生境即是生存环境, 是人类与生物生活的环境。从生态学角度而言, 生境是指生物的个体、种群或群落生活地域的环境, 包括必需的生存条件和其他对生物起作用的生态因素, 是由生物因子(食物、天敌等)和非生物因子(光照、温度、水分、空气、无机盐类等)综合形成的。生物与生境的关系是长期进化的结果, 生物有适应生境的一面, 又有改善生境的一面。

生境的种种变化, 对于在其中生存的生物影响都是巨大的, 很大程度上影响甚至决定着生物的进化方向。例如, 亿万年前, 海洋大多是软体动物, 然而, 由于地表受到风和水流的严重剥蚀, 大量无机离子涌入海洋, 海洋里出现了生物矿化作用, 使动物生出了牙齿、骨骼、硬壳等, 如海胆进化出了锋利无比、可以啃食石头的牙齿^[2], 软体动物贝类进化出了坚硬的壳^[3]等, 如图1所示, 这就是对海洋化学成分改变的应答, 同时也为生命演化确定了方向^[4]。随后这些矿化生物便各自生枝长叶, 多样化发展, 才有了今天多姿多彩的自然界。生境的微小变化, 也会对生物生存、进化与多样性造成严重威胁, 例如, 现今, 海水成分的日益酸化和湖水成分钙含量下降已造成大量生物濒临灭绝^[5]。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 生物矿化过程[3]Fig.1 The process of biomineralization[3]

生物生存环境极其广泛, 陆地、水中、空中、深海等都有生物生存的痕迹, 而且在许多人类无法生存的极端环境中, 也有生物生存, 如高温、高压、高辐射、高酸性、高碱性、高盐、超低温、无氧等环境; 而且, 其食物也显得非常的独特, 甚至以氢、氮、岩石、铁、盐、砷、电子等为生存的能量来源。例如, 在南非姆波内格金矿地下2800 m充满液体的裂沟内生存着一群微生物, 如图2(a)所示, 它们的生存环境极端恶劣, 温度高达60 ℃, 没有光线和氧气, 这种奇特微生物从周围岩石中的铀放射衰变中获取能量^[5]; 另外, 在南非深达3000 m的比阿特丽克斯金矿中发现一种多细胞生物――线虫, 如图2(b)所示, 其能忍受矿井里高达75 ℃高温, 这些线虫生存环境完全超乎想象, 在高温、没有光和氧气的恶劣条件下, 它们赖以生存的资源仅仅是水、金属矿石等无机物, 其通过类似电离的生化过程从水中获取能量^[7]。美国夏威夷大学研究者在一块盐晶中发现了已存活3万年左右的太古细菌, 它们以盐晶内死亡的盐藻细胞为食, 如果有用之不竭的食物, 细菌甚至可以在盐晶内存活数亿年, 如图3所示^[8]。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 南非地下金矿中的耐高温生物[6, 7]Fig.2 High temperature resistant organisms in the underground gold mine in South African[6, 7]

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 盐晶内存活的3万年细菌和死亡盐藻细胞[8]Fig.3 Bacteria hat survive for 30, 000 years and dead dunaliella salina cells in salt crystal[8]

陆续被发现的这些极端生境系统进一步开阔了人们的眼界, 从而将人类的视角引向过去那些认为不可能存在生命的生态领域。

人类赖以生存的生境由自然生境和社会生境组成。自然生境是人类生活和生产所必需的自然条件和自然资源的总称, 即阳光、温度、气候、地磁、空气、水、岩石、土壤、动植物、微生物以及地壳的稳定性等自然因素的总和。而社会生境是人类在自然生境的基础上, 为不断提高物质和精神生活水平, 通过长期有计划、有目的地发展, 逐步创造和建立起来的一种人为生境。

随着人类在广度和深度上进一步向自然界进军, 自然界也更加强劲地回敬人类, 人类生存环境与社会发展的相互作用更加深切地引起世人关注。随着科学技术的发展, 人类主动作用于生存环境各因子的力度大大加强, 全球性的人口、资源、生存环境与发展的关系问题日益突出, 并出现了某些不和谐的现象, 诸如热带雨林减少、臭氧层空洞扩大、大气中的CO₂含量增加带来的温室效应、森林资源大量砍伐、油气资源过量开采、土地沙漠化、生物多样性缺失等生存环境剧烈变动, 已经很大程度上直接威胁人类生存和可持续发展。

大自然为人类提供了生存所必须的富足资源, 然而, 人类生存所需要的生境资源并非一成不变、永不枯竭, 大自然的涵容能力也是有限的, 人类却不断地消耗资源, 甚至企图掌控大自然, 进而使自然资源日渐匮乏, 许多物种面临灭绝危险。因此, 人类必须设法找出新的道路, 学习自然界生境高效运作与永续循环发展的原理, 师法自然, 合理运用生境仿生技术再造新机, 以延续人类文明, 实现人类与生境的永续发展。

自然景观包括地形景观、地质景观、水文景观、森林景观、天文景观、气候景观、生物景观等, 即人类周围的环境因子, 如空气、水、生物、地等一切可见及可觉察的事物都是景观的构成要素。一切自然景观都是大自然长期变化的产物, 是大自然的鬼斧神工雕造而成, 具有天赋性的特点, 同时, 自然景观是由各种自然要素相互作用而形成的自然环境, 具有明显的地域性特征。自然景观各个要素之间所具有的各种复杂多样的因果关系和相互联系的特点, 反映在自然景观的各个方面, 因此, 自然景观的具体成因、特点和分布, 都有一定的科学道理。

每一个自然景观都有其存在的价值和意义, 所蕴含的奥秘值得人类去探索和学习。例如, 森林能够最大限度地捕获太阳能的关键是它的垂直生长结构及其枝繁叶茂的形态。受广袤无际森林自然景观的启发, 美国加州大学研究者把肉眼不可见的纳米线构建成纳米“ 树” , 进而形成纳米“ 森林” 来捕获太阳能, 然后利用太阳能这种清洁自然能源来生产氢燃料。纳米线由自然界非常丰富的硅和氧化锌制成, 用三维纳米线阵列模仿森林生长的垂直分枝结构图如图4所示^[9], 结果表明, 这种结构可以为化学反应提供比平面结构高40万倍的表面积, 不仅能够捕获大量太阳能, 同时也能最大限度地提高氢气产量。此外, 受到森林景观结构的启发, 研究人员还有更为远大的目标, 着眼于人工光合作用, 希望未来能够模仿这一过程, 利用纳米“ 森林” 来吸收大气中的二氧化碳。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 不同生长时间的纳米线“ 森林” [9]Fig.4 Nanowire“ forest” with different growth time[9]

还有一些自然景观鲜为人知或其作用对人类贡献不大, 但是其既然存在, 就有合理之处, 一定有对地球独特而无法替代的作用, 等待人类去探究。例如, 之前认为, 约1250 km的地下深处是水分存在的极限, 日本爱媛大学的研究人员发现, 在地表下1400 km的深处的蛇纹石中有含水的矿物, 并将新矿物命名为“ H相” ^[10], “ H相” 甚至能把水分搬运到地表以下2900 km的地幔与地核交界处。这一发现, 虽然暂时对人类生活与生产影响不大, 但是也许在未来, 这些含水的矿物会以自然或人工的方式被“ 搬运” 到地表, 形成壮丽的景观, 供自然界万物所用。

自然现象指自然界中由于大自然的运作规律自发形成的某种状况, 其完全不受人为主观能动性因素影响, 主要有物理现象﹑地理现象﹑化学现象等几大类, 如云、雾、风、雨、雪、冰、台风、暴雨、响雷、闪电、洪涝、干旱、雪崩、泥石流、地震等形成, 月的阴晴圆缺, 一年四季变化, 气候的冷暖, 白天黑夜等。随着科学技术的发展, 许多自然现象产生的原理和规律逐渐被揭示, 人们不仅应用自然现象本身的力量来为人类自身服务, 同时, 也根据自然现象产生的原理进行新技术与新产品的开发与创造。例如, 闪电可以释放出大量的能量, 虽然其不易控制, 但其产生的巨大能量, 驱使人们想去控制并利用闪电的力量。闪电能把空气里的氮“ 固定” 到土壤里去, 增加土壤里的氮肥, 对农作物的生长有一定好处。因此, 人们开始利用闪电的力量, 在田野里竖立三根杆子(制肥器), 一般是木杆, 杆高约20 m, 杆距120 m, 杆子顶部装有金属接闪器, 用金属导线从接闪器一直引到地下埋入土中, 从而利用闪电能量增氮。

雪花在不同的温度和湿度下会形成多达39种不同的晶体形状, 如树枝星状、针状、柱状、冠柱、星盘状等, 如图5所示^[11], 通过研究雪花不同形状的物理公式与结晶过程, 人们将雪花晶体结构用于控制硅和半导体等材料的晶体生长过程, 应用于结晶学, 帮助人们分析物体结晶过程。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 雪花不同的晶体形状[11]Fig.5 Different types of snowflakes crystals[11]

此外, 自然界有许多自然现象蔚为壮观, 蕴含着众多奥秘, 有些目前尚无法准确解释, 但是, 这些奇特的自然现象却极具魅力, 释放出大自然所独有的绚丽, 例如, 多彩的北极光、预示恶劣天气的乳房云、像冰矛一样的融凝冰柱、会移动的石头、火焰龙卷风、重力波云层、赤潮、冰圈等等。美国航空航天局(NASA)兰利研究中心的研究者在实验室中重现了北极光产生的条件, 在一个名为“ Planeterrella” 的玻璃容器中制造出了瓶装的北极光, 进一步加快了人们对极光产生的光电学原理的应用步伐^{[12, 13]}。

自然生态是自然界里自然形成的生态位、生态系统或生态区域, 如生态山谷、生态林系、生态草地、生态湿地等。生态系统的一个重要特点是它常常趋向于达到一种稳态或平衡状态, 这种稳态是靠生物与环境之间相互影响、相互制约的自我调节过程来实现的。

生态系统中的物质与能量总是永续循环的, 废弃物并不存在, 一种生物所产出的看似毫无价值的物质或能量, 对于另一种生物来说, 可能是极其珍贵的生存资源, 毫不浪费。同时, 生态系统中每一位成员都扮演着不同的角色, 为生态系统的运行贡献着不同的资源, 以维系生态系统的运行。例如, 海洋生物以珊瑚礁为基础形成了一个庞大的生态系统, 然而, 太阳光穿透海水反射到珊瑚礁上, 会穿透珊瑚和与珊瑚共生其它生物。那么究竟是什么原因让这个生态系统中的生物避免了紫外线的辐射伤害呢?澳大利亚昆士兰大学的研究者发现珊瑚骨架几乎能够吸收所有有害的紫外线, 并释放出黄色的荧光, 如图6所示^[14]。可见, 珊瑚礁能够吸收紫外线, 为其他生物涂上了“ 防晒油” , 保护这一生态系统免受紫外线辐射。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 珊瑚吸收紫外线发出黄光[14]Fig.6 Corals absorb ultraviolet and glow yellow[14]

通常, 生态系统受到外界干扰破坏时, 只要不过分严重, 一般都可通过自我调节使系统得到修复, 维持其稳定与平衡。例如, 迫于环境压力, 珊瑚虫为了适应环境的改变, 可以进行“ 性别转换” , 由雌性变成雄性^[15], 雄性珊瑚虫不会因为生殖消耗太大体力和需要更多的能量。当环境转好, 它们再变回雌性。可见, 在受到外界压力时, 生态系统中的生物为了生存与物种延续, 靠着自我调节能力, 都在进行着一定程度的调整与改变, 以维持生态系统的稳定。

因此, 人类应该学习自然生态系统维持稳定与高效运作的策略, 有效运用自然界的资源, 满足人类种种需求; 同时, 为了能让生态系统永续发展, 维持演化路径, 让万物都能因自然永不停歇的运作而受惠, 人类应该珍爱保护自然生态系统, 避免对自然生态系统的破坏。

人类生态系统是以人与自然作为统一体为标志, 由人群及其环境构成的多级系统, 即由自然系统和社会系统组成的复合体, 即人、自然以及人工物在自然运动和社会运动内, 基于同一规律的支配和作用下形成人类生态系统。

亿万年来, 地球上所有的生物和生态系统都在不断演化, 以稳定地适应环境变化, 每个物种都会学习运用现有的资源, 在经过长时间的演化, 知道如何利用周围资源, 尽可能地应对挑战以求生存。然而, 人类希望掌控能源, 以便随意使用, 一开始是火, 接着是化石燃料和核能, 并且还开发与创造新物质, 为人类所用。例如, 人类对化石燃料等传统能源的强度开发利用不仅使其资源耗竭, 也给人类带来了很多环境问题, 因此, 新能源的研究和开发利用受到了越来越广泛的关注。其中, 生物质能源是一种可再生的清洁能源, 也能在改善空气质量、增加碳汇、减缓气候变暖等方面起到积极作用。最近十几年, 美国不断加大投入, 生物质能源生产出现了空前的增长。据可再生能源协会资料显示^[16], 至2022年美国酒精产量将高达360亿加仑, 其中, 150亿加仑由第一代能源作物玉米作为原料, 其余210亿加仑将由第二代能源作物生产。如此快速、大规模地发展生物能源, 需要种植大量的能源作物, 如玉米和大豆等。如此单一的种植模式, 在一定程度上改变了降雨的分配方式, 导致蒸散量下降而入渗增加, 进而引起河流的基流增加, 最终会引起人类赖以生存的水文生态系统发生改变。可见, 新能源的研究、开发和利用虽然在一定程度上能解决人类对化石燃料等传统能源的强度开发和利用而使资源耗竭等问题, 取得了了不起的成就, 但是, 人类的这种不合理的调节和控制也会在不同程度上对生态系统造成影响, 伤害生态系统的承受能力, 甚至破坏生态系统长时间以来的平衡。

近50年来, 人类改变自然生态系统的速度, 远比历史上任何一个时期都要快, 人类因此从中获利, 但是对于生态系统带来的后果却是灾难性的。生态系统变化带来的利益并不平均, 但生态系统受破坏的危险, 却是全球生物包括人类都必须分担的, 特别是在生活水准较低, 较多依赖生态系统维生的地区与国家。人类对生态系统的破坏活动远没减少, 生态系统自身凭着神奇的资源循环力量, 在努力自救, 但其能力是有限度的, 亟需人类帮助。

1997年的一份评估报告认为, 一个包括生物分解、土壤形成、营养和水分循环以及植物生长的生态系统过程, 每年可提供给人类的益处价值高达33万亿美元。而2005年的联合国报告指出, 过去50年人类对生物多样性及生态系统造成的损害比其他任何时期都要严重^[17]。所以, 只有及时扼住恶化的趋势, 维护人类生态系统平衡, 实现自然资源与人类社会的永续发展, 人类才能继续享受大自然的馈赠。

现今, 人类意识到, 不仅自然界的生物为人类仿生技术的发展提供了不竭源泉, 自然本身的景观、现象、生态系统等都蕴含着神奇的奥秘, 值得人类去探索、学习与效仿。

例如, 常见的云变雨现象, 人们根据雨水形成的过程与原理, 选择合适时机, 用飞机、火箭向云中播撒干冰、碘化银、盐粉等催化剂, 使云层降水或增加降水量, 进行仿生降雨。不仅如此, 人们还根据自然降雨现象中的雨滴强度、密度等特性, 发明了仿生人工降雨模拟器, 对雨强与雨滴大小进行控制, 实现最大限度利用水资源并减小对土壤的侵蚀。

沙波纹是沙漠中最独特的景观, 直径在微米量级的沙颗粒在风场作用下会呈现出形状相似但尺度相差甚远的沙波纹, 如图7(a)所示。这种地貌景观不仅存在地球上, 也已被发现存在于火星^{[18, 19]}、金星^[20]和土卫6泰坦^{[21, 22]}(如图7(b)所示)等其他行星上。在风力作用下, 一颗颗尺度在微米量级的沙粒进行着看似彼此毫无关联的无序运动, 但却可以按一定规律排列成尺度为厘米量级的沙波纹和尺度为千米量级的沙丘等。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 不同星球表面沙波纹形态[21]Fig.7 The forms of surface ripples on different planets[21]

同时, 这种颗粒物质系统构成的图案并非一成不变, 而是具有自修复和碰撞等一系列丰富的动力学行为^[23]。对这种具有多层次、跨尺度、自组织、自修复、临界性和非线性特征的复杂系统以及对这种从无序到有序的发展过程的认识、理解和描述, 是当今众多学科领域的研究前沿与热点, 沙丘驻涡火焰稳定器发明就是受这一自然现象启示的最好例证^[24]。北京航天航空大学的研究者受沙丘与沙波纹保持稳定的流体动力学特性启示, 发明了仿生沙丘驻涡火焰稳定器, 其由相互对称的、形状类似于沙漠中天然形成的月牙形沙丘的二个曲面上下拼合组成, 如图8(a)(b)所示。仿生沙丘驻涡火焰稳定器与以往使用的V型槽火焰稳定器(图8(c))相比, 具有火焰燃烧稳定性好、阻力小、燃烧效率高、不易振荡燃烧等优势, 已广泛应用于航空与船舶等多种型号的喷气发动机中, 显著提高了发动机的推力。不仅如此, 研究并揭示这种颗粒物质表面形态、系统形成、发育、分布和演变的规律, 不仅有助于对风成地貌这种自然现象有更全面和清晰的认识, 还可以为工程仿生领域构建稳定的动力学系统提供理论指导。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 仿生沙丘驻涡火焰稳定器与V型槽火焰稳定器[24]Fig.8 Bionic dune vortex flame stabilizer and the V-groove flame stabilizer[24]

自然界不会使用大量的刺激性化学物质解决问题。通常, 大自然在诉诸任何致命、可能导致生物突变或致癌的化学作用之前, 会首先运用物理的方法解决问题。例如, 流水搭配万有引力就能产生涡流, 这是河川最常见的自然景观, 然而恰恰正是这种最常见的自然力量, 确是河川自身维持干净的关键因素。河川会在水中持续制造涡流, 而涡流在提高漩涡核心的压力时, 将会产生纳米级形态界面的压力与摩擦, 会破坏涡流中细菌的外膜以杀死细菌, 从而保持河川自身微观洁净。人们根据河流涡流杀菌原理, 研发出了许多对食品、物料等保鲜的仿生涡流杀菌技术, 以物理的方法取代了污染环境的化学方法。同时, 人们认识到涡流技术的价值, 开发出了许多仿生新技术。例如, 仿生涡流净水技术则以涡流中愈来愈强的压力, 把水中的方解石转变成霰石(除钙), 而渐强的涡流会破坏细菌的细胞膜, 杀死细菌以净化水源, 同时, 涡流产生的压力会提升水的密度排出盐分, 让饮用水变得更加纯净。从自然界发现的涡流技术的应用远不止这些, 在人们的实际生活中还有许多应用, 例如, 电磁炉、感应炉、发电机、电动机、变压器等便是利用涡流原理进行电磁感应工作。

水是大自然最宝贵的资源和财富, 是人类和生物的生命源泉, 水的各种奇特物理和化学性质与水分子之间氢键的相互作用紧密相关, 北京大学的研究者在NaCl(001)薄膜表面上获得了单个水分子和水团簇的轨道图像, 如图9所示, 使在实空间中直接解析水的氢键网络构型成为可能^[25]。这使得研究人员可以在实验中直接识别水分子的空间取向和水团簇氢键的两种不同方向性, 这将促进仿生学在水科学领域取得重大突破。

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 单个水分子和四分子水团簇的空间姿态[25]Fig.9 Spacial attitude of single water molecule and quaternary water cluster[25]

此外, 在不同的条件下, 由于水的分子结构不同, 水会以不同的形态存在, 这为人类开展仿生技术带来了巨大启示。例如, 水通常在摄氏零度时结冰, 但水在摄氏零度以下时也可保持液体状态, 称作过冷却水。过冷却水在大气中经常存在, 如在云中就常常含有过冷却的水滴, 它常与冰晶并存, 对导致降雨和形成雪花、冰雹、冻雨起重要的作用。因此, 通过对过冷却水结冰特性原理探究, 将会带动对同温层中的云的研究及在冰点下活动的动植物细胞内存在的过冷却水的研究。如果今后能够控制这两种水的临界点, 就可以自由控制水的结晶, 对人类改善地球环境和开发生物仿生冷却保存技术极有价值。

在人类生存的环境中, 自然景观本身不仅为人类生存与发展做出了贡献, 而且, 其蕴含的原理与规律也为人类解决工程技术难题提供了重要启示。同时, 人们也已经注意发掘和利用那些对人类有负面作用的景观所蕴含的巨大力量, 如雪崩、海啸、龙卷风暴等, 甚至对一些鲜为人了解的自然景观也在进行积极探究, 如太阳风、极光、黑洞等。危机也是转机, 探索这些有负面作用或者鲜为人知的自然景观原理, 能让人更大胆地创新, 将以往认为不可能驾驭的力量变成新的可能。只要依循师法自然的大理念, 就可以用更少的能源, 创造出更多的价值, 甚至可以淘汰或减少现代人类生产与生活中认为不可或缺的元素与产品, 获得远比我们期待还要好的永续发展模式。

自然生态系统巧妙运作, 永远都有充足的资源供应万物, 为万物带来了共同的效益^[26], 师法生态系统亿万年演化出的模式, 采用生态仿生制造, 将会取得传统制造无法媲美的成效。

人类若想改变当前资源短缺、过度污染、极度浪费的生产模式, 可以从生态系统中获得灵感, 把人类造成的“ 短缺” 转变成“ 充足” , 甚至是“ 富足” 。人类对于生态系统的效仿古已有之。大自然生态系统中, 桑树是一种很特别的植物, 大多在干旱的土地上茂盛生长, 家蚕吃下桑叶后的排泄物会吸引细菌与微生物, 将排泄物迅速分解产生养分, 新生的表土日积月累, 让土壤变得更加肥沃。家蚕和桑树的自然共生能改善土壤肥沃度, 为日益膨胀的人口提供了粮食保障^{[1, 26]}。中国很早便展开大规模的桑树栽种计划, 即使改朝换代, 土壤依旧肥沃。

然而, 随着石化产品制成的强韧又便宜的聚合物材料大受欢迎, 导致蚕丝产量锐减, 桑树的栽种逐渐减少, 这让土地失去了养分的来源。为了解决表土流失、资源匮乏、环境污染等问题, 人类现在又开始仿效种桑与养蚕这种生态方式, 种桑养蚕, 以生表土, 实现养分串接, 同时, 打破传统蚕丝只用于丝织的应用, 重新改造, 让天然蚕丝聚合物的绩效超越化石聚合物, 甚至让其比强度等价于金属。近来, 科学家又培育出了转基因蚕, 让这些蚕吐出含有蜘蛛丝蛋白的合成纤维, 如图10(a)(b)(c)所示^[27]这种复合丝蛋白比蚕吐的纤维更坚韧, 可与蜘蛛牵引丝蛋白的强韧性相媲美, 因此, 蚕可能成为制造含有蜘蛛丝蛋白的强韧丝纤维工厂。现今, 种桑养蚕不仅使沃土再生、富足, 而且蚕丝更是有了多种应用, 并产生了新的生物链与产业链。例如, 分解蚕丝纤维和用丝蛋白制造薄膜技术, 开启了蚕丝在人造皮肤、血管、肌腱、神经再生、隐形眼镜、手术导管与抗凝血剂方面的研发。同时, 善用蚕丝的生物相容性与渗透性, 人们还研发出具有机械性能的多孔蚕丝支架, 几乎和人类的纤维软骨相当, 蚕丝支架插在受损的软骨部位, 可以刺激细胞在多孔的生物相容表面上生长, 利用人体的免疫反应让软骨再生。此外, 蚕丝伤口敷料、缝合线、替换关节、骨科植入物等生态产品也相继被开发。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 转基因蚕吐“ 蜘蛛丝” [27]Fig.10 Transgenic silkworms produce“ spider silk” [27]

全球人类的需要已快超出地球的承载能力, 虽然已经获得很多利益, 但人类远未满足。人类的物质生活形态, 需要用煤炭、石油等化石燃料、核能、太阳光、电与风等制造更多的能量才能延续下去。然而, 生态系统里没有一名成员需要化石燃料或是通电才能生产, 废弃物也不是自然生态系统产出的结果。在自然生态系统中, 一个流程的废弃物总是另一个流程的养分、原料或能源, 不留任何废弃物或造成无谓的能量损耗, 一切东西都属于养分流的其中一环。养分从一个生物界的物种串接到另一个生物界的物种, 这是自然生态系统令人赞叹的地方, 所以自然界没有饥饿, 也没有资源闲置现象, 每个个体都在忙于贡献所长。例如, 不可降解的塑料制品给环境造成了严重的污染, 其影响和危害是长期的。植物秸杆在秋后被就地烧毁, 不仅对环境造成了严重的污染, 而且造成了大量的生物质资源浪费。因此, 许多研究者开始利用这些植物废弃的秸杆材料作为制备塑料聚合物的原材料, 这不但做到了废弃物的循环再利用, 而且其产品报废后作为肥料又可以融入大自然的又一轮循环, 真正做到了把自然生态与产业物质有机融合, 并不断循环。

大自然随时都在演变, 而人们一旦注意到大自然的巧妙运作后, 就会明白如何串接养分与能量, 采用仿生策略利用可再生资源提供能量, 把微量资源转变成富足的资源, 让整个人类生态体系变得更有效率。