大自然的皱纹

  • A+
所属分类:青年文摘彩版
摘要

不光是在我们脸上才会出现皱纹,大自然中到处都是褶皱。大到喜马拉雅山,小到DNA,万物都被折叠着。研究人员正试图解密这个普遍的造物法则:谁能真正读懂褶皱,那他就掌握了许多突破性革新的钥匙。无处不在的褶皱皱纹在皮肤

不光是在我们脸上才会出现皱纹,大自然中到处都是褶皱。大到喜马拉雅山,小到DNA,万物都被折叠着。研究人员正试图解密这个普遍的造物法则:谁能真正读懂褶皱,那他就掌握了许多突破性革新的钥匙。

无处不在的褶皱

皱纹在皮肤上划出深深的印记,有些像是铅笔划出的细线,有些直得就像是用尺划出的,而有些则弯弯曲曲。当我们面对镜子做鬼脸的时候,我们能完全控制自己脸上的各种“地形”。而一旦恢复原状,我们会意识到,原来主宰着我们的脸的其实不是我们自己,而是生活。岁月在脸上留下了它的印记,这就是:皱纹。

接受皱纹也不是天生的,这需要学习。每个人都可能有自己的方法。比如,有人就会对着镜子说:“我不是天底下唯一一个有皱纹的人,每个人早晚都会经历这样的事。”如果镜子会说话,它也许会这样回答:“不错,这样的事情我们镜子见得多了。而且,不光是你们人类的皮肤上会有皱纹,如果你仔细看的话,没有什么东西是没有皱纹的。”

镜子说得没错,在我们的地球上,不仅仅是人类的脸,几乎万物都是有皱纹的。比如岩石和餐巾,又如蝗虫的翅膀和我们的大脑皮层,在它们身上也可以看到褶皱法则的威力。更不用说那些山峦了:它们是无所不在的褶皱最宏伟的表现形式。无论是巨大的地壳板块在相互撞击中形成的圣安地列斯断层,还是宏伟的喜马拉雅山,这都是大自然以它无法抗拒的力量所形成的褶皱。在微观世界中,自然的力量显得更温和一些,但结果却是一样的。人体细胞核中的DNA链也有褶皱。我们体内的蛋白质分子同样也是折叠起来的。放眼望去,无论我们看到什么,褶皱无处不在。

褶皱到底有什么奥妙,以至于万物都遵循着这个造物法则。其答案就是:褶皱可以让自然界在需要的时候从二维平面结构过渡到三维立体结构。听起来这好像很抽象,其实一点都不。DNA链如果摊开的话有两米半那么长,只有借助于折叠所形成的三维结构,小小的细胞核才能容得下那么长的DNA链。

天体物理学家们甚至在宇宙空间也发现了褶皱。阿尔伯特·爱因斯坦早在100年前就在相对论中提到:空间并不是“平直的”,而是被天体的质量所扭曲。质量越大,扭曲的程度也越高,也就越接近于褶皱。这样,我们甚至可以想象整个宇宙都是折叠起来的。

折叠的艺术

人类早就意识到无所不在的褶皱,他们总是会给想象插上翅膀。早在公元110年左右,中国人就发明了折纸艺术。最早人们用纸折成房子,用于给去世的人陪葬,渐渐地,折纸艺术开始摆脱这种祭祀祖先的功能,人们开始折叠人物、花鸟、动物,把二维的纸张变成不同的三维形象。

全球各地的设计师和建筑师在他们的设计中越来越多地运用到折纸艺术的原理:从横滨港长达400米的码头到耐克公司可以折叠放进口袋的运动鞋“城市之刀”。正在研发中的还有手机或DVD播放机可折叠的显示屏。

美国国家航空航天局的工程师们也从折纸艺术那里得到了灵感。他们正在为一架新型的太空望远镜制造巨大的光学镜头:其镜片的直径达到100米。折纸专家罗伯特·朗解释道:“问题在于如何把镜片送上太空。因为运载火箭的直径只有4米。这就意味着我们必须把那么大的镜头折叠成一个小包。”罗伯特·朗出了一个天才而又简单的主意:把镜片折叠起来。第一个根据这个原理制造的折叠式镜头已经问世,直径5米的镜头折叠后只有1米。

日常生活中折纸艺术的运用远比我们想象的要多。比如汽车工程师早就开始利用根据折纸原理设计的计算机程序来设计安全气囊了。软件告诉他们,怎样可以尽可能地折叠气囊,使之能放进方向盘中,并且在遇上事故的时候还能及时打开。在两车相撞的时候,车头应该能像手风琴那样折叠起来,这样就可以最大限度地缓解相撞的能量,从而减少人员伤害的程度。为了让车身能“正确”地折叠,就需要设置一些“折叠点”,而在很多汽车厂中,折叠点的位置也是利用折纸程序来计算的。撞击试验表明,折纸艺术能够挽救人的生命。折叠技术甚至还可以直接用于汽车用钢材的分子结构中。这种材料在遇到碰撞的时候会根据需要进行变形,但同时又非常坚固。

外科医生也开始运用有2000年历史的折叠规则。英国牛津大学和美国阿拉巴马州杜兰大学的医生研制出了“折叠式血管支架”,这是一种细小的金属管,用于救治心肌梗死。金属管被折叠起来,导入发生动脉硬化的心脏冠状血管,然后自动展开,体积扩大到原来的5倍,形成血管支架。这样的支架能够撑开血管壁,避免心脏动脉发生阻塞。

科学家对折纸艺术研究得越深入,他们就越清楚:这门古老艺术的历史远远超出想象—自然界一直就在应用这些规律了。哪里需要将大的物体放进小的空间,哪里就会存在“折叠与展开”原理。DNA的例子我们已经知晓,与此相同的是我们人类的思维装置—大脑皮层。漫长的进化过程中,大脑皮层不断增大,只有通过高度的折叠才能被我们的头盖骨所容纳。花瓣也是一样,花朵开放之前,花瓣也是像手风琴那样折叠着躲在花蕾中的。甲虫的翅膀折叠着藏在甲壳中,在不到1秒的时间内展开成为飞翼。

自然界的褶皱与仿生学

与折纸艺术一样,自然界中的折叠也已经应用于技术领域。西萨克森大学时装设计专业的学生在近距离观察了穿山甲,发现它厚重的盔甲一点也没有影响到它自如地活动,原因就在于它的盔甲能像皮肤那样折叠起来,有时候还相互重叠,这样,身体就能自如地弯曲。学生们由此得到灵感,想到了一个聪明的办法,把这样的机构移植到摩托车手的服装上。在背部、臀部和膝盖部位设计像穿山甲盔甲那样的褶皱,这是一个两全其美的办法,既高度保证了安全,又最大限度地保持了灵活性。根据这个理念设计的带裂缝的皮衣很快就会问世。

自然界褶皱技术在仿生学领域中最令人激动的成果来自美国波士顿的麻省理工学院。在这里,科学家埃里克·德梅恩借助折纸程序研究了蛋白质微小的褶皱结构。他们想实现人工仿制这些褶皱,以此来找到一些不治之症的治疗方法。

褶皱对于蛋白质的意义,直到最近才得到足够重视。长长的蛋白质分子链的折叠方式决定了它是一个“好”蛋白质还是“坏”蛋白质。埃里克·德梅恩说:“如果一个蛋白质以错误的方式折叠,就可能有致命的影响。库贾氏病和疯牛病的原因就在于某种蛋白质的折叠结构发生了异常。”蛋白质“错误的”折叠结构导致蛋白质的功能紊乱—这类似于遗传物质发生的致病性突变。而“正确的”蛋白质折叠结构则能为身体提供健康的原材料。

目前专家们打算用最先进的计算机仿真以及激光摄影技术来解开它的秘密。如果对蛋白质的折叠结构能有更深入的了解,医学界就可以实现一个伟大的梦想:人工合成“好”的蛋白质,可以和体内自然生成的蛋白质具有同样的功能。如果谁在这方面取得突破性的成就,就完全可能获得诺贝尔奖。

巨大的褶皱

人们正站在通向生命内部微观世界的门前,而打开这扇门的钥匙就是褶皱。除此之外,褶皱也是打开通往宇宙宏观世界大门的钥匙,美国宾夕法尼亚州立大学引力物理与几何研究所主任阿贝·阿西提卡和他的研究团队对此深信不疑。

阿贝·阿西提卡提出了一个让人瞠目结舌的全新的宇宙模型,其理论基础就是褶皱。现在一般认为宇宙的起源来自于140亿年前的大爆炸,时间和空间都是那个时候从无到有形成的—因此诸如“在此之前是什么样的”这样的问题是毫无意义的。但阿贝·阿西提卡并不那么认为,他是环圈量子引力理论的创始者之一。这位印度学者认为宇宙并不产生于大爆炸,而是源自于一个更早的宇宙:这个宇宙在它行将结束生命的时候就像手风琴那样折叠成很小的体积,随后又开始展开,直至形成一个新的宇宙。

所有的物质,包括恒星、行星、卫星,以及人和动植物在内的整个宇宙,所有这一切构成了一个巨大的褶皱—这是一个大胆的推测,尽管引起了轰动,但还没有得到多数人的认可。但这是一个很有趣的观点。关于褶皱,怎么去谈论、怎么去猜想、怎么去探讨都不为过。褶皱在医学、宇宙学或其它学科中的重要意义,用另一句话来说就是:褶皱无处不在。

(付晓涛摘自《科学大观园》2006年12月下半月刊)

(作者:周亦舟 字数:3428)

weinxin
金璞玉小说
最新最好看的言情小说,微信号 jpywx8

发表评论

您必须登录才能发表评论!