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仿生学 |
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什么是仿生学 人类的生存虽然离不开生物界，但人类却不是被动地依赖于生物，听任大自然的摆布。作为大自然的主人，人类总是在不断地积极主动地认识、改造和利用着生物。人类在长期艰苦卓绝的劳动中，把许多野生动物驯养成了家畜（牛、羊、马、猪等）和家禽（鸡、鸭、鹅等），把大片大片的荒地开垦成良田，又精心培育和种植了农作物，进行辛勤耕耘、防病治虫。人类用勤劳的双手不断地改善着自己的生活环境和生活条件。 人类是大自然的主人，这并不是说人在所有的方面都高于一切生物。 从身体条件来看，人比许多动物都差。在力气上，人比不上和他身体同样大小的大多数动物。和动物相比，人的走路显得格外笨拙，人跑不过鹿、狗和兔子，跑不过其他许多动物。在看东西、听声音、嗅气味等感觉能力上，人也只能甘败下风，比许多动物确实差得很远。 当想到许多生物的身体在进化过程中所获得的完美结构和具有的特殊本领时，人们更不能不为之赞叹。鱼儿和许多水生生物游得那么棒；鸟儿和有翅昆虫飞得那样美；冬眠的刺猬可以睡上200多天，不吃也不喝；蝙蝠不用眼睛，什么都能“看”得见；秋去春来的小燕子，长途飞行几千里，可它从来不迷路…… 到了近代，特别是20世纪中期，随着科学技术的蓬勃发展，使人们对生物界的认识深入了一大步。生物界所具有的精确可靠的定向、导航、探测、控制调节、能量转换、信息处理、生物合成、结构力学和流体力学等生物系统的新型机能原理，使工程技术人员的耳目为之一新。许多部门的工程师们开始积极主动地带着技术设计中的难题，到生物界中去寻找答案。生物学家们也开始有意识地为技术部门提供有价值的研究成果。这样，就在生物科学与工程技术两门学科的相互渗透、紧密结合的基础上，产生了一门新的边缘科学——仿生学。 人工合成植物激素 高等植物的生长发育是一个复杂的过程，一方面需要一定的外界条件的配合，另一方面还直接受体内激素的控制。尽管植物激素种类繁多，但是它们都有两个共同的性质：都是植物身体自己合成出来的，只要很微小的浓度，就能够对植物的生长发育产生很大的影响。 各种植物激素被陆续发现以后，科学家们就自然想到了人工合成植物激素，用来控制植物的生长。于是，有很多人工合成的植物激素应运而生。科学家们把这些人工合成的化学物质叫做植物生长调节物质。到现在，人工合成的植物生长调节已经有100多种。由于这些生长调节物质的应用，使农业有了新的发展，为现代农业生产提供了一些新的技术。 已经成为植物生长延缓剂一类化学药物中的佼佼者的矮壮素，就是其中之一。它能使植物矮化，基杆变粗，节间缩短，叶片变密，颜色变深和根系扎得深。同时还具有延缓种子萌发和改变植物开花期的本领。比如，用千分之一到百万分之一的矮壮素溶液喷洒蕾茄幼苗，可以使植株长成矮粗的茎和深绿色的叶，加快发育过程。因此，在隆冬季节里，人们也能吃上温室里的美味多汁的新鲜西红柿。矮壮素还能增强植物的抗倒伏性、抗旱性、抗病性、抗虫性、抗盐性、抗寒性和抗药性。 还有一种人工合成的生长调节物质叫做“2，4—D”，它的效果比天然生长素更好。更有意义的是，把它喷洒在某些杂草的叶片上，这些杂草的根、茎等部分的营养成分就会被吸引到喷过药的叶片里头。这样，根和茎缺少养分，整棵杂草很快就会死掉。 仿生农药 在生物学界，人们曾反复考虑这样一个问题：绿色植物的一生，春发芽，夏长叶，秋结果，看起来逍遥自在，与世无争，实际上却无时无刻不遭受着害虫的攻击，时刻面临灭顶之灾，何以仍能生息繁衍？生物学家作过详实的调查研究：一只雌性害虫，每胎可产卵几百粒，甚至上千粒，一生能生育十几代，甚至几十代，呈几何级数增殖，即使树木花草叶片再多，一年之内也可几度被害虫吃光，何以植物仍能代代相传，繁衍至今？ 原来，草木并非束手就擒的无能辈，却拥有种种常人难以察现的生存本领。新生的嫩芽、幼叶、幼果是害虫不可多得的美餐，但有些害虫一经取食即自取灭亡，因为其中潜藏着种种“秘密武器”，如蕃茄碱、茄碱棉粉酚、生氰苷、强心苷……，这些杀虫物质数量虽少，但能给害虫以致命的一击，被人们叫做“防卫素”；在业已长大的枝叶中，虽无这类防卫物质，但有时却大量积存单宁、五羟黄酮、绿原酸等特殊分泌物，具有难以入口的苦涩味，使前来偷食的害虫一经品尝就倒了胃口，被人们叫做“拒食素”；和高等动物的免疫功能相似，许多绿色植物在遭受病虫攻击后可产生种种抗生素，破坏病菌和害虫的生理功能，使病虫丧失生育和生存能力。例如香枞树能分泌 “保幼酮”，使红椿象的卵难以成熟，幼虫“老不大”，难以蜕变成蛹和成虫，绝了后代；菊科植物遭害时能分泌“早熟烯”，使大乳草蝽的蛹未熟先衰，难以羽化成具有生育能力的成虫；有些植物还能分泌“光敏素”，害虫吃下这种含有光敏素的枝叶会变得十分怕光，无法找到安身栖息的场所；玉米遭害时可分泌“拒产信息素”，使玉米螟不愿再上玉米枝叶产卵；橄榄树遭害时流出的树液中含有“占领信息素”，使果蝇闻风而逃，不敢再上橄榄树为害。 在多种草木群居的植物群体中，有些草木还能保护“邻居”不受侵害。当杨、柳树遭受天幕毛虫侵害时，能向周围树木发布受害消息，促进其他树木增加防卫物质的分泌量，加速分泌速度；在棉花和蓖麻混栽的农田里，蓖麻的气味可驱赶棉花叶跳虫；如将辣椒和丝瓜混栽，丝瓜叶片散布的气味因具有催产功能，使业已怀胎的雌性害虫“早产”，这些早产的虫卵可因先天不足而发育不良。 和目前常用的化学农药比较，植物分泌的杀虫物质不仅具有高效的杀虫功能，而且不危及人畜，不损伤害虫的天敌，不污染环境，不损害自然界的生态平衡。可见，模仿植物杀虫物质，开发仿生农药，是有无可估量的效益和前景的。 使用化学合成的方法，模拟植物杀虫物质的分子结构，制作生物农药，已在世界各地广泛应用。生物学还准备使用生物工程手段，将植物体内控制杀虫物质合成和分泌的基因切割出来，置入能高速增殖的单细胞生物体内，大量生产生物杀虫物质，提炼仿生农药，供应农业需求。 人脑和电脑 人的大脑是人体中最微妙的智能器官。它重约1.3千克，体积只有1.4立方米，大约由100多亿个神经细胞所组成。每个神经细胞的周围，有1000～10000个突触伸展出去，和相邻的神经细胞的突触相交联。这些突触像电路一样，都具有一个能通过或停止“电子流动”的“闸门”，因此，大脑能够储存10万亿位的信息量。这样的存贮能力可与1万台计算机的存贮容量相媲美。 人脑的思维形式有两种：一种是形式化思维，是人脑演绎能力的表现，具有逻辑的循序的特点：一种是模糊性的思维，是人脑归纳能力的表现，可同时进行综合的整体的思考。尽管在人的一生中，每小时约有1000个神经细胞发生障碍，一年内有近900万个神经丧失功能，然而，即使如此，大脑仍能正常地工作，其主要原因，就是大脑有足够的“后备力量”。一些神经细胞发生故障，另一些“备用”的神经细胞马上顶替上来。 科学家从人脑的功能原理上，受到了启发，研制成功了电子计算机。电子计算机是20世纪最重大的发明之一。它具有非凡的计算能力，现代最快的计算机在1秒钟内，能完成上亿次运算，这样的计算速度和计算过程的可靠性，是人工计算望尘莫及的。计算机还能模仿人的某些感觉和思维功能，按照一定的规则进行判断和推理，代替人的部分脑力劳动。正因为这样，计算机受到了人们的高度重视，被称之为“电脑”，而且在各个领域里得到了广泛的应用。 现代计算机总是按照人规定的程序进行工作的。在这些程序中，人要为计算机预见到一切可能发生的情况，并安排好计算机该如何作出反应。一旦出现了意料之外情况，计算机也会晕头转向，束手无策。 计算机的体积很大，虽然它的元件和人脑细胞的数量一样多，每个元件的体积为1立方厘米，耗能为0.1瓦；众多的元件组装起来，其体积已经是1万立方米的庞然大物了，它是大脑体积的600万倍，所需要的能量高达100万千瓦，相当于一座现代化大型水电站的发电量。 因此，尽管电子计算机的才能非凡，神通广大，在某些方面远胜于人，但人脑仍然是世界上最完善的“天然计算机”。 目前，有些科学家已经在缩小计算机体积方面，获得了可喜的进展，制成了微型万能数字计算机。这种袖珍电子计算机的体积只有100立方厘米，重量约450克，工作时间需要的功率相当于16瓦。与类似的半导体计算机相比，这种袖珍电子计算机的体积要小100多倍，重量减轻了40倍。 自从第一台电子计算机问世以来，计算机的发展已经跨越了四代。现在，世界上的先进国家正在向第五代计算机发起进攻，可望在90年代会得到应用。它的先进程度，定能模仿人的思维和学习能力，能直接与计算机交谈，能自动控测和修复故障，能按简单的指示自我合成程序设计，能以储存的信息为基础去推论和解决未知问题。 既然人与人之间能够用语言交谈，那么人与计算机之间能否直接“对话”呢？这正是目前计算机研究发展的新动向。这样，人们就不必借用计算机语言与计算机对话了，而是使计算机能够直接“听懂”人的话，按照人的指令和旨意进行“思维”和工作。美国科学家特里·威诺格拉特设想的“SHRDLU”积木世界，就是首先让计算机识别不同大小、不同形状的儿童积木，并以此为话题进行人、机交谈，要求计算机作出反应和回答。 此后，美国有关部门开始制定“实现连续对话”的五年计划。经过六年的时间，设计了4个初级自然语言系统，它们可以与人进行限定主题的对话。 日本对于自然语言的研究，首先在电话、银行等部门作了试验。1980年起研制用于飞机、火车订票方面具有几百个单词的自然理解系统。1981年，日本首先开始研究第五代计算机——进行知识处理的人工智能机。这种计算机的语言词汇量为1万个，声音回答的词汇量为1万个，能同时与几百人对话。 可以设想，这个计划如果实现，人工智能机将能够听懂人话，成为善于与人交谈的真正会“思考”的机器。 自然界的设计师 地球上是个生机勃勃的世界，除了我们人类，还生活着150多万种动物、40多万种植物和10多万种微生物。动物、植物和微生物统称为生物。 尽管人比一切生物都聪明，但是许多生物在亿万年的进化过程中形成的独特本领，在某些方面却常常比人高明。例如，鸟和某些昆虫能飞，人就不会飞。鱼儿能自由自在地在水里生活，人如果没有潜水装置，就不能长时间呆在水里。冬眠的刺猥能睡上200多天，不吃也不喝，人要是几天不吃饭，就会饿得没有气力，时间再长一些就会失去生命。蝙蝠不用眼睛，也能知道面前有什么东西，能够自由自在地飞来飞去，人要是没有眼睛，那就什么也看不见，几乎是寸步难行。 人凭着自己的智慧和勤劳的双手，创造了各种机器和装置，以弥补人体机能的不足，提高征服自然的本领。人们发明了飞机、火箭和宇宙飞船，飞上了天空以至太空；人们建造了各种船只、舰艇，取得了在水上行动的自由；人们研制出了电子计算机，每秒钟可以进行亿万次运算，从而可以控制瞬息万变的快速过程；人们经过艰苦卓绝的努力，终于发现了原子能，开始了一个新的科学技术发展时代…… 可是，当人们费尽心血，以巨大的劳动代价造出种种人造技术装置以后，往往发现，和它相类似的机构或者原理，竟早在千百万年以前就已经存在于生物体之中。 第一次世界大战期间，科学家发明了利用超声波的回波侦察潜艇的“声纳”装置。但是，此后不久，人们就发现，还在这个了不起的发明出世以前很久很久，蝙蝠就已经是应用“天然声纳”系统的能手了。 人们为了在水下隐蔽航行，制造了潜艇。潜艇采用浮箱交替充水和排水的办法实现了自由沉浮，既可在水下航行，也可在水面上航行。但是后来人们发现，鱼类的起浮系统——充气的鱼鳔比潜艇的浮箱更巧妙。 许多人造技术系统，非但问世时间落后于生物系统千百万年，性能也远远赶不上生物系统优越。例如，螳螂在二十分之一秒钟内，就能辨明从它面前飞掠而过的昆虫的方向、速度和距离，一下子就把小虫捕获，这是上吨重的火炮跟踪系统所比不上的。响尾蛇鼻孔和眼睛之间，有一个叫做“颊窝”的器官，厚度仅有10微米到15微米 （1微米是一百万分之一米，你看多么薄），能够在相当远的距离分辨千分之一度的温差变化。“响尾蛇导弹”上也有类似的热跟踪系统，叫做“红外线探测器”，它的分辨温差的本领，特别是它的结构，比响尾蛇的颊窝可就差得远了。 现在已经发现，生物界有着效率极高、精确可靠的定向、导航、探测、控制调节、能量转换、信息处理、生物合成、结构力学和流体力学等生物系统，它们可以为现代技术系统提供全新的设计原理。生物界真像是一个装满现成设计蓝图的“技术设计院”，生物自然界高明的设计师。 目前，天空飞的、水中游的、陆上跑的、地里生存的各种生物，从哺乳动物、鸟类、低等的昆虫到植物、微生物以及人类本身，都已经成为人们在科学技术上研究和模拟的对象。飞机设计师、舰艇设计师、空间技术和计算机技术的研究人员、建筑师……总之，各行各业的工程设计人员，都在踊跃向自然界的“设计师”们学习。仿生学的研究成果，正在不断地涌现。 21世纪仿生学将大有用武之地 我们都知道，奶牛吃下去的饲料主要是草，但挤出来的却是雪白雪白的牛奶，而牛奶可以说是营养最全面、最丰富，也最受人们普遍欢迎的天然食品之一。 于是，有的科学家就大胆地进行设想，能不能搞一个“牛奶生产流水线”，模仿奶牛的整个吞食、消化、吸收系统，包括粉碎、搅拌、振荡、消化酶的催化、加温加压、残渣排除以至生物化学溶剂作用下的分子结构的转化等一系列过程，最后达到的效果将是：在这种流水线的一头送进去的是草，而另一头则喷射出白花花的牛奶。这样的流水线该有多奇妙呀！不要认为这只是痴人说梦，从理论和技术角度来讲，这种前景是完全有可能达到的，而这就是所谓“仿生学”的研究目标和任务。 “仿生学”是在本世纪中叶开始进入实质性开发的。当时有的科学家发现蝙蝠实际上没有眼睛，可是它却能快速飞行捕食，而且不会撞击在树干或其他物体上。这是什么道理呢？通过研究，科学家们发现，蝙蝠身体内分别有一个小小的然而十分灵敏的超声波发射器和一个吸收器，它在飞行过程中不断地发射出声波，声波遇到任何障碍物都会立刻折射回来，并被吸收器获取，这个信息马上会反应到蝙蝠的神经中枢，从而指挥它的飞行系统迅即改变飞行方向。我们如果仔细观察一下蝙蝠在暮色苍茫中疾速地飞来转去捕食昆虫的行动轨迹，就能体会到它的声纳系统有多么奇妙了。后来，科学家们模仿蝙蝠体内的这种结构，制造出了多种用途的声纳仪器，可广泛运用于军事、航海、捕鱼、探测等各个方面。 还有一种小甲虫，叫象鼻虫。它的眼睛是复眼，呈半球形，许多小眼排列在曲面上。在飞行中，不同的小眼是在不同的时刻看到外界同一个物体的。象鼻虫根据各个小眼看到同一个物体的时间差以及自身在此期间飞过的距离，可以飞快地“计算”出它相对于地面的飞行速度，它的眼睛是天然速度计。模仿象鼻虫复眼的这种功能原理，人们研制成了一种测量飞机着陆时相对于地面的移动速度仪器——地速计，已经在飞机上普遍使用。这种地速计也可用来测量导弹攻击目标时的相对速度。 大自然中的许多生物各有其千奇百怪的特殊生理功能，如果能把它们广泛运用于人类的机械、仪器和工艺，将能使科学技术和工农业生产出现新的飞跃，因此，不少科学家断言，仿生学在下一个世纪将成为最有前途的新技术学科之一，它将为人类进步作出巨大的不可估量的贡献。 |
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