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.┕ò∨ё涔Ёг〔り 世界不冷清·

。oοО 【≥ω≤】.zZ~~````没有泪水化作思念一起埋藏。

 
 
 

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爱玩爱睡觉``爱民俗化,爱小东西,幼稚不可理喻。有点八`~只愿有自己理想中的家,那样我可随心所欲~~

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[折纸与科学]世界是皱的  

2007-12-13 21:31:54|  分类: 文章 |  标签: |举报 |字号 订阅

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世界是皱的

新知客网      文/ 周亦舟

    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

    有些皱纹在皮肤上划出深深的印记,有些就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,我们能完全控制我脸上的各种“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。岁月在我们的脸上留下了它的印

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。顺便说一句:你知不知道不光是你们人类的皮肤上才会有皱

纹,如果你仔细看的话,没有什么东西是没有皱纹的。”

    镜子说的没错,在我们的地球上,不仅仅是人类的脸,几乎万物是有皱纹的。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中也发现了褶皱。阿尔伯特•爱因斯坦早在100年前就在他的相对论中提到: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,

我们甚至可以想像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,他们总是会给想像插上翅膀。艺术家们利用褶皱来表现他们对人体

的理解。米洛斯的阿芙洛狄蒂纱巾上的褶皱不仅没有盖住她的裸体,反而更突出了人体的美;中世纪的木

雕艺人则用厚重的外衣上的褶皱来“隐藏”那些宗教形象。克里斯托这位当代艺术家,利用褶皱把人们的

思想引向希腊和罗马文化:他为1995年竣工的柏林议会大厦所设计的褶皱使人联想起雅典和罗马庙宇中的

圆柱。

    在欧洲以外的各个文化圈中,对褶皱的偏爱也同样有着悠久的历史。早在公元110年左右,中国人就

发明了折纸艺术。这是一门有着精神寄托涵义的艺术:最早人们用纸折成房子,用于给去世的人陪葬,好

让他们在阴间也能有房子住。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

、动物等形象。折纸艺术的精髓在于,只用一张纸,通过多次折叠来创造不同的形象而不借助其它手段。

随着时间的推移,人们总结出了一些规则,而正是这些规则让人们把二维的纸张变成不同的三维形象。

    利用可定义的规则来进行构造:毫无疑问,数学家会对此产生兴趣。他们研究了折纸艺术的基本模式

及其内在规律,并且用公式来描述折纸中的数学原理。他们设计算法,编制了可以找出解决折纸问题的最

高效途径的计算机程序。美国的折纸艺术家、物理学家和工程师罗伯特•朗认为这是一件有意义的事:“

当代的研究人员发现了折纸的实际利用价值。”

    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古老的折纸艺术的原理: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•朗解释到:“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义:像折叠伞那样把镜片折叠起来。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。

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    日常生活中折纸艺术的运用远比我们想像的要多。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。在褶皱缓冲区中也可以找到折纸艺术的影子。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。

    科学家对折纸艺术的理论和实践研究得越深入,他们就越清楚:这门古老艺术的历史远远超出他们的

想像——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”这个原理。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。在漫长的进

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,花朵在

春天开放之前,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

    早在远古时代,大自然就能完美地运用折叠的技巧,这一点对于新兴的学科仿生学来说无疑是雪中送

炭:仿生学的宗旨就在于以自然界为榜样发展新的技术(关于仿生技术相关文章可见《新知客》创刊号)

。与折纸艺术一样,自然界中的折叠技术也已经应用于技术领域。日本宇宙航空开发机构已经成功地将一

个直径超过10米的太阳帆送上太空,这个太阳帆的的厚度只有7.5微米,按照花的模式被折叠起来。研究

人员希望在未来这样的太阳帆能为宇宙飞船提供动力:来自太阳的光子风能推动太阳帆前进。

    基尔的海洋生物学家瓦勒莉亚•贝尔斯又为褶皱技术找到了新的用途。她发现了淡菜壳上不会附着其

它生物的原因,是因为壳的表面布满了细小的褶皱。贝尔斯认为:“这种类似于波纹铁皮的结构能防止这

些生物在上面寄居,因为在上面找不到足够的附着点。”根据她的观点,如果在船体上制造一些微小的褶

皱就能防止海洋生物附着,而目前轮船用的是有毒的保护涂层。

    在时髦的摩托车运动衣的发展上,自然界的褶皱技术也助了一臂之力。来自于茨维考的西萨克森大学

时装设计专业的学生在近距离观察了穿山甲以后,发现为什么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。

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    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。

    褶皱对于蛋白质性质的意义,直到最近才得到足够的重视。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起来,

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。长久以来,人们就希望可以用这样的蛋白质为原料生产出治疗诸如疯牛病和老

年痴呆病这样的顽症的药物。

    我们如何让人造蛋白质像天然蛋白质那样进行折叠?在人体内这种折叠在眨眼之间就可以完成,尽管

在理论上蛋白质的折叠方式是个天文数字:一个由100个氨基酸构成的分子可能有10100种不同的空间结构

,如果一个个进行尝试的话,费时可能与宇宙形成到其消亡相当。幸运的是自然界优化了这个过程,所需

时间大大缩短:60%的氨基酸链只有两种二级结构——螺旋结构和类似于手风琴的片状结构。尽管这

两种结构还要进一步组合成更复杂的结构,但这样已经能节省不少时间。

    所以研究人员希望能够读懂蛋白质的结构,并将这些知识用于临床治疗。他们预计在两年内能破译细

胞中蛋白复杂结构中最初的一些过程。哈勒-维腾堡的马丁路德大学的蛋白质研究专家克里斯蒂安•许柏

纳博士认为:“修正蛋白质结构中的错误还是很遥远的事。” 尽管如此,这却是完全有可能实现的。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

    可以这么说,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(Abhay Ashtekar)和他的研究团队对此深信不疑。

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    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的形成的——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,“阿西提卡(Ashtekar)变量”就是以他命名的。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,包括所有恒星、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。因为关于褶皱,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。

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