2009年10月15日星期四

科学松鼠会

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原来你也在这里

Thu, 15 Oct 2009 14:35:00 +0800

 

When science met art…

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2008年的秋分,日落时分。

我的周围已经聚集了不少人。很多人都不是在这里工作的,而大家慕名而来,就为了这个每年两次的美妙时刻。太阳已经慢慢西斜,霞光照亮的半边天空。这里的建筑 左右对称,中间的广场上一条小渠指向西面大海的方向。当太阳开始没入地平线的那一刻,就仿佛落入水流的尽头,所有人都赞叹惊呼起来。我按下了手里相机的快 门,留下了这一张照片。

DSC01853_thumb3这里是Salk Insitute(沙克研究所),地处美国西海岸圣地亚哥。这里悬崖峭壁,地势很高,面向大海,气魄非凡。沙克研究所的创始人乔纳斯·沙克(Jonas Salk)是骨髓灰质炎疫苗的发明人,他8年的研究成果在1955年时公布,引起了全美国的轰动。而他自己拒绝申请专利,因为他的目的并不是为了盈利。美 国当时的总统艾森豪威尔威尔为他颁发了特殊总统勋章以表彰他的贡献,他也由此上了《时代》(Time)杂志的的封面。1963年,在国家和个人的支持下, 沙克实现了自己开办研究所的梦想,沙克研究所应运而生,主旨在于进行生物学方面的研究。40多年过去了,沙克研究所一直在生物学研究领域处在世界领先的位置上。现今,研究所里的57个在职教授中有4个是诺贝尔奖获得者,而总共和沙克研究所相关的诺贝尔奖获得者更多达12个。这对于一个成立不到50年的研究 所来讲堪称空前绝后。不久前ScienceWatch.com的一项通过发表文章平均引用律的排名中,Salk Institute在世界神经学领域力压哈佛、麻省理工、斯坦福、洛克菲勒等著名学校和研究所,名列第一,而在分子生物学领域列在冷泉港研究所之后位居第 二,足可见其卓越的地位。

3_thumb2不过外界对沙克研究所的了解是非常有限的,更多的人知道沙克研究所并不是因为这里在学术上的地位和贡献,而是这里的建筑。每天中午,这里都有一个导游讲解的 关于建筑的旅游项目,世界各地慕名而来的游客就会聚集在这里感受一下这个与众不同的建筑。这里的建筑从外表看并不出众,但是一旦深入其中,你定会被其开创 性的设计理念、大胆的布局用材,以及巧妙的和背景的协调安排而折服。而这位建筑大师不是旁人,正是有着一代"建筑诗哲"之称的著名现代设计大师路易康 (Louis Kahn)[i]。 据说当时建立研究所的时候,沙克和康两人小谈片刻,就觉得相见恨晚,颇有知己的感觉。康对研究所的设计想法和沙克一拍即合,于是联合创建了这么一个举世闻名的——既是艺术史上,也是科学史上的——伟大杰作!整个建筑中,没有任何地方不是康煞费苦心做到尽善尽美的,也没有任何地方是模棱两可,可有可无。乍一看你也许并不能理解康的用意,但是只要你用心去仔细体会,你就会发现,这里的一草一木,一砖一石都倾注了康的心血,都能体现出来这位建筑大师的独特和伟 大!

salk2_thumb2沙克和艺术的渊源并不仅限于此。1969年,有过一次失败婚姻的沙克在朋友家里遇到了画家弗朗索瓦丝•吉洛(Françoise Gilot)。一年后,他们在巴黎结婚,这个科学家和艺术家的结合持续了25年,一直到1995年沙克去世。弗朗索瓦丝是个相当有才华的女画家。她年轻的时候曾经做过毕加索的情妇,并给毕加索养育了一儿一女。不过傲慢的毕加索一直没有给弗朗索瓦丝任何名分,甚至不愿意给他们的孩子以自己的姓氏。生性倔强的弗朗索瓦丝最后毅然离开了毕加索,这个举动让毕加索这个自视很高的著名画家也始料未及。弗朗索瓦丝和沙克后来的结合让所有人都大跌眼镜,但是两个人的喜剧 结尾也让大家感到无比的安慰。弗朗索瓦丝现在依然健在,她在沙克去世以后就搬到了纽约,80多岁高龄,依然画笔不辍。

painting_8in_thumb1 每年夏天,在沙克研究所的广场上都会举办一场璀璨星光下的音乐会,旨在邀请所有支持过沙克研究所的人感谢他们,并继续筹款。每年音乐会的请柬封面都各不相同,但都是出自弗朗索瓦丝之手的一个作品。今年的封面是一副名为《太阳徽章》的抽象艺术作品,这幅画规矩之中透着朝气,一轮红日仿佛悬于时间和空间之中, 更似徜徉于画家和欣赏者的无尽想象力之外了。


[i]路易•康(Louis Isadore Kahn)建筑师兼教育家。爱沙尼亚人。之后移民美国。1914年成为美国公民。执教于耶鲁大学。他和法兰克•洛伊•莱特被公认为对美国建筑学影响最大的 两位建筑师。73岁在纽约因心脏病突发而死。他最重要的作品是:孟加拉国达卡国民议会厅以及耶鲁大学美术馆(1951~1953年),这是路易•康第一个重要的大师作品,采用了许多技术创新,如带有机械系统的水泥板,此外该建筑采用了突出于耶鲁大学的新歌特式建筑文脉的粗野主义风格。
刊登于《艺术世界》2009年10月刊

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不说布鲁克林大桥(一)

Thu, 15 Oct 2009 09:32:20 +0800

二河一岛鸟瞰

二河一岛鸟瞰

哈德逊河发源于纽约州北部的云泪湖(Tear of the Clouds),南下五百公里后和东河(East River)一起汇入上纽约湾,将曼哈顿围成一个狭长的岛。东河是连接上纽约湾和长岛海峡的潮汐水道,将布鲁克林和曼哈顿分为两座城市。这条河一直阻碍着两地交通的发展,人们主要靠摆渡船往返于两岸。其实,这类天险只对普通人来说是麻烦甚至危险,对于勇敢者和智慧者,往往是他们成就自己的宝贵机遇。约翰· 奥古斯塔斯·罗伯林(John Augustus Roebling)就是后者中的一员。

约翰·罗伯林生于1806年的普鲁士。是一个烟草贩子的儿子。他自幼就展示出对艺术的浓厚兴趣和天赋,他喜爱音乐,擅长演奏长笛和钢琴——我猜他至少还会吹口哨。这个多才多艺的年轻人还喜欢素描和油画。总是听人说,严谨刻板是德国人的天性,约翰·罗伯林显然是一个反例。我觉得德国人民长于逻辑和思辨的特征,很可能更多是源于尊崇理性的社会传统,这才能解释为什么约翰·罗伯林的老妈——Friederike Dorothea Roebling——既没有因为经济因素送小约翰去某个地方当学徒,也没有因材施教发展他的艺术天分,而是让他专门学习数学和科学。在那之后,约翰·罗伯林系统学习了工程建筑、基筑水利以及语言学等等有关桥梁建造的各种知识。为了给自己的将来打下更牢固的基础,他甚至去黑格尔那里去旁听哲学。反正在系统教育的塑造之下,他身上理性的成分越来越明显,艺术的痕迹再也难得一见。

咋看咋不像艺术家的老罗柏林

咋看咋不像艺术家的老罗柏林

当时的欧洲,社会经济政治情况都非常动荡,和巨人拿破仑之间的战争更加剧了当时普鲁士社会中的不安。这让工程桥梁建设者的前途显得异常渺茫。不久之后,基于各方面的考虑,约翰·罗伯林和他哥哥于1831年背井离乡,投奔了他们心目中的世外桃源——美国。

就像很多故事里,英雄总会先遭遇一些困难,约翰·罗伯林刚到美国,就经济大萧条。约翰只好当了一个农夫。几年后,取了一个裁缝的女儿。德国人将严谨勤俭表现在生活的方方面面,在接下来的二十年中,约翰·罗伯林充分发掘他妻子的潜力,让这个英雄妈妈为他生了五子四女共九个孩子。不知道是因为对自己祖国的失望,还是出于对这个崭新国度由衷的热爱,他为长子取名为华盛顿·罗柏林——足以媲美"建国·罗柏林"、"卫兵·罗柏林"。

约翰·罗伯林身在田间垄头,可仍然积极参与美国的工程建设。从河流疏浚,铁路规划,运河的基础建设以及桥梁建筑中材料的生产设计,他把握一切展示自己的机会。随着尼亚加拉悬索桥、肯塔基河悬索桥以及匹兹堡悬索桥工程的相继展开,他在桥梁工程建设方面的天赋和才华为越来越多的人所知,而辛辛那提—克温顿大桥 ——当时世界上最长的悬索桥——的成功,最终让约翰·罗伯林大放异彩。随后,约翰·罗伯林着手为分隔曼哈顿和布鲁克林的东河设计一座悬索桥,并为之积极的奔走游说。不过,尽管他有着耀眼的成就,东河的特殊情况仍然让纽约政府举棋不定。

布鲁克林大桥鸟瞰图

布鲁克林大桥鸟瞰图(左)

确切的说,东河并不是河流,是海峡。随着潮起潮落,水面宽度在不同的地方也不同。最狭窄处800米,最宽的地方则有5600米。而河床在最浅的地方有80 英尺,最深的地方则超过92英尺。虽然东河不像真正的河流一样裹挟一路的泥沙汇入海洋,但是经年的潮汐,仍然让河底铺满了沉积物。河床最上面是12英尺厚的黑泥,然后是6英尺的粗砂,紧跟着又是6英尺的碎石层。在这下面的,仍然不是坚硬的岩石,而是15到20英尺不等的流沙层,这层流沙夹杂着大量的大石块,最后才是河床的岩石底。

这些复杂的地质情况,让桥基点的选择变得不是那么困难了——哪儿都差不多。另外,当时曼哈顿的发展区,主要集中在半岛的南边——这让约翰·罗伯林的选择变得更少了。

经过罗柏林十余年的努力游说,纽约政府终于同意立法兴建纽约-布鲁克林大桥(New York and Brooklyn Bridge)——也就是后来的布鲁克林大桥。在建造法案通过之后,约翰·罗伯林立刻开始就当地水文地质进行最后的勘察工作。可就当他在码头实地考察造桥地点的时候,一艘正在靠岸的摆渡船鬼使神差地撞上了他,压碎了他的脚趾头。医生马上就给他做了截除脚趾的手术,并强烈要求他接受进一步的药物治疗,以预防当年经常发生的一系列感染并发症。

不知道是因为对当时当地的医疗水平抱有很重的偏见,还是约翰·罗伯林一生博学好识,因此对一个自己不甚了解的学科也充满信心,他拒绝了这些预防措施,而是坚持每天用水冲洗自己术后的伤口——他设计的"水疗法"。很快,明显的破伤风的症状出现了,三周后,1869年7月22日,约翰·罗伯林在痛苦中撒手人寰。

破伤风的历史,很可能比人类的历史还要长。这种疾病害死了不知道多少人。在卫生医疗水平还没有得到充分发展的年代,甚至给婴儿剪断脐带都有生命危险。但是直到约翰·罗伯林逝世,人们都还没弄清是怎么回事。其实也就是在不久后的1884年,破伤风的病原体——破伤风梭状芽胞杆菌(Clostridium tetani)——就被确定了。

破伤风梭状芽胞杆菌长的很像网球拍,有很强的适应环境的能力,泥土朽木岩石甚至动物粪便中,都有它们的身影。一旦环境不适合生长繁殖,它们就变成芽胞呼呼大睡,等环境好转才会醒来。人并不是它们喜好的寄生物种,因此它们的生理特性一点都不会为人类着想。在发现这种病原菌的同年,人们证实破伤风的危害来自于它们在正常生理代谢过程中,排出的一系列的代谢物。其中的破伤风菌溶血素(tetanolysin)和破伤风痉挛素(tetanospasmin)对人危害最大。破伤风杆菌不需要像别的细菌那样进入人体、大量繁殖才产生危害,它们像毒蛇一样,只要将这些有毒物质排入血液,人就会面临灭顶之灾。

破伤风菌溶血素是一种分子结构相对简单的蛋白,这种物质主要和细胞膜上的某些特殊结构结合,然后就可以将细胞膜上开个大洞。随着大量物质的涌入,细胞就会被撑破。一旦这种毒素进入人体,首当其冲的就是血细胞,这也是这种毒素名字的由来。

但是真正危险的则是破伤风痉挛素。这种毒素毒性剧烈,仅次于肉毒毒素。只要进入人体,就会选择性的和神经组织相结合,危及脊髓、脑、周围神经末梢等结构的生理功能。于是,一旦不幸感染破伤风,不仅感染局部会不停传出剧烈的痛感,破伤风痉挛素还会让支配人体肌肉组织的神经不断发出强烈的收缩信号,诱发强烈的痉挛。一旦发作,全身所有的肌肉全部收缩,患者的呼吸急促而痛苦,口吐白沫,面目狰狞,手足抽搐。就我们的生理结构来说,背部的肌肉群,远强于胸腹,所以患者的身体被背部的肌肉群抽紧,看起来就像一张快要折断的弓。

这样的发作日复一日,恐惧和焦虑的受害者即便不死于抽搐时吸入大量口腔分泌物导致的肺炎或者是窒息,甚至是心脏病,最后也会死于由于全身肌肉的频繁抽搐导致的衰竭——也就是活活累死。

随着对破伤风芽胞杆菌以及其致病机制的深入认识,破伤风的真像逐渐为人所知。德国人贝林(Emil von Behring)和日本人北里柴三郎(Kitasato Shibasaburo)一同发明的破伤风抗毒素,为人类治疗破伤风治疗带来了福音。

既然破伤风芽胞杆菌在自然界广泛存在,对任何伤口都要考虑感染的可能。不过,这种杆菌虽然恶毒,但是它们却无法耐受氧。在有氧气的环境里,都只能保持在沉睡的芽胞状态。所以实际上只有那些比较深的伤口——可形成缺氧的局部环境——才真的有感染的危险。对这类患者,首先要对伤口进行细致的清理,尤其要用双氧水破坏缺氧的局部环境。之后要就要预防性使用破伤风抗毒素。这是一种专门和破伤风毒素结合,从而避免它们伤害神经的蛋白质。与此同时还要给患者接种破伤风疫苗,让人体自然产生杀灭破伤风杆菌的能力。最后,用抗生素——比如青霉素——杀灭可能进入人体的杆菌活体。

而对已经表现出明显的破伤风症状的患者,以上诸多措施都要按部就班完成之外,还要用安定等对抗痉挛的药物缓解不停发作的抽搐;同时给氧——有必要时还需人工呼吸机保证患者不至于窒息。

现代医学为我们带来了系统全面的治疗方案,不过一旦感染,破伤风仍然有高达10%的致残率。

可是这一切离约翰·罗伯林还太遥远:破伤风抗毒素以及针对破伤风杆菌的疫苗,直到1890年才出现;而青霉素之类的抗生素的出现,还要将近70年;至于安定类能有效缓解痉挛药物,还要等将近一百年。从这个角度来看,无论可怜的约翰·罗伯林是否听从当时医生的建议都不重要,他的命运也许在轮渡靠岸的那一刻,就已经决定了。

幸好在纽约州政府批准兴建之前,布鲁克林大桥的建造方案就已经大致拟定了。老罗柏林之死并没有让原定计划搁浅。建造布鲁克林大桥的任务——老罗柏林未完成的愿望——薪尽火传,落到了长子华盛顿·罗柏林的身上。

(待续)

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