仿生化学的常用方法

A. 谁知道仿生学

仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。

仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nlc”(“具有……的性质”的意思)构成的。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。尽管人类在文明进化中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。

仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。

力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速；

分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；

能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程；

信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。

模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。

某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生，而把信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。

仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面——生物模式识别的研究，大脑学习记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等——是仿生学研究的主攻方面。

控制与信息仿生和生物控制论关系密切。两者都研究生物系统中的控制和信息过程，都运用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用人造硬件系统；而生物控制论则从控制论的一般原理，从技术科学的理论出发，为生物行为寻求解释。

最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节，而是要理解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。—般认为，在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。

由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。

B. 关于仿生学的小实验方法

（1）长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部，是由于长颈鹿的血压很高。据测定，长颈鹿的血压比人的正常血压高出2倍。这样高的血压为什么不会使长颈鹿患脑溢血而死亡呢？这与长颈鹿身体的结构有关。首先，长颈鹿血管周围的肌肉非常发达，能压缩血管，控制血流量；同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧，利于下肢的血液向上回流。科学家由此受到启示，在训练宇航员对，设置一种特殊器械，让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时，以防止宇航员血管周围肌肉退化；在宇宙飞船升空时，科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤可控制血管压力的原理，研制了飞行服——“抗荷服”。抗荷服上安有充气装置，随着飞船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的气体，从而对血管产生一定的压力，使宇航员的血压保持正常。同时，宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中的，这样可以减小宇航员腿部的血压，利于身体上部的血液向下肢输送。
(2). 蝙蝠在飞行时，不断从喉咙中发出超声波脉冲，声波碰到障碍物后被反射回来，蝙蝠再用耳朵接受回声，就可以判断前边物体的大小、方向和距离。科学家根据蝙蝠发出超声波探测目标的“回波原理”发明了雷达，用以及时探测飞机的方位和距离
(3).龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有2 mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆。
(4). 萤火虫所发出的光是化学光，它通过一定反应将化学能几乎百分之百地转变成了光能。人们由此得到启发，模拟萤火虫发光原理制造了由电能转变为光能的荧光灯。但目前普通的荧光灯泡只能将所消耗的电能的6%～25%变成光能。如果萤火虫发光原理模拟得充分，荧光灯消耗的电能就会几乎百分之百地转换成光能，可以大量节约能源。

C. 仿生材料的制备方法

咨询记录 · 回答于2021-09-24

D. 有关仿生提取法的详细资料

仿生提取法

仿生提取法——中药口服药制备的重大革新

仿生提取法从思维上看源渊于仿生学原理。具体方法是模拟口服药经胃肠道环境转运原理而设计，目的是尽可能地保留原药中的有效成分（包括在体内有效的代谢物、水解物、鳌合物或新的化合物）。打破了以往只提取单一有效成分的西医西药模式，符合中医药传统哲学的整体现、系统观，体现了中医药多种成分复合作用的特点。以下我们就仿生提取法的渊源、原理、内容和意义等逐层分析。

1960年J．E Steele首先提出“Bionics”（仿生学），是一门集生物科学与技术科学为一体的精密边缘科学。目的是为了学习生物的各种各样能力，研究它们的机制，作为进行技术设计的一条途径以改善现有的或创造新型的工艺过程、仪器设备、机械系统、建筑结构等。仿生学包括很广：化学仿生、医学仿生、力学仿生、信息仿生、控制仿生等。从仿生学中得以启示，应用于药学研究中的内容丰富多彩。

医学仿生着重研究人工脏器，人工调节以及从仿生学中引申开发新药。从某种生物所具有的特异功能得以启示，开发新药的例子比比皆是。例如，有一种叫双鲨的鱼，从不得癌症，人们发现它所分泌的一种化合物能阻止癌细胞的生长，并使癌变过程逆转以至消失，药学工作者已从分泌物中提取出抗癌药物。从人类本身生理现象中获得启示以开发新药的例子也不少，例如，在男性胎体内有一种苗勒抑制素的蛋白质能阻止女性生殖器官在男胎体内生长（在妊娠前半期，胎儿具有形成男、女两性生殖器官的同样能力），由此想象它可能阻止成年妇女生殖器官的癌细胞生长。现已成功地制造出大量的人体苗勒抑制素。

化学仿生主要是研究酶学仿生，模拟生物膜和模拟能量转换等工作。其应用于药学研究中的例子也很多。在消化法中用各种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，分步盐析法从人胎盘中提取Ⅰ型和Ⅲ型胶原。但仅仅是酶水解；利用了酶的催化效能高，节约了能量，提高了提取效率，但并未模拟人体胃肠道环境。近年有模拟人体胃肠道环境，体外消化食物后测定元素的报道，认为如此测得的结果更接近吸收时的真实情况。在分析食物中的元素时使用了胃液和肠液制备样品，并显示成功：

自1995年以来国内已报道了“半仿生提取法”（简称SBE法）。这是一种将整体药物研究法与分子药物研究法相结合，从生物药剂学的角度，模拟口服给药及药物经胃肠道转运的原理，为经消化道给药的中药制剂设计了一种新的提取工艺。具体是将提取液的酸碱度加以生理模仿，分别用近似胃和肠道的酸碱水溶液煎煮2～3次的新的中药提取法。即考虑到活性混合成分，又以单体成分为指标，不仅充分发挥混合物的综合作用，又能利用单体成分控制制剂质量，已对多个复方进行了研究，结果证明了SBE法最佳。但其缺点是高温煎煮，对有效成分有破坏。1998年有人提出“半仿生提取”的进一步仿生化构想，认为应加酶。

在以往实践与构想的基础上，明确提高到建立一种中药的仿生提取方法，即综合运用了化学仿生（人工胃、人工肠）与医学仿生（酶的应用）的原理，又将整体药物研究（仿生提取法所得提取物更接近药物在体内达到平衡后的有效成分群）与分子药物研究法（以某一单体为指标）相结合。是将生物技术手段应用到中药研究的尝试，集中体现了中医药基本理论的整体观、系统观。恰与着名的生物学家贝培朗菲着名的定律“整体作用大于各孤立部分作用的总和”相吻合。

仿生提取法是以人工胃、人工肠为基础，依据正交试验法或均匀设计法、比例分割法，优选最佳条件（例如：pH、温度、时间、酶／底物浓度等），并加以搅拌设备（模拟胃肠道懦动）。具体应用到生物药和植物药可根据具体情况改换某个因素。例如，对于生物药，由于酸性中胃蛋白酶水解后存在大量H+、给以后的工艺带来麻烦：有腥味，制成的药物口感也不好。胃蛋白酶的水解不是一个必要步骤，可将胃蛋白酶改为木瓜酶，既可免除胃蛋白酶的腥味，又因木瓜酶为非专一性酶，可水解成更多的氨基酸、小分子肽。对于植物药可以纤维素酶代胃蛋白酶，对水解植物纤维更有利。食物中蛋白质大多数最终水解为氨基酸才吸收，水解的二肽、三肽还有另外的吸收途径；此外，还可能有另外的水解产物。3．3 意义

仿生提取法主要是针对口服给药的提取。将原料药经模拟人体胃肠道环境，克服了半仿生提取法的高温煎煮易破坏有效成分的缺点，又增加了酶解的优势。多数药物是弱有机酸或弱有机碱，在体液中有分子型和离子型。根据人体消化道的生理特点，消化管与血管间的生物膜是类脂质膜，允许脂溶性物质通过，分子型药物更容易吸收。

小肠是药物被吸收的主要部位，增加药物的溶解度是最重要的。这与药物的酸碱提取法有本质的不同，酸碱法仅是增加某个有效单体的溶解度，而仿生提取法则是增加整个有效群体的溶解度。药物在经过模拟胃、肠液以后，经过酸（碱）性条件下的酶解，药物已水解成易于吸收的相对小分子群，而又保留了有效成分群：克服了以往提取以单体成分为依据的“唯成分论”，而是体现了中药以单体成分（或适宜的药效指标）作指标，混合成分的复合作用的统一，符合中医临床用药的综合作用的特点。进一步精制分离可以结合药效指标追踪得到药效更集中的小群体。21世纪为多糖时代，许多水溶性活性多糖成分也避免了传统西医西药模式经常用脂类溶剂提取而丢失或破坏。

综上所述，仿生提取法是中药口服药制备中的一项重大革新，国内外尚未见报道。不仅可解决中药目前存在的粗、大、黑，因杂质多而易吸潮、易霉变等问题；同时，由于反应温和，不仅大大节约了能量，而且不存在有机溶媒对环境的污染以及易燃、易爆和对生产环境的特殊要求，易于应用于工业生产，具有较高的学术价值和推广应用前景。

E. 仿生学的研究方法

仿生学是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号，把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成，而且也概括表达了仿生学的研究途径。
仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理，并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。
仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟。其研究程序大致有以下三个阶段：
首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题，将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容，取消与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析，并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生，更重要的是在仿生中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复，才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果，使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。
仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性。从仿生学的整体来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统。它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制，它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量，才能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息，不断地调整和综合，才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一，局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系，即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟。为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果。因此，仿生学的研究方法必须着重于整体。
仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类，它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内，仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果。就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展，学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究。例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟以及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等。从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究，即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来，近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。
总之，仿生学的研究内容，从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代，仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大的促进作用。在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化。生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展。因此，仿生学的科研显示出无穷的生命力，它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。

F. 仿生学发明有那些，是如何发明的。

1、人工冷光

科学家通过萤火虫的光，发明了一种不伤眼的光人工冷光。由于这种光没有电源，不会产生磁场，因而，可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。

2、水母耳风暴预测仪

海上风暴来临之前，海浪与空气摩擦产生8~13HZ的次声波，人耳无法听到，而水母特殊的听觉系统可以听到这种声音。科学家通过研究，仿照水母的听觉系统，发明了水母耳风暴预测仪。

3、探路仪

根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。

4、蝴蝶与卫星控温系统

当人造地球卫星在太空中受到强烈的阳光照射时，卫星上的各种精密仪器仪表很容易“烘烤”或“冻结”。蝴蝶的体表上长出一层薄薄的鳞片，用来调节体温。科学家们仿照蝴蝶翅膀的结构，为人造卫星的太阳能表面设计加载了一种和蝴蝶鳞片相仿的控温系统。

5、长颈鹿与宇航员

长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部，是由于长颈鹿的血压很高。据测定，长颈鹿的血压比人的正常血压高出2倍。这样高的血压为什么不会导致长颈鹿患脑溢血而死亡呢？这和长颈鹿身体的结构有关。长颈鹿血管周围的肌肉非常发达，能压缩血管，控制血流量。

科学家由此受到启示，在训练宇航员对，设置特殊器械，让宇航员利用这种器械每天锻炼，以防止宇航员血管周围肌肉退化；在宇宙飞船升空时，科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤可控制血管压力的原理，研制了飞行服“抗荷服”。抗荷服上安有充气装置，随着飞船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的气体。