《自然》稱仿生學呼喚生物學家

　　 上世紀40年代末，瑞士工程師George de Mestral在清理狗毛上粘的毛刺后受到啟發，發明了維可牢。50年后，熱衷于觀鳥的日本工程師Eiji Nakatsu設計出一種車頭形似翠鳥鳥喙、符合空氣動力學特征的高速列車。

　　過去10年間，對此類生物靈感和仿生學的興趣陡然增加。生物靈感和仿生學是從建筑、材料設計到機器人學和工程化組織的應用中對生物學特征或系統的模仿。這股熱潮可能因廉價、易用的基因組編輯工具CRISPR－Cas9的出現而得以放大。CRISPR－Cas9極大地展示了改變生物體及其產品的可能性。

　　仿生學在近年來取得的成功包括對形成細胞膜中氣孔的蛋白——水通道蛋白分子的模仿以脫鹽；轉基因桑蠶產生的蛛絲；研發出同光合作用中成分類似的催化劑提高太陽能發電效率。

　　美國明尼蘇達大學生態學、進化和行為學助理教授Emilie Snell-Rood設計了仿生學課程，并且正在利用蝴蝶開發針對健康的仿生學方法。近日，Snell-Rood在《自然》雜志撰文提出，從生物系統中尋找靈感的工程師、化學家和其他人應當同生物學家展開合作。

　　利用經驗

　　生物靈感將在解決同健康、能源效率和食品安全相關的一系列問題的努力中發揮重要作用。為實現這一前景，探索此類方法的研究人員需要更好地利用生物學家的知識和經驗，無論他們是生態學家、微生物學家，還是進化、生物體、細胞或分子領域的專家。

　　仿生學領域主要涉及到化學家、工程師和材料學家。在過去3個月里發表且被收錄在湯森路透“科學網”中關于仿生學的近300項研究中，只有不到8%擁有在生物系工作的作者——可將他們粗略視為“生物學家”。同時，在大多數關于仿生學的論文中，相關的生物多樣性受到冷遇。例如，在過去一年間發表的超過80%的仿生學論文中，研究人員只考慮了一個物種，或者僅通過一種寬泛的方式提到了諸如“細胞”或“酶”等某種生物學要素。更重要的是，在探尋多元化過程和系統的所有研究中，有很多相同的“選手”出現：壁虎、蜘蛛和蝴蝶。

　　目前約有150萬個物種得到描述，并且存在約900萬個真核生物物種。然而，探究仿生學方法的研究人員只是觸及了生物學靈感的表面。不過，來自所有學科分類的生物學家擁有非凡的知識儲備，能為探尋自然系統更加豐富的多樣性提供指導。此類知識還會幫助引導試驗方法。

　　一方面，對特定有機體生物學現象的理解能為開發特定應用提供靈感。例如，能活到30歲左右（這一數量級遠高于相關嚙齒類動物）的裸鼢鼠，可能擁有同治療諸如癌癥等年齡相關疾病存在關聯的適應性變化。實驗的確發現，一種胞外物質使裸鼢鼠的細胞能顯著對抗腫瘤。

　　另一方面，生物學家可將研究人員或許正在試圖解決的問題同特定物種、環境或進化條件匹配起來。例如，對支持利他主義演化的一般條件（比如有很高的可能性重復遇到能認出的某個人）的理解，或許可為如何設計建筑物和城市風光以更好地促進人們之間的合作提供見解。

　　比較研究消除模仿限制

　　尤其是進化生物學家能幫助仿生學研究人員利用整個物種“世系”，測試關于形式和功能如何同環境存在關聯的一般原則。例如，對蜘蛛進行的比較研究表明，蛛絲的不同結構特性隨著該物種適應不同環境而出現進化。

　　與此同時，比較研究暗含的方法還可能消除模仿特定特性時存在的限制。通過進化過程出現的特征，依賴于諸如遺傳變異的可用性等種種元素，因此從工程學的視角來看很少是完美的。例如，機器人學工程師不會將盲點包括進視覺系統中。為此，研究人員應當從多個系統中尋找靈感，比如在章魚中獨立進化出來的照相機式眼睛（像人眼一樣）就沒有盲點。在仿生學中引起興趣的很多特征，諸如壁虎護趾的干燥黏合或者蝴蝶翅膀絢麗的著色，都獨立進化了很多次。這為研究人員提供了方法，以產生某種感興趣的特征。

　　最后，生物學家能幫助仿生學研究人員探究使應用更加合理的過程。重現壁虎護趾的干燥黏合或者諸如鮑魚殼等復合材料的強度非常困難，因為其中涉及的結構性質很復雜。為大規模經濟高效地生產此類材料，一些仿生學研究人員轉而分析這些結構是如何建造的及其結構本身。例如，對操縱光感興趣的光子學研究人員已開始嘗試理解產生蝴蝶翅膀鱗屑的發育過程。與此同時，定向進化正被用于實驗室，以產生來源于已有酶的新生物催化劑。

　　擁抱團隊合作

　　各種資助來源正在為不切實際的生物學研究和更多應用領域的研究提供支持。諸如由美國國家科學基金會資助的工程研究中心項目等轉化研究中心正在建立，以幫助將基礎研究和工業界中應用的開發結合在一起。

　　下面4項舉措將促進生物學和仿生學之間出現更多交叉。

　　首先，教育的改變能鼓勵那些嶄露頭角的仿生學研究人員更多地利用生物學。目前，停止從事仿生學研究的本科生在他們選擇的“應用領域”中接受訓練，無論是工程學、建筑學，還是化學。這類學生應當被要求參加可能同他們最為相關的生物學領域課程：對于從事化學研究的學生來說，可能是分子生物學；對于從事材料學或建筑學研究的學生來說，可能是有機生物學或進化生物學。

　　其次，人們需要針對仿生學方法提煉出特定生物學分支基本原則的教科書。現有課本對應用給予了更多關注。

　　第三，當前還需要“牽線搭橋”，以促進合作。關于仿生學的現有會議，比如生物靈感和基于生物學的化學和材料學國際會議或者受生物學啟發的系統和信號處理國際會議，可提供專題討論會或獎勵措施吸引生物學家。速配風格的特別活動能讓生物學家和對受生物學啟發的應用感興趣的人們，基于其共同解決一個問題的能力結成搭檔。網上“速配”或許也能達到類似目的。

　　最后，公司可通過諸如“常駐生物學家”等項目，引進接受過廣泛培訓的進化學和其他分支的生物學家。此類合作將使團隊得以探究來自整個生命之樹的創新，從而快速追蹤到強有力的解決方法。