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世界科技全景百卷书: 兽类骨骼的启示
兽类在长期进化中，形成了适合生存环境的种种形态，而保持这种形态的骨骼系统在强度、硬度和稳定性等方面是很完美的。中国的古建筑人字形屋盖与兽类的脊柱有点相像；房屋的大梁好像牛、马的脊椎骨；椽子（桁桷）好像牛、马的肋骨。 现代建筑普遍采用的“钢筋混凝土”结构，其中钢筋在建筑物中的作用，跟骨骼在动物身体中的作用一样。 艾菲尔铁塔是一座耸立在巴黎市中心的高达300多米的金属塔，它是法国著名工程师艾菲尔在1889年为巴黎博览会设计的，这座宏伟的铁塔是当时世界上最高的建筑，也是巴黎的象征。但其结构是艾菲尔不自觉地模拟和重复了灵长类小腿骨（胫骨）的结构，两者的表面角度完全相符。 古往今来，人类建造了无数桥梁，但细细分析，四足着地的兽类，前后肢也好像一座桥的桥墩，脊椎骨又恰似桥身。有些生活习性特殊的动物，如跳鼠，后肢特别长，它靠后肢跳跃和站立，整个身体的结构就跟单桥墩的悬臂桥相像。而吊桥跟终年在树上悬挂生活的树懒样子一样。 动物前爪的启示 二趾树懒的两只弯长利爪能牢牢地勾住树枝倒挂身体，不仅睡觉时不会坠落，就是它死后也还牢牢地挂在树上，主要原因就是它能依靠自身的重力使弯爪越勾越紧。这种结构为设计起重机挂钩提供了很好的模型，具有科学的力学原理。 食蚁兽的前爪可以轻易地刨开坚硬的地面，模仿食蚁兽的前爪制造出一种轻便的耕作机，肯定会大受农民的欢迎。犰狳、穿山甲、鼹鼠都是打洞的好手，根据它们的打洞方式去设计制造新型打洞机械，人们开掘隧道、采矿、挖煤将变得轻而易举。河狸是兽中的筑坝能手、“水利专家”，其效率和精巧程度令人叹为观止，值得人们借鉴。 企鹅与极地越野车 茫茫雪原上，到处是积雪。雪地上的摩擦力太小，车轮只能不断地空转，很难前进。但是，在冰雪终年不化的南极，平时是蹒跚而行的企鹅在紧急情况下却能以30公里/小时的速度在雪地上飞跑。这是什么原因呢？原来企鹅在南极生活了近2000万年，早已适应了那里的生活环境，成为“滑雪健将”了。只要它扑倒在地，把肚子贴在雪的表面上，蹬动起作为“滑雪杖”的双脚，企鹅便快速滑行了起来。人们由此得到启示，设计并制造了一种“极地越野汽车”。它用宽阔的底部贴在雪地上，用转动的“轮勺”扒雪前进，行驶速度可达50公里/小时。这种汽车还可在泥泞地带行驶。 袋鼠与跳跃机 带轮的汽车在沙漠上行进很困难。但生活在广阔草原和沙漠地区的一种哺乳动物——袋鼠，却有一套快速运动的本领。袋鼠是靠强有力的后肢在沙漠上跳跃前进的，每小时可以跑上四五十公里。模仿袋鼠这种运动方式的无轮汽车——“跳跃机”已经试制成功，它在坎坷不平的田野或沙漠地区均可通行无阻。 兽类与人工发汗材料 兽类在散热方面有一系列的适应机制，例如有的动物是依靠减少体毛，增大皮肤表面积来实现的。如大象无毛，体表皮肤多皱纹，耳朵特别大，从而大大增加散热面。更多的动物是靠出汗来散热的。马皮肤中的汗腺特别丰富，奔跑中通过出汗可散发大量的热量。狗虽无汗腺，但它会伸出湿润的舌头靠喘气来散热；河马是耳朵内流汗散热；牛则通过口、鼻和脚趾间流汗散热。多数兽类皮肤都有一些汗腺。兽类出汗可散发大量热量的机理已启发科学家设计出了一种“人工发汗材料”，它能作为高效的耐高温材料。现已研制出一种含有金属的陶瓷材料，当温度升到一定范围时，金属就会熔化，进一步汽化蒸发，就如出汗一样带走大量热量，从而保护材料在高温下不致被烧毁，保持外形尺寸不变。这种材料在航天等领域内有特殊用途，现已投入了应用。 响尾蛇与导弹 在美洲、澳洲、非洲的某些地区里，常会听到一种“嘎啦嘎啦”的声音，没有经验的人以为这是溪水发出来的流水声，可是在这声音的四周，却没有小河溪。原来这不是什么流水声，而是由一种毒性极强的蛇，用它尾巴剧烈地摇动而发出的响声。这就是大名鼎鼎的“响尾蛇”。 为什么它的尾巴会发出响声呢？ 大家在观看篮球比赛时，注意到裁判吹的哨子了吧！它是一个铜壳子，里面装上一层隔膜，形成两个空泡，当人用力吹时，空泡受到空气的振动，就发出响声。响尾蛇尾巴也有类似的构造，不过它的外壳不是金属，而是坚硬的皮肤形成的角质轮。由这种角膜围成一个空腔，空腔内又用角质膜隔成两个环状空泡，也就是两个空振器。当响尾蛇剧烈摇动自己尾巴时，在空泡内形成了一股气流，随着气流一进一出地返回振动，空泡就发出一阵阵声音来了。 角质轮的生长不是很有规律的，但据动物学家认为，大致上是一年长两轮。因此，根据轮的多少，就可以比较正确地判断出它的年龄来。 响尾蛇的角质轮所发出的声音，很像溪流的水声，用这种响声来引诱口渴的小动物，所以这也是一种捕食的方法。但是也有人认为，响尾蛇不会对敌人发出怒吼的噪声，于是只好用角质轮发出的响声来代替。另外，还有人认为这是蛇招呼蛇的信号。 响尾蛇经常捕捉耗子等小动物作为食物。奇怪的是，它的眼睛已经退化得快要成为瞎子了，怎么还能捉住行动那样敏捷的耗子呢？ 科学家经过观察研究发现，响昆蛇的两只眼睛的前下方，都有一个凹下去的小窝，这是一种特殊的器官——探热器，能够接受动物身上发出来的热线——红外线。这种探热器反应非常灵敏，温度差别只有 1‰摄氏度，它就能感觉到。所以，只要有小动物在旁边经过，响尾蛇就能立刻发觉，悄悄地爬过去，并且准确地判断出那个猎物的方向和距离，窜过去把它咬住。 美国有一种“响尾蛇空对空导弹”，上面有一套“红外导引”装置。在导弹上装上这种装置，就是从响尾蛇的“探热器”得到了启发。飞机的发动机温度很高，发出很强的红外线。“响尾蛇空对空导弹”是在飞机上发射的，靠“红外线导引”装置，能自动跟踪发出红外线的敌机，直到把它击中。 目前，人们制造的“红外导引”装置，只能感应5‰摄氏度的差别，而且构造要比响尾蛇的复杂得多。 蝙蝠与声音雷达 蝙蝠是人们所熟悉的动物。在夏天的夜晚，成群的蝙蝠在空中飞来飞去，捕捉各种有害昆虫。蝙蝠飞行能力很强，常有人把它误认为鸟，其实它与鸟差别很大，属于哺乳纲翼手目的动物。 蝙蝠的相貌丑陋，外形古怪，前肢后肢与躯干由皮膜连接，是它们的飞行翅膀。与鸟类不同的是，蝙蝠的翅上没有羽毛。蝙蝠的后肢又短又小，几乎没有肌肉，根本不能站立。倘若落在地面，只能缓慢地爬行，常被束手就擒。因此，蝙蝠休息时总是将身体倒挂在一些物体上，这样可以借下落时迅速起飞，比在地上安全多了。 蝙蝠是夜行性动物，即使在伸手不见五指的黑夜，它们也不会迷失方向，而且能避开各种障碍物准确无误地捕捉昆虫。在漆黑的夜空中，蝙蝠是靠什么装置来进行准确定位的呢？原来蝙蝠在飞行时不断从喉咙里发出一种人耳听不到的超声波，这种声波遇到障碍物便反射回来，同时它的耳朵不断的听到折回的声波，判断空中物体的种类，遇到食物或障碍物时迅速作出反应，确定躲避还是捕食。有人曾将蝙蝠的眼睛蒙起后放在一个布满绳索的黑屋内，并在绳上挂了许多铃铛，结果蝙蝠在屋内飞行自如，没有碰到绳子。若是把它的口与耳塞住，蝙蝠就会撞墙而死。 科学家们经过细致的研究证明，蝙蝠的回声定位系统非常灵敏、准确、高效率，首先是由于蝙蝠喉内发出的超声波，它的强度很大，若能听到的话，相当于地下火车出站时所发出的声音强度，如此强大的超声波竟发自弱小的蝙蝠，实在令人惊叹。再有就是它的超声的变换与抗干扰性。蝙蝠能在1秒钟内发出并回听250组超声波，若是反射频率在每秒256周以上的都是捕食对象，其它则避开。有时成千上万的蝙蝠同住一洞，各自使用自己的超声定位系统，从不互相干扰，可见它们的定位系统的精密程度之高，因此蝙蝠被人们称为飞行中的雷达。 早在几十年以前，人们在蝙蝠的超声定位系统的启发下，研制出了声音雷达，又叫声纳系统。这种雷达可以测定水中的物体和船只的位置，仅用几分之一秒的时间就可以把数百平方公里水域中的物体收录在荧光屏上，供人们分析研究。这一成果在第二次世界大战时用途极广，尤其搜索难以被发现的潜水艇时效果最好。近年来，科学家们根据声纳的原理，设计出一种盲人探路仪，使盲人具有一个超声波的眼睛，将反射回的信号变成正常声波，送到盲入耳朵里，确保了盲人行路的安全。 科学家们认为，人造的声纳系统的灵敏度和抗干扰性远不如蝙蝠，而且耗能极大，可见大自然中的生物体的某些结构是何等的巧妙。 猪拱土与防毒面罩 猪吃食时有一个毛病——拱食，把饲料拱得满地都是，在猪圈里，在田里，常常把泥土拱得凹凸不平。 第一次世界大战期间，德军和英法联军激烈交战。德军在交战中突然使用毒气袭击英法联军。由于德军位于上风方向，施放的毒气规模大，使英法联军在毫无准备的情况下伤亡惨重。毒气区的家禽、动物也都难逃厄运。但是毒气区的猪却安然无恙。这件事引起了人们的思考，猪为什么能安然无事呢？是猪体内生有抗毒细胞吗？经过多次实验观察，终于找出了猪能抗毒气的原因。 原来，当毒气袭来时，猪呼吸道受到毒气刺激，难以忍受，于是就拼命地用嘴巴拱土。把土拱起后将长嘴巴埋进松软的泥土里。含有毒气的空气，通过土壤颗粒时，毒气被土壤颗粒吸附，猪吸到的空气已经无害了。松软的泥土起了滤毒作用。 军事研究人员从猪拱土防毒的现象中受到启发，制造出了装有颗粒的防毒面罩，以后又研制出更高级的鼻罩及各种防护器材。 鸟眼的启示 在俄罗斯一家生产钢球的工厂里，许多经过训练的鸽子站在生产流水线旁，注视着传送带上源源流出的产品。突然一只鸽子像发现了什么，用喙啄了一下身边放着的触钮，产品检验的指示灯立即闪亮，工作人员走上前将一个次品钢球捡出来，同时给了这只鸽子一些食物。原来，这家工厂是用训练过的鸽子的敏锐视觉检测产品的质量。据管理人员讲，这个方法特别有效。该厂近几年来从未有过残次产品进入市场。 鸟类的视觉相当发达，鸽子就有一双“神眼”，它能在很远的地方看到飞翔的老鹰，能从几百只鸽子中迅速找到自己的配偶，从许多巢穴中辨认出自己的巢穴。鹰的眼睛更是敏锐，翱翔在三千米高空的雄鹰，两眼环视地面，可以发现在地面上运动的兔子或老鼠。蜂鸟的眼睛虽然相对较小，科学家们经过研究认为具有现代化光学系统的一切优点，而且至今无法仿制出相应的光学仪器。在视觉方面，鸟类比任何哺乳动物，包括人类都发达得多。 鸟类的眼睛从比例上看是脊椎动物之首。在眼睛上除了具有上下眼睑外还有瞬膜。在眼球壁内具有薄骨片，它可以防止在高速飞行时因强大的气流使眼球变形。与哺乳动物最为不同的是，鸟的眼是一种“双重调节”眼，除了可以改变晶状体的曲度以外，还可以调节角膜的曲度，所以鸟类看物体时调节极快，可以在瞬间由“远视眼”调整为“近视眼”。 家鸽眼睛的视网膜上有6种类型的神经细胞检测器，有的管亮度调节，有的管物像的普通边缘，有的管凸边，有的管方向运动边，有的管垂直边，也有的管水平边。可以说是面面俱到，分工明确，而且从不互相干扰。 鹰眼与鸽眼则不相同，它的瞳孔很大，相当于人眼瞳孔的一倍。在一定条件下，瞳孔越大，分辨物体的能力就越高。那么在强烈的日光条件下，鹰眼会不会感光过度而受到伤害呢？回答是否定的。原来在鹰的眼内有一个特殊黑色的结构，叫做梳状突起，它起着滤光器的作用，可以减弱光的强度，所以在极强的光线下，鹰眼也不缩小瞳孔，保持很高的视觉灵敏度。 鹰眼与人眼不同。一般人的每个眼球视网膜上只有一个中央凹，每个中央凹约14.7万个感光细胞，这也是视觉最敏锐的区域。而鹰的每个眼球具有两个中央凹结构，一个称为正中央凹，另一个称内侧中央凹，在中央凹处的感光细胞数目很多，达到100万个左右，所以鹰眼要比人眼的视觉敏锐得多，两个正中央凹能敏锐地发现前侧方向的景物，两个侧中央凹则可发现在正前方的物体，构成了敏锐的双眼视觉区。 科学家们根据鸟类眼的构造原理，模拟制造出了电子鸽眼和电子鹰眼，分别有不同的用途。电子鸽眼所装配的雷达系统，设置在机场边缘和国境线上，由于模仿了鸽眼视运动方向的特点，可以有选择的发现目标，只监视飞进来的飞机和导弹，而对飞出去的则视而不见，并且有很高的灵敏度。电子鹰眼则装配在高空飞行的侦察机上，使飞行员借助荧光屏在万米以上的高空能看清地面上宽阔视野里的所有物体，一旦发现可疑目标，便可进一步放大，供飞行员分析或通知地面的导航系统。 鸟类飞行的启示 千百年来，人们一直梦想像鸟一样在空中飞行。早在2000多年前，我国民间流传着鲁班曾制造过会飞的木鸟。自然界中的鸟类早在一亿多年以前就飞上了高空，并在亿万年的发展进化过程中，鸟类获得了许多适于飞翔的形态结构特点。 从鸟的外形上看，最明显的是它们的体型，翼和尾的构造。鸟的身体是纺锤形的，它全身的羽毛都向后方，在飞行时可以减少空气的阻力。鸟的前翅特化为翼。翼上的羽毛有所不同，最大而硬的飞羽直接着生在翼骨上，并有秩序地整齐排列，使飞羽强大有力可推动气流。尤其是最外侧的初级飞羽，如果受损时鸟就无法飞翔了。如果你手握鸽子的翅膀，你就会发现鸽子的翅膀，前缘厚、后缘薄，这种结构与飞行密切相关。从空气动力学上讲，只有这种曲面在高速气流中才会产生升力，使鸟能够悬在空中。鸟的尾巴与其他脊椎动物不同，尾椎全隐藏在体内，只在尾骨上长出许多强硬的羽毛。尾在飞行时可转换方向和平衡身体，故又将尾羽称为舵羽。 鸟类的骨骼比较特殊，既坚固又灵巧，一般为中空而尖细的骨，强度大，重量小。一只军舰鸟翼展开可达2米多长，骨骼只有100克左右。一只重达11公斤的鹈鹕，它的骨骼只有0.5公斤。除了轻盈和坚固以外，鸟的骨骼还安排的非常精巧。在鸟类两肩上的锁骨，愈合成“V”形，可以防止飞行时左右肩带发生碰撞，在胸骨的中线处，有高高隆起的龙骨突起，可以扩大胸肌的固定面积，使飞行能力大大加强。在鸟类的腰带骨相互愈合，使躯体的重心集中于中心，有利于飞行时保持平衡，又便于骨骼相互牢固地联结在一起。 人们在研究了鸟的身体结构以后，试图模仿鸟的身体特征制造出飞行器。400多年前意大利科学家达·芬奇根据鸟的飞行研究设计了扑翼机。试图用脚蹬的动力来扑动翅膀飞行，但是这种美好的愿望很快就破灭了。 后来人们又不断地研究探索，特别注意到了鸟翅前厚后薄的特点，并且翼前上面钝圆，下面平直，这样，高速气流在通过翼时，上下端的速度不一致，鸟翼上端的气压比下端气压低，至少可以形成与鸟重量相等的升力。1903年，美国的发明家威尔伯·莱特兄弟经过多年的实验和空气动力学的研究，改变了机翼的角度和面积的设计，使飞行器得到了较大的升力。12月17日清晨，他们在加利福尼亚北部沙漠地带，驾驶着自制的飞机，在空中飞行12秒钟后，安全着陆。人类的飞行梦想终于实现了。 在后来几十年的飞行研究中，人们仿照鸟类的骨骼系统，不断减轻飞机的重量。又根据昆虫的飞行原理改进飞机，不仅实现了超音速飞行，而且使飞行的稳定性大大提高了。 啄木鸟的启示 啄木鸟是鸟纲，䴕形目鸟类通称，它们是重要的森林益鸟。全世界有啄木鸟200多种。其中我国有20多种，分布极为广泛，大多数地区都能见到。 啄木鸟俗称奔得儿木，原因是人们在寂静的山林里，经常见到啄木鸟攀在树干上，用它的喙叩敲着树木，发出“笃”“笃”的声音。这正是啄木鸟在捕捉森林害虫，为树林“治病”。 啄木鸟的身体结构比较特殊，适合于捕捉隐藏在树木中的害虫。它的喙成凿状，舌头极长，舌端有钩，而且能伸出口外甚远。尾巴呈楔状，羽毛硬而富于弹性。足较短，趾两两相对，趾有锐爪，特别适于攀缘在树上。平时可以用锐爪紧紧抓住树木，坚硬的尾巴像个支柱，使身保持平衡，又能帮助支撑体重。这样能够灵巧地沿着树干快速移动，同时还能跳跃。它那坚硬的长喙，通过敲击树林作声，可以准确地寻找蛀虫。一旦发现树内有虫，即啄破树皮，以舌探入，连粘带勾，取出害虫吞下。 啄木鸟的食量很大，一口气可以吞下900条甲虫的幼虫或1000只蚂蚁，而且食类广泛，毛虫、甲虫、天牛、天蛾和虫茧来者不拒。一对啄木鸟就能 “保卫”数十亩树木免受虫害。 动物学家曾精确研究过啄木鸟觅食的行为，发现它们啄木的频率达到每秒15到16次，头部向前运动的速度几乎是声音在空气中的速度的2倍，比冲锋枪发射子弹的速度还要快得多，相当于每小时越过2092公里。科学家们经计算得出，在如此快的速度下，啄木鸟头部所承受的冲击力等于它所受重力的1000倍，相当于太空人乘火箭起飞时所受压力的250多倍。 啄木鸟啄木时，在如此大的冲击力作用下，为什么脑部从来不会受损伤，也不会产生头痛症呢？动物学家对啄木鸟的头部进行解剖时找到了答案：啄木鸟的头骨十分坚固，并在大脑的周围有一层海绵状骨骼，里面充满了液体，在它的脑骨外的肌肉特别发达能够消减震动。啄木鸟的头颈部的肌肉配合得天衣无缝，不会产生一点误差。因此它在啄木运动时喙与头部始终保持在一条直线上，这样，尽管啄木鸟每天啄木达1.2万次，它的头部不会受到任何损伤。假如啄木鸟在啄木时头部稍微一歪，这个旋转动作加上冲击力，就会损伤脑部，但事实上是不会出现的。科学家们从啄木鸟的头部结构中得到了启示，在设计安全头盔时，盔顶又坚又簿，在内部填充了坚固轻便的海绵状材料外，还装上一个保护领圈，由于头部保持直线向前，不产生转动，就可保证平安。所以这种头盔比一般防护帽安全得多。除此之外在精密物品的包装运输时，也常使用一些海绵状的减震填充材料。 |
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