從自然界的設計學習

「許多傑出的發明要不是從其他生物抄襲過來，就是模仿牠們早已曉得的本領。」——菲爾·蓋茨，《野生科技》。

正如上文提到，科學家研究仿生學的目的，是希望通過模仿大自然的生物，製造出更多複合材料和機器來。大自然在製造過程中從不會造成污染，天然的東西也往往富彈性、輕巧，卻同時非常堅固。

舉個例，同重量的骨頭比鋼還要堅固。箇中的奧妙是什麼呢？骨頭的形狀設計巧妙是原因之一，但主要原因卻更深一層：牽涉到分子層面。蓋茨說：「生物優秀的地方，在於其設計和微小成分的組合方式。」科學家細看這些微小成分，分隔出各種各樣的天然複合材料，骨頭堅固、絲綢輕軟都全賴它們，叫科學家對它們又羨又妒。

神奇的複合材料

複合材料是由兩種或多種不同材料製成的結構材料，其特性比原來的材料要優越得多。合成玻璃纖維 *可以說明這點。這種材料常常用來製造船身、魚竿、弓箭和其他運動用品。玻璃纖維的製造過程簡述如下：纖細的玻璃纖維絲給放在液體或果凍般的塑料（聚合物）裡，一旦凝固，就成了又輕又堅固、彈性極好的複合材料。在這個例子當中，塑料稱為基質。只要更換纖維或基質，就可以製造出林林總總的複合材料。當然，跟人類或動植物當中找到的天然複合材料相比，人造的複合材料只是小巫見大巫而已。

以人類和動物來說，鞏固皮膚、腸臟、軟骨、腱、骨頭和牙齒（琺瑯質除外）的複合材料，是以稱為膠原蛋白的纖維蛋白為主的，而不是以玻璃纖維絲或碳纖維絲為主。 *一份參考 文獻說，以膠原蛋白為主的複合物是「迄今所知最先進的結構材料之一」。

且以腱為例。腱使肌肉附在骨頭上，它不僅含有大量膠原纖維，堅韌有力，纖維的扭纏方式更是別出心裁。雅尼娜·拜紐什在《仿生學》裡寫道，腱「在各方面都精確得叫人難以置信。前臂的腱是一捆扭曲的纜索，就像吊橋的纜索一樣。每條纜索是一捆較細、呈扭曲狀的纜索；這些較細的纜索由扭曲的分子組成，而分子自然也是由一些呈螺旋形的原子構成的。腱的結構一次又一次地顯出精確的美」。拜紐什說：「這是工程學傑作。」科學家說他們的靈感取自大自然，這又何足怪呢？——請參閱約伯記40:15,17。

上文提到，人造的複合材料很容易給天然的比下去，但人造材料也不能小覷。事實上，在過去25年最傑出的十項工程成就當中，人造材料 也榜上有名。舉個例，人們用石墨纖維或碳纖維造成的複合材料，製造出新一代的飛機和太空船配件、運動用品、一級方程式賽車、帆船和輕巧的義肢等。以複合材料製造的東西愈來愈多，以上臚列的只是一小部分而已。

功用繁多、神奇的泡沫脂

鯨魚和海豚的身軀都給泡沫脂包住，卻「身在福中不知福」。泡沫脂是種奇妙的脂肪組織。《仿生學：設計與材料處理》說：「鯨魚的泡沫脂也許是已知功用最多的物質。」這本書解釋，全賴泡沫脂的驚人浮力，鯨魚才能浮上水面呼吸。泡沫脂能禦寒，更是上佳的糧食儲備。由於脂肪釋出的能量是同重量的蛋白質或糖類所釋出的兩到三倍，鯨魚遷徙時即使餓著肚子，要游數千英里也絕不成問題。

《仿生學》也說：「泡沫脂挺像橡膠，彈力十足。據目前最準確的估計，鯨魚每次擺動尾巴，富彈性的泡沫脂就會壓縮、伸展，從而加快速度；長時間游泳的鯨魚也許因而節省高達百分之20的能量。」

人們從鯨魚等身上割下泡沫脂已有好幾百年，但科學家近來才發現，泡沫脂大概有一半是所有動物身上都找得著的複合膠原纖維。科學家雖然仍然在研究階段，卻已認定泡沫脂妙不可言，要是能以人工方式仿製，就會用途更廣。

八條腿的天才工程師

近年來，科學家也一直仔細研究蜘蛛，好了解牠們怎樣造絲。蜘蛛絲是複合物。誠然，不少昆蟲都會造絲，但蜘蛛造的絲卻與眾不同。蜘蛛絲不但是世上最堅韌的物質之一，還具有看來數之不盡的奇妙特性，難怪一個從事科學寫作的人曾誇讚蜘蛛絲，說它是「人們夢寐以求的」。

為什麼科學家對蜘蛛絲交口稱譽呢？蜘蛛絲比鋼要堅韌五倍，而且極富彈性；這樣的組合在物質當中十分罕見。跟彈性一流的尼龍相比，蜘蛛絲能伸延多百分之30，但它卻不會像彈床般把獵物彈回半空去。《科學通訊》季刊說：「用人比作蜘蛛來看，像漁網般大小的蜘蛛網能捕獲一架客機。」

試想像一下，如果科學家能模仿蜘蛛高超的造絲技術（有兩種蜘蛛甚至 能造出七種不同的絲），可以把原理應用在哪些方面，他們也許可以把安全帶、縫線、人造韌帶大大改良，或製造出又細又牢固卻極輕的繩子和電纜，以及防槍彈布料等，這些不過是幾個可能性而已。另外，蜘蛛造絲的效率奇高，卻無須用上有毒的化學物質，這也在科學家研究的範圍內。

天然變速箱和噴射引擎

今天，變速箱和噴射引擎令世界充滿動力，但你可知道，這類東西在自然界裡是再尋常不過的？先說說變速箱吧。人可以借助變速箱改變車速，隨心所欲地駕馭汽車。天然變速箱也大同小異，只是它把翅膀跟翅膀連接起來，而不是把輪子和引擎連接起來。這樣的例子哪兒找得著呢？家蠅就是一例。家蠅體內有個連接著翅膀的變速箱，有三種速度供選擇，因而能夠在飛舞時任意改變速度！

魷魚、章魚和鸚鵡螺，都利用噴射推進的原理在水中暢泳。科學家對這類噴射引擎欽羨不已。為什麼？這些引擎由柔軟的組織構成，卻不易折斷，可以在深海裡使用，效率高，而且運作 時寂靜無聲。事實上，魷魚逃避捕獵者時，能以高達32公里的時速噴射前進。《野生科技》說，魷魚「有時更躍出水面，或掉在甲板上」。

的確，只要你花點時間，沉思一下大自然的點點滴滴，就會禁不住心生敬畏、賞識之情。大自然是個活的謎，引發的問題多不勝數：螢火蟲和若干藻類發出的燦爛冷光，是哪種奇妙的化學物質促成的？在北極，魚、蛙冬季時都給冰封了，解凍後是怎樣活躍起來的？鯨魚、海豹怎可以長期留在海底而不用呼吸器呢？牠們怎能一次又一次潛入深海，卻沒有患上俗稱潛水夫病的減壓症？變色蜥蜴（變色龍）和墨魚怎樣改變顏色，使自己跟四周融為一體？蜂鳥飛越墨西哥灣，消耗的燃料少於3克，是怎麼一回事呢？這類問題彷彿沒完沒了。

不錯，科學家只好繼續觀察、研究，推敲箇中原因。《仿生學》說，科學家研究大自然時，「敬畏之心」往往油然而生。

設計背後有位設計者！

生物化學副教授邁克爾·貝赫說，有關活細胞的最新發現，「像個清晰嘹亮的聲音，說：『這是設計出來 的！』」貝赫也說，從研究工夫得出的這個結論「清清楚楚、深具意義，非把它列為科學發展史上一項重大成就不可」。

可想而知，對支持進化論的人來說，這類證據教他們困惑不已，因為進化論無法解釋生物絕妙設計的由來，說到細胞或分子層面時，進化論者更是啞口無言。貝赫說：「我們有強有力的理由相信，達爾文就生物機制所作的一番解釋，終有一天會證明是無稽之談。」

在達爾文的日子，人們知識有限，以為活細胞（生命的基本單位）結構簡單，才孕育出進化論這樣的學說來。但情況已今非昔比了。分子生物學和仿生學都提出鐵一般的證據，證明細胞異常複雜，設計精巧完美，令人類發明最精緻的小機械或機器相形之下黯然失色。

貝赫說，看到這麼高明的設計，明白事理的人都會頷首同意，「生命是由聰慧的一位設計出來的」。若然，設計背後是有明確目的，設計者對人類也定有旨意，不也是合情合理的嗎？那麼，他的旨意是什麼？我們可以對他多認識一點嗎？下一篇文章會探討這些意義重大的問題。

［腳注］

［第5頁的附欄］

絕種蒼蠅與太陽能板

《新科學家》週刊一篇報導說，一個科學家參觀博物館時，看到一些給琥珀保存下來的蒼蠅的圖片，而這種蒼蠅已經絕種。科學家細看圖片，發現蒼蠅的眼睛有一連串衍射光柵，想到很可能是因為光柵，蒼蠅的眼睛才得以接收到更多的光，尤其能接收那些斜斜射進的光。於是，科學家跟其他研究人員開始進行實驗，結果證實他們的想法沒錯。

科學家們旋即計劃，嘗試在太陽能板的玻璃上套用同樣的衍射光柵模式，好使太陽能板接收到更多太陽能。試驗一旦成功，他們目前運用的昂貴追蹤系統，也許就可以擱在一旁了。這類追蹤系統使太陽能板一天到晚都向著太陽。不但這樣，人們到時也許能少用點煤、汽油或天然氣等，污染更隨之減少，因此試驗絕對是物有所值的。顯然，這類發現叫人意識到，大自然是個名副其實的寶庫，卓越設計俯拾即是，只待人們發掘、了解，要是能加以模仿，對人類將有很大貢獻。

［第6頁的附欄］

飲水思源

1957年，瑞士工程師喬治·梅斯特拉爾留意到，緊緊附在他衣服上的刺果布滿小鉤。梅斯特拉爾仔細端詳刺果和小鉤，靈機一動，經過八年苦心研究後，終於設計出一種跟刺果相似的合成物。他的發明旋即震驚全球。他發明了什麼？就是今天家喻戶曉的尼龍黏帶（俗稱魔術貼）。

試想像一下，如果有人說尼龍黏帶不是刻意發明，而是人在工作間發生了數千次意外而得出的成果，梅斯特拉爾會有什麼感覺呢？顯然，人要是公正合理，就會把功勞歸於應得的人。發明家常常為發明申請專利權，以保障個人利益。老實說，他們不少都只是抄襲大自然原有的設計，製造出次等的東西來，卻已名利雙收，甚至受人稱頌。若然，設計大自然的那一位聰慧造物主，不是更值得讚揚嗎？

［第5頁的圖片］

同重量的骨頭比鋼還要堅固

［鳴謝］

Anatomie du gladiateur combattant...., Paris, 1812, Jean-Galbert Salvage

［第7頁的圖片］

鯨魚的泡沫脂提供浮力、能禦寒，還可以充當糧食儲備

［鳴謝］

© Dave B. Fleetham/ Visuals Unlimited

［第7頁的圖片］

鱷魚和短吻鱷的皮能折矛屈箭，令子彈改道

［第7頁的圖片］

蜘蛛絲比鋼堅韌五倍，而且極富彈性

［第8頁的圖片］

啄木鳥的頭骨密度極高，能減震

［第8頁的圖片］

變色蜥蜴能改變膚色，跟四周融為一體

［第8頁的圖片］

鸚鵡螺的腔構造獨特，有助於調校浮力

［第9頁的圖片］

紅玉喉北蜂鳥飛行1000公里，消耗的燃料少於3克

［第9頁的圖片］

魷魚利用噴射推進原理在水中暢泳

［第9頁的圖片］

螢火蟲發出的燦爛冷光是由奇妙的化學物質促成的

［鳴謝］

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited