昆虫与仿生
彩万志
（中国农业大学昆虫学系）
仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。自从人类诞生就开始了仿生活动，但仿生学作为一门学科是1960年6月在美国召开的一个学术会议上提出的，它是一个涉及生物学、数学、物理学、化学、神经学、自动化、控制论等多学科的综合性边缘学科。其实质就是模仿生物制造各类设备。因此，首次仿生学会议的副标题就是“生物原型---新技术的钥匙”。
全球昆虫种类1000万种、占全球生物种类的1/2、占全球动物种类的2/3。在漫长的生物进化史中，鼎盛一时的三叶虫灭绝了，庞大的恐龙消失了……而小小的昆虫却一直繁荣至今。除了昆虫具有惊人的繁殖能力、适应能力外，它们在形态、生理、行为等方面具有很多绝妙之处。有很多地方连人类也自叹不如，如螳螂能够在0.05秒内一跃而起，捕捉到空中飞行的猎物，这一速度连目前的微电子和自动化技术都达不到。所有这些独到之点，都是仿生学的丰富资源。
昆虫的形态千姿百态，千差万别，从头到尾，从里到外，与仿生学相关之处甚多，大体有以下五个方面。
(1) 昆虫的头部与仿生昆虫的触角与各式各样的天线、昆虫的复眼与蝇眼相机、虫眼导弹、地对空速度仪、空对地速度计、偏振光导航仪等。
(2)昆虫的胸部与仿生翅的花纹与军事伪装、鳞片与计算机散然装置、鳞片结构与卫星控温、鳞片结构与防伪纸币、翅痣与飞机的减震装置、平衡棒与振动陀螺仪等。
(3) 昆虫的腹部与仿生蝗虫的产卵器和钻井装置、腹节的构造与套筒装置、腺体系统与火箭设计等。
(4)昆虫的生理与仿生几丁质与仿生材料、弹性素与弹跳鞋、肌肉发动机和燃料电池、昆虫的泌丝与人造纤维等。
(5)昆虫的行为与仿生昆虫的飞行与虫形飞机、昆虫的巢穴与建筑、蜜蜂巢房的结构与仿生、昆虫的发音与仿生、昆虫的发光与仿生、昆虫的化学通讯与仿生、毛虫的行走与战地越野车、尺蠖的行走与新型坦克、蜜蜂的访花与电子蜜蜂等。
此处，仅以翅的结构、飞行动力学为例简单介绍一下虫型飞机方面的仿生学进展。
一、虫型飞机的概念
昆虫是动物界中最早获得飞行能力的类群，也是无脊椎动物中惟一具翅的类群，其高超的飞行技巧时常使自认为万物之灵的人们愧叹弗如。吴承恩笔下的齐天大圣孙悟空会七十二般变化，一个筋斗能翻十万八千里，腾云驾雾、上天入地，好不自在！但在吴大师的心目中，孙悟空显然不如蝴蝶那么潇洒，在描述孙悟空所变的蝴蝶时，他这样写道：“一双粉翅，两道银须。乘风飞去急，映日舞来徐。渡水过墙能疾俏，偷香弄絮甚欢娱。体轻偏爱鲜花味，雅态芳情任卷舒。”从这些描写中，我们不难看到到他对蝴蝶翩翩起舞的羡慕之情。的确，每当春暖花开、万象生烟之际，美丽的蝴蝶双双对对在花间款款飞舞，不免使人顿发希望自己也能像蝴蝶那样自由飞翔的感慨。
人类渴望了上百万年的飞天梦，直到1903 年，美国的莱特兄弟成功地进行了动力载人飞行的那一刻才真正成为现实。在此后的100多年中，航空器的大型化、高速化、智能化一直是航空研究领域的主流。但是，20世纪90年代以来，随着微电子、微电子机械系统、微型照相机、微型红外传感器、微型检测器和计算机芯片等技术的飞速发展，飞行器的设计又始出现向小型化、微型化发展的趋势。
虫形飞机是一类特殊的微型飞行器，它不是简单的普通飞机的微型化，而是一类高度集成化的智能机器人。因此，该类飞行器又被称为飞行机器人、机器虫、微机械飞虫、多型电机虫等。按照虫形飞机的权威，美国佐治亚技术研究所Robert Michelson博士等的定义，虫形飞机指用人造肌肉技术制造的能短距离平飞并定位着陆的机器人化微型飞行器。
本文中的虫形飞机是指体积像昆虫一样大小的飞行器，也就是广义的虫形飞机。
微型飞行器的概念，是美国麻省理工学院林肯实验室的研究人员首次提出的。1992年，美国国防部国防高级研究计划属就开始进行这方面的论证工作，并把它们的尺寸规定在15厘米以下，重量10~100克，有效载荷1~18 克，巡航速度30~60千米/小时，续航时间20~60 分钟，航程大于10千米，最高飞行高度可达150米。这种飞行器具有导航及通信能力，可用手掷或飞机操纵，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，能一次性或多次性使用。近年来，这方面的研究取得了可喜的成果。2000年7月，美国专利局还为Michelson所发明的多型电机虫注册了专利，这意味着虫形飞机将从实验阶段进入商业化阶段。
二、虫形飞机的用途
虫形飞机具有自主飞行、携带任务载荷执行特定任务、通信及传输信息等基本特征。由于微型飞行器具有体积小、重量轻、隐蔽性好、功能强、携带方便等特点，在军事和民用领域，都具有十分诱人的应用前景。
在军事方面，这些机器虫在空中飞行，不仅肉眼很难发现，就是雷达探测器也很难探测到，即使被“看”到，也可能会误认为是一只普通的昆虫。甚至这种飞行器飞入房间、停在墙上也不会引起人们的注意。所以，虫形飞机能完成一些大型武器所不能完成的任务，如用于街道密集、高楼耸立的城市作战时，对特定目标进行监视、监听和跟踪；像一只蜜蜂钻到敌方的指挥部、情报室内窃听军事XX，收集视觉、化学和生物情报，然后把这些准确的情报送回操作者手中；在倒塌的建筑中寻找幸存者或侦查藏匿在深山中的恐怖分子的动向；也可用于清扫战场、检测有毒化学物品；还可以携带高能炸药引爆弹药库，炸毁坦克、大炮、飞机，甚至飞入设在地下的敌方指挥部，炸死那些正在地图前指挥作战的将领们。这一切都令敌方防不胜防。此外，它们还可以用作雷达干扰器。当虫形飞机飞至雷达附近时，对雷达进行有效的干扰。一些发达国家军方为此投入了大量的人力物力，以期取得战争的主动权。
当然，虫形飞机还可用于野外勘察、环境监测和保护、科学探险、航空摄影等工作。比如，监视和消灭害虫或为农作物授粉、跟踪野生动物群、巡逻牧场、监控道路交通、在高耸的烟囱上测量废气排放量、监测溢出化学物的浓度、监视犯罪团伙等等。不仅如此，虫形飞机在医学上的用途更大。负责研制机器蝇的Fearing博士，曾设想用苍蝇大的虫形机器人进行人体腔内手术；当然也可直接从经口或鼻孔进入胃中，就像《西游记》中的孙悟空变成蝇子进入铁扇公主肚子里那样。有的科学家甚至建议，将虫形飞机“派往”龙卷风中心，了解龙卷风的成风机制。如果上述设想都能实现的话，那么，虫形飞机将给科学研究和人们的生活带来多么大的方便。
三、虫形飞机的类型
近年来，各国的研究者们设计出多种虫形飞机，根据其结构和飞行原理，大致分为4类。
1.无翼虫形飞机智能控制的无翼虫形飞机是近年来颇受重视的方向，美国、法国、日本等均有人在研究。
2. 固定翼虫形飞机从传统的固定翼虫形飞机演变而来，在目前众多的设计模型XX 占有一定比例。如美国AeroVironment公司的Black Widow、Sanders公司的MicroStar 等。后者曾被美军用于阿富汗战场，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，侦察前方5 千米的情况。
3. 旋翼虫形飞机从传统的直升飞机演变而来。主要以美国Lutronix 公司的
Kolibri、斯坦福大学的Mesicopter 等为代表。我国XX交通大学薄膜与微细技术实验室主任蔡炳初教授及其合作者研制的双螺旋桨微型飞机即属此类。德国前些年就已研制出只有黄蜂般大的直升机。
4. 扑翼式虫形飞机模拟昆虫飞行设计而成。严格地说，只有这类微型飞行器才能称为虫形飞机。1998年初，加利福尼亚大学以Fearing博士为首的实验室，开始研制一种扑翼式虫形飞机叫“机器蝇”，这种虫形飞机只有普通苍蝇大，样子也像苍蝇。这种虫形飞机重约43毫克，直径为5~10毫米。
目前美国国防部国防高级研究计划属有10余项虫形飞机大型研究计划在进行，包括了上述4大类虫形飞机。
四、虫形飞机的研制难点
虫形飞机微型飞行器不同于传统概念上的飞机，它是微电子机械系统集成技术的产物。过去20年的研究表明，开发一种像昆虫一样的飞机绝非易事。在研制方面的困难主要有三大个方面。
1．气动设计关于大型固定翼和直升飞机的设计已是一项比较成熟的技术，但这些方法在用于虫形飞机的设计时均告失败。如果按传统空气动力学计算，昆虫升力远小于昆虫的重力，理论上昆虫不能飞行。显然用以往的常定的、非定常流体力学原理不能解释昆虫的飞行，而用于大型飞机设计的方法也无法应用于虫形飞机的设计，特别是无法用于扑翼型虫形飞机的设计。所以，研究昆虫的功能形态学、飞行动力学一直是近年来各国学者关注的热点。
2．微型动力既能装在微型飞行器内，又要能储备足够的能量，除维持飞行器的飞行外，还能对机载设备提供能源。近年来，西英格兰大学（University of the West of England）的研究者正在进行一项研究，希望能发明一种方法，让微型飞行器也能像鸟类和蜜蜂那样，靠自己摄取食物来产生能量，以便成为一种新型的、独立工作的机器人。该小组已经研制了一种使用生物燃料电池的机器人。这种机器人是通过微生物燃料细胞提供动力，而微生物燃料细胞能消化死苍蝇及腐烂的苹果等。这样微生物燃料电池就能作为一个“软系统”来加以使用，以驱动虫形飞机。
3．自动控制系统因为这种飞行器与无线电遥控飞机模型完全不同，需要自主飞行。澳大利亚国立大学的一个科研小组在仿生学的基础上，通过对几种昆虫的研究已经研制出虫形飞机，它们有蜻蜓的灵活和敏捷，蜜蜂一样的定位准确。科学家根据蜻蜓、蝇子、蜜蜂等昆虫的复眼构造研制出的电子复眼模型，可以通过测量紫外光和绿光的分布保持水平飞行，从而解决了在火星过于稀薄的大气中平稳飞行的问题。而导航问题的解决则得益于对蜜蜂的研究，火星上没有GPS系统，也没有可以判断方向的磁场，所以地球上常用的导航方法到火星上便失去了作用，而蜜蜂是使用天空中的磁偏振图形、陆地标志、飞行距离相结合来导航的。2003年，这个研究小组研制出了成熟的、有实用价值的导航传感器，2004年，又对这种小型飞机做出了最终测试，并计划让这些虫型飞机在2007年探测火星Marineris峡谷中的岩石结构。
此外尚有机载设备微型化、用于数据传送的电源、飞行稳定性操纵性与控制技术等方面的挑战。
五、昆虫学家的可能贡献
虫形飞机的研制是典型的重大高科技仿生学工程，需要昆虫学、自动化、电子学、力学、机械制造、神经学、控制论等多学科的密切协作。
在昆虫学方面应该系统地研究具翅昆虫不同分类阶元(目、亚目或总科级)代表种翅的结构、类型，测量各代表种体的长宽、体干重、活体重、翅的长宽及面积、革片长度、厚度与面积，分析各被测数据的相关性；解剖翅运动相关肌肉与神经系统的拓扑形态，分析期能量供应机制；测定和观察各代表种在自由飞行及吊飞情况下的翅振频率、翅振幅度、翅面扭转
及运动状态；测量各代表种体的飞行距离、飞行时间和飞行速度等。
昆虫飞行远比我们从外表所看到的复杂得多。科学家们对昆虫飞行的空气动力学的研究表明，昆虫飞行时并不是无规则地随意摆动其双翅，而是每次振翅都力求获得空气动力学上的最佳效率。如郡王蝶在飞行中不时地故意扇动翅膀造成涡流，以达到增加额外浮力的目的。在高速摄像机的帮助下，研究者发现了蝴蝶上下翻飞、旋转翅膀、在空中保持不动等6种不同的模式；在效率方面，蝴蝶翅膀产生的浮力至少是目前最先进的飞机的10倍。
能飞之昆虫种类繁多，翅的类型不一，飞行时起主要作用的翅情况各异，因此系统地研究翅的功能形态与飞行的关系非常必要。譬如，仅昆虫的个体间大小差别就很大。现生的最大的蛾子是产于中、南美洲的强喙夜蛾Thysania agrippina，其翅展可近达320 毫米，亚力山大凤蝶Ornithoptera alexandrae的翅展可达300 毫米；产于我国南部的乌桕大蚕蛾Attacus atlas的翅展可达300 毫米，身体最粗壮粪蜣身体的直径可达50毫米，巨犀金龟Dynastes hercules的体长达180 毫米。而最小的一些寄生性的膜翅目昆虫成虫的体长在0.2 毫米以下；不同大小的昆虫飞行时空气动力学状态会有一定变化。另外，有些昆虫用两对翅飞，有的用一对前翅或一对后翅飞；有的白天飞，有的夜里飞；有的在飞行中捕食，有的在飞行中交尾；有的能倒飞，有的能悬飞。深入研究各类具有飞行能力昆虫的空气动力学机制，能为虫型飞机的研制提供必要的科学依据。
国际上的科学家、战略思想家和未来学家们认为：“五种常常重叠的技术最有可能在今后15-20年使军队发生革命性的变化。这五种技术为：机器人技术、先进的动力与推进技术、微型化技术、移动和自适应数字网络、飞速发展的生物科学。”仿生虫形飞机的研制正属这一X围。我国科学家始终注意虫型飞行器的发展动态，并开始这方面的基础和应用研究工作。但总体而言，我国在这方面的研究与国外相比尚有一定差距，尤其是实践方面更是如此。我们只有面对这些挑战，采取科学XX的态度解决这些问题，才能最终实现我国虫形飞机研制的跨越式发展。我们有理由相信，随着人们对昆虫飞行技巧的了解，制造像昆虫那样自由飞翔的虫形飞机将来一定成为现实。
1、鸟在天空飞翔：制造了各种飞行器。 2、蜜蜂造巢窝：各种正六边形的蜂巢结构板材。 3、每只蜻蜓的翅膀末端，都有一块比周围略重一些的厚斑点，这就是防止翅膀颤抖的关键。飞机设计师研究苍蝇、蚊子、蜜蜂等的飞行方法，造出了许多具有各种优良性能的新式飞机。4鲸：外形是一种极为理想的“流线体”，而“流线体”在水中受到的阻力是最小的。后来工程师模仿（fǎng）鲸的形体，改进了船体的设计，大大提高了轮船舴的速度。 5、蛋壳：能够把受到的压力均匀（yún）地分散到蛋壳的各个部分。建筑师根据这种“薄壳结构”的特点，设计出许多既轻便又省料的建筑物。 6、6、袋鼠：会跳跃的越野汽车， 7、7、贝壳：外壳坚固的坦克……鱼儿在水中游荡：学会了游泳，发明潜艇。 8、8、连体鲨鱼装：第一代鲨鱼装模仿了鲨鱼的皮肤，在泳衣上设计了一些粗糙的齿状突起，以有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4%。 9、9、大乌背小乌龟：转动炮塔的坦克。 10、10、让盲者见到光明：在植入了微小的仿生视网膜之后，3位失明患者不仅看到了明灭或者移动的光点，甚至还成功地用眼睛区别出杯子和盘子。 11、人工合成蛛丝：蛛丝含有一种纤维蛋白，这种蛋白质和存在于毛发和羊角中的角质蛋白相似。这种蛋白分泌出来后开始变得坚韧。通过精细的平衡水的含量，蜘蛛和蚕可以防止纤维蛋白过快固化。 12、蜻蜓-飞机； 13、青蛙—快速扫描系统 14、苍蝇-气味探测器
15、螳螂—镰刀电鱼与伏特电池。经过对电鱼的解剖研究，发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。 16、水母耳朵：水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。 16、动物仿生学 17、生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。 18、响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。 19、火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。 20、科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装备。 21、科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。 22、白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆，还可以通过头部的小管向敌人喷射胶粘剂。于是人们按照同样的原理制造了工作的武器—一块干胶炮弹。 23、美国空军通过毒蛇的“热眼”功能，研究开发出了微型热传感器。 24、我国纺织科技人员利用仿生学原理，借鉴陆地动物的皮毛结构，设计出一种KEG保温面料，并具有防风和导湿的功能。 25、根据响尾蛇的颊窝能感觉到0.001℃的温度变化的原理，人类发明了跟踪追击的响尾蛇导弹。 26、人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯。 27、人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”。 28、科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领制成了世界上第一批防毒面具。
动物生物学课程教学大纲_动物生物学 动物生物学课程教学大纲_动物生物学 附件1 动物生物学课程教学大纲 课程名称：动物生物学（A nimal bioloy）课程编码：***-*****14 课程类别：学科基础课 总学时数：60 课内实验时数：24 学分：2.5 开课单位：生命科学学院动物教研室适用专业：生物技术适用对象：本科（四年） 一、课程的性质、类型、目的和任务 动物生物学是生物技术专业的必修课，是学科基础课。其目的和任务是研究动物的形态、结构、功能、分类、生态、分布、发生、遗传、进化以及和人类的关系等，并通过对其的学习和研究，使学生系统掌握动物生物学的基础理论知识，增强动物保护意识，提高对动物的观察能力，以及分析和解决问题的能力，培养学生治学严谨、实事求是、勇于开拓创新的学习态度。 二、本课程与其它课程的联系与分工 本课程宜从二年级第二学期开始，以确保学生学习本课程具有所需要的生物学基础。 三、教学内容及教学基本要求 表示“了解”；表示“理解”或“熟悉”；表示“掌握”；△表示自学内容；○表示略讲内容； 绪论 第一节动物学概论的发展简史 动物学概论的有关概念；研究动物学概论的意义；动物学的分支学科；动物学的发展简史○；动物学领域的领军人物△；动物学概论的前沿内容。 重点：学习动物学概论的意义及动物学概论的前沿内容难点：
分支学科 教学手段：多媒体教学教学方法：讲授法、讨论 作业：简述动物学的发展简史？思考题：如何才能学好动物学概论？第二节动物分类系统 动物体的组成及结构；生物界的划分△；动物分类系统；动物进化路线○；动物学领域主要的学派及代表人物。 重点：动物分类系统 难点：动物体的组成及结构教学手段：多媒体教学 教学方法：讲授法、讨论、启发式作业：主要的动物分类系统有哪些？思考题：动物分类的依据是什么？ 第一章动物的细胞和组织 第一节动物体结构与功能的基本单位----细胞动物细胞的结构；动物细胞的元素组成；动物细胞的细胞器功能；动物细胞的类型；动物细胞与植物细胞的区别；细胞凋亡△；细胞修复△；细胞再生○。 重点：动物细胞的结构难点：动物细胞的元素组成教学手段：多媒体教学 教学方法：讲授法、启发式、演示法作业：动物细胞的基本结构有哪些？第二节动物细胞的周期与细胞分化 动物细胞的周期；动物细胞的分化；动物细胞的有丝分裂；G 1期的特点○；S 期的特点○；G 2的特点○；动物细胞分化的特点。 重点：动物细胞的周期难点：动物细胞的分化教学手段：多媒体教学教学方法：讲授法、讨论 作业：动物细胞的周期包括哪几个阶段？第三节多细胞动物的组织、器官和系统 动物的组织；动物的器官；动物的系统；动物细胞的连接方式；动物体的结缔组织类型○；动物体的肌肉组织类型○；动物体的神经组织传导方式和传导原理△。 重点：组织、器官、系统的定义、组成难点：各个组织、器官、系统的功能教学手段：多媒体教学教学方法：讲授法、讨论
分子生态学的原理和方法 1分子生态学使生态学的实验研究进入分子水平 生物与环境之间的相互经，是地球上的生命出现以来就普遍存在的一种自然现象。但生态学自1866年诞生以来，人类对其规律性的认识则经历了一个由浅入深，由片面到全面的较长历史过程。表现在方法上，从逐渐摆脱直接观察的“猜测思辨法”，到野外定性描述的“经验归纳法”，再到野外定位定量测试与室内实验相结合的“系统综合法”。上述方法虽然有力地推动生态学取得了长足发展，但其研究视野仍局限在宏观水平上，因而表现出外貌或形态相同的生命有机体，由于所处的环境条件不同，其生理功能也不相同；亲代外貌、形态和生理功能相同的生命有机体，子代却由于所处的环境条件不同而产生新的变异，因此，宏观生态现象的多样性需要用微观的室内实验分析来揭示其生态本质的一致性也就成为生态学宏观与微观相结合发展的必然趋势。分子生物学原理和技术应用于生态学研究而形成的生态学新的分支科学――分子生态学，使生态学的实验研究一跃进入分子水平。 分子生态学的兴趣，首先建立在组成生命有机体的基本物质――核酸和蛋白质等生物大分子以及环境对这些基本物质的影响上。生命有机体遗传信息的携带者是核酸。遗传信息通过DNA分子半保留复制而代代相传。遗传信息由DNA到RAN再到多肽链合成蛋白质的过程称之为中心法则。合成的蛋白质作为一切生命活动的承担者，实现了生命有机体新陈代谢，生长发育以及对外界环境变化的反应，并调控着信息的传递和表达。虽然糖类不像核酸直接参与生命现象的延续，也不像蛋白质那样直接承担生命活动的体现，但它与分子之间的相互识别有密切的关系，因而在生命有机体信息传递中发挥着重要作用（邹承鲁，1996）。 携带蛋白质所需信息的DNA片段称为基因（gene），它是DNA上决定生命有机体外部形态、内部结构和生理功能的基本单位，按功能分为可被转录形成mDNA，进而转译成多肽，构成各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶和激素等的结构基因以及可调节控制结构基因表达的基因的调节基因。基因由丹麦遗传学家Johansen W于1909年提出以称谓“孟德尔因子”或孟德尔自己使用的“性状单位（Character unit）”或“单位因子（Unit factor）”，而现代定义则为“遗传信息的结构和功能单位”。每个DNA分子含有很多因基因，基因的复制过程就是4种碱基按A配T，G配C的互补配对原则进行。因DNA分子是由两条多核苷酸组成双螺旋结构，故复制时，DNA 在酶的催化作用下，原来的两条链先解旋成单链，然后各条链以自己为模板，配成相应的新链。这样，1个母DNA分子便复制成两个完全相像的分子，它说明了为什么子代和亲代想像的道理，即遗传的实质是碱基序列的复制过程。 基因最重要的特征是其从亲代到子代相似的复制能力，以保证生命有机体遗传的稳定性。然而，如果遗传信息始终不变，就不可能有新的生命有机体类型的产生。事实上，地球上生物多样性的存在已充分证明了遗传信息携带者的基因具有变化的特征，即基因突变（Mutation）。所有发生在基因的DNA序列中是由碱基替代（Base substitution）、碱基插入（Base insertion）和碱基缺失（Base deletion）等改变引起的，可以通过复制而遗传的任何持续性改变改变都叫基因突变，它可发生在生殖细胞，也可发生在体细胞。其中，碱基数量的变化是基因突变的一个重要原因。因为在不同的生命有机体类型之间，碱基的数量是不同的，DNA以其加倍的4个符号，可以编译成的MM蓝本是无限的，说明基因突变是无限的。其次，碱基的内容不同，也会导致基因突变，如ACA和UCA，虽只一个碱基之差，但含义是不同的。另外，碱基排列次序的变化，也是导致基因突变的一个，如UCA和CUA，CGG和GGC，他们的碱基完全相同，只是排列次序不同，因而其含义也不同。 基因是遗传信息的携带者，而生命活动的执行者却是蛋白质，即基因表达的产物。然而，生命有机体中的基因并非同时全部表达，其表达程度也各不相同。只有按一定的表达模式表达的基因，才能使遗传信息与生命活动之间建立直接的联系。因此，真正执行生命活动的蛋白质是在基因调控下不断变化的（王志珍，邹承鲁，2000）。此外，蛋白质分子，除有以氨基酸组成的并有一定顺序的肽链结构外，还具有肽链在空间的卷曲折叠而形成的三维空间结构，也只有处在这种特定的三维结构中的蛋白质分子，才能真正发挥生物功能。因此，即使肽链的氨基酸序列不变，只要空间结构被破坏，就会导致蛋白质功能的丧失。 分子生物学在其迅速发展中起来越深刻地认识到基因与环境的相互作用是产生基因突变和基因多态的源泉。因此，分子生物学对分子生态学最本质的贡献是阐明了外界环境对以中心法则为基础的基因突变，基因表达和蛋白质活性施以深刻的影响，因此生命有机体随着外界环境和内部生理状态的不同而表现出不同的基因突变、基因表达和蛋白质活性差异，且这种差异存在着严格的时空特异性。依据
仿生学发展过程的分析 刘福林 (商丘师范学院生命科学系,河南商丘476000) 摘要 仿生学在科学创新中具有重要作用,国内外学者对此进行了大量研究。在回顾分析仿生学重大事件的基础上,提出了仿生学经历了4个发展时期:萌芽时期、建立时期、巩固时期与现代时期,指出了仿生学的重大贡献是源头创新的研究理念与方法,并能在未来的所有领域内应用、取得突破性研究成果。 关键词 仿生学;重大事件;发展时期;研究方法 中图分类号 Q811 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2007)15-04404-02 A na lysis of the Developm ent P ro gress o f Bio nics LIU Fu-lin (Depart ment of Life Scien ce,S hangq iu Normal College,Shangqiu,Henan476000) A bstract The research on the bionics is imp ortan t in science innovation all over the word.In the article four devel op ment periods of b ionics includ in g bu ddin g,b uild ing,strengthen and modern were reviewed.The i mportant contribution of bionics to research idea and means of resource in novation was pointed out,which may be ap plied in all fiel ds in future for unpreced ented res earch results. Key w ords B ion ics;Great event;Devel op ment period;Research means 仿生学的诞生与发展过程分为4个时期:仿生学萌芽时期;仿生学建立时期;仿生学巩固时期;现代仿生学时期。 1 仿生学的萌芽时期(远古时代至1940年) 在人类文明的早期,为了生存,人类不得不对其赖以饱腹的动植物的生活习性以及周围世界的各种自然现象进行观察。因此,从远古时代起,人们实际上就已在从事仿生学工作。例如,相传春秋战国时代(公元前450～500年),鲁班上山伐木途中,手指为茅草划破,从而受到启发,经反复实践,终于制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯[1]。2300多年前墨子和他的300弟子,花了3年时间,造成一只“会飞的木鸟”,同时间希腊人阿奇太也制成一只“机械鸽子”。自古就有许多中外人士模仿鸟类飞行试制飞行器,但都不成功,原因在于不了解鸟类的形态构造和生理机能适于飞行的科学原理;又不了解人不具备飞行的生理条件,人要上天,必须依靠机械动力才有可能。1903年12月17日,美国人莱特兄弟飞机飞行的成功便是一例。另外,1884年,人们受到蚕食桑叶吐丝的启迪,利用硝酸液处理棉绒,制成硝酸纤维素,由法国化学家德贝尔尼戈·夏尔多内首次成功地将硝酸纤维素制成硝酸纤维。同年,英国人查尔斯·克劳斯(Charles·F·Cr oss)和爱德华·贝文(Edwa rd·J·Be van)申请了第1个醋酸纤维制造方法的专利,这两种纤维的问世是仿生学运用的成果。但这些发明和尝试,在人类文明史上犹如点点星火,一闪而灭,始终未能形成一门独立的学科[2]。总之,20世纪40年代前,人们对于生物体与机器之间有无共同之处,还缺乏明确认识,还不具备将二者进行类比的必要的基础知识。工程技术人员还不了解生物系统可成为各种技术思想、设计原理以及发明创造的源泉,生物学家也只局限于研究和描述生物结构的精巧、功能的神奇。因此,从远古到1940年属于仿生学的萌芽时期。该时期,人类的各种仿生现象与成果不断涌现,为这门科学的诞生积蓄了实践经验与感性认识。 2 仿生学的建立时期(1940～1960年) 20世纪40年代,工程技术领域中出现了调节理论,人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比,认识到二者具有 作者简介 刘福林(1965-),男,河南商丘人,副教授,从事管理仿生学研究。 收稿日期 2007-02-28自动调节系统。1944年,一些科学家已经明确机器与动物在自动控制、通信和统计动力学等一系列问题上是统一的,具有共同之处。同一个时期,美国的一位年轻工程师申农(C. Sha nnon)提议建立了一门叫作“信息论”的科学。从此,开展了大量关于信息传递与处理的研究工作,深刻认识到一切通信与控制系统所共有的特点。对许多研究工作得到的结果进行理论概括,并将技术控制系统的控制机理与现代生物科学所发现的动物体中的某些控制机理进行类比,又逐渐形成了一门新的科学“控制论”。1949年,控制论创始人、美国科学家维纳(N.Wie ner)出版了《控制论》一书,对这一学科的思想和概念等作了比较全面的论述。维纳着重指出,控制论是研究机器和生物体中控制与通信的科学。科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来,成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁,奠定了生物与机器在控制与通信上进行类比的科学理论基础。随着这两门学科的结合与渗透,人类就为自已找到了一条新的技术发展道路———向生物界索取设计蓝图,并于1960年9月诞生了一门新的交叉科学———仿生学。1960年9月13～15日,在美国俄亥俄州达顿城(Da yto n)的一个空军基地,召开了美国第一届仿生学讨论会。在20世纪50年代已成为一门独立学科的“仿生学”,在这次会议上被正式命名。一位专长于精神病学和神经学、又受过数学和电子学训练的美国军医J.E.斯蒂尔(Jac k Ellwo od Steel)博士,给这门新诞生的科学分支起了一个名字叫做bionics(仿生学)。斯蒂尔博士给它下了这样一个定义:“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学”,简单一句话,仿生学就是“模仿生物的科学”[3]。因此,从1940～1960年属于仿生学的建立时期。 该时期,人类在仿生学研究中的最大贡献是建立了仿生学理论。从实质上看,仿生学的诞生带给人类的是创新的理念与方法,即向生命系统学习的理念,模拟生命系统的方法。使人类从一个崭新的视角透视世界,发现前人未发现的事物,实现科学技术的原始创新,这是其他科学无法比拟的优势。 “提出模型,进行模拟,这就是仿生学的基本研究方 安徽农业科学,J ou rn al of An hui Agri.Sci.2007,35(15):4404-4405,4408 责任编辑 罗芸 责任校对 李洪
仿生学论文 10级生物科学 1009210117 张荣华
摘要 自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强化了自身许多优异的结构和特殊功能。人们模仿生物界的这些结构特征,将它们应用于自身的斗争,即军事斗争中。利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学。解决在日常的生产生活中遇到的问题，制造多种探测、斗争武器。 关键词：生物结构特殊功能实践运用军事
一.仿生学简介 仿生学（bionices）在具有生命之意的希腊语言bion上，加上有工程技术涵义的ices而组成的词语。大约从1960年才开始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。 1.历史由来自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使 它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。劳动创造了人类。人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中，促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此，人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领。 鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。 2.研究方法仿生学是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号，把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含
（生物科技行业）普通生物学基础实验A教学大纲（生科）动物生物学
普通生物学基础实验A2教学大纲 课程编号：08207313 学时：34 学分：1 开课对象：生物科学系本科生 课程类别：专业必修课 课程英文译名：BasicalbiologyexperimentA2 一、教学任务和目的 本课程是高校生物类壹年级本科生的专业基础课。本课程从加强基础、培养能力、提高素质的教学目标出发，建立壹个科学、合理的动物生物学实验教学课程体系。使学生通过本课程实验教学，不只是加深理解和巩固所学理论知识，而是更能切实掌握动物生物学基本实验技能，正确使用常规仪器，学会正确记录，分析讨论实验结果，初步综合运用已学实验技术方法设计简单实验。在实验教学中，同时加强对学生进行科学素质和良好的实验室工作习惯的训练。为继续培养具有创新精神和实践能力的高素质人才奠定良好的基础。 二、教学基本要求 以动物生物学实验的基本操作、基本技能和基本理论为基础，精选重组验证性实验，增加综合性实验及知识范围，操作难度适宜的自选实验的比例，引导、指导学生初步设计实验。建立壹个既和理论课有壹定互补作用，又具有相对独立性的科学、合理、实用性强的实验教学课程体系。 在切实培养提高学生实践能力的同时，理论联系实际地培养学生独立思考、综合分析、推理判断的能力，科学思维能力和创新意识，以及科学求实的态度，相互协作的团队精神。 三、教学内容 本课程实验教学内容在突出基本实验技能训练为先导的基础上，以进化上有重要地位门
类的代表动物（实验动物）为材料，贯穿生物学原理，由简单到综合，由基础性到提高层次的实验，构成包括基本实验—综合性实验—自选性和设计实验3个层次的实验教学课程体系。本课程总共34学时，1学分。 实验壹动物细胞、组织的制片和观察 实验目的 1、了解普通光学显微镜的基本构造，能够规范和较熟练地使用和维护。 2、学习掌握涂片法制作动物细胞显微玻片标本，动物组织平铺片等临时装片和涂片的制 作方法。 3、了解动物细胞的基本结构。 4、掌握动物的4类基本组织结构特点及其结构和机能的关系。 实验内容 1、双筒光学显微镜的构造和使用和维护方法。 2、制备口腔粘膜细胞标本，观察细胞形态结构。 3、制备和观察蛙的肠系膜平铺片、蝗虫的肌肉组织分离片、血涂片。 4、利用显微镜观察动物4类组织玻片标本。 实验主要仪器设备及材料 双筒光学显微镜，无菌牙签，解剖器材，玻片，注射器，染色缸，蛙，蝗虫 7%生理盐水，0.9%生理盐水，0.1M碘液或0.1%亚甲基蓝，1%硝酸银，甲醇，姬母萨染液。 实验二原生动物系列实验 实验目的 1、学习在显微镜下对运动活泼的原生动物的观察和实验方法。
第一章复习题 1、何谓实验动物？实验动物学的研究内容？ 2、3R的含义及拼写？ 3、何谓动物福利，动物的五大自由？ 4、实验动物在医学生物学中的地位和作用？ 5、实验动物科学发展史上的里程碑是什么？ 6、我国实验动物法规建设如何？ 第二章复习题 实验动物遗传学控制分类 近交系的定义、特点及命名法 亚系、重组近交系、同源突变近交系、同源导入近交系的定义和命名 封闭群动物实验动物的定义、特点及命名法 杂交群动物实验动物的定义、特点及命名法 第三章思考题 1、普通级动物、清洁动物、SPF动物、无菌动物的概念。 2、不同等级的实验动物对实验结果的影响。 2、人兽共患病、动物烈性传染病主要病原体的名称。 3、淋巴细胞脉络丛脑膜炎、鼠痘、狂犬病、流行性出血热等疾病的传染源、传播途径、易感者和症状表现。 第四章复习题 1、实验动物营养学的概念。 2、实验动物饲料含的六大营养成分。 3、体内不能合成维生素C的实验动物有哪些。 4、啮齿类、兔、犬和猴的营养需要。 5、常用的实验动物饲料消毒灭菌方法 第五章复习题 1、实验动物的环境、外环境和内环境的概念？ 2、以R=(A+B+C)×D+E说明环境控制的重要性。 3、影响实验动物的环境因素有哪些？ 4、国标中对实验动物小鼠动物实验屏障设施的温度、湿度、噪声有哪些要求？ 第六章复习题 1、屏障设施的概念？ 2、屏障设施运行的四要素有哪些？各有何特点？ 3、常用的小型独立实验动物设备有哪些？ 4、在无人协助的情况下你如何应用清洁级小鼠在实验动物屏障设施内进行动物试验? 第七章复习题 各种动物的主要生物学特性及在医学生物学中的应用 第八章复习题 1、免疫缺陷动物 2、转基因动物（Transgenic animals） 3、克隆动物(cloning animal) 1、何谓实验动物和实验用动物? 实验动物(Laboratory animals)是指经人工饲育，对其携带的微生物实行控制，遗传背景明确或者来源清楚的，用于科学研究、教学、生产、检定以及其他科学实验的动物。
[据大众科学网站2011年9月15日报道]海洋研究、海中航行、海床测绘、目标追踪等行为均需要依赖声音来进行正确定位，声音在目前仍然是水下传输信息的最佳媒介。受到逆戟鲸耳朵的启发，来自美国斯坦福大学的科学家Kilic正在研发一种独特的水下传声器，该传声器既能够听到最安静的声音，也能够听到最吵闹的声音，甚至可以在水下6英里、压力是水面1000倍的深度下工作。 一些能够在深海中游弋的鲸鱼，如逆戟鲸，能够改变自身内耳的压力从而和周围环境相适应，这种能力使逆戟鲸在水下听的更加真切。科学家们想要研发的水下传声器能够实现同样的功能。该水下传声器的传感器中有三层硅材料薄膜，每层薄膜的厚度都是人类发丝直径的百分之一，薄膜上有数千个微孔，水能够在这些微孔中通过。随着传感器工作深度越深，流进薄膜内的水也越多，在平衡内外压力的同时也使传感器对于外界声音的探测更为敏感。然而，在解决了一个问题的同时，一个新的问题接踵而至。当接触到声波的时候，硅材料薄膜会产生十分微小的位移，尤其在深海的时候现象更为明显，这是由于水的不易压缩性造成的。海洋中最安静的声音能使薄膜产生0.00001纳米的位移，这相当于原子直径的万分之一。由于产生的位移过于微小，该研究方案似乎走进了死胡同。然而有方法证明利用激光能够准确测量到薄膜产生的位移。 在科学家制造出的水下传声器样机中，一条可分支的光纤电缆被引入进来：其中一分支可以发射激光，另外一分支则是光学探测器。激光对薄膜进行照射，薄膜将激光反射到光学探测器上，这就对声音实现了探测的目的（具体实现原理见上图）。水下传声器能探测到160分贝以内的声音，这意味着从图书馆内的窃窃私语到60英尺外TNT炸药的隆隆爆破，这些声音利用水下传声器都可以完全无损的探测到。在低频端，水下传声器能够探测到地壳运动的声音；而在高频端，它能够探测到水分子撞击传感器的声音。 仿生船舶魅力无限 目前世界上最快的船艇其速度也赶不上大多鱼类的游速，鱼儿行动速度之所以快，原因是多种多样的。鱼儿都有流线型的“身材”，皮肤表面非常光滑，这使得它们受到的摩擦阻力非常小。所以现今生产的高速船大都具有流线型光滑的外表。另外，海豚之所以游得快，还和其有特殊的皮肤结构有关。物理学表明，水接触坚硬的东西，水流则会产生混乱现象，会增大水的阻力；相反，若水接触的是柔软且具有极微细不平的表面时，则会消除水流混乱现象，从而减少水的阻力。海豚皮肤表面就比较柔软且具有弹性，人们模仿海豚的皮肤构造，用橡胶制成了人造海豚皮，装在潜水艇上，使湍流减少了50%，从而大大提高了潜艇的航行速 度。 德国研究新型船舶仿生涂层 出处：大公报编辑：国际船舶网发布时间：2010-5-7 08:32德国波恩大学近日发表公报说，德国科研人员发现了槐叶萍「超级疏水性」的奥秘。如果给船体刷上具有类似疏水性的仿生涂层，可大大降低船只行进过程中与水的摩擦，从而节
仿生学的例子 1。由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。 2。从萤火虫到人工冷光； 3。电鱼与伏特电池； 4。水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。 5。人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。 电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。 6。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。 7。模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。 8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。 9。现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。 10。屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。 11。船桨模仿的是鱼的鳍。 12。锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。 13。苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。 14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。 15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。 16。贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。 好运 生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。 响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。 火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。 科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装备。 科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。
8条飞机设计中的仿生学原理 天鹅绒、鲨鱼皮与飞机在空气动力学设计上的创新有何相干？在航空学领域，越来越多的新想法都来源于自然界中各种各样的结构、器官和材料。在未来，这些在大自然中经过无数次尝试与检验洗礼的设计仍将成为激发我们创意的巨大源泉。 天鹅绒、鲨鱼皮与飞机在空气动力学设计上的创新有何相干？有一个专门的学科可以给你答案。此学科致力于从大自然中汲取灵感并效法自然。它就是“仿生学”。其设计灵感皆源于自然。仿生学家通过研究和模仿自然界中最优秀的创意来解决人类遇到的种种问题。在航空学领域，越来越多的新想法都来源于自然界中各种各样的结构、器官和材料。在未来，这些在大自然中经过无数次尝试与检验洗礼的设计仍将成为激发我们创意的巨大源泉。 【荷花效应】 在现在的进化阶段，荷叶表面的角质可以使其表面的雨水滚落并带走污浊以保持自身的清洁与干燥。这就是“荷花效应(the Lotus Effect)”。荷叶的这种特性激发了人们在机舱设备涂层设计上的灵感。这种涂层可以使水分以滚珠的形式流走并同时去除污物。这样就提高了飞机的清洁度，同时还能省水，减重，降耗并减
少碳排放。此灵感已经在空客飞机上的卫生间得到了应用。在未来，座位和地毯的材料也很可能被这样设计。 【可移动的机翼表面】 海鸟可以通过喙部察觉出空气中的阵风荷载量(Gust Load)，并通过调节翅膀的形状抑制升力。新型的空客A350 XWB在机头的探测器就可以检测风力并利用其可移动的机翼表面提高飞行效率。此设计可以进一步节能减排。 【来自老鹰的翼尖帆设计灵感】 对于像草原雕这样的大型鸟类，如果其翅膀过长，转向时的半径就会过大，从而使其在飞翔时无法利用热空气柱上升。实际上，鹰的翅膀完美地结合了最大的升力和最小的翅膀长度。它们会将翅尖羽毛向上卷曲，从而形成近乎90°的夹角。这能减小空气中的漩涡，提高飞行效率。若按传统方法设计，A380的翼幅将比国标机场可容纳的距离大出3米。不过，多亏了“翼尖帆(Winglet)[1]”——这种小巧的设计模仿了鹰类向上卷曲的羽毛，A380的翼幅比国标机场限值还少20厘米，却可以为世界上最大的客机提供足够的升力和飞行效率（节能、减排并减
《动物生理学》考试大纲 一、考试大纲的性质 动物生理学是全国高等院校生物学类专业的基础课程之一，也是报考动物学类学科研究生的专业基础考试科目。为了帮助考生明确复习范围和有关要求，特制定考试大纲。适用于报考XX大学动物学研究方向的硕士学位研究生的考生。 二、考试内容 第一章绪论 动物生理学的研究内容与方法，生命现象的基本特征，生理学的发展史 第二章神经肌肉组织生理的一般原理 神经肌肉的兴奋性，神经肌肉细胞的电位变化、细胞电信号传递的功能基础、神经冲动的产生与传导过程、肌肉收缩的生理基础 第三章中枢神经系统 神经元活动的一般规律、中枢神经系统对运动机能的控制、中枢神经系统的感觉机能、 中枢神经系统的高级机能 第四章感觉器官 视觉器官、听觉器官、嗅觉与味觉器官 第五章血液与血液循环 血液的生理机能与组成特性、体液免疫系统、心脏的生理活动、血管的生理活动、血液循环的调节 第六章呼吸生理
呼吸道的结构与呼吸运动、气体的交换与运输、呼吸调节、肺的非呼吸功能第七章消化系统 消化道的运动与消化腺的分泌、消化吸收的调节、消化道各部位的功能与调节、摄食的调节 第八章能量代谢与体温调节 能量代谢及影响因素、体温调节 第九章排泄系统 肾脏的结构与功能、尿的生成过程、肾泌尿功能的调节、渗透调节的其他器官、排尿活动的调节 第十章内分泌调节 激素的分类与作用机制、下丘脑的内分泌调节机能、脑垂体的生理机能、甲状腺的功能、肾上腺的功能、其他内分泌腺与激素 第十一章生殖系统 雄性动物的生殖机能、雌性动物的生殖机能、受精、妊娠与生殖控制 三、考试要求 考生应全面掌握动物生理学的基本概念和基本理论；掌握动物生命活动的基本规律及其各章节内容的有机联系；从动物细胞、组织和器官角度认识结构与机能相统一的生命活动规律及机理；并能运用这些理论分析医学和应用动物学领域的一般生产实践问题。 四、试卷结构 (一) 基本概念：占总分 20%
动物学(Zoology) 第一讲概述 ? 动物学定义 ? 动物分类的原理与方法 ? 动物学学习与研究的方法 一、动物学定义 动物学(zoology) 是研究动物形态结构及其生命活动规律的科学。 动物学研究的内容 研究的主要内容包括动物的形态、结构、分类、分布、生态、发育、行为、遗传、进化以及驯养、保护、控制等与人类及环境相关的各个方面。它是生命学科的重要基础课程。 二、动物分类原理与方法 1.分类学又称系统学(Taxonomy or sysmatics) 为了对动物界有一个整体的认识，探索物种彼此间自然的关系和发展规律，需要对种类繁多的动物界进行分门别类，以便进行系统地深入研究。动物分类学就是研究动物的种类及相互间的亲缘关系，建立正确的分类系统的科学。它是动物科学的基础。 目前动物界中已描述过的动物种数约在150万种以上，如包括亚种可能超过200万种。
2．种的概念及分类阶元 ? 种或物种(species) 是分类系统所用的基本单位，它是指具有一定的形态、生理特征和一定的自然分部区的生物类群。物种是繁殖单元，一个物种的个体一般不与其他物种的个体交配，或交配后—般不能产生有生殖能力的后代。即种间是生殖隔离的（生理学标准）。 ? 问题不同肤色的人是不是同一物种? 马与驴能够交配并产生后代骡,马与驴是否为同一物种? ? 亚种（subspecies) 指种内个体在地理隔离后形成的不同群体，它具有一定形态特征和地理分布，亚种间不存在生殖隔离，或生殖隔离不完善。亚种形态分化的标准常以约75％的个体呈现不同为界限。 （如家蝇在我国有两个亚种，东方亚种眼距近、西方亚种眼距远，在我国中部有分布的重叠区，但除去中间类型外仍有75%有明显差别，故是一个物种的不同地理亚种。 ?分类阶元(分类等级) 为了将数量众多的物种结构化，建立一个科学的分类系统。依据物种间的相同、相异的程度与亲缘关系的亲疏，使用不同等级特征将生物逐级分类。由大到小的分类分类阶元有七个主要等级。界(Kingdom)、门(Phylum)、纲 (C1ass)、目(Order)、科(Family)、属 (Genus)、种(Species)。
生物分子类实验室常用实验技术原理汇总 一、GST pull-down实验 基本原理:将靶蛋白-GST融合蛋白亲和固化在谷胱甘肽亲和树脂上,作为与目的蛋白亲和的支撑物,充当一种“诱饵蛋白”,目的蛋白溶液过柱,可从中捕获与之相互作用的“捕获蛋白”(目的蛋白),洗脱结合物后通过SDS-PAGE电泳分析,从而证实两种蛋白间的相互作用或筛选相应的目的蛋白,“诱饵蛋白”和“捕获蛋白”均可通过细胞裂解物、纯化的蛋白、表达系统以及体外转录翻译系统等方法获得。此方法简单易行,操作方便。注：GST即谷胱甘肽巯基转移酶(glutathione S-transferase) 二、足印法（Footprinting） 足印法（Footprinting）是一种用来测定DNA-蛋白质专一性结合的方法，用于检测目的DNA 序列与特定蛋白质的结合，也可展示蛋白质因子同特定DNA片段之间的结合。其原理为：DNA 和蛋白质结合后，DNA与蛋白的结合区域不能被DNase（脱氧核糖核酸酶）分解，在对目的DNA序列进行检测时便出现了一段无DNA序列的空白区(即蛋白质结合区)，从而了解与蛋白质结合部位的核苷酸数目及其核苷酸序列。 三、染色质免疫共沉淀技术（Chromatin Immunoprecipitation，ChIP） 染色质免疫共沉淀技术（Chromatin Immunoprecipitation，ChIP）是研究体内蛋白质与DNA 相互作用的有力工具，利用该技术不仅可以检测体内反式因子与DNA的动态作用，还可以用来研究组蛋白的各种共价修饰以及转录因子与基因表达的关系。 染色质免疫沉淀技术的原理是：在生理状态下把细胞内的DNA与蛋白质交联在一起，通过超声或酶处理将染色质切为小片段后，利用抗原抗体的特异性识别 反应，将与目的蛋白相结合的DNA片段沉淀下来。染色质免疫沉淀技术一般包括细胞固定，染色质断裂，染色质免疫沉淀，交联反应的逆转，DNA的纯化及鉴定。 四、基因芯片（又称 DNA 芯片、生物芯片）技术 基因芯片指将大量探针分子固定于支持物上后与标记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。通俗地说，就是通过微加工技术 ，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针），有规律地排列固定于2cm2 的硅片、玻片等支持物上，构成的一个二维DNA探针阵列，被称为基因芯片。基因芯片主要用于基因检测工作 。 基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法，在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。
仿生学的发展历程 摘要： 自古以来，勤劳的人类就在不断地适应和改变这个环境，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。劳动创造了人类，人类也通过劳动创造了美好的现在，不断地劳动促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展，这也使得人类的能力和智慧远远超过生物界的其他类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领，由此诞生了仿生学。仿生产品已经运用到了人类生活的各个方面，极大促进了社会发展。 关键词：仿生，观察，思考，模仿 （一）仿生学的历史由来 地球上存在的亿万种生物，经过千百万年的进化、发展而来，这使得生物体的某些部位具有最可靠、最灵活、最高效、最经济的能力，为人类的效仿提供了无穷尽的资源。其实仿生一直伴随着人类，早在几千年以前勤劳的炎黄子孙就开始了观察，模仿自然界其他生物来制造工具为人类服务。在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木浆，效仿鱼类，极大改进了船只的效能。春秋战国时代(公元前450～500年),鲁班上山伐木,途中手指被茅草划破,他仔细观察叶片上的毛刺，从中得到启发,经反复试验,终于制成了人类史上第一把锯……但是这些模仿在人类
历史上也只是星星点点，运气占很大成分，限于时代科学技术的落后，使得人类无法了解身边生物的形态构造和生理机能，以至于无法形成一门独立的学科。而真正意义上的现代仿生学诞生的标志是1960 年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成Bionics一词，同年在美国俄亥俄州达顿城(Dayton)的一个空军基地召开了全美第一届仿生学讨论会。美国军医Jack Ellwood Steel博士,给这门新兴的学科起了一个名字叫做bionics(仿生学)，并给它下了这样一定义:“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学”,即仿生学就是“模仿生物的科学”[1]。现代仿生学是将通过观察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各种各样的特殊本领模拟、移植到各个工程技术领域中去,为促进人类社会进步发展所用。仿生学需要生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等许多学科的交叉是一门很难划清边界的大学科[2]。 （二）仿生学的现状 仿生学是一门交叉性的学科，涉及物理学，数学，化学，电子学，生物物理学，生理学，心理学，以及通信，计算技术，建筑工程，航天，航海工程及系统科学等。近几十年来，人类的自然科学突飞猛进，尤其在生命、机械、材料和信息等科学快速发展的今天，各种先进的物理试验仪器发明创造出来，为人们更加系统的研究生物的形态性能，生理功能提供了基础。它不仅给人类的带来创新的理念与方法,也使人类从一个全新的角度观察世界,发现前人未发现的事物,实现科学技
常用的分子生物学内容和相关技术 一、分子克隆（分子操作） 大肠杆菌中1．原核表达系统（PET28a，PET30a 等） 融合蛋白抗原免疫动物 原核表达系统蛋白转导系统（TAT） 大肠杆菌中
2．真核表达系统（pcDNA3）：用于transfection（基因转染） 在培养的动物细胞中 分子克隆的方法： ●选择合适的表达载体 ●选择酶切位点，设计PCR引物并合成 ●制备待克隆的靶基因
?PCR（来源培养细胞或组织、植物的mRNA cDNA） ?RT-PCR ?质粒中已克隆的目的片段 ?人工合成cDNA片段 退火后形成双链 二、细胞培养 ?动物细胞 ?植物细胞 ?原代细胞培养 ?传代细胞培养 三、探讨功能： 与细胞生长、增殖、凋亡的关系，检测mRNA、蛋白质的表达变化及意义 ?内源基因：或使内源基因表达抑制（RNAi, down-regulation）或缺失、突变 ?外源基因：通过transfection（基因转染）、电转移、显微微注射等方法将外源基因导入培养的细胞中过 表达（overexpression），在mRNA、蛋白质水平上 表达上调（up-regulation） ?信号传导：protein-protein interaction
◆Two hybrid system ◆Western blot ◆免疫荧光双标记图像分析 ?细胞:BrdU,Flow Cytometry（cell cycle，apoptosis） ?动物：成瘤 四、检测表达 ?DNA:Reporter gene(promoter activity),Hybridization （DNA-Southern blot，RNA-Northern blot，tissues or cells-in situ） ?RNA:RT-PCR，Real-time PCR,microRNA Gene chips:cDNA,microRNAs ?Proteins （tissues or cells-Western blot or immunohistochemistry，serum or conditional medium–ELISA）