第一章 生物学基础

BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第一篇仿生学综述

第一章生物学基础第一节生物及其分类一切具有新陈代谢的物体，统称生物。如：动物、植物、微生物、细胞等，都是生物。或者说，一切具有生命，可以进行新陈代谢、生长发育和繁殖、遗传或变异的生命体，都是生物。否则为非生命体。本书中的生物主要讨论动物和植物。以下都是生物。一、生物的概念第一节生物及其分类

第一章生物学基础二、生物分类第一节生物及其分类按两界说分类：植物界、动物界生物分类按三界说分类：植物界、动物界、原生物界按五界说分类：植物界、动物界、原生物界、原核生物界、真菌界按两界说分类：植物界、动物界、原生物界、原核生物界、真菌界、病毒按四界说分类：植物界、动物界、原生物界、原核生物界生物分类有七个级别;界、门、纲、目、科、属、种，物种是最基本单元。本书采用两界说分类法，即按动物和植物分类。4第一章生物学基础三、动物的分类动物分类及其复杂，主要根据同源性进行分类：脊椎动物：哺乳类、爬行类、两栖类、鱼类、鸟类等动物无脊椎动物：软体动物、节肢动物、腔肠动物、环节动物等微生物：真菌、细菌、衣原体、病毒等本书仅涉及到脊椎动物和部分无脊椎动物。第一节生物及其分类5

第一章生物学基础四、植物的分类以植物的亲缘关系进行分类第一节生物及其分类裸子植物种子植物植物被子植物、单子叶植物、双子叶植物藻类植物地衣植物蕨类植物孢子植物苔藓类植物菌类植物种子植物为两类，即被子植物和裸子植物。这两类植物的共同特征都具有种子。被子植物的种子生在果实里面，如苹果、大豆即被子植物。裸子植物的种子在外面，如银杏松子等。6

第一章生物学基础一、生物的多样性指地球表面生物圈中各种生命形成的资源以及他们的生态过程。第二节生物的多样性生态系统多样性（森林、草原、沙漠、山地、海洋、河湖、湿地、农田等生物的多样性物种多样性（动植物、微生物可达3000万种）遗传多样性（物种遗传基因的多样性）

二、生物的多样性的内容

第一章生物学基础一、进化论达尔文的进化论包含以下四个部分：1、所有生物都来自共同的祖先。2、物种是可变的，一个物种可演化为新物种。3、生物的进化是渐变式的。4、自然选择是进化的主要机制第三节生物的进化人类进化鸟类进化长颈鹿的进化第一章生物学基础1、所有生物都是从海洋中的单细胞生命进化的

一部分在海洋中进化为各种动物

一部分从海洋走向陆地进化为各种动物陆地上的某种动物进化为人类二、生物进化历程第三节生物的进化生命进化历程第一章生物学基础生物进化树可清楚显示生物的进化过程2、生物进化树第三节生物的进化了解生物进化过程，可以清楚动物之间的内在本质联系，有利掌握动物的结构特性和进行仿生设计。生物进化树第一章生物学基础3、动物胚胎进化历程第三节生物的进化动物胚胎进化历程可展现出动物与人类具有共同的祖先。鱼蝾螈龟鸡猪牛兔人第一章生物学基础4、前肢的进化第三节生物的进化鸟蝙蝠鲸马人四种脊椎动物前肢骨和人的上肢骨对比图马的尺骨与桡骨结合在一起从鸟类、蝙蝠、鲸鱼、马的前肢和人类上肢的进化看，他们基本具有类似的结构，只是由于功能的不同，各自进化为适合自身特点的结构。第一章生物学基础二、生物进化的原因第三节生物的进化1、遗传物质的变异是进化的内因。2、生存环境的变化是进化的外因。3、生物进化后对环境有很大影响。如藻类植物释放氧气，促植物生长和动物的有氧生活。第一章生物学基础第四节植物及其运动特性第四节植物及其运动特性一、植物的运动特性：植物能够运动，但速度缓慢。向地性向光性向水性向化性肥料含羞草跳舞草食虫草感震性感触性感震性整体运动植物的运动感性运动相性运动向地性运动感震性运动感触性运动向光性运动向水性运动向化性运动整体运动植物运动形式如下：第一章生物学基础第四节植物及其运动特性二、植物的结构与力学特征1、植物的根系:吸收营养、固定植物，抵抗重力与外力。2、植物的茎秆：（1）茎秆构造木本植物称为茎杆，草本植物称为茎秆。支撑植物、输送营养、储存营养以树木为例，中间的髓储存营养中柱部分的维管束输送营养和水分；第一章生物学基础第四节植物及其运动特性细高类植物经过进化为中空茎秆，不易倒伏；如中空部分有节，能增加抗扭能力。如图示的竹子就是类似结构。第一章生物学基础第四节植物及其运动特性（3）茎秆力学特征1）不同截面、相同周长的茎秆面积

bdDD设圆形截面直径为D，周长为

面积为相同外圆直径的圆环内径为d，方形截面边长为b；周长为，面积为若他们具有相同的周长，则有：计算结果表明，在周长相等的条件下，圆形截面具有更大面积。这是植物进化为圆形截面茎秆的原因之一。第一章生物学基础第四节植物及其运动特性2）圆形截面植物有较好的抗风能力圆形截面的受力风的作用力为：方形截面的受力抗风能力pA风载的体型系数，圆形截面KK=0.8,方形截面K=1.5单位面积作用力，风的作用面积圆形截面较方形截面抗风能力要好第一章生物学基础第四节植物及其运动特性3、植物的叶叶由叶片、叶柄和托叶组成,少一个或两个称不完全叶完全叶不完全叶（1）叶的组成研究植物的叶有助于深入了解光合作用，对人工改造空气环境有很大帮助第一章生物学基础第四节植物及其运动特性叶片含有叶绿素、胡萝卜素后或藻红素，叶片颜色取决于他们的转化（2）叶的颜色(3)叶片的形状:随环境、气候等差别很大第一章生物学基础第四节植物及其运动特性（4）叶片作用1）光合作用：在阳光照耀下，吸收二氧化碳和水分，制造碳水化合物为主的有机物，释放氧气的过程。2）蒸腾作用：叶片中水分蒸发，散热，保证植物正常生长。3）调节气候：叶片蒸发水分，增加空气中水蒸气，调节气候。4）降低噪声：吸振，降噪。5）制作饲料或药材：第一章生物学基础第四节植物及其运动特性7）建筑仿生：叶片形状为建筑物设计提供创新途径8）天气预报：有些叶片在下雨前滴水（滴水观音）9）食用：6）减轻空气污染：吸附空气中的粉尘，减轻空气污染；吸附降解一些有毒化学物质；滴水观音松果建筑

第一章生物学基础一、动物的分类第五节动物及其分类动物有脊椎动物鱼类动物无脊椎动物软体动物节肢动物腔肠动物两栖动物爬行动物鸟类动物哺乳动物第五节动物及其分类

第一章生物学基础1、无脊椎动物第五节动物及其分类腔肠动物珊瑚水螅水母（1）腔肠动物：简单的多细胞动物水螅珊瑚水母模仿水母运动，在水中仿生机械设计有重要应用。第一章生物学基础第五节动物及其运动特性（2）软体动物：身体柔软不分节，由头、足、内脏囊和外套膜组成蜗牛：外套膜形成石灰质结构章鱼螺类：蚌类：乌贼：软体动物外套膜形成石灰质结构外套膜形成石灰质结构第一章生物学基础第五节动物及其运动特性（3）节肢动物：分头、胸、腹三部分；胸部三足，凡丁质外骨骼。甲壳类动物蛛形类动物肢口类动物多足类动物昆虫类动物节肢动物第一章生物学基础第五节动物及其运动特性2、脊椎类动物的分类1、鱼类动物软骨鱼类：如鲨鱼、鳐鱼等硬骨鱼类：鲤鱼、黄花鱼等鱼类动物（2）鱼类体型（纺锤形，平扁形，侧扁形，棍棒性和长侧扁形）（1）鱼的分类第一章生物学基础第五节动物及其运动特性头尾轴左右轴腹背轴（高）（长）（宽）1）纺锤形：（流线型）头尾轴长，腹背轴短，左右轴最小2）平扁形：左右轴长，腹背轴最小。呈扁平型。3）侧扁形：左右轴小，头尾轴与腹背轴相近。4）棍棒性：头尾轴长，左右轴与腹背轴小，且相近。5）长侧扁形：头尾轴最长，左右轴最小。纺锤形平扁形侧扁形棍棒性长侧扁形第一章生物学基础第五节动物及其运动特性（3）鱼鳍：不同的鱼类，鱼鳍形状、分布、大小、多少都不同。鱼鳍胸鳍：一对，控制方向、制动腹鳍：一对，臀鳍:一个，平衡尾鳍：一个，产生推力背鳍：一个，平衡控制方向、制动鱼鳍名称如下鱼鳍在仿生机器鱼的设计中有重要作用第一章生物学基础第五节动物及其运动特性2、两栖动物：幼体用腮呼吸，成年用肺呼吸，水陆两栖。两栖动物的仿生研究中，除研究模仿青蛙的跳动外，更关注青蛙由腮呼吸转为肺的呼吸的机理。无足两栖类动物:四肢退化，无尾或短尾，蚓螈、鱼螈等无尾两栖类动物：成年无尾，后肢发达。青蛙等两栖动物有尾两栖类动物：生活在水中，如鲵和蝾螈鲵蝾螈蚓螈鱼螈第一章生物学基础第五节动物及其运动特性3、爬行动物：是多足步行机器人和蛇行机器人的重要模仿对象龟鳖爬行类：有背甲，四肢粗壮，如乌龟喙头爬行动物类：嘴似鸟喙，如喙头蜴类有麟爬行类：体表有角质鳞片，如蛇、大蜥蜴类鳄类：如鳄鱼等爬行动物爬行动物分为有腿类、无腿类爬行动物，还有蝴蝶幼虫类，腿部没有发育完整，只有类似腿的足。第一章生物学基础第五节动物及其运动特性4、鸟类动物：是仿生机械学研究重点平胸鸟类：体型大、翼退化、善奔走，如鸵鸟类企鵝鸟类：翼进化为鳍、善游泳，如企鵝凸胸鸟类：胸骨突出、善飞翔，绝大部分鸟类为此类鸟类动物第一章生物学基础第五节动物及其运动特性5、哺乳动物：是仿生机械学研究重点动物原兽类：原始哺乳动物，卵生，如鸭嘴兽后兽类：低等哺乳动物，胎生，但幼兽发育不全，如有袋类动物。真兽类：高等哺乳动物，食草类、食虫类、食肉类、啮齿类、灵长类。哺乳动物食草类食虫类食肉类啮齿类灵长类第一章生物学基础第五节动物及其运动特性爬行：腿由身体两侧向外伸出，经常肚腹着地，通过前后摆动，实现身体的移动。如蜥蜴动物的运动形态走行：腿由身体下方竖直伸出，支撑起体重。通过前后摆动，实现身体的移动。如人类飞行：依靠煽动翅膀或空气流动或喷射反作用，实现身体空中的移动。如鸟类、蝙蝠等游动：在水中依靠身体、鳍的摆动，或喷射水流，实现身体在水中的移动。如鱼类、水母无足爬行：无腿足，通过摆动身体，实现身体的移动。如蛇类跳动：在后腿蹬踏力作用下，身体在空中短暂移动后落地的运动状态。如青蛙，袋鼠二、动物的运动形态1、运动形态第一章生物学基础第五节动物及其运动特性2