科學繪圖之一二三

步依繁 李麟輝 編譯

在生物領域中只用文字來敘述新發現和新現象是極難完成的，純粹的文字敘述不僅要花費大量篇幅而且讀者並不能很好地理解文字背後的發現或現象。對於現代的分子生物學或者細胞生物學來說，要觀察的事物通常不是肉眼可見的，而是要藉助各式各樣的儀器來觀察描述，如果繼續使用純粹文字的描述會讓大眾讀者不能理解，所以要求生物學家熟練掌握藝術繪圖的能力，不僅要繪製傳統的圖像，更要繪製肉眼不可見的分子或細胞的圖像來便於讀者理解。將科學理論用圖像可視地表現出來對於行業交流和大眾傳播來說是非常必要的。

科學繪圖的歷史

自古就有科學與藝術交匯融合，科學的發現不僅需要觀察力和推理能力，還需要有想像力和藝術感。很多偉大的科學家同時也是很出色的藝術家。達芬奇——文藝復興時期偉大的藝術家和科學家，潛心研究解剖學，將實驗上得到的人體比例創作成了世界級藝術作品《威魯特人》。科學傳播需要藝術的幫助才能讓受眾更廣；伽利略——天文學家，數學家，物理學家，藥學家和畫家，曾想以繪畫為生，現留存有70多篇繪畫手稿，包括世界上第一幅繪製的月球表面的手稿，伽利略把望遠鏡下發現的世界發表在刊物上，掀起了全世界追逐天文的熱潮。羅伯特·胡克——《顯微製圖》的作者，從小接受繪畫訓練，將自己在顯微鏡下的發現繪製成了《顯微製圖》，將大眾引入了微觀世界，自此才使顯微鏡技術和微生物學飛快地發展。

良好的製圖一直都是行業互相交流的載體，神經生物學之父聖地亞哥·拉蒙卡·哈爾（Santiago Ramóny Cajal），一生繪製了上百個神經細胞和神經組織神經元的繪圖，甚至目前教科書中仍使用他當年繪製的插圖，他通過專業的插圖說服了他的同行，說明了神經元是獨立的實體，可以說神經元概念的鋪展得益於他的精美製圖。

科學發現的展現非常需要可視化的載體。當然現代繪圖技術發展，科學家不必拿起筆和紙練習繪畫，通過軟體可以更好地展現自己的理論和思想。

科學繪圖的意義

在細胞生物學和分子生物學上科學家得到的都是實驗數據，並不是直接的理論，這些實驗數據是抽象的，不直接的，如果僅僅呈現給讀者這些實驗數據，除了同樣是這一行當的科學家，他人是沒法看懂的，科學家可以通過數據來轉換成一些假設或者理論，但我們需要一些可視化的東西，通過圖片或模型來交流和推演。

比如，科學家研究某種蛋白的特性，通過一些遺傳分析證明這個蛋白是用於某組織免疫細胞間的信號傳遞，通過共聚焦熒光顯色證明了蛋白定位於細胞膜上，並且發現在不同細胞周期下蛋白定位會發生改變，研究得知這個蛋白的配體以及蛋白的某些催化活性，通過結晶蛋白的X光分析得到蛋白的三維結構。科學家零零散散地得到這些信息，要完全讓讀者理解這個蛋白就需要整合這些信息來完整地說明這個蛋白。在表述這個蛋白的時候，只用文字敘述是極難描述清楚的，自然界的信息多是以圖像呈現，這些蛋白也不例外，利用合理的圖像講解，會讓讀者更加清楚明白這種蛋白的功能與結構。

利用圖像不僅能增加人們的理解，實際上人們的大腦進行推演很大程度上依賴於圖形上的推演，先對研究對象有一個圖形化的印象可以刺激大腦，在大腦中想像這種蛋白的結構、不同蛋白的相互作用、蛋白功能如何實現，這都需要一個圖形上的直觀感受。

美觀大方的模式圖，會讓人更容易接受，讓人有研究下去的興趣和動力。一目了然的模式圖包含了大量信息，目前的較多科學雜誌要求作者給出圖片，讓文章更容易理解和交流。

科學配圖最重要的作用是把科學推廣給大眾。在天文學上，那些引人入勝的圖片是吸引大眾的重要因素，雖然在分子生物學上想有這樣吸引人的圖片很困難，但分子生物學的蛋白們用藝術手法修飾也會看著像絢麗的星空，可以讓讀者突破行業限制看到多姿多彩的微觀世界。

有些科學家喜歡運用一些比喻的手段來說明一些科學事實，比如描述細菌的鐵離子轉運蛋白的時候，將細菌的鐵離子轉運蛋白和宿主的鐵載體蛋白的外形做成一個島（圖C），將蛋白的相互作用比喻成一種海盜搶奪行為，同時也給出生物學上的模式圖片（圖D），嚴謹地呈現這個過程。

通過統計調查，無論是演講，書籍，視頻還是論壇網站上，有大量圖片的文章要比純文字的文章更加吸引人，閱讀量差異的巨大，說明科學配圖是引起讀者興趣的重要因素。

圖1：鐵離子轉運蛋白的科學繪圖，解釋細菌的鐵離子轉運蛋白如何從宿主的鐵離子載體蛋白中搶奪鐵離子。（A）關於鐵離子轉運蛋白進化地位和結構的手繪圖；（B）軟體繪製的進化樹圖和蛋白相互作用示意圖；（C）蛋白功能比喻圖；（D）鐵離子轉運過程示意圖。圖中定位在細胞膜上的是細菌鐵離子轉運蛋白，游離的蛋白是宿主鐵離子載體蛋白，紅色球體表示鐵離子。

繪圖軟體

目前分子生物學發展迅速，人們逐漸理解了越來越多的生物學知識，而生物學的過程以及理論有時是動態的，那麼科學配圖就需要動態圖，比如視頻，動畫等，同樣生物學上的3D結構，呈現上用3D圖像才能更好地說明生物學結構（圖B），總之圖和要說明的主題要適配。

目前的繪圖軟體功能強大易學，製作3D模型和動畫並不是什麼難事。年輕科學家多學習一些繪圖軟體的用法，對自己的科學生涯會很有幫助。

繪圖訓練

現在很多研究人員喜歡在自己的文章中使用別人做的圖，這一方面有可能涉及知識產權問題，另一方面，他人的圖所包含的信息是他人文章中的信息，對自己的文章的描述很可能不夠準確，所以研究人員要學會自己做圖為自己的文章添彩。

製圖的關鍵在於如何把想法與圖片聯繫起來，如何構圖能把假設描述出來，這不是一朝一夕可以做到的，需要系統的訓練。通常來說，研究人員要使用的繪圖軟體不止一個，不同軟體適用不同類型的作圖，通常文章不可能只有一種類型的作圖，同時也要具備一定的手繪能力，這樣才有構圖的思路。通常，這樣的繪圖訓練要用兩年時間，即使打算要把繪圖交給專業公司來做，也至少要有一定的訓練幫助自己掌握構圖方法。

總之，繪圖在科學研究中佔有很重要的地位，使我們能夠更好地了解研究過程，吸引大眾。我們鼓勵科學家創造更多更好的視覺模型，促成科學與藝術的完美融合。

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