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桥梁与骨骼工程

作者:卡尔.威兰
译者:卢慧明(Candice Loh)
文章来源:Creation 12(2):20–24, March 1990

Composition of images: Bone structure from iStockphoto.com/mpabild; Sydney Harbour bridge from rorem / 123RF Bridges and bones

数年前,有次驾车经过澳洲悉尼港口大桥的时候,小女儿问我,为什么要用那么多古怪的柱和交叉形的东西来造桥,何不造一座平滑的桥?

我叫她想像一座以实心钢铁建造的桥,这道桥要够坚固,汽车驶过时,桥不能够弯曲、倒坍。我指出,这座实心桥将会很重而且费用昂贵,于是我们运用想像力,切割出不需要的部分,以减轻桥的重量,费用也较为便宜。此外,为免桥倒坍,有哪些部分是需要保留的?我们两位非工程师便根据这些大纲去造桥,在思考过程中我们开始明白到,例如,桁架(truss)为何及如何能够支撑车房屋顶,并且在减去不需要部分后,仍能够保留较重和较昂贵实心横梁的大部分强度,而某程度上并不影响载重。

数年后因为一次严重交通意外,医生在我的股骨(femur,即大腿骨)中间安装了一枚巨型钢钉(图 1),我便靠着它来行走。因为骨折久未痊愈,全身的体重就由这枚钢钉所支撑,而钢钉上下均有坚固的水平螺丝作固定。钢钉和螺丝是精制太空钢合金所制造,可是,矫形外科医生却建议我接受另一次大手术以完全治好骨折。为什么呢?毕竟,我能够行走自如,何不让那枚巨型钢钉继续支撑我的重量?想必人类的高科技金属都不及老骨头好!

有如桥梁的桁架和支架

Bones

那位矫形外科医生的经验告诉他,即使是精制金属最终亦敌不过金属疲劳和时间的考验——然而,人的骨骼不在此限。(事实上,X 光照片显示,钢钉在几个月后已出现金属疲劳的迹象,走路动作对股骨造成相当的重覆性压力伤害。)是什么令到骨骼这么特别、这么坚固、轻巧,却能够抵受压力和疲劳,连太空金属也及不上它?

X 光照片显示,骨质里颜色较白、幼细而密集的线,其实是骨头里面的「支架」(brace),这些支架就像桁架上的交叉,用以加强骨骼所承受的负荷,整体重量便得以减轻,就像悉尼港口大桥,以最小重量达到最大强度。骨头里面的「支架」位置,刚好是压力线的位置所在(压力线是骨骼传递重量的方向),它是见证骨骼工程设计背后智慧的好例子。但骨骼的奥妙不止于此!

永久保养

假如只是智慧工程的问题,人类至少可以设计一个类似股骨的结构,有各种内部支架,像骨骼般轻巧,并且能够承受相同负荷。然而,即使有了这个能够代替股骨的结构,它在数年后都会磨损。为什么正常股骨(撇开骨质疏松症等疾病)不会像金属结构出现磨损情况?

关键是骨骼本身是有生命的结构,它会不断拆除和翻新,你现在的骨骼,有可能与 10 年前的不同!它们一砖又一砖的被拆下、更换,体内某些细胞会负责吃掉旧的骨头,另一些细胞则在原有位置放下新的骨头。远在骨骼因为疲劳而「倒坍」之前,会有全新的「桁架」和「支架」补上。假如悉尼港口大桥以同样方法保养的话,大桥将会历久弥新。然而,骨骼工程还有更不可思议的事。

不断改良工程

单以工程学角度去比较骨骼和桥梁并不全面,因为桥梁在寿命期内,承受压力的位置总是在相同的线和相同的点之间,但人体的情况却不同。在一生之中,人体会改变体重的分布(你最近有没有照镜子?)例如,人们会因为关节炎或伤残,改变他们的走路姿势,迁就下肢承受的重量。

Bones

当下肢的压力线(即重量传递方向)改变,现有的「桁架」和「支架」的位置将不再适合,但为什么骨骼不会因此出现疲劳?有趣的是,骨骼不但自动翻新,还会随着压力线的改变而重新设计新的「桁架」和「支架」。记得我们在思考游戏中以桁架代替实心材料的悉尼港口大桥吗?试想像,大桥需要经常被移动到不同的桥塔、向不同的角度倾斜,因此承受最大压力的地方每次不同。我们会发现,更换现有的桁架并不足够,必须根据工程学原理准确计算出桁架的新位置,那些不再有效承受压力的桁架需要被拆除,并于矫正角度安装新的桁架。而这正是骨骼里面所发生的事,似乎令人难以置信!我们的骨骼能够不断重新塑造,而内部工程总能够以最有效方法并准确应付骨骼承受的压力,都是体内细胞 DNA(脱氧核糖核酸)的指示安排。事实上,压力增加会令骨骼变得更为粗壮(例如一位以单腿支撑身体重量的单腿伤残人士)。

太空人易患骨质疏松症

所以,无重状态虽然看似好玩,其实对将要成为太空人的人是个大问题。无重状态意味骨骼不再承受压力,身体机能因而失去制造新骨质的「指引」。旧骨头仍会被有关细胞吃掉,但身体却无从得知新「桁架」应放在什么位置,结果骨骼会被「融化」,变得疏松。

外科医生非马虎了事

以上有关骨骼的特征,亦解释了为什么医生在治理骨折时,未必如你所想的那么精确。图 2a 所示,有一条断骨,假设急症室的年轻实习医生在接驳该条断骨并打石膏后,被指责接驳得不好(图 2b),这时,资深骨科专家到场检查 X 光照片,你猜他会说「停住」并要求重新接驳断骨,因为接驳口必须天衣无缝而且成一完美直线吗?一点也不是,因为他知道断骨会自动痊愈(图 2c),经过一段时间后,骨头本身会「重新塑造」(图 2d),就像我们之前形容的。

罗马书第一章告诉我们,四周所造之物皆见证上帝的大能和智慧,叫人无可推诿。相比古时,现今世代岂不拥有大量先进知识,揭示更多有关生物世界的复杂性和不可思议的设计吗?生物世界有许多工程奇迹,其荣耀和尊贵并不属于「大自然」,而是万物的创造者主耶稣基督。