校本课程--仿生学

生物校本课程系列

仿生学与生物武器

浙江省衢州第一中学生物组

2004年12月

学校名称：浙江省衢州第一中学

课程名称：仿生学与生物武器

课程类型：拓展型

适用年级：高一、高二年级

课程实施者：王海芳

课程目标：

1. 从学生的兴趣爱好出发，开发适合学生水平，符合学生特点的拓展型校

本课程。

2. 通过介绍仿生学的概念、仿生之源和仿生学的实际应用及发展趋势，激

发学生学习生物、探索生命科学奥秘的兴趣。并在学习过程中用发展的眼光

看待问题、分析问题，不墨守陈规，不拘泥于原有知识的限制而用于开拓，

推陈出新。

3. 通过介绍生物武器的相关知识，使学生了解生物武器的特点和使用历史，

激发学生的爱国主义精神，培养学生居安思危的忧患意识。

课时安排：每周2课时

课程实施：

一、教学组织形式：小班化教学。

二、实施步骤：本课程分为两个单元。

第一单元：仿生学

第二单元：生物武器

三、评估方法

1. 书面测试。试题要努力创设引起学生兴趣和联系实际的情景，加强试

题的综合性、探究性和开放性。本部分占总成绩的70％。

2. 出勤率和课堂参与态度占总成绩的30％。

I 仿生学

自古以来，用莲花的“出污泥而不染”来形容圣洁。那么，是莲花真有一颗明净的心？还

是在莲花身上有着不为人知的秘密？让仿生学来告诉你，只要你有和莲花一样的“肌肤”，你

一样可以“出污泥而不染”，冰清玉洁……

第一节、怎样仿生

一、仿生的概念

仿生学是近期发展起来的生物学和技术学相结合的交叉学科。仿生的英文名字是

Bionics。

人们发现，一些关于植物和动物的相类似的功能，实际上是超越了人类自身的在此方面

的技术设计方案的。植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接

近完美。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。这个思想在生物学和技术

之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。通过再现生物学的原理，人类不仅

找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。

仿生学的目的就是分析生物过程和结构以及它们的分析用于未来的设计。仿生学的思想

是建立在自然进化和共同进化的基础上的。人类所从事的技术就是使得达到最优化和互相间

的协调。而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好机会。

在我们人类的技术世界中模拟自然中的东西并不是一个新鲜的思想，自从传说中的

Ikarus带着用鸟的羽毛做成的翅膀飞向空中，而最后因为太阳的热度掉到地上起，人类一直

就沉迷于此。

那么仿生学的确切定义是什么呢？

仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科

学。属于生物科学与技术科学之间的边缘学科。它涉及生物学、生物物理学、生物化学、物

理学、控制论、工程学等学科领域。仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用

机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。

二、仿生的发明史

达芬奇（Leonardo da Vinci，意大利文艺复兴时期的伟大画家、雕刻家和建筑学家）被

认为是现代仿生学之父。在大约公元1500年，在鸟翅模型之后，他画了一系列的无法实现

的飞行设备草图。大约400年之后，奥托（Otto Lilienthal）成功了，他根据鹳的翅膀制造的

滑翔机成功的在Brandenburger村飞行了250米，而且他也取得了“滑翔机之父”的称号。

直到上个世纪中期，有许多研究者都在不断尝试把自然界的形态和规则用于技术上。但

是，仅仅在60年代初一种科学的综合分类学科才由它产生。

植物学家William Barthlott和他的同事Nesta Ehler在70年代中期发现纯粹的自清洁效

应，也被叫做“莲花效应（Lotus effect）”。他们把一批多样的植物叶片放在一个特殊的显微

镜下时，开始并没有什么特殊的发现。这两个科学家的研究围绕着这样一个问题：能否根据

叶子表面纹理的不同来检测这组植物中扭曲的茎。

植物学的例行任务，就是在每一个研究之前观察某些植物时先要把植物清洗干净，这是

研究者们不用思考而首先要做的。但是很快生物学家就发现一个非常荒谬的现象：就是只有

那些表面很光滑的叶子才需要清洗，而其它的那些表面在显微镜下看起来很粗糙的叶子反而

是干净的。对他们来说更值得注意的是：某些特殊的叶子甚至可以完全抵制水。在那时，很

清楚地是自清洁效果是和可润湿性相联系的。

这种效果特别明显得表现在莲属坚果莲中：从显微镜下看发现莲叶子上有小的茸毛和小

的蜡质覆盖在叶子上，水滴下来就象从热的炉盘上滴下来一样。Barthlott解释说：在光滑表

面，水会在污垢上蔓延。在粗糙表面，水滴粘不牢，形成球状，在可以到达的污垢粒子上滚

动并且带着污垢粒子滚动。

1977年，生物学家们在一段短的旁注中描述了这种现象。看起来这段旁注是很琐碎的，

只是为了引起更多的注意。仅仅在1989年，William Barthlott，其时正在波恩大学做教授，

重新注意到了这个旧的发现并和他的研究生Christoph Neinhuis一起详细的研究了这个现

象。这两个人不仅成功的破译了“莲花效应”对生物学的意义，而且同时把它的不被脏物污染

的原理应用于人造表面。

1996年Barthlott 和 Neinhuis用一个带有新衣料的白盘子实现了他们的程序，同时注册

了专利。他们在一个白盘子上撒上煤灰和颜料的混合物并且滴上一些水。很快，这个盘子就

干净了。作为对比，一个擦的特别亮的清漆膜也撒上煤灰盒颜料的混合物，但是即使在长时

间的漂洗之后，煤灰仍然存在，而且还有另一个脏的灰层，对清漆膜来说，只用水是不能清

洗干净的。

莲花效应的历史，从它的发现到应用，典型的来自于一个研究规则“技术学习自然”：仿

生学。

在如今对仿生学的理解普遍认为是“各种技术手段转化，建筑使用，规划步骤以及生物

系统的设计哲学”的基础上。世界著名的动物学家Werner Nachtigall进一步简化了这个概念，

他这样来概括仿生学的实质：“把从自然界学来的知识作为对独立技术形式的建议”。

在几百万年的优化中接近完美的自然发明是化学家、机械师和建筑师所期望的研究对

象。

三、仿生学的重要作用

车轮曾被认为是人类历史上最伟大的发明之一。但是这仅仅是圆周的功劳，绕轴旋转，

作为一种渐进运动，如此长久的影响了人类生活，这被认为是非自然的发明。但是，这个发

明真的使我们超越了自然吗？

只要看一看使用的那些车轮的应用范围就会发现答案是否定的。

车轮要求的是平滑而且没有障碍的路或者平滑的轨道，而对泥浆、砂土、冰和雪则是毫

无用处的。大自然设计了腿作为运动器官，而往往腿是比车轮更优越的。而仿生学正是利用

现代的科技手段来模仿自然造物的神奇手法。因此，仿生学在科学领域中具有着特殊的重要

意义。小从模仿生物的形态，大到生物生理的机制，都可以作为人类模仿的对象。

仿生机器人研究了运动设备的方法论和控制论，例如，研究了昆虫的运动机制，使用这

次实现去建造运动的机器。

蚱蜢有六条长腿。可能将来的运动机器看起来就象一个庞大的昆虫。蚱蜢需要很少的能

量，而且保持了能量的均衡，它产生的废物完全进入了自然循环。它们是完全无污染的并且

比现在的机械产品更加经济。

四、仿生材料

最新科学研究指出，生物体都是由少数很简单的物质构成的，诸如糖、蛋白质和水之类。

生物体的不同部分，从柔韧的皮肤、肌肉、须毛，到坚硬的骨骼、鳞角、甲爪，材料性能如

此多样、如此优异，关键在于从原子排列成分子、及从分子组合成纤维、晶体等“半成品”，

在结构上的千差万别，就是这么几种很简单的“原材料”，由于结构的奇巧精致，形成了各种

优越奇特的性能。譬如鲍鱼的食物只是海水中的坐土，也就是碳化钙，而研究人员在电子显

微镜下观察发现正是由于这一层层的碳化钙才使鲍鱼壳具有了极为坚硬的外壳。极有规律排

列的碳化钙靠化学键结合起来，决定了鲍鱼壳的坚硬性，而由于这层碳化钙能在有机蛋白质

上滑动，所以鲍鱼外壳虽然硬但并不脆，很有韧性，能在变形变态之时也不破裂。

破解生物体构造的这些奥秘，最直接的目的就是研制新型的“仿生材料”。研究人员模仿

鲍鱼壳的微观结构，将铝分子充满在碳化硼分子之间，已初步研制成功新型的陶瓷材料，除

了既坚硬又柔软以外，还可以感测并适应周围环境的变化，如果飞机机翼材料具有这种性能，

遭到损害时能够感知并自行修复。具有和生物机体相同弹性的材料，伸缩自如，能成功地用

来制作人工动脉。

从上世纪90年代开始，美国就已经开始投入很大力量从事仿生材料研究工作，并已取

得许多重要成果。美国著名的杜邦化学工业公司的科学家，已经开发成功利用人造基因制备

的具有蜘蛛丝特性（包括结构、强度、化学性能）的蛋白质分子。他们取出蜘蛛的产丝腺体，

查看他们制造蜘蛛丝的蛋白质代码，在破译的基础上制成人工合成基因。将这种人造基因移

植至酵母或细菌中，便生长出一种球状材料。将这种蛋白质溶解在一种溶剂中，利用类似于

蜘蛛吐丝的纺织技术制成纤维。这种新型纤维比尼龙和现有其它产品强度都高，更具弹性和

耐磨性，而且质量也很轻，所以在飞机、人造卫星等航空航天领域大有用武之地。加拿大魁

北克的科学家，将这种人工合成的蜘蛛蛋白质基因植入山羊的乳腺细胞中。不久，基因被改

变的山羊产出的奶中就含有蜘蛛丝的蛋白质了。加拿大Nexia生物技术公司总裁杰夫特纳认

为，这种蛋白质能够制造出轻得令人难以置信的织物，其强度可挡住子弹，还可降解，这种

材料被称之为“生物钢”。生物化学家们认为，“生物钢”有广阔的应用前景，它在任何方面都

优于石油化工产品。

总之，破解生物体构成之谜，研制仿生材料的路还很漫长，目前人类只不过刚刚起步前

行，但是仿生材料的前途似锦，却是绝无疑义的。

第二节 仿生之源

一、莲花效应

刀刃的表面无法被水珠附着的事实已经被验证而且广为人知。但是人们往往会忽视这样

的表面同样很难被弄脏。

在一个光滑的表面上脏的颗粒只会随着水滴的滴落而移动，他们附着在水滴滚动时产生

的粗糙表面上从而被洗刷下来。这种关系只在最近才被注意到而且用实验得以证实。

因为在亚洲文化中被看作纯洁象征物的莲花的大型类似于盾牌形状的叶片上常常可以

见到这种现象，所以人们把它成为“莲花效应”。

如果水滴滚过莲花的叶片，它们将卷起所有的灰尘微粒并将它们带离叶片。这个“莲花

效应”原理如此有效，以至于即使是在被“蹂躏”过的莲花叶片上依然无法使得水珠和灰尘微

粒附着。

特殊的表面结构和产生蜡质的功能使得莲花的叶片几乎不受其他自然界现象的影响。它

与人类对自然界影响的反应很不相同，如对环境中化学物质的影响反应等等。对于目前不得

不广为使用的属于表面活性剂的化学物质来说，为了达到保持植物中有效营养成分的目的，

它们被全世界的植物代理商广泛使用。这些活性剂不仅破坏了蜡质晶体的完美结构，使得叶

片容易被水润湿。而且造成这样的后果：就是植物上的脏物质将无法再被彻底清除，而在不

理想的环境中，还将被孢子、真菌或者细菌这些可以感染植物的微生物所侵染。

莲花效应描绘了一个很有效的生物模型系统，用它可以来制作人工的防污表面，因为它

基于一个纯物理化学的原理。

有许多的领域和方面需要这种应用，如衣料的外表面、房顶、自动喷漆器等等。如果可

以使得这些领域的自清洁功能得以实现，显然会带来很多好处，而且可以节省清洁花费的费

用。在工业合作中，目前正在努力将莲花效应转化成实际的技术应用。虽然肯定还需要耗费

一些时间，但是肯定迟早会有这种实用的产品走向市场。

二、昆虫与仿生学

昆虫个体小，种类和数量庞大，占现存动物的75％以上，遍布全世界。它们有各自的

生存绝技，有些技能连人类也自叹不如。人们对自然资源的利用范围越来越广泛，特别是仿

生学方面的任何成就，都来自生物的某种特性。

蝴蝶与仿生

五彩的蝴蝶锦色粲然，如重月纹凤蝶、褐脉金斑蝶等，尤其是萤光翼凤蝶，其后翅在阳

光下时而金黄，时而翠绿，有时还由紫变蓝。科学家通过对蝴蝶色彩的研究，为军事防御带

来了极大的裨益。在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他

防御设施。苏联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的情况，提出利用蝴蝶的色

彩在花丛中不易被发现的道理，在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。因此，尽管德军费尽

心机，但列宁格勒的军事基地仍安然无惹，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。根据同样

的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大大减少了战斗中的伤亡。

人造卫星在太空中由于位置的不断变化可引起温度骤然变化，有时温差可高达两、三百

度，严重影响许多仪器的正常工作。科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变

换角度而调节体温的启发，将人造卫星的控温系统制成了叶片正反两面辐射、散热能力相差

很大的百叶窗样式，在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝，随温度变化可调节窗

的开合，从而保持了人造卫星内部温度的恒定，解决了航天事业中的一大难题。

甲虫与仿生

屁步甲炮虫自卫时，可喷射出具有恶臭的高温液体“炮弹”，以迷惑、刺激和惊吓敌害。

科学家将其解剖后发现甲虫体内有3个小室，分别储有二元酚溶液、双氧水和生物酶。二元

酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生化学反应，瞬间就成为100℃的毒液，并迅速射

出。这种原理目前已应用于军事技术中。二战期间，德国纳粹为了战争的需要，据此机理制

造出了一种功率极大且性能安全可靠的新型发动机，安装在飞航式导弹上，使之飞行速度加

快，安全稳定，命中率提高，英国伦敦在受其轰炸时损失惨重。美国军事专家受甲虫喷射原

理的启发研制出了先进的二元化武器。这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装在

两个隔开的容器中，炮弹发射后隔膜破裂，两种毒剂中间体在弹体飞行的8—10秒内混合并

发生反应，在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人。它们易于生产、储存、运输，安

全且不易失效。萤火虫可将化学能直接转变成光能，且转化效率达100%，而普通电灯的发

光效率只有6%。人们模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍，大大

节约了能量。另外，根据甲虫的视动反应机制研制成功的空对地速度计已成功地应用于航空

事业中。

蜻蜓与仿生

蜻蜒通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流，并利用气流产生的涡流来

使自己上升。蜻蜒能在很小的推力下翱翔，不但可向前飞行，还能向后和左右两侧飞行，其

向前飞行速度可达72km/小时。此外，蜻蜒的飞行行为简单，仅靠两对翅膀不停地拍打。科

学家据此结构基础研制成功了直升飞机。飞机在高速飞行时，常会引起剧烈振动，甚至有时

会折断机翼而引起飞机失事。蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飞行时安然无恙，于是人们仿效蜻

蜒在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。

为了研究滑翔飞行和碰撞的空气动力学以及其飞行的效率，一个四叶驱动，用远程水平

仪控制的机动机翼（翅膀）模型被研制，并第一次在风洞内测试了各项飞行参数。

第二个模型试图安装一个以更快频率飞行的翅膀，达到每秒18次震动的速度。有特色

的是，这个模型采用了可变可调节前后两对机翼之间相差的装置。

研究的中心和长远目标，是要研究使用“翅膀”驱动的飞机表现，以及与传统的螺旋推动

器驱动的飞机效率的比较等等。

苍蝇与仿生

家蝇的特别之处在于它的快速的飞行技术，这使得它很难被人类抓住。即使在它的后面

也很难接近它。它设想到了每一种情况，非常小心，并能快速移动。那么，它是怎么做到的

呢？

昆虫学家研究发现，苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。当它飞行时，平衡棒以一定的频率

进行机械振动，可以调节翅膀的运动方向，是保持苍蝇身体平衡的导航仪。科学家据此原理

研制成一代新型导航仪——振动陀螺仪，大大改进了飞机的飞行性能，可使飞机自动停止危

险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡，即使是飞机在最复杂的急转弯时也万

无一失。苍蝇的复眼包含4000个可独立成像的单眼，能看清几乎360。范围内的物体。在

蝇眼的启示下，人们制成了由1329块小透镜组成的一次可拍1329张高分辨率照片的蝇眼照

像机，在军事、医学、航空、航天上被广泛应用。苍蝇的嗅觉特别灵敏并能对数十种气味进

行快速分析且可立即作出反应。科学家根据苍蝇嗅觉器官的结构，把各种化学反应转变成电

脉冲的方式，制成了十分灵敏的小型气体分析仪，目前已广泛应用于宇宙飞船、潜艇和矿井

等场所来检测气体成分，使科研、生产的安全系数更为准确、可靠。

蜂类与仿生

蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组

成，这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角109°28’，锐角70°32’完全相同，

是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料

制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙

飞船、人造卫星等的理想材料。蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感

的偏振片，可利用太阳准确定位。科学家据此原理研制成功了偏振光导航仪，早已广泛用于

航海事业中。

其它昆虫与仿生

跳蚤的跳跃本领十分高强，航空专家对此进行了大量研究，英国一飞机制造公司从其垂

直起跳的方式受到启发，成功制造出了一种几乎能垂直起落的鹞式飞机。现代电视技术根据

昆虫单复眼的构造特点，造出了大屏幕彩电，又可将一台台小彩电荧光屏组成一个大画面，

且可在同一屏幕上任意位置框出某几个特定的小画面，既可播映相同的画面，又可播映不同

的画面。科学家根据昆虫复眼的结构特点研制成功的多孔径光学系统装置，更易于搜索到目

标，已在国外一些重要武器系统中应用。根据某些水生昆虫的组成复眼的单眼之间相互抑制

的原理，制成的侧抑制电子模型，用于各类摄影系统，拍出的照片可增强图像边缘反差和突

出轮廓，还可用来提高雷达的显示灵敏度，也可用于文字和图片识别系统的预处理工作。美

国利用昆虫复眼加工信息及定向导航原理，研制了具有很大实用价值的仿昆虫复眼寻的末制

导导引头的工程模型。日本利用昆虫形态及特性开发研制了六足机器人等工学机器和建筑物

的新构造方式。

未来展望

昆虫在亿万年的进化过程中，随着环境的变迁而逐渐进化，都在不同程度地发展着各自

的生存本领。随着社会的发展，人们对昆虫的各种生命活动掌握得越来越多，越来越意识到

昆虫对人类的重要性，再加上信息技术特别是计算机新一代生物电子技术在昆虫学上的应

用，模拟昆虫的感应能力而研制的检测物质种类和浓度的生物传感器，参照昆虫神经结构开

发的能够模仿大脑活动的计算机等等一系列的生物技术工程，将会由科学家的设想变为现

实，并进入各个领域，昆虫将会为人类做出更大的贡献。

第三节 实际应用

一、医学与仿生

仿生皮肤

每年有数以百万计的人被烧伤，治疗的方法中需要植皮，这是一个既漫长又容易受损的

治疗过程，因为病人需要面对两大难题，一是没有合适的移植组织，二是生理上能否接受移

植的皮肤。

医生从病人身上取得好些健全细胞，然后再在实验室将这些细胞进行大量繁殖，为了组

成组织，提供一个这些细胞需要的架构来让它们繁殖，直至它们变成一个立体细胞。

整个的繁殖皮肤的过程，用了一种叫做透明质酸的物质。透明质酸是在人类组织中可找

着的一种多糖，尤其是在皮肤。我们稍微改良它的化学成分，并改变它成为复杂的生物原料，

这提供了一个理想的骨架，来激增“成织维细胞”，以产生新一代人造皮肤。这种方法更可用

来重建好像人类耳朵这样复杂的结构。

由于所提取的物质是来自本身皮肤的，所以绝对合乎自然的准则，从病人身体上抽出细

胞，一经接种到骨架之上，便会认定它们既有的自然环境，并开始繁殖。

由一个只有一平方厘米大小的活组织检查样本，可以在两周内生殖出足够覆盖整个成人

身体的皮肤，简直可以称为细胞工厂。

大致工作流程为：

1、首先要从病人身上取出皮肤样本，分割出真皮和表皮，并从中取出某些细胞放在实

验室里进行繁殖；

2、稍后这些细胞便被放置到不同的支架之上，其中体积较厚和富有弹性的是从真皮中

抽取出来的细胞，而另外一些体积较薄的是从表皮中抽取出来的细胞，这些细胞即时开始繁

殖；

3、然后，已繁殖好的人造皮肤，包装妥当后送回到医院；

4、进行移植手术，医生将真皮放在适当的移植位置。由这个时候开始，这些细胞继续

繁殖，逐步地复原这块真皮，以求建立一个完整的血管网络；

5、然后再将这块含有表皮细胞的薄膜放到适当的位置上，利用激光去将这片含有表皮

细胞的薄膜贴在真皮之上，这两片皮层在一个月后会自动消失，只留下来修复完好的皮肤。

仿生肌肉

目前，由于多种新材料的问世，如形状记忆合金、形状记忆树脂、高分子凝胶的应用发

展，使人的肌肉仿生在功能与力量上接近了常人，可以说，未来人工肌肉必有广泛的前景。

人类的肌肉是由称为肌动蛋白与肌凝蛋白的纤维所构成的，只要分解微量的化学物质

（ATP，三磷酸腺苷）就能产生巨大的能量，是一种能源效率相当高的驱动装置。若将肌肉

的结构应用在机器人上是种高难度的挑战。人工肌肉以收缩动作来发挥动力，其功能跟人类

的肌肉一样，只要改变人工肌肉的气压，手臂就会伸缩，全部重量仅60至200克，却能发

挥2000倍的张力。由于使用人工肌肉的关系，重量变得出乎想象的轻。以喷漆机器人

“SOFTBOY”手臂为例，它的重量约30公斤，仅为使用马达、皮带、链条或油压汽缸之手臂

的1/10。

目前，日本工业技术院计划把对肌肉活动的研究提升至分子的水平，希望通过对分子的

研究促使对人工肌肉活动的研究。“若能通过对分子的研究，进而了解肌肉的结构，做出人

工肌肉的话，就可以全新的原理做出驱动装置。”仿生肌肉不仅可用于残疾人假肢，也可装

在机器人上。

国际上某些研究机构已经开发出一种老人看护用床边用餐辅助手臂，装有以合成纤维被

覆橡胶管的人工肌肉。在高龄化社会正式来临之前，看护设施、护士严重不足的今天，这种

看护手臂正好可助一臂之力。

仿生眼

随着计算机技术的不断提高，越来越多的残疾人的生活因此而得到改善。现在，科学家

正在探索运用最新的芯片技术设计一种供盲人使用的仿生眼。

视网膜疾病，如黄斑退化，是致盲的一大原因。一般来说，患者的角膜、晶体、视神经

都是完好的，阻挡视觉信号进入大脑的是受损的视网膜感光细胞。因此，如果能够人工“架

桥”，将完好的部分连接起来，就可以使患者恢复一定的光感和视力。

目前正在研究之中的一种人工眼采用微电子技术，在三毫米见方的芯片上放置四至五千

个微型太阳能电池。当光线通过角膜、晶体，达到视网膜时，这些微型太阳能电池将其强度

转换成不同的电信号，通过视神经传送给视觉中枢。现在人工眼还只能传送黑白图像，并且

只限于动物实验的阶段。不过，研究人员相信随着太阳能电池体积的不断减小，人工眼的功

效也会迅速提高，最终使盲人重见光明。

此外，美国麻省理工学院的一个研究小组正在发展一种人工眼雏形，利用体外的输入工

具和体内的芯片相结合，给患者提供更精密的图像。具体来说，一个微型的摄像机拍摄图像，

将其编码，通过激光传送给移植体内的芯片。然后，人造的光传感器将图像转换成电子信号

用以刺激视神经。

仿生眼皮

一些患者由于癌症或其它意外，有时会失去单眼的眼球甚至眼皮。对这些患者进行外科

整形，难度往往很大。虽然可为患者配备人造眼球，但现有人造眼皮一般难以做到随另一只

正常眼睛的眨动而运动。这不仅影响到外科整形后的眼部效果，有时甚至会因此给患者造成

一定心理阴影。研究人员最近研制的仿生上眼皮，不仅能随正常眼睛的眨动而同步开合，而

且美容效果也不错。

仿生眼皮由具有弹性的乳胶薄膜制成，可与人造眼球配合使用。仿生眼皮通过细微的聚

酰胺线与一微型马达相连，驱动微型马达的电池则安放于人造眼球后部的微型丙烯酸胶囊之

中。当另一只正常眼睛眨动时，其肌肉运动所发出信号可启动微型马达工作。

仿生芯片控制人体细胞

仿生芯片也称细胞芯片，是由健康的人体细胞与一个电子集成电路芯片经特殊方法结合

起来的微型装置，它比头发丝还要细微。它的原理是当细胞面临一定的电压时，细胞膜微孔

就会张开，具有渗透性。通过计算机控制微型装置中的芯片，即可达到控制该健康细胞活动

的目的。

由于细胞芯片装置能够精确地控制细胞膜微孔开启与关闭，从而能够借此更好地掌握原

本比较难以把握的基因疗法。具体的说，可以在根本不影响周围细胞的情况下，对目标基因

或细胞进行基因导入、蛋白质提取等研究。

未来的细胞芯片将有望具有下列功能：

1、能够精确调节电压，以便激活不同的人体组织细胞，包括从肌肉、骨骼到人脑的细

胞；

2、能够批量生产，把它们植入人体，以取代或修补人体病变细胞组织，解决数千种人

类疾病难题。

生物医学专家认为，这种芯片装置为细胞研究提供了重要的实验工具。仿生芯片装置更

精确更容易地做到了控制细胞活动。

仿生电子人

在人体上安装了假肢、人造电子仿生组织或器官等医疗和通信装置后，人体会有些什么

反应呢？这些装置所具有的生理功能又怎样呢？英国BT实验室研制成功的仿生电子人，为

这方面的研究提供了一种新工具。

仿生电子人是由一些人造电子仿生组织或器官组装而成，具有脉搏，可用来检测人造电

子仿生组织或器官的功能。有关医学研究工作者认为，随着科学技术的发展，将会有越来越

多的人造电子仿生组织或器官代替人体上已丧失功能的膝关节、髋关节、踝关节、肘关节、

心脏、耳朵和皮肤等组织或器官。估计在不远的将来，科学家们将会研制出人造电子仿生肺、

人造电子仿生肝和人造电子仿生胰等人造电子仿生器官。

人体上安装的人造电子仿生组织或器官中包含有存储体，该存储体能下载无线电信号。

所以，如果人造电子仿生组织或器官出了问题，被安装者也不必去医院，因为医生可以通过

发送无线电信号来改变人造电子仿生组织或器官中的程序，从而远程“医治”“有病”的人造电

子仿生组织或器官。

此外，仿生电子人也戴有若干信息和通信装置。比如，仿生电子人戴上了存储有自身有

关信息的“智能手镯”。而且，仿生电子人可以使用可戴式电脑的日期也不会太远。

仿生电子人将帮助医学研究工作者检测各种人造电子仿生组织或器官的生理功能。大多

数人造电子仿生组织或器官的运转需要电能。英国BT实验室正在试制一种特殊的背心。如

果仿生电子人穿上了这样的背心，该背心就可为仿生电子人供应电能，未来的仿生电子人或

许可以迈开脚步行走乃至奔跑起来。

二、建筑与仿生

仿生建筑是建筑仿生学的一朵奇葩，与其它公共建筑工程一样，仿生建筑既要反映时代

特点和民族精神，又要具有建筑的各种功能特点，诸如建筑物的强度、刚度、音响效果等等。

根据不同的仿生学原理和用料，仿生建筑大致有以下几种：

拱形结构类

曾生活在中生代的巨大爬行动物恐龙，身长20多米，身高4至8米，体重达30至40

吨。这们一个庞然大物要走动觅食，生存下去，四肢必须承爱相当大的负荷。如果恐龙不具

备合理的力学结构，偌大的身躯就会被压塌。专家们发现，恐龙巨大的身躯、长颈和粗长的

尾巴的重力中心是在腰部，身体的重量通过身体重心传递到粗壮的四肢上，整个身体的上部

犹如一座拱桥。从力学角度来看，它的确是一种承受巨大负荷的理想结构的造型，这便是建

筑史上的“拱形结构”的历史渊源。该仿生建筑的特点，是用料省，坚固耐压，外观美观大方。

薄壳结构类

生物界的各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳以及人的头盖骨等都是一种曲度均匀、质地

轻巧的“薄壳结构”。这种“薄壳结构”的表面虽然很薄，但非常耐压。模仿它们壳体在外力作

用下，内力都沿着整个表面扩散和分布的力学特征，在建筑工程中早已得到广泛应用。日本

东京的代代木体育馆则活像一只巨大的海螺，其外观曲线流畅、轻快、形态动人，被认为是

当代最成功的体育建筑之一。

充气结构类

植物和动物的细胞内能充满了液体或气体。这些液体或气体对细胞壁产生一定的压力。

生物学家把这种压力称之为液体静力压和气体静力压，统称为细胞的胀压。根据细胞胀压原

理，人们便设计出各种新颖别致的充气充液结构的体育建筑，如大型体育场馆、室内球场、

网球场、充气游泳池、登山帐篷、野外餐厅等等。美国工程师大卫·盖格成功地设计了一系

列充气体育馆——密执安州蓬塔克城的歇尔佛体育馆就是盖格的杰作。充气体育建筑具有造

型优美、光彩悦目的时代魅力。

“螺旋”结构类

车前子的叶子一般呈螺旋状排列，夹角为137º30´30"。只有这样，每片叶子方能得到最

多的阳光。设计师们向车前子借鉴了调节日光辐射的原理，匠心独具地建造一座呈螺旋状排

列的13层楼房，每个房间都可以得到最充足的阳光。

建筑仿生学是大有作为的一门实用科学技术，它将帮助人们征服地下、天空和海洋，建

筑蔚为壮观的地下街区、海底乐园和太空体育城。

三、交通与仿生

生存在自然界中的各种各样的动物能在各种恶劣复杂的环境中生存与运动，这是因为其

运动器官和形体与恶劣复杂环境斗争进化的结果。仿照动物的某些特点与本领，人们利用现

代仿生技术制造出一系列现代新型的仿生交通工具。

仿生车辆 形形色色

在草原与沙漠地区，带轮汽车行走非常困难，但袋鼠却能行走如飞。袋鼠是靠强有力和

后肢跳跃前进的，于是人们模仿袋鼠发明了无轮汽车，即跳跃机。在南极茫茫的雪原，由于

摩擦力极小，人们难以前行，而企鹅却能以30公里的时速飞跑，这是因为企鹅在行走时仆

倒在地，把肚子贴到雪的表面上，蹬动双脚滑雪，飞速前进。受它的启发，人们制成了一种

越野汽车，可在冰雪和泥泞地区以时速50公里的速度前进。根据蜘蛛爬行原理，人们研制

成一种越野能力极强的汽车，它可轻松通过峡谷地带。根据毛毛虫能在松软土地上爬行的原

理，人们设计出了一种身体狭长、带有“环节”的爬行车，它可在松软的地面上通行无阻。根

据蛇爬行时悄无声息的特点，人们在拖拉机履带上装上了一连串橡皮带，这些橡皮带随着拖

拉机的前进，可不断地进行充气与放气，使拖拉机能平稳前进，且噪声极小。根据苍蝇、蚊

子能在垂直墙壁上爬行的特点，人们正在研制一种登山车辆。在车辆材料上人们也充分借鉴

生物的某些特点，如海中鲍鱼的壳外表扁平、非常坚固，因为其外壳是由碳酸钙构成的，它

能抵御300磅重的巨浪，而丝毫无损。科学家们已合成一种牢固程度两倍于鲍鱼壳的材料，

把这种材料用于汽车外壳或装甲输送车的外表，可使这些车辆更加坚固。

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。

仿生飞机 任重道远

飞机的产生与发明本身就是模仿自然界动物的结果，尽管如此，天空中各种飞翔的禽类，

各怀绝技的飞行本领，仍值得人们学习与研究。

在动物界，昆虫可谓跳跃的高手，蝗虫、跳蚤跳跃高度非常高，常是其体长的几十倍，

而且无需助跑，这主要得益于其有着发达有力的后肢。人们根据动物的这种本领，正在研制

超短距离或垂直距离起飞的飞机。

飞机是交通工具中耗能大户，但鸟类在长途习行过程中可巧借风力与空气浮力，有时飞

行，有时滑翔，非常节省体力。因此，科学家们正在借鉴鸟儿的这种节能本领，制造飞行速

度快且节能的飞机。

自然界的动物千千万万，其许多高超的技能与奥秘人们尚未完全掌握，但可以相信，随

着仿生技术的逐渐发展，各种仿生交通工具会源源不断地被聪明的人类发明出来。

四、仿生战术

在长期的战争实践中，人们不仅从动物的身上产生灵感，发明了各种武器装备，而且还

根据各种动物的行动特点创造了许多形象逼真的战术。

狼群战术

狼是一种十分狡猾的犬科动物，狼通常集群活动，它的战术特点：一是突然袭击；二是

选择孤立或弱小的目标，四面攻击，使其顾此失彼，因此狼能够捕杀比它大得多的动物；三

是多路追击、平行追击。二战中，德军实施潜艇协同作战的“狼群”战术，在战争初期取得了

巨大战果。仅1946年下半年，德军共击沉盟军商船343艘，总吨位170万吨，战果是未使

用该战术的3倍。

麻雀战术

麻雀是一种微不足道的小鸟，它的特点是从早到晚成群结队地围绕人的房前屋后转、叫

个不停，往往闹得人们不得安宁。麻雀战术的长处在于从四面八方灵活机动地消耗、迷惑、

疲惫、杀伤敌人，使其惶惶不可终日，是一种有效的游击战的战法。

蛤蟆战术

美国在侵越战争期间，根据越南地形复杂、机动困难的特点，模仿蛙跳，发明了一种“蛙

跳战术”，从此使武装直升机迅速发展起来。

蚂蚁战术

蚂蚁最拿手的自卫和进攻手段是“蚁海战术”，无论是防御还是进攻，一只蚂蚁的力量微

不足道，可是几百只、几千只、上万只蚂蚁聚集在一起，就是一支不可战胜的力量。

此外，蚂蚁的“地道战”战术对于在未来战争中大力发展地下工事的防护和战斗作用，也

具有指导意义。

小鱼吃大鱼战术

海洋中有一种很小的硬颚鱼，它的外皮很松懈，浑身长满了尖锐的棘刺，它对付比自己

大许多倍的鱼很有一套方法。当大鲨鱼把它吞进肚子里后，它就变成一个刺球，用身上的刺

到处乱刺乱撞，边啃边吃鲨鱼的鱼肉，鲨鱼虽然疼痛，可却毫无办法，只能听之任之，直到

“海上霸王”一命呜呼。在未来的反侵略战争中，这种“钻肚子”或“掏心”战术可以指导我们适

时组织若干精干的小分队或小部队，如实施特种部队作战，在敌人内部的指挥机关、通信交

通枢纽及后方补给线等重要部位制造混乱，打击敌指挥系统。

五、仿生化妆品

仿生化妆品被成为第四代化妆品，具有抗衰老、保鲜包装和生物技术三大特点，代表了

21世纪化妆品的发展方向。

从植物学上我们知道：一棵植物放置室内，绿叶慢慢地枯萎，掉落。在室外的绿色植物

叶子却翠绿欲滴？原因有二，室内植物的绿叶之衰落是因为缺少阳光和空气，室外的植物绿

叶充分享有阳光和空气，所以油绿饱满。为什么阳光和空气对于植物的生长息息相关呢？奥

秘在于，原来阳光照射在绿叶上，绿叶可以通过光合作用把太阳能转变成补充体内的生物能。

绿叶不怕干燥，因为它可以凝聚空气中的湿气并保持水分滋养自身。这就是绿叶奇妙成长的

功能原理。

依据绿叶光合作用原理及人体肤质设计，研制出的仿生护肤产品。使用后，白天，肌肤

不惧阳光照射，反而可以把太阳能转化成有效营养成份，促进肌肤细胞再生；夜里，活性聚

湿因子可以凝聚空气中的湿气，滋润皮肤，使肌肤不会缺水，水分充足，肌肤就显得嫩滑，

闪动着光泽。

总之，与一般护肤品不同，仿生护肤品是具有智能化的产品。它仿如生物生存功能原理，

生动地护肤，使营养成分可以深入深层，让肌肤有效地吸收，促进细胞再生，理顺肌肤细胞

的系统。其独具的天然、安全性，比一般的化妆品更具高效。

II 生物武器

引言 影响战争的传染病

“9·11”事件以后，美国国内不时传出炭疽杆菌邮件的警报，而且这种炭疽恐慌迅速

蔓延使全球不少地方也感到了不安。新加坡卫生部一位官员将这一点表达得淋漓尽kjnj致：

“我们几乎成了偏执狂。就连看到乌鸦时，我们都不禁要问自己：它们身上是不是也携带着

什么东西？”从中不难看出，生物恐怖正像瘟疫一样冲击着传统的国家安全疆界和人们的心

理防线。“9·11”后到目前为止，虽然被确诊由于感染炭疽热病菌而死亡的人数很少，但它

的出现极大地打击了人们的安全心理，改变了人们的安全观。仅从2002年西方国家一年一

度的“万圣节”来看，由于炭疽事件的影响，在本应纵情狂欢的节日里，美国笼罩着一种恐

慌气氛，一切都显得那么萧条。恐怖分子就是用炭疽杆菌——一种比较常见的生物武器给人

们心理造成了很大的压力。

炭疽杆菌能引发烈性传染病。我们都知道，传染病，即传染性疾病，是由病原体引起的，

能在人与人、动物与动物或人与动物之间相互传染的疾病。那么，传染病与生物国防有何关

联呢？

生物国防是指防止生物武器。生物武器，也称细菌武器，是由生物战剂和各种施放装置

构成，用来杀伤人员、牲畜和毁坏农作物的一种特种武器。而生物战剂包括各种致病微生物

及其毒素；施放装置包括气溶胶发生器、炮弹、导弹、航弹等装载生物战剂的容器及其各种

飞机、火炮、导弹等运载系统。所谓生物战，或称细菌战，就是通过一定的途径散布致病性

细菌、病毒及其毒素，造成烈性传染病的爆发、流行，导致人群失能、死亡以及心理恐慌，

并引发社会动荡，从而达到军事目的的行动。也就是说生物国防其本质就是预防故意施放的

传染病。

用于生物武器的传染病大多是能造成大量人员伤亡的烈性传染病。现代生物战的历史不

足百年，但纵观古今中外的战争史，我们不难发现生物战早在科学技术尚不发达的古代就有

了，而那时的人们还不知道微生物的存在。为什么古代人就已产生了生物战的思想和行动了

呢？让我们来一起回顾一下历史上影响战争的传染病，从传染病与战争的相关性中去寻找答

案吧。

鼠疫毁灭了古代雅典

公元前430年前后，古希腊雅典与斯巴达发生战争，开始不久，一种在东方已经传播悠

久的烈性传染病——鼠疫散播到雅典，这种传染病非常可怕，在较短时间内使军队和居民大

批死亡，就连指挥战争的伯里克里将军本人也无法幸免，染上了鼠疫并于公元前429年死去，

这场战争以雅典人的失败而告终。从此鼎盛一时的古希腊雅典就此一蹶不振，走向衰亡。这

就是历史典故“雅典瘟疫”的由来。

天花曾主宰战争的胜败

历史上天花的爆发常使一个军队轻而易举地占领一个城邦，也常使一个强大的帝国顷刻

崩溃瓦解。公元846年，在入侵法国的诺曼人中间突然爆发了天花，而且一发不可收拾。诺

曼人的首领不得不下令，将所有的病人和护理人员统统杀死。公元11～13世纪，罗马教皇

组织东征十字军远征，在此期间，由于天花在军内流行，致使十字军几乎全军覆没。16世

纪西班牙人开始征服美洲新大陆时，科尔特斯率领的300名西班牙殖民者能够轻易地打败有

2500万人口的阿兹台克帝国（现墨西哥），靠的秘密武器就是天花：阿兹台克人俘虏的一名

感染有天花的西班牙士兵。从此天花病魔在美洲大陆蔓延，10年内，有成千上万个阿兹台

克人失去了生命。650万幸存者早已身心疲惫，无力再抗争了，这样一个强大帝国就此退出

历史舞台。与阿兹台克帝国有着相似命运的是强大的印加帝国（玻利维亚人，现秘鲁及周边

国家），也因为天花流行而被皮萨罗带着180名西班牙殖民者轻易征服。天花也被北美的殖

民者恶意利用，他们给当地的印第安人送去天花病人用过的毯子。在天花的肆虐下，几个原

先有数百万人口的主要印第安部落减少到只剩数千人或完全灭绝。1776年美国独立战争时

期，英军进行了天花种痘预防，而美军则爆发了天花，约50%的士兵死于天花，导致华盛

顿领导的魁北克城战军事失利。

※※ 动脑筋 想一想 ※※

为什么来自欧洲的西班牙人不会被天花感染？

斑疹伤寒毁掉拿破仑的远东计划

19世纪拿破仑对西班牙、欧洲和俄国发动了战争，1812年他率领50万军队向莫斯

科进军，战斗尚未开始军队内已发生5千例斑疹伤寒，战斗开始后第1个月病人已经达

到8万人，在整个进军过程中有1/3的战士患斑疹伤寒和痢疾，死亡不计其数。在塔尔

图被围时，防守要塞的法军2.7万人中患斑疹伤寒的就有2万人。由于疾病以及早来的

严冬，拿破仑在撤退时的主力军队仅剩下1万多名能够作战。即使在被俘的3万名法国

士兵中，也有2万5千人患有斑疹伤寒。可以说叱咤风云的拿破仑兵败莫斯科的主要原

因就是斑疹伤寒。

纵观医学史，历史上多次战争伴随着斑疹伤寒。1489年格拉纳达（Granada）被围，西

班牙军队有1.7万人死于斑疹伤寒；第一次世界大战初期的1914年半年内，15万塞尔维亚

军队死于斑疹伤寒；1917～1923年前苏联发生斑疹伤寒2500万例，死亡250万人以上；第

二次世界大战期间，1942年埃及军队发生斑疹伤寒2.3万例以上，约死亡5千人；同年北非

约发生7.7万例；法西斯战俘集中营内斑疹伤寒严重流行，死亡惨重。

再来看一看近150年来的战争史，表1中列举了19世纪中期至20世纪90年代世界上

主要战争中的伤病员情况，从表中的数据中你得出了什么结论？

表1 历史上一些战争病员与伤员人数比

战争 病员人数 伤员人数 病︰伤 军队

克里米亚战争 9.3︰1 法

（1854～1856） 8︰1 英

普法战争 德

（1870～1871）

美西战争

（1898）

第一次世界大战

（1914～1918）

第二次世界大战

（1942～1945）

印度支那战争

（1945～1954）

朝鲜战争 美 3.7︰1

（1950～1953） 中 1.2︰1

越南战争

（1965～1970）

海湾战争

（1991）

美 9.3︰1

俄 1.3︰1

德 3︰1

美 4.1︰1

美 10.3︰1

1,168,000 126,000

1,479,000 186,000

589,000 122,000

4.8︰1

5,069,000 3,748,000

14,657,340 4,814,539

6,149,926 599,724

法 9.1︰1

美 4.1︰1

美国为

首的多 71︰1

国部队

694,123 76,400

290,210 77,788

455,199 383,218

26,000 366

你是不是发现：传染病造成军队人员减少的总数超过了战场伤亡的人数？由此可以看出

传染病对政治、经济、军事都有重大的影响，传染病常常造成大量士兵的死亡，从而导致战

争的失败，因而具有重要的军事价值。所以有些军事大国甚至一些小国或组织似乎找到了战

争制胜的秘诀，就是在战争中通过人为制造传染病，来达到战胜对方的军事目的，以取得胜

利。

在抗日战争时期，日本侵略者在中国大地上撒下了无数的鼠疫杆菌、炭疽杆菌等病原微

生物，还惨无人道地拿中国人做活体实验。在现代社会中，生物武器仍被某些国家用于战争

和恐怖袭击。世界著名科学家霍金说：“从长远来看，我更担心的是生物武器。核武器的生

产需要庞大的设备，而生物武器的制造在一个小小的实验室里就能完成。人们根本无法控制

世界上所有的实验室。也许有意或无意之中，我们就制造了某种可能彻底毁灭人类的病毒。”

这绝不是危言耸听。虽然和平与发展是当今世界的主题，但我们仍不能忽视各种战争危机的

存在，尤其在人类还未完全战胜病魔的今天，生物武器已经成为21世纪国家安全所面临的

新威胁和新挑战，生物国防意识的建立有着其特殊的意义和必要性。可以说科学的发展促进

了生物武器的发展，但反过来说目前反恐怖的战争更要靠科学技术的进步，靠科学的力量来

战胜各种病魔。

传染病是整个人类发展进程中不可避免的大敌，严重危害着人类的健康和生命，人类与

病魔、死亡的抗争从来就没有停息过。从人类历史上消灭天花到今天我们防治SARS，都说

明只有与科学结合才有可能战胜病魔和死亡。

第一节 生物武器的基本类型

提起战争人们就会想起硝烟弥漫的战场，战士们负枪荷弹穿梭在枪林弹雨中，坦克隆隆

的前进声和飞机呼啸而过的声音构成了战场的主旋律。但这只是在一些战争题材的电影中看

到的场景。现在有一类军事武器，杀伤力大，杀伤的面积广，无需大量人力、财力的投入就

可以给敌方致命打击，甚至有时候可以悄无声息地进行。这就是现在频频提起的大规模杀伤

性武器。大规模杀伤性武器包括核武器、化学武器和生物武器。其中，生物武器被形象地形

容为“穷国的原子弹”，还有人将它形容为“富国的省钱武器”。

生物武器所选用的生物战剂从其发展过程和趋势来看，可分为两个阶段：20世纪70年

代以前，主要是通过筛选自然界中的天然病原体为获得；20世纪70年代以后，主要是以

DNA重组技术的遗传工程为起点，进入了“基因武器”的新阶段，基因工程不仅能大量生

产生物战剂，而且能改变某些病原体对抗生素的耐药性，改变某些蛋白质对热的耐受性，对

病原体或毒素进行免疫修饰，增强生物战剂的稳定性等。这样原有的特异性诊断方法可能失

灵，原有的特异性疫苗可能失效，使生物防治增加了很大的困难。

生物战剂种类很多，到目前为止有70多种，属于烈性的生物战剂有20多种。在人类历

史上流行过的诸多烈性传染病如：天花、霍乱，鼠疫等等，都是潜在的可以作为武器来加以

应用的微生物。下面我们一起来认识一下以细菌、病毒和细菌毒素为生物战剂的生物武器。

尽管生物武器有一定的局限性，但由于它具有的极大杀伤作用，俄、美都非常重视发展

它。1969年美军已把黄热病毒、委内瑞拉马脑炎病毒、炭疽杆菌、野兔热杆菌、猪型布氏

杆菌、Q热立克次体、肉毒毒素、葡萄球菌B型肠毒素列为标准化生物战剂。据西方情报

部门分析，前苏军可能装备的生物战剂有炭疽杆菌、鼠疫杆菌、野兔热杆菌、布氏杆菌、肉

毒毒素、马脑炎病毒等。

目前，世界上公认的对人类危害最大、最易散发的生物武器有3种：

1. 炭疽热

炭疽热（anthrax）是由炭疽杆菌感染后引发的一种烈性人畜共患传染病。原系食草动物

（羊、牛、马等）的传染病，能迅速感染并杀死牛羊。人因接触病畜及其产品或食用病畜的

肉类也会被感染，如果未及时救治，则病人浑身长出可怕的疖疮并且死亡。

炭疽杆菌是人类历史上第一个由德国伟大的“细菌学之父”科赫证实能引起疾病的细菌。

1877年科赫第一次在显微镜下看到了死牛血液中的杆状微生物，他将木片浸于死牛的血液

中，再把木片插入健康小鼠的身体，结果这些小鼠都感染了炭疽。科赫首次在培养基上培养

成功，并证明其可形成芽孢，注射动物后可导致实验性炭疽。

炭疽杆菌是一种很大的格兰氏染色阳性杆菌，可在普通培养基上需氧或厌氧条件下培

养。在土壤中寄居于世界各地。其3种类型有相同的细胞大小和形态，并可形成卵圆型孢子

位于非肿胀的孢子体中央。

在这些生物战剂中炭疽杆菌是许多正在研制生物武器的国家视为最佳生物武器的选择。

一方面与这种致病菌具有极强的生命力的特性有关：炭疽杆菌在体外不适宜条件下，可以形

成细菌的一种特殊的生存状态——芽孢。细菌芽孢是细菌在不利环境下延续其生命的一种特

殊方式，芽孢抵抗力极强，由多层膜构成的芽孢孢囊具有保护功能，理化因子不易透入，能

使细菌不受阳光、热和消毒剂的破坏而在自然界中长期存活。在芽孢形成时细菌胞质经过脱

水浓缩，这样蛋白质含量减少，受热后不易变性；芽孢中还含有大量吡啶二羧酸（DPA），

这种DPA与钙结合能提高芽孢中各种酶的热稳定性，由于芽孢的这些特性，所以它对热、

干燥、辐射、化学消毒剂等具有强大的抵抗力，煮沸40分钟、140℃干热3小时、高压蒸气

10分钟、20%漂白粉和石灰乳浸泡2日、5%石碳酸24小时才能将其杀灭。Jacotot和Virat

于1956年发现，由巴斯德在1888年制备的炭疽芽孢在68年后仍有活性。Wilson和Rusll

于1964年报道，炭疽芽孢在干燥土壤中能存活60年之久。1942～1943年，含有炭疽芽孢

的炸弹曾在远离苏格兰海岸的格雷纳岛上爆炸过，在40多年后，那里的土壤中仍存在严重

的炭疽芽孢污染。

另一方面与炭疽杆菌强传染性有关：炭疽杆菌无色无味，

经空气可以传播几公里远，处于室内的人也可能被感染，而且

人们通常是在不知不觉的情况下染上此病的，只有在人群中爆

发大量炭疽热后才知道敌人已经发动了生化攻击，而当症状明

显被确诊时，病情往往已进入晚期，此时的死亡率高达95％；

其传染途径主要通过皮肤接触、空气传播和通过食用受染食

品，这些途径比较难预防，而且一个人只要吸入8000个炭疽

杆菌孢子就可能致命。这就意味着在一座500万人的城市中，

图3.1 炭疽杆菌模式图

只要散布50公斤的炭疽杆菌就可以了，这只需利用小型直升机或农用飞机就能做到；加上

培养生产炭疽杆菌的方法简单容易。恐怖分子只要预先服用抗生素，在空屋中培养病菌，事

后用强效消毒水沐浴即可，但其后再进入房间的人便会染上炭疽热。

由于炭疽杆菌的这种特性，因此它很可能被恐怖分子利用，制成冷冻干燥粉末，以邮件

信函等各种方式来危害人类，使人感染皮肤炭疽即主要表现为局部皮肤坏死及特异的黑痂，

或严重的经呼吸道吸入的肺炭疽即表现为肺部、肠道及脑膜的急性感染，有时伴有炭疽杆菌

性败血症。在美国发现的通过邮件寄送的白色粉末就是烘干后的炭疽杆菌孢子。

炭疽杆菌从损伤的皮肤、胃肠黏膜及呼吸道进入人体后，首先在局部繁殖，产生毒素而

致组织及脏器发生出血性浸润、坏死和高度水肿，形成原发性皮肤炭疽、肠炭疽和肺炭疽等。

当机体抵抗力降低时，致病菌即迅速沿淋巴管及血管向全身扩散，形成败血症和继发性脑膜

炎。皮肤炭疽因缺血及毒素的作用，真皮的神经纤维发生变化，故病灶处常无明显的疼痛感。

炭疽杆菌的毒素可直接损伤血管的内皮细胞，使血管壁的通透性增加，导致体液外流，血液

呈高凝状态，出现感染性休克甚至死亡。

2. 鼠疫

鼠疫杆菌在历史上也曾被用于生物战。日本在侵略中国时就曾将鼠疫菌用于细菌战，在

中国不少地区投掷带菌疫鼠，造成鼠疫流行，中国人死伤无数。1942年日本731部队在哈

尔滨制造细菌弹，在湖南、浙江等地空投大量染有疫蚤的谷物棉絮等，造成当地鼠疫流行。

鼠疫菌的传播有两种方式：鼠—蚤—人、人—人。寄生在鼠类身上，染有鼠疫菌的跳蚤

咬了人，经伤口到淋巴腺而发病（称腺鼠疫）。当病人发病严重时鼠疫菌可随血流传播到肺，

造成肺炎，然后经病人飞沫通过空气而传给另一个人（称肺鼠疫），这个时候鼠疫传播速度

加快。鼠疫之所以会被人利用作为生物战武器，一是因为它的传播速度快，二是病死率高，

如不及时治疗，很易死亡。

3. 天花

天花同样是一种传播速度快、病死率高的恶性传染病。天花病毒具有极大的传染性和杀

伤性，其繁殖很快，能在空气中以惊人的速度传播，而且在感染后的短短15~20天内致命率

高达30%。虽然由于全球人民的共同努力，通过普遍种牛痘，现已被消灭，但是由于实验

室还保存着天花病毒毒种，复苏的来源是存在的。

世界卫生组织（WHO）宣布全球天花消灭之后，各国相继停止接种牛痘疫苗，在这期

间出生的年轻人大多没有对天花病毒的免疫力。因此人们普遍缺乏对天花的特异性抵抗力，

全世界存在大量易感者。天花病毒一旦被恐怖分子利用作为武器，将有极大的危险。虽然许

多国家仍保留着一定量的牛痘疫苗，对有可能遭受天花袭击的人群进行应急种痘，但要再恢

复牛痘生产，再次全面接种，并不是一件容易的事情。由于生产、鉴定等过程需要耗费很长

时间，很多人会因此丧失生命。因此，打击恐怖活动，防止生化武器的流传已经成为不容忽

视的问题了。虽然规定只有美国CDC及前苏联一个研究所才能保存毒种，但有些国家还可

能私藏了这些毒种，因此全世界还要警惕。

世界卫生组织本来决定在2002年销毁美国和俄罗斯的病毒库存，但为了可以让科学家

们有时间研制更有效的疫苗和治疗措施，防止恐怖分子利用病毒发动袭击，在2002年初又

决定推迟销毁天花病毒的最后期限。只有在实验室里保存的天花病毒都被销毁，地球上彻底

消灭了天花病毒之后，人间才可能不再有天花。

在伊拉克武器核查和战争前景牵动美国人的反恐神经之际，布什政府为了防范恐怖分子

对美国可能发动生物武器攻击，决定下令为美国接种“天花”疫苗。2001年11月8日

德国卫生部长施密特表示，鉴于德国面临潜在的天花恐怖袭击的可能，政府决定耗资4600

万美元购买600万份天花疫苗，同时将扩大疫苗的生产。

可能被用作生物战剂的病原，除了上述3种致病菌之外，还有肉毒杆菌产生的神经毒素。

肉毒杆菌是除炭疽菌之外最具潜力的致死物，目前已有几个国家有能力将其制成生物战制

剂。人吸入肉毒杆菌后，肉毒杆菌即开始繁殖，并迅速扩散至全身。肉毒杆菌能分泌一种会

造成肌肉麻痹的神经毒素，会产生复视、视觉模糊、眼睑下垂、发音模糊、吞咽困难、口干、

肌肉无力、呼吸肌肉麻痹导致窒息等症状，最后因呼吸衰竭致死。

在达斯廷·霍夫曼主演的影片《极度恐慌》中，一种来自非洲的病毒被一个偷运动物的

走私人员无意间带回美国，引起一片恐慌。甚至总统下令将疾病爆发而被封闭的疫区加以彻

底摧毁，当然最后霍夫曼成功地找到治疗手段，挽救了数千美国人的生命。

能使人患病的微生物很多，为了快速达到恐吓的目的，生物武器只会钟情于那些具有很

强的传染能力、快速致死的微生物（当然如果致死过快也是不利于传播的）。自从抗生素类

药物的发现和预防接种的实施，人们已经基本上控制住了历史上那些传统的烈性传染病。但

是伴随着抗生素的大量使用，致病性微生物的抗性也在逐渐增加。这本身已经演变成人类和

这些微生物的一场逐步升级的“战争”，现在如果我们还人为加强这些微生物的能力，其后

果确实是不堪设想。

第二节 生物武器的发展趋势之一——基因武器

人类基因组图绘制完成，这无疑是人类科学史上出现的一座新里程碑。基因决定了人类

的人种及民族特征：肤色、头发、眼睛、身高等。人类的很多绝症，如某些癌症，也是由基

因结构上出问题而引起的。科学家们正在研究开发基因治疗等新的生物工程技术，用以校正

基因结构，从而保证在不破坏人体健康细胞的前提下，消灭那些致人死地的癌细胞。人类基

因组计划的实施，将导致一大批新的基因工程药物被开发出来，并走向市场为人类服务。但

伴随着人们在分子生物学领域的不断开拓，善良的人们不禁担心这些技术可能被滥用，基因

技术也可被用于制造毁灭性武器，即人们常说的基因武器。

基因武器，也称遗传工程武器或DNA武器。它运用先进的基因重组技术，用类似工程设

计的办法，按人们的需要通过基因重组，重新制造新的或经过基因改造的细菌和病毒。

未来出现的基因武器可能主要有两大类型：

1. 新型的微生物战剂

这一大类型是专门破坏人体免疫系统的微生物战剂。它主要是通过在一些致病细菌或病

毒中导入能对抗普通疫苗或药物的基因，或者在一些本来不致病的微生物体内“插入”致病

基因，来培养出新的抗药性很强的病菌或致病微生物。这是比较简单的办法。

随着基因组学的进展，肺结核、麻风病、霍乱等病菌的完整基因序列已经发表，鼠疫杆

菌等的基因组测序工作也将完成，这些天然的细菌和病毒都可能通过基因重组而被改造成易

存储、便携、毒性更大的生物武器。例如，炭疽热可以用青霉素的衍生物来治疗，但是，如

果在炭疽杆菌中引入一种内酰胺酶基因，就可以使抗生素失效。这种操作对一些较好的生物

实验室来说，不过是小事一桩。除此之外，对细菌稍加改造，提高其毒性，或者使其不容易

被检测出来等，都是完全可以做到的。如1994年，斯坦梅尔曾在《自然》杂志发表论文，

披露利用这种技术，培育出了一种新型大肠杆菌，这种大肠杆菌对抗生素的耐药性是普通大

肠杆菌的3.2万倍。论文发表后不久，美国微生物学会就去信表示出对这种技术可能被滥用

的担心，并要求毁掉培育出的新型大肠杆菌。斯坦梅尔照办了。

潜在的生物武器设计者还可能看中其他一些技术，包括基因治疗技术。在基因治疗中，

要将特定基因导入人体内，需要经过处理的病毒作为载体。研究人员指出，这种载体同样可

能用来携带有害的基因。

2. 人种基因密码武器

这一大类型是专门根据特定人种生化特征上的差异，或称人的基因密码，来设计一种只

对特定遗传特征的人们产生致病作用的致病菌，以达到有选择地杀死敌方有生力量的目的，

这种基因武器又称人种密码武器。因为每类人种都有自己特定的基因密码，一旦不同种群的

DNA被排列出来，就可以生产出针对不同种群的人种密码武器，造成敌方人种灭绝，从而

克服普通生物武器在杀伤区域上无法控制的缺点。

根据基因武器的特殊性能可以预计，一旦基因武器运用于战争，将使未来战争发生巨大

变化。基因武器是现代生物技术制造出的新型生物武器。它与常规武器相比有以下几个特点：

（1） 成本低，杀伤能力强，持续时间长。

基因武器对人员的杀伤阈值是分子水平，无论是对机体的哪个部位，或者通过机体哪个

途径，只要能在机体内“插入”基因武器，哪怕是“插入基因武器的一个分子”，也同样能

够起到杀伤作用。有人估算，用5000万美元建造一个基因武器库，其杀伤效能远远超过50

亿美元建造的核武器库。据称，某国曾利用细胞中的脱氧核糖核酸的生物催化作用，把一种

病毒的DNA分离出来，再与另一种病毒的DNA相结合，拼接成一种具有剧毒的“热毒素”

基因毒剂，用其万分之一毫克就能毒死100只猫；倘用其20克，就足以使全球55亿人死于

一旦。

（2） 传递与扩散方法简单，施放手段多样。

只要将病毒放在一只普通的密码箱中，就可轻易通过海关检查；只要将基因细菌或病毒

喷洒在空气中或者倒入饮用水里，就可让成千上万的人毙命。还可以用人工、飞机、火箭、

气球、水面舰艇、水下潜艇以及火炮等把基因战剂施放到目标区。当成千上万的人被病毒杀

伤时，人们还蒙在鼓里，以为是流行病在作怪。而且，查清病毒来源与属性需要时间。

（3） 不易被发现，难治难防。

因为经过改造的病毒和病菌基因，只有制造者才知道它的遗传“密码”，其他人很难破

译和控制。同时，基因武器的杀伤作用过程是在秘密之中进行的，人们一般不能提前发现和

采取有效的防护措施。一旦感受到伤害，为时已晚，在此之前早已遭到基因病毒的侵袭，很

难治疗。这是基因武器与其他生物武器、化学武器的主要区别。

（4） 攻击敌方时，可以保存基础设施和武器装备不受损坏。

基因武器只大规模杀伤有生力量而不破坏非生命物质。

（5）基因武器具有强大的威慑作用。

能给对方造成极大的心理压力，使对方士气大落，惊慌失措，草木皆兵。

基因武器一旦出现，其战略威力将比核武器还要大，因为拥有这种武器的人不必顾虑对

自己及对地球整体环境的破坏。基因武器的使用者再也不必兴师动众，而只需在战前将基因

病菌投入他国地域，或利用飞机、导弹等将带有致病基因的微生物投入他国地域，让病毒自

然扩散、繁殖，就会使敌方人畜在短时间内患一种无法治疗的疾病，从而丧失战斗力。此外，

基因武器可根据需要任意重组基因，可在一些生物中插入损伤人类智力的基因。当某一特定

族群的人沾染上这种带有损伤智力基因的病菌时，就会丧失正常智力。种族基因武器甚至还

可以“无声无息地”消灭某些民族，例如降低其出生率或提高其婴儿夭折率，或是压制这个

群体内的某种抗体，提高他们接触病菌的机会。尤其值得关注的是，基因武器杀人于无形，

人们一般不能提前发现和采取有效的防护措施，受害的族群发现遭毒手时，往往为时已晚，

可能已濒临灭绝边缘。在战术上，基因武器不易被发现，将使对方防不胜防。因为经过改造

的病毒和病菌基因，只有制造者才知道它的遗传“密码”，其他人很难破译和控制。这是一

幅何等恐怖的场面。

为了保护全人类的最大利益，维护和促进世界和平与发展，有效防范基因武器的潜在威

胁，1972年联合国就通过了“禁止试制、生产及销毁细菌（生物）和毒剂武器公约”，1975

年联合国再次通过了决议“禁止使用生物化学武器”，但少数国家发展生物武器的步伐却一

天也没有停止过。俄罗斯情报人员认为，世界上约有10～15个国家已经制定或正在制定基

因与生物战计划。英国生物学家断言，基因武器的问世不会晚于2010年。基因武器一旦问

世，人类将面临难以避免的灾难。国外有人将“基因武器”称为“世界末日武器”。

作为爱好和平的我们应采取以下对策：

第一，积极敦促国际社会按照1998年联合国大会批准的“关于人类基因组与人类权利

的国际宣言”的精神，在全球范围内达成有关限制基因技术的使用，全面禁止基因武器研制

的伦理公约和协议；

第二，尽快采取行动，认真研究本民族的基因密码，及早察明其中的特异性和易感性基

因，有针对性地采用生物工程技术研制有效的生物药剂和疫苗，提高和增强民族的基因抵抗

力；

第三，积极应用高新技术，针锋相对地研制反基因武器，研制新型探测和防护器材，做

到有效识别和防护；

第四，针对敌军可能实施基因战的战法、途径和手段进行专门研究，及早制定行动预案。

只有这样，在未来可能面临的基因威慑与反威慑的斗争中，中华民族才不至于受制于人。

第三节 生物武器的预防

1. 生物武器的伤害途径

生物战剂污染空

误食食用被生物战剂污染的气，通过呼

—— 水、食物等而得病。 吸道进入人体而感

吸入——

染致病。

接触生物战剂直接侵入人体皮被带有生物战剂的

—— 肤、黏膜、伤口等生病。 昆虫叮咬而致病。

叮咬——

2. 生物武器的防护

（1） 当遭到敌人生物武器袭击时，应采取针对性措施，防止生物战剂经呼吸道、消化

道、皮肤侵入体内，防护的方法类似对化学武器的防护。

（2） 转移疏散——要根据指挥部的统一指挥，及时向上风方向、高处转移，为防止人

体表面遭到污染或昆虫叮咬，应使用各种防护器材。从生物战剂污染区内撤离后，人员、物

品均应经过洗消，方法与化学武器袭击的消洗相同。

（3） 药物预防——对生物武器最有效的防护是免疫接种，要根据统一安排，进行预防

接种，提高免疫能力。

（4） 防止污染——对污染区要实行隔离、封锁，无关人员不得进入，发现传染病人要

早报告、早隔离、早治疗，防止传染。

【参考材料——科幻小说】

科幻反恐日记一则

2025年7月3日夜

夜幕已经渐渐降临，淡淡的月光轻轻地撒在这片土地上。灰黯中植物散发着荧光，绿的、

蓝的，在夜的衬托下明亮而柔和。偶有几只小黄蜂从近处灌木起飞，轻轻地落在另一处地方，

两只触角上的荧光在空中划出美丽的两条弧线。这就是我这个生物学家即将决战的地方，即

将发生的战役既是保护善良的人们，也是保护自然的美。

根据得到的情报，恐怖组织这次决定使用其掌握的最新基因武器，发动一场海陆空全面

袭击。他们已经把SARS病毒和另一种未知病毒整合起来转入细菌，制成了细菌干粉，企图

利用第14号台风将病毒撒播在城市，由SARS引起大范围感染进而让未知病毒发挥作用。

在海中，他们已经在某个位置放置了大量四脚鱼，这些四脚鱼整合有食人鱼凶残基因、大马

哈鱼繁殖基因和两栖动物适应陆生的基因，这些凶残的两栖杀手会意志坚定地攻击陆上目标

和水面舰船。然而这并不是最可怕的，最可怕的是恐怖组织宣布他们已经利用公布的人类基

因组和蛋白质组的准确信息，研制出第二代战略性种族基因武器，它专门针对蓝眼睛黄头发

型的白种人的特征性基因，感染后将摧毁这种人群的智力、降低其出生率、提高其婴儿夭折

率、并且压制这个群体内的某种抗体，提高他们感染病菌的机会。

其实决战的部署早就安排好了。最远处红杉林已经是第四代转基因防护植物，它们像城

市的巨大口罩将整个海岸环护起来，每一株都有300多米高，能够吸附并杀灭各类细菌，在

台风中应该能够挺立得住，可以基本上消灭恐怖组织的空中袭击。即使有吹过来的，这个灌

木缓冲带可以继续其作用。最近处的转基因拟南芥的知识性能已经大大提高，能够快速准确

地判断出各种细菌病毒，市民通过家庭栽培的这种植物可以自己判断并用药。所以空中袭击

可以放心应对。

至于水中，恐怖组织的动物兵的推进速度还不算最快。河口海岸系统的水藻改进后已经

决战前的部署

能够在海水赤潮和淡水水华状态预警。即使有船先行对水域进行破坏，当那些动物兵推进到

离水藻群50海里处时，这些水藻发出的物质也仍然能够在空气中散播开来。埋伏在灌木丛

中的黄蜂群在服役前已经经过改进和特化训练，它们能够通过触角接受水藻发出的物质，自

行判断出动物兵的位置，以闪电般的速度冲向敌人，刺杀动物兵。这一批黄蜂的自身抗感染

能力和杀伤能力都很强，蜂窝里储备的蜂兵数量上也占有绝对的优势，储备也很多，在攻占

中是可以胜利的。

最让人担心的是种族基因武器。拥有蓝眼睛黄头发基因的白种人所特有的基因序列虽然

已经非常清楚，但是恐怖组织为攻击这些基因设计了什么样的基因武器，用什么方法施放到

人身上，情报部门还没有准确消息，如果在这个方面出了差错，那人类的损失可就大了。现

有的资料只是他们公布的恐吓图片，根据图片分析应该是第一代种族武器的改进型。这种武

器的效力目前还局限于摧毁智力上。像降低出生率这类战略性基因武器可能在技术上还达不

到。所以，这次防御的重点就是利用转基因的小鼠和斑马鱼作为指示动物。这批小鼠模型成

功地转入了人体全套抗体基因和白种人的特征基因，通过蓝绿萤光平衡体系指示体内的变

化，进而判断进攻所用的病毒或是其载体。

战争即将打响……

※※ 动脑筋 想一想 ※※

1．请你自己查阅资料，完成这个科幻故事。

2．谈谈你对生物武器的看法，以及我国如何加强生物国防。