100｜博雷利：为什么他能成为生物力学之父？

博雷利把物理学带进了医学领域，是17世纪物理医学的代表人物。

我是孙轶飞。欢迎来到《医学文明300讲》。

关于17世纪的医学，我们讲了伽利略的科学方法影响医学，桑托里奥将科学方法引入医学界，威廉·哈维在科学方法的影响下发展出了医学新理论，是这些科学家的实践推动了物理医学的出现。

然而，将物理研究方法真正带入生命科学领域的，其实另有其人，就是我们今天要讲到的乔万尼·阿方索·博雷利（Giovanni Alfonso Borelli，1608-1679），他也被称为“生物力学之父”。

生物力学研究的问题在今天人们也很关注，比如人在行走和跑步时，关节如何承受力？骨骼在负重下，如何发生变化？等等。所以了解这个交叉领域的初创，对我们来说很有必要。

艰难成长与科学教育

先简单了解一下博雷利这个人。

1608年，博雷利出生于那不勒斯，也就是今天的意大利南部地区。他的父亲因为政治原因被囚禁了27年，所以博雷利年轻时候的生活很艰难。大概也是因为这件事，他有意隐瞒了自己的种种信息，所以他在医学史上的形象一直显得有点神秘。

虽然家庭条件不是特别好，但博雷利靠自己的努力实现了“知识改变命运”。他在那不勒斯大学接受了医学教育，在比萨大学对物理学进行了深入研究。在接受高等教育期间，博雷利遇到了17世纪许多重要的科学家，他先是跟随伽利略的一位学生学习，之后又在比萨大学遇到了伽利略。

科学院与君主的庇护

这些经历不但让他丰富了自己的头脑，也让他获得了社会声望。比如此时美第奇家族的掌门人费迪南德二世，就对博雷利非常感兴趣。

1657年，费迪南德二世在佛罗伦萨创办了欧洲历史上第一个专注于实验科学的学院——实验科学院（Academia del Cimento），博雷利也成为了学院的一员。

尽管这所机构只存在了10年时间，但它对现代物理学产生了深远的影响。有学者认为，科学院这种研究机构的出现，标志着现代物理学的诞生。

之后，博雷利在很多大学担任过数学教授，并在罗马遇到了瑞典女王克里斯蒂娜。这位女王对科学非常热衷，赞助过很多科学家，比如你所熟悉的笛卡尔。

对于博雷利，女王起了爱才之心，她不但让博雷利做自己的御医，还让他在自己创办的科学院中获得了一席之地。

博雷利的名著《动物的运动》（De Motu Animalium）就是献给克里斯蒂娜女王的，正是女王为他支付了出版的费用。你会发现，博雷利和维萨里、哈维一样，都在自己的科学生涯中受到了君主的庇护。

从目的因转向力学解释

那么博雷利都有哪些成就呢？这可太多了。

他在哲学、物理学、数学和气象学等很多学科都做出了重要贡献。比如，他研究过火山，研究过如何治理比萨附近的湖泊，研究过用钟表测定精度的方法，修订过欧几里得的数学著作《几何原本》，在1665年他还用自己设计的仪器建了一个天文台。

更厉害的是，博雷利还是第一个提出彗星的运动路线是抛物线的科学家。

当然，在我们的课程中，重点关注博雷利在医学和生物学领域的贡献。比如，在1647年到1648年，博雷利曾经研究过当时流行的传染病，据说他还提出了一种新的治疗方法，只不过流传不广，具体内容我们今天也不得而知。

能确定的是，在比萨大学期间，博雷利除了学习物理，还进行了大量的解剖学研究。

而他的研究与之前的学者不同，对于当时那些受到亚里士多德哲学思想影响的医生来说，人体之所以呈现我们所看到的形态和结构，是为了实现某种特殊的目的，这就是所谓的“目的因”。

我给你举一个直观的例子：太阳为什么要发光放热呢？目的因的观点会认为，这是有目的的，是为了给人类提供光和热。

而博雷利换了一个角度，他认为，人体之所以呈现这样那样的形态，完全可以通过力学知识进行解答。换句话说，他把力学领域的研究方法引入了生物学，因此他才被尊称为“生物力学之父”。直到今天，美国生物力学学会的最高荣誉，还以他的名字命名，叫做“乔万尼・博雷利奖”。

《动物的运动》与肌肉杠杆

我们可以来看看博雷利在医学上的几个主要成就。

先说他最重要的一部著作——《动物的运动》，这部书被分成了两部分，分别在1680年和1681年出版。

• 第一部分用机械的观点去研究动物的肌肉骨骼系统如何进行运动，
• 第二部分则研究了动物体内的运动方式，比如肌肉的生理学机制。

在这部书里，博雷利把包括人类在内的动物，都看作是机械，使用物理学中的力学研究方法，来对生物的运动系统进行研究。可以说，他是第一个系统使用力学定律来解释肌肉运动和其他身体功能的人。

以今天的眼光看，博雷利的力学知识算不上丰富，他所掌握的其实主要就是杠杆原理和力的三角形，这两个概念都是现在基础的力学知识。但在17世纪，用这些来解释肌肉的运动已经足够先进了。

比如博雷利通过研究证明，人在运动时，是肌肉和短杠杆臂一起发挥作用。这在17世纪是划时代的观点，因为它和血液循环理论一样，推翻了盖伦的理论。盖伦也认为肌肉的运动有杠杆作用，但他觉得应该是肌肉和长杠杆臂在相互配合。

事实上，今天的研究证明博雷利的观点更正确，肌肉与短杠杆臂协同工作，是为了在灵活性、速度和力量之间实现平衡，满足人体多样化的运动需求。这种设计虽然牺牲了省力的优势，但更符合生物进化对灵活性和快速反应的需求。

脊柱、重心和呼吸的力学研究

除了研究肌肉运动原理之外，博雷利对脊柱也有了新的认识。

在博雷利的眼中，人体是由血管、肌肉、神经和骨骼构成的机械，那么脊柱当然也要符合机械的特性。在他看来，椎间盘应该具备很好的弹性，它在两块椎骨之间既能起到缓冲作用，也能依靠弹性提供一定的作用力。如果没有椎间盘的存在，依附于脊柱的肌肉根本无法支撑起如此大的重量。

为了更好地阐述自己的思想，博雷利进行了非常细致的计算。比如，一个人在弯曲脊柱并背负重物的时候，椎间盘和脊柱周围的肌肉需要施加的力是多大？仅靠肌肉所提供的力又是多大？椎间盘承受的压力又有多大？博雷利都计算出了准确的数字。

在300多年后的今天，现代研究者所得出的数据与博雷利的基本吻合，这也验证了他理论的正确性。

除此以外，博雷利还确定了人体重心的位置，并且计算了呼吸时吸入和呼出气体的空气量，还提出吸气过程是由肌肉驱动的，而呼气则是依靠组织的弹性，等等。

总的来说，博雷利的这些研究为物理医学奠定了基础，博雷利等人开创了一种以物理和数学方法研究人体功能的科学思路。

与马尔皮基的学术联系

讲到这里，还有个小问题。在昨天课程的结尾我提到，马尔皮基发现了毛细血管，弥补了哈维对血液循环认识的不足，那为什么我们今天不讲马尔皮基呢？原因很简单，马尔皮基是博雷利的学生，我们把他放在后面。

马尔皮基说过，他在哲学方面完全受到了博雷利的影响。而博雷利的解剖学研究得到了马尔皮基的有力帮助，这确保了他以物理和数学的方法所进行的研究在生物领域是有意义和价值的。

可以说，博雷利和马尔皮基，以及我们之后要讲到的笛卡尔，都是17世纪建立医学物理学方法论的关键人物。明天，我们就一起去认识马尔皮基，了解他的贡献和影响。

总结

博雷利将伽利略在物理学领域的研究方法，引入到了生物学里。在他眼中，生物的结构和机械类似，人和其他生物运动系统的工作方式可以通过力学定律进行描述、研究和计算。因为在物理医学领域的一系列贡献，博雷利被称为“生物力学之父”，他也是物理医学最具代表性的人物之一。

思考题

为什么人的腰椎间盘容易出问题，这和直立行走是否有关系呢？你可以参考博雷利的研究方法做下推测，之后去查证一下，欢迎你在评论区留言，把你的发现告诉我。

好啦，今天的内容就到这里，明天见！