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外科之花的艱難綻放(5)

科學松鼠會_96
・2013/07/16 ・2640字 ・閱讀時間約 5 分鐘

第三章、起步維艱 山窮水盡(上)

花開兩朵,各表一枝。話說當初比奇洛等人為解決無血術野的問題,突破傳統另闢蹊徑,將低溫醫學的實驗成果引入心臟外科的臨床實踐後,很多醫生迅速掌握了這一技術並對簡單的心內畸形發起了攻勢,且成績斐然,這可以說是心外發展史上的一個小高潮。但當他們試圖以此為基礎擴大戰果,挑戰更有難度的複雜心內畸形手術時,卻難以突破低溫手段固有的時間限制,很多人因此對心外科的發展前景再次悲觀起來。比奇洛試圖進一步通過相關研究延長低溫下停循環的時間;同時,為解決無血術野而進行的體外循環的研究也在挫折中不斷推進——事實上這一傳統思路並沒有因低溫手段的出現而中斷過,只不過在當時其光輝被大大地掩蓋了。

如果說整個心外科發展史上的精彩事件,猶如一串異彩紛呈的寶石項鏈的話,那麼體外循環機的從研發到正式確立應用的過程,則無疑是其中最為璀璨碩大的一顆。

今天,許多外科醫生和技師也僅僅將體外循環機當做一種常規的醫療儀器加以擺弄時,普通人更沒多少知道,這看似冰冷的機器背後有著許多令人激情澎湃的故事。為了這一偉大發明,很多人都付出了極大的心血,這其中不乏某些頗富傳奇色彩的人物,甚至還包括人類歷史上最偉大的一位飛行員——查爾斯‧奧古斯塔斯‧林德伯格(Charles Augustus Lindbergh,1902 –1974)。關於他1927 年飛渡大西洋的壯舉及對世界空郵事業的巨大貢獻幾乎廣為人知,但很少有人提及他在1931年曾在在《SC IENCE》這本著名的雜誌上,發表過一篇創紀錄的論文——題為 「一個封閉的恆壓下使液體流動的裝置」——僅有122字,堪稱史上最短。

該論文的緣起,是其小姨子1929 年患嚴重的風濕性心臟瓣膜疾病,這在當時是無法進行手術治療的。林德伯格曾多次詢問心臟專科醫師們是否可用一種類似人造心臟的裝置暫時替代自然心臟, 然後切開心臟進行糾治。 醫師們對此毫無反應亦不作正面回答。有誰會在乎一個飛行員、工程師對如此重大醫學事件的建議呢?更何況這一想法在當時看來就是異想天開嘛。

後來一個偶然的機會,林德伯格結識了當時已頗負盛名的艾利克斯‧卡萊爾教授(Alexis Carrel,1873-1944,1912年諾貝爾生理醫學獎獲得者)。卡萊爾覺得林德伯格的想法很有價值,但由於當時人們對如何解決凝血、 溶血、 以及感染等問題尚缺乏瞭解, 所以建議暫時擱置人工心肺的研究。而先進行目前的,為器官移植而進行的器官灌注實驗。因為器官自供體取出後,有時候不能立即植入受體,這段時間裡如何保證離體器官的活性呢?這一實驗就是試圖解決這一問題。而Carrel教授自己正進行的多次實驗均以失敗告終。後來在其實驗室工作的林德伯格不負所托,研製出了當時最好的灌注裝置,可以保存離體腎臟,使之能維持到移植為止。由於時代的限制林德伯格用機械方法替代心肺功能的設想未能走向實踐,也許是因為林德伯格在飛行方面的成就已足以名垂青史,上帝不願再將體外循環機的實現這一大任降臨於斯吧。這一偉大設想的最終實現,主要是由一位叫約翰‧希舍姆‧吉本(John Heysham Gibbon,1903-1973)的人歷經二十餘年不懈追求的結果。

吉本出身於醫學世家,其父親爺爺太爺爺太太爺爺均為當時著名的醫生,這種家庭環境的熏陶,恐怕與其日後在醫學上的能夠取得如此重大的醫學成就不無關係。1927 年從傑斐遜(Jefferson)醫學院畢業, 在賓夕法尼亞大學醫院實習,2年後進入麻省總醫院,在外科教授邱吉爾(Edward D, Churchill) 領導下工作。1930年10月3日,27歲的Gibbon分管一位53歲的女病人,該患者施行了膽囊切除術後15天後,因血栓形成而發生了致命的肺栓塞,病人的病情迅速惡化,出現了極度缺氧。「切開肺動脈,取出血栓」在當時的技術條件下幾乎就是挑釁死神,這一以德國外科醫生Trendelenburg名字命名的手術,在上世紀30年代歐洲的紀錄是,140例病人中僅有9例存活,而在美國則乾脆沒有存活的報導,預後十分凶險。因此邱吉爾教授決定,除非萬不得已,否則不能冒險手術。邱吉爾教授囑吉本對此患者嚴加監護, 每 15分鐘記錄一次血壓、脈搏、呼吸及體溫, 並同時做好術前準備。吉本在患者床邊整整守候了一夜。翌晨8 時, 患者突發神志昏迷伴, 呼吸心跳停止。手術立刻進行,在 6 分半鐘內從肺動脈內取出眾多血塊並縫合血管, 但遺憾的是,患者始終未能甦醒。

吉本後來回憶說 「……患者為求生而掙扎的情景深深震撼了我,但我無能為力。當我注意到她的血管逐步膨脹,血液顏色也愈來愈黑時,很自然地想到這時若能將這些血液用任何方法持續抽出, 去除二氧化碳, 加入氧氣, 再將此血液注入血管內, 同時可以使醫生在阻斷回心血流的情況下,安全地切開肺靜脈取出血栓,就可能挽救她的生命……我們應該在病人體外做一部分心和肺的工作」

每一個醫生在其一生的執業生涯當中都將不可避免的遭遇到病患的死亡,尤其最初幾例病人的離世往往會令該醫生終身難忘,這當然首先是一種惡性刺激,會對該醫生的從業產生重要影響,比如有的人會因受不了這種刺激而脫下白服離開醫療行業,有的人則在反覆的刺激中漸漸因習慣耐受而麻木。在當時死於Trendelenburg手術的病人,通常可能不會被的外科醫生認為是意外。顯然,吉本還沒到麻木的時候,該病人的死亡對他的刺激是如此強烈,馬薩諸塞州的不眠之夜對吉本的前途甚至整個心臟外科的發展前景均產生了深刻的影響,此後的二十餘年裡,Gibbon把最為寶貴的青春年華全部奉獻給了體外循環的事業。人生能有多少個二十年呢,更何況這二十年幾乎佈滿坎坷與荊棘的。

1934年吉本成了麻省總醫院的住院醫師,獲得了研製人工心肺機的准許,但當時Churchill認為這位前程似錦的弟子已經走火入魔了,批准這一請求的同時亦深感惋惜。這個開局即不被人看好的研究,未來發展的難度亦可想而知了。就整個心外發展史而言,吉本在其中的成就無疑是里程碑式的,然而就他個人來說,這段漫長的日子由於太多失敗和冷遇,顯然又是充滿悲壯甚至有些灰暗的。還好在這期間吉本結識他生命中最重要的人瑪麗‧霍普金斯(Mary Hopkins)——一個得力的實驗室助手、合作者兼老婆。我相信他倆的愛情故事一定十分老套經典——哪有不老套的愛情呢?一個年輕美麗的女人,一個胸懷大志的勇士,在一個原屬寂寞的實驗室裡朝夕相處,我忍不住要幻想出種種香豔的細節了,只不過這不屬於我要講的故事,人們常說每一個成功的男人背後都有一個偉大的女人,我只是隱隱覺得吉本能夠在經歷了那麼多挫折的情況下,仍堅持研究20餘年,瑪麗一定功不可沒,更何況她還不是吉本背後的女人,因為他們是並肩戰鬥。自古英雄皆寂寞,吉本居然得此紅顏相伴,未來將有多少崎嶇坎坷我們且去踏平它們吧。

作者聲明:未經授權,禁止任何形式的轉載。

關於本文

轉載自科學松鼠會 外科之花的艱難綻放系列,作者李清晨

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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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