《自然》称仿生学呼唤生物学家

仿生学呼唤生物学家

大自然说，从生物系统寻求灵感的工程师和化学家应该重视跨学科合作。

研究各种壁虎的脚将有助于科学家设计更多丰富多样的干粘合剂。资料来源:保罗·斯图尔特

20世纪40年代末，瑞士工程师乔治·德·梅斯特勒在去除狗毛上的毛刺后，受到启发发明了Velcro。50年后，热衷于观鸟的日本工程师中津英治设计了一辆头部类似翠鸟喙、符合空气动力学特征的高速列车。

在过去的10年里，人们对这种生物灵感和仿生学的兴趣急剧增加。生物仿生和仿生学是对生物特征或系统的模仿，从建筑、材料设计到机器人和工程组织的应用。CRISPR-Cas9是一种廉价且易于使用的基因组编辑工具，它的出现可能会放大这一热潮。Crispr-CAS 9极大地展示了改变生物体及其产品的可能性。

仿生学近年来的成功包括通过模仿水通道蛋白分子进行脱盐，水通道蛋白是一种在细胞膜上形成孔的蛋白质。转基因蚕生产的蚕丝；开发在光合作用中具有相似成分的催化剂，以提高太阳能发电效率。

美国明尼苏达大学生态、进化和行为助理教授艾米里·斯内尔·罗德设计了仿生学课程，并利用蝴蝶来开发促进健康的仿生学方法。最近，斯内尔-路德在《自然》杂志上写道，工程师、化学家和其他从生物系统中寻找灵感的人应该与生物学家合作。

使用体验

生物监督将在解决一系列与健康、能效和食品安全相关的问题方面发挥重要作用。为了实现这一前景，探索这种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、细胞或分子领域的专家。

仿生学主要涉及化学家、工程师和材料科学家。在过去三个月发表的近300项仿生学研究中，包括汤森路透的科学网络，只有不到8%的作者在生物系工作——他们大致可以被视为“生物学家”。同时，在大多数仿生学论文中，相关的生物多样性被忽略了。例如，在过去一年发表的80%以上的仿生学论文中，研究人员只考虑了一个物种，或者只笼统地提到了一些生物元素，如“细胞”或“酶”。更重要的是，在所有关于多样化过程和系统的研究中，出现了许多相同的“参与者”:壁虎、蜘蛛和蝴蝶。

目前，已经描述了大约150万种，并且有大约900万种真核生物。然而，探索仿生学方法的研究人员只触及了生物灵感的表面。然而，所有学科的生物学家都有非凡的知识储备，可以为探索更丰富的自然系统多样性提供指导。这些知识也将有助于指导测试方法。

一方面，了解特定生物体的生物现象可以为特定应用的发展提供灵感。例如，一只裸鼢鼠可以活到大约30岁(这个数量级比相关啮齿类动物的数量级高得多)，它可能具有与治疗癌症等年龄相关疾病相关的适应性变化。实验确实发现了一种细胞外物质可以使裸鼢鼠的细胞明显抗肿瘤。

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，对支持利他主义进化的一般条件的理解(例如，很有可能会遇到一个可以被反复认识的人)可能会提供关于如何设计建筑和城市景观以更好地促进人与人之间的合作的见解。

消除模仿限制的比较研究

特别是，进化生物学家可以帮助仿生学研究人员利用整个物种的“血统”来测试形态和功能与环境关系的一般原理。例如，对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环境而进化。

同时，比较研究的内隐方法也可以消除模仿特定特征的局限性。进化过程中出现的特征取决于各种因素，如遗传变异的可用性，因此从工程的角度来看很少是完美的。例如，机器人工程师不会在视觉系统中包含盲点。因此，研究人员应该从多个系统中寻找灵感。例如，独立于章鱼进化而来的相机眼睛(像人的眼睛)没有盲点。仿生学中许多有趣的特征，如壁虎脚趾保护的干燥附着或蝴蝶翅膀的绚丽色彩，已经独立进化了许多次。这为研究人员提供了生成某些有趣特征的方法。

最后，生物学家可以帮助仿生学研究者探索使应用更加合理的过程。很难再现壁虎脚趾保护装置的干粘附或复合材料如鲍鱼壳的强度，因为所涉及的结构性质非常复杂。为了经济有效地大规模生产这种材料，一些仿生学研究人员转向分析这些结构是如何建造的以及结构本身。例如，对操纵光线感兴趣的光子学研究者已经开始试图理解蝴蝶翅膀上产生鳞片的发展过程。与此同时，定向进化正被用于实验室，从现有的酶中生产新的生物催化剂。

拥抱团队合作

各种资金来源为不切实际的生物研究和更多应用领域的研究提供支持。正在建立转化研究中心，例如由美国国家科学基金会资助的工程研究中心项目，以帮助将基础研究与工业应用开发相结合。

以下四项措施将促进生物学和仿生学之间更多的交叉。

首先，教育的变化可以鼓励初露头角的仿生学研究者更多地利用生物学。目前，停止做仿生学研究的大学生在他们选择的“应用领域”接受培训，无论是工程、建筑还是化学。这些学生应该被要求学习与他们最相关的生物学领域的课程:对于从事化学研究的学生，可能是分子生物学；对于从事材料科学或建筑研究的学生来说，它可能是有机生物学或进化生物学。

其次，人们需要根据仿生学的方法来完善生物学特定分支的基本原理的教科书。现有的教科书更注重应用。

第三，仍然需要“牵线搭桥”来促进合作。现有的仿生学会议，如国际生物激励和基于生物的化学和材料会议或国际生物激励系统和信号处理会议，可以提供研讨会或激励措施来吸引生物学家。速度匹配风格的特殊活动使生物学家和对生物学启发的应用感兴趣的人能够根据他们一起解决问题的能力结成伙伴。在线“速配”可能会达到类似的目的。

最后，公司可以引进化学和其他分支领域的生物学家，他们通过“常驻生物学家”等项目接受了广泛的培训。这种合作将使团队能够探索整个生命之树的创新，从而快速找到强有力的解决方案。(宗华)

《中国科学报》(2016-027，第三版国际版)