研究多種壁虎的腳，將幫助科學(xué)家設(shè)計出更加豐富多樣的干燥黏合劑。圖片來源：Paul D Stewart
《自然》稱從生物系統(tǒng)中尋找靈感的工程師和化學(xué)家應(yīng)重視跨學(xué)科合作
上世紀(jì)40年代末，瑞士工程師George de Mestral在清理狗毛上粘的毛刺后受到啟發(fā)，發(fā)明了維可牢。50年后，熱衷于觀鳥的日本工程師Eiji Nakatsu設(shè)計出一種車頭形似翠鳥鳥喙、符合空氣動力學(xué)特征的高速列車。
過去10年間，對此類生物靈感和仿生學(xué)的興趣陡然增加。生物靈感和仿生學(xué)是從建筑、材料設(shè)計到機(jī)器人學(xué)和工程化組織的應(yīng)用中對生物學(xué)特征或系統(tǒng)的模仿。這股熱潮可能因廉價、易用的基因組編輯工具CRISPR－Cas9的出現(xiàn)而得以放大。CRISPR－Cas9極大地展示了改變生物體及其產(chǎn)品的可能性。
仿生學(xué)在近年來取得的成功包括對形成細(xì)胞膜中氣孔的蛋白——水通道蛋白分子的模仿以脫鹽；轉(zhuǎn)基因桑蠶產(chǎn)生的蛛絲；研發(fā)出同光合作用中成分類似的催化劑提高太陽能發(fā)電效率。
美國明尼蘇達(dá)大學(xué)生態(tài)學(xué)、進(jìn)化和行為學(xué)助理教授Emilie Snell-Rood設(shè)計了仿生學(xué)課程，并且正在利用蝴蝶開發(fā)針對健康的仿生學(xué)方法。近日，Snell-Rood在《自然》雜志撰文提出，從生物系統(tǒng)中尋找靈感的工程師、化學(xué)家和其他人應(yīng)當(dāng)同生物學(xué)家展開合作。
利用經(jīng)驗
生物靈感將在解決同健康、能源效率和食品安全相關(guān)的一系列問題的努力中發(fā)揮重要作用。為實現(xiàn)這一前景，探索此類方法的研究人員需要更好地利用生物學(xué)家的知識和經(jīng)驗，無論他們是生態(tài)學(xué)家、微生物學(xué)家，還是進(jìn)化、生物體、細(xì)胞或分子領(lǐng)域的專家。
仿生學(xué)領(lǐng)域主要涉及到化學(xué)家、工程師和材料學(xué)家。在過去3個月里發(fā)表且被收錄在湯森路透“科學(xué)網(wǎng)”中關(guān)于仿生學(xué)的近300項研究中，只有不到8%擁有在生物系工作的作者——可將他們粗略視為“生物學(xué)家”。同時，在大多數(shù)關(guān)于仿生學(xué)的論文中，相關(guān)的生物多樣性受到冷遇。例如，在過去一年間發(fā)表的超過80%的仿生學(xué)論文中，研究人員只考慮了一個物種，或者僅通過一種寬泛的方式提到了諸如“細(xì)胞”或“酶”等某種生物學(xué)要素。更重要的是，在探尋多元化過程和系統(tǒng)的所有研究中，有很多相同的“選手”出現(xiàn)：壁虎、蜘蛛和蝴蝶。
目前約有150萬個物種得到描述，并且存在約900萬個真核生物物種。然而，探究仿生學(xué)方法的研究人員只是觸及了生物學(xué)靈感的表面。不過，來自所有學(xué)科分類的生物學(xué)家擁有非凡的知識儲備，能為探尋自然系統(tǒng)更加豐富的多樣性提供指導(dǎo)。此類知識還會幫助引導(dǎo)試驗方法。
一方面，對特定有機(jī)體生物學(xué)現(xiàn)象的理解能為開發(fā)特定應(yīng)用提供靈感。例如，能活到30歲左右（這一數(shù)量級遠(yuǎn)高于相關(guān)嚙齒類動物）的裸鼢鼠，可能擁有同治療諸如癌癥等年齡相關(guān)疾病存在關(guān)聯(lián)的適應(yīng)性變化。實驗的確發(fā)現(xiàn)，一種胞外物質(zhì)使裸鼢鼠的細(xì)胞能顯著對抗腫瘤。
另一方面，生物學(xué)家可將研究人員或許正在試圖解決的問題同特定物種、環(huán)境或進(jìn)化條件匹配起來。例如，對支持利他主義演化的一般條件（比如有很高的可能性重復(fù)遇到能認(rèn)出的某個人）的理解，或許可為如何設(shè)計建筑物和城市風(fēng)光以更好地促進(jìn)人們之間的合作提供見解。
比較研究消除模仿限制
尤其是進(jìn)化生物學(xué)家能幫助仿生學(xué)研究人員利用整個物種“世系”，測試關(guān)于形式和功能如何同環(huán)境存在關(guān)聯(lián)的一般原則。例如，對蜘蛛進(jìn)行的比較研究表明，蛛絲的不同結(jié)構(gòu)特性隨著該物種適應(yīng)不同環(huán)境而出現(xiàn)進(jìn)化。
與此同時，比較研究暗含的方法還可能消除模仿特定特性時存在的限制。通過進(jìn)化過程出現(xiàn)的特征，依賴于諸如遺傳變異的可用性等種種元素，因此從工程學(xué)的視角來看很少是完美的。例如，機(jī)器人學(xué)工程師不會將盲點包括進(jìn)視覺系統(tǒng)中。為此，研究人員應(yīng)當(dāng)從多個系統(tǒng)中尋找靈感，比如在章魚中獨立進(jìn)化出來的照相機(jī)式眼睛（像人眼一樣）就沒有盲點。在仿生學(xué)中引起興趣的很多特征，諸如壁虎護(hù)趾的干燥黏合或者蝴蝶翅膀絢麗的著色，都獨立進(jìn)化了很多次。這為研究人員提供了方法，以產(chǎn)生某種感興趣的特征。
最后，生物學(xué)家能幫助仿生學(xué)研究人員探究使應(yīng)用更加合理的過程。重現(xiàn)壁虎護(hù)趾的干燥黏合或者諸如鮑魚殼等復(fù)合材料的強(qiáng)度非常困難，因為其中涉及的結(jié)構(gòu)性質(zhì)很復(fù)雜。為大規(guī)模經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)此類材料，一些仿生學(xué)研究人員轉(zhuǎn)而分析這些結(jié)構(gòu)是如何建造的及其結(jié)構(gòu)本身。例如，對操縱光感興趣的光子學(xué)研究人員已開始嘗試?yán)斫猱a(chǎn)生蝴蝶翅膀鱗屑的發(fā)育過程。與此同時，定向進(jìn)化正被用于實驗室，以產(chǎn)生來源于已有酶的新生物催化劑。
擁抱團(tuán)隊合作
各種資助來源正在為不切實際的生物學(xué)研究和更多應(yīng)用領(lǐng)域的研究提供支持。諸如由美國國家科學(xué)基金會資助的工程研究中心項目等轉(zhuǎn)化研究中心正在建立，以幫助將基礎(chǔ)研究和工業(yè)界中應(yīng)用的開發(fā)結(jié)合在一起。
下面4項舉措將促進(jìn)生物學(xué)和仿生學(xué)之間出現(xiàn)更多交叉。
首先，教育的改變能鼓勵那些嶄露頭角的仿生學(xué)研究人員更多地利用生物學(xué)。目前，停止從事仿生學(xué)研究的本科生在他們選擇的“應(yīng)用領(lǐng)域”中接受訓(xùn)練，無論是工程學(xué)、建筑學(xué)，還是化學(xué)。這類學(xué)生應(yīng)當(dāng)被要求參加可能同他們最為相關(guān)的生物學(xué)領(lǐng)域課程：對于從事化學(xué)研究的學(xué)生來說，可能是分子生物學(xué)；對于從事材料學(xué)或建筑學(xué)研究的學(xué)生來說，可能是有機(jī)生物學(xué)或進(jìn)化生物學(xué)。
其次，人們需要針對仿生學(xué)方法提煉出特定生物學(xué)分支基本原則的教科書�，F(xiàn)有課本對應(yīng)用給予了更多關(guān)注。
第三，當(dāng)前還需要“牽線搭橋”，以促進(jìn)合作。關(guān)于仿生學(xué)的現(xiàn)有會議，比如生物靈感和基于生物學(xué)的化學(xué)和材料學(xué)國際會議或者受生物學(xué)啟發(fā)的系統(tǒng)和信號處理國際會議，可提供專題討論會或獎勵措施吸引生物學(xué)家。速配風(fēng)格的特別活動能讓生物學(xué)家和對受生物學(xué)啟發(fā)的應(yīng)用感興趣的人們，基于其共同解決一個問題的能力結(jié)成搭檔。網(wǎng)上“速配”或許也能達(dá)到類似目的。
最后，公司可通過諸如“常駐生物學(xué)家”等項目，引進(jìn)接受過廣泛培訓(xùn)的進(jìn)化學(xué)和其他分支的生物學(xué)家。此類合作將使團(tuán)隊得以探究來自整個生命之樹的創(chuàng)新，從而快速追蹤到強(qiáng)有力的解決方法。
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