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从自然界的设计学习

从自然界的设计学习

 从自然界的设计学习

“许多杰出的发明要不是从其他生物抄袭过来,就是模仿它们早已晓得的本领。”——菲尔·盖茨,《野生科技》。

正如上文提到,科学家研究仿生学的目的,是希望通过模仿大自然的生物,制造出更多复合材料和机器来。大自然在制造过程中从不会造成污染,天然的东西也往往富弹性、轻巧,却同时非常坚固。

举个例,同重量的骨头比钢还要坚固。个中的奥妙是什么呢?骨头的形状设计巧妙是原因之一,但主要原因却更深一层:牵涉到分子层面。盖茨说:“生物优秀的地方,在于其设计和微小成分的组合方式。”科学家细看这些微小成分,分隔出各种各样的天然复合材料,骨头坚固、丝绸轻软都全赖它们,叫科学家对它们又羡又妒。

神奇的复合材料

复合材料是由两种或多种不同材料制成的结构材料,其特性比原来的材料要优越得多。合成玻璃纤维 *可以说明这点。这种材料常常用来制造船身、鱼竿、弓箭和其他运动用品。玻璃纤维的制造过程简述如下:纤细的玻璃纤维丝给放在液体或果冻般的塑料(聚合物)里,一旦凝固,就成了又轻又坚固、弹性极好的复合材料。在这个例子当中,塑料称为基质。只要更换纤维或基质,就可以制造出林林总总的复合材料。当然,跟人类或动植物当中找到的天然复合材料相比,人造的复合材料只是小巫见大巫而已。

以人类和动物来说,巩固皮肤、肠脏、软骨、腱、骨头和牙齿(珐琅质除外)的复合材料,是以称为胶原蛋白的纤维蛋白为主的,而不是以玻璃纤维丝或碳纤维丝为主。 *一份参考 文献说,以胶原蛋白为主的复合物是“迄今所知最先进的结构材料之一”。

且以腱为例。腱使肌肉附在骨头上,它不仅含有大量胶原纤维,坚韧有力,纤维的扭缠方式更是别出心裁。雅尼娜·拜纽什在《仿生学》里写道,腱“在各方面都精确得叫人难以置信。前臂的腱是一捆扭曲的缆索,就像吊桥的缆索一样。每条缆索是一捆较细、呈扭曲状的缆索;这些较细的缆索由扭曲的分子组成,而分子自然也是由一些呈螺旋形的原子构成的。腱的结构一次又一次地显出精确的美”。拜纽什说:“这是工程学杰作。”科学家说他们的灵感取自大自然,这又何足怪呢?——请参阅约伯记40:15,17

上文提到,人造的复合材料很容易给天然的比下去,但人造材料也不能小觑。事实上,在过去25年最杰出的十项工程成就当中,人造材料 也榜上有名。举个例,人们用石墨纤维或碳纤维造成的复合材料,制造出新一代的飞机和太空船配件、运动用品、一级方程式赛车、帆船和轻巧的义肢等。以复合材料制造的东西愈来愈多,以上胪列的只是一小部分而已。

功用繁多、神奇的泡沫脂

鲸鱼和海豚的身躯都给泡沫脂包住,却“身在福中不知福”。泡沫脂是种奇妙的脂肪组织。《仿生学:设计与材料处理》说:“鲸鱼的泡沫脂也许是已知功用最多的物质。”这本书解释,全赖泡沫脂的惊人浮力,鲸鱼才能浮上水面呼吸。泡沫脂能御寒,更是上佳的粮食储备。由于脂肪释出的能量是同重量的蛋白质或糖类所释出的两到三倍,鲸鱼迁徙时即使饿着肚子,要游数千英里也绝不成问题。

《仿生学》也说:“泡沫脂挺像橡胶,弹力十足。据目前最准确的估计,鲸鱼每次摆动尾巴,富弹性的泡沫脂就会压缩、伸展,从而加快速度;长时间游泳的鲸鱼也许因而节省高达百分之20的能量。”

人们从鲸鱼等身上割下泡沫脂已有好几百年,但科学家近来才发现,泡沫脂大概有一半是所有动物身上都找得着的复合胶原纤维。科学家虽然仍然在研究阶段,却已认定泡沫脂妙不可言,要是能以人工方式仿制,就会用途更广。

八条腿的天才工程师

近年来,科学家也一直仔细研究蜘蛛,好了解它们怎样造丝。蜘蛛丝是复合物。诚然,不少昆虫都会造丝,但蜘蛛造的丝却与众不同。蜘蛛丝不但是世上最坚韧的物质之一,还具有看来数之不尽的奇妙特性,难怪一个从事科学写作的人曾夸赞蜘蛛丝,说它是“人们梦寐以求的”。

为什么科学家对蜘蛛丝交口称誉呢?蜘蛛丝比钢要坚韧五倍,而且极富弹性;这样的组合在物质当中十分罕见。跟弹性一流的尼龙相比,蜘蛛丝能伸延多百分之30,但它却不会像弹床般把猎物弹回半空去。《科学通讯》季刊说:“用人比作蜘蛛来看,像渔网般大小的蜘蛛网能捕获一架客机。”

试想象一下,如果科学家能模仿蜘蛛高超的造丝技术(有两种蜘蛛甚至 能造出七种不同的丝),可以把原理应用在哪些方面,他们也许可以把安全带、缝线、人造韧带大大改良,或制造出又细又牢固却极轻的绳子和电缆,以及防枪弹布料等,这些不过是几个可能性而已。另外,蜘蛛造丝的效率奇高,却无须用上有毒的化学物质,这也在科学家研究的范围内。

天然变速箱和喷射引擎

今天,变速箱和喷射引擎令世界充满动力,但你可知道,这类东西在自然界里是再寻常不过的?先说说变速箱吧。人可以借助变速箱改变车速,随心所欲地驾驭汽车。天然变速箱也大同小异,只是它把翅膀跟翅膀连接起来,而不是把轮子和引擎连接起来。这样的例子哪儿找得着呢?家蝇就是一例。家蝇体内有个连接着翅膀的变速箱,有三种速度供选择,因而能够在飞舞时任意改变速度!

鱿鱼、章鱼和鹦鹉螺,都利用喷射推进的原理在水中畅泳。科学家对这类喷射引擎钦羡不已。为什么?这些引擎由柔软的组织构成,却不易折断,可以在深海里使用,效率高,而且运作 时寂静无声。事实上,鱿鱼逃避捕猎者时,能以高达32公里的时速喷射前进。《野生科技》说,鱿鱼“有时更跃出水面,或掉在甲板上”。

的确,只要你花点时间,沉思一下大自然的点点滴滴,就会禁不住心生敬畏、赏识之情。大自然是个活的谜,引发的问题多不胜数:萤火虫和若干藻类发出的灿烂冷光,是哪种奇妙的化学物质促成的?在北极,鱼、蛙冬季时都给冰封了,解冻后是怎样活跃起来的?鲸鱼、海豹怎可以长期留在海底而不用呼吸器呢?它们怎能一次又一次潜入深海,却没有患上俗称潜水夫病的减压症?变色蜥蜴(变色龙)和墨鱼怎样改变颜色,使自己跟四周融为一体?蜂鸟飞越墨西哥湾,消耗的燃料少于3克,是怎么一回事呢?这类问题仿佛没完没了。

不错,科学家只好继续观察、研究,推敲个中原因。《仿生学》说,科学家研究大自然时,“敬畏之心”往往油然而生。

设计背后有位设计者!

生物化学副教授迈克尔·贝赫说,有关活细胞的最新发现,“像个清晰嘹亮的声音,说:‘这是设计出来 的!’”贝赫也说,从研究工夫得出的这个结论“清清楚楚、深具意义,非把它列为科学发展史上一项重大成就不可”。

可想而知,对支持进化论的人来说,这类证据教他们困惑不已,因为进化论无法解释生物绝妙设计的由来,说到细胞或分子层面时,进化论者更是哑口无言。贝赫说:“我们有强有力的理由相信,达尔文就生物机制所作的一番解释,终有一天会证明是无稽之谈。”

在达尔文的日子,人们知识有限,以为活细胞(生命的基本单位)结构简单,才孕育出进化论这样的学说来。但情况已今非昔比了。分子生物学和仿生学都提出铁一般的证据,证明细胞异常复杂,设计精巧完美,令人类发明最精致的小机械或机器相形之下黯然失色。

贝赫说,看到这么高明的设计,明白事理的人都会颔首同意,“生命是由聪慧的一位设计出来的”。若然,设计背后是有明确目的,设计者对人类也定有旨意,不也是合情合理的吗?那么,他的旨意是什么?我们可以对他多认识一点吗?下一篇文章会探讨这些意义重大的问题。

[脚注]

^ 6段 一般人都把由塑料和玻璃纤维丝合成的复合材料称为玻璃纤维,但严格来说,玻璃纤维所指的是复合材料当中的玻璃纤维丝。

^ 7段 植物里的复合材料以纤维素为主。木材里的纤维素令木材优点多多,极适合当建筑材料。纤维素曾被誉为“富张力,其他材料难以媲美”。

[第5页的附栏]

绝种苍蝇与太阳能板

《新科学家》周刊一篇报道说,一个科学家参观博物馆时,看到一些给琥珀保存下来的苍蝇的图片,而这种苍蝇已经绝种。科学家细看图片,发现苍蝇的眼睛有一连串衍射光栅,想到很可能是因为光栅,苍蝇的眼睛才得以接收到更多的光,尤其能接收那些斜斜射进的光。于是,科学家跟其他研究人员开始进行实验,结果证实他们的想法没错。

科学家们旋即计划,尝试在太阳能板的玻璃上套用同样的衍射光栅模式,好使太阳能板接收到更多太阳能。试验一旦成功,他们目前运用的昂贵追踪系统,也许就可以搁在一旁了。这类追踪系统使太阳能板一天到晚都向着太阳。不但这样,人们到时也许能少用点煤、汽油或天然气等,污染更随之减少,因此试验绝对是物有所值的。显然,这类发现叫人意识到,大自然是个名副其实的宝库,卓越设计俯拾即是,只待人们发掘、了解,要是能加以模仿,对人类将有很大贡献。

[第6页的附栏]

饮水思源

1957年,瑞士工程师乔治·梅斯特拉尔留意到,紧紧附在他衣服上的刺果布满小钩。梅斯特拉尔仔细端详刺果和小钩,灵机一动,经过八年苦心研究后,终于设计出一种跟刺果相似的合成物。他的发明旋即震惊全球。他发明了什么?就是今天家喻户晓的尼龙黏带(俗称魔术贴)。

试想象一下,如果有人说尼龙黏带不是刻意发明,而是人在工作间发生了数千次意外而得出的成果,梅斯特拉尔会有什么感觉呢?显然,人要是公正合理,就会把功劳归于应得的人。发明家常常为发明申请专利权,以保障个人利益。老实说,他们不少都只是抄袭大自然原有的设计,制造出次等的东西来,却已名利双收,甚至受人称颂。若然,设计大自然的那一位聪慧造物主,不是更值得赞扬吗?

[第5页的图片]

同重量的骨头比钢还要坚固

[鸣谢]

Anatomie du gladiateur combattant...., Paris, 1812, Jean-Galbert Salvage

[第7页的图片]

鲸鱼的泡沫脂提供浮力、能御寒,还可以充当粮食储备

[鸣谢]

© Dave B. Fleetham/ Visuals Unlimited

[第7页的图片]

鳄鱼和短吻鳄的皮能折矛屈箭,令子弹改道

[第7页的图片]

蜘蛛丝比钢坚韧五倍,而且极富弹性

[第8页的图片]

啄木鸟的头骨密度极高,能减震

[第8页的图片]

变色蜥蜴能改变肤色,跟四周融为一体

[第8页的图片]

鹦鹉螺的腔构造独特,有助于调校浮力

[第9页的图片]

红玉喉北蜂鸟飞行1000公里,消耗的燃料少于3克

[第9页的图片]

鱿鱼利用喷射推进原理在水中畅泳

[第9页的图片]

萤火虫发出的灿烂冷光是由奇妙的化学物质促成的

[鸣谢]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited