我们大多数人从未思考过表面定律，但它能解释跟你有关的许多事情。定律简单地指出，随着物体体积的增大，其相对表面积减小。以气球为例。当气球没充气的时候，它主要是橡胶，内部只有少量的空气。但如果把它吹胀，它基本上就变成相对少量的橡胶包裹着空气。你把气球吹得越大，它的内部就越占主导地位。

热量是从表面流失的，故此，表面积相对于体积越大，你就越是难以保持温度。这意味着，小动物产生热量[1]必然会比大动物更快。因此，它们必须采用完全不同的生活方式。大象的心脏每分钟只跳动30次，人的心脏每分钟跳动60次，牛的心脏每分钟跳动50~80次，而老鼠的心脏每分钟跳动600次，一秒跳动10次。每一天，只为了维持生命，老鼠就必须吃掉大致相当于自身体重50%的东西。相比之下，我们人类只需要吃掉约体重2%的食物来满足能量需求。动物有一个奇怪的共同点[2]，那就是它们一辈子心跳的次数基本一致。尽管心率存在巨大差异，但几乎所有哺乳动物的平均寿命都在8亿次心跳左右。人类是个例外。我们25岁时心跳就超过8亿次，之后还能再持续跳动50年，大约16亿次。很容易将这种非凡的活力归因于我们天生具备某种优势，但事实上，我们只不过是在过去10或12代人才偏离了标准的哺乳动物模式(多亏了预期寿命的提高)。在历史上的大部分时间，一辈子8亿次心跳差不多同样是人类的平均水平。

如果我们选择冷血，便能极大地减少能量需求。典型的哺乳动物，一天消耗的能量是典型爬行动物的30倍[3]，这就是说，鳄鱼一个月所需的食物量，只够我们一天所需。而我们从中获得了早晨从床上一跃而起的能力(而不是趴在岩石上晒太阳，让阳光温暖我们)，以及在晚上和寒冷天气里，整体而言比爬行动物更有活力、反应更快。

对生存环境的温度，我们的宽容范围极窄。虽然我们的体温在白天略有变化(早晨最低，下午或傍晚最高)，但始终会保持在36~38℃这样一个狭窄范围内。稍微偏离上一两摄氏度[4]，都将带来很多麻烦。仅仅比正常温度低2℃，或者比正常温度高4℃，就会让大脑陷入危机，迅速导致不可逆转的损伤甚或死亡。为了避免灾难，大脑有一个可靠的控制中心——下丘脑，它告诉身体通过流汗来降温，通过颤抖来取暖，并将血液从皮肤转移到更脆弱的器官。

用这样的方法来处理如此关键的问题，似乎并不怎么成熟靠谱，但身体做得非常好。英国学者史蒂夫·琼斯引述过一项著名实验，一名受试者在跑步机上跑马拉松，同时室温逐渐从-45℃提高到55℃——这大致是人类对低温和高温的耐受极限。虽说受试者费了很大工夫，而且温度变化范围很大，但在运动过程中，他的核心体温偏离还不到1℃。

这一实验在很大程度上让人回想起[5]200多年前内科医生查尔斯·布拉格登(Charles Blagden)为伦敦皇家学会所进行的一系列实验。布拉格登建造了一间加热室(基本上相当于一口能装得下人的烤箱)，他和愿意尝试的同事们可以站进去，直到忍耐的极限。布拉格登设法在92.2℃的温度下坚持了10分钟。他的朋友植物学家约瑟夫·班克斯(Joseph Banks)刚跟詹姆斯·库克(James Cook)船长环游世界回来，不久成为英国皇家学会的会长。班克斯设法挺到了98.9℃，但只坚持了3分钟。“为了证明温度计显示的热度没有谬误，”布拉格登记录道，“我们把一些鸡蛋和一块牛排放在锡架上，摆在标准温度计旁……过了大约20分钟，我们拿出鸡蛋，烤得很硬；过了47分钟，牛排不仅熟了，而且几乎全干。”研究人员还测量了他们测试前后尿液的温度，结果发现，尽管加热室的温度很高，尿液的温度却没有变化。此外，布拉格登还推断出，汗水在冷却身体上发挥着核心作用——这是他最重要的洞见，实际上也是他对科学知识唯一持久的贡献。

我们都知道，在发烧的情况下，人的体温偶尔会高于正常水平。奇怪的是，没有人知道为什么会这样[6]——发烧到底是一种旨在杀死入侵病原体的内置防御机制，还是仅仅是身体努力抵抗感染的副产品。这个问题很重要，因为如果发烧是一种防御机制，那么任何抑制或消除它的努力都可能导致反作用。让发烧顺其自然(当然，必须是在一定范围内)有可能是最明智的做法。体温仅升高1℃左右[7]，病毒的复制速度就会降低至此前的1/200——体温小幅上升，人对抗病毒的自卫能力就有了惊人的提高。问题是，我们并不完全明白发烧是怎么回事。艾奥瓦大学教授马克·S. 布隆伯格(Mark S. Blumberg)说：“如果说，发烧是对感染的一种古老反应，人们会认为，要判断它通过什么样的机制为主人带来益处，是很容易的。事实上，这很难。”

如果只要把体温升高1℃~2℃，就能极大地帮助身体抵御入侵的微生物，那为什么不永久性地升高体温呢？答案是它太贵了。只把体温提高2℃，我们对能量的需求就将上升20%。我们现在的问题，是效用和成本之间的理性权衡，在大多数情况下，哪怕是正常体温，也能不错地抵挡微生物了。只需要看看人死以后，微生物多快会蜂拥而来将你吞噬就能明白。这是因为，没有了生命的身体，降到了“快来吃啊”的美味温度，就像放在阳台上冷却的烤饼。

顺便提一句，有一种看法说，我们的大部分热量是通过[8]头顶流失的，这似乎是个神话。头顶只占你身体表面积的2%，而且，对大多数人来说，头发能很好地隔热，所以头顶永远无法成为出色的散热器。反过来说，如果你在大冷天里置身室外，头部是你身体中唯一暴露在外的部分，那么，它将在热量损失中发挥不成比例的重大作用，所以，还是好好听你妈妈的建议吧，把帽子戴上。

维持体内平衡叫作内环境稳定(homeostasis)。创造这个词的是[9]哈佛大学生理学家沃尔特·布拉德福德·坎农(Walter Bradford Cannon, 1871—1945)，据说他也是这门学科的创始人。坎农身材矮胖，照片上他那冷峻僵硬的凝视，掩盖了他本人的热情和蔼。他毫无疑问是个天才，而这种天才的一部分似乎是，他擅长以科学的名义说服别人去做鲁莽而不舒服的事情。他很好奇人为什么饿的时候胃会发出咕咕声，便说服一个名叫亚瑟·L. 沃什伯恩(Arthur L. Washburn)的学生，让后者经过训练克服呕吐反射，以便在他禁食期间，将一条橡皮管塞进喉咙，进入胃部，给附着在橡皮管末端的气球充气，测量胃部的膨胀收缩。而后，沃什伯恩照常生活——上课、在实验室工作、跑腿——而气球却不舒服地膨胀、塌陷，别人还盯着他看，因为他发出奇怪的声音，嘴里还冒出一根管子。

坎农说服其他学生在接受X光检查时食用食物，这样他就能看到食物从口腔进入食道，又进入消化系统。他借此成为第一个观察生理蠕动(食物经肌肉推动通过消化道)的人。这些和其他新奇的实验，成为坎农经典教科书《疼痛、饥饿、恐惧和愤怒中身体的变化》(Bodily Changes in Pain, Hunger, Fear, and Rage)的基础，多年以来，此书都是生理学领域的最权威作品。

坎农的兴趣似乎没有领域限制。他是自主神经系统(自主神经系统是指身体自动做的所有事情，比如呼吸、泵血和消化食物)和血浆方面的世界权威。他对杏仁核和下丘脑进行了开创性的研究，推断出肾上腺素在生存反应中的作用(“或战或逃反应”或“战逃反应”这个词就是他创造的)，开发出第一种有效的休克疗法，甚至还抽出时间就伏都教(voodoo)风俗写了一篇权威性十足而且令人尊敬的论文[10]。在业余时间，他热衷于户外活动。1901年，他和妻子在蜜月旅行中首登了蒙大拿现属冰川国家公园里的一座山峰，为了纪念他们，这座山峰被命名为坎农山。第一次世界大战爆发时，尽管已经年满45岁，还是5个孩子的父亲，坎农仍以哈佛医院志愿者的身份应征入伍，到欧洲当了两年战地医生。1932年，坎农将自己毕生所学和多年的研究浓缩成一本畅销书《身体的智慧》(The Wisdom of the Body)，概述了身体自我调节的非凡能力。瑞典生理学家乌尔夫·冯·欧拉(Ulf von Euler)跟进了坎农的人类战逃冲动[战逃冲动(Fight-or-flight impulse)，心理学、生理学名词，为1929年美国生理学家怀特·坎农(Walter Cannon)所创建，坎农发现，机体经一系列的神经和腺体反应将被引发应激，使躯体做好防御、挣扎或者逃跑的准备。——编者注]研究，并于1970年获得诺贝尔生理学或医学奖；等到坎农研究的重要性得到充分认可之时，他本人早已去世(尽管他如今得到了广泛尊敬)。

有一件事，坎农没有意识到(当时也没有人意识到)，在细胞层面上，身体需要惊人的能量来自我维持。人们用了很长时间才弄明白，而当答案出现的时候，它并不来自某家强大的研究机构，而是来自一个基本上独立从事研究的古怪英国人，他住在英格兰西部一座舒适的乡村别墅里。

我们现在知道，细胞内外都是名叫离子的带电粒子。离子之间的细胞膜上，有一种微小的气闸，叫离子通道。气闸打开时，离子通过，产生极小的电流。不过，这里的“小”，完全是视角问题，在细胞层面上，每一次电击只产生100毫伏的能量，可这相当于每米3000万伏特——几乎完全等于一道闪电。换句话说，你细胞里的电量，是你房子里电量的1000倍以上。从极小的微观层面看，你动量充沛。

这完全是比例问题。想象一下，出于演示目的，一颗子弹射入了我的腹部。它真的让我很疼，造成了很多伤害。现在，想象同样的子弹射向一个8万米高的巨人。子弹甚至射不穿他的皮肤。枪还是那把枪，子弹是一样的子弹，只是比例不同。你细胞里的电能量，情况多少与此类似。

负责细胞中能量的物质，是一种叫作三磷酸腺苷(或者ATP)的化学物质，这可能是你身体里最重要、可你又从未听过的东西了。每一个ATP分子就像一颗小电池，它储存能量，然后释放出来，为细胞(所有的细胞，不管是植物里的，还是动物里的)需要进行的所有活动提供能量。参与其中的化学过程极为复杂。这里有一句话，节选自一本化学教科书，对它的作用稍微做了一些解释：“ATP是聚阴离子，构成了潜在易螯合的聚多磷酸盐组，跟金属阳离子有着极高的亲和力。”就此处的目的而言，知道我们强烈依赖ATP来维持细胞活力也就够了。每一天，你都产生和使用[11]相当于你自己体重的ATP——大约200万亿ATP分子。站在ATP的角度来看，你实际上只是一台产生ATP的机器。你的其他一切都是副产品。由于ATP的消耗或多或少在瞬间完成，所以，在任何时刻，你体内都只有60克ATP[12]，也就是2盎司多一点。

人们用了很长时间才弄明白这一切，而且答案出现的时候，几乎没人相信。发现答案的人[13]是个自费搞研究的怪性子科学家，名叫彼得·米切尔(Peter Mitchell)。20世纪60年代初，他从温佩建筑公司(Wimpey housebuilding company)继承了一笔财富，并用它在康沃尔的一座豪宅里建起了研究中心。米切尔留着齐肩长发，戴着耳环，在严肃的科学家中显得很不寻常。他还出了名地健忘，在女儿的婚礼上，他走近另一位宾客，说对方看起来很面熟，但自己却想不起她是谁了。

“我是你第一个老婆!”[14]她说。

米切尔的设想遭到普遍否定，这并不十分奇怪。正如一位编年史作家的说法：“米切尔提出自己的假说时，完全没有证据支持。”但他最终得到了证实，还在1978年获得了诺贝尔化学奖，这对在家庭实验室里搞研究的人来说，可谓是了不起的成就。英国著名生物化学家尼克·莱恩(Nick Lane)认为，米切尔本该像詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克那样出名。

表面定律也规定了我们能长到多大体格。在近一个世纪前发表的著名文章《论大小适当》(On Being the Right Size)中，英国科学家兼作家霍尔登(J. B. S. Haldane)指出，要是把一个人放大到《格列佛游记》巨人国里30米的巨人那么高，他的体重将达到280吨。这将使他的体重变成正常人的4600倍，但他的骨头又只有正常人的300倍粗，不足以支撑这样庞大的重量。一句话，我们的体格之所以是现在这样，是因为我们只能保持这样的体格。

身体的大小事关我们受重力的影响有多大。你想必早就注意到，一只小虫子掉下桌面，会毫发无损地落在地上，继续它的旅程，丝毫不受干扰。这是因为它的体格小(严格地说，是它的表面积与体积之比小)，几乎不受重力的影响。可人们不太清楚的是，同样的情况放到个子矮的人身上也适用，只不过尺度不同罢了。一个身高只有你一半的孩子[15]跌倒在地并撞到头，他感受到的冲击力仅为成年人的1/32，这也是为什么小孩子似乎总是运气好得坚不可摧。

成年人就没那么幸运了。正常情况而言，成年人从八九米以上的地方跌下来，很少有能侥幸生还的。不过，也有一些著名的例外：其中最令人难忘的，或许要数第二次世界大战中英国飞行员[16]尼古拉斯·阿尔克梅德(Nicholas Alkemade)的事迹了。

1944年冬末，一架兰开斯特轰炸机前往德国上空进行轰炸，被德军高射炮击中，机内迅速腾起烟雾和火焰，机尾机枪手、空军上士阿尔克梅德发现自己置身十分危险的处境。兰开斯特轰炸机的机尾机枪手不能戴降落伞，因为他们操作的空间太过狭窄。等阿尔克梅德设法从炮塔里爬出来，伸手去拿降落伞时，降落伞已经着火，没办法用了。他决定，与其在大火中被烧死，还是从飞机上跳出去再说。于是他打开舱门，一头栽进了夜空中。

他当时离地面差不多有4800米，并以每小时200千米的速度往下掉。“周围非常安静，”多年后，阿尔克梅德回忆说，“唯一的声音是远处飞机引擎的轰鸣，我完全没有下坠感。我感觉自己像是悬浮在空中。”出乎他的意料，他发现自己出奇地镇定平和。毫无疑问，他为马上就要死了感到遗憾，却达观地接受了现实，有时候，飞行员的确看得比较开。这时的经历梦幻得超乎现实，阿尔克梅德一直拿不准自己到底失没失去意识。但当他猛地回到现实，他必定是有意识的，他撞到了一些高大松树的树枝，发出砰的一声巨响，扎进了雪堆。不知怎么搞的，他的两只靴子都弄丢了，膝盖酸痛，还有些轻微的擦伤，但除此之外，他毫发无损。

阿尔克梅德的亡命经历并未就此结束。战后，他在英国中部拉夫堡的一家化工厂找到了一份工作。处理氯气时，他的防毒面具松了，立即暴露在危险的高浓度氯气中。他昏迷不醒地躺了15分钟，同事们才把他拖到安全地带。他奇迹般地活了下来。过了一阵，他正在调整一条管子，管子突然破裂，把他从头到脚都喷上了硫酸。他严重烧伤，但又活了下来。等他伤病痊愈回到工作岗位后不久，一根2.7米长的金属杆从高处落下，砸到他身上，差点要了他的命，但他再一次恢复了健康。这一回，他决定向命运屈服。他找了一份更安全的工作，做家具销售员，余生平安无事。1987年，65岁的他安详地在床上去世。

我并不是说，任何人都能指望从天上掉下来还能活着，但这种事的发生频率比你想象的要高。1972年，南斯拉夫航空公司DC-9航班在捷克斯洛伐克上空的半空中解体，一位名叫维斯娜·伍洛维奇(Vesna Vulovic)的空姐从10,000米的高空落下，幸免于难。2007年，厄瓜多尔出生的曼哈顿窗户清洁工阿尔西德斯·莫雷诺(Alcides Moreno)正站在144米高的脚手架上，脚手架却突然垮了。他的哥哥正在他身边工作，在撞击中当场死亡，但莫雷诺奇迹般地活了下来。简而言之，人体是一种有着神奇弹性的东西。

事实上，似乎没有什么样的挑战，是人类的持久力无法克服的。在艾伯塔省埃德蒙顿，一个蹒跚学步的小孩子艾丽卡·诺德比[17](Erika Nordby)，在隆冬的夜里醒来，只穿着尿布和一件轻薄上衣，从家里没有完全关好的后门走了出去。几小时后，人们找到她，她的心脏已经停止跳动至少两小时，但当地医院小心翼翼地给她暖和身子，这奇迹般地让她醒了过来。她很快彻底康复，成为周围尽人皆知的“奇迹宝宝”。值得注意的是，仅仅几周后，在威斯康星州的一座农场，有个两岁男孩做了几乎相同的事情，也成功地苏醒过来，完全康复。换句话说，非到万不得已的时候，身体才不想死呢!

孩子们在极冷条件下的表现，比在极热条件下要好，因为他们的汗腺尚未发育完全，无法像成年人般自在地出汗。这在很大程度上解释了为什么在温暖的天气里，许多被留在汽车里的孩子很快就死掉了。在30℃的户外，密闭汽车的车内温度可以达到54℃，任何孩子都没法长时间承受。1998年至2018年8月期间，美国有近800名儿童[18]死于无人看管的热车内，其中一半不到两岁。值得注意的是(其实我更想说的是令人震惊)，在美国，规定将无人看管的动物留在汽车里为非法的州，比规定将无人看管的小孩留在车内为非法的州更多，前者有29个州，后者有21个州。

由于人类自身的弱点，地球上的很多地方都超出了我们的承受极限。总体而言，地球或许是个让人感觉温和友好的地方，但它有很大部分不是太冷就是太热，不是干旱就是海拔太高，我们无法在上面成功地生活。即使靠着衣服、住所和无穷无尽的创造力，人类也只能勉强生活在地球陆地面积的12%左右，如果算上海洋，那么人类只能生活在占地球总表面积4%的地方。

大气层的稀薄，限制了我们的生存高度。全世界海拔最高的永久性居住点[19]位于智利北部安第斯山脉的奥坎基尔查山，那里的矿工生活在5340米高的地方，但这似乎绝对是人类所能承受的极限了。矿工们自己选择每天再往上跋涉460米到达工作地点，而不是睡在5800米的高处。出于比较目的，要提一下，珠穆朗玛峰高约8850米。

在高海拔地区，任何活动都变得艰难，令人力竭。约有40%的人到了海拔4000米以上的地方会出现高原反应，而且，这跟健康与否毫无关系，因此无法预测谁会成为高原反应的受害者。在极端的高度上，人人都苦苦挣扎。《极限生活》(Life at the Extremes)一书的作者弗朗西斯·阿什克罗夫特(Frances Ashcroft)指出，1952年丹增·诺尔盖(Tenzing Norgay)和雷蒙德·兰伯特[20](Raymond Lamber)攀登珠穆朗玛峰南坡时，5个半小时只前进了200米。

在海平面，红细胞大约占据了40%的血液体积[21]，但随着对更高海拔的适应，这一比例还可以再增加一半左右，尽管这是要付出代价的。红细胞的增加使血液变稠，流动迟缓，为心脏的泵动施加了额外的压力，哪怕是一辈子都生活在高海拔地区的人都会受到影响。像玻利维亚首都拉巴斯(海拔3500米)这种高海拔城市的居民，有时会患上一种叫作蒙格病的疾病。这种病让人嘴唇发紫，手指粗得像棒槌，因为他们浓稠的血液流动不畅，转移到较低海拔后，问题就消失了。于是，许多患者因此永远地搬到了远离朋友和家人的山谷地区。

出于经济原因，航空公司通常将机舱的气压保持相当于1500~2400米的水平，这就是为什么飞行中酒精更容易上头。这也解释了为什么飞机下降时会耳鸣，因为当你降低高度，压力会发生变化。如果一架正常巡航在10,000米高空的客机，机舱突然减压，乘客和机组人员可能在短短8秒或10秒内变得头昏目眩，失去行为能力。阿什克罗夫特提到过一名飞行员的例子[22]，他因为想在戴氧气面罩前先戴眼镜而昏了过去。幸运的是，副驾驶并没有丧失驾驶能力，接手了飞机的操控。

缺氧(也叫低氧、氧不足)导致最恶劣后果的一个例子发生在1999年10月。美国职业高尔夫球手佩恩·斯图尔特(Payne Stewart)，还有三名商业伙伴和两名飞行员，搭乘租用客机从奥兰多前往拉斯，途中飞机突然失去增压，机上所有人陷入昏迷。飞机的最后信息来自上午9点27分，当时飞行员确认将爬升到12,000米。6分钟后，地勤管制员再次联络飞机，对方没有回应。飞机没有转向西边飞往得克萨斯，而是靠着自动驾驶继续沿着西北方向飞，越过了美国中部，最终耗尽燃料，坠毁在南达科他州的一处农田，机上六人全部遇难。

我们对人类极限条件生存能力的认识，大量令人不安的部分均来自第二次世界大战期间对战俘、集中营囚徒和贫民所进行的实验。纳粹德国曾对健康的囚犯[23]截肢，或进行实验性肢体移植和骨移植，希望为德国伤病找到更好的治疗方法。为了确定德国飞行员迫降海上之后能活多久，他们把俄罗斯战俘投入冰水里。出于类似目的，还有一些战俘在寒冷天气被赤身裸体地赶到户外长达14小时。一些实验似乎只是出于病态的好奇心。一项实验朝受试者眼睛里注射染料，观察眼睛颜色是否会永久改变。还有很多实验给受试者服用各种毒药，施放神经毒气，用疟疾、黄热病、斑疹伤寒和天花感染他们。乔治·安纳斯(George J. Annas)和迈克尔·格罗丁(Michael A. Grodin)在《纳粹医生》(Nazi Doctors)和《纽伦堡法典》(The Nuremberg Code)中写道，医生们“在战后没有道歉，他们从来不是被迫进行此类实验的。他们都是自愿的”。[纳粹德国的麻木不仁简直叫人震惊。1941年，林堡附近哈达玛的一家精神病医院为院里10,000名认知缺陷患者即将被处死举行了一次官方庆祝活动，员工们发表讲演，大喝啤酒，以示庆贺。]

德国人的实验尽管可怕，但在规模上(甚至残忍度上)却被日本人比了下去。在一个名叫石井四郎的医生带领下，日本人在“伪满洲国”的哈尔滨修建了一处由150多座建筑组成的庞大建筑群，占地6平方千米，公开宣称要通过各种必要的手段，确定人类的生理极限。这处设施被称为“731部队”。

在一项典型的实验中[24]，中国囚徒以交错的距离被绑在木桩上，接着日本人引爆远处的榴霰弹。之后，科学家们走到囚徒中间，仔细观察他们受伤的性质、程度及其死亡时间。出于类似目的，另一些囚徒遭到火焰喷射器的扫射，或挨饿、冷冻、下毒。一些人甚至在清醒时惨遭解剖[25]。大多数受害者是被俘的中国士兵，但731部队也对一些盟军战俘进行了实验，以确保毒素和神经毒剂对西方人及亚洲人有着同样的影响。如果需要孕妇或小孩做实验[26]，日军会随意从哈尔滨的街道上抓人。没有人知道在731部队有多少人死亡，但一项估计认为，这个数字将高达25万。

这一切暴行的结果是，到战争结束时，日本和德国对微生物学、营养学、冻伤、武器伤害，以及最重要的神经毒气、毒素和传染病之影响，有了远超世界其他国家的认识。很多德国人因为上述战争罪行遭到逮捕和审判，但日本人几乎完全逃脱了惩罚。大多数人被免予起诉，作为回报，他们向战胜方美国分享了自己所了解到的情况。组建并领导731部队的医生石井四郎接受了大量盘问，而后获准重返平民生活。

不管是对日本还是美国官方，731部队的存在都是一个讳莫如深的秘密，要不是1984年，东京庆应义塾大学的一名学生[27]偶然在二手书店发现了一盒罪证档案，并将之公布于世，普通人将永远都不会知道它的存在。但那时将石井四郎绳之以法已为时过晚。1959年，他过了15年平静的战后生活，在睡梦中安详去世，时年67岁。