“广义仿生”现象的启示

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  石油已快枯竭,可利用的水资源愈来愈少,可用耕地、森林每天都在剧减等事实在告诉我们:如果人类不正视自已发展、进化道路上的错误,不善待我们赖以生存的地球,那么人类将面临灭绝的威胁。如何解决人类发展、进化途中的这些问题呢?广义仿生学也许可以给面临困境的人类些许启示。
  先来看狭义的仿生学。古代鲁班在一次攀山途中手指被一棵小草划破,他摘下小草仔细观察,发现草叶两边全是排列均匀的小齿,正想俯身探究其中的道理,忽然看到近处有一只大蝗虫,两枚大板牙一开一合,很快地吃着草叶。鲁班把蝗虫捉住细看,发现蝗虫的大板牙上也排列着许多小细齿。聪明的鲁班由此发明了锯。其实,鲁班就是在不知不觉中运用了“仿生学原理”。
  在过去的仿生学研究中,学者们主要通过研究生物体的结构、功能和工作原理,并将这些原理移植于工程技术之中,发明性能优越的仪器、装置和机器,创造新技术。这里提出的“广义仿生”,除了对大自然的模仿外,还应该对生物金字塔顶端的生物——人类本身乃至人类社会的特点进行“仿生”研究。
  达尔文在《物种起源》书中提出了“进化论”思想,说明物种是在不断的变化之中,一个基本原理就是生物在进化中各显神通,以求繁衍。随后进化论被他人进一步发挥,早已不局限在生物学科之中。
  例如,在数学与计算机科学中,遗传算法就深受遗传、进化论观点的影响。它由美国贺兰德(J.Holland)教授率先提出,其随机化搜索方法就是借鉴生物界“适者生存、优胜劣汰”的机制演化而来。模拟生物遗传的这些过程,计算机算法研究者们简化基因编码的复杂过程,利用二进制实现从表现型到基因型的映射编码工作,在仿照生物进化过程,在初代种群产生之后,按照适者生存和优胜劣汰的原理,逐代演化产生出越来越好的近似解,在每一代,根据问题域中个体的适应度大小选择个体,并借助于自然遗传学的遗传算法进行组合交叉和变异,产生出代表新的解集的种群。这个过程将导致种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应于环境,末代种群中的最优个体经过解码,可以作为问题近似最优解。
  现今,这种算法已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。它是现代有关智能计算中的关键技术。
  作为解释文化进化规律的新理论——模因论,也是一种基于进化论的观点。模因这个术语在Richard Dawkins于1976年所著的《自私的基因》一书中被首次提出。它指文化领域内人与人之间相互模仿、散播开来的思想或主意,并一代代地相传下来。模因是一种与基因相似的现象,是靠复制而生存、通过模仿而传播的文化的基本单位,具有保留性、变异性和选择性。每一个模因既是对以前模因的复制和继承;又会在复制和传播的过程中产生一定的变异,在变异中求得发展。模因也可以分为基因型和表现型两种。前者是指大脑里信息内容作自我复制和传播;后者是指信息的形式被赋予不同内容加以复制和传播。在教育、文化的研究中,模因论得到了很大的利用和发展。
  在生物进化理论对自然科学、人文科学产生影响的同时,人类社会的一些规律也对生物进化理论的发展产生了“反作用”。《内共生学说》就是其中的理论之一。
  在研究动植物等真核细胞的亚细胞结构过程中,科学们发现了线粒体、叶绿体等细胞器。如果把细胞比作一个天然的生化工厂,那么细胞器就像这个大工厂中的车间兼员工,线粒体负责的是动力车间,叶绿体则是活生生一个“养料制造车间”和“能量转换站”,正是得益于这些细胞器,细胞才能正常的工作和运转。
  然而随着研究的深入,出现了很多让人匪夷所思的事实:线粒体和叶绿体被两层或更多的膜所包被,外部的膜与真核细胞中的膜组成相似,而最里面一层的成分却更接近于原核生物的细胞膜。进一步研究发现,线粒体和叶绿体都含有DNA,而这些DNA与细胞核中的很不同,其环状及大小与细菌的DNA十分类似,同时线粒体具有和真核宿主细胞不同的遗传密码,这些密码与细菌和古菌中的很类似。此外,新的线粒体和叶绿体只能通过二分分裂这种类似细菌分裂的方式形成。
  越来越多的证据说明线粒体和叶绿体更像是原核生物——细菌,但是他们怎么出现在真核生物的细胞中呢?
  在研究线粒体、叶绿体的起源的同时,我们不妨在人类社会中找找类似的例子:每个国家中都有一定的外国人,一个家族中也有或多或少的外族人,早期白人的工厂中,除了机器用来生产,还有受压迫剥削的黑奴。然而随着时代发展,这些外国人、外族人甚至黑奴们会慢慢融入到当地的社会中,并成为其中正式的、平等的一员。不禁让人想到线粒体、叶绿体是不是就像细胞这个工厂中的“奴隶”呢?
  带着这样的猜想,生物学家们经过仔细研究以及现代分子生物学的论证,最终提出了大家公认的“内共生学说”。这一概念由美国生物学家马古利斯在《真核细胞的起源》书中正式提出。简而言之,内共生就是指一种较大的细胞把另一种较小的细胞“吞吃”到细胞里面,但并没有把小细胞消化掉,因为在一定程度上,小细胞整体发挥的功能,能够为大细胞提供比消化小细胞本身更多的利益,这样大细胞就像“奴隶”一样驱使着小细胞。在进化过程中小细胞逐步丧失了自身遗传等方面的独立性,而大细胞的某些生理功能也只能通过小细胞来完成了,两者慢慢从“奴隶制”转向了一种互惠的共生关系,逐步形成了现在的真核细胞——动植物生命的基本单位。这种理论的得出显示了人类社会的一些关系与规律,与自然界中的很多现象都有一定的相似性,甚至就像是一个扩展或者拷贝。
  从“进化论”到“遗传算法”、“模因论”,以及相关的“内共生学说”这些新理论的建立,都是来源于对自然或对人类自身的一种模仿,现在还出现了将人体血管的模型应用到交通管理中,模拟人类神经元形成“神经网络模型”等科学理论的创新。可见仿生学还有无限广阔的空间有待发展和利用,而且更加应该推广到理论的创新和发展上来,即广义仿生学上来。
  地球的年龄约45亿年,最古老的生命产生于大约38亿年前,而现代人的出现大约为5万年左右,相比人类的发展史,大自然的生物体已经对自身的材料、机理进行了38亿年的完善。因此在我们试图解决人类面对的全球变暖和人口增加乃至地球毁灭等问题时,在我们研究科学理论与工程问题时,在我们探讨教育、管理、经济等社会科学问题时,我们不妨从3亿个物种身上来学习,从已有的经典理论和模型来思考,从我们人类自身以及人类社会的特性来探究,通过 “广义仿生”来解决日益复杂的问题。
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