从结构仿生到生态仿生看仿生学的发展

从结构仿生到生态仿生看仿生学的发展林　雁　(南京师范大学附属实验学校　江苏　210046)

师法自然是中国古代有名的哲学思想,而今科学技术的发展更证明了这一点。1960年,美国科学家斯蒂尔经过长时间的观察研究,创立了仿生学(Bionics)。从此,生物体的精巧结构,成了工程学有意模仿的对象,工程师们向生物学习,创造出众多高性能的器件。进入21世纪,仿生学又朝着系统仿生的方向发展,为人类社会的可持续发展注入了新的活力。

科学家研究发现,生物器官结构之巧妙,能量的节省和工作性能之优越,是人造机器无法相比的。这表明由选择进化磨合积累的功能,最符合大自然的和谐原则与优化原则。

1　蛛丝及贝壳结构的启示

生物器官结构和性能的优越,同生物材料的组织生产方式密切相关。例如,人类生产的防弹纺织材料,要在高温高压的强酸中生成,条件极其苛刻。而一种金色球形网蜘蛛,却能在常温下以水为介质,抽出比人造防弹材料坚韧得多的蛛丝,而且能被生物降解。美国康奈而大学教授杰林斯领导的科学家小组,用核磁共振仪(N BR)拍了几百幅蜘蛛丝腺的照片,同光学显微镜切片进行对照研究,并把资料输入计算机,模拟出一只三维仿真蜘蛛。在电脑中对仿真蜘蛛解剖研究,发现蛛丝蛋白质多聚体从腺体产生后,必须经过一段十分复杂的管道,分子在其中重新排列组合,形成了特殊的三级结构,才有如此的韧性。

一只贝壳具有高级陶瓷的强度,把它从高处跌下一般不会粉碎,如用很大的外力将它搞破,裂口也不象陶瓷那样平展。把贝壳磨成极薄的片子在电子显微镜下观察,能见到贝壳是由一层叠一层的超薄碳酸钙晶片,与十亿分之一米直径的蛋白质分子粘合而成的。这种结构在受压时,碳酸钙晶片可以在蛋白质分子间滑动变形,能像金属一般有延展性,使贝壳具有最大的强度。科学家又研究了甲虫的甲壳,发现它的表皮是由埋在胶质中的蛋白质纤维组成,而且成对地呈螺旋组合重叠,都不对称,具有极大的抗冲击性。生物在组成材料时,是从原子排列成分子,由分子装配成纤维或晶体一类中间成分,再形成各种组织,每一步都有精确的基因控制程序,做到天衣无缝。而人在生产复杂材料时,只是由分子进行化学键的结合,与生物的组合相比,实在是太简单了。

科技人员模仿生物组织材料的方法,用双螺旋的不对称层叠排布石墨与环氧树指,生产出比传统碳纤维强度更好的机翼材料,生产出的机翼既轻、耐冲击又不容易变形,大大提高了飞机的性能。

2　DNA装配与分子机器

据推测,从30亿年前开始,生物就以DNA和RNA 核苷酸的多变排列,调控20种氨基酸原料合成各种蛋白质。从理论上讲,生物可以合成任意长度的蛋白质。但研究的结果表明,肽链误译率相当高。如果是由500个氨基酸组成的蛋白质。每4个这样的蛋白质分子就有一个是错误蛋白,这对于生命来讲是十分危险的。生物体一方面令错误的蛋白质报废,一方面对合成进行控制,使合成的肽链很短,再由多条链(亚基)组合成蛋白质。刚合成的蛋白质是线性的肽链,必须经过修饰程序的加工,折叠成具有多级结构、稳定功能的复合体。生物分子的自组装就是这样既保证了产品的特异性,又使产品维持一定的几何形状。生物学家还了解到,蛋白质分子是一种刚柔互补的分子,脯氨酸的存在增加了蛋白质的刚性,甘氨酸则使蛋白质具有柔性。蛋白质中还有一种异构酶,能根据其它蛋白质的存在而调整自己的结构,进而增强蛋白质的整体功能。

当今兴起的纳米技术,是一种制备纳米材料和纳米级微型机器技术,特别是纳米级组装能生产出提纯分子的纳米泵、分子大小的计算机等纳米器件是制造业的一次大革命。由于加工的部件是一些原子和分子,即使是用电子显微镜进行操作或用激光镊子技术,部件的捕捉与定位装配也是相当困难的。如果仿照细胞生物化学反应的过程来进行纳米级生产,就要容易得多,这就是分子制造领域里的仿生技术,一种高度自动化的按模板进行自组装的技术。模仿DNA指挥合成生物分子过程的纳米仿生,是一种刚提上研究日程的未来技术,即使与当今最先进的制造技术相比,也有很大的超前性,它代表了高新制造的发展方向。

3　梦圆伊甸园的生态仿生

人类的物质生产,从后工业时代到信息时代,创造了巨大的财富,但是这些物质生产均是以消耗地球资源为代价的。在生产过程中,人类只将很少一部分原材料变成产品,大部分原材料当作废物排到地球环境中。就拿新兴的信息产业来说,目前全世界的硅年产量为80万吨,其中仅有少部分变成超净的电子用硅,这其中又只有0.093%做成了芯片,0.4%变成光电池,大部分以废物的形式丢弃。在生产这些芯片中,消耗的30万吨以上的酸碱洗液,也作为废物排到了环境

昆虫性外激素与害虫防治

刘　流　(甘肃省天水师范学院化学化工研究所　741000)

郭红英　(甘肃省天水市秦城区教研室生化组　741000)

摘　要　昆虫性外激素是昆虫间吸引异性进行交尾、繁殖后代的重要化学物质,利用天然的或人工合成的昆虫性诱剂及类似物,可有 效地防治害虫。

关键词　昆虫　性外激素　害虫防治

在自然界,许多昆虫已发展出一种以交换气味为基础的实质性“语言”。这些昆虫有发育很健全的臭腺,它们担任着合成和释放化学物质的任务,这些化学物质被称为外激素(或称信息素),它们由昆虫释放后,一旦被同种的其它成员觉察,就引起一种专一的、特征性的响应。而其中最主要的昆虫外激素是性外激素(或称性信息素,Sexpheromone),它是由同种中的雌性,或少数情况下由雄性释放,以引诱同种成员中的异性昆虫,达到交尾之目的。用人工提取、合成的性外激素或类似物防治害虫时,通常叫昆虫性引诱剂,简称性诱剂。

早在1873年人们就发现了昆虫雌雄之间的引诱现象,直到1959年Butenandt等在经过了20余年的努力之后,最终成功地从50万只雌性处女蚕蛾中分离出12mg性外激素———蚕蛾醇(bombykol)的衍生物,并确定了其结构。实验表明,1×10-12μg

的蚕蛾醇即可使雄性蚕蛾兴奋,它是从昆虫中发现并提取的第一个性外激素。由于昆虫中性外激素含量极少,如鳞翅目昆虫,每个个体的含量约在1×10-4～1×10-2μg之间,要分离出一定的量供结构研究十分困难。但由于科学技术的发展,尤其是高场超导核磁仪器和立体合成选择技术的出现和发展,近20年来,昆虫性外激素的结

中。由于三废的污染已经危及人类的生存,各国政府不得不化大量的钱财来进行治理。但是,治理的结果只是使污染物一级一级转移,不能根本解决系统的环境问题。70年代末,一些科学家提出了清洁生产,通过科学的设计、工艺流程的改造,减少废物的排放,或是达到零排放。这在一定程度上减轻了环境的压力,但却不能从整体上解决全球的环境问题,环境污染成了各国政府和科学家的一块心病。

进入90年代后,一些有创见的科学家提出了“产业生态学”的概念,认为人类的物质生产,必须向大自然生态系统学习,方能做到真实意义上的可持续发展。自然生态系统中的物质和能量,由于食物链、食物网的联系总能充分利用,几乎不能产生废物。初级生产者积累的营养物质,为各级消费者提供充足的食物,分解者把各级消费者的代谢产物和遗体转化为无机盐,供生产者吸收利用。人类的物质生产也应像自然生态系统一样,实现物质的闭路循环,不同的行业之间应该横向共生,为废物找到下一级的“分解者”,建立产业系统的“食物链”或“食物网”,使上一级的排出物成为下一级的生产原料,从而实现物质的再生循环和分层利用。

模仿生态系统的物质循环组织生产,各行业必须选用能再循环的原材料,在生产中要尽量降低能耗和水耗,生产过程应该对人和自然生态系统没有重大的危害;产品的包装必须是能再生的材料,产品的使用做到节能、对环境没有影响;使用后有的部件能重复利用或回收进入再循环。更重要的是,上一个工厂的废弃物应成为与此相关的下游工厂的原材料。许多发达国家正按这种模式建立生态产业园,在产业园里各个工厂形成互利共生的网络,实行物流的闭路循环,使物质能量得到最大程度的利用,实现整个系统的零排放。在这一方面,丹麦的卡伦堡镇是一个典型。该镇将发电厂、炼油厂、生物技术制品厂、塑料板厂、硫酸厂、水泥厂、种植养殖、园艺和居民的供热系统组成一个工农业生态网,使废水、废气、工厂的各种副产品,成了原材料。不但使废物的排放减少到最小,企业间的横向合作还大大节省了开支,全镇每年增收均达1000万美元。目前,全世界有数十个生态产业园在规划建设中。

生态仿生,是宏观生物学给人的启示,是一种更为高级的系统仿生。科学家们认为,人类的环境难题最终会在生态产业园的发展中得到解决。仿生学从结构仿生到生态系统仿生的发展,说明人向大自然的学习是无止境的。演化了几十亿年的大自然,从它的基因库、微观的生命运动至宏观的生态系统,都是人类的老师。