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外科之花的艱難綻放(1)

科學松鼠會_96
・2013/07/13 ・2294字 ・閱讀時間約 4 分鐘

我第一次看到跳動的心臟,真是激動人心的經歷,那彷彿是在尋找通往天堂之門。

——丹頓‧阿瑟‧庫利,胸外科年鑑, 1986; 41(1): 20 [Denton Arthur. Cooley, Annals of Thoracic Surgery 1986;41(1):20]


和悠悠人類歷史長河相比,區區六十餘年的心臟外科發展史,不過是石火光中的一瞬而已。回望這半個多世紀以來的人與事,多是殺戮與爭鬥、慾望與權謀不斷地被搬上銀幕,為人們所津津樂道反覆咀嚼的歷史人物,似乎也只有踏著枯骨的黨魁與流氓。不過可曾有人想過,相比於殘殺同類以建功立業的所謂「人物」,那些為拯救萬千生靈而嘔心瀝血與死神抗爭的人,才是我們人類的驕傲,才是真正值得銘記的英雄。他們,以及由他們譜寫的那一段壯麗詭譎如傳奇般的現代史詩,本不該如此悄無聲息地被歲月淹沒。謹以此文向那個偉大時代的心臟外科的拓荒者們致敬。

第一章  破冰之舉,走出魔咒(上)

十九世紀末,西方傳統醫學在生命科學體系完成基本構架之後,逐步擺脫了黑暗與矇昧,開始了在現代醫學軌跡上的漫漫征程,各個分科與專業在科學之火的指引下迅速攻城略地到處開花結果,號稱「醫學之花」的外科的發展尤為引人注目,這其中又以被後世尊為「外科之父」的奧地利醫生西奧多‧比爾羅特(Theodor Billroth,1829-1894)的成就最為輝煌。由於他開創性的貢獻,使腹腔幾乎成了外科醫生縱橫馳騁的跑馬場,以其名字命名的部分術式甚至至今仍在外科領域的臨床實踐中繼續發揮作用。可就是這樣一位現代外科的開山祖師爺,卻曾經為心臟外科下過這樣一個「魔咒」似的評語: 

「在心臟上做手術,是對外科藝術的褻瀆。任何一個試圖進行心臟手術的人,都將落得身敗名裂的下場。」

以歷史的眼光看來,當時不但有關心臟的病理生理狀態人們所知甚少,手術器械與技巧亦處於初級階段,也基本沒有高級生命支持手段,進行心臟手術無疑是盲人瞎馬夜半深池,其危險性不言而喻。但這是一個時刻充滿著變數的偉大時代,歷史的巨輪必將滾滾向前,諸如蒸汽機似的偉大發明,已徹底顛覆了此前人們對動力的認識,並深刻改變著整個世界。或許打破比爾羅特這一魔咒也只是時間的問題,可將由誰在什麼時候完成這一破冰之舉呢?據說一顆有生命力的種子,在起破土而出的時候,可以掀翻壓在它身上的巨石,也許心外科正是這樣一顆種子,只待雨露充足。

沒有多久,比爾羅特的這一訓誡就遭到挑戰了。僅僅在其去世後不到3年,一位德國法蘭克福的外科醫生路德維希‧雷恩(Ludwig Rehn,1849-1930),便成功地為一位心臟外傷的病人進行了縫合。時間是1896年9月7日,警察送來一個重患:一位22歲的小夥子被刺中心臟,面色蒼白,呼吸困難,脈搏不規則,衣服被血浸透,情況十分危急。此時,若遵循大師的訓誡,為不使自己身敗名裂而不予施救的話,這個年輕人當然必死無疑。雷恩記錄道「我決定進行開胸手術,發現心包內持續有血流出。擴大心包傷口,清除了陳舊的血液和血塊,發現右心室上有一個1.5釐米的傷口……我決定縫合這個傷口。當縫合至第三針後,出血得到了控制,脈搏心率呼吸都得到了改善……這個手術無疑證明了心臟縫合修補的可靠性。」

在那個沒有心臟外科專業醫生的年代,心臟受傷而居然不死,我懷疑,這個病人在當時很可能比救他性命的醫生雷恩還要出名,太狗屎運了。由於人類爭鬥的本性,我們有理由相信,遭遇到心臟外傷病例的外科醫生顯然不止雷恩一位,這些醫生當中,也一定會有人為救病人性命而置前輩的警告於不顧的,可其他人處理的結果是怎麼樣的呢?也許我們大約可以從同年的這樣一句話中推斷出來,出生於醫學世家的著名英國外科醫生斯蒂芬‧帕赫特(Stephen Paget,1855-1926)爵士,在1896年時曾經說過:「心臟外科可能已經達到外科的天然極限,處理心臟外傷的各種自然困難,是沒有任何新的方法或發明能夠克服的。」這一番話,我們甚至無法用悲觀來形容,因為顯然在當時人們對心臟外科的前途是幾乎不抱任何希望的。既已絕望,悲觀自然無從說起。既然連蜚聲世界的外科大師們都持以如此堅決的反對態度,還會有人為這個根本不會有前途的事業繼續奮鬥麼?

面對一個心臟受了外傷的病患,不要說在外科學剛剛興起的當年,即使是在各種施救條件均已相當完善的今天,如果醫生表示無力回天的話,恐怕人們也不難接受。可如果是面對一個先天性心臟病的孩子呢?懷著無比的欣喜迎接他的出生,而後眼睜睜地看著他羸弱,青紫,直到最後衰竭死亡,所有的人都束手無策——當時學界普遍認為,一個因先天心臟畸形而發生青紫的孩子,是超越了手術可以糾治的極限的——也許這是造物主早已判定了的死亡。這是怎樣的人間悲劇!那些多次目睹,並傾聽著這些言語訴說的慘狀的醫生們,就沒有人能站出來,為拯救這些可憐的孩子,向不公平的造物主,向死神反戈一擊嗎?

從這些數據中,我們大致可以估計到在當時有多少這樣令人心痛的悲劇不斷上演了,終於有些醫生坐不住了……我們知道人類的心臟是個「四居室」,分為左右心房和左右心室,各自與重要的大血管相連接,左心室連接主動脈,右心室連接肺動脈,左心房連接肺靜脈,右心房連接上下腔靜脈,左右心房間以房間隔為隔斷,左右心室間以室間隔為隔斷,房室之間存在二尖瓣和三尖瓣以保障血液不會發生返流。先天性心臟病就是由於上述心臟大血管等重要結構在胚胎發育過程中出現發育障礙,產生位置、連接的異常,從而使血液的分流出現問題,輕則影響生存質量重則致命。據統計先天性心臟病的發病率約為出生活產嬰兒的7‰至8‰,未經治療者約34%可在1個月內死亡,50%在1歲內死亡。那些僥倖獲得相對長期生存時間的人(畸形程度較輕),其生活質量也是極低的,發育差,體力差,容易被感染等等。

心臟的解剖(待續)

關於本文

轉載於科學松鼠會 外科之花的艱難綻放系列,作者李清晨

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科學松鼠會_96
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科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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