仿生学的科学意义与前沿——仿生系统的理论模型，本文主要内容关键词为：仿生学论文,模型论文,意义论文,理论论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
以前仿生理论探讨生物系统宏观行为模仿，如生物力学，医学力学等。近十年来，利用基因组学及单分子生物学进展，仿生理论已深入到分子与细胞层次。
历史背景 20世纪20年代创立的量子力学，解决了普朗克发现的能量分立现象。这个概念的突破激发量子力学创立者转向思考德佛瑞斯(H.de Vries)1901年发现的基因突变问题。波尔1933年发表的“光与生命”演讲用波与粒子互补原理探讨这个难题，预告生命现象存在可克服生机论(vitalism)困难的互补原理。物理学家德布吕克(M.Delbluck)1935年与遗传学者铁木菲瑞索夫斯基，以及实验物理学家齐默尔发表论文“遗传子突变与遗传子的构造本质”，从x-射线影响基因突变推知，基因所含原子仅约上千个而已，提出“一个基因一个分子”的模型，激发量子力学创始人之一的薛定谔于1943年发表了《生命是什么？》的著名演说。演说讨论三个基本问题：一，生命的热力学基础，提出生命靠负熵维持的概念；二，生命的分子基础，提出生命大分子组成“非周期晶体”是基因的载体；三，强调生物过程和物理定律相协调。现代仿生系统理论研究遵循着这三个观点展开，因此，《生命是什么？》被公认为理论生物物理的开篇，不少分子生物学的创始者都曾受其影响，包括DNA双螺旋结构发现者沃森和克里克。
多细胞系统的自组织 生命靠负熵维生的观点是研究生物系统复杂性的基础。1952年，计算机科学之父图灵（A.M.Turing)用反应扩散模型研究生物体表面图纹(pattern)（如斑马身上的图纹）的机理，带动发育生物学多细胞系统生理学的兴起，发育的胚胎细胞的分立式机械模型显示个体细胞受化学反应扩散模型控制。1960年末，普里戈金为图灵斑图注入物理学概念，证明远离热力学平衡的开放系统，自组织行为是可能的，斑图被称为“耗散结构”。斑图理论后来发展成跨学科的非线性科学，提出混沌、分叉、布鲁塞尔吸引子等概念，被用于研究脑电波、心电图乃至睡眠等复杂的生命现象。人脑活动涉及
个神经细胞的合作振荡，霍普费尔德(J.J.Hopfield)据此于1982年提出神经网络模型，促进神经网络计算机的诞生。跨膜信号或细胞表面受体－配位体反应动力学与细胞内外离子浓度振荡（所谓第二信使）有关。免疫学、趋化性和有丝分裂等细胞水平分子反应输运动力学，是细胞仿生理论的发展领域。
生物膜（脂类分子自组织）及生物力学 生物各个层次都贯穿自组织、自修复的“生命”特征。细胞分裂到重建是一个三相系统的自组织过程。三相是指基质相、各种细胞器腔中内含物相、以及膜相。膜相占很大比重，其自组织过程被了解最清楚，其骨干组成——脂类双亲分子，一头亲水，一头疏水，在含水环境中可以籍疏水力自组装成连续的双分子层膜，其形成的泡可包容各种生物大分子。因此，生物学家认为只有膜结构出现后，才有生命形态在古老的海洋中形成。其次，膜处于液晶相是维持生命的一个要素。1973年液晶物理学家赫尔费里斯(W.Helfrich)据膜是液晶而提出膜的曲率弹性模型，解决人红血球为什么是双凹碟状的生理难题，我国学者据此导出生物膜曲面方程，正确描述了膜泡的各种形状，已载入日本生物物理学会2000年出版的“新生物物理丛书”Ⅱ第6册《生物形态的数学物理》。膜泡也引发了生物力学的研究，从20世纪60年代美籍华人冯元桢在研究血管、肺泡系统的连续介质力学有重大建树。最近他把生物力学同基因组学结合起来，开创了新的仿生系统研究领域。
蛋白质折叠（生物大分子自组装） 蛋白质是由20种氨基酸组成的一维生物大分子，分为结构蛋白与功能蛋白。结构蛋白组成胶原、肌肉、皮毛等“机械”元件，其力学性能（如蜘蛛丝）胜过任何无机材料。功能蛋白包括各种动力蛋白、信号（受体）蛋白、及物质输运（如离子通道及分子马达）蛋白，调控生化反应的酶，是生命活动的主要缔造者。他们会自组装成与功能有关的紧密结构，因此用x-射线确定其结构是20世纪后半叶生物化学的重要领域。1973年，安芬森(C.B.Anfinsen)根据变性-复性实验，指出结构完全由氨基酸序列确定，称为“第二遗传密码”问题。蛋白质折叠主要靠肽键与水分子相互作用，氨基酸可大致分亲水与疏水两类，疏水的序列倾向埋在结构内部。其它作用：静电、氢键、范德华力、疏水力、配位健、二硫键等也有影响。从这些作用探讨折叠机理已有30年历史。其计算分为两类，全原子分子动力学模拟和简化模型。用当今最巨型机器，几个月的CPU时间也只能模拟短链（几十个残基）蛋白质几微妙的折叠过程。另一个难题还在其折叠动力学。对一条N个氨基酸的多肽链，组态数
（K=2～6为格点的旋转异构数）以N为幂指数增加，即所谓的NP问题。因此1968年黎文索尔(C.Levinthal)提出“佯谬”，即蛋白质折叠到自然态与各态历经的热力学过程是矛盾的，蛋白质的折叠时间在微秒到秒左右，比理论时间小十几个数量级。现在的热门方向是把折叠与单分子力学结合起来，集中解决分子马达问题。
核酸与单分子生物学 核酸（核糖核酸RNA与脱氧核糖核酸DNA）是制造蛋白质的模版，遗传信息的载体，以及指挥生命活动的“程序员”。RNA不仅起信息(mRNA)传输(tRNA)而且有催化功能(Ribozyme)，在基因复制与转译时，DNA与RNA有特殊的弹性变形（拉伸，解旋，打开碱基对），在单分子技术大发展的今天，这些形变可以“实时视见”，因此，以沃森和克里克于1953年提出的DNA双螺旋模型发展起来的经典弹性模型正在被改造成更精细，与序列有关的新模型，带动高分子统计物理新一轮大发展。RNA单链也会通过A-U，G-C甚至“非沃森－克里克配对”U-U，G-U形成局部发夹，并与不配对内环以及膨胀环（突起）部分形成复杂的二级结构。预测RNA在外场作用下的二级结构并与单分子实验比较是当前国际竞争的课题。1999年起，我国学者开始参与竞争并成功计算DNA单分子力学实验发现的B-S结构相变。
总之，仿生系统的理论研究正从细胞生物学向基因层次深入，已引起物理、数学及生物学家的兴趣。