有趣的仿生学

仿生学作为一门独立的学科，形成于20世纪60年代，它是研究生物系统的结构性质、能量转换和信息加工的处理过程，用来改善现有的或创造出崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程的边缘学科。仿生技术是发展现代高新技术的重要途径之一。下面撷取几例，仅供参考。

1.我国最早的仿生师——鲁班

我国古代杰出的工匠鲁班，在一次上山砍树时，不小心被一棵小草划破了手，他好奇地摘下草叶观察，发现叶子的边缘有许多锋利的小齿，于是突发奇想，把铁片磨上细齿用来割断木头，从而发明了常用的伐木工具——锯。锯的发明是鲁班从带齿的叶片得到的启发。

2.高速运转的恐龙钻头

鸭嘴龙是史前巨型爬行动物，它的牙床上重重叠叠地长了约600颗牙齿，如果上面的牙齿磨掉了，下面的牙齿会补上去。而且它们的牙齿是双层的，外层的牙不能用了，内层的牙齿会自动补上去，继续使用。机械师模仿鸭嘴龙牙齿的排列形状，设计制成了一种恐龙钻头。这种新钻头模仿鸭嘴龙的牙齿，装了两层，内层的齿嵌在较软的材料上，当外层的齿磨坏了不能使用时，钻头继续旋转，就会将这层软材料磨掉，露出内层的齿，于是钻头又可以继续钻进了。这种钻头减少了调换钻头的麻烦，其钻进速度是一般钻头的2倍。真想不到，史前生物鸭嘴龙也能为现代科学技术作出贡献。

3.长颈鹿与飞行“抗荷服”

长颈鹿身高在5m以上，头部距离心脏有3m，如果没有高的血压，头部大脑就可能得不到充分的血液。据测定，长颈鹿体内的血压高达46.55kpa(350mmHg)，比人的血压高出2倍，其他动物如果血压升到这样的高值，会立即因脑溢血而死亡。长颈鹿为什么不会发生脑溢血呢?原来，长颈鹿的那层紧绷在身上的皮肤能抵抗突然升高的血压。当它低头喝水时，紧绷的皮肤会牢牢箍住血管，不会因血压的突然增加而被胀破。科学家受到启示，发明了一种仿照长颈鹿皮肤的飞行服——“抗荷服”。抗荷服上有一套充气装置，随飞机速度的增高，会自动充入一定数量的气体，压缩空气对血管产生一定的压力，从而使人的血压保持正常。

4.导弹命名“响尾蛇”

响尾蛇是一种毒性很强的蛇，它有一种能探测周围环境中温度变化的红外线感受器，长在眼睛与鼻孔之间的颊窝里。由于响尾蛇具备了这种红外线感受器，在黑暗中也能准确无误地捕获猎物。美国的海军武器研究中心，利用这一原理，研制出一种空对空导弹的敏感器件，能够探测来自目标的红外辐射，从而紧紧盯住目标不放，直至把目标摧毁。这种导弹被命名为“响尾蛇导弹”。

5.伪装之王变色龙

变色龙学名叫“避役”，它行动迟缓，面目可憎，浑身灰黑色，布满了疙瘩，可是它在一昼夜中能变换六七种颜色。原来，变色龙的表皮上有一个变幻无穷的“色彩仓库”，贮藏着黄、绿、蓝、黑等各种色素细胞，一旦周围的光线、温度和湿度发生了变化，变色龙就随之改变体色。科学家仿照变色龙，制成了一种既能自动改变颜色，又始终与环境保持一致的军装。这种军装用一种对光线变化很敏感的化学纤维织成的布料制成，士兵穿上这种军装，可以放心地从白色的沙滩上登陆，在森林里军装是深绿色，在草地时又变成麻黄色的了。

6.鳄鱼“流泪”的启示

凶残的鳄鱼在吞食猎物时，总是流着“悲伤”的眼泪，其实它们是在排泄体内多余的盐分。生活在咸水或海水中的动物，体内都有一种特殊的结构——盐腺，各种盐腺的构造基本一样：中间是一根导管，并向四周辐射出几千根细管，跟血管交织在一起，把血液中多余的盐分离析出来，再通过中央的导管排泄到体外。盐腺是动物天然的“咸水淡化器”。科学家从鳄鱼的流泪中得到启示，模仿盐腺的构造原理，研制出一种体积小、重量轻、效率高、价格低的“仿生海水淡化器”，从根本上解决了海水淡化的难题。

7.潜艇的外形像海豚

海豚的游泳速度每小时可达一百多千米，轻而易举地超过现代潜艇的航速，海豚游泳快的秘密在哪里?仿生学家解剖了海豚，发现其皮肤的特殊构造是游得快的主要原因。海豚的皮肤外面的表皮薄而富有弹性，里面的真皮像海绵一样有许多突起，突起之间充满了液体。这种皮肤能吸收和消除阻碍前进的水流漩涡，使水流从它表面顺利通过，因而游得快。仿生学家模仿海豚的皮肤，用富有弹性的有机材料制成一种多层的潜艇外壳，潜艇穿上这层人造“皮肤”，航行时阻力可减少一半，航速提高了1倍。

8.啄木鸟与新型安全帽

啄木鸟一天可发出约600次的啄木声，每啄一次的速度可达每秒55km，比空气中的音速还快1.6倍，而它的头部摇动的速度更快，约每小时2 080km，比射出的子弹还要快1倍多。此时，它头部所受到的冲击力约为所受重力的1000倍，而一辆时速为56km的汽车撞在一堵墙上，受到的冲击力仅为所受重力的10倍。为什么啄木鸟头部可以受到那么大的力却不会得脑震荡?原来啄木鸟头部的构造与众不同，它的脑壳非常坚硬，周围还有一层海绵状的骨骼，里面吸附着很多液体，能起消震作用，头部两侧还有强有力的肌肉系统，也能起到防震作用。科学家由此得到启示，设计了一种新型安全帽：外壳坚固，里层松软，帽子下部有一个保护领圈，避免因突然而来的旋转运动所造成的脑损伤。经过实验，比一般防护帽效果好得多。

军用生物技术摭谈

在引发21世纪武器装备革命性变化的高新技术中，迅速兴起的生物技术发展势头正猛。生物技术包括遗传工程、细胞工程和发酵工程等。有识之士认为，现代化生物武器是一支重要的威慑力量，在未来战场上，比原子弹更可怕。军用生物技术除了人们已知的基因武器外，还有下述几种。

1.生物电子装备

利用生物技术设计生产的大分子系统是更高级的电子材料，能够确保电子装备在各种复杂条件下稳定工作。生物色素等分子结构偶矩极大的生物材料，能对电子信息进行高速传递、存储和处理，不受电磁干扰和核电磁脉冲的影响。用这种电子元件制成雷达，可在强烈电磁干扰下，全天候、全方位、远距离搜索发现目标与识别敌我，且比使用同功率、同频率范围的无线电台和干扰机的体积缩小1/3～1/2，重量减至1/10。即将问世的蛋白质分子计算机将比现有计算机的运算速度和存储能力高出数亿倍，并具有人脑的分析、判断、联想、记忆等功能。生物电子装备使军队指挥自动化、军事情报的获取、武器的精确制导等发生质的变化。

2.生物炸弹

利用生物技术制造炸药，生产过程简单，成本低，燃烧充分，爆炸力强，威力比常规炸药大3倍～6倍。

3.军用仿生导航系统

自然界中许多动物具有导航能力。经研究发现，某些鸟的导航系统重量只有几毫克，但精度极高，探测误差小于0.03μw/m2。目前已有一些国家在利用生物技术手段模拟动物导航系统来简化军事导航系统，以提高精度，缩小体积，减轻重量，降低成本，增强在复杂条件下的导航能力。

4.军用生物传感器

把生物活性物质，如受体、酶、细胞等与信号转换电子装置结合成生物传感器，不但能准确识别各种生化战剂，而且探测速度快，判断准确，与计算机配合可及时提出最佳防护和治疗方案。生物传感器还可通过测定炸药、火箭推进剂的降解情况来发现敌人库存的地雷、炮弹、炸弹、导弹等的数量和位置，它将成为实施战场侦察的有效手段。

5.军用生物能源

目前作战兵器的机动装备大都以汽油、柴油为燃料，跟踪补给任务重、要求高。生物技术可利用红极毛杆菌和淀粉制成氢，每消耗1g淀粉就可生产出1mL氢。氢和少量燃料混合即可替代汽油、柴油。这样，机动装备只需要带少量的淀粉，就能进行长时间、远距离的机动作战。日本、加拿大等国把细菌和真菌引入酵母，酶解纤维生产酒精，或用基因工程方法使大肠杆菌把葡萄糖转化为酒精，代替汽油或柴油，可随时为军队的机动装备提供大量的生物燃料。

6.军用生物装备

利用生物技术就地取材提供高能量的作战军需品。如美国陆军研究发展和工程中心已经从织网蜘蛛中分离出合成蜘蛛丝的基因，从而能够生产蛛丝，还将基因转移到细菌中生产可溶性丝蛋白，经浓缩后可纺成一种特殊的纤维，其强度超过钢，可用于生产防弹背心、防弹头盔、降落伞绳索和其他高强度轻型装备。此外，用于武器装备维修的生物粘合剂和用于舰船防腐、防污的生物涂料的研究目前都取得了较大进展。

7.军用生物医药

生物技术可以制造新的疫苗、药物和产生新的医疗方法。如利用生物技术生产血液代用品，已受到西方国家军方的重视，人造血液可望缓解战场上血浆供需的矛盾。利用生物技术生产的高效伤口愈合材料，有望进行大规模生产。科学家正研究用重组工程菌进一步提高甲壳多糖(有促进伤口愈合功能)的产量。美国一些公司与陆军医疗中心正在从事用生物技术合成“人造皮肤”的研制工作。

8.军用仿生动力

人和动物的肌肉具有惊人的力量。目前，军事仿生专家已用聚丙烯酸等聚合物制成了“人工肌肉”，把它放入碱或酸介质中，便能产生强烈的收缩或舒张，直接把化学能转变成机械能。为尽快制造出实用的肌肉发动机，专家们设想用胶原蛋白作材料。胶原蛋白分子呈螺旋状结构，类似弹簧。将其浸入溴化锂溶液后即迅速收缩，从而做功;用纯水洗去溴化锂，胶原蛋白就恢复到原来长度。这种“肌肉发动机”，没有齿轮、活塞和杠杆，故体积小，重量轻，无噪音，操作简便，还省去了体大笨重易燃易爆的油箱，用来制造兵器，可大大提高机动力和生存力。

9.军用动物武器

训练动物参战，自古有之。但人们运用生物工程技术，创造一些“智商”高、体力强、动作敏捷和繁殖速度快、饲养简单的动物，去充当“战斗动物兵”并非遥远。1992年，世界上第一头带有人类遗传特征的短吻、小眼睛、大耳朵，被称为“阿斯特里德”的猪在伦敦降生了。到第二年，英国就有37头猪带上了人类基因。科学家的目的是为了实现跨物种器官移植，以解决目前移植手术中器官来源不足的难题。但由此不难想象，随着基因技术的发展，用这一技术“杂交”出一些怪物，甚至“人”，完全是有可能的。

10.神经网络计算机

由于对人脑的神经细胞及其网络结构活动机制的研究取得重大突破，从20世纪80年代末开始，模仿这种机制运行的神经网络计算机的研制已迈出重要步伐。1989年，日本三菱电器公司试制出世界上第一台光学神经网络计算机，该机能识别26个字母。现在，在美国、日本、俄罗斯和西欧诸国，已有多种神经网络器件、神经网络软件包和神经网络计算机问世。美国国防部高级研究计划局认为：神经网络计算机是解决机器智能的惟一希望，因此决心像当年支持研制原子弹那样支持这方面的研究工作。美国的300多家大公司和许多大学正抓紧从事有关的研究工作。神经网络计算机在美国被列入国防科研项目之中，它在军事上可得到广泛的应用，如可用于景物的图像识别，雷达和声纳的信号处理，以及目标识别、自动控制系统、智能机器人等。

11.军用生物材料

生物材料具有重要的军事应用价值。军用生物材料是利用现代生物技术对传统材料进行改造或加工而生产出的具有特殊性能的军用材料。目前各国正在研究的生物材料有蛋白质纤维、塑料、粘合剂、涂料、弹性体、润滑剂、复合材料和光电材料等，预计在今后数十年内有多种生物材料可用于部队的装备。

此外，生物加工处理技术在军事领域也有广泛的应用。目前正在研究的课题有危险废物的生物降解、生物除雷、生物防核污染等。已经初步研制出了无腐蚀、低成本、高速度、便于携带的清洗生化战剂的生物酶，清除残余地雷、水雷，降解TNT炸药的生物体和能除去铀、镭、砷等有毒有害元素的微生物。

何谓试管婴儿技术

“试管婴儿”是指分别将卵子与精子取出后，在体外(培养皿中)使其受精，并发育成胚胎后，再植回母体子宫内。因此，胚胎在体外培养的时间只有几天，最重要的目的是确定精卵能结合成功，并筛选好的胚胎植回母体，以增加怀孕成功的机会。

“试管婴儿”技术主要包括：

1.超排卵 　　 2.卵泡监测

3.取卵手术 　　 4.精卵体外处理

5.体外受精 　　 6.胚胎的体外培养

7.胚胎移植

“试管婴儿”技术是一项高、精、尖技术，需要具备一组有经验及专门技术的人员，一定的仪器，必需的药品。“试管婴儿”费用包括药物费用及手术费用，由于促排卵的药品费用较高，卵子受精、胚胎发育所需外界条件高，所以做一例“试管婴儿”的费用也较高。因为每一名患者所用的药物剂量不同，所以每个做IVF的患者所需的费用也有所不同，一般来讲，年龄轻、卵巢反应性好的患者需要的费用较低，具体费用应向生殖医学中心的医生咨询。

“试管婴儿”的成功率是大家非常关心的一个问题，一般情况下，一对正常育龄夫妻每月的自然妊娠机率不超过27%，通俗一点，就是说每对夫妇不是每个月想要小宝宝都能得到的。同样“试管婴儿”也不是每个治疗周期都会成功，我所目前“试管婴儿”的成功率为37%，这一比例在国内居领先水平。国外好的辅助生殖中心“试管婴儿”的成功率一般为30～40%。

目前“试管婴儿”技术可帮助几乎所有类型的不孕症患者，但由于其费用较高，尚难以在国内普及，但我们认为如果存在需要进行“试管婴儿”技术助孕的指征，应及早来辅助生殖中心诊治，以提高其成功率。

话说“克隆”

一.克隆知识问答：

1.什么是克隆?

克隆的定义是独立细胞繁殖系，指后代完全由一个细胞复制，具有完全相同的遗传物质。它是特制一种生物学操作。

2.单性繁殖就是克隆吗?

克隆是无性繁殖，但无性繁殖不一定就是克隆。且不说植物，就是许多低等动物，都可以在雌雄同体的情况下，进行孤雌生殖，由于有雌、雄配子的结合，染色体进行了交换，它的后代的遗传表现产生了变化。高等动物中，火鸡也可以自我孤雌生殖，且发生频率颇高。但那不是克隆。

3.无性繁殖是克隆么?

也不一定。即使是无性繁殖，也不能保证染色体不发生变化。

4.可以利用克隆技术来挽救濒危动物吗?

一般来说，不可以。挽救濒危动物需要提高他们的繁殖能力。而克隆做的是另外一件事情：得到遗传结构完全相同的后代;而且克隆技术无论如何都是一个降低繁殖能力的办法。值得注意的是，我们应当尽快保存那些濒危动物尽量多个体的活细胞，也许技术的进步可使他们在以后得到挽救。如中国不支持克隆大熊猫的三个理由:一、克隆大熊猫本身还有缺陷或者说不很完善、成熟。特别是在异种动物的克隆技术上的困难更多，比如在其他家畜上的研究表明，一般情况下异种动物克隆的胚胎发育到囊胚阶段后就会停止发育，这个问题到现在无法解决。二、就现在成功的克隆动物研究例子来说，其成功率也极低，异种动物的克隆目前尚未有个体成活的报道。三、即使克隆技术完善了，异种动物的克隆技术成功了，类似大熊猫这样的濒危物种也不可能靠其得到拯救。因为克隆动物只是个体的复制，它根本无利物种本身的遗传多样性保护。与其把有限的资金花到这种前景不明的项目，不如集中精力搞好大熊猫就地和异地保护。目前鼓动大熊猫克隆之说，无异于舍本求末。

5.克隆是遗传学的重大突破吗?

克隆不是遗传学范畴的事情。他是一种繁殖技术。大家现在所说的克隆,实际是指核移植。就是将一个动物的细胞核，移植到卵细胞中，并发育生长。

6.什么是核移植?

就是将一个动物的细胞核，移植到卵细胞中，并发育生长。我国的农业科学院畜牧研究所早在90脑袋初就成功地进行了牛胚胎细胞核移植，小牛生长情况良好。

7.为什么说英国罗斯林研究所克隆的多利羊是一个突破?

过去的看法认为，高等动物的成熟个体的细胞已经高度分化，已经不能够再象最开始的胚胎细胞那样，继续分化。但是多利羊的获得改变了这一看法。当然,他们采取了一定技术措施使分化后的提细胞核休眠。

8.对于哺乳动物，都有哪些克隆的方法?

有一些克隆是天然的。比如同卵双胞胎，就是一个胚胎，由于某种原因裂为两个，他们各自形成一个个体。胚胎切割也是一种克隆的方法。将一个有几十个细胞的胚胎切成两份、四份甚至八份，每份都可以成长为一个个体，他们的遗传结构是完全相同的。这是一个比较古老的技术，70-80年代就很成熟了。有技术高超者，左手拿放大镜，右手拿刀片就可以完成这个工作。胚胎细胞的核移植是一种方法。成体细胞的核移植又是一种方法。

9.克隆有什么实际意义?

克隆出来的动物个体具有完全相同的遗传结构，他的意义在于：A生物学和医药研究。B获得更多的优秀动物个体用于生产。C成体细胞核移植的意义在于，他可以复制生产高价药物的动物。这也是克隆技术发展的动力所在。

10.可以克隆人吗?

当然可以，用胚胎切割的方法就可以了?即使是成体细胞核移植，在理论上也是可以的。技术上还没有看到什么不可逾越障碍。韩国的科学家已经做了先导实验，成功了，不过他们没有让这个人长大成人。但是，很多国家都禁止这种克隆人的产生。

11.克隆动物会不会早衰?

不能确定.2002年2月11日，日本国立传感病研究所的科学家小仓淳郎通过饲养实验发现，体细胞克隆鼠的寿命要比一般老鼠短。这使得克隆动物是否早衰的争论又趋激烈。小仓淳郎在1999年3月至9月间，使用精巢体细胞培育出12只雄性克隆鼠，然后在同样条件下对它们和普通老鼠进行饲养，结果是，在出生后311天第一只克隆鼠死亡，在800天内，12只克隆鼠死去10只，而7只普通老鼠在800天内仅有1只死亡。1996年7月5日诞生的克隆羊多利的一举一动都为世人关注。1999年5月27日，培育多利羊的英国PPL医疗公司和罗斯林研究所科学家组成的一个研究小组宣布，多利的染色体端粒长度比同年龄普通绵羊要短。这意味着多利可能会比普通绵羊更快地走向衰老和死亡，表明了现有克隆技术的局限性。1月4日，英国罗斯林研究所透露，多利最近被发现患有关节炎。这引起了人们对克隆动物健康问题的新关注。研究人员不能确定多利患病的原因究竟是克隆过程造成的遗传缺陷，还是纯属偶然，这件事情可能永远也弄不清楚。不过，多利在其他方面健康状况良好，并已生育了6只健康的小羊羔，研究人员将继续密切关注它的健康。多利也常在电视上露面，它看上去状态良好，很有活力。科学家宣布多利羊出现早衰迹象之后的一年，全世界对这一问题并没有拿出确凿的证据证明是否所有克隆动物都会早衰，也没有证明多利是否只是一个早衰特例，甚至也没有证明多利羊肯定会早衰。出现这种现象的主要原因是当时克隆动物太少，而且对此进行研究也需要一定的时间。不过一年多后，美国洛克菲勒大学的科学家宣布，他们在培育出连续6代克隆鼠后发现，克隆动物的染色体端粒不一定比正常动物更短，因而未必会早衰。克隆技术是否会导致健康方面的缺陷，还需要做进一步研究。

12.克隆动物为什么成功率很低?

以培育出克隆羊多利而闻名的苏格兰罗斯林研究所的科学家最近提出，克隆动物成功率低，有可能是人工操作过程使动物基因丢失了一个或多个甲基所致。　　迄今为止，克隆试验的成功率始终很低。例如，在培育多利的过程中，科学家共克隆出277个绵羊胚胎，最终成功使母羊受孕并生产的只有多利一个。此外，克隆动物夭折率高，与不少克隆动物天生患有疾病或体形过大有关。

罗斯林研究所的科学家发现，在实验室中对绵羊胚胎进行操作的过程中，会使某些基因丢失一些甲基。每个甲基包含一个碳原子和三个氢原子，它们附着在基因上。丢失几个甲基对基因来说只是微小的变化，但这已经足以改变基因控制产生相应蛋白质的能力，从而影响到动物的健康状况和生存能力。

二.动物克隆大事记

1938年，德国科学家HansSpemann建议用成年的细胞核植卵子的方法进行哺乳动物克隆。

1952年，英国的Briggs和King开始克隆青蛙，虽未能成功，但开始寻找克隆技术。

1962年，英国剑桥大学的Gurdon宣布他用1个成年蛙细胞克隆出1只蝌蚪，从而引发了关于克隆的第一轮辩论。

1965年，中国实验胚胎学家童第周完成了金鱼核移植并获得成功。1983年，美国科学家Mcgrath和Solter克隆出小鼠。

1984年，丹麦科学家Willadsen用胚胎细胞克隆出1只羊，这是第一例得到证实的通过核移植技术克隆出的哺乳动物。

1993年，美国的First用牛胚团细胞成功获得克隆牛。

1996年，英国人IanWilmut成功获得体细胞克隆羊“多利”，这是世界上第一例利用成年体细胞核获得的克隆动物。

1997年，中国学者孟励在美国用胚胎细胞克隆猴获得成功。

1998年，日本科学家Kato等用牛的输卵管细胞得到克隆牛。

1998年，美国人Yanagimachi领导的研究小组用克隆鼠的卵丘细胞核作供体，获得了克隆再克隆小鼠。

1998年，一个多国联合科学小组用1个人的腿部体细胞与1个奶牛的卵细胞结合，成功克隆了1个人的胚胎，但只“生活”发育了12d就被有意毁掉。

1998年～1999年，美国人White用珍稀动物盘羊的体细胞核与牛卵结合;韩国的黄禹锡将白头山老虎体细胞核与牛卵结合;我国学者陈大元将大熊猫体细胞核与兔卵结合，均成功克隆出早期胚胎。

2000年，美籍华裔学者杨向中领导的研究小组利用17岁公牛耳部皮肤的成纤维细胞成功获得克隆牛。

2000年，美国科学家成功地克隆出首例灵长类动物——一只恒河短尾猴“泰特拉(Tetra)”。与其它动物克隆不同的是，“泰特拉”未用细胞核移植技术，而是采用胚胎分解的方法，将受精卵培育卵裂至8个细胞时将其分离，每2个细胞分为一部分，共分为4部分，并分别植入4个“代理母亲”子宫中，结果有一个“代理母亲”成功生下了“泰特拉”，这意味着克隆人类已没有技术障碍。

2000年6月22日，我国生物胚胎专家张涌在西北农林科技大学种羊场顺利接生了1只雌性体细胞克隆山羊“阳阳”。“阳阳”经自然受孕后，并于2001年8月8日产下一对混血儿女，雄性叫“欢欢”，雌性叫“庆庆”，都是体细胞克隆山羊“阳阳”与世界首批胚胎克隆山羊交配的后代。“阳阳”的生产可以证明体细胞克隆山羊和胚胎克隆山羊具有与普通山羊一样的生育繁殖能力。

2001年，美、意科学家联手展开克隆人的工作，但遭到国际社会的普遍反对。

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