蝙蝠-雷達
小鳥-飛機
青蛙-電子蛙眼
鯊魚-潛水艇
變色龍-便衣
鯨魚-提高輪船速度
蜻蜓-讓飛機的機翼不會破碎
長頸鹿-抗荷服
海母-暴雨檢查器
螢火蟲-人工冷光
龍蝦-氣味探測儀
1.由令人討厭的蒼蠅,仿制成功一種十分奇特的小型氣體分析儀.已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來檢測艙內(nèi)氣體的成分.
2.從螢火蟲到人工冷光；
3.電魚與伏特電池；
4.水母的順風耳,仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能,設計了水母耳風暴預測儀,能提前15小時對風暴作出預報,對航海和漁業(yè)的安全都有重要意義.
5.人們根據(jù)蛙眼的視覺原理,已研制成功一種電子蛙眼.這種電子蛙眼能像真的蛙眼那樣,準確無誤地識別出特定形狀的物體.把電子蛙眼裝入雷達系統(tǒng)后,雷達抗干擾能力大大提高.這種雷達系統(tǒng)能快速而準確地識別出特定形狀的飛機、艦船和導彈等.特別是能夠區(qū)別真假導彈,防止以假亂真.
電子蛙眼還廣泛應用在機場及交通要道上.在機場,它能監(jiān)視飛機的起飛與降落,若發(fā)現(xiàn)飛機將要發(fā)生碰撞,能及時發(fā)出警報.在交通要道,它能指揮車輛的行駛,防止車輛碰撞事故的發(fā)生.
6.根據(jù)蝙蝠超聲定位器的原理,人們還仿制了盲人用的“探路儀”.這種探路儀內(nèi)裝一個超聲波發(fā)射器,盲人帶著它可以發(fā)現(xiàn)電桿、臺階、橋上的人等.如今,有類似作用的“超聲眼鏡”也已制成.
7.模擬藍藻的不完全光合器,將設計出仿生光解水的裝置,從而可獲得大量的氫氣.
8.根據(jù)對人體骨胳肌肉系統(tǒng)和生物電控制的研究,已仿制了人力增強器——步行機.
9.現(xiàn)代起重機的掛鉤起源于許多動物的爪子.
10.屋頂瓦楞模仿動物的鱗甲.
11.船槳模仿的是魚的鰭.
12.鋸子學的是螳螂臂,或鋸齒草.
13.蒼耳屬植物獲取靈感發(fā)明了尼龍搭扣.
14.嗅覺靈敏的龍蝦為人們制造氣味探測儀提供了思路.
15.壁虎腳趾對制造能反復使用的粘性錄音帶提供了令人鼓舞的前景.
16.貝用它的蛋白質(zhì)生成的膠體非常牢固,這樣一種膠體可應用在從外科手術(shù)的縫合到補船等一切事情上.
有名的例子很多,如模仿海豚皮而構(gòu)造的“海豚皮游泳衣”、科學家研究鯨魚的皮膚時,發(fā)現(xiàn)其上有溝漕的結(jié)構(gòu),于是有個科學家就依照鯨魚皮構(gòu)造,造成一個薄膜蒙在飛機的表面,據(jù)實驗可節(jié)約能源3%,若全國的飛機都蒙上這樣的表面,每年可節(jié)約幾十億.又如有科學家研究蜘蛛,發(fā)現(xiàn)蜘蛛的腿上沒有肌肉,有腳的動物會走,主要是靠肌肉的收縮,現(xiàn)在蜘蛛沒有肌肉為什么會走路?經(jīng)研究蜘蛛不是靠肌肉的收縮進行走路的,而是靠其中的“液壓”的結(jié)構(gòu)進行走路,據(jù)此人們發(fā)明了液壓步行機……總之,從自然界得到啟迪, 模仿其結(jié)構(gòu)進行發(fā)明創(chuàng)造.這就是仿生學. 這是我們向自然界學習的一個方面.另一方面,我們還可以從自然的規(guī)律中得到啟迪,利用其原理進行設計(包括設計算法),這就是智能計算的思想
鳥類對仿生學的貢獻
從始祖鳥的出現(xiàn)到現(xiàn)在,在這億萬年的漫長進化過程中,鳥類形成了許多卓有成效的導航、識別、計算、能量轉(zhuǎn)換等系統(tǒng),其靈敏性、高效性、準確性、抗干旱性都另人驚嘆不已.人們研究這些結(jié)構(gòu)和功能原理并加以模擬,用來改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造新的機械、儀器、工藝,這就是仿生學研究的一項重要內(nèi)容.
鳥類有高超的飛行本領(lǐng),當然現(xiàn)代的飛機在很多性能上都遠遠超過鳥類,可是在節(jié)約能源上,在靈巧性上就相形見絀了.如一只鳥連續(xù)在海洋上空飛行4000多公里,體重減輕0.06公斤；小巧的蜂鳥不僅能垂直起落,而且在吮吸花蜜時能取直立姿勢,懸在空中進退自如,靈活異常.對這些特殊功能的研究利用,將會使飛機的性能進一步得到改進.
如野鴨能悠然自得地飛行在9500米的半高空,而人在登上4500米時呼吸已經(jīng)感到很困難了.研究鳥為什么會在空氣稀薄的條件下腦血管依然暢通,可對人類在供氧不足的環(huán)境中正常生活和延長生命有重要意義.
鴿子在仿生學方面有很大的貢獻.它的腿上有一個小巧而靈敏的感受地震的特殊結(jié)構(gòu),人們根據(jù)它的原理仿制出一種新的地震儀,使地震預報更加準確.它的眼睛有著特殊的識別本領(lǐng),這是由于它的視網(wǎng)膜上有6種功能專一的神經(jīng)節(jié)細胞：葉亮度檢測器、普通邊檢測器、凸邊檢測器、方向檢測器、垂直邊檢測器、水平檢測器,人們模仿它視網(wǎng)膜上的細胞結(jié)構(gòu)制成的鴿眼電子模型,雖結(jié)構(gòu)還不及它的復雜和完善,但安裝在警戒雷達上、應用于電子計算機處理有關(guān)數(shù)據(jù)方面已有廣闊的前景.
地球上海水占總水量的97％.而海水的人工淡化器目前設備龐大、結(jié)構(gòu)復雜、耗能量高.但海鷗、信天翁這些海鳥卻可以通過眼睛附近一條鹽腺把喝下去的海水中的鹽分排出,一旦完成這個功能的模擬,人類利用海洋的前景將會更加廣闊.
此外,人們根據(jù)鷹眼的結(jié)構(gòu)正在研制鷹眼系統(tǒng)導彈,這種導彈在飛臨打擊目標上空時就能自動尋找、識別目標而跟蹤攻擊.
蝴蝶與仿生
五彩的蝴蝶錦色粲然,如重月紋鳳蝶,褐脈金斑蝶等,尤其是螢光翼鳳蝶,其后翅在陽光下時而金黃,時而翠綠,有時還由紫變藍.科學家通過對蝴蝶色彩的研究,為軍事防御帶來了極大的裨益.在二戰(zhàn)期間,德軍包圍了列寧格勒,企圖用轟炸機摧毀其軍事目標和其他防御設施.蘇聯(lián)昆蟲學家施萬維奇根據(jù)當時人們對偽裝缺乏認識的情況,提出利用蝴蝶的色彩在花叢中不易被發(fā)現(xiàn)的道理,在軍事設施上覆蓋蝴蝶花紋般的偽裝.因此,盡管德軍費盡心機,但列寧格勒的軍事基地仍安然無惹,為贏得最后的勝利奠定了堅實的基礎(chǔ).根據(jù)同樣的原理,后來人們還生產(chǎn)出了迷彩服,大大減少了戰(zhàn)斗中的傷亡.
人造衛(wèi)星在太空中由于位置的不斷變化可引起溫度驟然變化,有時溫差可高達兩、三百度,嚴重影響許多儀器的正常工作.科學家們受蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調(diào)節(jié)體溫的啟發(fā),將人造衛(wèi)星的控溫系統(tǒng)制成了葉片正反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式,在每扇窗的轉(zhuǎn)動位置安裝有對溫度敏感的金屬絲,隨溫度變化可調(diào)節(jié)窗的開合,從而保持了人造衛(wèi)星內(nèi)部溫度的恒定,解決了航天事業(yè)中的一大難題.
-- 甲蟲與仿生
屁步甲炮蟲自衛(wèi)時,可噴射出具有惡臭的高溫液體“炮彈”,以迷惑、刺激和驚嚇敵害.科學家將其解剖后發(fā)現(xiàn)甲蟲體內(nèi)有3個小室,分別儲有二元酚溶液、雙氧水和生物酶.二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶混合發(fā)生化學反應,瞬間就成為100℃的毒液,并迅速射出.這種原理目前已應用于軍事技術(shù)中.二戰(zhàn)期間,德國納粹為了戰(zhàn)爭的需要,據(jù)此機理制造出了一種功率極大且性能安全可靠的新型發(fā)動機,安裝在飛航式導彈上,使之飛行速度加快,安全穩(wěn)定,命中率提高,英國倫敦在受其轟炸時損失慘重.美國軍事專家受甲蟲噴射原理的啟發(fā)研制出了先進的二元化武器.這種武器將兩種或多種能產(chǎn)生毒劑的化學物質(zhì)分裝在兩個隔開的容器中,炮彈發(fā)射后隔膜破裂,兩種毒劑中間體在彈體飛行的8～10秒內(nèi)混合并發(fā)生反應,在到達目標的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人.它們易于生產(chǎn)、儲存、運輸,安全且不易失效.螢火蟲可將化學能直接轉(zhuǎn)變成光能,且轉(zhuǎn)化效率達100%,而普通電燈的發(fā)光效率只有6%.人們模仿螢火蟲的發(fā)光原理制成的冷光源可將發(fā)光效率提高十幾倍,大大節(jié)約了能量.另外,根據(jù)甲蟲的視動反應機制研制成功的空對地速度計已成功地應用于航空事業(yè)中.
-- 蜻蜓與仿生
蜻蜒通過翅膀振動可產(chǎn)生不同于周圍大氣的局部不穩(wěn)定氣流,井利用氣流產(chǎn)生的渦流來使自己上升.蜻蜒能在很小的推力下翱翔,不但可向前飛行,還能向后和左右兩側(cè)飛行,其向前飛行速度可達72km/h.此外,蜻蜒的飛行行為簡單,僅靠兩對翅膀不停地拍打.科學家據(jù)此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研制成功了直升飛機.飛機在高速飛行時,常會引起劇烈振動,甚至有時會折斷機翼而引起飛機失事.蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飛行時安然無恙,于是人們仿效蜻蜒在飛機的兩翼加上了平衡重錘,解決了因高速飛行而引起振動這個令人棘手的問題.
-- 蒼蠅與仿生
昆蟲學家研究發(fā)現(xiàn),蒼蠅的后翅退化成一對平衡棒.當它飛行時,平衡棒以一定的頻率進行機械振動,可以調(diào)節(jié)翅膀的運動方向,是保持蒼蠅身體平衡的導航儀.科學家據(jù)此原理研制成一代新型導航儀——振動陀螺儀,大大改進了飛機的飛行性能LlJ,可使飛機自動停止危險的滾翻飛行,在機體強烈傾斜時還能自動恢復平衡,即使是飛機在最復雜的急轉(zhuǎn)彎時也萬無一失. 蒼蠅的復眼包含4000個可獨立成像的單眼,能看清幾乎360°范圍內(nèi)的物體.在蠅眼的啟示下,人們制成了由1329塊小透鏡組成的一次可拍1329張高分辨率照片的蠅眼照像機,在軍事、醫(yī)學、航空、航天上被廣泛應用.蒼蠅的嗅覺特別靈敏并能對數(shù)十種氣味進行快速分析且可立即作出反應.科學家根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結(jié)構(gòu),把各種化學反應轉(zhuǎn)變成電脈沖的方式,制成了十分靈敏的小型氣體分析儀,目前已廣泛應用于宇宙飛船、潛艇和礦井等場所來檢測氣體成分,使科研、生產(chǎn)的安全系數(shù)更為準確、可靠.
-- 蜂類與仿生
蜂巢由一個個排列整齊的六棱柱形小蜂房組成,每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成,這些結(jié)構(gòu)與近代數(shù)學家精確計算出來的——菱形鈍角109°28\',銳角70°32\' 完全相同,是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu),且容量大、極堅固,令許多專家贊嘆不止.人們仿其構(gòu)造用各種材料制成蜂巢式夾層結(jié)構(gòu)板,強度大、重量輕、不易傳導聲和熱,是建筑及制造航天飛機、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料.蜜蜂復眼的每個單眼中相鄰地排列著對偏振光方向十分敏感的偏振片,可利用太陽準確定位.科學家據(jù)此原理研制成功了偏振光導航儀,早已廣泛用于航海事業(yè)中.
-- 其它昆蟲與仿生
跳蚤的跳躍本領(lǐng)十分高強,航空專家對此進行了大量研究,英國一飛機制造公司從其垂直起跳的方式受到啟發(fā),成功制造出了一種幾乎能垂直起落的鷂式飛機.現(xiàn)代電視技術(shù)根據(jù)昆蟲單復眼的構(gòu)造特點,造出了大屏幕彩電,又可將一臺臺小彩電熒光屏組成一個大畫面,且可在同一屏幕上任意位置框出某幾個特定的小畫面,既可播映相同的畫面,又可播映不同的畫面.科學家根據(jù)昆蟲復眼的結(jié)構(gòu)特點研制成功的多孔徑光學系統(tǒng)裝置,更易于搜索到目標,已在國外一些重要武器系統(tǒng)中應用.根據(jù)某些水生昆蟲的組成復眼的單眼之間相互抑制的原理,制成的側(cè)抑制電子模型,用于各類攝影系統(tǒng),拍出的照片可增強圖像邊緣反差和突出輪廓,還可用來提高雷達的顯示靈敏度,也可用于文字和圖片識別系統(tǒng)的預處理工作.美國利用昆蟲復眼加工信息及定向?qū)Ш皆?研制了具有很大實用價值的仿昆蟲復眼尋的末制導導引頭的工程模型.日本利用昆蟲形態(tài)及特性開發(fā)研制了六足機器人等工學機器和建筑物的新構(gòu)造方式.
-- 未來展望
昆蟲在億萬年的進化過程中,隨著環(huán)境的變遷而逐漸進化,都在不同程度地發(fā)展著各自的生存本領(lǐng).隨著社會的發(fā)展,人們對昆蟲的各種生命活動掌握得越來越多,越來越意識到昆蟲對人類的重要性,再加上信息技術(shù)特別是計算機新一代生物電子技術(shù)在昆蟲學上的應用,模擬昆蟲的感應能力而研制的檢測物質(zhì)種類和濃度的生物傳感器,參照昆蟲神經(jīng)結(jié)構(gòu)開發(fā)的能夠模仿大腦活動的計算機等等一系列的生物技術(shù)工程,將會由科學家的設想變?yōu)楝F(xiàn)實,并進入各個領(lǐng)域,昆蟲將會為人類做出更大的貢獻.
-- 昆蟲知多少
對人類危害最大的昆蟲是蚊子,它們每年使300萬人死于其傳染的瘧疾、黃熱病、登革熱等疾病.
螞蟻是力氣最大的昆蟲,它可支撐其體重300倍的重物.
跳蚤是跳高冠軍,它一跳就是其體長的200倍.這相當于人跳400m高.
蝗蟲是飛行能力最強的昆蟲,它可以連續(xù)不停地飛行9個小時.
食量最大的天蛾幼蟲,它在出生一個月內(nèi)可吃掉比其體重重80000倍的東西.
一頭桑蠶可紡出長達一公里多長的單條纖維.
移動最快的昆蟲是熱帶蟑螂,每秒鐘可移動40～43倍體長的距離,相當于人每秒前進130m.
小蚋是翅振速率最快的昆蟲,每秒鐘可拍打60000萬次.
反差最大的昆蟲是產(chǎn)于非洲的一種鳳蝶,美不勝收,但其臭無比,而且有劇毒.
天蛾是嗅覺歸靈敏的昆蟲,其雄蛾可以在十幾公里以外嗅到雌蛾散發(fā)出的氣味.雖然雌蛾釋放的信息素只有0.0001mg.
眼睛最多的昆蟲是晴蜓,它的一只復眼由28000個單眼組成.
最勤勞的昆蟲是蜜蜂,它一生不辭勞苦地到處尋覓花粉、花蜜,直到死亡.
蜂巢中,由40g蠟筑出的蜜室可以承載2kg重蜂蜜.
蜜蜂要采集2000朵花的花蜜才能生產(chǎn)出一茶匙的蜂蜜.
螢火蟲是光能轉(zhuǎn)換率最好的昆蟲,它們可將90%的能量轉(zhuǎn)換成光能.我們平時用的燈泡能量轉(zhuǎn)換率只有5.5%.
最小的昆蟲是北美的一種小蟲,身長僅0.25mm,可直接穿過一個針眼.
最大的昆蟲是產(chǎn)于印度尼西亞的大竹節(jié)蟲,其翼間寬33cm,另一種印度大蠶蛾,翅展開寬度亦有30cm.
外表形態(tài)最原始的昆蟲是蟑螂,2.5億年來它們幾乎完全沒變.
白蟻含有60%的蛋白質(zhì),而牛排只含15%,所以以昆蟲作食物的人越來越多,可以預料白蟻將是人類未來重要的蛋白質(zhì)來源之一.
最美麗的昆蟲是鞘翅目中的一種花金龜,其鞘翅上有金色、寶藍、煙黑、檸檬黃、桃紅和豆綠等色,還有發(fā)亮的紫色觸角,而且極協(xié)調(diào).據(jù)說每只可售到五萬美元.
種類最多的昆蟲是鞘翅目昆蟲,科學家預計地球上可能有三百萬種以上,而目前有記錄的已近五十萬種,幾乎占已知動物總類的30%和昆蟲種類的一半.
從仿生學角度來看,被人類研究得最多的昆蟲是蒼蠅,其眼、足、平衡棒、舐吸式口器、免疫能力、飛行技巧等諸多方面的仿生成果以應用到人類生活的許多方面.
炮蟲（步甲科屁步甲屬）會自行噴出溫度約100℃、由過氧化氫和氫醌混合腐蝕性氣體來驅(qū)趕進犯者.它像槍一樣地連續(xù)射20次,射程為5cm,為其體長的4倍.這種甲蟲不會受熱或腐蝕性氣體的傷害.
智商最高的昆蟲是蜜蜂,一美科學家在按1、2、4、8、16、32……的規(guī)律往地上白方塊上加糖,在其加完32正準備到64位方塊時,那兒已經(jīng)有許多蜜蜂在等候了,該科學家沮喪地說：“也不知是我在拿它們做試驗,還是它們在拿我在做試驗!”.這一發(fā)現(xiàn)證明了有些動物也有抽象思維能力.
昆蟲中最殘酷且規(guī)模最大的戰(zhàn)爭發(fā)生在螞蟻中,本人曾親睹過這樣一件事.在一近一平方米的范圍內(nèi)全是我們常見的螞蟻,它們在激戰(zhàn),死傷無數(shù).據(jù)說南美的蟻戰(zhàn)規(guī)模還有大得多.這種戰(zhàn)爭場面不太容易看得到.
-- 昆蟲與仿生學
被稱為“仿生蒼蠅”的一種機器人可能會引起戰(zhàn)場外科的一場革命.它將是第一種在戰(zhàn)場上那能被帶領(lǐng)到負傷軍人那里和給他們作緊急處理的機器人,在那里,由外科醫(yī)生操作太危險了.
以前的外科醫(yī)生機器人局限性很大,因為它們依靠受傷的軍人攜帶.
“仿生蒼蠅”找到傷員后,就展開它的馬達驅(qū)動的手臂,執(zhí)行外科手術(shù),由可能在數(shù)百英里遠的醫(yī)生來引導.這種新的機器人是第一次使用兩只手臂來進行遙控外科操作.
這種機器人將于本周稍后在海牙的國際醫(yī)學仿真和教育會議上展示.
遠程外科醫(yī)生用視頻照相機, 3D視頻圖像,立體聲和遠程工具和力量反饋來控制機器人.當外科醫(yī)生移動工具,仿生蒼蠅的手臂就進行模仿.當機器人碰到軟組織,外科醫(yī)生就通過力量反饋感到有阻力.
它已經(jīng)被美國軍醫(yī)使用,作為訓練幫助,并且在動物身上進行一些復雜的操作.
-- 蜜 蜂
蜂有許多種.有些蜂生活在由12只左右的蜂組成的群體之中,還有些則獨居.最具有社會性的是蜜蜂,在一個蜂巢內(nèi)可以有多達8萬只的蜜蜂.
蜂巢最具特色的地方在于蜂室,許多蜂室連在一起形成蜂房.每個蜂室都呈六角形,這是一種結(jié)構(gòu)堅固的形狀.與建造其他形狀相比,它既省蠟又省力.
一部分蜂室用來貯藏食物,即蜜蜂從花中采集來的那些花粉和花蜜.花蜜會在蜂室中變成蜂蜜.所有的卵都是由蜂后產(chǎn)下的,它在每個蜂室中產(chǎn)下一只卵.接下來,這些卵將由雌性工蜂來照料.
每個蜂室都是由蜜蜂體內(nèi)分泌出的蠟制成的.蜜蜂會用嘴和前腿把蠟揉軟以便加工.
當一只工蜂在花間飛來飛去時,它會把采集到的花粉貯藏在后腿的花粉藍中.
一間蜂房有許多蜂室,其墻的厚度都是相同的.建造蜂房的工蜂會用它們的觸角刺墻,看究竟刺進去多少,以此來判斷墻的厚度.
-- 發(fā)現(xiàn)螞蟻“吸血鬼” 解開螞蟻進化之謎
在馬達加斯加發(fā)現(xiàn)了一種食肉蟻群落.據(jù)科學家周二的介紹說,螞蟻是這個世界上進化得最成功的昆蟲物種,而這次發(fā)現(xiàn)的食肉蟻對于解開螞蟻進化之謎將起到非常重要的作用.
這種螞蟻長相非?？膳?發(fā)現(xiàn)它的人給它取名為“Dracula”蟻,它們在饑餓時會吸取它們自己幼蟲體內(nèi)的汁液來補充營養(yǎng),這種行為被認為是螞蟻與黃蜂之間在數(shù)百萬年前進行的一種進化行為.
來自美國加州科學院的布來恩-費舍(Brian Fisher)在馬達加斯加首都安塔那那利弗(Antananarivo)郊外55英里處的一個爛樹樁內(nèi)發(fā)現(xiàn)了這些食肉螞蟻.
在人類已經(jīng)了解的昆蟲種類中,螞蟻雖然很弱小,但它們在地球上分布最廣,并且在數(shù)量上超過地球上任何種類的生物.研究人員想知道到底是什因素使螞蟻進化得如此成功.
馬達加斯加,是非洲東南部海域的一個島國,由于其相對與世隔絕的生態(tài)環(huán)境,缺少新物種的競爭,部分較老或者可以說是“遺跡“物種在這里能夠幸存下來,所以這個島國已經(jīng)被人們看成是一塊富有生物信息的珍寶之地.
“Dracula”蟻是1993年首次在馬達加斯加發(fā)現(xiàn)的,但這次費舍的發(fā)現(xiàn)是首次對這種螞蟻生活群落的發(fā)現(xiàn).這將允許科學家們了解到更多的螞蟻進化細節(jié).費舍認為“Dracula”蟻與早期的黃蜂之間有些必然聯(lián)系.
在這種螞蟻群落中,蟻后和工蟻在饑餓的時候,會到洞內(nèi)的幼蟻室,在它們的幼蟲身上打出一個洞,吸取它們的體液,獲取養(yǎng)料.
費舍解釋說,這就是為什么他會給這種螞蟻起名為“Dracula”的原因,“Dracula”指的一種吸血鬼.他說：“我們認為這是一種非常殘忍的自相殘殺行為.”
他認為,以后對于“Dracula”蟻的研究可以使科學家們掌握更多螞蟻行為的發(fā)展線索.最終使科學家可以重新考慮他們對于螞蟻進化過程的所有設想.“這些最初的發(fā)現(xiàn)告訴我們,目前人們對螞蟻進化過程的設想是不準確的.這次發(fā)現(xiàn),最重要的事情不是我們找到了一個新物種,而是它對于幫助我們解開生命進化之謎非常重要.”
-- 從蝴蝶翅膀到防偽紙幣
在一般人看來,蝴蝶翅膀與防偽紙幣或防偽信用卡本是南其轅北其轍互不著邊的兩個事物,根本沒有什么聯(lián)系,可是,只要你耐心讀完這不到千字的小文,你就會明白這其中確有某些因緣,而且,你還會看到仿生學這個學科的又一個妙用.請繼續(xù)往下讀!
所謂仿生學,它是研究如何模仿生物的結(jié)構(gòu)和功能,來制造設備或物件以造福人類的學科.日前發(fā)表在英國《自然》雜志上的關(guān)于一種生活在印度尼西亞的蝴蝶翅膀的顏色的形成問題的報告,不僅向我們展示了大自然的奧妙,也為我們研制更新的、壞人再也無法偽造的防偽紙幣打開了一條仿生學的思路.
英國?？巳兀‥xeter）大學薄膜光子實驗室的物理學家烏維西克（Vuvisic）和另外兩名同事,由于一個偶然的機遇,在幾年前開始研究一種名叫大鳳蝶的蝴蝶翅膀,這個蝴蝶的翅膀顏色本來是有黃有藍,但是在人眼里就成為閃閃發(fā)光的綠色.他們用顯微鏡觀察大鳳蝶翅膀發(fā)現(xiàn),蝴蝶翅膀上竟然布滿了下凹的小坑,這些小坑太小,尺寸只有大約萬分之四厘米,小坑底是黃色,而坑的斜坡是蘭色的.烏維西克用如下方式來解釋為什么在人看來大鳳蝶的翅膀是綠色的：當光線照射到坑底時,它被反射而呈黃色,而照射到小坑一個斜坡的光線也被反射,但此反射光線又入射到另一斜坡再被反射,此時,由于小坑太小,人眼無法將從坑底反射的黃色光與周圍兩次反射的蘭色光區(qū)分開來,從而感覺到的是綠色.另外,他們還發(fā)現(xiàn),這兩次反射也改變了光的極化方向,人眼無法區(qū)別這一改變,但是蜜蜂等昆蟲卻能察覺.要解釋光的極化方向還真需要點專門知識,淺顯但不太精確的解釋就是光子在電磁場中振動的方向.
換了我們常人,發(fā)現(xiàn)這些奧妙,大概也無非是擊掌贊嘆造化的神奇,此外就不在做什么了.然而烏維西克等人卻想到假幣.他們目前正在研究如何仿照大鳳蝶翅膀的結(jié)構(gòu),在紙幣或信用卡上也不滿小坑,這樣無論制造偽鈔者將假幣印制得在外表上多么與真幣相似,他們絕沒有技術(shù)也在假幣上布滿分布和大小都與真幣一樣的小坑,只要用專門的光學設備發(fā)出極化光一照,看看反射光的極化方向,就會真假立現(xiàn),我們辛辛苦苦掙來的那點血汗錢也就再不會被騙子騙走了.你看,蝴蝶翅膀與防偽紙幣有沒有關(guān)系?
-- 蠶:未來理想的“昆蟲工廠”
蠶,原產(chǎn)地在中國,它產(chǎn)下的蠶絲是最好的天然纖維,用其生產(chǎn)出的絲綢為美化人類生活作出了不可磨滅的貢獻.隨著生物技術(shù)的高度發(fā)展,它有可能在21世紀成為生產(chǎn)高級醫(yī)藥品等有用物質(zhì)的“昆蟲工廠”,為人類再立新功.
日本農(nóng)林省建在筑波科學城內(nèi)的蠶絲和昆蟲農(nóng)業(yè)技術(shù)研究所,正在從事利用蠶建立“昆蟲工廠”的研究.這里的科學家以家蠶為對象,已基本上開發(fā)出“昆蟲工廠”所必需的各種“設備”和工藝,如生產(chǎn)有用物質(zhì)的轉(zhuǎn)基因蠶、自動化養(yǎng)蠶系統(tǒng)及凍結(jié)融解體液采取法等.
例如,該所田村俊樹領(lǐng)導的遺傳工程研究室通過植入DNA（脫氧核糖核酸）,把水母的綠色熒光蛋白質(zhì)基因作為標記植入家蠶染色體中,已成功培育出了發(fā)光蠶.該成果意味著,如果把綠色熒光蛋白質(zhì)基因置換為其它有用物質(zhì)的基因,那么,蠶將能夠成為這種物質(zhì)的“制造廠”.
作為生產(chǎn)高級醫(yī)藥品等的“昆蟲工廠”,轉(zhuǎn)基因蠶的飼養(yǎng)環(huán)境必須保持高度清潔.為此,該所開發(fā)出了一套全自動飼料制造和供給系統(tǒng).它由人工飼料制造裝置、多級循環(huán)型轉(zhuǎn)基因蠶飼養(yǎng)裝置和飼料供給裝置等構(gòu)成.全部過程也都由電腦控制,電腦可對室內(nèi)的溫度、濕度和空氣等進行自動調(diào)節(jié).由于實現(xiàn)了無人化操作,外界的雜物、細菌和病毒等都不會進入室內(nèi).這套自動化系統(tǒng)可飼養(yǎng)2萬條蠶,“昆蟲工廠”的生產(chǎn)規(guī)模相當可觀.
與大腸桿菌、螞蟻等相比,家蠶體積相對龐大.但它畢竟是一種昆蟲,一只蠶所能生產(chǎn)的有用物質(zhì)是極少量的.怎樣高效地從轉(zhuǎn)基因蠶體內(nèi)把有用物質(zhì)提取出來,也成為 “昆蟲工廠”技術(shù)開發(fā)的課題之一.科學家宮澤光博利用凍結(jié)的幼蟲（主要是鱗翅目昆蟲）溶解后體積收縮的現(xiàn)象,開發(fā)成功了“凍結(jié)溶解體液采取法”.該方法是把處于麻醉狀態(tài)的轉(zhuǎn)基因蠶放在濃度為70％的乙醇里,在零下30攝氏度下加以凍結(jié).在這種狀態(tài)下把蠶的腹腳切除,然后移至置有防黑色素化劑的緩沖液中進行融解,有用體液就會由于融解過程中產(chǎn)生的收縮而從被切除腹腳的地方直接流出.這一方法優(yōu)點是不需專用設備,也不要繁雜的程序,而且冷凍能把所產(chǎn)的有用物質(zhì)長期保存在蠶體內(nèi).這位科學家曾用該方法從500條蠶體內(nèi)抽取了370毫升的體液,效率頗高.他的這個液體采集法已申請了國際專利.
該所負責人、農(nóng)學博士北村實彬告訴記者,“利用昆蟲功能”是該所的主要研究領(lǐng)域之一,各科室正在對大約50種昆蟲,如蜻蜓、螞蟻、蝗蟲、椿象、蜜蜂、白薯天蛾、獨角仙、美洲大蠊和斜紋夜蛾等進行研究,目的是利用它們特有的組織結(jié)構(gòu)與腦神經(jīng)系統(tǒng)、生殖功能和運動功能等制造新材料（如氨基酸分離膜、人工皮膚、抗血凝材料、骨結(jié)合材料、抗菌性蛋白質(zhì)、抗血栓藥物、免疫活性物質(zhì)等）和發(fā)展仿生技術(shù)（如制造生物傳感器、生物芯片、微型機械以及害蟲、家畜、漁類的行為控制技術(shù)等）.使用蠶建立“昆蟲工廠”,是其中的重點之一.
北村認為,蠶非常適合用做 “昆蟲工廠”.理由是蠶體格較大,并有大量制造蛋白質(zhì)的器官——絹絲腺.迄今,科學家們已從生理學、生化學和遺傳學等各個角度對蠶進行了研究,因此技術(shù)開發(fā)比較容易.另外,家蠶不會飛,容易進行隔離和管理,安全性高.到目前為止,世界上還沒有應用轉(zhuǎn)基因技術(shù)對蠶進行技術(shù)改造和利用的先例,日本科學家的研究是開創(chuàng)性的.