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］

［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