生物的結(jié)構(gòu)

生物學結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)遠早于人工結(jié)構(gòu)。在生命出現(xiàn)之前，世界上不存在任何形式的目的性結(jié)構(gòu)，只有山岳和成堆的沙石。即使是非常簡單、原始的生命形態(tài)，也形成了一種微妙的平衡，其化學反應自發(fā)產(chǎn)生且不斷延續(xù)，你要將其與非生命體分隔開，并防止其受到侵害。大自然創(chuàng)造了生命，并讓其自生自滅，所以有必要設計出某種容器以使之存續(xù)。這樣的薄層或薄膜至少要具備最低限度的機械強度，且要容納生命物質(zhì)，還要保護其免遭外力的侵襲。

在可能的條件下，某些最早的生命形態(tài)是由在水中游蕩的微滴構(gòu)成的，那么一個非常脆弱且簡單的屏障，或許僅僅靠不同液體間界面上存在的表面張力，就已經(jīng)夠用了。漸漸地，隨著生物形態(tài)日趨繁復，生命的競爭越發(fā)激烈，弱小、無法自主運動的球狀生物將會處于不利的地位。生物的表皮變得越來越堅韌，各種各樣的運動形式層出不窮。更大的多細胞動物出現(xiàn)了，它們會撕咬，并快速游動。生存的要義變成了追逐與被追逐，吃與被吃。亞里士多德稱之為“allelophagia”，即相互吞噬，達爾文則稱之為自然選擇。不管怎樣，進化的歷程取決于更強生物材料和更精妙活體結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

早期更原始的動物大多是由軟材料構(gòu)成的，不僅因為這樣的材料能使之更易扭動且能任意延展自身，還因為這些軟組織通常是堅韌的（正如我們將要看到的），而像骨骼這樣的剛性結(jié)構(gòu)卻往往是脆弱的。此外，剛性材料的運用會給生長和繁殖帶來各種各樣的麻煩。女士們都知道，生產(chǎn)是一項涉及高應變和大撓度的大工程。盡管如此，但脊椎動物從受精卵發(fā)育到胎兒的過程，就像普遍的天然結(jié)構(gòu)一樣，在某些方面是從軟變硬的過程，而且在嬰兒出生后，這個硬化過程仍在持續(xù)。

這給人的感覺像是大自然很不情愿地接受了強勁的材料，然而當動物越來越大時，它們從水中登上陸地，大多數(shù)長出且用上了剛性的骨架和牙齒，有些還有硬角和甲殼。但是，動物絕對不會變成像大部分現(xiàn)代機械那樣以剛性裝置為主導。骨骼通常只占全身的一小部分，下面我們將會看到，那些軟的部分常常巧妙地減輕了骨骼上的負荷，使之免受折斷之苦。

大多數(shù)動物的軀體主要是由柔性材料構(gòu)成的，而植物則并不總是如此。那些更小且更原始的植物通常是軟的，所以植物既不能追捕其食物，也沒法躲避其天敵。然而在某種程度上，它可以通過長高來自保，并爭奪更多的陽光雨露。尤其是樹木，它們十分巧妙地伸展，既能收集散布在空中的若隱若現(xiàn)的陽光，又能挺立直面狂風的威脅，當然，是以最節(jié)能的方式。最高的樹能長到約110米，這是迄今最大且最結(jié)實的活體結(jié)構(gòu)。然而，一株植物即使只長到上述高度的1/10，其主體結(jié)構(gòu)也需輕巧又有剛性，我們將在后文看到這為工程師提供了許多重要的經(jīng)驗。

很明顯，像這樣關(guān)于強度、柔度和韌度的問題遍布醫(yī)學和動植物學等領(lǐng)域，然而長期以來，醫(yī)生和生物學家都排斥這些觀念，他們仰仗的是在這些領(lǐng)域的巨大成就和專業(yè)自尊。當然，這一方面關(guān)乎性格，另一方面關(guān)乎語言，或許工程師對數(shù)學概念的厭惡和畏懼也與此有關(guān)。在絕大多數(shù)情況下，從結(jié)構(gòu)的角度研究動植物，確實是生物學家無法勝任的工作。但是我們也沒有道理假定大自然在其化學與控制機制上精雕細琢，而在結(jié)構(gòu)上卻粗制濫造。