公元 79 年，意大利南部的維蘇威火山發(fā)生了最著名的一次火山爆發(fā)——熾熱的火山灰和火山氣體噴射到高達(dá) 33 千米的高空，直達(dá)平流層，釋放的能量相當(dāng)于廣島原子彈爆炸的 10 萬倍。更重要的是，滾滾的火山碎屑流覆蓋了龐貝古城。
就在如今意大利那不勒斯灣畔，有一座名為赫庫蘭尼姆的古羅馬小鎮(zhèn)。雖然不如龐貝有名，但這里也沒能逃脫被火山噴發(fā)席卷的命運(yùn)。這里還保留了唯一一處古典時(shí)代的藏書室，里面上千卷莎草紙卷軸在這場火山噴發(fā)中被烤成了木炭。
直到今天，對這場火山噴發(fā)的研究仍在帶來令人震驚的發(fā)現(xiàn)：就在赫庫蘭尼姆一具遺骸的頭骨內(nèi)，研究者發(fā)現(xiàn)了一些深色的玻璃態(tài)物質(zhì)。
最近，一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）的研究提出，是火山噴出的火山灰流，將這名死者的大腦烤成了“玻璃”。
圖片來源：原論文
玻璃大腦
這具遺體發(fā)現(xiàn)于 20 世紀(jì) 60 年代中期，在據(jù)信專為奧古斯都皇帝祭禮建造的奧古斯塔利學(xué)院（Collegium Augustalium）內(nèi)，研究者在層層火山碎屑物的掩蓋下，發(fā)現(xiàn)了這名躺在木床上的死者。雖然不知道他為何孤身一人躺在這里，沒有隨其他人一起逃難。但根據(jù)這間房屋的布置，研究者推測他是這所學(xué)院的管理者。
然而，當(dāng)那不勒斯費(fèi)德里克二世大學(xué)先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)系的首席研究員 PierPaolo Petrone 和同事前往這處考古遺址勘察時(shí)，他們在這名火山受害者的頭骨內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一些深色、亮閃閃的碎塊，看起來和黑曜石一樣。隨后的掃描電鏡成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些碎塊中還保留了一些復(fù)雜的紋路，有些紋路的形態(tài)就像是神經(jīng)元、軸突或是髓鞘的結(jié)構(gòu)。
圖片來源：原論文
結(jié)合這些特征與碎塊的保存位置，研究團(tuán)隊(duì)得到了一個(gè)令人震驚的結(jié)論：這可能是這名死者的大腦玻璃化后的產(chǎn)物。也就是說，是公元 79 年的維蘇威火山噴發(fā)，將這位死者的大腦燒成了“玻璃”。
固態(tài)液體
之所以要給這里的“玻璃”打上引號，是因?yàn)檫@些深色碎塊的主要成分并不是我們熟悉的二氧化硅，只是這位死者的大腦變成了玻璃態(tài)，或者說一種非晶質(zhì)的狀態(tài)。
我們都知道，液體冷卻到特定的溫度后會凝固成固態(tài)，比如水可以凍結(jié)成冰。但我們常見的冰還有另一種重要的性質(zhì)——它是晶體，冰內(nèi)部的分子有序組成了晶格結(jié)構(gòu)，不能自由地移動(dòng)。
然而玻璃或其他玻璃態(tài)的物質(zhì)卻是一種非晶質(zhì)材料，它雖然看起來是固體，但從微觀角度看卻并非如此——事實(shí)上，這種物質(zhì)的原子或分子排列很雜亂，像液體一樣，并不像固體那樣具有長程有序性，而只在小范圍內(nèi)保持短程有序的狀態(tài)，可以說是類似于固態(tài)的液體。
一般來說，制備玻璃通常會先加熱原料直到其熔化為液體，但存在一個(gè)重要的條件：冷卻速度需要足夠快。
這是因?yàn)榫w生長，或者說分子排列成有序的晶格需要時(shí)間，當(dāng)冷卻的時(shí)間極短，分子“來不及”排列成晶格，液體就會“繞過”結(jié)晶過程，脫離平衡狀態(tài)，成為玻璃。
重見天日
想要將這位死者的大腦玻璃化，也需要同樣的條件：足夠?qū)⒋竽X融化的高溫，以及足夠快速的冷卻過程。
就在最近發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》的研究中，Petrone 和同事逐一討論了這些條件如何形成，還原了這位死者生前最后一刻的經(jīng)歷。
圖片來源：原論文
這項(xiàng)新研究給出了兩個(gè)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)：大腦的玻璃轉(zhuǎn)化溫度約為 510 攝氏度，冷卻速率約為 1000 開爾文每秒。
2023 年，研究團(tuán)隊(duì)曾分析了赫庫蘭尼姆火山碎屑沉積物中被高溫碳化的木片的反射率——木炭碎片的反射率與當(dāng)初受熱的溫度正相關(guān)，可以記錄下所在火山碎屑層位的溫度。
結(jié)果顯示，首次涌入赫庫蘭尼姆小城的并非火山碎屑流，而是一股火山灰流。
火山灰流主要由熾熱的火山灰和空氣組成，溫度可以高達(dá) 500 多攝氏度。隨后，才是災(zāi)難性的火山碎屑流，據(jù)估計(jì)隨后的幾輪火山碎屑流溫度在 465~390 攝氏度和 350~315 攝氏度。
此前的推測往往集中在火山碎屑流，然而火山碎屑流的溫度顯然不夠高，厚厚的火山碎屑流也很難在短時(shí)間內(nèi)冷卻到環(huán)境溫度。
然而火山灰流內(nèi)部可以帶來足夠高的溫度，并且由于留下的火山灰很薄，有助于遺體迅速冷卻。
左下角紅色箭頭指示赫庫蘭尼姆的位置（圖片來源：原論文）
從另一方面，死者的顱骨和脊柱也保護(hù)了大腦，避免大腦直接暴露在高溫下發(fā)生脫揮發(fā)分作用——這正是我們在其他死者的皮膚上看到的情況：在高溫下液態(tài)水瞬間氣化，有機(jī)物熱解，進(jìn)留下了碳化的組織或灰燼。
“在這里，快速且熾熱的火山灰是維蘇威火山噴發(fā)期間的第一個(gè)致命事件……使其大腦在遠(yuǎn)超 510 攝氏度的高溫下加熱，同時(shí)腦組織并未完全損壞，”論文中寫道。
“隨著火山灰云的消散（根據(jù)現(xiàn)代火山觀測記錄，這個(gè)過程大約為幾分鐘），死者周圍的溫度立刻恢復(fù)到常溫……在地面上，火山灰只有幾厘米，因此遺體幾乎是暴露在空氣中。”
隨后，赫庫蘭尼姆逐漸被厚厚的火山碎屑流一層一層地掩埋，直到近兩千年后，這份獨(dú)特的玻璃化大腦重見天日。
那么，大腦被瞬間玻璃化的感受如何？
可能連受害者本人也無法回答這個(gè)問題。在接受路透社的采訪時(shí)，Petrone 這樣解釋道：“在熾熱火山灰流沖擊的瞬間，這位管理者就立刻死亡了。”
參考文獻(xiàn)
[1]https://www.nature.com/articles/s41598-025-88894-5#ref-CR9
[2]https://www.nature.com/articles/s41598-023-32623-3
[3]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0240017#abstract0
[4]https://www.smithsonianmag.com/smart-news/vesuvius-turned-a-roman-mans-brain-into-glass-now-scientists-reveal-how-the-extremely-rare-preservation-happened-180986145/
[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/1074723
[6]https://www.science.org/content/article/brain-turned-glass-reveals-city-s-catastrophic-final-moments
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來源丨環(huán)球科學(xué)（ID：huanqiukexue）
作者丨二七
責(zé)編丨王夢如
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