公元 79 年，意大利南部的維蘇威火山發生了最著名的一次火山爆發——熾熱的火山灰和火山氣體噴射到高達 33 千米的高空，直達平流層，釋放的能量相當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。雖然不如龐貝有名，但這里也沒能逃脫被火山噴發席卷的命運。這里還保留了唯一一處古典時代的藏書室，里面上千卷莎草紙卷軸在這場火山噴發中被烤成了木炭。
直到今天，對這場火山噴發的研究仍在帶來令人震驚的發現：就在赫庫蘭尼姆一具遺骸的頭骨內，研究者發現了一些深色的玻璃態物質。
最近，一項發表于《科學報告》（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
這具遺體發現于 20 世紀 60 年代中期，在據信專為奧古斯都皇帝祭禮建造的奧古斯塔利學院（Collegium Augustalium）內，研究者在層層火山碎屑物的掩蓋下，發現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。但根據這間房屋的布置，研究者推測他是這所學院的管理者。
然而，當那不勒斯費德里克二世大學先進生物醫學科學系的首席研究員 PierPaolo Petrone 和同事前往這處考古遺址勘察時，他們在這名火山受害者的頭骨內發現了一些深色、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果發現，這些碎塊中還保留了一些復雜的紋路，有些紋路的形態就像是神經元、軸突或是髓鞘的結構。
圖片來源：原論文
結合這些特征與碎塊的保存位置，研究團隊得到了一個令人震驚的結論：這可能是這名死者的大腦玻璃化后的產物。也就是說，是公元 79 年的維蘇威火山噴發，將這位死者的大腦燒成了“玻璃”。
固態液體
之所以要給這里的“玻璃”打上引號，是因為這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，或者說一種非晶質的狀態。
我們都知道，液體冷卻到特定的溫度后會凝固成固態，比如水可以凍結成冰。但我們常見的冰還有另一種重要的性質——它是晶體，冰內部的分子有序組成了晶格結構，不能自由地移動。
然而玻璃或其他玻璃態的物質卻是一種非晶質材料，它雖然看起來是固體，但從微觀角度看卻并非如此——事實上，這種物質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，而只在小范圍內保持短程有序的狀態，可以說是類似于固態的液體。
一般來說，制備玻璃通常會先加熱原料直到其熔化為液體，但存在一個重要的條件：冷卻速度需要足夠快。
這是因為晶體生長，或者說分子排列成有序的晶格需要時間，當冷卻的時間極短，分子“來不及”排列成晶格，液體就會“繞過”結晶過程，脫離平衡狀態，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：足夠將大腦融化的高溫，以及足夠快速的冷卻過程。
就在最近發表于《科學報告》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歷。
圖片來源：原論文
這項新研究給出了兩個關鍵的數據：大腦的玻璃轉化溫度約為 510 攝氏度，冷卻速率約為 1000 開爾文每秒。
2023 年，研究團隊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初受熱的溫度正相關，可以記錄下所在火山碎屑層位的溫度。
結果顯示，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 500 多攝氏度。隨后，才是災難性的火山碎屑流，據估計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間內冷卻到環境溫度。
然而火山灰流內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了大腦，避免大腦直接暴露在高溫下發生脫揮發分作用——這正是我們在其他死者的皮膚上看到的情況：在高溫下液態水瞬間氣化，有機物熱解，進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期間的第一個致命事件……使其大腦在遠超 510 攝氏度的高溫下加熱，同時腦組織并未完全損壞，”論文中寫道。
“隨著火山灰云的消散（根據現代火山觀測記錄，這個過程大約為幾分鐘），死者周圍的溫度立刻恢復到常溫……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問題。在接受路透社的采訪時，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
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[2]https://www.nature.com/articles/s41598-023-32623-3
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[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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來源丨環球科學（ID：huanqiukexue）
作者丨二七
責編丨王夢如
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