Also Available in:

橋樑與骨骼工程

作者:卡爾.威蘭
譯者:盧慧明(Candice Loh)
文章來源: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

數年前,有次駕車經過澳洲悉尼港口大橋的時候,小女兒問我,為什麼要用那麼多古怪的柱和交叉形的東西來造橋,何不造一座平滑的橋?

我叫她想像一座以實心鋼鐵建造的橋,這道橋要夠堅固,汽車駛過時,橋不能夠彎曲、倒坍。我指出,這座實心橋將會很重而且費用昂貴,於是我們運用想像力,切割出不需要的部分,以減輕橋的重量,費用也較為便宜。此外,為免橋倒坍,有哪些部分是需要保留的?我們兩位非工程師便根據這些大綱去造橋,在思考過程中我們開始明白到,例如,桁架(truss)為何及如何能夠支撐車房屋頂,並且在減去不需要部分後,仍能夠保留較重和較昂貴實心橫樑的大部分強度,而某程度上並不影響載重。

數年後因為一次嚴重交通意外,醫生在我的股骨(femur,即大腿骨)中間安裝了一枚巨型鋼釘(圖 1),我便靠着它來行走。因為骨折久未痊癒,全身的體重就由這枚鋼釘所支撐,而鋼釘上下均有堅固的水平螺絲作固定。鋼釘和螺絲是精製太空鋼合金所製造,可是,矯形外科醫生卻建議我接受另一次大手術以完全治好骨折。為什麼呢?畢竟,我能夠行走自如,何不讓那枚巨型鋼釘繼續支撐我的重量?想必人類的高科技金屬都不及老骨頭好!

有如橋樑的桁架和支架

Bones

那位矯形外科醫生的經驗告訴他,即使是精製金屬最終亦敵不過金屬疲勞和時間的考驗——然而,人的骨骼不在此限。(事實上,X 光照片顯示,鋼釘在幾個月後已出現金屬疲勞的跡象,走路動作對股骨造成相當的重覆性壓力傷害。)是什麼令到骨骼這麼特別、這麼堅固、輕巧,卻能夠抵受壓力和疲勞,連太空金屬也及不上它?

X 光照片顯示,骨質裏顏色較白、幼細而密集的線,其實是骨頭裏面的「支架」(brace),這些支架就像桁架上的交叉,用以加強骨骼所承受的負荷,整體重量便得以減輕,就像悉尼港口大橋,以最小重量達到最大強度。骨頭裏面的「支架」位置,剛好是壓力線的位置所在(壓力線是骨骼傳遞重量的方向),它是見證骨骼工程設計背後智慧的好例子。但骨骼的奧妙不止於此!

永久保養

假如只是智慧工程的問題,人類至少可以設計一個類似股骨的結構,有各種內部支架,像骨骼般輕巧,並且能夠承受相同負荷。然而,即使有了這個能夠代替股骨的結構,它在數年後都會磨損。為什麼正常股骨(撇開骨質疏鬆症等疾病)不會像金屬結構出現磨損情況?

關鍵是骨骼本身是有生命的結構,它會不斷拆除和翻新,你現在的骨骼,有可能與 10 年前的不同!它們一磚又一磚的被拆下、更換,體內某些細胞會負責吃掉舊的骨頭,另一些細胞則在原有位置放下新的骨頭。遠在骨骼因為疲勞而「倒坍」之前,會有全新的「桁架」和「支架」補上。假如悉尼港口大橋以同樣方法保養的話,大橋將會歷久彌新。然而,骨骼工程還有更不可思議的事。

不斷改良工程

單以工程學角度去比較骨骼和橋樑並不全面,因為橋樑在壽命期內,承受壓力的位置總是在相同的線和相同的點之間,但人體的情況卻不同。在一生之中,人體會改變體重的分佈(你最近有沒有照鏡子?)例如,人們會因為關節炎或傷殘,改變他們的走路姿勢,遷就下肢承受的重量。

Bones

當下肢的壓力線(即重量傳遞方向)改變,現有的「桁架」和「支架」的位置將不再適合,但為什麼骨骼不會因此出現疲勞?有趣的是,骨骼不但自動翻新,還會隨着壓力線的改變而重新設計新的「桁架」和「支架」。記得我們在思考遊戲中以桁架代替實心材料的悉尼港口大橋嗎?試想像,大橋需要經常被移動到不同的橋塔、向不同的角度傾斜,因此承受最大壓力的地方每次不同。我們會發現,更換現有的桁架並不足夠,必須根據工程學原理準確計算出桁架的新位置,那些不再有效承受壓力的桁架需要被拆除,並於矯正角度安裝新的桁架。而這正是骨骼裏面所發生的事,似乎令人難以置信!我們的骨骼能夠不斷重新塑造,而內部工程總能夠以最有效方法並準確應付骨骼承受的壓力,都是體內細胞 DNA(脫氧核糖核酸)的指示安排。事實上,壓力增加會令骨骼變得更為粗壯(例如一位以單腿支撐身體重量的單腿傷殘人士)。

太空人易患骨質疏鬆症

所以,無重狀態雖然看似好玩,其實對將要成為太空人的人是個大問題。無重狀態意味骨骼不再承受壓力,身體機能因而失去製造新骨質的「指引」。舊骨頭仍會被有關細胞吃掉,但身體卻無從得知新「桁架」應放在什麼位置,結果骨骼會被「融化」,變得疏鬆。

外科醫生非馬虎了事

以上有關骨骼的特徵,亦解釋了為什麼醫生在治理骨折時,未必如你所想的那麼精確。圖 2a 所示,有一條斷骨,假設急症室的年輕實習醫生在接駁該條斷骨並打石膏後,被指責接駁得不好(圖 2b),這時,資深骨科專家到場檢查 X 光照片,你猜他會說「停住」並要求重新接駁斷骨,因為接駁口必須天衣無縫而且成一完美直線嗎?一點也不是,因為他知道斷骨會自動痊癒(圖 2c),經過一段時間後,骨頭本身會「重新塑造」(圖 2d),就像我們之前形容的。

羅馬書第一章告訴我們,四周所造之物皆見證上帝的大能和智慧,叫人無可推諉。相比古時,現今世代豈不擁有大量先進知識,揭示更多有關生物世界的複雜性和不可思議的設計嗎?生物世界有許多工程奇蹟,其榮耀和尊貴並不屬於「大自然」,而是萬物的創造者主耶穌基督。