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ISSN:1004-0374
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《生命科学》 2004, 16(5): 317-
生命科学与仿生学
杜家纬
中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所,上海 200032

1 前言
      仿生学(Bionics)是1960年由美国斯蒂尔博士提出的从生物界发现机理来解决人类技术上问题的一门综合性的交叉学科,是利用自然生物系统构造和生命活动过程作为技术创新设计的标准,有意识地进行复制,它使人类社会逐步由向自然索取转入向自然界学习和创造世界的新纪元。国际上有声誉的动物学家Wemer Nachtigall博士提出仿生学就是“学习自然界的现象作为技术创新的模式”的基本概念。
      美国蒙大拿大学讲师Benyus于1998年撰写和出版一本《仿生学:源于自然的创新灵感》的仿生学专著[1]。书名采用了“Biomimicry”一词,来自希腊语bios(意为生命) 和mimesis (意为模仿)的组合,作者阐述和描绘了将来的仿生学定义及其意义。这是近几年国际学术讨论和2000年工业生态国际会议的一个热门主题。这个新的科学研究方法论给科学、工业、社会,甚至个人更新自然知识和设计原理开辟了一条新的途径,是寻找持续解决人类问题的技术设计原理和策略的交叉学科。它的核心思想是利用自然界的原理、过程和技术来创造新产品、新工艺和新策略,以使人类达到长期适应地球的生存。仿生学促使我们去创造像树叶产生能量、蜘蛛制造纤维、牡蛎生长陶瓷材料那样的仿生技术和仿生工程。
      目前对于仿生学的研究范围和领域很难予以划定和区分,其主要原因:(1) 从生物系统获取灵感的范围和数量相当巨大;(2) 相当复杂的协调体系和集合性功能。因此,要简单地归纳若干仿生范围或领域是很困难的。一般可将仿生学划定为:结构与材料、机理和能量、行为与控制、信息传递与传感器、生殖与生命活动等覆盖面较大的领域。
      20世纪90年代,仿生学正以令人吃惊的程度影响着从地毯产业直至计算机芯片制造商。世界各国企业家、产品设计师和科学家目光都将转向自然界,探索新的技术和设计原理,以改进现有的产品和发展完全创新的技术。目前仿生学也正以意想不到的速度渗入生命科学,揭示生命活动过程的奥秘,从中获取新材料、新技术和新工艺的启示。
2 来自生命活动的启示
      自从有了生命之后,自然界生物体就面临和解决形形色色的环境压力和生存问题。生物界在进化压力下经过亿万年的进化才造就现在我们所看到的优秀性状、形态和生命活动过程。人类则是从这些生物的特殊能力中获得启示,受这些形态、模式和结构的启迪,使人类能够得以创新。生物体的生命活动过程为科学领域提供了技术创新的无穷灵感。太阳能在植物中以化学形式贮存几乎是百分之百的效率,动物肌肉是一种最有效的机械马达将效率的控制、信息的传输发挥到非常精确的程度。生物界利用的机理、过程、结构和材料是人类技术和工程巨大的宝库。
2.1 新原理与新技术的发现 表1列出了生命科学中的若干仿生的范例[2~5]。从这些范例中可以看出许多重大科学技术原理的发现都源于科学家对自然界和生命活动的探索。例如美国Iridigm公司通过研究蝴蝶双翅的显微结构发现这种显微结构能使光产生闪烁的色泽,而研制出一种利用光产生干涉光原理的IMOD元件,它能展现类似自然界的结构色泽。Iridigm公司所研制这种由IMOD元件组成的显示屏能像蝴蝶翅那样产生同样的色泽效果。 由于IMOD元件并不含有色素,因此,屏幕色彩就比较稳定,在任何光线条件下显示器的图像都可以清楚地显示,是目前图像视频的最理想显示器。该公司所设计的这种新型显示器能与目前所有硬件和软件兼容,所显示的图像和文件非常清晰(图1)。
      21世纪具有更大挑战性的领域将是计算机。提高计算机的运算能力和减小体积是目前计算机研究领域的热点。2001年,以色列Weizmann科学研究所宣布由Ehud Shapiro博士所领导的研究小组已经研制出一种体积小到像一滴水那样的DNA计算机模型,该计算机模型就是利用DNA和酶作为它们的软件和硬件,且不需要外来电源。据报道,1微升含DNA溶液的运算速度每秒可达660亿次,这类新型的利用基因表达的逻辑运算原理将会在生物传感器和基因仿生工程中大有发展前途[6]。
      最近,在《自然》杂志上报道了美国Duke大学试验利用猴的脑信号通过互联网操纵1 000公里外的机器臂的研究。该系统是用埋入猴脑用于检测脑信号的96个细如毛发的微电极,分别记录单个神经元的信号,随后利用一个编码算法的计算机综合这些信息,由计算机通过互联网发出信号来控制机器臂完成动作。这项研究展示了人脑和机器的接口方面的进展。当然,这项研究已经可以使瘫痪患者用脑来控制某些运动。
      21世纪的生物力学研究将在军事领域内展开空前的竞争。20世纪末,各种先进微型制造技术、微机电系统、微电子和一体化技术的迅速发展,为军事装备领域的发展奠定了扎实的基础。据最近出版的美国华盛顿邮报报道,由加拿大多伦多大学和美国加州SRI国际研究公司共同开发,模仿蜻蜒飞行姿态的扑翼飞机己试飞成功,成为世界上首架可在空中盘旋十多分钟的扑翼机。
      植物叶片有着各种形状,有些叶片则会卷曲或可收折起来,植物叶片的收叠和伸展功能起着保护嫩叶免受外来损伤的作用。许多热带植物一旦碰到温度急骤下降就利用叶片表面波纹结构的收叠功能来避免霜冻危害。人造卫星和航天装备研究人员受到植物叶片收叠和伸展特性的启示,将植物叶片的这种功能用于航天飞船的天线和大面积太阳能电池的设计中。卫星发射前天线和太阳能电池板能收叠于卫星体中,到达指定轨道后自动伸展。
      近几年,在仿生学研究中最为著名的典型例子是德国波恩大学植物学家William Borthlott博士及其同事通过对莲花叶表面的超微结构和性质的研究发现了莲花叶的自净原理,称为莲花效应(lotus effect)。如果要在显微镜下观察植物叶片,那当然先得把植物叶片冲洗干净。这是不用思考而每天都要做的工作。他们突然发现一个非常荒谬的现象:只有那些表面很光滑的叶子才需要清洗,而其他的那些表面在显微镜下看起来很粗糙的叶子反而是干净的。从显微镜下看,发现莲叶子上有小的茸毛和小的蜡质覆盖在叶子上,水滴易形成球状,然后带着污垢粒子一起滚动下滴,达到了叶面的清洁作用。1996年,Borthlott 博士及其同事用一个特殊材料制成的白色盘子实现了自净作用,同时注册了专利。他们撒上煤灰和颜料的混合物到一个白色盘子上,随后倒上一些水,很快这个盘子就干净了。作为对比,一个擦得特别亮的清漆膜盘子上也撒上煤灰和颜料的混合物,但即使用水漂洗很长时间,煤灰和颜料仍然存在,而且还有另一个脏的灰层。对清漆膜来说,只用水是不能清洗干净的。从莲花效应的发现直至应用,充分体现出一个科学研究规则“学习自然界的现象作为技术创新的模式”,它对人造表面的防污原理有着非常重要的意义。目前许多国家已经开始研究如何将这种自净原理用于汽车外壳、墙面、衣料和用具上(图2)。
      美国麻省理工学院林肯实验室的Rider等[7]利用了一些白细胞识别具体病原体的非凡能力。他们通过基因工程从水母中制造出携带对钙敏感的发光蛋白质的B淋巴细胞,同时也制造出针对一种或多种感兴趣的病原体的抗体。当B淋巴细胞与相应的病原体结合时,它们的钙浓度在数秒钟内上升到至细胞发光。这项研究将为设计新型医学诊断、食物和水质的监测和其他方面的生物传感器提供了新的仿生设计原理,这种新型的生物仿生传感器在速度和灵敏度上是其他方法无法比拟的。
      常被钓鱼爱好者用作鱼饵的血红虫(Glyxera dibranchiata),虫长有15英寸。它有4个黑色钩, 经分析是一种以金属铜为基质的生物物质,这可能是因为金属铜与氨基酸链偶合后而增加了它的强度和抗摩擦性。这种含铜的生物物质增加了黑色钩的强度,还调节该虫所分泌的毒液活性。据推测,这种含铜的生物物质可能作为一种催化剂,将该虫体内原本无毒的血液通过由含铜生物材料构成的分泌管道而催化转换成有毒的血液。这种高效的转化过程和途径为设计新型药物输送技术提供了有价值的启示,我们可设想将一种药物的前体通过类似的输送系统来完成最后一步的合成。此外,例如通过土壤微生物的遗传学研究,Kwon等[8]已经摸索出了一套用微生物制造抗菌素的过程,并进一步探索微生物是如何装配和合成抗生素的,这类仿生学的研究将会创造出一条制造新型高效抗生素类药物的新途径。
      对科学家来说植物合成树脂一直是个谜,也不知道植物负责制造树脂的酶的基因。Dhugga等[9]从瓜乐尔豆植物找到了负责半乳甘露聚糖合成的基因,这将有助于科学家研究植物如何形成其细胞壁。如果科学家能够在大豆中生产出这类树脂,那么这一发现也将导致更廉价的工业化树脂生产法,这些树脂可用在从食物生产到控制混凝土流动性等各种用途上。 胭脂树橙是一种广泛用于食物和化妆品中的植物颜料,Bouvier等[10]确定了胭脂树橙生物合成所需的3个基因,同时他们还发现番茄红素是胭脂树橙的物质前体。他们用基因改造过的、能生产番茄红素的大肠杆菌重复这一生物合成路径,并制备出胭脂树橙。大肠杆菌中产生的胭脂树橙与从植物(Bixa orellana)中得到的胭脂树橙一样。科学家们希望能将制造这种颜料的基因插入到番茄中,让番茄成为生产胭脂树橙的活体工厂。
2.2 生命科学与仿生工程 众所周知,21世纪是生命科学的时代,也就是探索生命活动的奥秘,模仿生命体的各项完美功能,提出解决当今工农业生产发展、人类健康与长寿、宇宙空间探索等方面所存在的问题的新理论、新原理和新技术。生命科学与仿生工程有着密切的相互关系。
      仿生工程实质上就是模仿生命体功能的工程,是自然界中高度学科交叉的实例,它集合了材料、结构、机械原理、计算和控制、设计整合、最优化、功能性和消耗有效性等。即使一个原核生物的细胞,也由于极其复杂,目前还完全不可能复制其所有功能和特征,就像我们要制造性能极佳的纤维一样,没有必要去完全模仿蛛蜘丝。实际上尼龙丝在有些方面很像蜘蛛丝,例如具有超级机械强度。然而,科学家们对它的兴趣集中在超机械强度蛛蜘丝的生物制造过程,研究和了解蜘蛛是如何将各项优秀特性组合到蛛蜘丝中去的方式。通过这类仿生工程性的研究,我们就知道如何将这些优秀特性加到尼龙的制造过程中。哪些是我们利用最简单的技术能够做到的,随后将这些特性在制造过程中加入并形成一种超级人造纤维的天然类似物。中国科学院院长路甬祥院士在第220次“仿生学的科学意义与前沿”香山会议上指出:当前世界各国都开始将蛋白质工程、基因工程、微生物工程向蛋白质仿生工程、基因仿生工程、微生物仿生工程等方向发展。
      在实施仿生工程研究时,必须要注意集中到所希望并能获得启示的生物特性上,尽可能地避免模仿时的复杂性。同时,也必须意识到一个生物系统的特殊特性的模仿,这个系统是稳定地高度集合和控制着许多不同的功能。例如鸟的翅膀,除了简单地提供长高外,还有许多其他功能,这些功能包括热调制、控制和种间性信号等,也正是由于生物系统的这种紧密集合和多功能性的特点,才能发挥着令人吃惊的功能。然而,现在的仿生工程仅将生物系统中的一个单独特性分离来执行,这样就很难显示出生物系统的功能。当然要做到这一点,可能是仿生工程研究的长期目标。例如生物技术应用的最大挑战是如何将技术转化为固体设计,而多数生物过程和试验是在液体状态下进行的。又如修饰细菌基因的工作已经开展了几十年了,现代农业和生物技术产业已经能用细菌生产蛋白质、疫苗和维生素类,但还存在着许多问题。重组基因组的主流技术虽然风险更小,但过于简单,它只是对已有的实验室和工业用细菌进行基因修饰,其效率和功能与仿生工程所要求的还相差很远。
      生命体中的蛋白质在运动、传输和传感功能上扮演着极其重要的角色。Knoblauch等[11]展示了一种自然组装的蛋白——从一种豆类植物中抽提得到并能放到人造环境中——它能沿直角方向伸缩和膨胀。这就是原始的生物肌肉。由Knoblauch等命名为“forisome”的能对钙离子浓度的很小变化的反应而产生较大的动力,这将是设计一种新型的分子微电机的原理。
2.3 我国拟解决的若干工程技术问题 在当代现代科学和工业技术中,信息的利用和控制是当前工业技术发展中的一个主要矛盾,如何解决这个矛盾,生物界提供了有益的启示。生物系统所展现的功能和所要解决的工业技术之间有着很明显的相似之处。这些相似之处可以表现在对生物系统研究的不同水平上。由简单的单个细胞到复杂的器官系统(神经系统)都存在着各种调节和自动控制的生理过程。21世纪是生命科学的时代,也正处于一个各种自然科学高度综合起来和互相交叉、渗透的新时代。仿生学是一座科学研究方式的桥梁,将生命科学与仿生学连接起来,解决我国拟解决的若干工程技术问题(表2)。
      在汽车工业中轮胎花纹和形状的设计非常重要,必须具备与地面的摩擦性和抓地性能较好的性能。最近,德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的结构功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性,设计出一种AMC垫型轮胎。采用这种全新概念的轮胎,增加了轮胎与地面的摩擦力,大大降低了刹车距离,提高了安全性。同时这种轮胎表面的柔软性和硬性网状结构设计提供较大的抓地性和运行精度,这类新概念的轮胎目前正在进行实地试验,不久即将问世。根据新原理所设计的汽车轮胎将对世界和我国的轮胎产业产生很大的冲击力。 又如英国FMC公司最近公布了一项新技术发明专利,该项发明使汽车燃料电池的功率增长16%,而制造价格却随之下降,功率还有很大提高的余地。这项发明使得燃料电池商业化进入市场变成现实。这项发明是根据动物肺部和植物叶子呼吸的原理设计而成的,在电池电极板的设计上模仿了这种大量分布的通道和许多很细的毛细管的结构,使电极板带有大量的流向分叉,这是分布反应液的最有效方法。这种结构降低了压降, 保证电池所产生的气体能顺利排出,使燃料电池具备更大的功率。这种设计或许对我国电动自行车的蓄电瓶设计有参考价值。
      2002年,德国米勒(Mieles)公司推出一种新型的洗衣机,其内桶表面结构是由Mirtsch教授根据蜂巢和龟背壳形状所设计,他说:不是从仿生联想而来,我们决不会设计出这种结构形状的洗衣机。新设计思想的洗衣机的洗涤过程具有非常柔顺的特点,而所洗的衣服特别干净且不易损坏。这类利用仿生学的原理所设计的洗衣机将是对目前世界洗衣机产业的巨大挑战。据统计,我国目前每年洗衣机的更新量为500万台,这就意味着我国自行设计的洗衣机在今后能占多大的市埸份额,值得深思。
      在纺织工业中,人造纤维的仿生合成工艺研究也在紧张地进行。科学家在研究了蜘蛛丝的强度、结构和生物合成过程后,提出了人造纤维的生产技术的重大变革。这也将在本世纪对现有纺织业产生巨大的冲击。在超微结构研究中的另一个重要例子是对一种海洋生物海绵(Sea Sponge)结构研究表明,其基部的针状物大小与光导纤维相似,材料性质相同,类似现代的光导纤维的结构,但不易断。贝尔实验室和美国Lucent 半导体公司Aizenberg博士等测试了它的光学性能,发现这种针形物及笼型构造具有很高的光反射指数,具有相当出色的信号传输能力。而这种针状物却不易断(这是利用光导纤维通讯的主要问题)。难能可贵的是这种天然纤维是在海洋温度下形成的,而制造光导纤维是需高温的,这样就很难加入特殊杂质去改善其传输性能。这类仿生学的研究对光导纤维的制造工艺将会有很大的启示和推动[12]。
      建筑业和军事装备研究中对能沿垂直表面自动爬行或运动的机械附着机理研究具有极大的兴趣,因为这类自动机械在城市高层建筑表面清洁、救护和空间探索等方面具有巨大的市场。为了解决此类科学技术问题,科学家们对一种壁虎 Tokay geckos能在墙上自由爬行,不用胶液或虹吸方式,产生巨大兴趣。 最近,加州大学Lewis 和Clark学院的Autumn等[13]检查了它的足部,发现其足底长着约50万根仅显微镜能看见的刚毛,每一根刚毛的尖端上有上百个极细的匙形衬垫。这种动物还具有一种独特的足趾伸直和弯曲使它很快能附着或分开的行为,当足移动时,会有每秒15次动作,这样一来可达到600倍高的附着力,很难将其足从表面上挪开或取下。研究者还发现另一个有趣的特性是这种足具有自净行为,测定了它的一个足的粘着力,然后排除了摩擦力和虹吸作用的机理的看法。推测这种壁虎足部的附着力是依靠足部几十万根刚毛的巨大表面积和微细刚毛间的分子相互作用。该项研究的商业价值很大,用不了多久就可以制造设计出一种可适应各种表面结构的新型附着器。
      紫杉醇是治疗乳腺癌和子宫癌的突破性药物,但由于它是从紫杉树的树皮中提取,每个患者每年就需要消耗3到6棵紫杉树。而利用紫杉树针叶半合成的药物不但昂贵且难以生产。但是如果利用最小化基因组微生物,我们可以测得紫杉树的基因组,找到制造紫杉醇的基因通道,将这些通道插入合成的细胞中,就可以生产紫杉醇了。再比如,甲烷球菌,它在深海中火山区的超高温下还能存活,并吸收二氧化碳,呼出大量甲烷(发电和家庭取暖用的天然气)。目前科学家已经测出其基因序列,现在只要找到起作用的关键基因,并将其植入合成细菌中,其制造甲烷的能力将大为增强,这将产生一种既经济又环保的生物能源。
      有一种细菌Streptomyces globisporus能产生一种叫做C-1027的抗生素,因为它具有毒副作用,所以并没有在临床上应用。Liu等[14]将整个的C-1027生物合成基因簇克隆出来,做了测序和分析。然后通过操纵这个基因簇,他们得到了变异的菌株,这些变异菌株能够产生许多新的化合物,这些新化合物为开发临床上有效药物提供了无穷的有效构型,为医药工业开创了一条简便的新药筛选途径。
3 我国仿生科学研究的发展方向与前沿
      进入21世纪前, 世界各国在仿生学这门交叉学科的基础研究上做了精心的长期计划准备。 例如美国有一项长期研究计划, 将优先发展先进制造(其中包括模拟与仿真、传感器、生物技术、微制造)和先进材料(材料合成、加工技术研究、创造新材料和新工艺等)以及先进军事装备研究等领域。 德国研究与技术部也就“21世纪的技术”为题在自适应电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等投入了相当大的财力和人力。 英国政府也早于1993年5月发表了科学大臣沃尔德格雷夫主持撰写的科技白皮书,题为《运用我们的潜力——科学、工程和技术战略》。日本、俄罗斯以及亚洲韩国等国都有相应的中长期计划,在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。 从这些科技发展计划中明显看出各国在仿生学研究领域内展开源头研究的激烈竞争,以便在21世纪的世界市场上占据较为有利和主动的地位。
      同时, 从世界科学领域中两个比较重要的刊物Nature和Science自1993年至2003年10年中所发表的文献来看,共发表文章总量2万多篇,有16个共有领域。其中分子生物学与遗传学领域的论文发表量最高,达2 894篇,占总量的13.85%;其次是交叉学科,达2 773篇,占总量的13.27%。这个基本数据反映了各国近10年中在交叉学科研究上取得了令人瞩目的成就。
     近10年来,不仅基础研究和科学技术成果丰硕,而且它们被迅速地转化为工艺相关产品,应用于经济、军事和人类的福利与健康,创造了巨大的经济效益。从科技战略意义上说,目前科学技术先进的国家在研究成果商业化方面的竞争比在研究与开发方面的竞争更为激烈。这种竞争进一步推动现代科学技术发展,使具有崭新性和增益性的创新成果不断涌现,产品和工艺不断改进。
      为适应我国科学和技术源头创新的需要,进一步推动我国经济和社会实现跨越式发展,以积极主动的姿态迎接全球性竞争和挑战, 于2003年12月11日~13日召开了中国科学院第220次“仿生学的科学意义与前沿”香山科学会议。根据我国科学技术的创新研究发展状况,会议提出了“仿生科学与技术”系统性基础研究的五大方向和优先发展的10个前沿领域:(1) 建立复杂生物体系的仿生学研究平台,开展仿生结构与力学、仿生功能器件及控制、分子仿生、微系统与微制造仿生技术、脑功能的仿生与认知等五大“仿生科学与技术”基础研究方向。(2) 优先发展仿生材料、仿生工艺、仿生机械、微纳米仿生技术、基因仿生工程、组织仿生工程、蛋白质仿生工程、仿生能源、仿生计算、人工智能等10个前沿领域的研究与开发。(3) 注重仿生科学技术创新研究在我国当前优先发展的141项高技术产业领域中的应用和商业化,以使我国仿生科学技术总体水平迅速接近发达国家。
4 结 语
      在世界科技发展史中,中国的四大发明像一阵龙卷风席卷世界各国,对世界科学技术的发展作出了重大贡献。目前我国国民经济发展正以前所未有的速度在前进,令世人瞩目。然而,在经济高速发展的今天,我国科学家们和高新技术企业必须重视从自然界的创新源泉中去获取属于我们自己的新技术、新方法、新工艺和新理论,它使生物科学的研究在方法上发生根本的变化和转变,在内容上也从描述和分析的水平向着精确定量的方向深化。生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的信息,加速我国科学技术的持续发展。中国科学院院长路甬祥院士指出:人类进化只有五百万年的历史,而生命进化已经历了三十五亿年的历史。模仿人的创造固然重要,模仿自然更有无限的潜力和机会!更有可能提升我国原始创新的能力!

[参 考 文 献]
[1] Benyus J M. Biomimicry: Innovation Inspired by Nature[M]. New York: William Morrow and Company, 1998.
[2] 杜家纬. 二十一世纪仿生学研究对我国高新技术产业的影响[A]. 第220次仿生学的科学意义与前沿香山科学会议资料[C]. 北京: 2003, 2~5
[3] 杜家纬. 动植物功能性结构与分子仿生. 科学中国人, 2004, 4: 33~34
[4] 杜家纬. 从自然界中探寻之源[N]. 文汇报(科技文摘第497期), 2003-12-28
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[6] Benenson Y, Gil B, Ben-Dor U, et al. An autonomous molecular computer for logical control of gene expression. Nature, 2004, 429: 423~429
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[13] Autumn K, Sitti M, Liang Y A, et al. From the cover: evidence for van der waals adhesion in gecko setae. Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99: 12252~12256
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