生物校本课程系列
仿生学与生物武器
浙江省衢州第一中学生物组
2004年12月
学校名称：浙江省衢州第一中学 课程名称：仿生学与生物武器 课程类型：拓展型 适用年级：高一、高二年级 课程实施者：王海芳 课程目标：
1. 从学生的兴趣爱好出发，开发适合学生水平，符合学生特点的拓展型校本课程。
2. 通过介绍仿生学的概念、仿生之源和仿生学的实际应用及发展趋势，激发学生学习生物、探索生命科学奥秘的兴趣。并在学习过程中用发展的眼光看待问题、分析问题，不墨守陈规，不拘泥于原有知识的限制而用于开拓，推陈出新。
3. 通过介绍生物武器的相关知识，使学生了解生物武器的特点和使用历史，激发学生的爱国主义精神，培养学生居安思危的忧患意识。 课时安排：每周2课时 课程实施：
一、教学组织形式：小班化教学。 二、实施步骤：本课程分为两个单元。
第一单元：仿生学 第二单元：生物武器 三、评估方法
1. 书面测试。试题要努力创设引起学生兴趣和联系实际的情景，加强试题的综合性、探究性和开放性。本部分占总成绩的70％。 2. 出勤率和课堂参与态度占总成绩的30％。
I 仿生学
自古以来，用莲花的“出污泥而不染”来形容圣洁。那么，是莲花真有一颗明净的心？还是在莲花身上有着不为人知的秘密？让仿生学来告诉你，只要你有和莲花一样的“肌肤”，你一样可以“出污泥而不染”，冰清玉洁……
第一节、怎样仿生
一、仿生的概念
仿生学是近期发展起来的生物学和技术学相结合的交叉学科。仿生的英文名字是Bionics。
人们发现，一些关于植物和动物的相类似的功能，实际上是超越了人类自身的在此方面的技术设计方案的。植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接近完美。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。
仿生学的目的就是分析生物过程和结构以及它们的分析用于未来的设计。仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。人类所从事的技术就是使得达到最优化和互相间的协调。而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好机会。
在我们人类的技术世界中模拟自然中的东西并不是一个新鲜的思想，自从传说中的Ikarus带着用鸟的羽毛做成的翅膀飞向空中，而最后因为太阳的热度掉到地上起，人类一直就沉迷于此。
那么仿生学的确切定义是什么呢？
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。属于生物科学与技术科学之间的边缘学科。它涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域。仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。
二、仿生的发明史
达芬奇（Leonardo da Vinci，意大利文艺复兴时期的伟大画家、雕刻家和建筑学家）被认为是现代仿生学之父。在大约公元1500年，在鸟翅模型之后，他画了一系列的无法实现的飞行设备草图。大约400年之后，奥托（Otto Lilienthal）成功了，他根据鹳的翅膀制造的滑翔机成功的在Brandenburger村飞行了250米，而且他也取得了“滑翔机之父”的称号。
直到上个世纪中期，有许多研究者都在不断尝试把自然界的形态和规则用于技术上。但是，仅仅在60年代初一种科学的综合分类学科才由它产生。
植物学家William Barthlott和他的同事Nesta Ehler在70年代中期发现纯粹的自清洁效应，也被叫做“莲花效应（Lotus effect）”。他们把一批多样的植物叶片放在一个特殊的显微镜下时，开始并没有什么特殊的发现。这两个科学家的研究围绕着这样一个问题：能否根据叶子表面纹理的不同来检测这组植物中扭曲的茎。
植物学的例行任务，就是在每一个研究之前观察某些植物时先要把植物清洗干净，这是研究者们不用思考而首先要做的。但是很快生物学家就发现一个非常荒谬的现象：就是只有那些表面很光滑的叶子才需要清洗，而其它的那些表面在显微镜下看起来很粗糙的叶子反而是干净的。对他们来说更值得注意的是：某些特殊的叶子甚至可以完全抵制水。在那时，很清楚地是自清洁效果是和可润湿性相联系的。
这种效果特别明显得表现在莲属坚果莲中：从显微镜下看发现莲叶子上有小的茸毛和小的蜡质覆盖在叶子上，水滴下来就象从热的炉盘上滴下来一样。Barthlott解释说：在光滑表面，水会在污垢上蔓延。在粗糙表面，水滴粘不牢，形成球状，在可以到达的污垢粒子上滚
动并且带着污垢粒子滚动。
1977年，生物学家们在一段短的旁注中描述了这种现象。看起来这段旁注是很琐碎的，只是为了引起更多的注意。仅仅在1989年，William Barthlott，其时正在波恩大学做教授，重新注意到了这个旧的发现并和他的研究生Christoph Neinhuis一起详细的研究了这个现象。这两个人不仅成功的破译了“莲花效应”对生物学的意义，而且同时把它的不被脏物污染的原理应用于人造表面。
1996年Barthlott 和 Neinhuis用一个带有新衣料的白盘子实现了他们的程序，同时注册了专利。他们在一个白盘子上撒上煤灰和颜料的混合物并且滴上一些水。很快，这个盘子就干净了。作为对比，一个擦的特别亮的清漆膜也撒上煤灰盒颜料的混合物，但是即使在长时间的漂洗之后，煤灰仍然存在，而且还有另一个脏的灰层，对清漆膜来说，只用水是不能清洗干净的。
莲花效应的历史，从它的发现到应用，典型的来自于一个研究规则“技术学习自然”：仿生学。
在如今对仿生学的理解普遍认为是“各种技术手段转化，建筑使用，规划步骤以及生物系统的设计哲学”的基础上。世界著名的动物学家Werner Nachtigall进一步简化了这个概念，他这样来概括仿生学的实质：“把从自然界学来的知识作为对独立技术形式的建议”。
在几百万年的优化中接近完美的自然发明是化学家、机械师和建筑师所期望的研究对象。
三、仿生学的重要作用
车轮曾被认为是人类历史上最伟大的发明之一。但是这仅仅是圆周的功劳，绕轴旋转，作为一种渐进运动，如此长久的影响了人类生活，这被认为是非自然的发明。但是，这个发明真的使我们超越了自然吗？
只要看一看使用的那些车轮的应用范围就会发现答案是否定的。
车轮要求的是平滑而且没有障碍的路或者平滑的轨道，而对泥浆、砂土、冰和雪则是毫无用处的。大自然设计了腿作为运动器官，而往往腿是比车轮更优越的。而仿生学正是利用现代的科技手段来模仿自然造物的神奇手法。因此，仿生学在科学领域中具有着特殊的重要意义。小从模仿生物的形态，大到生物生理的机制，都可以作为人类模仿的对象。
仿生机器人研究了运动设备的方法论和控制论，例如，研究了昆虫的运动机制，使用这次实现去建造运动的机器。
蚱蜢有六条长腿。可能将来的运动机器看起来就象一个庞大的昆虫。蚱蜢需要很少的能量，而且保持了能量的均衡，它产生的废物完全进入了自然循环。它们是完全无污染的并且比现在的机械产品更加经济。
四、仿生材料
最新科学研究指出，生物体都是由少数很简单的物质构成的，诸如糖、蛋白质和水之类。生物体的不同部分，从柔韧的皮肤、肌肉、须毛，到坚硬的骨骼、鳞角、甲爪，材料性能如此多样、如此优异，关键在于从原子排列成分子、及从分子组合成纤维、晶体等“半成品”，在结构上的千差万别，就是这么几种很简单的“原材料”，由于结构的奇巧精致，形成了各种优越奇特的性能。譬如鲍鱼的食物只是海水中的坐土，也就是碳化钙，而研究人员在电子显微镜下观察发现正是由于这一层层的碳化钙才使鲍鱼壳具有了极为坚硬的外壳。极有规律排列的碳化钙靠化学键结合起来，决定了鲍鱼壳的坚硬性，而由于这层碳化钙能在有机蛋白质上滑动，所以鲍鱼外壳虽然硬但并不脆，很有韧性，能在变形变态之时也不破裂。
破解生物体构造的这些奥秘，最直接的目的就是研制新型的“仿生材料”。研究人员模仿鲍鱼壳的微观结构，将铝分子充满在碳化硼分子之间，已初步研制成功新型的陶瓷材料，除了既坚硬又柔软以外，还可以感测并适应周围环境的变化，如果飞机机翼材料具有这种性能，