仿生学仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技
昆虫与仿生
彩万志
（中国农业大学昆虫学系）
仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。自从人类诞生就开始了仿生活动，但仿生学作为一门学科是1960年6月在美国召开的一个学术会议上提出的，它是一个涉及生物学、数学、物理学、化学、神经学、自动化、控制论等多学科的综合性边缘学科。其实质就是模仿生物制造各类设备。因此，首次仿生学会议的副标题就是“生物原型---新技术的钥匙”。
全球昆虫种类1000万种、占全球生物种类的1/2、占全球动物种类的2/3。在漫长的生物进化史中，鼎盛一时的三叶虫灭绝了，庞大的恐龙消失了……而小小的昆虫却一直繁荣至今。除了昆虫具有惊人的繁殖能力、适应能力外，它们在形态、生理、行为等方面具有很多绝妙之处。有很多地方连人类也自叹不如，如螳螂能够在0.05秒内一跃而起，捕捉到空中飞行的猎物，这一速度连目前的微电子和自动化技术都达不到。所有这些独到之点，都是仿生学的丰富资源。
昆虫的形态千姿百态，千差万别，从头到尾，从里到外，与仿生学相关之处甚多，大体有以下五个方面。
(1)昆虫的头部与仿生昆虫的触角与各式各样的天线、昆虫的复眼与蝇眼相机、虫眼导弹、地对空速度仪、空对地速度计、偏振光导航仪等。
(2)昆虫的胸部与仿生翅的花纹与军事伪装、鳞片与计算机散然装置、鳞片结构与卫星控温、鳞片结构与防伪纸币、翅痣与飞机的减震装置、平衡棒与振动陀螺仪等。
(3)昆虫的腹部与仿生蝗虫的产卵器和钻井装置、腹节的构造与套筒装置、腺体系统与火箭设计等。
(4)昆虫的生理与仿生几丁质与仿生材料、弹性素与弹跳鞋、肌肉发动机和燃料电池、昆虫的泌丝与人造纤维等。
(5)昆虫的行为与仿生昆虫的飞行与虫形飞机、昆虫的巢穴与建筑、蜜蜂巢房的结构与仿生、昆虫的发音与仿生、昆虫的发光与仿生、昆虫的化学通讯与仿生、毛虫的行走与战地
越野车、尺蠖的行走与新型坦克、蜜蜂的访花与电子蜜蜂等。
此处，仅以翅的结构、飞行动力学为例简单介绍一下虫型飞机方面的仿生学进展。
一、虫型飞机的概念
昆虫是动物界中最早获得飞行能力的类群，也是无脊椎动物中惟一具翅的类群，其高超的飞行技巧时常使自认为万物之灵的人们愧叹弗如。吴承恩笔下的齐天大圣孙悟空会七十二般变化，一个筋斗能翻十万八千里，腾云驾雾、上天入地，好不自在！但在吴大师的心目中，孙悟空显然不如蝴蝶那么潇洒，在描述孙悟空所变的蝴蝶时，他这样写道：“一双粉翅，两道银须。乘风飞去急，映日舞来徐。渡水过墙能疾俏，偷香弄絮甚欢娱。体轻偏爱鲜花味，雅态芳情任卷舒。”从这些描写中，我们不难看到到他对蝴蝶翩翩起舞的羡慕之情。的确，每当春暖花开、万象生烟之际，美丽的蝴蝶双双对对在花间款款飞舞，不免使人顿发希望自己也能像蝴蝶那样自由飞翔的感慨。
人类渴望了上百万年的飞天梦，直到1903年，美国的莱特兄弟成功地进行了动力载人飞行的那一刻才真正成为现实。在此后的100多年中，航空器的大型化、高速化、智能化一直是航空研究领域的主流。但是，20世纪90年代以来，随着微电子、微电子机械系统、微型照相机、微型红外传感器、微型检测器和计算机芯片等技术的飞速发展，飞行器的设计又始出现向小型化、微型化发展的趋势。
虫形飞机是一类特殊的微型飞行器，它不是简单的普通飞机的微型化，而是一类高度集成化的智能机器人。因此，该类飞行器又被称为飞行机器人、机器虫、微机械飞虫、多型电机虫等。按照虫形飞机的权威，美国佐治亚技术研究所RobertMichelson博士等的定义，虫形飞机指用人造肌肉技术制造的能短距离平飞并定位着陆的机器人化微型飞行器。
本文中的虫形飞机是指体积像昆虫一样大小的飞行器，也就是广义的虫形飞机。
微型飞行器的概念，是美国麻省理工学院林肯实验室的研究人员首次提出的。1992年，美国国防部国防高级研究计划属就开始进行这方面的论证工作，并把它们的尺寸规定在15厘米以下，重量10~100克，有效载荷1~18克，巡航速度30~60千米/小时，续航时间20~60分钟，航程大于10千米，最高飞行高度可达150米。这种飞行器具有导航及通信能力，可用手掷或飞机操纵，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，能一次性或多次性使用。近年来，
这方面的研究取得了可喜的成果。2000年7月，美国专利局还为Michelson所发明的多型电机虫注册了专利，这意味着虫形飞机将从实验阶段进入商业化阶段。
二、虫形飞机的用途
虫形飞机具有自主飞行、携带任务载荷执行特定任务、通信及传输信息等基本特征。由于微型飞行器具有体积小、重量轻、隐蔽性好、功能强、携带方便等特点，在军事和民用领域，都具有十分诱人的应用前景。
在军事方面，这些机器虫在空中飞行，不仅肉眼很难发现，就是雷达探测器也很难探测到，即使被“看”到，也可能会误认为是一只普通的昆虫。甚至这种飞行器飞入房间、停在墙上也不会引起人们的注意。所以，虫形飞机能完成一些大型武器所不能完成的任务，如用于街道密集、高楼耸立的城市作战时，对特定目标进行监视、监听和跟踪；像一只蜜蜂钻到敌方的指挥部、情报室内窃听军事机密，收集视觉、化学和生物情报，然后把这些准确的情报送回操作者手中；在倒塌的建筑中寻找幸存者或侦查藏匿在深山中的恐怖分子的动向；也可用于清扫战场、检测有毒化学物品；还可以携带高能炸药引爆弹药库，炸毁坦克、大炮、飞机，甚至飞入设在地下的敌方指挥部，炸死那些正在地图前指挥作战的将领们。这一切都令敌方防不胜防。此外，它们还可以用作雷达干扰器。当虫形飞机飞至雷达附近时，对雷达进行有效的干扰。一些发达国家军方为此投入了大量的人力物力，以期取得战争的主动权。
当然，虫形飞机还可用于野外勘察、环境监测和保护、科学探险、航空摄影等工作。比如，监视和消灭害虫或为农作物授粉、跟踪野生动物群、巡逻牧场、监控道路交通、在高耸的烟囱上测量废气排放量、监测溢出化学物的浓度、监视犯罪团伙等等。不仅如此，虫形飞机在医学上的用途更大。负责研制机器蝇的Fearing博士，曾设想用苍蝇大的虫形机器人进行人体腔内手术；当然也可直接从经口或鼻孔进入胃中，就像《西游记》中的孙悟空变成蝇子进入铁扇公主肚子里那样。有的科学家甚至建议，将虫形飞机“派往”龙卷风中心，了解龙卷风的成风机制。如果上述设想都能实现的话，那么，虫形飞机将给科学研究和人们的生活带来多么大的方便。
三、虫形飞机的类型
近年来，各国的研究者们设计出多种虫形飞机，根据其结构和飞行原理，大致分为4
类。
1.无翼虫形飞机智能控制的无翼虫形飞机是近年来颇受重视的方向，美国、法国、日本等均有人在研究。
2.固定翼虫形飞机从传统的固定翼虫形飞机演变而来，在目前众多的设计模型中尚占有一定比例。如美国AeroVironment公司的BlackWidow、Sanders公司的MicroStar等。后者曾被美军用于阿富汗战场，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，侦察前方5千米的情况。
3.旋翼虫形飞机从传统的直升飞机演变而来。主要以美国Lutronix公司的Kolibri、斯坦福大学的Mesicopter等为代表。我国上海交通大学薄膜与微细技术实验室主任蔡炳初教授及其合作者研制的双螺旋桨微型飞机即属此类。德国前些年就已研制出只有黄蜂般大的直升机。
4.扑翼式虫形飞机模拟昆虫飞行设计而成。严格地说，只有这类微型飞行器才能称为虫形飞机。1998年初，加利福尼亚大学以Fearing博士为首的实验室，开始研制一种扑翼式虫形飞机叫“机器蝇”，这种虫形飞机只有普通苍蝇大，样子也像苍蝇。这种虫形飞机重约43毫克，直径为5~10毫米。
目前美国国防部国防高级研究计划属有10余项虫形飞机大型研究计划在进行，包括了上述4大类虫形飞机。
四、虫形飞机的研制难点
虫形飞机微型飞行器不同于传统概念上的飞机，它是微电子机械系统集成技术的产物。过去20年的研究表明，开发一种像昆虫一样的飞机绝非易事。在研制方面的困难主要有三大个方面。
1．气动设计关于大型固定翼和直升飞机的设计已是一项比较成熟的技术，但这些方法在用于虫形飞机的设计时均告失败。如果按传统空气动力学计算，昆虫升力远小于昆虫的重力，理论上昆虫不能飞行。显然用以往的常定的、非定常流体力学原理不能解释昆虫的飞行，而用于大型飞机设计的方法也无法应用于虫形飞机的设计，特别是无法用于扑翼型虫形飞机的设计。所以，研究昆虫的功能形态学、飞行动力学一直是近年来各国学者关注的热点。
2．微型动力既能装在微型飞行器内，又要能储备足够的能量，除维持飞行器的飞行外，还能对机载设备提供能源。近年来，西英格兰大学（UniversityoftheWestofEngland）的研究者正在进行一项研究，希望能发明一种方法，让微型飞行器也能像鸟类和蜜蜂那样，靠自己摄取食物来产生能量，以便成为一种新型的、独立工作的机器人。该小组已经研制了一种使用生物燃料电池的机器人。这种机器人是通过微生物燃料细胞提供动力，而微生物燃料细胞能消化死苍蝇及腐烂的苹果等。这样微生物燃料电池就能作为一个“软系统”来加以使用，以驱动虫形飞机。
3．自动控制系统因为这种飞行器与无线电遥控飞机模型完全不同，需要自主飞行。澳大利亚国立大学的一个科研小组在仿生学的基础上，通过对几种昆虫的研究已经研制出虫形飞机，它们有蜻蜓的灵活和敏捷，蜜蜂一样的定位准确。科学家根据蜻蜓、蝇子、蜜蜂等昆虫的复眼构造研制出的电子复眼模型，可以通过测量紫外光和绿光的分布保持水平飞行，从而解决了在火星过于稀薄的大气中平稳飞行的问题。而导航问题的解决则得益于对蜜蜂的研究，火星上没有GPS系统，也没有可以判断方向的磁场，所以地球上常用的导航方法到火星上便失去了作用，而蜜蜂是使用天空中的磁偏振图形、陆地标志、飞行距离相结合来导航的。2003年，这个研究小组研制出了成熟的、有实用价值的导航传感器，2004年，又对这种小型飞机做出了最终测试，并计划让这些虫型飞机在2007年探测火星Marineris峡谷中的岩石结构。
此外尚有机载设备微型化、用于数据传送的电源、飞行稳定性操纵性与控制技术等方面的挑战。
五、昆虫学家的可能贡献
虫形飞机的研制是典型的重大高科技仿生学工程，需要昆虫学、自动化、电子学、力学、机械制造、神经学、控制论等多学科的密切协作。
在昆虫学方面应该系统地研究具翅昆虫不同分类阶元(目、亚目或总科级)代表种翅的结构、类型，测量各代表种体的长宽、体干重、活体重、翅的长宽及面积、革片长度、厚度与面积，分析各被测数据的相关性；解剖翅运动相关肌肉与神经系统的拓扑形态，分析期能量供应机制；测定和观察各代表种在自由飞行及吊飞情况下的翅振频率、翅振幅度、翅面扭转
及运动状态；测量各代表种体的飞行距离、飞行时间和飞行速度等。
昆虫飞行远比我们从外表所看到的复杂得多。科学家们对昆虫飞行的空气动力学的研究表明，昆虫飞行时并不是无规则地随意摆动其双翅，而是每次振翅都力求获得空气动力学上的最佳效率。如郡王蝶在飞行中不时地故意扇动翅膀造成涡流，以达到增加额外浮力的目的。在高速摄像机的帮助下，研究者发现了蝴蝶上下翻飞、旋转翅膀、在空中保持不动等6种不同的模式；在效率方面，蝴蝶翅膀产生的浮力至少是目前最先进的飞机的10倍。
能飞之昆虫种类繁多，翅的类型不一，飞行时起主要作用的翅情况各异，因此系统地研究翅的功能形态与飞行的关系非常必要。譬如，仅昆虫的个体间大小差别就很大。现生的最大的蛾子是产于中、南美洲的强喙夜蛾Thysaniaagrippina，其翅展可近达320毫米，亚力山大凤蝶Ornithopteraalexandrae的翅展可达300毫米；产于我国南部的乌桕大蚕蛾Attacusatlas的翅展可达300毫米，身体最粗壮粪蜣身体的直径可达50毫米，巨犀金龟Dynasteshercules的体长达180毫米。而最小的一些寄生性的膜翅目昆虫成虫的体长在0.2毫米以下；不同大小的昆虫飞行时空气动力学状态会有一定变化。另外，有些昆虫用两对翅飞，有的用一对前翅或一对后翅飞；有的白天飞，有的夜里飞；有的在飞行中捕食，有的在飞行中交尾；有的能倒飞，有的能悬飞。深入研究各类具有飞行能力昆虫的空气动力学机制，能为虫型飞机的研制提供必要的科学依据。
国际上的科学家、战略思想家和未来学家们认为：“五种常常重叠的技术最有可能在今后15-20年使军队发生革命性的变化。这五种技术为：机器人技术、先进的动力与推进技术、微型化技术、移动和自适应数字网络、飞速发展的生物科学。”仿生虫形飞机的研制正属这一范围。我国科学家始终注意虫型飞行器的发展动态，并开始这方面的基础和应用研究工作。但总体而言，我国在这方面的研究与国外相比尚有一定差距，尤其是实践方面更是如此。我们只有面对这些挑战，采取科学求实的态度解决这些问题，才能最终实现我国虫形飞机研制的跨越式发展。我们有理由相信，随着人们对昆虫飞行技巧的了解，制造像昆虫那样自由飞翔的虫形飞机将来一定成为现实。
分子生物学与基因工程原理
分子生物学与基因工程原理复习资料 一、名词解释 1. 分子生物学:是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学；是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。 2. 染色体：是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。 3. DNA 多态性：是指DNA 序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包 括单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism , SNP)和串联重复序列多态性 ( tandem repeats polymorphism )两类。 4. DNA 的半保留复制：DNA 复制过程中，由亲代DNA 生成子代DNA 时，每个新形成的子代DNA 中，一条链来自亲代DNA ，另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。 5. 冈崎片段：在DNA 复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成5 3 的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。 6.SNP：single nucleotide polymorphism ，单核苷酸多样性，是基因组DNA 序列中单个核苷酸的突变引起的多态性。 7. “基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA 所必需的全部核甘酸序列。 8. 获得性遗传：是有机体在生长发育过程中由于环境的影响而不是基因突变所形成的新的遗传性状。 9. DNA 甲基化：是基因的表观修饰方式之一，指生物体在(DNA methyltransferase ，DNMT)的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，将甲基转移到特定的碱基上的过程。 10. CDNA文库：以mRNA为模板，经反转录酶催化，体外合成cDNA，与适当的载体 (常用噬菌体或质粒载体)连接后转化受体菌，则每个细菌含有一段cDNA，并能繁殖 扩增。这样包含着细胞全部mRNA 信息的cDNA 克隆集合称为该组织细胞cDNA 文库。11. 基因组：是指一个细胞或者生物体所携带的全部遗传信息。生物个体的所有细胞的基因组是固定的。 12. 蛋白质组学：指在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。 13. 转录组：广义上指某一生理条件或环境下，一个细胞、组织或生物体内所有转录产 物的总和，包括信使RNA、核糖体RNA、转运RNA及非编码RNA ;狭义上指细胞中转录出来的所有mRNA 的总和。 14. 基因定点突变技术：通过改变基因特定位点核苷酸序列来改变所编码的氨基酸序列的一
仿生学内容
1、鸟在天空飞翔：制造了各种飞行器。 2、蜜蜂造巢窝：各种正六边形的蜂巢结构板材。 3、每只蜻蜓的翅膀末端，都有一块比周围略重一些的厚斑点，这就是防止翅膀颤抖的关键。飞机设计师研究苍蝇、蚊子、蜜蜂等的飞行方法，造出了许多具有各种优良性能的新式飞机。4鲸：外形是一种极为理想的“流线体”，而“流线体”在水中受到的阻力是最小的。后来工程师模仿（fǎng）鲸的形体，改进了船体的设计，大大提高了轮船舴的速度。 5、蛋壳：能够把受到的压力均匀（yún）地分散到蛋壳的各个部分。建筑师根据这种“薄壳结构”的特点，设计出许多既轻便又省料的建筑物。 6、6、袋鼠：会跳跃的越野汽车， 7、7、贝壳：外壳坚固的坦克……鱼儿在水中游荡：学会了游泳，发明潜艇。 8、8、连体鲨鱼装：第一代鲨鱼装模仿了鲨鱼的皮肤，在泳衣上设计了一些粗糙的齿状突起，以有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4%。 9、9、大乌背小乌龟：转动炮塔的坦克。 10、10、让盲者见到光明：在植入了微小的仿生视网膜之后，3位失明患者不仅看到了明灭或者移动的光点，甚至还成功地用眼睛区别出杯子和盘子。 11、人工合成蛛丝：蛛丝含有一种纤维蛋白，这种蛋白质和存在于毛发和羊角中的角质蛋白相似。这种蛋白分泌出来后开始变得坚韧。通过精细的平衡水的含量，蜘蛛和蚕可以防止纤维蛋白过快固化。 12、蜻蜓-飞机； 13、青蛙—快速扫描系统 14、苍蝇-气味探测器
15、螳螂—镰刀电鱼与伏特电池。经过对电鱼的解剖研究，发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。 16、水母耳朵：水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。 16、动物仿生学 17、生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。 18、响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。 19、火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。 20、科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装备。 21、科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。 22、白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆，还可以通过头部的小管向敌人喷射胶粘剂。于是人们按照同样的原理制造了工作的武器—一块干胶炮弹。 23、美国空军通过毒蛇的“热眼”功能，研究开发出了微型热传感器。 24、我国纺织科技人员利用仿生学原理，借鉴陆地动物的皮毛结构，设计出一种KEG保温面料，并具有防风和导湿的功能。 25、根据响尾蛇的颊窝能感觉到0.001℃的温度变化的原理，人类发明了跟踪追击的响尾蛇导弹。 26、人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯。 27、人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”。 28、科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领制成了世界上第一批防毒面具。
分子生态学的原理和方法
分子生态学的原理和方法 1分子生态学使生态学的实验研究进入分子水平 生物与环境之间的相互经，是地球上的生命出现以来就普遍存在的一种自然现象。但生态学自1866年诞生以来，人类对其规律性的认识则经历了一个由浅入深，由片面到全面的较长历史过程。表现在方法上，从逐渐摆脱直接观察的“猜测思辨法”，到野外定性描述的“经验归纳法”，再到野外定位定量测试与室内实验相结合的“系统综合法”。上述方法虽然有力地推动生态学取得了长足发展，但其研究视野仍局限在宏观水平上，因而表现出外貌或形态相同的生命有机体，由于所处的环境条件不同，其生理功能也不相同；亲代外貌、形态和生理功能相同的生命有机体，子代却由于所处的环境条件不同而产生新的变异，因此，宏观生态现象的多样性需要用微观的室内实验分析来揭示其生态本质的一致性也就成为生态学宏观与微观相结合发展的必然趋势。分子生物学原理和技术应用于生态学研究而形成的生态学新的分支科学――分子生态学，使生态学的实验研究一跃进入分子水平。 分子生态学的兴趣，首先建立在组成生命有机体的基本物质――核酸和蛋白质等生物大分子以及环境对这些基本物质的影响上。生命有机体遗传信息的携带者是核酸。遗传信息通过DNA分子半保留复制而代代相传。遗传信息由DNA到RAN再到多肽链合成蛋白质的过程称之为中心法则。合成的蛋白质作为一切生命活动的承担者，实现了生命有机体新陈代谢，生长发育以及对外界环境变化的反应，并调控着信息的传递和表达。虽然糖类不像核酸直接参与生命现象的延续，也不像蛋白质那样直接承担生命活动的体现，但它与分子之间的相互识别有密切的关系，因而在生命有机体信息传递中发挥着重要作用（邹承鲁，1996）。 携带蛋白质所需信息的DNA片段称为基因（gene），它是DNA上决定生命有机体外部形态、内部结构和生理功能的基本单位，按功能分为可被转录形成mDNA，进而转译成多肽，构成各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶和激素等的结构基因以及可调节控制结构基因表达的基因的调节基因。基因由丹麦遗传学家Johansen W于1909年提出以称谓“孟德尔因子”或孟德尔自己使用的“性状单位（Character unit）”或“单位因子（Unit factor）”，而现代定义则为“遗传信息的结构和功能单位”。每个DNA分子含有很多因基因，基因的复制过程就是4种碱基按A配T，G配C的互补配对原则进行。因DNA分子是由两条多核苷酸组成双螺旋结构，故复制时，DNA 在酶的催化作用下，原来的两条链先解旋成单链，然后各条链以自己为模板，配成相应的新链。这样，1个母DNA分子便复制成两个完全相像的分子，它说明了为什么子代和亲代想像的道理，即遗传的实质是碱基序列的复制过程。 基因最重要的特征是其从亲代到子代相似的复制能力，以保证生命有机体遗传的稳定性。然而，如果遗传信息始终不变，就不可能有新的生命有机体类型的产生。事实上，地球上生物多样性的存在已充分证明了遗传信息携带者的基因具有变化的特征，即基因突变（Mutation）。所有发生在基因的DNA序列中是由碱基替代（Base substitution）、碱基插入（Base insertion）和碱基缺失（Base deletion）等改变引起的，可以通过复制而遗传的任何持续性改变改变都叫基因突变，它可发生在生殖细胞，也可发生在体细胞。其中，碱基数量的变化是基因突变的一个重要原因。因为在不同的生命有机体类型之间，碱基的数量是不同的，DNA以其加倍的4个符号，可以编译成的MM蓝本是无限的，说明基因突变是无限的。其次，碱基的内容不同，也会导致基因突变，如ACA和UCA，虽只一个碱基之差，但含义是不同的。另外，碱基排列次序的变化，也是导致基因突变的一个，如UCA和CUA，CGG和GGC，他们的碱基完全相同，只是排列次序不同，因而其含义也不同。 基因是遗传信息的携带者，而生命活动的执行者却是蛋白质，即基因表达的产物。然而，生命有机体中的基因并非同时全部表达，其表达程度也各不相同。只有按一定的表达模式表达的基因，才能使遗传信息与生命活动之间建立直接的联系。因此，真正执行生命活动的蛋白质是在基因调控下不断变化的（王志珍，邹承鲁，2000）。此外，蛋白质分子，除有以氨基酸组成的并有一定顺序的肽链结构外，还具有肽链在空间的卷曲折叠而形成的三维空间结构，也只有处在这种特定的三维结构中的蛋白质分子，才能真正发挥生物功能。因此，即使肽链的氨基酸序列不变，只要空间结构被破坏，就会导致蛋白质功能的丧失。 分子生物学在其迅速发展中起来越深刻地认识到基因与环境的相互作用是产生基因突变和基因多态的源泉。因此，分子生物学对分子生态学最本质的贡献是阐明了外界环境对以中心法则为基础的基因突变，基因表达和蛋白质活性施以深刻的影响，因此生命有机体随着外界环境和内部生理状态的不同而表现出不同的基因突变、基因表达和蛋白质活性差异，且这种差异存在着严格的时空特异性。依据
仿生学发展过程的分析_刘福林
仿生学发展过程的分析 刘福林 (商丘师范学院生命科学系,河南商丘476000) 摘要 仿生学在科学创新中具有重要作用,国内外学者对此进行了大量研究。在回顾分析仿生学重大事件的基础上,提出了仿生学经历了4个发展时期:萌芽时期、建立时期、巩固时期与现代时期,指出了仿生学的重大贡献是源头创新的研究理念与方法,并能在未来的所有领域内应用、取得突破性研究成果。 关键词 仿生学;重大事件;发展时期;研究方法 中图分类号 Q811 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2007)15-04404-02 A na lysis of the Developm ent P ro gress o f Bio nics LIU Fu-lin (Depart ment of Life Scien ce,S hangq iu Normal College,Shangqiu,Henan476000) A bstract The research on the bionics is imp ortan t in science innovation all over the word.In the article four devel op ment periods of b ionics includ in g bu ddin g,b uild ing,strengthen and modern were reviewed.The i mportant contribution of bionics to research idea and means of resource in novation was pointed out,which may be ap plied in all fiel ds in future for unpreced ented res earch results. Key w ords B ion ics;Great event;Devel op ment period;Research means 仿生学的诞生与发展过程分为4个时期:仿生学萌芽时期;仿生学建立时期;仿生学巩固时期;现代仿生学时期。 1 仿生学的萌芽时期(远古时代至1940年) 在人类文明的早期,为了生存,人类不得不对其赖以饱腹的动植物的生活习性以及周围世界的各种自然现象进行观察。因此,从远古时代起,人们实际上就已在从事仿生学工作。例如,相传春秋战国时代(公元前450～500年),鲁班上山伐木途中,手指为茅草划破,从而受到启发,经反复实践,终于制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯[1]。2300多年前墨子和他的300弟子,花了3年时间,造成一只“会飞的木鸟”,同时间希腊人阿奇太也制成一只“机械鸽子”。自古就有许多中外人士模仿鸟类飞行试制飞行器,但都不成功,原因在于不了解鸟类的形态构造和生理机能适于飞行的科学原理;又不了解人不具备飞行的生理条件,人要上天,必须依靠机械动力才有可能。1903年12月17日,美国人莱特兄弟飞机飞行的成功便是一例。另外,1884年,人们受到蚕食桑叶吐丝的启迪,利用硝酸液处理棉绒,制成硝酸纤维素,由法国化学家德贝尔尼戈·夏尔多内首次成功地将硝酸纤维素制成硝酸纤维。同年,英国人查尔斯·克劳斯(Charles·F·Cr oss)和爱德华·贝文(Edwa rd·J·Be van)申请了第1个醋酸纤维制造方法的专利,这两种纤维的问世是仿生学运用的成果。但这些发明和尝试,在人类文明史上犹如点点星火,一闪而灭,始终未能形成一门独立的学科[2]。总之,20世纪40年代前,人们对于生物体与机器之间有无共同之处,还缺乏明确认识,还不具备将二者进行类比的必要的基础知识。工程技术人员还不了解生物系统可成为各种技术思想、设计原理以及发明创造的源泉,生物学家也只局限于研究和描述生物结构的精巧、功能的神奇。因此,从远古到1940年属于仿生学的萌芽时期。该时期,人类的各种仿生现象与成果不断涌现,为这门科学的诞生积蓄了实践经验与感性认识。 2 仿生学的建立时期(1940～1960年) 20世纪40年代,工程技术领域中出现了调节理论,人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比,认识到二者具有 作者简介 刘福林(1965-),男,河南商丘人,副教授,从事管理仿生学研究。 收稿日期 2007-02-28自动调节系统。1944年,一些科学家已经明确机器与动物在自动控制、通信和统计动力学等一系列问题上是统一的,具有共同之处。同一个时期,美国的一位年轻工程师申农(C. Sha nnon)提议建立了一门叫作“信息论”的科学。从此,开展了大量关于信息传递与处理的研究工作,深刻认识到一切通信与控制系统所共有的特点。对许多研究工作得到的结果进行理论概括,并将技术控制系统的控制机理与现代生物科学所发现的动物体中的某些控制机理进行类比,又逐渐形成了一门新的科学“控制论”。1949年,控制论创始人、美国科学家维纳(N.Wie ner)出版了《控制论》一书,对这一学科的思想和概念等作了比较全面的论述。维纳着重指出,控制论是研究机器和生物体中控制与通信的科学。科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来,成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁,奠定了生物与机器在控制与通信上进行类比的科学理论基础。随着这两门学科的结合与渗透,人类就为自已找到了一条新的技术发展道路———向生物界索取设计蓝图,并于1960年9月诞生了一门新的交叉科学———仿生学。1960年9月13～15日,在美国俄亥俄州达顿城(Da yto n)的一个空军基地,召开了美国第一届仿生学讨论会。在20世纪50年代已成为一门独立学科的“仿生学”,在这次会议上被正式命名。一位专长于精神病学和神经学、又受过数学和电子学训练的美国军医J.E.斯蒂尔(Jac k Ellwo od Steel)博士,给这门新诞生的科学分支起了一个名字叫做bionics(仿生学)。斯蒂尔博士给它下了这样一个定义:“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学”,简单一句话,仿生学就是“模仿生物的科学”[3]。因此,从1940～1960年属于仿生学的建立时期。 该时期,人类在仿生学研究中的最大贡献是建立了仿生学理论。从实质上看,仿生学的诞生带给人类的是创新的理念与方法,即向生命系统学习的理念,模拟生命系统的方法。使人类从一个崭新的视角透视世界,发现前人未发现的事物,实现科学技术的原始创新,这是其他科学无法比拟的优势。 “提出模型,进行模拟,这就是仿生学的基本研究方 安徽农业科学,J ou rn al of An hui Agri.Sci.2007,35(15):4404-4405,4408 责任编辑 罗芸 责任校对 李洪
仿生学论文综述
仿生学论文 10级生物科学 1009210117 张荣华
摘要 自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强化了自身许多优异的结构和特殊功能。人们模仿生物界的这些结构特征,将它们应用于自身的斗争,即军事斗争中。利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学。解决在日常的生产生活中遇到的问题，制造多种探测、斗争武器。 关键词：生物结构特殊功能实践运用军事
一.仿生学简介 仿生学（bionices）在具有生命之意的希腊语言bion上，加上有工程技术涵义的ices而组成的词语。大约从1960年才开始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。 1.历史由来自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使 它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。劳动创造了人类。人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中，促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此，人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领。 鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。 2.研究方法仿生学是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号，把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含
仿生学的例子
仿生学的例子 1。由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。 2。从萤火虫到人工冷光； 3。电鱼与伏特电池； 4。水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。 5。人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。 电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。 6。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。 7。模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。 8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。 9。现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。 10。屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。 11。船桨模仿的是鱼的鳍。 12。锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。 13。苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。 14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。 15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。 16。贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。 好运 生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。 响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。 火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。 科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装备。 科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。
分子生物学原理教案
分子生物学原理教案 课程代码356.237.1 前言 根据教学大纲要求，按基础医学专业的教学进度安排(总学时46学时)，由本系主讲教师共同制订本教案，以供教师备课、讲课、复习指导参考。 核酸的结构与功能 教学要求： 1．掌握核苷酸的分子结构，了解连接键及分子表达式 2．重点掌握DNA、RNA的结构特征及主要功能 3．了解DNA的理化性质与结构的关系 4．了解DNA的高级结构 课时安排：总学时4.0 第一节核酸的化学组成及一级结构1.0 第二节DNA的空间结构与功能1.0 第三节RNA的结构和功能1.0 第四节核酸的理化性质0.8 第五节核酸酶0.2 重点： 1．核酸的化学组成 2．DNA的双螺旋结构 3．RNA的结构和功能
4．核酸的理化性质 难点： 1．DNA的双螺旋结构 2．核酸的理化性质 教学内容： 一、核酸的化学组成及一级结构 1．核苷酸嘌呤与嘧啶，DNA和RNA分子中核苷酸组成上的特点，核苷酸各组分之间的连接方式 2．脱氧核苷酸的连接 3．核苷酸的连接 4．核酸的一级结构 二、DNA的空间结构与功能 1．DNA的双螺旋结构Chargaff规则、B-双螺旋结构模型和Z-DNA。 2．DNA的超螺旋结构染色质、核小体、组蛋白、基因 3．DNA是遗传信息的物质基础 三、RNA的结构和功能 1．mRNA模板、hnRNA 2．tRNA稀有碱基、茎环结构、反密码环 3．rRNA核糖体、多核糖体 四、核酸的理化性质 紫外吸收、变性、复性、增色效应、减色效应、解链温度、杂交、探针。
五、核酸酶 中、英文专业词汇： nucleic acid核酸 purine嘌呤 deoxyribonucleic acid(DNA)脱氧核糖核酸pyrimidine嘧啶 ribonucleic acid(RNA)核糖核酸 adenine(A)腺嘌呤 base碱基 guanine(G)鸟嘌呤 nudeotide核苷酸 cytosine(C)胞嘧啶 nucleoside核苷 uracil(U)尿嘧啶 thymine(T)胸腺嘧啶 base pair碱基对 phosphodiester linkage磷酸二酯键nucleosome核小体 ribosome核糖体 hybridization杂交 genetic code遗传密码
8条飞机设计中的仿生学原理
8条飞机设计中的仿生学原理 天鹅绒、鲨鱼皮与飞机在空气动力学设计上的创新有何相干？在航空学领域，越来越多的新想法都来源于自然界中各种各样的结构、器官和材料。在未来，这些在大自然中经过无数次尝试与检验洗礼的设计仍将成为激发我们创意的巨大源泉。 天鹅绒、鲨鱼皮与飞机在空气动力学设计上的创新有何相干？有一个专门的学科可以给你答案。此学科致力于从大自然中汲取灵感并效法自然。它就是“仿生学”。其设计灵感皆源于自然。仿生学家通过研究和模仿自然界中最优秀的创意来解决人类遇到的种种问题。在航空学领域，越来越多的新想法都来源于自然界中各种各样的结构、器官和材料。在未来，这些在大自然中经过无数次尝试与检验洗礼的设计仍将成为激发我们创意的巨大源泉。 【荷花效应】 在现在的进化阶段，荷叶表面的角质可以使其表面的雨水滚落并带走污浊以保持自身的清洁与干燥。这就是“荷花效应(the Lotus Effect)”。荷叶的这种特性激发了人们在机舱设备涂层设计上的灵感。这种涂层可以使水分以滚珠的形式流走并同时去除污物。这样就提高了飞机的清洁度，同时还能省水，减重，降耗并减
少碳排放。此灵感已经在空客飞机上的卫生间得到了应用。在未来，座位和地毯的材料也很可能被这样设计。 【可移动的机翼表面】 海鸟可以通过喙部察觉出空气中的阵风荷载量(Gust Load)，并通过调节翅膀的形状抑制升力。新型的空客A350 XWB在机头的探测器就可以检测风力并利用其可移动的机翼表面提高飞行效率。此设计可以进一步节能减排。 【来自老鹰的翼尖帆设计灵感】 对于像草原雕这样的大型鸟类，如果其翅膀过长，转向时的半径就会过大，从而使其在飞翔时无法利用热空气柱上升。实际上，鹰的翅膀完美地结合了最大的升力和最小的翅膀长度。它们会将翅尖羽毛向上卷曲，从而形成近乎90°的夹角。这能减小空气中的漩涡，提高飞行效率。若按传统方法设计，A380的翼幅将比国标机场可容纳的距离大出3米。不过，多亏了“翼尖帆(Winglet)[1]”——这种小巧的设计模仿了鹰类向上卷曲的羽毛，A380的翼幅比国标机场限值还少20厘米，却可以为世界上最大的客机提供足够的升力和飞行效率（节能、减排并减
分子生物学技术原理
生物分子类实验室常用实验技术原理汇总 一、GST pull-down实验 基本原理:将靶蛋白-GST融合蛋白亲和固化在谷胱甘肽亲和树脂上,作为与目的蛋白亲和的支撑物,充当一种“诱饵蛋白”,目的蛋白溶液过柱,可从中捕获与之相互作用的“捕获蛋白”(目的蛋白),洗脱结合物后通过SDS-PAGE电泳分析,从而证实两种蛋白间的相互作用或筛选相应的目的蛋白,“诱饵蛋白”和“捕获蛋白”均可通过细胞裂解物、纯化的蛋白、表达系统以及体外转录翻译系统等方法获得。此方法简单易行,操作方便。注：GST即谷胱甘肽巯基转移酶(glutathione S-transferase) 二、足印法（Footprinting） 足印法（Footprinting）是一种用来测定DNA-蛋白质专一性结合的方法，用于检测目的DNA 序列与特定蛋白质的结合，也可展示蛋白质因子同特定DNA片段之间的结合。其原理为：DNA 和蛋白质结合后，DNA与蛋白的结合区域不能被DNase（脱氧核糖核酸酶）分解，在对目的DNA序列进行检测时便出现了一段无DNA序列的空白区(即蛋白质结合区)，从而了解与蛋白质结合部位的核苷酸数目及其核苷酸序列。 三、染色质免疫共沉淀技术（Chromatin Immunoprecipitation，ChIP） 染色质免疫共沉淀技术（Chromatin Immunoprecipitation，ChIP）是研究体内蛋白质与DNA 相互作用的有力工具，利用该技术不仅可以检测体内反式因子与DNA的动态作用，还可以用来研究组蛋白的各种共价修饰以及转录因子与基因表达的关系。 染色质免疫沉淀技术的原理是：在生理状态下把细胞内的DNA与蛋白质交联在一起，通过超声或酶处理将染色质切为小片段后，利用抗原抗体的特异性识别 反应，将与目的蛋白相结合的DNA片段沉淀下来。染色质免疫沉淀技术一般包括细胞固定，染色质断裂，染色质免疫沉淀，交联反应的逆转，DNA的纯化及鉴定。 四、基因芯片（又称 DNA 芯片、生物芯片）技术 基因芯片指将大量探针分子固定于支持物上后与标记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。通俗地说，就是通过微加工技术 ，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针），有规律地排列固定于2cm2 的硅片、玻片等支持物上，构成的一个二维DNA探针阵列，被称为基因芯片。基因芯片主要用于基因检测工作 。 基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法，在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。
仿生学
仿生学的发展历程 摘要： 自古以来，勤劳的人类就在不断地适应和改变这个环境，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。劳动创造了人类，人类也通过劳动创造了美好的现在，不断地劳动促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展，这也使得人类的能力和智慧远远超过生物界的其他类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领，由此诞生了仿生学。仿生产品已经运用到了人类生活的各个方面，极大促进了社会发展。 关键词：仿生，观察，思考，模仿 （一）仿生学的历史由来 地球上存在的亿万种生物，经过千百万年的进化、发展而来，这使得生物体的某些部位具有最可靠、最灵活、最高效、最经济的能力，为人类的效仿提供了无穷尽的资源。其实仿生一直伴随着人类，早在几千年以前勤劳的炎黄子孙就开始了观察，模仿自然界其他生物来制造工具为人类服务。在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木浆，效仿鱼类，极大改进了船只的效能。春秋战国时代(公元前450～500年),鲁班上山伐木,途中手指被茅草划破,他仔细观察叶片上的毛刺，从中得到启发,经反复试验,终于制成了人类史上第一把锯……但是这些模仿在人类
历史上也只是星星点点，运气占很大成分，限于时代科学技术的落后，使得人类无法了解身边生物的形态构造和生理机能，以至于无法形成一门独立的学科。而真正意义上的现代仿生学诞生的标志是1960 年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成Bionics一词，同年在美国俄亥俄州达顿城(Dayton)的一个空军基地召开了全美第一届仿生学讨论会。美国军医Jack Ellwood Steel博士,给这门新兴的学科起了一个名字叫做bionics(仿生学)，并给它下了这样一定义:“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学”,即仿生学就是“模仿生物的科学”[1]。现代仿生学是将通过观察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各种各样的特殊本领模拟、移植到各个工程技术领域中去,为促进人类社会进步发展所用。仿生学需要生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等许多学科的交叉是一门很难划清边界的大学科[2]。 （二）仿生学的现状 仿生学是一门交叉性的学科，涉及物理学，数学，化学，电子学，生物物理学，生理学，心理学，以及通信，计算技术，建筑工程，航天，航海工程及系统科学等。近几十年来，人类的自然科学突飞猛进，尤其在生命、机械、材料和信息等科学快速发展的今天，各种先进的物理试验仪器发明创造出来，为人们更加系统的研究生物的形态性能，生理功能提供了基础。它不仅给人类的带来创新的理念与方法,也使人类从一个全新的角度观察世界,发现前人未发现的事物,实现科学技
仿生学仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技
昆虫与仿生 彩万志 （中国农业大学昆虫学系） 仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。自从人类诞生就开始了仿生活动，但仿生学作为一门学科是1960年6月在美国召开的一个学术会议上提出的，它是一个涉及生物学、数学、物理学、化学、神经学、自动化、控制论等多学科的综合性边缘学科。其实质就是模仿生物制造各类设备。因此，首次仿生学会议的副标题就是“生物原型---新技术的钥匙”。 全球昆虫种类1000万种、占全球生物种类的1/2、占全球动物种类的2/3。在漫长的生物进化史中，鼎盛一时的三叶虫灭绝了，庞大的恐龙消失了……而小小的昆虫却一直繁荣至今。除了昆虫具有惊人的繁殖能力、适应能力外，它们在形态、生理、行为等方面具有很多绝妙之处。有很多地方连人类也自叹不如，如螳螂能够在0.05秒内一跃而起，捕捉到空中飞行的猎物，这一速度连目前的微电子和自动化技术都达不到。所有这些独到之点，都是仿生学的丰富资源。 昆虫的形态千姿百态，千差万别，从头到尾，从里到外，与仿生学相关之处甚多，大体有以下五个方面。 (1) 昆虫的头部与仿生昆虫的触角与各式各样的天线、昆虫的复眼与蝇眼相机、虫眼导弹、地对空速度仪、空对地速度计、偏振光导航仪等。 (2)昆虫的胸部与仿生翅的花纹与军事伪装、鳞片与计算机散然装置、鳞片结构与卫星控温、鳞片结构与防伪纸币、翅痣与飞机的减震装置、平衡棒与振动陀螺仪等。 (3) 昆虫的腹部与仿生蝗虫的产卵器和钻井装置、腹节的构造与套筒装置、腺体系统与火箭设计等。 (4)昆虫的生理与仿生几丁质与仿生材料、弹性素与弹跳鞋、肌肉发动机和燃料电池、昆虫的泌丝与人造纤维等。 (5)昆虫的行为与仿生昆虫的飞行与虫形飞机、昆虫的巢穴与建筑、蜜蜂巢房的结构与仿生、昆虫的发音与仿生、昆虫的发光与仿生、昆虫的化学通讯与仿生、毛虫的行走与战地越野车、尺蠖的行走与新型坦克、蜜蜂的访花与电子蜜蜂等。 此处，仅以翅的结构、飞行动力学为例简单介绍一下虫型飞机方面的仿生学进展。 一、虫型飞机的概念 昆虫是动物界中最早获得飞行能力的类群，也是无脊椎动物中惟一具翅的类群，其高超的飞行技巧时常使自认为万物之灵的人们愧叹弗如。吴承恩笔下的齐天大圣孙悟空会七十二般变化，一个筋斗能翻十万八千里，腾云驾雾、上天入地，好不自在！但在吴大师的心目中，孙悟空显然不如蝴蝶那么潇洒，在描述孙悟空所变的蝴蝶时，他这样写道：“一双粉翅，两道银须。乘风飞去急，映日舞来徐。渡水过墙能疾俏，偷香弄絮甚欢娱。体轻偏爱鲜花味，雅态芳情任卷舒。”从这些描写中，我们不难看到到他对蝴蝶翩翩起舞的羡慕之情。的确，每当春暖花开、万象生烟之际，美丽的蝴蝶双双对对在花间款款飞舞，不免使人顿发希望自己也能像蝴蝶那样自由飞翔的感慨。 人类渴望了上百万年的飞天梦，直到1903 年，美国的莱特兄弟成功地进行了动力载人飞行的那一刻才真正成为现实。在此后的100多年中，航空器的大型化、高速化、智能化一直是航空研究领域的主流。但是，20世纪90年代以来，随着微电子、微电子机械系统、微型照相机、微型红外传感器、微型检测器和计算机芯片等技术的飞速发展，飞行器的设计又始出现向小型化、微型化发展的趋势。
仿生学经典例子
仿生学的经典例子：鱼漂与潜水艇 潜水艇?潜水艇是怎能样发明的呢？为了让一种船既能在水面划，又能在海底游，科学家观察到了鱼这种动物。???鱼肚中有一种东西叫鱼鳔，里面装满了空气。在鱼想潜到水底时，将鱼鳔中的空气排出，浮力就立刻变小了，鱼可自由地沉下水面。而潜水艇中也有一种机器，里面也装满了空气，将空气一排出，潜水艇便能沉下水底。科学家是按这个原理制造的潜水艇。???看，我们如今已经很高级的潜水艇，原来它们是利用鱼鳔原理而做的。?是的，生活中若没有动物，人类将会失去很多发明的机会。可以说，动物对人类生活也有很大的帮助。 仿生学的经典例子：蝙蝠与雷达 蝙蝠会释放出一种超声波，这种声波遇见物体时就会反弹回来，而人类听不见。雷达就是根据蝙蝠的这种特性发明出来的。在各种地方都会用到雷达，例如：飞机、航空等。 仿生学的经典例子：水母的顺风耳 在自然界中，水母，早在5亿多年前，它们就已经在海水里生活了。“但是，水母跟顺风耳又有什么关系呢？”人们肯定会问这样一个问题。因为，水母在风暴来临之前，就会成群结队地游向大海，就预示风暴即将来临。但是，这又与“顺风耳”有什么关系呢？原来，在蓝色的海洋上，由空气和波浪摩擦而产生的次声波（频率为8～13赫兹），是风暴来临之前的预告。这种次声波，人耳是听不到的，而对水母来说却是易如反掌。科学家经过研究发现，水母的耳朵里长着一个细柄，柄上有个小球，球内有块小小的听石。科学家仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。 仿生学的经典例子：蛋壳与薄壳建筑 蛋壳呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有2mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆。
生物多样性原理与研究方法
生物多样性原理与研究方法 ●Conservation Biology ●——作为保护生物学的基础
第一章生物多样性的概念与畴 一、生命（生物）的基本特征 1 细胞（cell）是除了病毒（virus）以外所有生物的基本组成单位； 2 新代（metabolism）、生长和运动是生命的本能； 新代——物质的合成与分解及能量转换。 3 具有繁衍再生特性，通过繁殖（reproduction）而延续，以DNA作为生物遗传的基本物质； 4 具有个体发育（individual devlopment）和进化（evolution）的历史； 无数个体生活史串联起来，物种的一些基本特征代代相传又有所改变，即遗传与变异的组合统一，构成生物进化的历史。 5 对环境具有适应性（adapability）。 二、生物多样性的概念 生物多样性(biodiversity,biological diversity)是指自然界有生命的部分及其所具有的多种多样的变化。 生物多样性的概念 《生物多样性公约》（1992，联合国环境与发展大会通过，世界自然保护联盟IUCN）中关于生物多样性的概念：“生物多样性”是指所有来源的活的生物体中的变异性，这些来源除其它外包括陆地、海洋和其它水生生态系统及其所构成的综合体；包括物种、物种间和生态系统的多样性。 在所有形态、水平和组合中的生命的变异性。而用“生物多样性组成部分”表示特定的有形的实体，如生物资源、特定的生态系统。 三、生物多样性的两层含意 多样性的两层含意： 其一，描述一个生命系统复杂、变化的特性或属性——特定系统中含有多少个（品）种、多少个群落生态系统类型、多少种基因型； 例1：省陆生生态系统（植被类型）有184个群系；哺乳动物163种、鸟类479种、爬行类58种、两栖类24种；高等植物4000余种、木本植物约1400种。 例2：祁连山自然保护区陆生生态系统（植被类型）有8个植被型组、21个植被型、34个植被亚型、87个群系；脊椎动物278种，哺乳动物70种、鸟类209种、两栖类2种、昆虫1471种、高等植物1311种、木本植物236种。 作为系统的特性和属性，多样性是指地球上生命系统的各个层次和组成部分都具有丰富的变化，是一个可度量的参数。即指这样一种属性：地球上动植物基因、构成动植物体的细胞、器官、动植物种类以及由多种动植物、微生物构成的森林、草原、海底世界、沙漠植被都是多种多样、丰富多彩的。 从系统的特性和属性这个意义上理解，多样性是生命系统的普遍特征。 多样性的两层含意： 其二，指代一个系统全部实体的集合—特定系统中所有基因、种群（居群）的生命实体及由其构成的物种、群落和生态系统。
仿生学对人类社会发展的贡献
仿生学对人类社会发展的贡献 一、仿生学的概念 所谓“仿生”，顾名思义就是向生物学习、模仿或取得启示，仿造各种生物的优点以用在人类科学技术的创造或改进上。仿生学一词是1960年由美国J.E.斯蒂尔提出的。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。尽管人类在文明进化中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。 仿生学的研究范围主要包括①力学仿生：研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。②分子仿生：研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。③能量仿生：研究与模仿生物电器官、生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。④信息与控制仿生：研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人---机系统的仿生学方面。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面---生物模式识别的研究、大脑学习、记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等---是仿生学研究的主攻方面。 因此仿生学就是人类在认识自然和改善自然的过程中，通过科学的探索和研究，模仿自然界中一些生物的特殊本能的原理，来解决某些人类传统认识无法解决的一些疑难现象的一门高科技边缘科学。 二、仿生学的历史贡献 仿生学在人类历史发展过程中所做出的贡献可谓源远流长。尤其是近几个世纪，仿生学在军事、医学、生物、电子等高端技术领域的应用更是给人类的发展带来了创新革命。 在军事上，模仿野猪嘴发明的防毒面具，模仿海豚皮肤的沟槽结构，应用于船舰外壳上，可减少航行湍流，提高航速。模仿鸟类滑翔原理发明飞机；模仿“莲花效应”将其应用于飞机表层、汽车外壳达到自清洁的目的；模仿苍蝇等昆虫的视觉原理研制智能武器和仿生眼等；在医学上，根据苍蝇在细菌环境中生存的原理研制出的免疫抗菌剂，模拟人体器官设计出各种仿生器官用于医学手术中等等；在生物上，屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲、船桨模仿鱼的鳍、锯子学的是螳螂臂，
(完整版)《生物化学》学习方法总结
生物化学学习方法总结 发布人：圣才学习网发布日期：2012-09-24 17:40 生物化学是是在分子水平上研究生物体的组成与结构、代谢及其调节的一门科学。其发展快、信息量丰富，有大量需要记忆的内容，因此学好它不是一件容易的事情。下面就如何学好生物化学这门课程谈一谈自己的浅见，希望能对学生们有所帮助。 1、选择好教材和参考书 目前市场上有各种各样的生物化学教材和一些参考书，如何选择适合自己的教材和参考书对于培养自己的学习兴趣，学好本学科十分重要。我个人认为应该准备三本教材和一本学习指南与习题解析：一本是简单的版本，便于理解和自学。如南京大学郑集教授等编写的《普通生物化学》；一本是高级的版本，如南京大学杨荣武教授主编的《生物化学原理》，阅读此类教科书便于对各章内容全面和深入的掌握；第三本应该是一本英文的原版教材，如Lehninger’s Principles of Biochemistry。英文版教材的特点是新、印刷精美，图表多为彩图，通常还有配套的多媒体光盘，方便你自学。阅读一本好的英文生化教材，不仅对提高自己的专业英语水平，而且对理解各章节的内容，学好本学科是非常有帮助。 2、由表及里，循序渐进，课前预习，课后复习 根据研究内容，本课程可分为以下几部分：①结构生物化学：着重介绍蛋白质、核酸、酶、维生素等的组成、结构与功能。重点阐述生物分子具有哪些基本的结构?哪些重要的理化性质?以及结构与功能有什么关系等问题，同时要随时将它们进行比较。这样既便于理解，也有利于记忆。②代谢生物化学：主要介绍糖代谢、脂类代谢、能量代谢、氨基酸代谢、核昔酸代谢、以及各种物质代谢的联系和调节规律。此部分内容是传统生物化学的核心内容。学习这部分内容时，应注重学习各种物质代谢的基本途径，特别是糖代谢途径、三羧酸循环途径、糖异生途径和酮体代谢途径；各代谢途径的关键酶及生理意义；各代谢途径的主要调节环节及相互联系；代谢异常与临床疾病的关系等问题。③分子遗传学基础：重点介绍了 DNA复制， DNA转录和翻译。学习这部分内容时，应重点学习复制、