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Nature:学科交叉!从生物学到仿生学

2016/04/06 来源:X-MOL编译
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导读
20世纪40年代晚期,瑞士工程师George de Mestral从爱犬身上摘除刺球儿时,受到启发,发明了尼龙扣。五十年后,经常观察鸟类活动的日本工程师Eiji Nakatsu设计了一种车头像鸟喙一样的高速列车。


20世纪40年代晚期,瑞士工程师George de Mestral从爱犬身上摘除刺球儿时,受到启发,发明了尼龙扣。五十年后,经常观察鸟类活动的日本工程师Eiji Nakatsu设计了一种车头像鸟喙一样的高速列车。


养过好多狗,我咋没想到发明尼龙扣?

过去的几十年里,人们对从生物获得灵感以及仿生学产生了浓厚的兴趣,模仿生物的特征或器官而诞生的发明,在建筑设计、材料设计甚至机器人学中都有广泛的应用(Bhushan, B. Phil. Trans. R. Soc. A 367, 1445–1486 (2009). Wegst, U. G. K. et al. Nature Mater. 14, 23–36 (2015).)。对仿生学的澎湃热情还产生了简便易用的基因编辑工具CRISPR-Cas9,它为改造生命体打开了一扇门。


基因编辑利器CRISPR-Cas9

除此之外,仿生学新近取得的巨大成就还包括模拟细胞膜水通道蛋白制造脱水薄膜;用转基因蚕制造强度和弹性都非常好的蜘蛛丝 (Teulé, F. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109, 923–928 (2012).) ;发展新的光合成催化剂以提高太阳能电池的效率(Kurz, P. in Solar Energy for Fuels (eds Tüysüz, H. & Chan, C. K.) 49–72 (2016).)。

从生物获得灵感在解决健康、能源效率、食品安全等问题中占据重要地位。为了实现这一点,研究人员必须更好地利用生物学家的知识,不管是生态学家、微生物学家还是生化学家,也不论是演化层面、组织层面、细胞层面,还是分子层面。

仿生学领域活跃的大多是化学家、工程学家和材料科学家。过去3个月间Thomson Reuters Web of Science共收录了大约300篇仿生学论文,其中只有8%不到的文章有来自生物学系的作者(以此粗略的代表生物学家)。在大多数仿生学论文中,涉及的生物种类都很单调。以去年发表的论文为例,超过80%的论文只涉及一个物种或只是常规地应用了生物学中细胞、酶等概念,毫无新意。即便是研究新过程新系统的文章,壁虎、蜘蛛和蝴蝶也往往是主角。


过去十年间仿生学论文数量飞速增长,但大多来自化学、材料学和工程学的贡献,细胞及分子生物学贡献甚微

地球上已发现物种有150万,可能一共存在900万种生物,仿生学研究可能还停留在模仿生物行为的浅层次。受过正规训练的生物学家拥有丰富的专业知识,能为自然系统的多样性及实验提供指导。

理解一种特定生物的特性能带来特殊的应用。例如,裸鼹鼠的寿命长达30年,远超过其他啮齿类动物,它可能具有对抗年龄相关疾病(如癌症)的能力。确实如此,已经有实验证明裸鼹鼠体内有一种胞外物质能使细胞免于癌变(Tian, X. et al. Nature 499, 346–349 (2013).) 。


裸鼹鼠是一种丑陋的穴居啮齿类动物,但其抗癌能力令科学家着迷

另一方面,生物学家能够帮助研究者将手头的问题与特定的物种、环境或进化条件相匹配。例如,理解利他主义进化的一般条件,如高概率地重复遇到同类,或许能为建筑师和城市规划者提供借鉴,促进人们之间的合作。

特别是进化生物学家,他们能帮助仿生学研究者使用物种的进化链,来测试环境相关理论的形成与功能。例如,不同结构特征的蜘蛛丝的形成就与环境有关(Swanson, B. O. et al. Evolution 60, 2539–2551 (2006).) 。

比较研究还能发现复制某物种的局限性。通过进化兴盛的物种肯定有诸多成功因素,如有利的遗传变异。但从工程角度看,它们都不是完美的,一个机器人工程师绝不会允许视觉系统中出现盲点。因此研究者必须从多个系统中汲取灵感;镜头式的眼睛(人的眼睛那样)在章鱼身上已经进化得360度无死角。很多仿生学的成果,不论是模仿壁虎脚掌的固体粘合剂还是蝴蝶翅膀一样的颜色,都改进了无数次。

最后,生物学家能协助仿生学研究者,使方案更可行。完全复制壁虎脚掌或鲍鱼壳材料非常困难。要想经济地制造这些材料,仿生学除了研究结构,还要研究结构产生的条件。例如,光学研究者对怎样利用光有兴趣,他们努力研究蝴蝶翅膀的鳞片是如何产生的,以制造出相似结构的光学材料(Saranathan, V. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA107, 11676–11681 (2010).) 。实验室中还使用定向进化技术,从一个已知的起始酶出发,寻找新的生物催化剂(Otten, L. G. & Quax, W. J. Biomol. Eng. 22, 1–9 (2005).) 。

如今,各种基金都很支持新颖的生物学研究以及应用。美国国家科学基金资助的工程研究中心等转化研究机构将致力于把基础研究与工业应用联系起来(Bozeman, B. & Boardman, C. J. Technol. Transfer 29, 365–375 (2004).) 。

以下四点将促进生物学与仿生学的交叉:

1、改变教育方式将促进仿生学研究者具备更多生物学知识。目前,将来会从事仿生学工作的大学毕业生大多选择应用型专业,如工程、建筑或化学。这些学生应该上一些生物学方面的课程,化学专业的学生需要学分子生物学,建筑或材料学专业的学生需要学进化生物学。

2、我们需要编写涵盖生物学基本概念的教材,而不是仅仅着眼于应用。

3、增加跨学科合作机会。为了增加生物学家与仿生学研究者合作的机会,我们应该召开国际会议,让有兴趣的生物学家加入进来。

4、相关企业应当雇用更多生物学家。团队合作是仿生学研究取得成功的捷径。

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