急急 求一篇仿生學的論文

【專家解說】：2008年8月Angewandte Chemie雜志報道了澳大利亞莫納什大學的利昂·斯皮西亞、羅賓·布里姆布來可比和安妮特·可羅，澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）的格哈德·斯偉格斯和美國普林斯頓大學的查爾斯·迪斯莫克斯共同開發(fā)了由一層涂層和維持植物光合作用的基本化學物質——錳組成的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可模擬植物的光合作用，為利用陽光將水分解成氫和氧開辟了一條新途徑。此項技術突破有望革新制氫工藝，從而利用太陽光大規(guī)模生產清潔的綠色能源——氫氣。 光合作用是植物、藻類和某些細菌利用葉綠素，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放出氧氣的生化過程。對于生物界的幾乎所有生物來說，這個過程是賴以生存的關鍵，而在面臨能源和環(huán)境瓶頸的今天，這一過程中的能量轉換也為人類提供了極其重要的啟示。由于自然光譜的吸收率等原因，光合作用在多數(shù)植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工設計的系統(tǒng)中，研發(fā)人員借鑒其光反應與電子傳遞的機制，并提高通量轉化的效率，使其適于太陽能的轉化利用。 事實上，在上述模擬光合作用的研究取得突破前，微生物制氫的已經成為了研究熱點。自然界已發(fā)現(xiàn)有類似甲烷菌的制氫菌，但其菌種繁育不如甲烷菌那樣簡單。若能建立合適的菌種群落，制造氫氣也會像制造沼氣一樣得到大規(guī)模應用。 模擬光合作用制氫或者微生物制氫過程正是仿生學“向自然學習”的思想典型。20世紀40年代以來，工程技術領域中出現(xiàn)了調節(jié)理論，人們開始在一般意義上把生物與機器進行類比，認識到二者包含自動調節(jié)系統(tǒng)。此后，科學研究和生產實踐完全證實了生物和機器在許多問題上的共同之處。而控制論則把生物科學和工程技術從理論上聯(lián)系起來，成為在原理上溝通生物系統(tǒng)與技術系統(tǒng)的橋梁，奠定了生物與機器在控制與通信方面進行類比的科學理論基礎。之后，斯蒂爾提出了仿生學的研究理念。自上個世紀末以來，人們認識到大約35億年的生命演化與協(xié)同進化過程優(yōu)化了生物體宏觀與微觀結構，形態(tài)與功能具有無可比擬的優(yōu)越性，仿生學也因此顯示出巨大的生命力。 從研究模式上看，仿生學作為模仿生物建造技術裝置的科學，是一門新興的邊緣科學，研究生物體的結構、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和設備，創(chuàng)造新技術。模擬光合作用制氫過程的例子很好地詮釋了這一點。在植物的光合作用中，錳參與幾種酶系統(tǒng)。由于錳可以在正二價和正四價兩種化合價之間轉換，所以主要在氧化還原和電子轉移中發(fā)揮作用。這一思想為斯皮西亞等人的研究提供了啟發(fā)。他們在確定錳簇是植物利用水、二氧化碳和陽光制造碳水化合物和氧氣的中心樞紐后，開發(fā)出這種人造錳簇，并利用這些分子的能力將水分解成氫和氧。研究者將一層質子導體――Nafion薄膜覆蓋在一個電極上，形成一層僅幾微米厚的聚合體膜，這層聚合體膜充當錳簇的載體。錳在正常情況下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中的催化劑結合，形成不易分解的穩(wěn)定結構，當水到達此催化劑時，在陽光的照射下便發(fā)生氧化反應。 在能源和環(huán)境領域，這一技術顯示了仿生技術的巨大應用潛力和價值。初步測試表明，此催化劑連續(xù)使用3天之后還有活性，由此分解出來的氫氣和氧氣可以在燃料電池中結合成水，產生電力供住宅和電動車全天24小時使用，且不排放碳而是排放水。雖然此系統(tǒng)的效率還有待提高，但研究者可以不斷地從自然界中學習，使之更為高效，從而使氫這一能效高且沒有碳排放的綠色清潔能源為未來社會所用。 生物體的電子傳遞過程在能源仿生技術上的另一重點研究領域是生物發(fā)光。生物發(fā)光和光合作用都是“電子傳遞”現(xiàn)象，而從某個角度上看，生物發(fā)光可以看作是光合作用的逆反應。光合作用是綠色植物吸取環(huán)境中的二氧化碳和水分，在葉綠體中，利用太陽光能合成碳水化合物，同時放出氧氣。光能從水分子上釋放電子，并把電子加到二氧化碳上，產生碳水化合物，這是一個還原過程。光合作用把光能轉變成化學能，而生物發(fā)光是電子從熒光素分子上脫下來和氧化合，形成水，產生光。生物發(fā)光是將化學能轉變成光能。生物光作為冷光源，具有效能高、效率大、不發(fā)熱、不產生其它輻射、不會燃燒、不產生磁場等特點，對于手術室、實驗室、易燃物品庫房、礦井以及水下作業(yè)等，都是一種安全可靠的理想照明光源。通過模仿發(fā)光生物把一種形式的能量轉換成另一種形式的能量，制造冷光板使其不需要復雜的電路和電力，就能白天吸收太陽光，晚上再將光能釋放。人們先是從發(fā)光生物中分離出純熒光素，后來又分離出熒光酶。現(xiàn)在已能人工合成熒光素，這就使人類模仿生物發(fā)光，創(chuàng)造一種新的高效光源——冷光源成為可能。然而，人們對于螢火蟲等發(fā)光機制的研究仍然有待深入。如果將光合作用和生物發(fā)光機制在仿生學框架下同時加以研究，就有可能在能量利用的電子傳遞現(xiàn)象中取得進展，從而實現(xiàn)能源利用更為巨大的進步。 從仿生學的誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在短短幾十年的時間內，研究成果已經非?？捎^。仿生學的問世開辟了獨特的技術發(fā)展道路，也就是向生物界索取藍圖的道路，它大大開闊了人們的眼界，顯示了極強的生命力，在能源技術上的應用潛力也極其巨大，有助于破解人們所面臨的能源瓶頸問題，同時解決石化能源等所帶來的環(huán)境問題。