《生態(tài)與環(huán)境》配套PPT電子課件

《生態(tài)與環(huán)境》配套PPT電子課件,生態(tài)與環(huán)境,生態(tài),環(huán)境,配套,PPT,電子,課件 第第12講講 生命科學與仿生學生命科學與仿生學沈沈 顯顯 生生中國科學技術大學生命科學學院中國科學技術大學生命科學學院主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、仿生學的概念一、仿生學的概念二、仿生學與我們的生活二、仿生學與我們的生活三、生命現(xiàn)象將帶來無窮的啟示三、生命現(xiàn)象將帶來無窮的啟示 一一、仿生學的概念、仿生學的概念仿生學仿生學(Bionics)1960年由美國科學家提出年由美國科學家提出，是研究是研究生物系統(tǒng)的形態(tài)結構、功能和機理，為工程技術提供生物系統(tǒng)的形態(tài)結構、功能和機理，為工程技術提供新的設計思想及工作原理的科學。新的設計思想及工作原理的科學。德國著名設計大師路易吉德國著名設計大師路易吉科拉尼曾說：科拉尼曾說：“設計設計的基礎應來自誕生于大自然的生命所呈現(xiàn)的真理之中的基礎應來自誕生于大自然的生命所呈現(xiàn)的真理之中”。所以說，仿生學是學習自然界的現(xiàn)象作為技術創(chuàng)。所以說，仿生學是學習自然界的現(xiàn)象作為技術創(chuàng)新的模式。新的模式。仿生學的特點仿生學的特點仿生學屬于生物科學與技術科學之間的仿生學屬于生物科學與技術科學之間的邊邊緣學科緣學科，涵蓋生物學、生物電子學、生物傳感，涵蓋生物學、生物電子學、生物傳感器、生物仿真材料、物理學、控制論、工程學、器、生物仿真材料、物理學、控制論、工程學、生物物理學、生物電機和生物大分子的自裝配生物物理學、生物電機和生物大分子的自裝配等的一門交叉學科。等的一門交叉學科。仿生技術通過對各種生物系統(tǒng)所具有的功仿生技術通過對各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究，最能原理和作用機理作為生物模型進行研究，最后實現(xiàn)新的技術設計并制造出更好的新型儀器、后實現(xiàn)新的技術設計并制造出更好的新型儀器、機械等。機械等。仿生學研究范圍劃分方法（仿生學研究范圍劃分方法（1 1）結構與材料；結構與材料；機理與能量；機理與能量；行為與控制；行為與控制；信息傳遞與傳感器；信息傳遞與傳感器；生殖與生命活動。生殖與生命活動。仿生學研究范圍劃分方法（2）材料仿生學材料仿生學信息仿生學信息仿生學控制仿生學控制仿生學力學仿生學力學仿生學化學仿生學化學仿生學醫(yī)學仿生學醫(yī)學仿生學二、仿生學與我們的生活二、仿生學與我們的生活生命科學研究的對象有許多層次；生命科學研究的對象有許多層次；不同的生命層次、不同的生物體，都充滿了無窮奧不同的生命層次、不同的生物體，都充滿了無窮奧秘，是仿生學創(chuàng)新的源泉；秘，是仿生學創(chuàng)新的源泉；長期以來，人們從生物界獲得了許多關于工程的、長期以來，人們從生物界獲得了許多關于工程的、機械的、建筑的、儀器的等原理，推動了社會發(fā)展。機械的、建筑的、儀器的等原理，推動了社會發(fā)展。鋸子的發(fā)明來自于芒（Miscanthus）的葉片1、仿生學的常見例子仿生學的常見例子在古代：魯班根據(jù)茅草葉片發(fā)明了鋸子；在古代：魯班根據(jù)茅草葉片發(fā)明了鋸子；鋸子的演變與革新鋸子的演變與革新古人以古人以“出污泥而不染出污泥而不染”的高貴品格來稱贊荷花。的高貴品格來稱贊荷花。德國波恩大學科研人員研究蓮花的德國波恩大學科研人員研究蓮花的荷葉的納米結構，通荷葉的納米結構，通過觀察發(fā)現(xiàn)，其表面有許多微小顆粒，從而發(fā)明了無需過觀察發(fā)現(xiàn)，其表面有許多微小顆粒，從而發(fā)明了無需擦洗的擦洗的“自凈玻璃自凈玻璃”和和“自凈勺自凈勺”。Lotus-effect 給我們帶來了很大的啟示與思考。給我們帶來了很大的啟示與思考。2、神奇的蓮（荷葉）、神奇的蓮（荷葉）3、來自蜂巢的發(fā)明、來自蜂巢的發(fā)明六邊形的穩(wěn)定性六邊形的穩(wěn)定性斯洛文尼亞仿蜂巢建筑斯洛文尼亞仿蜂巢建筑建筑公司Ofis從蜂巢身上獲得靈感，為低收入家庭設計出圖片中展示的住宅，既可在最大程度上做到保護隱私，同時又極具美感。蜂巢與龜殼蜂巢與龜殼2002年，德國米勒年，德國米勒(Mieles)公司生產(chǎn)出新型的洗衣公司生產(chǎn)出新型的洗衣機，機桶的內(nèi)壁采用蜂巢和龜背的結構，這種洗衣機，機桶的內(nèi)壁采用蜂巢和龜背的結構，這種洗衣機具良好的工作原理和性能，不損傷衣服。這必將機具良好的工作原理和性能，不損傷衣服。這必將沖擊現(xiàn)在的洗衣機市場。沖擊現(xiàn)在的洗衣機市場。2011年，Resilient技術公司和威斯康星州大學麥迪遜分校聚合體工程學中心的開發(fā)人員設計了模仿蜂巢結構的輪胎。不會漏氣的仿蜂巢輪胎不會漏氣的仿蜂巢輪胎4、生物生物“冷光冷光”的開發(fā)的開發(fā)細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等，產(chǎn)生的光都不產(chǎn)生熱，稱為“冷光”。螢火蟲的發(fā)光器位于腹部，由發(fā)光層、透明層和反射層三部分組成。發(fā)光細胞含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下，熒光素在細胞內(nèi)水分的參與下，與氧化合便發(fā)出熒光，實質上是把化學能轉變成光能的過程。生物生物“冷光冷光”的開發(fā)（續(xù)）的開發(fā)（續(xù)）除了開發(fā)出日光燈和LED（light emitting diode）燈外，科學家已經(jīng)從螢火蟲的發(fā)光器中分離出了純熒光素，后來又分離出了熒光酶，并用化學方法可人工合成了熒光素?，F(xiàn)在，由熒光素熒光素、熒光酶熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水水混合而成的生物光源，可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈。5、超級彩屏、超級彩屏蝴蝶的翅膀蝴蝶的翅膀蝴蝶的翅膀五彩繽紛，在不同的光線下都能夠顯示顏蝴蝶的翅膀五彩繽紛，在不同的光線下都能夠顯示顏色；通過研究發(fā)現(xiàn)，在翅膀的內(nèi)部有許多扁圓的腔，色；通過研究發(fā)現(xiàn)，在翅膀的內(nèi)部有許多扁圓的腔，正是這種結構保證了全方位的反射。正是這種結構保證了全方位的反射。美國人已經(jīng)制造出了美國人已經(jīng)制造出了10X10cm2的顯示屏，如果再擴的顯示屏，如果再擴大，應用到彩色電視上，將是一場革命。大，應用到彩色電視上，將是一場革命。仿蝴蝶翅膀仿蝴蝶翅膀Mirasol顯示屏顯示屏Mirasol的低電壓顯示屏能耗低，是取代手機、平板電腦和電子閱讀器等設備所采用的電子墨水的一個理想替代品，其設計靈感來自于蝴蝶翅膀。它采用兩個玻璃面板和微型鏡子，能夠將顏色反射到屏幕上。這也就意味著顯示屏能夠在強烈的陽光照射下顯示出鮮艷的色彩，使其在陽光下更容易觀看。Mirasol顯示屏利用環(huán)境中的自然光線而不是人造照明。Mirasol顯示屏顯示屏仿蝴蝶翅膀太陽能電池板仿蝴蝶翅膀太陽能電池板2009年，科學家發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀上的鱗片能夠充當天然的太陽能收集器，可以極高的效率吸收陽光。研究人員利用從蝴蝶翅膀身上獲得的靈感，提高染料敏化太陽能電池收集陽光的能力。6、模仿壁虎的攀爬能力、模仿壁虎的攀爬能力壁虎可以攀爬垂直的玻璃幕墻，美國加州大學研究人員發(fā)現(xiàn)，它的一只足具50萬枚剛毛，每個毛具上百個勺形襯墊，是利用分子間范德華引力起作用的。美國戴頓大學（2011）：（a）壁虎腳的電子顯微鏡放大照片；（b）碳納米管陣列的電子顯微鏡放大照片；（c）一個（44）平方毫米的碳納米管陣列自吸附在垂直玻璃的表面上懸掛一瓶約650克的瓶裝可樂飲料；（d）一個（44）平方毫米的碳納米管陣列自吸附在垂直的砂紙表面上懸掛一個金屬鋼圈。碳納米管仿生壁虎腳打造蜘蛛人碳納米管仿生壁虎腳打造蜘蛛人英國英國BAE公司模仿壁公司模仿壁虎腳的攀爬機器人虎腳的攀爬機器人7、其他案例、其他案例（1）AMC輪胎的誕生輪胎的誕生 貓在奔跑中突然停止時，不會隨慣性向前滑行。貓在奔跑中突然停止時，不會隨慣性向前滑行。原因是具可變的肉墊。原因是具可變的肉墊。蜘蛛網(wǎng)的柔順性，保證某一點受力后，將力均蜘蛛網(wǎng)的柔順性，保證某一點受力后，將力均勻地分散到其他處。勻地分散到其他處。采用肉墊和蛛網(wǎng)原理研發(fā)的采用肉墊和蛛網(wǎng)原理研發(fā)的AMC輪胎具有彈性，輪胎具有彈性，把剎車距離有把剎車距離有18米減到米減到9米，其意義重大。米，其意義重大。（2）毛細管蓄電池 動物的肺和植物的葉，其內(nèi)部結構都有復雜動物的肺和植物的葉，其內(nèi)部結構都有復雜的管狀結構，才保證了生物功能的高效率。的管狀結構，才保證了生物功能的高效率。傳統(tǒng)的蓄電池，采用了插入式正負電極，電傳統(tǒng)的蓄電池，采用了插入式正負電極，電棒太粗，接觸面積小。改為毛細管狀結構，大大棒太粗，接觸面積小。改為毛細管狀結構，大大提高了蓄電池的性能。提高了蓄電池的性能。英國英國FMC公司根據(jù)動物肺和植物葉片呼吸的原理，生公司根據(jù)動物肺和植物葉片呼吸的原理，生產(chǎn)出毛細管裝置的蓄電池，使得電池效率提高產(chǎn)出毛細管裝置的蓄電池，使得電池效率提高16%。（3）基因工程生產(chǎn)胭脂樹橙）基因工程生產(chǎn)胭脂樹橙胭脂樹橙是由紅木（Bixa orellana）產(chǎn)生的樹脂，用于食品和化妝品的植物原料。發(fā)現(xiàn)由3個基因控制其合成，并且知道番茄紅素是其合成前體，目前已經(jīng)將基因轉入大腸桿菌，工業(yè)化生產(chǎn)胭脂樹橙。將來希望將基因轉入番茄中，可更加快捷地生產(chǎn)。一位設計師根據(jù)甲蟲創(chuàng)造性地提出了從霧氣中獲取水的想法。一位設計師根據(jù)甲蟲創(chuàng)造性地提出了從霧氣中獲取水的想法?！奥端畮炻端畮臁彼畨厮畨啬M甲蟲霧中取水的方式，水壺背部的脊狀結構能夠收集露水。模擬甲蟲霧中取水的方式，水壺背部的脊狀結構能夠收集露水。（4）模仿甲蟲）模仿甲蟲（5）生物結構構件的模擬）生物結構構件的模擬 單子葉植物禾本科的莖部是維管狀結構，其截面大多是空心的。支持人體承重和運動的骨骼，其截面上密實的骨質分布在四周，而柔軟的骨髓充滿內(nèi)腔。在建筑結構中常被采用的空心樓板、箱形大梁、工形截面鈑梁以及折板結構、空間薄壁結構等都是根據(jù)生生物結構構件發(fā)明物結構構件發(fā)明的。（6 6）模仿人工生物系統(tǒng)）模仿人工生物系統(tǒng)（artificial artificial biosystembiosystem）人工生物系統(tǒng)模擬發(fā)生在不同層次上：人工生物系統(tǒng)模擬發(fā)生在不同層次上：根據(jù)自然重組、基因轉移，模仿了人工基因重組、轉基因技根據(jù)自然重組、基因轉移，模仿了人工基因重組、轉基因技術；術；根據(jù)天然藥物分子，模仿生物大分子的人工合成；根據(jù)天然藥物分子，模仿生物大分子的人工合成；根據(jù)計算機技術，模擬生物計算機（根據(jù)計算機技術，模擬生物計算機（bio computation）、）、DNADNA計算機技術、計算機技術、3D3D打印機（打印機（4 4核酸或核酸或2020種氨基酸），已經(jīng)出種氨基酸），已經(jīng)出現(xiàn)現(xiàn)4D4D打印；打?。桓鶕?jù)條形碼技術，發(fā)明了根據(jù)條形碼技術，發(fā)明了DNADNA條形碼（條形碼（DNA-coding）。）。生物傳感器生物傳感器生物傳感器是利用待測分析物與生物物質產(chǎn)生的特異反應，將生物傳感器是利用待測分析物與生物物質產(chǎn)生的特異反應，將反應所產(chǎn)生的特性，配合光學、電學、熱學、聲學等相對應的反應所產(chǎn)生的特性，配合光學、電學、熱學、聲學等相對應的換能器，將反應轉換成可處理的訊號輸出。生物傳感器的基本換能器，將反應轉換成可處理的訊號輸出。生物傳感器的基本結構包括：生物物質層、換能器、訊號處理系統(tǒng)、訊號輸出系結構包括：生物物質層、換能器、訊號處理系統(tǒng)、訊號輸出系統(tǒng)。根據(jù)感測物質的種類，生物傳感器可分為：酵素傳感器、統(tǒng)。根據(jù)感測物質的種類，生物傳感器可分為：酵素傳感器、免疫傳感器、受體傳感器、微生物傳感器及核酸傳感器等。酶免疫傳感器、受體傳感器、微生物傳感器及核酸傳感器等。酶傳感器已有傳感器已有3030多種，免疫傳感器、微生物傳感器多種，免疫傳感器、微生物傳感器(微生物電極微生物電極)也在商品化。酶傳感器可快速測定人體內(nèi)血糖、膽固醇的變化。也在商品化。酶傳感器可快速測定人體內(nèi)血糖、膽固醇的變化。生物芯片生物芯片生物芯片，按功能可分為微陣列芯片與微流體芯片兩大類。微生物芯片，按功能可分為微陣列芯片與微流體芯片兩大類。微陣列晶片主要用于樣品分析、檢測，其與一般半導體芯片不同陣列晶片主要用于樣品分析、檢測，其與一般半導體芯片不同的是微陣列晶片缺少整合性電子電路和組件，但作用原理大同的是微陣列晶片缺少整合性電子電路和組件，但作用原理大同小異。事實上，微陣列芯片是將成千上萬的微型生物傳感器有小異。事實上，微陣列芯片是將成千上萬的微型生物傳感器有如數(shù)組般排列在不同材質的載體上如數(shù)組般排列在不同材質的載體上(如玻璃、尼龍、硅芯片或如玻璃、尼龍、硅芯片或塑料等塑料等)，借助生物傳感器上的生物探針與樣品中的特定對象，借助生物傳感器上的生物探針與樣品中的特定對象進行生化反應，再經(jīng)換能器將反應結果轉換成訊號輸出。進行生化反應，再經(jīng)換能器將反應結果轉換成訊號輸出。世界上第一款機器蒼蠅世界上第一款機器蒼蠅美國哈佛大學美國哈佛大學20132013年年5 5月月2 2日宣布，他們經(jīng)過十多年研制，終日宣布，他們經(jīng)過十多年研制，終于開發(fā)出世界上第一款機器蒼蠅。于開發(fā)出世界上第一款機器蒼蠅。哈佛大學的研究團隊稱，受益于在材料和加工技術的突破，哈佛大學的研究團隊稱，受益于在材料和加工技術的突破，他們開發(fā)出了第一種能夠像真蒼蠅一樣飛行的機器蒼蠅。機他們開發(fā)出了第一種能夠像真蒼蠅一樣飛行的機器蒼蠅。機器蒼蠅主體用碳纖維制成，體重只有器蒼蠅主體用碳纖維制成，體重只有8080毫克，翼展毫克，翼展3 3厘米。飛厘米。飛行時，它每秒振翅行時，它每秒振翅120120次，頻率幾乎接近真蒼蠅，快得肉眼根次，頻率幾乎接近真蒼蠅，快得肉眼根本無法看清，它還能在空中盤旋并沿著預先設好的路線加速本無法看清，它還能在空中盤旋并沿著預先設好的路線加速飛行。飛行。三、生命現(xiàn)象將帶來無窮的啟示三、生命現(xiàn)象將帶來無窮的啟示生命世界是復雜而神奇的；生命世界是復雜而神奇的；生命的形態(tài)和結構是極其多樣的；生命的形態(tài)和結構是極其多樣的；生物多樣性的進化是大自然選擇的結果，生物多樣性的進化是大自然選擇的結果，復雜的復雜的生命形態(tài)結構、生理功能將帶給我們無窮的啟示。生命形態(tài)結構、生理功能將帶給我們無窮的啟示。血紅蟲（血紅蟲（Glyxera）的啟示的啟示搖蚊的幼蟲搖蚊的幼蟲-血紅蟲血紅蟲8-10cm 8-10cm 長，在口的周圍長長，在口的周圍長4 4個針刺，個針刺，刺端有孔，釋放毒液。研究人員在蟲體內(nèi)沒有找到具毒的刺端有孔，釋放毒液。研究人員在蟲體內(nèi)沒有找到具毒的物質。通過研究，發(fā)現(xiàn)針刺是有物質。通過研究，發(fā)現(xiàn)針刺是有CuCu和蛋白質組成的。血液和蛋白質組成的。血液中的中的“毒物毒物”是半成品，只有到了刺管中，經(jīng)過是半成品，只有到了刺管中，經(jīng)過CuCu的催化的催化后才變得有毒。這對于后才變得有毒。這對于“吃藥吃藥”后如何作用靶目標，值得后如何作用靶目標，值得借鑒。借鑒。白蟻的白蟻的“鋼牙鋼牙”是如何形成的？是如何形成的？白蟻不僅啃木頭，而且可以咬斷電白蟻不僅啃木頭，而且可以咬斷電纜和鋼纜，破壞力極強。纜和鋼纜，破壞力極強。研究發(fā)現(xiàn)，白蟻的大牙是有研究發(fā)現(xiàn)，白蟻的大牙是有Si和蛋和蛋白質組成的，其硬度可超過金剛石，白質組成的，其硬度可超過金剛石，是鋼材的數(shù)十倍。如果研究清楚白是鋼材的數(shù)十倍。如果研究清楚白蟻牙齒的生長機理，人工合成蟻牙齒的生長機理，人工合成“鋼鋼牙牙”，對于航天和軍事工業(yè)，意義，對于航天和軍事工業(yè)，意義重大。重大。例例1：利用植物花粉構建識別系統(tǒng)：利用植物花粉構建識別系統(tǒng)利用植物花粉制作識別系統(tǒng)的可靠性如下利用植物花粉制作識別系統(tǒng)的可靠性如下：植物花粉具有穩(wěn)定的遺傳特征；植物花粉具有穩(wěn)定的遺傳特征；植物花粉具有固定形態(tài)；植物花粉具有固定形態(tài)；植物花粉可長期保存；植物花粉可長期保存；植物花粉取材方便；植物花粉取材方便；植物花粉多樣性巨大。植物花粉多樣性巨大。利用植物花粉可構建利用植物花粉可構建3維識別系統(tǒng)維識別系統(tǒng)例例2：葉片背面形態(tài)結構制作識別系統(tǒng)：葉片背面形態(tài)結構制作識別系統(tǒng)利用葉片背面特征制作識別系統(tǒng)的可靠性：利用葉片背面特征制作識別系統(tǒng)的可靠性：葉片具有穩(wěn)定的遺傳特征；葉片具有穩(wěn)定的遺傳特征；葉片具有固定形態(tài)；葉片具有固定形態(tài)；葉片可長期保存；葉片可長期保存；葉片取材方便；葉片取材方便；葉片多樣性巨大。葉片多樣性巨大。小麥葉片小麥葉片例例3：王蓮葉片給我們的啟示：王蓮葉片給我們的啟示“簡便的浮橋簡便的浮橋”動物飛行的進化與仿生學動物飛行的進化與仿生學首先學會飛行的是昆蟲；首先學會飛行的是昆蟲；飛行高手是蝙蝠。人類根據(jù)飛行高手是蝙蝠。人類根據(jù)鳥類飛行原理發(fā)明了飛機，鳥類飛行原理發(fā)明了飛機，但想模仿蝙蝠還是相當難的。但想模仿蝙蝠還是相當難的。例例4：麥芒的單向運動機理：麥芒的單向運動機理“逆風運動裝置逆風運動裝置”例例5 5、模仿導管可制作向高空輸送液體的管道、模仿導管可制作向高空輸送液體的管道仿生學不一定屬于生物學家，仿生學不一定屬于生物學家，而是屬于我們每一個人。而是屬于我們每一個人。確切地說，確切地說，屬于那些細心觀察和善于動腦筋的人們。屬于那些細心觀察和善于動腦筋的人們。仿生學的未來仿生學的未來課外閱讀課外閱讀杜家緯，杜家緯，20042004，生命科學與仿生學，生命科學與仿生學，生命科學，生命科學，1616（5 5）：）：317-320317-320杜家緯，杜家緯，20002000，仿生夢幻，河南科學技術出版社。，仿生夢幻，河南科學技術出版社。課外作業(yè)課外作業(yè)結合你的專業(yè)知識背景，并從生命的形態(tài)結構結合你的專業(yè)知識背景，并從生命的形態(tài)結構和生理功能方面受到的啟示，利用仿生學請你和生理功能方面受到的啟示，利用仿生學請你嘗試設計出一件新的嘗試設計出一件新的“作品作品”？