第59章 效法自然（下）(1)

——仿生学信息论、控制论为模拟生物界现象和功能提供了理论根据，奠定了仿生学的科学基础，尤其是综合了相似系统的形成和演变规律及相似系统论，为发展现代科学技术开辟了新途径。仿生学是应用思维创造力，学习、模拟、发展与应用生命创造力资源的科学。大自然为生命创造力提供了极为丰富的开发资源，而且思维创造力本身就是在生命创造力基础上发展起来的。广义上，电脑、遗传工程和生物技术都是仿生学的重要内容；狭义的仿生学则注重在生物体更分化、专一的构造、机能方面。生物界（动植物、微生物）的生命现象有许多惊人之处，它们能够以水、CO2、矿物质等简单物质为原材料，以糖、蛋白质等为再加工材料，在常温常压的自然条件下，以极高的效率合成绚丽多彩、富有特殊性和神奇功能的新物质、新构造；能够把太阳能转化成化学能、生物能、机城能产生生命特有的运动。动物的行动能力也有许多惊人之处，小小的跳蚤的跳跃能力是其身高的200倍，相当于人一跃而登上摩天大楼；蚂蚁负重搬运能力是其自身重量的50倍；锋利的鼠牙可以咬透金属罐头盒，贻贝的超黏度分泌液可以将自身牢固地贴在海底，犀牛角可以自动愈合，鲨鱼从未受到病毒侵害。狗的嗅觉识别能力，用人工电鼻尚不能与之抗衡。人类还没有创造出一种飞行器能够像蜜蜂和蜂鸟那样上下、回旋、轻巧、灵便而高效。在下面的附录中将从不同方面引用某些已经或正在被人们初步认识和应用或准备应用的仿生学事例，它们包括材料的结构与功能，信息与调控，人体功能调控，仿生与生仿及几个重大的仿生项目。

26.1结构与功能

锯：生长在盐碱地的许多禾草，例如羊茅、披碱草等，往往在在叶缘长有含硅质的、坚硕锋利的细锯齿，减少被动物噬食的适口性，保持自己的生存。这种锯齿缘很容易割破人的手脚，据说人类最早的锯就是受其启发而发明的。

空心圆柱：禾草纤细的茎秆往往中空，只有薄薄的外周厚壁纤维细胞层，但是坚韧不易折断。人们仿效这种结构，将水泥或钢材制成中空的圆柱体，代替实心的电线杆和建筑材料，节省大量材料和用工。

拉链：大蓟、苍耳、鹤虱、山芹等野生植物果实表面长有很多坚硬的钩状刺毛，籍以附着在动物身上，传播其中的种子。有一位工程师每一次打猎，身上都黏有许多有小钩的果实，从而联想到用尼龙做成的一边带小钩，另一边带小圆圈的拉链，于是创造出尼龙拉链。

固体润滑剂：香蕉皮的层状组织结构受压后容易错位，不慎踩上一脚不免滑跤。人们从中仿效出固体润滑剂。例如石墨和二硫化钼润滑剂，尤其后者，润滑性比香蕉高200万倍，而且耐高温。

人造羽绒：美国陆军和杜邦公司学习生物蛋白质和角朊的结构，研制成人工合成的羽绒。他们发现天然羽绒之所以贮存大量空气，又轻又保暖，是因为它们的关键蛋白质——角蛋白有分形的节点与分枝，这种分枝同动物的肺、血管和树木的分枝，以至玻璃上的霜花、雪花等都是大自然的分形几何学。有的分形科学研究者认为，分形原理是生物发育的根本规律，应该是研究RNA、DNA编码中的重大问题。

构盾施工法：英国泰晤士河隧道的施工，用传统的支护开挖方法受河底松软、渗水易埸方的阻挠，解决这一难题的关键在于学习小虫钻坚硬的橡树树干的行为。由此创造出用空心钢柱打入河底（构盾），边挖边延伸的“构盾施工法”。现在这种方法已广泛应用，例如打通英法海底隧道、日本大阪湾建设海上航空港、连接川崎和木更津横断道路的东京湾工程等。构盾机械从过去的挖掘圆形断面，发展为正方、长方、月牙形等多种断面。

仿鱼无人驾驶潜艇：金枪鱼经过6000万年的演变，已成为高速行动的象征。美国马萨诸塞州的海洋工程科学家设计的这种模拟金枪鱼无人驾驶潜艇原型长1.2米，它有41条聚苯乙烯制成的肋骨，而真的金枪鱼有48条肋骨，它的“腱”由不锈钢飞机缆索制成。外壳由乳胶，泡沫材料和桑克拉弹性纤维纱制成。

它在33.5米长的试验池里游姿优美，尾巴摆动，躯体弯曲，以减少阻力，真像一条活鱼。工程师们认为，他们能在5年内建造一艘长4.6米的这种潜艇，携带声纳航行设备和试验仪器，以便绘制海底地图和寻找水下污染源。

26.2物质成分和理化生化变化

蛛丝：全世界蜘蛛种类有2万多种，人们自古以来就想利用蛛丝。有一种巴拿马蜘蛛能吐出像钢丝一样富有弹性和坚靭的金黄色蛛丝，能挡住射来的子弹，在零下50‐60℃时才会断裂。美国陆军参谋部的纳蒂克研究中心研究其生化性质，准备用工业生产制造新的合成材料。1991年从“纺织娘”蜘蛛提取出抽丝茎因，复制出4时长的人造蛛丝，强度为蚕丝10倍，可制防弹背心。这种仿生蛛丝是以普通的水为溶媒，在常温常压下合成的。可以再生，分解后不污染环境，其优越性远远超过合成纤维防弹背心材料凯夫拉（制取凯天拉是在高温下以滚沸硫酸为溶媒，消耗大量能量，原材料本身有毒，废液污染环境）。

研究人员还设想利用人工合成蛛丝作成高强度吊桥的缆索、抗撕裂降落伞。

模拟海豚皮：用聚氨酯制作泳衣，可以大大减少水对人体的阻力。运动员穿着这种泳衣参加比赛，这是仿生学在现代体育中最典型的应用范例之一。

防贝涂料：船底和水电站进水口容易遭贝类附生而降低效率，甚至造成事故。原来用有机铅涂料，但其毒性污染环境。后来发现海洋中的马尾藻属的苔藓虫从不附生贝类，因为含有三溴甲苯胺之故，既不杀死贝类，又防止了贝类滋生。效果比有机铅化物高8倍，是硫酸铜的100倍。从而解决了涂料的新配方问题。

生物无机晶体：人工养殖河蚌育珠已有数百年历史，但是仿生学可使珍珠生产工业化。因为珍珠形成的机理是蛋白质合成加Ca离子。应用这个方法，有可能人工制造奇光异彩的珍珠。珍珠形成是生物无机晶体的模拟，类似的方法还可应用于磁性细菌形成磁微粒子。用这个机理，人们研究成功高灵敏度的大肠杆菌检测方法，大大提高食品卫生检验的效率。方法是利用磁石与大肠杆菌结合，形成单克隆抗体,使其磁场作用于食品试样上，可把大肠杆菌“钓”出来。即使1毫升溶液中只有100个杆菌，也可在15分钟内测出。比原来的方法提高灵敏度100倍。

泡沫材料：发面时，酵母菌的发酵作用分解糖类产生很多CO2，使面团中形成许多孔隙，于是可以烤制出松软可口的面包。这启发了美国企业家在橡胶生产中加发泡剂，研制出海绵橡胶。德国企业家把这种机理又应用于泡沫塑料。日本的铃木信一则发明了气泡混粒土，隔音、绝热性强，重量轻、质地硬，成本降低而用途扩大。以后根据这一发明原理又相继由制造商研制出松软可口的蛋糕、冰淇淋和可漂浮水面的泡沫香皂。

仿鲍鱼贝壳的新型陶瓷材料：鲍鱼贝壳（石决明）在显微镜下观察，很像精心堆砌的灰抹砖墙结构——一层层超薄的碳化钙像砖块一样由厚不足亿分之一米的有机蛋白基质连接在一起，使贝壳强度与大多数高级陶瓷不相上下，可是却不像陶瓷那样发脆其碎。其强度来自将碳化钙结合在一起的化学键，这种排列有序的结构使碳化钙强度增强20倍。而人们如果能把目前陶瓷材料的强度提高5倍，将会获得更加优越的新材料。

陶瓷材料纤维间的连接在被破坏时会出现裂纹，而鲍鱼贝壳的层状结构在层间的键被破坏时也不会出现裂纹，表明它有类似金属材料的变形性。

美国普林斯顿大学已研制出一种新型陶瓷材料——铝分子充满在碳化硼分子间，铝分子的作用同鲍鱼贝壳中的有机蛋白基质一样。美国陆军正在试验，试图将其作为坦克外壳的新型材料。

仿甲壳虫复合板材：甲壳虫可以将糖及蛋白质转化成质轻、强度高的坚硬外壳。在电子显微镜下，角质层的微观结构竟同军用飞机材料及科学家们正在研制的许多高级复合材料惊人相似，都是由纤维嵌入胶质中构成迭片结构，只是甲壳虫角质层是糖分子嵌在蛋白质分子中，而合成材料是石墨纤维嵌在环氧树脂中。甲壳虫角质层的迭片结构虽然不对称，但排列极有秩序——交错的片层精确地扭在一起，形成双螺旋混成结构。采用仿甲壳虫角质层的非对称石墨纤维——环氧树脂层的复合板料，不但不含翘曲，而且有更好的承载性和抗冲击性。

学苍蝇，抗病菌:每只苍蝇身上通常带病菌60多种，数目从1700万到5亿个之多。另有病毒、寄生虫卵，而且体内是体外的800多倍。苍蝇能传播伤寒、痢疾、霍乱、肠炎、结核等30多种人类疾病，但是自己却入污泥而不染。人们发现它体内的抗菌活性蛋白是病菌的克星，只需万分之一浓度就可杀死多种病菌，效力超过青霉素。欧美一些国家拨专款研究，已有新的突破。一名美国医生对采用多种抗菌素治疗无效的老人褥疮，用苍蝇抗菌蛋白治疗获得显着疗效。下一步的设想是选育含抗菌蛋白多的新品种苍蝇，取出蛋白，转移到人体，构筑抗病防线。

学毒蛇、抗蛇毒:当前应用的抗蛇毒血清只对一种蛇起作用，因为它具有“种”特异性——即用免疫系统对特定毒素反应产生的抗体制造的。为了研制通用蛇毒解毒剂。日本和巴西科学家发现毒蛇血液中有一种物质能使自己的蛇毒变得无效。悉尼理工大学免疫学家布罗迪从一条毒蛇咬了另一条毒蛇而并不中毒的现象受到启发，认为毒蛇血液中有一种“保护因子”，有助于制造一种通用的抗蛇毒血清，适用于被蝰蛇、响尾蛇、眼镜蛇和褐眼镜蛇等致命毒蛇咬伤的人。他从盾鳞棘背蛇血液中分离出一种蛋白质，简称NSI，用它对另外6种蛇的蛇毒作解毒试验，结果是抑制了所有的蛇毒。用老鼠试验，发现老鼠没有受除响尾蛇毒以外的其他蛇毒之害。在人身上试用NSI的试验随之展开。

跳蚤与飞翔：跳蚤能跳过比它身长高200‐300倍的高度。但是仅靠它腿部肌肉只能产生跳跃所需的1/10的能量，其余能量则来自“莱西林”的巨大作用。“莱西林”是一种胶状蛋白。富有强性，比何橡胶的弹性都好。橡皮筋拉紧后贮存能量，松开时可释放出85%的能量，而“莱西林”释放的能量则在97%以上，而且可在1/1000秒内恢复原状。因此，科学家推测，大概一切会飞的昆虫飞行时全靠“莱西林”产生的能量。

世界上最早能够垂直起落的鹞式飞机，就是得益于对跳蚤的研究。科学家们进一步设想，一旦弄清“莱西林”的化学结构，就可以进行人工模拟。有朝一日，人类也许会像昆虫和鸟类一样自由飞翔。

26.3信息与调控

植物有接受信息、传递和做出反应的能力。除了不能四处奔跑之外，几乎有与动物一样的行为能力。例如向光性、向水性，对重力反应的向上性（茎生长点背地的生长）、向地性（根生长点向地心生长）。比较复杂的植物行为最早例证有猪笼草、猩藻、矛膏菜等食虫植物，对触摸敏感的卷须和缠绕性植物等。

有些植物相互之间用气味沟通信息，发出警报。例如柳树叶子受虫咬后能散发挥发性的茉莉酮酸，启动周围其他植物在虫咬之前进行防御。防御手段是由茉莉酮酸促使叶子产生一种起抑制作用的蛋白酶，使食叶昆虫消化不良，产生虚饱感觉。1990年在法国举行的国际植物学家会议上，一位南非动物学家报告：金合欢树（Acacia）在受羚羊侵犯时能释放出乙烯，彼此警告，并刺激叶片产生单宁，使39%的圈养羚羊吃树叶后中毒。

有些植物叶子被昆虫咀嚼时会产生一种激素，类似动物受伤害时释放的内啡呔，它们能转化花生4烯酸成为与前列腺素相近似的化学物质。这种伤痛反应与动物的化学反应如此类似，以至在植物组织上喷洒阿司匹林或布洛芬后，就像在人身体上一样能消除这些反应。

荷兰科学家多恩把麦克风放在剪下的一支玫瑰花茎上，收听到玫瑰花所发出的超声波，可以断定玫瑰花的死亡速度。他把玫瑰花枯萎时发出的超声波信号形容为“哭声信号”。

有许多动物对地磁、超声波、次声波能作出反应。描、狗、鼠、蛇、鸡等在地震之前都会有异常表现，可能是感知次声波的反应。鸽子和迁徙的候鸟、鱼、昆虫、病毒都能接受磁场感应，有的可以利用地球磁力线导航，而光线可能是感知磁场的重要因素。据美国纽约大学的发现，麻雀利用极光校正磁场指南针；德国法兰克福大学则发现一些鸟类利用光线感知磁场。但是这些研究不够深入，还有许多争论。

水母耳:舰船上使用的“水母耳”是仿生学的着名事例。这种风暴预警器是仿效水母体内的小共振腔而制成的，腔内有一个带小柄的球，球内有很小的听石，能接收风暴产生的频率为8‐13赫兹的人耳听不到的次声波。这种波传播很远，听石接收后产生振动并刺激神经。模拟的风暴预警器以喇叭口、次声波共振器，把振动变为电脉冲的压电变换器及指示器，同“水母耳”相对应，可以在风暴到来15小时之前作出预报。

超声波眼镜：蝙蝠有“超声波雷达”，从喉内发出频率为2‐12万赫兹的超声波信号，与物体相遇后被反射回来，有耳朵里的接收装置接收后，判定物体的方位和距离，这种回声定位使它在布满密网的暗室中可以自由飞行。其他动物，如海豚、叉尾海燕也都用超生雷达导航。利用回声定位，使几乎是瞎子的蝙蝠和视觉只能看到50厘米左右距离的海豚，都能够在黑暗或浑浊的水中觅食。人们仿照这种系统已经研制出盲人用的超声波探路仪和超声波眼镜。

蝴蝶翅膀给卫星带来灵感：地球卫星受太阳辐射，向阳面温度达200℃，被阴面‐200℃，精密仪表会被烤裂或冻裂。启示来自蝴蝶双翅上布满的鳞片的调节体温作用：当太阳直射时，鳞片自动张开，减小辐射角度，少吸热能；气温下降时则自动闭合鳞片，紧贴体表，使阳光直射，多吸热能，体温始终保持在正常幅度之内。人们模拟鳞片功能，设计出自动控温系统，解决了航天大难题。

美国塔夫茨大学研究人员在寻找更佳方法制造供计算机芯片使用的硅薄膜时发现，可以把蝴蝶翅膀鳞片自动调控太阳能的原理，运用到硅芯片的设计之中。

模仿昆虫处理信息：昆虫凭借敏锐的脑神经和感觉器官处理信息的本领，引起了研究人员的注意。他们正在研究、设计下一代计算机如何参照蟑螂脑神经的结构和作用，并模仿昆虫敏锐的嗅觉器官制作传感器。

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