零距離科學:仿生學之「最強防禦」

零距離科學:仿生學之「最強防禦」

我們想讓你知道的是

刺蝟、蜘蛛、海蚯蚓,看似沒甚麼特別,卻成就了三項抗震、抗排斥、抗缺氧的神奇發明。

文:吳家亮(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

不知道大家是否喜歡看《多啦A夢》(我還是喜歡稱它作《叮噹》)?裏頭的法寶樣樣新鮮,是孩童時我夢寐以求的禮物,可惜從沒夢想成真!其中最讓我著迷的是「竹蜻蜓」,我常幻想可以從家中窗戶飛回學校上課。「竹蜻蜓」物如其名,取自蜻蜓的形態,可以說是仿生學的卡通體現。

今集的《零距離科學》,從「抵抗」(Resistance)的角度,帶領大家一睹科學家如何在大自然覓得靈感,創造出媲美叮噹法寶的仿生科技成果。

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地球上很多生物都在演化過程發展出超強的抵禦器官,例如是啄木鳥既吸震又強力的啄。

抗震刺蝟頭盔

美式足球是北美非常普及的運動,比賽期間充滿著碰撞,每年更有為數不少的運動員出現腦震盪。倘約科學家能製造出一款「超級抗震頭盔」,便會是這個行業的福音!這也是一門大生意,投資在研發上的資金已達逾千億美元。

這時,科學家從刺蝟身上取得了要訣。刺蝟在逃避追捕者時,常會從高處滾下,但一點傷也沒有!原來牠們有一殺著,就是蜷曲身體,把皮毛上的7千根刺豎起,然後像球般向下滾。

刺蝟金剛不壞之身的秘密正是來自牠們的刺。這些刺是空心的,讓它堅硬得來帶點彈性。這個特點讓它在受壓的時候會彎曲但不會折斷(把它們折斷要多用二百倍的力量)。此外,刺的排列也很重要,它們看似隨機地鋪在皮毛上,但實際上不同的刺互相穿插,以致一條刺受壓便會造成骨牌效應,讓其他的刺分擔了壓力。

科學家參考了刺蝟的刺的材質與分布,繼而發明了「抗震刺蝟頭盔」,讓運動員不致太容易受傷,延長他們的運動員生命。這抗震技術還可以應用在兒童汽車安全座椅、運動鞋和護老院的地板上。

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刺蝟的刺啟發科學家發明了超級抗震頭盔。

人體兼容蜘蛛絲

人體其中一個奧妙之處,是免疫系統對外來物的排斥,但這也為醫學界帶來了難題。當進行某些醫學或美容療程時,醫生需要把植入物置於病人體內。免疫系統的排斥有時會導致發炎,甚至關節囊纖維化(Capsular fibrosis),需要再進行手術處理。倘若有辦法騙過免疫系統的攻擊,那就可以改善病人的術後治理。

科學家把目光投放在蜘蛛身上。眾所周知,蜘蛛會吐絲。那絲其實是甚麼?它們其實是一些絲蛋白(Silk protein)結構,有極高的強度、彈性,而且十分輕巧,最重要是能騙過我們的免疫系統。

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蜘蛛絲有極高的強度、彈性,而且十分輕巧。

既然這種蛋白那麼棒,科學家的下一步就是把它們大量生產。如果你以為科學家的方法是飼養大量蜘蛛,那抱歉,這方法不夠聰明……因為牠們的產出不太穩定,科學家其實是利用基因重組技術(Recombinant DNA Technology)的方法把絲蛋白的基因放進大腸桿菌(E. coli)內,利用這些細菌大量製造這蛋白。

接著,科學家用浸泡或噴灑的方式,在植入物的表面添上一層薄薄的絲蛋白塗層,然後便按照一般的程序進行植入手術。暫時,這種技術被使用在隆胸用的矽膠植入物上,科學家發現這種處理能讓植入物更好地融入人體的其他組織。

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科學家在隆胸用的矽膠植入物的表面添上一層薄薄的絲蛋白塗層,讓它免於被人體免疫系統攻擊。

海蚯蚓替代血液

另一個醫學界面對的困難是關乎器官移植。當醫生把器官從捐贈者的身體上摘下來,就會把它放置在電解質保存液中,然後必須在特定時間內把器官植入病人體內(心臟—4小時;肺部—6小時;腎臟—12小時)。很可惜,有大約7成摘下來的器官最後都被浪費掉,沒能造福病人。倘若我們能延長器官儲存的時間,那便可以減低浪費的比例,拯救更多性命。

科學家這次在海灘上找到了答案。有一種叫海蚯蚓(Lugworm)的生物,牠們像魚般用鰓呼吸,卻有一半時間生活在沒水的沙洞中,令科學家大感詫異。原來,牠們的血液裏有一種非常厲害的血紅蛋白,每一顆能盛載156個氧份子!相比之下,一顆人體的血紅蛋白只能盛載四個氧份子而已。因著這個緣故,海蚯蚓不會在海灘潮退沒水的時候缺氧而死。

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海蚯蚓的血液裏有一種非常厲害的血紅蛋白,每一顆能盛載的氧份子比人體的多出39倍!

科學家這次真的購置了一塊地,大規模地飼養海蚯蚓。他們嘗試把摘下來的器官放進海蚯蚓的血液中保存,發覺保存的時期久了,而且,接受腎臟的病人會更快康復,腎功能也有更佳的提升。

科學家還發現,海蚯蚓的血液並沒有血型之分,並且可以在室溫的狀態下保存5年之久。那之後是不是可以成為全適供應者(Universal donor),作為人血的替代品,造福那些貧血病人,或是在戰場上急需血液做手術的士兵?

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海蚯蚓的血液有望成為全適供應者,作為人血的替代品。

大自然的法寶

叮噹的法寶,只出現在卡通片中。大自然的出品,加上人類的智慧,卻可以轉化成仿生法寶,解決人類社會面對的問題。刺蝟、蜘蛛、海蚯蚓,看似沒甚麼特別,卻成就了三項抗震、抗排斥、抗缺氧的神奇發明(註:大家可以嘗試用叮噹的聲線讀讀我為它們改的名字)。下一件仿生法寶的靈感,會否就在你我的附近?

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於7月24日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex


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