螺旋主义者的往事- · 科普中国网

利维坦按：

完全可以想象一个百余年前的解剖学家，在观察到工作与生活中的诸多螺旋结构时所感受到的澎湃心境——仿佛有个亘古的隐秘昭然若揭，而他即将代表人类迈出一大步。从具象的水涡、花瓣排列，到抽象的太极图腾乃至伊藤润二在漫画中对社会的隐喻，螺旋以其无穷尽的、充斥着神秘性的线条美学吸引着无数人的关注。这确实很奇妙：为什么那么多自然造物都会遵循着如此一个规律且和谐的方式生长或是运动？为什么螺旋贝壳与星系、人类心脏的形状如此相似？凯文·丹恩（Kevin Dann）带我们进入《自然中的设计》（Design in Nature，James Bell Pettigrew，1908 年）书中的漩涡，向我们描绘了世界的原型——螺旋，和关于它的一场被遗忘的探索。

《自然中的设计》第一卷中的图版XIX，说明螺旋壳结构与内耳骨部分之间的相似之处。 © archive.org

1903年一个宁静的春日，在苏格兰圣安德鲁斯郊区一条斜坡道路的顶端，坐着69岁的解剖学家兼自然主义者，詹姆斯·贝尔·佩蒂格鲁博士（James Bell Pettigrew），他在自己设计的汽油动力飞机里休息。

自1864年之后的四十余年时间里，从在伦敦的航空实验开始，佩蒂格鲁已经构建了数十种不同飞行装置的模型。

通过对野生和伦敦动物园里的动物进行解剖和观察，他认为所有的生物——无论是在陆地上、水里还是在空中——都通过把身体抛向螺旋曲线来推动自身的运动，类似于液体的波浪，或者是声音的波形。

不像其他垂直驱动机翼的模拟动物的飞行器，佩蒂格鲁的“扑翼飞机”模仿了他发现的飞行生物的运动规律：一种有节奏的八字曲线。为了形成这种波状运动，他在机翼底部安装了一个球窝接头；振动机翼由竹藤制成，从竹藤上伸出锥形鲸骨，上面覆盖一层薄薄的天然印度橡胶，形成一个具有弹力的交叉系统，可以调节机翼的振动方式。二冲程发动机的活塞驱动着这个精心设计的模拟生物螺旋装置的运动。

佩蒂格鲁和他某一版的扑翼机；女人可能是埃尔西·贝尔·佩蒂格鲁（née Gray），慈善家、贝尔·佩蒂格鲁自然科学博物馆的创始人，他的妻子。© The Royal Aeronautical Society/National Aerospace Library)/ Mary Evans Picture Library

在首飞坠毁之前，这架扑翼机飞了20米，然后鲸骨机翼就连着飞行员的屁股一起摔了。养病期间，佩蒂格鲁博士开始写这本《自然中的设计：图解无机和有机王国中的螺旋和其他排列，以晶体、植物和动物中的物质、力、生命、生长、节奏等为例》（Design in Nature: Illustrated by Spiral and Other Arrangements in the Inorganic and Organic Kingdoms as Exemplified in Matter, Force, Life, Growth, Rhythms, &c., Especially in Crystals, Plants, and Animals.）。

1908年1月，这本书即将完成，在一篇描写古人类的长文之后，他在结尾处再次重点强调，人类的身体形态至少在一万年内没有任何改变，这是出自“伟大的第一因”和“宇宙的全能构架者与维护者”之手的绝对“设计”。以下是他的总结：

人在任何意义上都不是进化的产物。无数低等动物形态在不断变化的进程中相互融合，从单细胞进化到人——这不可能。人类是生物的最高形式。世界为他而造，他为世界而造……万物都有其对应之物。没有任何意外与偶然，一切都有谋划、有预见、有设计。《自然中的设计》第三卷中的CLXXX图版，通过古典和现代雕塑说明“行走、游泳和飞行”过程中发生的“对角螺旋运动”。按数字顺序：让-里奥·杰洛姆（Jean-Léon Gérôme）的生命研究；古城奥斯蒂亚（Ostia）的女神维纳斯；安东尼奥·卡诺瓦（Antonio Canova）创作的希腊拳击手Damoxenus；以及青铜掷铁饼者雕像。© archive.org《自然中的设计》包含三卷，共1416页，近2000幅插图。在这本鸿篇巨著之中，詹姆斯·贝尔·佩蒂格鲁博士几乎没有提到查尔斯·达尔文的自然选择理论，因为他认为该理论“蹩脚、停滞、无能”。虽然佩蒂格鲁深深钦佩这位英国自然学家，达尔文也曾数次（像赫胥黎、理查德·欧文、约翰·卢博克、圣乔治·米瓦特和其他几十位科学界的领军人物一样）到英国皇家外科医学院的亨特博物馆拜访佩蒂格鲁，观摩他在解剖学和生理学上先锋性的制备工作。

他感觉到，达尔文对自然“无限造就极美（endless forms most beautiful）”做出了理论解释，但好像并没抱太高的期待——达尔文主义不过是昙花一现，几代人之后没人会记得。

主要让佩蒂格鲁接受不能的是，达尔文在他发表的关于铁线莲、旋花、金银花、啤酒花和许多其他植物的螺旋运动的文章中犯下了严重的错误，导致他对缠绕植物研究所做出的积极贡献都被他不准确的语言和思路所破坏。佩蒂格鲁极力反对他使用“反射作用”一词来描述这些植物的运动，因为这个词用于神经系统——然而铁线莲、旋花植物和它们的表亲都没有。

早在1865年，佩蒂格鲁阅读了达尔文的《论攀缘植物的运动和习性》之后，通过一些巧妙的实验，彻底击碎了他书里关于绿色嵌合体运动的“刺激性理论”。正如螺旋形态的牙齿、爪子、角、肌肉和骨头一样，螺旋转动的植物卷须绝对不是与外部环境接触的结果。正如海洋里牛头鲨和狗鲨产下的螺旋形蛋壳，这种结构的形成与外界干扰无关，它们随着看不见的音乐起舞。

达尔文《论攀缘植物的运动和习性》中的插图，以及佩蒂格鲁谴责的 "刺激性理论"。© Wiki

放大镜下的南瓜（Cucurbita）卷须。摘自1928年Karl Blossfeldt的《自然界中的艺术形式》（Urformen der Kunst）。© publicdomainreview.org

佩蒂格鲁承认自己完全为自然界最普遍的这种流动而奇异的形式——神秘的螺旋所着迷。从宏观的螺旋星云，到周期表里左旋和右旋的微观分子，他仔细研究了这个无处不在的密码，却仍对它的起源感到困惑。

他能给出的最好的回答是：答案不在表面。面对世界的原型——螺纹，不知所措的他只确信一件事，它不可能起源于纯粹物理。一位评论家针对佩蒂格鲁在《柳叶刀》上发表的关于动植物循环的系列文章，称这位杰出的解剖学家是一位“螺旋主义者”，他认为器官在拥有螺旋结构的同时也在螺旋状地运作着。

《自然中的设计》第一卷，图版XII， “精子、脐带、肠道和神经细胞中的螺旋形构造和结构” 图解。© archive.org他从艾萨克·罗伯茨（Isaac Roberts）摄于1888年的仙女座大星云等惊人的宇宙星云照片开始论证，然后让读者沉浸在一连串不起眼的螺旋形式中——矿物亚氯酸盐，公羊角，泰晤士河里的细菌，藻类果胞（红藻的雌性生殖器官）化石，各种螺旋状的植物叶片、花苞、茎干、卷须，乃至种子的排列。

动物世界则从精子开始（小龙虾、兔子、田鼠、啄木鸟、金翅雀、山雀、鲈鱼、青蛙、老鼠，以及人类的），再沿着伟大的生命链延展开来：青蛙的神经节、各类有孔虫动物、精致的鹦鹉螺；从泥盆纪、志留纪、侏罗纪、白垩纪到现今的各种贝壳；山羊、瞪羚、羚羊的角；人的耳蜗；从从印度象的趾骨到人的鼻甲骨，几乎遍布脊椎动物骨骼的每一个部分；人类脐带，长得像水龙卷（译者注：俗称“龙吸水”），又像朴素高耸、螺旋缠绕的啤酒花，就是作为达尔文研究对象的那些缠绕的茎干。

所有的这些都在书的前五十页被描绘出来，还有数百张其他的图像散落在整个三卷里其他地方。这种杂乱无章的分布形式有可能使读者难以去理解螺旋的意义。

第一卷中的图版XVI，"贝壳、角、獠牙、牙齿、羽毛、长鼻子、触手等中的螺旋结构"图解。© archive.org

第一卷中的图版XVII，"羽毛和牙齿中的螺旋形结构，心脏的肌肉排列，以及心脏心室腔的铸型" 图解。© archive.org

在这些让人眼花缭乱的图例中，有一个神圣的秘密，彻底占据了亚里士多德（Aristotle）与阿奎那（Aquinas）、列奥纳多（Leonardo，指达芬奇）和维萨里（Vesalius）的心——那就是人类的心脏。

心脏中的七重螺旋结构是奥秘中的奥秘，它的形式使肌肉收缩与血液内部的循环模式完美结合。年轻的佩蒂格鲁在爱丁堡大学读医时发现了这一点，因为他的解剖给教授留下了深刻印象，故被邀请到1860年的伦敦皇家学会著名的Croonian论坛的发表演讲。

在佩蒂格鲁的医学院学生时期，爱丁堡大学正处于其黄金时代。詹姆斯·西姆（James Syme）以其大胆先锋的外科手术让世界目瞪口呆；詹姆斯·杨·辛普森（James Young Simpson）在他皇后街52号家里的餐桌上向客人证明了氯仿作为产科麻醉剂的安全性；约翰·休斯·贝内特（John Hughes Bennett）对显微镜的系统使用开创了临床医学教学的新时代；约瑟夫·李斯特（Joseph Lister）在伤口、绷带和器械上使用少量石炭酸（苯酚），虽然开始被同行嘲笑，却为外科手术带来了革命性的改变。

佩蒂格鲁回忆起当时这些明星医生之间的竞争时，说那就像“用钻石切割钻石”，这样的比喻再恰当不过了。切割——用各种手术刀、柳叶刀、剪刀——是医生的特殊艺术。佩蒂格鲁的艺术导师是解剖学教授约翰·古西尔（John Goodsir），他有一双大而有力、形状精致的手，挥舞手术刀时灵巧优雅，令人侧目。在1857年至1858年冬季学期结束时，古西尔教授发布了高级解剖学金奖的课题：脊椎动物心脏心室中的肌肉纤维的排列。在过去的三个世纪里，这个解剖学的难题挫败了维萨里、阿尔比努斯、哈勒和其他所有尝试者。

佩蒂格鲁关于哺乳动物心脏神经的排列的论文中的解剖图。© era.ed.ac.uk

在拉纳克郡乡间的家族别墅里，24岁的佩蒂格鲁试着去解剖着各种他可以接触到的心脏，对它们进行仔细的绘图和记录。从绵羊、牛犊、公牛到马匹，他意识到需要一种新的解剖方式，既要有足够的硬度来保持解剖结构，又要有足够的柔软度，以梳理它们众多的组织层。

在消耗了大量甲醇等化学制剂后，他想到了一种权宜之计，即用一种真正的苏格兰材料——干燕麦片填充，并轻柔地扩张心室。将心脏慢煮四五个小时，可以去掉所有表面脂肪、血管、神经、淋巴管和细胞组织。然后在甲醇里硬化两到三周，就可以像洋葱皮一样层层分离和剥落心室的肌肉纤维。这些层有两种：从左到右呈螺旋状缠绕、向下延伸的心脏外侧肌肉纤维；还有以从右到左以相反的螺旋方向，向上延伸的内部纤维。

《自然中的设计》（1908年）第二卷中的 XCVII图版，描绘了心脏的扭曲和内部螺旋的纤维。© books.google.co.uk

他解剖了100多个脊椎动物心脏，每根肌肉纤维的内外层形成了两组相互交叉的相反螺旋，交叉口向中心倾斜。这些内层和外层被进一步划分为一对向左旋和向右旋的螺旋组。尤其左心室有一个最完美的对称螺旋，可以与大仙女座星云相媲美。

作为天赋异禀的模型制作者，解剖师佩蒂格鲁发现现在这颗双螺旋心脏是个一级解剖难题，因为外部肌纤维在心室的顶端和底部与内部肌纤维无缝且呈螺旋状连续。一天，他比平时早一点下楼吃饭，看到桌上放着一卷报纸，突然产生一种冲动，把它从一个角落斜着卷起来——就跟杂货店包锥形纸袋一样。令人惊讶的是，这叠报纸上的印刷线按照渐变的顺序向不同的方向延伸：外层的线条从左到右向下螺旋延伸，越到中心层越倾斜；内层的线条从右到左向上螺旋延伸，随着远离中心而变得更垂直。当接近中心时，两层上的印刷以加宽的角度交叉，形成一个X。

这个锥体的顶端和底部的印刷线都无缝衔接，类似于心脏肌肉纤维的排列。那是一系列复杂的八字形循环，以极其复杂和美妙的数学模式排列。“这里”，他写道，“简而言之，就是一个读数在顶端转入或渐开，一个读数在底部转出或渐屈（译者注：渐开线和渐屈线是曲线微分几何中的概念）。”佩蒂格鲁的报纸模型揭示了心脏的双螺旋结构——现被称为螺旋状心室心肌带 (HVMB)，其本质是一个三重扭曲的莫比乌斯带。

《自然中的设计》第二卷中的 XCVIII 图版。© books.google.co.uk

佩蒂格鲁大喊大叫着“尤里卡！”（译者注：EUREKA这个词相传最初来源于阿基米德发现阿基米德定理、从浴缸里跳出来的时候喊的词），他洗劫了自己老家拉纳克郡的鱼店，搜集鳕鱼、三文鱼、太阳鱼和大比目鱼的心脏，还幸运地收获了一条在福斯湾被杀死的鲨鱼心脏。他从当地大饭店里收集到了几颗精美的海龟心脏，还有一只陆龟的和一只鳄鱼的。他还拜访了家禽店，得到了鸭子、鹅、松鸡、火鸡的心脏，和一颗“无与伦比”的天鹅心脏。

从鱼到青蛙，再到乌龟，虽然它们的肌肉纤维排列很有趣，但都无法和鸟类和哺乳动物的心室的复杂排列相比（鸟类除了右心室有一个肌肉瓣膜与哺乳动物的纤维状三尖瓣不同之外，其他地方的模式完全吻合）。深夜，佩蒂格鲁在他简陋的学生宿舍里，忙前忙后地解剖着绵羊、小牛、公牛、马、鹿、猪、鼠豚、海豹、狮子、长颈鹿、骆驼和人类，总共112个解剖，以及相应的图纸。

颁发金奖之日来临，这位无名小卒的名字在巨大的解剖剧院里、在400多名学生面前被宣读。古西尔教授让佩蒂格鲁第二天去找他，为大学的解剖学博物馆做心脏解剖制备。那112个整齐的玻璃罐子今天还能在那里找到。他还邀请年轻的佩蒂格鲁向伦敦皇家学会报告他的发现。就在佩蒂格鲁发表演讲——“论脊椎动物心脏心室中的肌肉纤维的排列”的同一周，离皇家学会大厅不远处的阿尔伯马尔街，出版社约翰·默里（John Murray）出版了《物种起源》。竟有人把哺乳动物心脏这样一个精巧的器官归于偶然，佩蒂格鲁的看法是——绝壁疯了。

作为自然中各种螺旋结构的缩影，哺乳动物心脏只是佩蒂格鲁在接下来半个世纪中组建的三项主题之一。《自然中的设计》第二卷专门讨论循环中的螺旋运动（尽管这部分涉及植物和低等动物的循环系统，但哺乳动物和人类仍占研究的四分之三）；第三卷则讨论了螺旋作为运动的形式特性。

在动物生理学的两个领域里，佩蒂格鲁发现一个惊人的共性：运动既先于结构又遵循结构，在所有情况下，生物的运动方向都由动态的螺旋组件的构造和配置所决定。这种共性甚至似乎可以一直延伸到原子层面。与心脏的封闭系统形式不同，原子和分子在螺旋形式下可以在无限的方向上添加无限的数量，而能量与形式的开放流动是所有生物成长与进步的基础。

这种开放也使脊椎动物的运动变得十分优雅。佩蒂格鲁引用导师古西尔的话说：“人体可以以一种独有的螺旋形姿态被抛起，这是由脊椎关节表面的螺旋曲线和肌肉的螺旋形排列所造成的。这样的螺旋运动轨迹有助于人体的平衡，有种特别的优雅与表现力，但并不适用于其他的哺乳动物。”

只有鸟类——尤其是他最爱的燕子和雨燕，绕过他在圣安德鲁斯建造的一栋石制房屋——燕门（Swallowgate）顶上的塔楼，然后穿过宽阔的沼泽地通向附近的海崖飞去，它们的运动在较小的空气阻力下彻底释放，那样的景象才能与人体运动中饱含的诗意相媲美。

而地面上的人类特有的螺旋结构解放了他们的双手，使他们可以雕刻粘土、系绳索，握住粉笔、画笔和手术刀，以进入生物器官并用色彩和线条描绘它们。隐藏在螺旋肌肉之下的骨质螺旋可以弯曲和伸展，令其跳跃、爬行、扭动、翻滚、滑行、行军、空翻、月球漫步。人类在近乎无限的身体漩涡中起舞，波尔卡舞、皮鲁埃特旋转、苏格兰舞、华尔兹、两步舞……

在佩蒂格鲁的第三个论点里，他再次从结构入手-肌肉和骨骼系统紧密相联。骨骼板表明，我们骨架的每一部分都包含佩蒂格鲁在心脏中发现的那种螺旋形几何结构。在锁骨、骨盆和肩胛骨部分，中间扭曲的股骨、肱骨、胫骨、腓骨、尺骨和桡骨完全呈螺旋状——每一个都接近莫比乌斯带的几何形态。

佩蒂格鲁死后，在达尔文百年诞辰和《物种起源》五十周年前几个月，《自然中的设计》出版了。达尔文主义者充分利用了庆祝活动，来宣传达尔文是目的论狂热反对者的假象。这让《自然中的设计》在公众视野中迅速消失，就像他佩蒂格鲁那架在圣安德鲁斯沼地上空坠落的扑翼机。

《自然》杂志对这本书的目的论进行了整版的抨击，还说如果佩蒂格鲁能活着完成对它的编辑，他就会“删除或者修改其结论”。生物统计学家雷蒙德·珀尔（Raymond Pearl）就没那么客气了，他声称“这本大部头”“可能是近年来对幽默文学最庞大和严肃的贡献”，并指责佩蒂格鲁的“螺旋哲学”——“造物者按同样的计划打造了人类和开瓶器，这样的想法像所有大教堂一样中世纪”。

包括在《论生长与形态》（On Growth and Form，1917）里大谈螺旋形态的达西·温特沃斯·汤普森（D’Arcy Wentworth Thompson）在内，没有一部当代生物学或者自然史作者引用过《自然中的设计》。而在出版一个世纪之后，人们看到，《自然中的设计》不仅是对生物形式的无与伦比的调查，还是对因果关系形式的现代挑衅性探索。它也是一部现象学杰作，其生动的散文和华丽的插图可能会激发新一代的“螺旋主义者”。

文/Dr Kevin Dann

译/大家伙

校对/忽必烈

原文/publicdomainreview.org/essay/the-spiralist

本文基于创作共享协议（BY-NC），由大家伙在利维坦发布

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