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從自然界的設計學習

從自然界的設計學習

 從自然界的設計學習

「許多傑出的發明要不是從其他生物抄襲過來,就是模仿牠們早已曉得的本領。」——菲爾·蓋茨,《野生科技》。

正如上文提到,科學家研究仿生學的目的,是希望通過模仿大自然的生物,製造出更多複合材料和機器來。大自然在製造過程中從不會造成污染,天然的東西也往往富彈性、輕巧,卻同時非常堅固。

舉個例,同重量的骨頭比鋼還要堅固。箇中的奧妙是什麼呢?骨頭的形狀設計巧妙是原因之一,但主要原因卻更深一層:牽涉到分子層面。蓋茨說:「生物優秀的地方,在於其設計和微小成分的組合方式。」科學家細看這些微小成分,分隔出各種各樣的天然複合材料,骨頭堅固、絲綢輕軟都全賴它們,叫科學家對它們又羨又妒。

神奇的複合材料

複合材料是由兩種或多種不同材料製成的結構材料,其特性比原來的材料要優越得多。合成玻璃纖維 *可以說明這點。這種材料常常用來製造船身、魚竿、弓箭和其他運動用品。玻璃纖維的製造過程簡述如下:纖細的玻璃纖維絲給放在液體或果凍般的塑料(聚合物)裡,一旦凝固,就成了又輕又堅固、彈性極好的複合材料。在這個例子當中,塑料稱為基質。只要更換纖維或基質,就可以製造出林林總總的複合材料。當然,跟人類或動植物當中找到的天然複合材料相比,人造的複合材料只是小巫見大巫而已。

以人類和動物來說,鞏固皮膚、腸臟、軟骨、腱、骨頭和牙齒(琺瑯質除外)的複合材料,是以稱為膠原蛋白的纖維蛋白為主的,而不是以玻璃纖維絲或碳纖維絲為主。 *一份參考 文獻說,以膠原蛋白為主的複合物是「迄今所知最先進的結構材料之一」。

且以腱為例。腱使肌肉附在骨頭上,它不僅含有大量膠原纖維,堅韌有力,纖維的扭纏方式更是別出心裁。雅尼娜·拜紐什在《仿生學》裡寫道,腱「在各方面都精確得叫人難以置信。前臂的腱是一捆扭曲的纜索,就像吊橋的纜索一樣。每條纜索是一捆較細、呈扭曲狀的纜索;這些較細的纜索由扭曲的分子組成,而分子自然也是由一些呈螺旋形的原子構成的。腱的結構一次又一次地顯出精確的美」。拜紐什說:「這是工程學傑作。」科學家說他們的靈感取自大自然,這又何足怪呢?——請參閱約伯記40:15,17

上文提到,人造的複合材料很容易給天然的比下去,但人造材料也不能小覷。事實上,在過去25年最傑出的十項工程成就當中,人造材料 也榜上有名。舉個例,人們用石墨纖維或碳纖維造成的複合材料,製造出新一代的飛機和太空船配件、運動用品、一級方程式賽車、帆船和輕巧的義肢等。以複合材料製造的東西愈來愈多,以上臚列的只是一小部分而已。

功用繁多、神奇的泡沫脂

鯨魚和海豚的身軀都給泡沫脂包住,卻「身在福中不知福」。泡沫脂是種奇妙的脂肪組織。《仿生學:設計與材料處理》說:「鯨魚的泡沫脂也許是已知功用最多的物質。」這本書解釋,全賴泡沫脂的驚人浮力,鯨魚才能浮上水面呼吸。泡沫脂能禦寒,更是上佳的糧食儲備。由於脂肪釋出的能量是同重量的蛋白質或糖類所釋出的兩到三倍,鯨魚遷徙時即使餓著肚子,要游數千英里也絕不成問題。

《仿生學》也說:「泡沫脂挺像橡膠,彈力十足。據目前最準確的估計,鯨魚每次擺動尾巴,富彈性的泡沫脂就會壓縮、伸展,從而加快速度;長時間游泳的鯨魚也許因而節省高達百分之20的能量。」

人們從鯨魚等身上割下泡沫脂已有好幾百年,但科學家近來才發現,泡沫脂大概有一半是所有動物身上都找得著的複合膠原纖維。科學家雖然仍然在研究階段,卻已認定泡沫脂妙不可言,要是能以人工方式仿製,就會用途更廣。

八條腿的天才工程師

近年來,科學家也一直仔細研究蜘蛛,好了解牠們怎樣造絲。蜘蛛絲是複合物。誠然,不少昆蟲都會造絲,但蜘蛛造的絲卻與眾不同。蜘蛛絲不但是世上最堅韌的物質之一,還具有看來數之不盡的奇妙特性,難怪一個從事科學寫作的人曾誇讚蜘蛛絲,說它是「人們夢寐以求的」。

為什麼科學家對蜘蛛絲交口稱譽呢?蜘蛛絲比鋼要堅韌五倍,而且極富彈性;這樣的組合在物質當中十分罕見。跟彈性一流的尼龍相比,蜘蛛絲能伸延多百分之30,但它卻不會像彈床般把獵物彈回半空去。《科學通訊》季刊說:「用人比作蜘蛛來看,像漁網般大小的蜘蛛網能捕獲一架客機。」

試想像一下,如果科學家能模仿蜘蛛高超的造絲技術(有兩種蜘蛛甚至 能造出七種不同的絲),可以把原理應用在哪些方面,他們也許可以把安全帶、縫線、人造韌帶大大改良,或製造出又細又牢固卻極輕的繩子和電纜,以及防槍彈布料等,這些不過是幾個可能性而已。另外,蜘蛛造絲的效率奇高,卻無須用上有毒的化學物質,這也在科學家研究的範圍內。

天然變速箱和噴射引擎

今天,變速箱和噴射引擎令世界充滿動力,但你可知道,這類東西在自然界裡是再尋常不過的?先說說變速箱吧。人可以借助變速箱改變車速,隨心所欲地駕馭汽車。天然變速箱也大同小異,只是它把翅膀跟翅膀連接起來,而不是把輪子和引擎連接起來。這樣的例子哪兒找得著呢?家蠅就是一例。家蠅體內有個連接著翅膀的變速箱,有三種速度供選擇,因而能夠在飛舞時任意改變速度!

魷魚、章魚和鸚鵡螺,都利用噴射推進的原理在水中暢泳。科學家對這類噴射引擎欽羨不已。為什麼?這些引擎由柔軟的組織構成,卻不易折斷,可以在深海裡使用,效率高,而且運作 時寂靜無聲。事實上,魷魚逃避捕獵者時,能以高達32公里的時速噴射前進。《野生科技》說,魷魚「有時更躍出水面,或掉在甲板上」。

的確,只要你花點時間,沉思一下大自然的點點滴滴,就會禁不住心生敬畏、賞識之情。大自然是個活的謎,引發的問題多不勝數:螢火蟲和若干藻類發出的燦爛冷光,是哪種奇妙的化學物質促成的?在北極,魚、蛙冬季時都給冰封了,解凍後是怎樣活躍起來的?鯨魚、海豹怎可以長期留在海底而不用呼吸器呢?牠們怎能一次又一次潛入深海,卻沒有患上俗稱潛水夫病的減壓症?變色蜥蜴(變色龍)和墨魚怎樣改變顏色,使自己跟四周融為一體?蜂鳥飛越墨西哥灣,消耗的燃料少於3克,是怎麼一回事呢?這類問題彷彿沒完沒了。

不錯,科學家只好繼續觀察、研究,推敲箇中原因。《仿生學》說,科學家研究大自然時,「敬畏之心」往往油然而生。

設計背後有位設計者!

生物化學副教授邁克爾·貝赫說,有關活細胞的最新發現,「像個清晰嘹亮的聲音,說:『這是設計出來 的!』」貝赫也說,從研究工夫得出的這個結論「清清楚楚、深具意義,非把它列為科學發展史上一項重大成就不可」。

可想而知,對支持進化論的人來說,這類證據教他們困惑不已,因為進化論無法解釋生物絕妙設計的由來,說到細胞或分子層面時,進化論者更是啞口無言。貝赫說:「我們有強有力的理由相信,達爾文就生物機制所作的一番解釋,終有一天會證明是無稽之談。」

在達爾文的日子,人們知識有限,以為活細胞(生命的基本單位)結構簡單,才孕育出進化論這樣的學說來。但情況已今非昔比了。分子生物學和仿生學都提出鐵一般的證據,證明細胞異常複雜,設計精巧完美,令人類發明最精緻的小機械或機器相形之下黯然失色。

貝赫說,看到這麼高明的設計,明白事理的人都會頷首同意,「生命是由聰慧的一位設計出來的」。若然,設計背後是有明確目的,設計者對人類也定有旨意,不也是合情合理的嗎?那麼,他的旨意是什麼?我們可以對他多認識一點嗎?下一篇文章會探討這些意義重大的問題。

[腳注]

^ 6段 一般人都把由塑料和玻璃纖維絲合成的複合材料稱為玻璃纖維,但嚴格來說,玻璃纖維所指的是複合材料當中的玻璃纖維絲。

^ 7段 植物裡的複合材料以纖維素為主。木材裡的纖維素令木材優點多多,極適合當建築材料。纖維素曾被譽為「富張力,其他材料難以媲美」。

[第5頁的附欄]

絕種蒼蠅與太陽能板

《新科學家》週刊一篇報導說,一個科學家參觀博物館時,看到一些給琥珀保存下來的蒼蠅的圖片,而這種蒼蠅已經絕種。科學家細看圖片,發現蒼蠅的眼睛有一連串衍射光柵,想到很可能是因為光柵,蒼蠅的眼睛才得以接收到更多的光,尤其能接收那些斜斜射進的光。於是,科學家跟其他研究人員開始進行實驗,結果證實他們的想法沒錯。

科學家們旋即計劃,嘗試在太陽能板的玻璃上套用同樣的衍射光柵模式,好使太陽能板接收到更多太陽能。試驗一旦成功,他們目前運用的昂貴追蹤系統,也許就可以擱在一旁了。這類追蹤系統使太陽能板一天到晚都向著太陽。不但這樣,人們到時也許能少用點煤、汽油或天然氣等,污染更隨之減少,因此試驗絕對是物有所值的。顯然,這類發現叫人意識到,大自然是個名副其實的寶庫,卓越設計俯拾即是,只待人們發掘、了解,要是能加以模仿,對人類將有很大貢獻。

[第6頁的附欄]

飲水思源

1957年,瑞士工程師喬治·梅斯特拉爾留意到,緊緊附在他衣服上的刺果布滿小鉤。梅斯特拉爾仔細端詳刺果和小鉤,靈機一動,經過八年苦心研究後,終於設計出一種跟刺果相似的合成物。他的發明旋即震驚全球。他發明了什麼?就是今天家喻戶曉的尼龍黏帶(俗稱魔術貼)。

試想像一下,如果有人說尼龍黏帶不是刻意發明,而是人在工作間發生了數千次意外而得出的成果,梅斯特拉爾會有什麼感覺呢?顯然,人要是公正合理,就會把功勞歸於應得的人。發明家常常為發明申請專利權,以保障個人利益。老實說,他們不少都只是抄襲大自然原有的設計,製造出次等的東西來,卻已名利雙收,甚至受人稱頌。若然,設計大自然的那一位聰慧造物主,不是更值得讚揚嗎?

[第5頁的圖片]

同重量的骨頭比鋼還要堅固

[鳴謝]

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

[第7頁的圖片]

鯨魚的泡沫脂提供浮力、能禦寒,還可以充當糧食儲備

[鳴謝]

© Dave B. Fleetham/ Visuals Unlimited

[第7頁的圖片]

鱷魚和短吻鱷的皮能折矛屈箭,令子彈改道

[第7頁的圖片]

蜘蛛絲比鋼堅韌五倍,而且極富彈性

[第8頁的圖片]

啄木鳥的頭骨密度極高,能減震

[第8頁的圖片]

變色蜥蜴能改變膚色,跟四周融為一體

[第8頁的圖片]

鸚鵡螺的腔構造獨特,有助於調校浮力

[第9頁的圖片]

紅玉喉北蜂鳥飛行1000公里,消耗的燃料少於3克

[第9頁的圖片]

魷魚利用噴射推進原理在水中暢泳

[第9頁的圖片]

螢火蟲發出的燦爛冷光是由奇妙的化學物質促成的

[鳴謝]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited