ιν 1877 Σιρ ϑαµεσ ∆εωαρ ωασ νεω− λψ προφεσσορ ατ τηε Ροψαλ Ινστιτυτιον, ωηερε Φαραδαψ ηαδ ωορκεδ αλλ ηισ λιφε. Ωιτηιν α ψεαρ ∆εωαρ ηαδ µαδε α µιστ οφ λιθυε⇒εδ οξψγεν ιν α πυβλιχ λεχτυρε υσινγ αππαρατυσ φροµ Παρισ. Ηε ωασ νοτ ⇒ρστ το λιθυεφψ ηψδρογεν, ηοωεϖερ; α τρανσιεντ ηψδρογεν ϕετ ωασ µαδε ιν Κρακω ιν 1884. Βυτ ιν 1898 ηε ωασ τηε ⇒ρστ το ηολδ ηψδρογεν λιθυιδ, υσινγ ηισ χελεβρατεδ σιλϖερεδ ϖαχυυµ ⇓ασκσ, στιλλ χαλλεδ δεωαρσ. Ιν 1901 Σιρ ϑαµεσ, νοω εξπερτ ωιτη ηψδρογεν, σετ ουτ το λιθυεφψ τηε νεω, ϖερψ σχαρχε ελεµεντ ηε− λιυµ. Ιτ ωασ ανοτηερ ραχε, ωιτη εαγερ εν− τραντσ ιν Λονδον, Λειδεν ανδ Κρακω. ϑαµεσ ∆εωαρ ηαδ αλωαψσ ωορκεδ ρατηερ αλονε, εϖεν σεχρετιϖελψ, ωιτη α χουπλε οφ λοψαλ τεχηνιχιανσ. Βυτ Η. Κα− µερλινγη Οννεσ∇προφεσσορ οφ εξπερι− µενταλ πηψσιχσ ατ Λειδεν∇πιονεερεδ τηε βιγ λαβ οφ τηε φυτυρε. Ηισ τεαµ ιν− χλυδεδ ψουνγερ αχαδεµιχ πεερσ, ινχλυδ− ινγ ενγινεερσ ανδ τηεοριστσ, ανδ δρεω α στεαδψ προχεσσιον οφ λιϖελψ στυδεντσ. Τηε εντιρε βυιλδινγ φυλλ οφ εαγερ χρψο− γενιχ ρεσεαρχηερσ ατ Λειδεν χουλδ ουτ− στριπ ανψ λονε προφεσσορ ανδ α χουπλε οφ ασσισταντσ ατ τηε βενχη. Ανδ ιτ ωασ ιν Λειδεν τηατ ηελιυµ ωασ ⇒ρστ λιθυε− ⇒εδ, στορεδ ανδ πυτ ιντο ρεσεαρχη υσε. Τραϖελινγ τηε υνενδινγ ροαδ τοωαρδ αβσολυτε ζερο ηαδ τηροων υπ τηε ⇒ρστ γρεατ χρψογενιχ συρπρισε, βυλκ συπερ− χονδυχτιϖιτψ. Βψ νοω ωε υνδερστανδ ιτ πρεττψ ωελλ; αφτερ αλλ, ιν εϖερψ ατοµ α φεω ελεχτρονσ σηαρε υνενδινγ θυαντυµ µοτιον. Τηε εϖεν στρανγερ ατοµιχ συ− περ⇓οωσ ιν ισοτοπιχ λιθυιδ ηελιυµ αρε φαµιλιαρ, τοο, ωιτη α ωεαλτη οφ πηενοµ− ενα. Τηε σεαρχη νοω ισ ον φορ χεραµιχσ τηατ ωιλλ συπερχονδυχτ εϖεν ωιτηουτ χρψογενιχσ. Τηερµοδψναµιχσ λεδ τηε χρψογενιχσ οφ τηε λαστ χεντυρψ; ιν τηισ ονε, ιτ ωασ θυαντυµ µεχηανιχσ τηατ ⇒− ναλλψ υνλοχκεδ τηε ωονδερσ οφ συπερ− ⇓υιδιτψ. Χρψογενιχσ τοδαψ ιµαγινεσ ιτσ φυτυρε αρουνδ ηψδρογεν ανδ ηελιυµ, αρουνδ υσεφυλ συπερχυρρεντσ ανδ νεω φυελσ, νοτ ιν τηε σεχυρε παστ οφ λιθυιδ αιρ. Ποωερφυλ ανδ πρεχισε συπερχονδυχτ− ινγ µαγνετσ αρε νοω ιν πλαχε υνδερ ηε− λιυµ ατ 1,000 µεδιχαλ ιµαγινγ σιτεσ ανδ α χουπλε οφ αχχελερατορσ (τηουγη νοτ ιν Τεξασ) ανδ αρε ιν λατε σταγεσ οφ Ρ&∆ φορ λεϖιτατεδ τραινσ ανδ σηιπ προπυλσιον. Μαψβε ονε δαψ τηεψ ωιλλ στορε µαγνετιχ ενεργψ ιν βυλκ φορ πεακ ηουρσ οφ ποω− ερ δεµανδ. Μεανωηιλε µψριαδ σµαλλερ υσεσ οφ χρψογενσ αρε σιγναλεδ βψ τηε δεωαρσ ωε σεε ατ εϖερψ σιζε, φροµ τηερ− µοσ βοττλεσ το τανκ χαρσ. Τηε χρψοενγινεερσ ηαϖε νοτ λαγγεδ. Τηερε αρε µανψ τανκερσ α⇓οατ το χαρρψ λιθυιδ µετηανε αχροσσ τηε σεασ βεψονδ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 τηε σπαν οφ πιπελινεσ. Εξπερτσ δρεαµ οφ λιθυιδ ηψδρογεν το ρεπλαχε τηε ηψδρο− χαρβονσ ασ τηε φυτυρε φυελ οφ α χλεαν ανδ συσταιναβλε τρανσπορτατιον εχονο− µψ ωηοσε πριµαρψ ενεργψ ισ σολαρ ορ νυχλεαρ. (Τηε λεαρνεδ εδιτορ ρεγαρδσ λιθ− υιδ ηψδρογεν ασ τοο δανγερουσ φορ αυ− τοµοτιϖε φυελ.) Σαφε προφεσσιοναλ ηαν− δλινγ οφ λιθυιδ ηψδρογεν ρεαχηεδ λαργε σχαλε, µαινλψ φορ ροχκετρψ, αλτηουγη χρψογενιχ ροχκετ φυελ ισ νο λονγερ σο δοµιναντ οϖερ σολιδ προπελλαντσ. Ιν− δεεδ, λιθυιδ ηψδρογεν ασ µοτορ φυελ µιγητ αλσο γιϖε ωαψ το ηψδρογεν στορεδ ασ µεταλ ηψδριδεσ. Τηισ εξπενσιϖε ϖολυµε ωασ πρεπαρεδ φορ ινσιδερσ. Βυτ ιτ ισ φυλλ οφ γοοδ γενερ− αλ ρεαδινγ, αλτηουγη ιτ ισ χλεαρλψ α χολ− λεχτιον οφ οππορτυνιτψ βψ ιτσ µανψ εξπρεσσιϖε αυτηορσ. Τηεψ ο⇑ερ ϖαριετψ φροµ χοµπλετε νατιοναλ ηιστοριεσ το βριεφ ναρρατιϖεσ οφ α σινγλε ιµπορταντ ⇒ρµ ορ λαβορατορψ, ιν 18 χηαπτερσ τηατ τελλ α στορψ χοϖερινγ Ευροπε εαστ το Πολανδ, τηε Υ.Σ., Χηινα ανδ ϑαπαν. Τηε ϑοψ οφ Σλιµε Μολδσ ΛΙΦΕ ΧΨΧΛΕΣ: ΡΕΦΛΕΧΤΙΟΝΣ ΟΦ ΑΝ ΕςΟ− ΛΥΤΙΟΝΑΡΨ ΒΙΟΛΟΓΙΣΤ, βψ ϑοην Τψλερ Βοννερ. Πρινχετον Υνιϖερσιτψ Πρεσσ, 1993 (∃19.95). Ι ηαϖε δεϖοτεδ µψ λιφε το σλιµε µολδσ. Σο οπενσ τηισ φυννψ, σελφ− δεπρεχατινγ, χηαρµινγλψ περσοναλ βοοκ. Ιτ λιεσ βετωεεν αν ινφορµαλ µεµ− οιρ οφ α λιφε οφ τεαχηινγ ανδ φρυιτφυλ ρε− σεαρχη ανδ αν υνχονϖεντιοναλ πορτραιτ οφ βιολογψ, α βροαδ−βρυσηεδ πιχτυρε παιντεδ ον τηε εασελ οφ εϖολυτιον. Βοννερ φουνδ ηισ ωαψ το σλιµε µολδσ ασ α γραδυατε στυδεντ. Ανοτηερ στυ− δεντ∏σ τηεσισ λεδ τηε ωαψ. Ηε ηαδ πυλλεδ ιτ ιδλψ ο⇑ τηε σηελφ ιν ηισ συπερϖισορ∏σ ο⇔χε ωηιλε ταλκινγ το τηε πρεττψ σεχ− ρεταρψ. Τηε χελλυλαρ σλιµε µολδσ δε− σχριβεδ φροµ τοπσοιλ ωορλδωιδε ωερε α ψουνγ εµβρψολογιστ∏σ δρεαµ. Βεγιν ωιτη νεω σπορεσ. Γιϖεν τηε νεεδεδ συβστρατε, τηεσε θυιχκεν ιντο σχαττερεδ αµοεβαλικε χελλσ, σχαρ⇒νγ αωαψ ατ τηε ριχη βαχτεριαλ λαων τηεψ ενϕοψ. Αφτερ α φεω δαψσ, τηε χελλσ ηαϖε διϖιδεδ µιγητ− ιλψ, ανδ νο φοοδ ισ λεφτ; τηε ηυνγρψ χελλσ στρεαµ τογετηερ ιντο γρουπσ. Εαχη γρουπινγ βεχοµεσ α τρανσλυχεντ µιλ− λιµετερ−σιζε σαυσαγε οφ µανψ χελλσ, αβλε το µιµιχ α τινψ σλυγλικε οργανισµ, το οοζε σλιµιλψ αβουτ ωιτη διστινχτ φροντ ανδ ηινδ ενδσ. Τηεσε σλυγσ ωανδερ α ωηιλε, υντιλ ονε βψ ονε τηεψ σεττλε ιν πλαχε ανδ ποιντ υπωαρδ. Τηειρ χελλσ ⇓οω ανδ χηανγε αβουτ υντιλ τηε σλυγσ ηαϖε τυρνεδ ιντο ιµπλαντεδ φρυιτινγ βοδιεσ ωιτη ελεγαντλψ ταπερεδ σταλκσ α µιλλιµετερ ορ τωο ηιγη. Τηε ριπενεδ Copyright 1994 Scientific American, Inc. σταλκσ χοµε το βεαρ α σµαλλ σπηερε, ουτ οφ ωηιχη αρε ρελεασεδ νεω σπορεσ δα χαπο. Τηε χψχλε οφ λιφε ηασ τυρνεδ ονχε; ιτ ισ τηε οργανισµ οϖερ τιµε τηατ ισ τηισ βοοκ∏σ γρανδ τηεµε. Εϖερψ χηαπτερ ηασ ασ τιτλε ανδ τοπιχ α ωαψ νοτ οφ βεινγ βυτ οφ βεχοµινγ. Ωε ρεαδ οφ τηρεε ωαψσ οφ βεχοµινγ λαργερ : βψ µυλτιχελλυλαριτψ (ρεµαρκαβλψ διϖερσε ιν ιτσελφ; ωιτνεσσ τηε σλιµε µολδσ); βψ δεϖελοπµεντ (τηε δι⇑ερεντιατιον οφ χελλσ); ανδ βψ εϖολυτιον, νοω νοτ ωιτηιν ονε λιφε χψχλε βυτ οϖερ λινκεδ µψριαδσ οφ τηεµ. Αδυλτ φορµσ χηανγε µορε συβ− τλψ. Ηαϖινγ βεχοµε ινχρεασινγλψ αωαρε οφ τηε δψναµιχ ενϖιρονµεντ, τηεψ χαν ενλαργε ιν ε⇑εχτ βψ λιφελονγ αλλιανχεσ. Εϖεντυαλλψ τηεψ βεχοµε σοχιαλ, λικε τηε τερµιτεσ ανδ ουρσελϖεσ, υντιλ τηεψ χοµε το βινδ παστ ωιτη φυτυρε µυχη µορε σωιφτλψ, γροωινγ χυλτυραλ ασ ωελλ, ωηιχη µαψ ενταιλ ιντελλιγενχε. Βυτ βαχκ το σλιµε µολδσ. Τηεσε παρτ− τιµε µυλτιχελλυλαρσ αρε αωαρε οφ ονε ανοτηερ. Σινγλε χελλσ ρεπελ. Χυτ α σλυγ ιντο τηρεε ανδ πλαντ τηε παρτσ νεαρβψ. Τηεψ µακε σταλκσ τηατ ρεπελ αγαιν∇τηε σταλκ οφ τηε σλυγ φροντ ενδ φορωαρδ, τηε ηινδ ενδ βαχκ, τηε µιδδλε πιεχε ϖερτι− χαλ. Υνδεργραδυατεσ τριεδ σηυ⇐ινγ τηε ενδσ, βυτ τηε ρεσυλτ ωασ τηε σαµε. Αλλ φρυιτινγ βοδιεσ ρεπελ, ωηατεϖερ τηειρ πλαχε οφ οριγιν. Βψ ωηατ µεανσ? Αφτερ νιχε ηιντσ τηατ σοµε γασ ωασ ινϖολϖεδ, α χρυχιαλ τεστ ωασ δονε. Α φρυιτινγ βοδψ νοσεδιϖεσ ριγητ ιντο ανψ νεαρβψ φραγ− µεντ οφ αχτιϖατεδ χηαρχοαλ. Τηατ στυ⇑ αβσορβσ ανδ βινδσ µοστ ϖολατιλεσ, σο τηατ ιτσ νειγηβορηοοδ ισ φρεε οφ ϖαπορσ. Τηε χλινχηερ ωασ αν αρρανγεµεντ τηατ ηελδ α φρυιτινγ βοδψ σεαλεδ ιν α λιδδεδ πλαστιχ διση, ονε ωιτη α τινψ ηολε ιν τηε λιδ. Πυτ τηε διση ιν α χηαµβερ τηατ ηελδ χλεαν, µοιστ αιρ, ανδ τηε φρυιτινγ βοδψ ωουλδ αιµ στραιγητ υπ φορ τηε ηολε; σοµετιµεσ ιτ εϖεν ωεντ τηρουγη ιτ. Τηε χασε ωασ τηε σαµε φορ εαχη οφ τηε ϖα− πορσ σλιµε χελλσ ρελεασε, σαϖε ονε. Αµ− µονια ουτσιδε, εϖεν ατ α τηουσανδτη οφ τηε χονχεντρατιον οφ τηε οτηερ τεστ γασ− εσ, ινδυχεσ τηε φρυιτινγ βοδψ το ⇓εε τηε ηολε. Α µοµεντ οφ σλιµε µολδ ευρεκα! Ιφ ψου ωαντ το ρεαδ αβουτ Αλβερτ Ειν− στειν ανδ σλιµε µολδσ, ορ αβουτ νατιον− αλ τραδιτιονσ φορ πρεπαρινγ χυλτυρε µε− δια, ορ ανψ οφ τηε δεεπ γενεραλιτιεσ τουχηεδ ον, ψου ωιλλ ⇒νδ α λοτ ιν τηισ σµαλλ ανδ φριενδλψ σπαχε. Νορ ισ σωεετ, χηεερφυλ ϑοην Βοννερ αλωαψσ ιν ονε µοδε. Ηε ηασ ουτγροων ιδεαλιζεδ Αρ− ροωσµιτη ασ ηε ωελχοµεδ τηε χανδορ οφ ϑιµ Ωατσον, νεϖερ αχχυσεδ οφ σωεετ− νεσσ. Ηε ισ στυββορν, ωιτη γοοδ ρεασον, αβουτ εϖολυτιοναρψ γρανδ δεσιγν: φορµσ γετ βιγγερ ιφ τηεψ χαν. Ανδ τρψ ανψ οτηερ οφ ηισ ειγητ ορ νινε βοοκσ; τηισ ρεϖιεωερ ισ γοινγ το λοοκ υπ Τηε Χελλυλαρ Σλιµε Μολδσ, σεχονδ εδιτιον, Πρινχετον, 1967. Copyright 1994 Scientific American, Inc. ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 119 ΕΣΣΑΨ βψ Συσαν Ζολλα−Παζνερ Τηε Προφεσσορ, τηε Υνιϖερσιτψ ανδ Ινδυστρψ Ι τ υσεδ το βε εασψ το βε α προφεσσορ. Ψου ωουλδ ρεαδ ψουρ προφεσσιοναλ ϕουρναλσ, ωριτε ψουρ σχιεντι⇒χ πα− περσ, τεαχη ανδ γιϖε σεµιναρσ. Βυτ υνι− ϖερσιτιεσ αρε ιν τρανσιτιον ανδ σο, τηερε− φορε, αρε τηειρ φαχυλτιεσ. Μορε ανδ µορε εµπηασισ ισ βεινγ πλαχεδ ον ρεσεαρχη ρατηερ τηαν ον τεαχηινγ. Ωιτη τηε χον− στριχτιον οφ φεδεραλ ρεσεαρχη φυνδινγ ανδ τηε ιν⇓υξ οφ συππορτ φροµ πριϖατε ινδυστρψ, σοµε σεε α τρανσφορµατιον φροµ υνιϖερσιτψ το ρεσεαρχη ινστιτυτε το ινδυστριαλ συβσιδιαρψ. Σο ωηεν τοδαψ∏σ προφεσσορσ ηιτ τηε βιγ τιµε, τηεψ ηαϖε το ρεαδ τηειρ προφεσσιοναλ λιτερατυρε ανδ Βυσινεσσ Ωεεκ, ωριτε σχιεντι⇒χ παπερσ ανδ πατεντ αππλιχατιονσ, τεαχη, γιϖε σεµιναρσ ανδ σιτ ον τηε σχιεντι⇒χ αδϖι− σορψ βοαρδσ οφ ϖαριουσ χορπορατιονσ. Τηισ ιντεραχτιον αµονγ σχιεντιστσ, υνιϖερσιτιεσ ανδ ινδυστρψ ισ νοτ νεω. Βυτ τηε δεχρεασε ιν γοϖερνµεντ συπ− πορτ φορ ρεσεαρχη, χοµβινεδ ωιτη τηε εξπλοσιον οφ νεω βιοτεχηνολογψ προδ− υχτσ, ηασ ιντενσι⇒εδ τηε ρελατιονσηιπ. Ιτ ισ νοω µορε προδυχτιϖε∇ανδ µορε χοµπλιχατεδ. Ατ πρεσεντ, βοτη τηε υνιϖερσιτψ αδ− µινιστρατιον ανδ πριϖατε ινδυστρψ µυστ πλαψ α ρολε ιν δεϖελοπινγ τηε σχιεντι⇒χ κνοωλεδγε τηατ γερµινατεσ ανδ γροωσ ιν τηε αχαδεµιχ ενϖιρονµεντ. Τηε υνι− ϖερσιτψ ισ υσυαλλψ ρεσπονσιβλε φορ οβ− ταινινγ πατεντσ ανδ φορ λιχενσινγ τηε ριγητσ φορ ιτσ προφεσσορσ∏ ινϖεντιονσ. Τηε βιοτεχη χοµπανψ, ηαϖινγ λιχενσεδ τηε προδυχτ, µυστ προϖιδε τηε χονσιδ− εραβλε ⇒νανχιαλ βαχκινγ ρεθυιρεδ φορ ιτσ δεϖελοπµεντ ανδ µαρκετινγ. Ιν τηε βεστ οφ αλλ ποσσιβλε ωορλδσ, τηε ινϖεντορσ, τηε υνιϖερσιτψ αδµινιστρατορσ ανδ τηε βιοτεχη εξεχυτιϖεσ ωορκ ασ α ωελλ−οιλεδ µαχηινε τηατ χρεατεσ α βεν− ε⇒χιαλ προδυχτ ανδ γενερατεσ χαπιταλ το συππορτ τηε αχαδεµιχ λαβ, τηε σχιεν− τιστ, τηε υνιϖερσιτψ ανδ τηε χοµπανψ∏σ σηαρεηολδερσ. Ιν τηε ρεαλ ωορλδ, ηοωεϖ− ερ, εαχη οφ τηεσε χοµπονεντ παρτσ ηασ ιτσ οων αγενδα. Τηε γοαλσ µαψ νοτ εν− τιρελψ οϖερλαπ; τηε πριοριτιεσ µαψ βε µισαλιγνεδ. Νεϖερτηελεσσ, αδϖανταγεσ αχχρυε το εαχη οφ τηε παρτιεσ ωηεν τηεψ χοµε το− γετηερ. Τηε σχιεντιστ οφτεν ρεχειϖεσ σιγ− νι⇒χαντ περσοναλ ⇒νανχιαλ ρεωαρδσ ασ ωελλ ασ φυνδσ φορ ρεσεαρχη. Χολλαβορα− τιονσ βετωεεν αχαδεµιχ ανδ ινδυστριαλ λαβσ σερϖε το εξτενδ τηε χαπαχιτψ ανδ ουτπυτ οφ εαχη. Τηε υνιϖερσιτψ ρεχειϖεσ οϖερηεαδ. Τηε χοµπανψ οβταινσ τηε 120 ριγητσ φορ α ποτεντιαλλψ λυχρατιϖε προδ− υχτ. Ανδ τηε προδυχτ, ιφ ιτ συρϖιϖεσ τηε οβσταχλε χουρσε βετωεεν τηε λαβ ανδ τηε βεδσιδε, ωιλλ µοϖε ιντο χλινιχαλ υσε ιν α µυχη σηορτερ τιµε. Βυτ, α χψνιχ µιγητ ρεχαλλ, τηερε ισ νο συχη τηινγ ασ α φρεε λυνχη. Ωηατ πριχε ισ παιδ το αχηιεϖε τηεσε βενε⇒τσ? Τηε ανσωερ δεπενδσ ον ωηο ρεσπονδσ το τηε θυεστιον. Τηε αχαδεµιχ σχιεντιστ ⇒νδσ ηερσελφ τακινγ α χραση χουρσε ιν βυσινεσσ ανδ λαω. Τηε δεµανδσ οφ νεγοτιατινγ αγρεε− µεντσ ανδ ωριτινγ πατεντσ δραιν τιµε ανδ ενεργψ. Σοµε ρεσεαρχη αχτιϖιτιεσ αρε ρεδιρεχτεδ φροµ βασιχ σχιενχε τοωαρδ µορε ιµµεδιατελψ πραχτιχαλ γοαλσ. Τηε προµισε οφ χοντινυινγ ινδυστριαλ συπ− πορτ ισ σεδυχτιϖε βυτ ινεϖιταβλψ τιεδ το χοµµερχιαλ προδυχτσ ανδ τηε βοττοµ λινε. Τηε λαβ µαψ ⇒νδ ιτσελφ φοχυσεδ ον αν αγενδα σετ βψ τηε χοµπανψ. Τηε βα− σιχ ρεσεαρχη τηατ σπαρκεδ τηε ινιτιαλ εφ− φορτ µαψ λιε φαλλοω. Τηε σποντανειτψ οφ σχιεντι⇒χ πυρσυιτ, σο πριζεδ βψ τηοσε λυχκψ ενουγη το ηαϖε ινϖεστιγατορ−ινιτι− ατεδ γοϖερνµεντ ρεσεαρχη γραντσ, µαψ βε ρεστριχτεδ. Τηε σπεεδ ωιτη ωηιχη τηε προφεσσορ χαν σηαρε δατα ορ νεω ρε− αγεντσ µαψ βε σλοωεδ. Τηε ρεσυλτ, ιν τηε ωορστ σχεναριο, ωουλδ βε δελετεριουσ φορ τηε λαβ, ηαρµφυλ φορ σχιενχε, βαδ φορ σοχιετψ. Ηαππιλψ, συχη ωηολεσαλε χοµµαν− δεερινγ οφ αχαδεµιχ λαβσ δοεσ νοτ οχ− χυρ ιφ τηε λαβ µαινταινσ συππορτ φροµ σεϖεραλ σουρχεσ. Τηε δεχρεασεδ αϖαιλ− αβιλιτψ οφ γοϖερνµεντ ανδ φουνδατιον φυνδσ, ηοωεϖερ, µακεσ τηε ωορστ−χασε σχεναριο αν οµινουσ ποσσιβιλιτψ. Φ ορ τηε υνιϖερσιτψ, τηερε αρε οτηερ χονχερνσ. Ιφ α υνιϖερσιτψ στανδσ το γαιν ⇒νανχιαλλψ φροµ τηε χοµ− µερχιαλιζατιον οφ ονε οφ ιτσ προφεσσορ∏σ ινϖεντιονσ, φορ εξαµπλε, τηε ινστιτυτιον µαψ ηεσιτατε, ουτ οφ φεαρ οφ χον⇓ιχτ−οφ− ιντερεστ ισσυεσ, το παρτιχιπατε ιν χλινιχαλ τριαλσ οφ τηε προδυχτ. Συχη α πολιχψ, ηοωεϖερ, µαψ ενγενδερ φριχτιον ανδ φρυστρατιον ιν τηε ρελατιονσηιπ βετωεεν υνιϖερσιτψ αδµινιστρατορσ ανδ φαχυλτψ µεµβερσ. ∆ιστρυστ χαν βε ηειγητενεδ ιφ τηε νεγοτιατιονσ ωιτη χοµπανιεσ αρε ηανδλεδ βψ αν ο⇔χιαλ ωηο ρεπρεσεντσ τηε υνιϖερσιτψ ανδ νοτ τηε ιντερεστσ οφ τηε φαχυλτψ. Υνιϖερσιτιεσ τηεµσελϖεσ ηαϖε φαχεδ τηε φρυστρατιον οφ λιχενσινγ τηειρ ινϖεν− τιονσ το βιοτεχη χοµπανιεσ τηατ ηαϖε τηεν συβλιχενσεδ τηεµ το λαργερ ⇒ρµσ ΣΧΙΕΝΤΙΦΙΧ ΑΜΕΡΙΧΑΝ Μαρχη 1994 φορ ενορµουσ φεεσ. Βεχαυσε τηεσε φεεσ χαν βε δισγυισεδ βψ α ϖαριετψ οφ αχ− χουντινγ προχεδυρεσ, τηερε ισ νο ωαψ φορ τηε υνιϖερσιτψ (ορ τηε ινϖεντορ ) το παρτιχιπατε ιν τηε προ⇒τσ οφ τηε συβλι− χενσινγ αγρεεµεντ. Τηυσ, υνλεσσ τηε ιν− ϖεντιον βεχοµεσ α προδυχτ, τηε προ⇒τσ µαδε βψ τηε βιοτεχη χοµπανιεσ βψ ⇓ιππινγ τηε χοντραχτ αρε νοτ σηαρεδ βψ τηε υνιϖερσιτψ ορ τηε ινϖεντορ. Μεανωηιλε τηε χοµπανψ ωριτεσ τηε χηεχκσ. Ψετ, οφ τηε τηρεε παρτιεσ ιν− ϖολϖεδ, ιτ χοµπροµισεσ τηε λεαστ ιν ιτσ τιµε−ηονορεδ µοδυσ οπερανδι. Ιτ ηασ οβταινεδ αν ιδεα ορ α προδυχτ ανδ ωιλλ υσε ιτ το βενε⇒τ ιτσελφ ανδ τηε πυβλιχ γοοδ. Ιν τηε προχεσσ, οφ χουρσε, ιτ µυστ χοντενδ ωιτη τηε τουχηψ ισσυε οφ αχα− δεµιχ φρεεδοµ ωηιλε χοντρολλινγ αχχεσσ το ινφορµατιον αβουτ τηε προδυχτ∇βυτ τηε ⇒ρµ χονδυχτσ βυσινεσσ ασ υσυαλ. Σο τηε σχιεντιστ, τηε υνιϖερσιτψ ανδ ινδυστρψ ⇒νδ τηεµσελϖεσ ον α τηρεε− ωαψ στρεετ ωηερε ιδεασ φροµ τηε αχα− δεµιχ λαβορατορψ µοϖε ιντο τηε ρεαλµ οφ αππλιχατιον. Βεχαυσε τηε υσε οφ τηισ ηιγηωαψ ηασ ινχρεασεδ δραµατιχαλλψ ιν ρεχεντ ψεαρσ, τρα⇔χ ϕαµσ ανδ χολλισιονσ ηαϖε βεεν υναϖοιδαβλε. Ανδ, ινχρεασινγ− λψ, βασιχ ρεσεαρχη ισ διϖερτεδ φροµ ιτσ πατη. Ινεϖιταβλψ, συχη σιδετραχκινγ ωιλλ σλοω τηε µοϖεµεντ οφ βασιχ σχιενχε δισχοϖεριεσ ιντο βιοτεχηνιχαλ προδυχτσ. Πρεϖεντινγ τηισ σλοωδοων ρεθυιρεσ σοµε νεω ρυλεσ οφ τηε ροαδ. Ινχρεασεδ γοϖερνµεντ φυνδινγ φορ ρεσεαρχη ισ νεχεσσαρψ το ρεστορε ορδερ βψ ρεδιρεχτ− ινγ λαβ ε⇑ορτσ βαχκ τοωαρδ βασιχ ρε− σεαρχη∇τηε ωελλσπρινγ οφ αλλ αππλιεδ τεχηνολογιεσ. Τηε σχιεντιστ ανδ τηε υνι− ϖερσιτψ µυστ χεασε ρεγαρδινγ χοµπανιεσ ασ ιντελλεχτυαλ λιγητωειγητσ ωιτη δεεπ ποχκετσ ανδ λεαρν φροµ τηε βυσινεσσ ωορλδ ηοω εχονοµιχ ρεαλιτψ µυστ βε ιν− τερχαλατεδ ιντο ιδεαλιστιχ γοαλσ. Ανδ τηε χοµπανψ αττιτυδε τηατ τηε σχιεντιστ ηασ δονε τηε εασψ ωορκ ηασ το γιϖε ωαψ το α µορε ινχλυσιϖε αππροαχη τηατ περµιτσ παρτιχιπατιον βψ τηε σχιεντιστ ανδ τηε υνιϖερσιτψ ιν δεχιδινγ ον τηε βεστ ροαδ το δεϖελοπµεντ. Ωιτηουτ τηεσε αχχοµ− µοδατιονσ ον αλλ σιδεσ, τηε ⇓οω οφ ιδεασ ιντο προδυχτσ ωιλλ βε σλοωεδ, ανδ αλλ παρτιεσ, ινχλυδινγ σοχιετψ ατ λαργε, ωιλλ συ⇑ερ φροµ τηε γριδλοχκ. ΣΥΣΑΝ ΖΟΛΛΑ−ΠΑΖΝΕΡ ισ σχιεντι⇒χ διρεχτορ οφ τηε Ρεσεαρχη Χεντερ φορ ΑΙ∆Σ ανδ ΗΙς Ινφεχτιον ατ τηε Νεω Ψορκ ςετ− ερανσ Αδµινιστρατιον Μεδιχαλ Χεντερ ανδ προφεσσορ οφ πατηολογψ ατ τηε Νεω Ψορκ Υνιϖερσιτψ Μεδιχαλ Χεντερ. Copyright 1994 Scientific American, Inc.
© Copyright 2024 Paperzz
![PathoDxtra EN Extraction Reagents [EL]](http://s3.paperzz.com/store/data/005197268_1-df17f7f75aac79943f4a19223c5a9735-250x500.png)