仿生化學的常用方法

A. 誰知道仿生學

仿生學是研究生物系統的結構和性質以為工程技術提供新的設計思想及工作原理的科學。

仿生學一詞是1960年由美國斯蒂爾根據拉丁文「bios」(生命方式的意思)和字尾「nlc」(「具有……的性質」的意思)構成的。他認為「仿生學是研究以模仿生物系統的方式、或是以具有生物系統特徵的方式、或是以類似於生物系統方式工作的系統的科學」。盡管人類在文明進化中不斷從生物界受到新的啟示，但仿生學的誕生，一般以1960年全美第一屆仿生學討論會的召開為標志。

仿生學的研究范圍主要包括：力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。

力學仿生，是研究並模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質，以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環境中運動的動力學性質。例如，建築上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建築，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結構，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行揣流，提高航速；

分子仿生，是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學結構後，合成了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺雄蟲；

能量仿生，是研究與模仿生物電器官生物發光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程；

信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網路、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。例如根據象鼻蟲視動反應製成的「自相關測速儀」可測定飛機著陸速度。根據鱟復眼視網膜側抑制網路的工作原理，研製成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助於模糊目標檢測的—些裝置。已建立的神經元模型達100種以上，並在此基礎上構造出新型計算機。

模仿人類學習過程，製造出一種稱為「感知機」的機器，它可以通過訓練，改變元件之間聯系的權重來進行學習，從而能實現模式識別。此外，它還研究與模擬體內穩態，運動控制、動物的定向與導航等生物系統中的控制機制，以及人-機系統的仿生學方面。

某些文獻中，把分子仿生與能量仿生的部分內容稱為化學仿生，而把信息和控制仿生的部分內容稱為神經仿生。

仿生學的范圍很廣，信息與控制仿生是一個主要領域。一方面由於自動化向智能控制發展的需要，另一方面是由於生物科學已發展到這樣一個階段，使研究大腦已成為對神經科學最大的挑戰。人工智慧和智能機器人研究的仿生學方面——生物模式識別的研究，大腦學習記憶和思維過程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協調問題等——是仿生學研究的主攻方面。

控制與信息仿生和生物控制論關系密切。兩者都研究生物系統中的控制和信息過程，都運用生物系統的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬體系統；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術科學的理論出發，為生物行為尋求解釋。

最廣泛地運用類比、模擬和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。其目的不在於直接復制每一個細節，而是要理解生物系統的工作原理，以實現特定功能為中心目的。—般認為，在仿生學研究中存在下列三個相關的方面：生物原型、數學模型和硬體模型。前者是基礎，後者是目的，而數學模型則是兩者之間必不可少的橋梁。

由於生物系統的復雜性，搞清某種生物系統的機制需要相當長的研究周期，而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作，這是限制仿生學發展速度的主要原因。

B. 關於仿生學的小實驗方法

（1）長頸鹿之所以能將血液通過長長的頸輸送到頭部，是由於長頸鹿的血壓很高。據測定，長頸鹿的血壓比人的正常血壓高出2倍。這樣高的血壓為什麼不會使長頸鹿患腦溢血而死亡呢？這與長頸鹿身體的結構有關。首先，長頸鹿血管周圍的肌肉非常發達，能壓縮血管，控制血流量；同時長頸鹿腿部及全身的皮膚和筋膜綳得很緊，利於下肢的血液向上迴流。科學家由此受到啟示，在訓練宇航員對，設置一種特殊器械，讓宇航員利用這種器械每天鍛煉幾小時，以防止宇航員血管周圍肌肉退化；在宇宙飛船升空時，科學家根據長頸鹿利用緊綳的皮膚可控制血管壓力的原理，研製了飛行服——「抗荷服」。抗荷服上安有充氣裝置，隨著飛船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的氣體，從而對血管產生一定的壓力，使宇航員的血壓保持正常。同時，宇航員腹部以下部位是套入抽去空氣的密封裝置中的，這樣可以減小宇航員腿部的血壓，利於身體上部的血液向下肢輸送。
(2). 蝙蝠在飛行時，不斷從喉嚨中發出超聲波脈沖，聲波碰到障礙物後被反射回來，蝙蝠再用耳朵接受回聲，就可以判斷前邊物體的大小、方向和距離。科學家根據蝙蝠發出超聲波探測目標的「回波原理」發明了雷達，用以及時探測飛機的方位和距離
(3).龜殼的背甲呈拱形，跨度大，包括許多力學原理。雖然它只有2 mm的厚度，但使用鐵錘敲砸也很難破壞它。建築學家模仿它進行了薄殼建築設計。這類建築有許多優點：用料少，跨度大，堅固耐用。薄殼建築也並非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆。
(4). 螢火蟲所發出的光是化學光，它通過一定反應將化學能幾乎百分之百地轉變成了光能。人們由此得到啟發，模擬螢火蟲發光原理製造了由電能轉變為光能的熒光燈。但目前普通的熒光燈泡只能將所消耗的電能的6%～25%變成光能。如果螢火蟲發光原理模擬得充分，熒光燈消耗的電能就會幾乎百分之百地轉換成光能，可以大量節約能源。

C. 仿生材料的制備方法

咨詢記錄 · 回答於2021-09-24

D. 有關仿生提取法的詳細資料

仿生提取法

仿生提取法——中葯口服葯制備的重大革新

仿生提取法從思維上看源淵於仿生學原理。具體方法是模擬口服葯經胃腸道環境轉運原理而設計，目的是盡可能地保留原葯中的有效成分（包括在體內有效的代謝物、水解物、鰲合物或新的化合物）。打破了以往只提取單一有效成分的西醫西葯模式，符合中醫葯傳統哲學的整體現、系統觀，體現了中醫葯多種成分復合作用的特點。以下我們就仿生提取法的淵源、原理、內容和意義等逐層分析。

1960年J．E Steele首先提出「Bionics」（仿生學），是一門集生物科學與技術科學為一體的精密邊緣科學。目的是為了學習生物的各種各樣能力，研究它們的機制，作為進行技術設計的一條途徑以改善現有的或創造新型的工藝過程、儀器設備、機械繫統、建築結構等。仿生學包括很廣：化學仿生、醫學仿生、力學仿生、信息仿生、控制仿生等。從仿生學中得以啟示，應用於葯學研究中的內容豐富多彩。

醫學仿生著重研究人工臟器，人工調節以及從仿生學中引申開發新葯。從某種生物所具有的特異功能得以啟示，開發新葯的例子比比皆是。例如，有一種叫雙鯊的魚，從不得癌症，人們發現它所分泌的一種化合物能阻止癌細胞的生長，並使癌變過程逆轉以至消失，葯學工作者已從分泌物中提取出抗癌葯物。從人類本身生理現象中獲得啟示以開發新葯的例子也不少，例如，在男性胎體內有一種苗勒抑制素的蛋白質能阻止女性生殖器官在男胎體內生長（在妊娠前半期，胎兒具有形成男、女兩性生殖器官的同樣能力），由此想像它可能阻止成年婦女生殖器官的癌細胞生長。現已成功地製造出大量的人體苗勒抑制素。

化學仿生主要是研究酶學仿生，模擬生物膜和模擬能量轉換等工作。其應用於葯學研究中的例子也很多。在消化法中用各種酶水解而提取有效成分早年就有，如；用限制性胃蛋白酶消化，分步鹽析法從人胎盤中提取Ⅰ型和Ⅲ型膠原。但僅僅是酶水解；利用了酶的催化效能高，節約了能量，提高了提取效率，但並未模擬人體胃腸道環境。近年有模擬人體胃腸道環境，體外消化食物後測定元素的報道，認為如此測得的結果更接近吸收時的真實情況。在分析食物中的元素時使用了胃液和腸液制備樣品，並顯示成功：

自1995年以來國內已報道了「半仿生提取法」（簡稱SBE法）。這是一種將整體葯物研究法與分子葯物研究法相結合，從生物葯劑學的角度，模擬口服給葯及葯物經胃腸道轉運的原理，為經消化道給葯的中葯制劑設計了一種新的提取工藝。具體是將提取液的酸鹼度加以生理模仿，分別用近似胃和腸道的酸鹼水溶液煎煮2～3次的新的中葯提取法。即考慮到活性混合成分，又以單體成分為指標，不僅充分發揮混合物的綜合作用，又能利用單體成分控制制劑質量，已對多個復方進行了研究，結果證明了SBE法最佳。但其缺點是高溫煎煮，對有效成分有破壞。1998年有人提出「半仿生提取」的進一步仿生化構想，認為應加酶。

在以往實踐與構想的基礎上，明確提高到建立一種中葯的仿生提取方法，即綜合運用了化學仿生（人工胃、人工腸）與醫學仿生（酶的應用）的原理，又將整體葯物研究（仿生提取法所得提取物更接近葯物在體內達到平衡後的有效成分群）與分子葯物研究法（以某一單體為指標）相結合。是將生物技術手段應用到中葯研究的嘗試，集中體現了中醫葯基本理論的整體觀、系統觀。恰與著名的生物學家貝培朗菲著名的定律「整體作用大於各孤立部分作用的總和」相吻合。

仿生提取法是以人工胃、人工腸為基礎，依據正交試驗法或均勻設計法、比例分割法，優選最佳條件（例如：pH、溫度、時間、酶／底物濃度等），並加以攪拌設備（模擬胃腸道懦動）。具體應用到生物葯和植物葯可根據具體情況改換某個因素。例如，對於生物葯，由於酸性中胃蛋白酶水解後存在大量H+、給以後的工藝帶來麻煩：有腥味，製成的葯物口感也不好。胃蛋白酶的水解不是一個必要步驟，可將胃蛋白酶改為木瓜酶，既可免除胃蛋白酶的腥味，又因木瓜酶為非專一性酶，可水解成更多的氨基酸、小分子肽。對於植物葯可以纖維素酶代胃蛋白酶，對水解植物纖維更有利。食物中蛋白質大多數最終水解為氨基酸才吸收，水解的二肽、三肽還有另外的吸收途徑；此外，還可能有另外的水解產物。3．3 意義

仿生提取法主要是針對口服給葯的提取。將原料葯經模擬人體胃腸道環境，克服了半仿生提取法的高溫煎煮易破壞有效成分的缺點，又增加了酶解的優勢。多數葯物是弱有機酸或弱有機鹼，在體液中有分子型和離子型。根據人體消化道的生理特點，消化管與血管間的生物膜是類脂質膜，允許脂溶性物質通過，分子型葯物更容易吸收。

小腸是葯物被吸收的主要部位，增加葯物的溶解度是最重要的。這與葯物的酸鹼提取法有本質的不同，酸鹼法僅是增加某個有效單體的溶解度，而仿生提取法則是增加整個有效群體的溶解度。葯物在經過模擬胃、腸液以後，經過酸（鹼）性條件下的酶解，葯物已水解成易於吸收的相對小分子群，而又保留了有效成分群：克服了以往提取以單體成分為依據的「唯成分論」，而是體現了中葯以單體成分（或適宜的葯效指標）作指標，混合成分的復合作用的統一，符合中醫臨床用葯的綜合作用的特點。進一步精製分離可以結合葯效指標追蹤得到葯效更集中的小群體。21世紀為多糖時代，許多水溶性活性多糖成分也避免了傳統西醫西葯模式經常用脂類溶劑提取而丟失或破壞。

綜上所述，仿生提取法是中葯口服葯制備中的一項重大革新，國內外尚未見報道。不僅可解決中葯目前存在的粗、大、黑，因雜質多而易吸潮、易霉變等問題；同時，由於反應溫和，不僅大大節約了能量，而且不存在有機溶媒對環境的污染以及易燃、易爆和對生產環境的特殊要求，易於應用於工業生產，具有較高的學術價值和推廣應用前景。

E. 仿生學的研究方法

仿生學是生物學、數學和工程技術學互相滲透而結合成的一門新興的邊緣科學。第一屆仿生學會議為仿生學確定了一個有趣而形象的標志：一個巨大的積分符號，把解剖刀和電烙鐵「積分」在一起。這個符號的含義不僅顯示出仿生學的組成，而且也概括表達了仿生學的研究途徑。
仿生學的任務就是要研究生物系統的優異能力及產生的原理，並把它模式化，然後應用這些原理去設計和製造新的技術設備。
仿生學的主要研究方法就是提出模型，進行模擬。其研究程序大致有以下三個階段：
首先是對生物原型的研究。根據生產實際提出的具體課題，將研究所得的生物資料予以簡化，吸收對技術要求有益的內容，取消與生產技術要求無關的因素，得到一個生物模型；第二階段是將生物模型提供的資料進行數學分析，並使其內在的聯系抽象化，用數學的語言把生物模型「翻譯」成具有一定意義的數學模型；最後數學模型製造出可在工程技術上進行實驗的實物模型。當然在生物的模擬過程中，不僅僅是簡單的仿生，更重要的是在仿生中有創新。經過實踐——認識——再實踐的多次重復，才能使模擬出來的東西越來越符合生產的需要。這樣模擬的結果，使最終建成的機器設備將與生物原型不同，在某些方面甚上超過生物原型的能力。例如今天的飛機在許多方面都超過了鳥類的飛行能力，電子計算機在復雜的計算中要比人的計算能力迅速而可靠。
仿生學的基本研究方法使它在生物學的研究中表現出一個突出的特點，就是整體性。從仿生學的整體來看，它把生物看成是一個能與內外環境進行聯系和控制的復雜系統。它的任務就是研究復雜系統內各部分之間的相互關系以及整個系統的行為和狀態。生物最基本的特徵就是生物的自我更新和自我復制，它們與外界的聯系是密不可分的。生物從環境中獲得物質和能量，才能進行生長和繁殖；生物從環境中接受信息，不斷地調整和綜合，才能適應和進化。長期的進化過程使生物獲得結構和功能的統一，局部與整體的協調與統一。仿生學要研究生物體與外界刺激（輸入信息）之間的定量關系，即著重於數量關系的統一性，才能進行模擬。為達到此目的，採用任何局部的方法都不能獲得滿意的效果。因此，仿生學的研究方法必須著重於整體。
仿生學的研究內容是極其豐富多彩的，因為生物界本身就包含著成千上萬的種類，它們具有各種優異的結構和功能供各行業來研究。自從仿生學問世以來的二十幾年內，仿生學的研究得到迅速的發展，且取得了很大的成果。就其研究范圍可包括電子仿生、機械仿生、建築仿生、化學仿生等。隨著現代工程技術的發展，學科分支繁多，在仿生學中相應地開展對口的技術仿生研究。例如：航海部門對水生動物運動的流體力學的研究；航空部門對鳥類、昆蟲飛行的模擬、動物的定位與導航；工程建築對生物力學的模擬；無線電技術部門對於人神經細胞、感覺器宮和神經網路的模擬；計算機技術對於腦的模擬以及人工智慧的研究等。在第一屆仿生學會議上發表的比較典型的課題有：「人造神經元有什麼特點」、「設計生物計算機中的問題」、「用機器識別圖像」、「學習的機器」等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究，即動物的感覺器官、神經元、神經系統的整體作用。以後在機械仿生和化學仿生方面的研究也隨之開展起來，近些年又出現新的分支，如人體的仿生學、分子仿生學和宇宙仿生學等。
總之，仿生學的研究內容，從模擬微觀世界的分子仿生學到宏觀的宇宙仿生學包括了更為廣泛的內容。而當今的科學技術正是處於一個各種自然科學高度綜合和互相交叉、滲透的新時代，仿生學通過模擬的方法把對生命的研究和實踐結合起來，同時對生物學的發展也起了極大的促進作用。在其它學科的滲透和影響下，使生物科學的研究在方法上發生了根本的轉變；在內容上也從描述和分析的水平向著精確和定量的方向深化。生物科學的發展又是以仿生學為渠道向各種自然科學和技術科學輸送寶貴的資料和豐富的營養，加速科學的發展。因此，仿生學的科研顯示出無窮的生命力，它的發展和成就將為促進世界整體科學技術的發展做出巨大的貢獻。

F. 仿生學發明有那些，是如何發明的。

1、人工冷光

科學家通過螢火蟲的光，發明了一種不傷眼的光人工冷光。由於這種光沒有電源，不會產生磁場，因而，可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。

2、水母耳風暴預測儀

海上風暴來臨之前，海浪與空氣摩擦產生8~13HZ的次聲波，人耳無法聽到，而水母特殊的聽覺系統可以聽到這種聲音。科學家通過研究，仿照水母的聽覺系統，發明了水母耳風暴預測儀。

3、探路儀

根據蝙蝠超聲定位器的原理，人們還仿製了盲人用的「探路儀」。這種探路儀內裝一個超聲波發射器，盲人帶著它可以發現電桿、台階、橋上的人等。如今，有類似作用的「超聲眼鏡」也已製成。

4、蝴蝶與衛星控溫系統

當人造地球衛星在太空中受到強烈的陽光照射時，衛星上的各種精密儀器儀表很容易「烘烤」或「凍結」。蝴蝶的體表上長出一層薄薄的鱗片，用來調節體溫。科學家們仿照蝴蝶翅膀的結構，為人造衛星的太陽能表面設計載入了一種和蝴蝶鱗片相仿的控溫系統。

5、長頸鹿與宇航員

長頸鹿之所以能將血液通過長長的頸輸送到頭部，是由於長頸鹿的血壓很高。據測定，長頸鹿的血壓比人的正常血壓高出2倍。這樣高的血壓為什麼不會導致長頸鹿患腦溢血而死亡呢？這和長頸鹿身體的結構有關。長頸鹿血管周圍的肌肉非常發達，能壓縮血管，控制血流量。

科學家由此受到啟示，在訓練宇航員對，設置特殊器械，讓宇航員利用這種器械每天鍛煉，以防止宇航員血管周圍肌肉退化；在宇宙飛船升空時，科學家根據長頸鹿利用緊綳的皮膚可控制血管壓力的原理，研製了飛行服「抗荷服」。抗荷服上安有充氣裝置，隨著飛船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的氣體。