《自然》称仿生学呼唤生物学家
时间:2017-12-07

  仿生学呼唤生物学家“自然”

  研究各种壁虎的脚将有助于科学家设计更丰富,更多样化的干胶粘剂。图片来源:Paul D Stewart

  在二十世纪四十年代末,瑞士工程师乔治·德梅斯特拉尔(George de Mestral)的灵感来源于清理狗毛上的粘性毛刺,并发明了魔术贴(Velcro)。五十年后,热衷于观鸟的日本工程师中津英司(Eiji Nakatsu)设计出了一个看起来像翠鸟喙和空气动力学特征的高速列车。

  在过去的十年中,这种生物启发和仿生学的兴趣急剧增加。生物启发和仿生学是从建筑学,材料设计到机器人和工程应用的生物特征或系统的模仿。 CRISPR-Cas9是一种便宜且易于使用的基因组编辑工具。 CRISPR-Cas9显示改变生物体及其产品的可能性很大。

  近年来仿生学的成功包括模仿形成细胞膜气孔的水通道蛋白分子的脱盐;由转基因蚕生产的蜘蛛丝;并开发与光合作用相似的催化剂以提高太阳能发电的效率。

  美国明尼苏达大学生态学,进化和行为科学助理教授Emilie Snell-Rood设计了仿生学课程,并利用蝴蝶开发了以健康为导向的仿生学方法。 Snell-Rood最近在“自然”杂志上的一篇文章中指出,从生物系统寻找灵感的工程师,化学家和其他人员应该与生物学家合作。

  使用经验

  生物启发将在解决一系列与健康,能源效率和食品安全有关的问题上发挥重要作用。为了做到这一点,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,生物学,细胞或分子专家。

  仿生学主要涉及化学家,工程师和材料科学家。汤森路透科学网络(Thomson Reuters Science Network)最近三个月发表的300多份研究报告中,汤森路透科学网络(Thomson Reuters Science Network)中包含的研究报告中,只有不到8%的作者在生物学系工作,可以粗略地把他们当作生物学家。与此同时,在大多数关于仿生学的论文中,相关的生物多样性是不受欢迎的。例如,过去一年发表的超过80%的仿生学论文中,研究者只考虑了一种物种,或者以广泛的方式提及细胞或酶等生物学元素。更重要的是,在所有研究多元化进程和系统的研究中,许多同样的玩家出现:壁虎,蜘蛛和蝴蝶。

  目前约有150万种物种,约有900万种真核生物。然而,研究仿生学方法的研究人员只是触及了生物学的启发。然而,来自各个学科的生物学家都有一个非同寻常的知识基础,可以引导人们寻找更丰富多样的自然系统。这样的知识也将有助于指导测试方法。

  一方面,对特定生物体的生物学的理解可以为开发特定的应用提供灵感。例如,活到30岁(比相关啮齿类动物高得多)的裸鳃亚目可能具有与治疗与年龄相关的疾病如癌症相关的适应性变化。实验确实发现,细胞外的物质能够显着地使小鼠细胞裸鼠抗肿瘤。

  另一方面,生物学家可以将研究人员试图解决的问题与特定的物种,环境或进化条件相匹配。例如,了解利他主义进化的一般条件(如很有可能会遇到一个可以被重复识别的人),可以提供有关如何设计建筑和城市景观以更好地促进人们合作提供的见解见解。

  消除模仿限制的比较研究

  具体而言,进化生物学家可以帮助仿生学研究人员利用整个物种谱系,并测试关于形式和功能如何与环境相关的一般原则。例如,蜘蛛的比较研究表明蜘蛛丝的不同结构特征随着物种适应不同的环境而演变。

  同时,隐式方法的比较研究也可以消除模仿某些特征的局限性。通过进化过程出现的特征取决于诸如遗传变异的可用性之类的因素,因此从工程角度来看很难完善。例如,机器人工程师不在视觉系统中包含盲点。要做到这一点,研究人员应该从多个系统寻找灵感,例如在没有盲点的章鱼(如人眼)中独立演变的基于相机的眼睛。对仿生学产生兴趣的许多特征,如壁虎脚趾甲的干粘合或蝴蝶翅膀的鲜艳的染色,已经多次独立演变。这为研究人员提供了一种产生感兴趣的方法。

  最后,生物学家可以帮助仿生学研究人员探索使应用程序更加合乎逻辑的过程。由于所涉及的结构的复杂性,复制壁虎脚趾的干结合或复合材料例如鲍鱼壳的强度是非常困难的。为了大规模生产这样的材料,一些仿生研究人员转而分析这些结构是如何构建的以及它们的结构。例如,有意操纵光的光子学研究人员已经开始尝试了解产生蝴蝶形尺度的发展。同时,定向进化正在实验室中使用,以产生来源于现有酶的新的生物催化剂。

  拥抱团队合作

  各种资金来源为更多应用领域的不切实际的生物学研究和研究提供支持。转化研究中心,如国家科学基金会资助的工程研究中心项目正在建立,以帮助工业应用基础研究和发展。

  以下四个举措将促进生物学和仿生学之间的更多交叉施肥。

  首先,教育的变化可以鼓励那些萌芽的仿生学研究人员更多地使用生物学。目前,停止仿生学研究的本科学生在其选定的应用领域接受过培训,无论是工程,建筑还是化学。这些学生应该被要求参加一门生物学课程,这些课程可能与他们最相关:可能是从事化学研究的学生的分子生物学,或者从事材料科学或建筑学研究的学生的有机学习或进化生物学。

  其次,需要一些教科书来完善仿生学特定生物分支的基本原理。现有的教材更加注重应用。

  第三,现在还需要配合,以促进合作。现有的仿生学会议,如生物启发和生物学化学和材料学国际会议,或系统和信号处理国际会议,受到生物学启发,可以提供研讨会或激励措施,以吸引生物学家。一个特殊事件的诱人风格允许生物学家根据他们在一个问题上一起工作的能力,与对生物启发式应用感兴趣的人合作。在线速度也可能实现类似的目标。

  最后,公司可以通过项目,如居民生物学家,向生物学家介绍受过广泛培训的化学品和其他分支机构。这种合作将使团队能够探索来自生命之树的创新,快速追踪强大的解决方案。 (宗华)

  “中国科学”(2016-01-27第3版国际)