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Nature:仿生学呼唤生物学家

2016/01/29 来源:中国科学报/宗华
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导读
生物灵感和仿生学是从建筑、材料设计到机器人学和工程化组织的应用中对生物学特征或系统的模仿。这股热潮可能因廉价、易用的基因组编辑工具CRISPR-Cas9的出现而得以放大。CRISPR-Cas9极大地展示了改变生物体及其产品的可能性。


研究多种壁虎的脚,将帮助科学家设计出更加丰富多样的干燥黏合剂。图片来源:Paul D Stewart

上世纪40年代末,瑞士工程师George de Mestral在清理狗毛上粘的毛刺后受到启发,发明了维可牢。50年后,热衷于观鸟的日本工程师Eiji Nakatsu设计出一种车头形似翠鸟鸟喙、符合空气动力学特征的高速列车。

过去10年间,对此类生物灵感和仿生学的兴趣陡然增加。生物灵感和仿生学是从建筑、材料设计到机器人学和工程化组织的应用中对生物学特征或系统的模仿。这股热潮可能因廉价、易用的基因组编辑工具CRISPR-Cas9的出现而得以放大。CRISPR-Cas9极大地展示了改变生物体及其产品的可能性。

仿生学在近年来取得的成功包括对形成细胞膜中气孔的蛋白——水通道蛋白分子的模仿以脱盐;转基因桑蚕产生的蛛丝;研发出同光合作用中成分类似的催化剂提高太阳能发电效率。

美国明尼苏达大学生态学、进化和行为学助理教授Emilie Snell-Rood设计了仿生学课程,并且正在利用蝴蝶开发针对健康的仿生学方法。近日,Snell-Rood在《自然》杂志撰文提出,从生物系统中寻找灵感的工程师、化学家和其他人应当同生物学家展开合作。

利用经验

生物灵感将在解决同健康、能源效率和食品安全相关的一系列问题的努力中发挥重要作用。为实现这一前景,探索此类方法的研究人员需要更好地利用生物学家的知识和经验,无论他们是生态学家、微生物学家,还是进化、生物体、细胞或分子领域的专家。

仿生学领域主要涉及到化学家、工程师和材料学家。在过去3个月里发表且被收录在汤森路透“科学网”中关于仿生学的近300项研究中,只有不到8%拥有在生物系工作的作者——可将他们粗略视为“生物学家”。同时,在大多数关于仿生学的论文中,相关的生物多样性受到冷遇。例如,在过去一年间发表的超过80%的仿生学论文中,研究人员只考虑了一个物种,或者仅通过一种宽泛的方式提到了诸如“细胞”或“酶”等某种生物学要素。更重要的是,在探寻多元化过程和系统的所有研究中,有很多相同的“选手”出现:壁虎、蜘蛛和蝴蝶。

目前约有150万个物种得到描述,并且存在约900万个真核生物物种。然而,探究仿生学方法的研究人员只是触及了生物学灵感的表面。不过,来自所有学科分类的生物学家拥有非凡的知识储备,能为探寻自然系统更加丰富的多样性提供指导。此类知识还会帮助引导试验方法。

一方面,对特定有机体生物学现象的理解能为开发特定应用提供灵感。例如,能活到30岁左右(这一数量级远高于相关啮齿类动物)的裸鼢鼠,可能拥有同治疗诸如癌症等年龄相关疾病存在关联的适应性变化。实验的确发现,一种胞外物质使裸鼢鼠的细胞能显著对抗肿瘤。

另一方面,生物学家可将研究人员或许正在试图解决的问题同特定物种、环境或进化条件匹配起来。例如,对支持利他主义演化的一般条件(比如有很高的可能性重复遇到能认出的某个人)的理解,或许可为如何设计建筑物和城市风光以更好地促进人们之间的合作提供见解。

比较研究消除模仿限制

尤其是进化生物学家能帮助仿生学研究人员利用整个物种“世系”,测试关于形式和功能如何同环境存在关联的一般原则。例如,对蜘蛛进行的比较研究表明,蛛丝的不同结构特性随着该物种适应不同环境而出现进化。

与此同时,比较研究暗含的方法还可能消除模仿特定特性时存在的限制。通过进化过程出现的特征,依赖于诸如遗传变异的可用性等种种元素,因此从工程学的视角来看很少是完美的。例如,机器人学工程师不会将盲点包括进视觉系统中。为此,研究人员应当从多个系统中寻找灵感,比如在章鱼中独立进化出来的照相机式眼睛(像人眼一样)就没有盲点。在仿生学中引起兴趣的很多特征,诸如壁虎护趾的干燥黏合或者蝴蝶翅膀绚丽的着色,都独立进化了很多次。这为研究人员提供了方法,以产生某种感兴趣的特征。

最后,生物学家能帮助仿生学研究人员探究使应用更加合理的过程。重现壁虎护趾的干燥黏合或者诸如鲍鱼壳等复合材料的强度非常困难,因为其中涉及的结构性质很复杂。为大规模经济高效地生产此类材料,一些仿生学研究人员转而分析这些结构是如何建造的及其结构本身。例如,对操纵光感兴趣的光子学研究人员已开始尝试理解产生蝴蝶翅膀鳞屑的发育过程。与此同时,定向进化正被用于实验室,以产生来源于已有酶的新生物催化剂。

拥抱团队合作

各种资助来源正在为不切实际的生物学研究和更多应用领域的研究提供支持。诸如由美国国家科学基金会资助的工程研究中心项目等转化研究中心正在建立,以帮助将基础研究和工业界中应用的开发结合在一起。

下面4项举措将促进生物学和仿生学之间出现更多交叉。

首先,教育的改变能鼓励那些崭露头角的仿生学研究人员更多地利用生物学。目前,停止从事仿生学研究的本科生在他们选择的“应用领域”中接受训练,无论是工程学、建筑学,还是化学。这类学生应当被要求参加可能同他们最为相关的生物学领域课程:对于从事化学研究的学生来说,可能是分子生物学;对于从事材料学或建筑学研究的学生来说,可能是有机生物学或进化生物学。

其次,人们需要针对仿生学方法提炼出特定生物学分支基本原则的教科书。现有课本对应用给予了更多关注。

第三,当前还需要“牵线搭桥”,以促进合作。关于仿生学的现有会议,比如生物灵感和基于生物学的化学和材料学国际会议或者受生物学启发的系统和信号处理国际会议,可提供专题讨论会或奖励措施吸引生物学家。速配风格的特别活动能让生物学家和对受生物学启发的应用感兴趣的人们,基于其共同解决一个问题的能力结成搭档。网上“速配”或许也能达到类似目的。

最后,公司可通过诸如“常驻生物学家”等项目,引进接受过广泛培训的进化学和其他分支的生物学家。此类合作将使团队得以探究来自整个生命之树的创新,从而快速追踪到强有力的解决方法。

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