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让微生物来为人类“打工”
       4500万年以前,一只苍蝇飞过一棵大树时,不幸被这棵大树分泌出的一大滴树胶牢牢粘住,最终被封埋在树胶中。今天,通过研究这只苍蝇的眼睛,科学家已开发出一种新的光俘获材料,用来提高太阳能电池的效率。  

  而在非洲的纳米比亚,一只沙漠甲虫却在毫不知情地帮助农民灌溉土地,驱除机场跑道上的浓雾。当大雾笼罩纳米布沙漠时,甲虫会采用倒立姿势,用它经过多年进化的外壳,收集雾中细小的水滴。这些水滴汇流入甲虫嘴里,它便得以享用来之不易的甘霖。通过研究甲虫的外壳结构,科学家已研制出同样可以扫除雾霭的合成材料。  

  以上只不过是仿生学研究的两个例子。仿生学出现于上世纪中期,它是通过研究生物系统的结构和性质,为工程技术提供新的设计思想及工作原理的一门新的边缘科学。越来越多的科学家认识到,经过亿万年进化的大自然,不仅拥有开启许多奇思妙想的金钥匙,也有实现这些构想的最佳办法。与人类建造的各种工厂不同,大自然通常不需要高温高压等苛刻条件,它总能找到巧妙适宜的方法,利用现有材料,耗费最小的能量,制造出绝大部分“产品”,而不会有任何浪费。  

  我们能借用这种自然的力量吗?哪些是最有前景的仿生设计?将来,人类也能让病毒或细菌在“生产线”上工作,制造出从闪光口红到特种玻璃之类的产品吗?  

  让我们一探究竟。  

  青出于蓝胜于蓝  

  有时候,一些绝妙的设计可能不是仅仅来自一种动物。最近发表在《自然》杂志上的一篇报告,揭示了科学家是如何从壁虎飞檐走壁的绝技和贻贝的超强吸附力中获得灵感,制造出一种新的能在水下使用的超强胶水“Geckel”的。  

  壁虎是一种蜥蜴目爬行动物,具备超强的爬墙能力。受其启发,科学家已经制造出了一些强力胶水。不过,这些胶水有一个严重的缺点,一旦进入水中,粘性就会骤然下降。  

  美国西北大学的材料学家菲利普·梅瑟史密斯在研究贻贝时发现,贻贝在水下的吸附能力超乎寻常,即便受到汹涌澎湃的大浪的轮番冲击,它也能紧紧吸附于岩石之上。梅瑟史密斯灵机一动,能否将贻贝的特性和壁虎的特性结合,研制一种能在水下发挥作用的壁虎胶水?  

  壁虎和贻贝实现超强粘附能力的方式是截然不同的。壁虎的每只脚上都长有构造独特的肉垫———肉垫表面密密麻麻分布着细毛,细毛在尾端裂开。正是这些细毛的分子间作用力,也称为范德华力,使得壁虎不把重力当回事,而可以轻松地在天花板上“跳来荡去”。贻贝则是通过足底分泌出的胶粘蛋白质的化学作用,来保持其独特的吸附能力。  

  梅瑟史密斯博士吸取了这两种动物的独特设计中的精华,创造出了一种全新的防水胶。他首先制作了大量微小的硅柱,以模拟壁虎足底的刚毛,然后给这些柔韧性极强的硅柱涂上一层薄薄的合成胶水,合成胶水是模仿贻贝分泌的蛋白质所制。最终发明的这种新型Geckel粘合剂在水下的吸附性能大约是壁虎足底的15倍。  

  目前,梅瑟史密斯正在开发Geckel的医学用途,比如将其应用在膏药和绷带上。梅瑟史密斯称,用Geckel制作的胶带可能使伤口不用缝合也能愈合,而且绷带将不怕水洗。将来,这种粘合剂可用于水下,帮助机器人在水下爬越困难地带。  

  心有灵犀一点通  

  要预测仿生学的走向是很困难的。对于伦敦自然历史博物馆的动物学家安德鲁·帕克来说,他最近满脑子想的却是眼影和口红这两样东西。有一个现象一直令他着迷,那就是,蝴蝶的翅膀为何能产生彩虹般的色彩?  

  通过在高倍显微镜下研究蝴蝶的翅膀,并建立相应的模型,帕克教授终于搞清楚,是翅膀的层状结构制造出了闪烁的色彩。帕克解释说,层状结构会产生很强的闪光效果,但是,如果再加上第二个层状结构,从观察角度看波长就不会有大的变化。这意味着无论从哪个角度,你看到的都是同样的颜色。  

  层状结构的原理也适用于化妆品和颜料。帕克正在和一家公司合作,开发能模拟蝴蝶翅膀那种独特闪光的口红、眼影和腮红等化妆品。  

  给我一双慧眼吧  

  并非只有活的动物才能给人以灵感。1995年,帕克教授在华沙参观波兰地球博物馆时,偶然看见了本文开头提到的那只4500万年前的苍蝇琥珀化石。在仔细观察这只安葬在透明的琥珀墓穴中的苍蝇放大图像时,他发现了苍蝇眼睛不同寻常的结构———由一系列棱和槽组成的非常细的条纹。  

  回到实验室后,帕克建立了苍蝇眼睛的模型,然后研究它对光的反应。帕克说,那些平行的棱不是把光反射回去,而是有利于光的穿透。由于这种特殊构造,苍蝇的眼睛能吸收来自各个角度的光,使它能在很弱的光线下看清物体。苍蝇的眼睛能看见紫外线,而人眼则不能。  

  10年以后,这只化石苍蝇的眼睛结构已经被用于新型光俘获材料的设计。利用现代材料,帕克已经成功地模拟合成了一个苍蝇眼睛。把这种合成的“苍蝇眼睛”应用于太阳能板,可以将能量俘获效率提高10%。  

  得来全不费工夫  

  对于许多仿生研究来说,最大的困难是能否找到一个可大量生产仿生材料而又经济可行的方法。帕克认为,自然的构造十分复杂,制造仿生材料是非常困难和昂贵的,通常只能得到很少量。  

  在2007年6月出版的《自然纳米技术》上,帕克教授提出了利用活细胞来大量生产仿生材料的想法。他认为,与其设计开发昂贵又复杂的工程技术,不如把困难的工作交给自然来完成。  

  比如,病毒和细菌就具有巨大的潜力。它们可以自行组装,可以一直生长成你想要的样子。帕克教授已经发现,这是一种简单经济的办法,挑战则在于如何把细胞嵌入你想用的材料中。  

  如果能够克服这个困难,病毒、细菌及其它的微生物将会成为未来的工程师和建筑师。不需要基因工程,仅仅改变一下它们的饮食就可以,加一点生长素或许能增加它们的活力。与通常的生产工厂不同的是,它们不需要高温高压和一大堆有毒的化学品。与那些工程材料不同的是,这些自然制造的材料全部可以被生物降解。  

  看来,这些不起眼的微生物,将要成为明天环境友好型生产的主力军。
责任编辑:Mark
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    摘要
    4500万年以前,一只苍蝇飞过一棵大树时,不幸被这棵大树分泌出的一大滴树胶牢牢粘住,最终被封埋在树胶中。今天,通过研究这只苍蝇的眼睛,科学家已开发出一种新的光俘获材料,用来提高太阳能电池的效率。
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