《生态与环境》配套PPT电子课件

《生态与环境》配套PPT电子课件,生态与环境,生态,环境,配套,PPT,电子,课件 第第12讲讲 生命科学与仿生学生命科学与仿生学沈沈 显显 生生中国科学技术大学生命科学学院中国科学技术大学生命科学学院主要内容主要内容一、仿生学的概念一、仿生学的概念二、仿生学与我们的生活二、仿生学与我们的生活三、生命现象将带来无穷的启示三、生命现象将带来无穷的启示 一一、仿生学的概念、仿生学的概念仿生学仿生学(Bionics)1960年由美国科学家提出年由美国科学家提出，是研究是研究生物系统的形态结构、功能和机理，为工程技术提供生物系统的形态结构、功能和机理，为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。新的设计思想及工作原理的科学。德国著名设计大师路易吉德国著名设计大师路易吉科拉尼曾说：科拉尼曾说：“设计设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中”。所以说，仿生学是学习自然界的现象作为技术创。所以说，仿生学是学习自然界的现象作为技术创新的模式。新的模式。仿生学的特点仿生学的特点仿生学属于生物科学与技术科学之间的仿生学属于生物科学与技术科学之间的边边缘学科缘学科，涵盖生物学、生物电子学、生物传感，涵盖生物学、生物电子学、生物传感器、生物仿真材料、物理学、控制论、工程学、器、生物仿真材料、物理学、控制论、工程学、生物物理学、生物电机和生物大分子的自装配生物物理学、生物电机和生物大分子的自装配等的一门交叉学科。等的一门交叉学科。仿生技术通过对各种生物系统所具有的功仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。机械等。仿生学研究范围划分方法（仿生学研究范围划分方法（1 1）结构与材料；结构与材料；机理与能量；机理与能量；行为与控制；行为与控制；信息传递与传感器；信息传递与传感器；生殖与生命活动。生殖与生命活动。仿生学研究范围划分方法（2）材料仿生学材料仿生学信息仿生学信息仿生学控制仿生学控制仿生学力学仿生学力学仿生学化学仿生学化学仿生学医学仿生学医学仿生学二、仿生学与我们的生活二、仿生学与我们的生活生命科学研究的对象有许多层次；生命科学研究的对象有许多层次；不同的生命层次、不同的生物体，都充满了无穷奥不同的生命层次、不同的生物体，都充满了无穷奥秘，是仿生学创新的源泉；秘，是仿生学创新的源泉；长期以来，人们从生物界获得了许多关于工程的、长期以来，人们从生物界获得了许多关于工程的、机械的、建筑的、仪器的等原理，推动了社会发展。机械的、建筑的、仪器的等原理，推动了社会发展。锯子的发明来自于芒（Miscanthus）的叶片1、仿生学的常见例子仿生学的常见例子在古代：鲁班根据茅草叶片发明了锯子；在古代：鲁班根据茅草叶片发明了锯子；锯子的演变与革新锯子的演变与革新古人以古人以“出污泥而不染出污泥而不染”的高贵品格来称赞荷花。的高贵品格来称赞荷花。德国波恩大学科研人员研究莲花的德国波恩大学科研人员研究莲花的荷叶的纳米结构，通荷叶的纳米结构，通过观察发现，其表面有许多微小颗粒，从而发明了无需过观察发现，其表面有许多微小颗粒，从而发明了无需擦洗的擦洗的“自净玻璃自净玻璃”和和“自净勺自净勺”。Lotus-effect 给我们带来了很大的启示与思考。给我们带来了很大的启示与思考。2、神奇的莲（荷叶）、神奇的莲（荷叶）3、来自蜂巢的发明、来自蜂巢的发明六边形的稳定性六边形的稳定性斯洛文尼亚仿蜂巢建筑斯洛文尼亚仿蜂巢建筑建筑公司Ofis从蜂巢身上获得灵感，为低收入家庭设计出图片中展示的住宅，既可在最大程度上做到保护隐私，同时又极具美感。蜂巢与龟壳蜂巢与龟壳2002年，德国米勒年，德国米勒(Mieles)公司生产出新型的洗衣公司生产出新型的洗衣机，机桶的内壁采用蜂巢和龟背的结构，这种洗衣机，机桶的内壁采用蜂巢和龟背的结构，这种洗衣机具良好的工作原理和性能，不损伤衣服。这必将机具良好的工作原理和性能，不损伤衣服。这必将冲击现在的洗衣机市场。冲击现在的洗衣机市场。2011年，Resilient技术公司和威斯康星州大学麦迪逊分校聚合体工程学中心的开发人员设计了模仿蜂巢结构的轮胎。不会漏气的仿蜂巢轮胎不会漏气的仿蜂巢轮胎4、生物生物“冷光冷光”的开发的开发细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，产生的光都不产生热，称为“冷光”。萤火虫的发光器位于腹部，由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光细胞含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光，实质上是把化学能转变成光能的过程。生物生物“冷光冷光”的开发（续）的开发（续）除了开发出日光灯和LED（light emitting diode）灯外，科学家已经从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶，并用化学方法可人工合成了荧光素。现在，由荧光素荧光素、荧光酶荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水水混合而成的生物光源，可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。5、超级彩屏、超级彩屏蝴蝶的翅膀蝴蝶的翅膀蝴蝶的翅膀五彩缤纷，在不同的光线下都能够显示颜蝴蝶的翅膀五彩缤纷，在不同的光线下都能够显示颜色；通过研究发现，在翅膀的内部有许多扁圆的腔，色；通过研究发现，在翅膀的内部有许多扁圆的腔，正是这种结构保证了全方位的反射。正是这种结构保证了全方位的反射。美国人已经制造出了美国人已经制造出了10X10cm2的显示屏，如果再扩的显示屏，如果再扩大，应用到彩色电视上，将是一场革命。大，应用到彩色电视上，将是一场革命。仿蝴蝶翅膀仿蝴蝶翅膀Mirasol显示屏显示屏Mirasol的低电压显示屏能耗低，是取代手机、平板电脑和电子阅读器等设备所采用的电子墨水的一个理想替代品，其设计灵感来自于蝴蝶翅膀。它采用两个玻璃面板和微型镜子，能够将颜色反射到屏幕上。这也就意味着显示屏能够在强烈的阳光照射下显示出鲜艳的色彩，使其在阳光下更容易观看。Mirasol显示屏利用环境中的自然光线而不是人造照明。Mirasol显示屏显示屏仿蝴蝶翅膀太阳能电池板仿蝴蝶翅膀太阳能电池板2009年，科学家发现蝴蝶翅膀上的鳞片能够充当天然的太阳能收集器，可以极高的效率吸收阳光。研究人员利用从蝴蝶翅膀身上获得的灵感，提高染料敏化太阳能电池收集阳光的能力。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墙，美国加州大学研究人员发现，它的一只足具50万枚刚毛，每个毛具上百个勺形衬垫，是利用分子间范德华引力起作用的。美国戴顿大学（2011）：（a）壁虎脚的电子显微镜放大照片；（b）碳纳米管阵列的电子显微镜放大照片；（c）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料；（d）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈。碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人英国英国BAE公司模仿壁公司模仿壁虎脚的攀爬机器人虎脚的攀爬机器人7、其他案例、其他案例（1）AMC轮胎的诞生轮胎的诞生 猫在奔跑中突然停止时，不会随惯性向前滑行。猫在奔跑中突然停止时，不会随惯性向前滑行。原因是具可变的肉垫。原因是具可变的肉垫。蜘蛛网的柔顺性，保证某一点受力后，将力均蜘蛛网的柔顺性，保证某一点受力后，将力均匀地分散到其他处。匀地分散到其他处。采用肉垫和蛛网原理研发的采用肉垫和蛛网原理研发的AMC轮胎具有弹性，轮胎具有弹性，把刹车距离有把刹车距离有18米减到米减到9米，其意义重大。米，其意义重大。（2）毛细管蓄电池 动物的肺和植物的叶，其内部结构都有复杂动物的肺和植物的叶，其内部结构都有复杂的管状结构，才保证了生物功能的高效率。的管状结构，才保证了生物功能的高效率。传统的蓄电池，采用了插入式正负电极，电传统的蓄电池，采用了插入式正负电极，电棒太粗，接触面积小。改为毛细管状结构，大大棒太粗，接触面积小。改为毛细管状结构，大大提高了蓄电池的性能。提高了蓄电池的性能。英国英国FMC公司根据动物肺和植物叶片呼吸的原理，生公司根据动物肺和植物叶片呼吸的原理，生产出毛细管装置的蓄电池，使得电池效率提高产出毛细管装置的蓄电池，使得电池效率提高16%。（3）基因工程生产胭脂树橙）基因工程生产胭脂树橙胭脂树橙是由红木（Bixa orellana）产生的树脂，用于食品和化妆品的植物原料。发现由3个基因控制其合成，并且知道番茄红素是其合成前体，目前已经将基因转入大肠杆菌，工业化生产胭脂树橙。将来希望将基因转入番茄中，可更加快捷地生产。一位设计师根据甲虫创造性地提出了从雾气中获取水的想法。一位设计师根据甲虫创造性地提出了从雾气中获取水的想法。“露水库露水库”水壶水壶模拟甲虫雾中取水的方式，水壶背部的脊状结构能够收集露水。模拟甲虫雾中取水的方式，水壶背部的脊状结构能够收集露水。（4）模仿甲虫）模仿甲虫（5）生物结构构件的模拟）生物结构构件的模拟 单子叶植物禾本科的茎部是维管状结构，其截面大多是空心的。支持人体承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的骨髓充满内腔。在建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面钣梁以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据生生物结构构件发明物结构构件发明的。（6 6）模仿人工生物系统）模仿人工生物系统（artificial artificial biosystembiosystem）人工生物系统模拟发生在不同层次上：人工生物系统模拟发生在不同层次上：根据自然重组、基因转移，模仿了人工基因重组、转基因技根据自然重组、基因转移，模仿了人工基因重组、转基因技术；术；根据天然药物分子，模仿生物大分子的人工合成；根据天然药物分子，模仿生物大分子的人工合成；根据计算机技术，模拟生物计算机（根据计算机技术，模拟生物计算机（bio computation）、）、DNADNA计算机技术、计算机技术、3D3D打印机（打印机（4 4核酸或核酸或2020种氨基酸），已经出种氨基酸），已经出现现4D4D打印；打印；根据条形码技术，发明了根据条形码技术，发明了DNADNA条形码（条形码（DNA-coding）。）。生物传感器生物传感器生物传感器是利用待测分析物与生物物质产生的特异反应，将生物传感器是利用待测分析物与生物物质产生的特异反应，将反应所产生的特性，配合光学、电学、热学、声学等相对应的反应所产生的特性，配合光学、电学、热学、声学等相对应的换能器，将反应转换成可处理的讯号输出。生物传感器的基本换能器，将反应转换成可处理的讯号输出。生物传感器的基本结构包括：生物物质层、换能器、讯号处理系统、讯号输出系结构包括：生物物质层、换能器、讯号处理系统、讯号输出系统。根据感测物质的种类，生物传感器可分为：酵素传感器、统。根据感测物质的种类，生物传感器可分为：酵素传感器、免疫传感器、受体传感器、微生物传感器及核酸传感器等。酶免疫传感器、受体传感器、微生物传感器及核酸传感器等。酶传感器已有传感器已有3030多种，免疫传感器、微生物传感器多种，免疫传感器、微生物传感器(微生物电极微生物电极)也在商品化。酶传感器可快速测定人体内血糖、胆固醇的变化。也在商品化。酶传感器可快速测定人体内血糖、胆固醇的变化。生物芯片生物芯片生物芯片，按功能可分为微阵列芯片与微流体芯片两大类。微生物芯片，按功能可分为微阵列芯片与微流体芯片两大类。微阵列晶片主要用于样品分析、检测，其与一般半导体芯片不同阵列晶片主要用于样品分析、检测，其与一般半导体芯片不同的是微阵列晶片缺少整合性电子电路和组件，但作用原理大同的是微阵列晶片缺少整合性电子电路和组件，但作用原理大同小异。事实上，微阵列芯片是将成千上万的微型生物传感器有小异。事实上，微阵列芯片是将成千上万的微型生物传感器有如数组般排列在不同材质的载体上如数组般排列在不同材质的载体上(如玻璃、尼龙、硅芯片或如玻璃、尼龙、硅芯片或塑料等塑料等)，借助生物传感器上的生物探针与样品中的特定对象，借助生物传感器上的生物探针与样品中的特定对象进行生化反应，再经换能器将反应结果转换成讯号输出。进行生化反应，再经换能器将反应结果转换成讯号输出。世界上第一款机器苍蝇世界上第一款机器苍蝇美国哈佛大学美国哈佛大学20132013年年5 5月月2 2日宣布，他们经过十多年研制，终日宣布，他们经过十多年研制，终于开发出世界上第一款机器苍蝇。于开发出世界上第一款机器苍蝇。哈佛大学的研究团队称，受益于在材料和加工技术的突破，哈佛大学的研究团队称，受益于在材料和加工技术的突破，他们开发出了第一种能够像真苍蝇一样飞行的机器苍蝇。机他们开发出了第一种能够像真苍蝇一样飞行的机器苍蝇。机器苍蝇主体用碳纤维制成，体重只有器苍蝇主体用碳纤维制成，体重只有8080毫克，翼展毫克，翼展3 3厘米。飞厘米。飞行时，它每秒振翅行时，它每秒振翅120120次，频率几乎接近真苍蝇，快得肉眼根次，频率几乎接近真苍蝇，快得肉眼根本无法看清，它还能在空中盘旋并沿着预先设好的路线加速本无法看清，它还能在空中盘旋并沿着预先设好的路线加速飞行。飞行。三、生命现象将带来无穷的启示三、生命现象将带来无穷的启示生命世界是复杂而神奇的；生命世界是复杂而神奇的；生命的形态和结构是极其多样的；生命的形态和结构是极其多样的；生物多样性的进化是大自然选择的结果，生物多样性的进化是大自然选择的结果，复杂的复杂的生命形态结构、生理功能将带给我们无穷的启示。生命形态结构、生理功能将带给我们无穷的启示。血红虫（血红虫（Glyxera）的启示的启示摇蚊的幼虫摇蚊的幼虫-血红虫血红虫8-10cm 8-10cm 长，在口的周围长长，在口的周围长4 4个针刺，个针刺，刺端有孔，释放毒液。研究人员在虫体内没有找到具毒的刺端有孔，释放毒液。研究人员在虫体内没有找到具毒的物质。通过研究，发现针刺是有物质。通过研究，发现针刺是有CuCu和蛋白质组成的。血液和蛋白质组成的。血液中的中的“毒物毒物”是半成品，只有到了刺管中，经过是半成品，只有到了刺管中，经过CuCu的催化的催化后才变得有毒。这对于后才变得有毒。这对于“吃药吃药”后如何作用靶目标，值得后如何作用靶目标，值得借鉴。借鉴。白蚁的白蚁的“钢牙钢牙”是如何形成的？是如何形成的？白蚁不仅啃木头，而且可以咬断电白蚁不仅啃木头，而且可以咬断电缆和钢缆，破坏力极强。缆和钢缆，破坏力极强。研究发现，白蚁的大牙是有研究发现，白蚁的大牙是有Si和蛋和蛋白质组成的，其硬度可超过金刚石，白质组成的，其硬度可超过金刚石，是钢材的数十倍。如果研究清楚白是钢材的数十倍。如果研究清楚白蚁牙齿的生长机理，人工合成蚁牙齿的生长机理，人工合成“钢钢牙牙”，对于航天和军事工业，意义，对于航天和军事工业，意义重大。重大。例例1：利用植物花粉构建识别系统：利用植物花粉构建识别系统利用植物花粉制作识别系统的可靠性如下利用植物花粉制作识别系统的可靠性如下：植物花粉具有稳定的遗传特征；植物花粉具有稳定的遗传特征；植物花粉具有固定形态；植物花粉具有固定形态；植物花粉可长期保存；植物花粉可长期保存；植物花粉取材方便；植物花粉取材方便；植物花粉多样性巨大。植物花粉多样性巨大。利用植物花粉可构建利用植物花粉可构建3维识别系统维识别系统例例2：叶片背面形态结构制作识别系统：叶片背面形态结构制作识别系统利用叶片背面特征制作识别系统的可靠性：利用叶片背面特征制作识别系统的可靠性：叶片具有稳定的遗传特征；叶片具有稳定的遗传特征；叶片具有固定形态；叶片具有固定形态；叶片可长期保存；叶片可长期保存；叶片取材方便；叶片取材方便；叶片多样性巨大。叶片多样性巨大。小麦叶片小麦叶片例例3：王莲叶片给我们的启示：王莲叶片给我们的启示“简便的浮桥简便的浮桥”动物飞行的进化与仿生学动物飞行的进化与仿生学首先学会飞行的是昆虫；首先学会飞行的是昆虫；飞行高手是蝙蝠。人类根据飞行高手是蝙蝠。人类根据鸟类飞行原理发明了飞机，鸟类飞行原理发明了飞机，但想模仿蝙蝠还是相当难的。但想模仿蝙蝠还是相当难的。例例4：麦芒的单向运动机理：麦芒的单向运动机理“逆风运动装置逆风运动装置”例例5 5、模仿导管可制作向高空输送液体的管道、模仿导管可制作向高空输送液体的管道仿生学不一定属于生物学家，仿生学不一定属于生物学家，而是属于我们每一个人。而是属于我们每一个人。确切地说，确切地说，属于那些细心观察和善于动脑筋的人们。属于那些细心观察和善于动脑筋的人们。仿生学的未来仿生学的未来课外阅读课外阅读杜家纬，杜家纬，20042004，生命科学与仿生学，生命科学与仿生学，生命科学，生命科学，1616（5 5）：）：317-320317-320杜家纬，杜家纬，20002000，仿生梦幻，河南科学技术出版社。，仿生梦幻，河南科学技术出版社。课外作业课外作业结合你的专业知识背景，并从生命的形态结构结合你的专业知识背景，并从生命的形态结构和生理功能方面受到的启示，利用仿生学请你和生理功能方面受到的启示，利用仿生学请你尝试设计出一件新的尝试设计出一件新的“作品作品”？