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向生物学习: 麦秆与自行车
当你每天早晨骑上自行车去上学或上班的时候，你是否想过自行车是什么时候出现的？设计师又是聘请了大自然中的哪位“参谋”，把车架设计成空心管子的？ 那还是在公元1642年，西欧某个城镇的玻璃橱窗上，第一次张贴出一幅自行车的图形，吸引了许许多多的人。 过了大约160多年，世界上第一辆自行车才问世。 1817年，德国人威廉·福克骑了一架很奇怪的二轮车在小镇的郊外滑跑。车架和轮子都是木头的，没有轮胎，没有座垫弹簧，也没有链条和飞轮，它靠两条腿在地上蹬着车子滑行。这就是自行车的老祖宗——快步机。 又过了好多年，人们逐渐地加以改进，使前轮可以活动，并在轴心上安了脚蹬。但前轮与后轮的大小很不相称，前轮直径有一米多，后轮才一尺多，叫人看了感到很别扭。 到了1869年，才出现了类似现在使用的比较理想的自行车。它有铁制的轱轮，橡胶轮胎，转动的部分有了滚珠轴承以及飞轮等。 近年来，许多国家先后制成了许多式样别致的自行车。例如，有的用轻金属制成折叠式的轻便自行车，车重只有几公斤，不用时，折叠起来放进旅行袋里。有的还能变速，多的有十个变速档，适合在各种道路上骑行。还有的用塑料制成，既轻便，又不生锈，还消除了金属摩擦而产生的噪音，很受人们的欢迎。 但不管哪种自行车，车架都是用很薄的空心管子做成的。 车架是自行车的骨骼，因此要求有足够的强度。人们从大自然中的麦秆那里受到了启发。 你看，一根细长的小麦秆，能够支持住比它重几倍的麦穗，奥妙就在于它是空心管子。 原来，任何一块材料遇到外力发生变形的时候，总是一边受到挤压力，另一边受到拉伸力，而材料中心线附近长度基本不变。这就是说，离开中心线越远，材料受力越大。空心管子的材料几乎都集中在离中心线很远的边壁上，因此，它比一根同样重的实心棍子的刚度要大得多。 麦秆和自行车之间的关系说明了这样一个事实：人们只要虚心向生物界求教，肯定会大有收益。 蛋壳与石拱桥 鸡蛋的蛋壳，我们几乎天天都能见到，似乎没有什么大的用处。然而，以建筑师为职业的人，可把它视为至宝。因为它给建筑师以很大启示，为现代化建筑做出过不小的贡献。 让我们先做一个小小的实验：取两只蛋壳，一只凸面向上，一只凹面向上，用两支削得不太尖的铅笔，从10厘米高处向蛋壳落去。可以看到，铅笔与凸面向上的蛋壳撞击了一下，蛋壳并未被击碎，而凹面向上的蛋壳却被击破了。这说明蛋壳凸面向上的可以承受的力比凹面向上的可以承受的力大得多。 我们的祖先很早就发现了蛋壳的奥秘，并据此设计了凸面向上的石拱桥。 可别小看一座石拱桥，那里面还有相当大的学问呢！ 你看，一座石拱桥，当它受到向下的压力时，也同时受到两侧相邻石块的侧压力作用。由于石块的抗压强度很大，所以这个力能达到很大值。若石桥凹面向上，那么，当它受到向下的压力时，邻近的石块则产生拉力，由于石块的抗拉强度很低，所以凹面向上的石桥只能承受很小的力。这与蛋壳凸面向上不易击破，凹面向上不堪一击是同一个道理。 近几年来，建筑师又在蛋壳的启示下，设计了现代化的大型薄壳结构的建筑物。这种建筑物既坚固，又节省材料。我国北京火车站大厅房顶就是采用这种薄壳结构。屋顶那么薄，跨度那么大，整个大厅显得格外宽敞明亮，舒适美观。 人脑与智慧机器人 素称人体司令部的大脑，是世界上最复杂、最奥妙、最完善的“自动控制机”。 机器、设备可以代替人的体力劳动；拖拉机可以代替农民耕地，起重机可以代替工人进行装卸..人们当然也会提出：是否可以用一种“智慧”的机器来代替人脑工作呢？ 今天，由于近代数理逻辑、控制论、无线电电子学、生物学的飞跃发展，利用机器来代替人的脑力劳动这一远大理想，已逐渐变成现实。 要模拟人脑创造出具有一定思考能力的电子计算机，首先就得模仿神经元创造出电子计算机的“基本元件”。目前，有些国家的科学工作者都在致力于这个课题的研究，并且也取得了一定的进展。他们已经制成了一些神经细胞的模型，其中最简单的一种是用半导体三极管装配起来的。也有由复杂集成电路组成的元件，它们具有活细胞的某些能力，能显示出活细胞的某些特性，例如对有关外界刺激的适应性等。 有了人造“神经元”之后，第二步就得深入研究神经细胞之间的微妙联系，探索神经网状结构的综合本领，以及认识、记忆、推理、判断等种种意识活动的细节。不难想象研究活的大脑内部发出的种种物理、化学、生物学过程，直到能用科学来精确地表达它们是多么困难！但是，这项研究工作也取得了一定的进展。 现在，用于生产控制的电子计算机，能够接收、研究和判断外界生产条件，作出适宜的选择后发出信号，控制生产在最好的条件下进行。 电子计算机是现代科学技术的奇迹之一。 电子计算机和以前所有的机器都不同：一般的机器，不论威力多么大，不论多么精巧，从本质上来说，仅能代替体力劳动，而电子计算机却能在一定程度上代替人脑进行非创造性的脑力劳动。 目前，不仅有精通快速运算的会解答各种数学问题的电子计算机，而且也出现了具有初步判断、比较、记忆和“思考”能力的各种电子计算机。所以，有时人们又管它们叫做“电脑”。 动物味觉的启示 如果你感冒，鼻子不通，吃起东西来就不会觉得有滋味。舌苔很厚，饮食也不会觉得有味。高明的厨师烹调一定讲究色香味齐全。通过视觉、嗅觉和味觉的综合作用促使胃口大开，远比单一感觉的效果要好。事实上味觉和嗅觉是如此的相似，以致一些低等动物对化学物质的感觉很难分清嗅与味的界线。嗅觉和味觉都是化学性感觉，都是化学分子与感觉器官相接触产生电信号，传给大脑形成感觉。所不同的是你可以离李子较远而闻到李子的香味，但是，你要知道李子的味道就非得亲口去尝一尝。 人和哺乳动物的味觉感受器主要是分布在舌背面的味蕾。舌背面有许多细小的突起，叫乳突。可分为三种：轮廓乳突，分布在舌根部，约有8～12个，排列成倒八字形；菌状乳头，分布在舌尖和舌的边缘部，这两种乳突里面，味蕾很多。丝状乳突没有味蕾。此外，还有一种叶状乳突，普通哺乳动物都有，但人类则已退化掉，这种乳突也含味蕾。乳突中散布有神经纤维。 味蕾在口腔粘膜的其他部位也有分布。味蕾呈球状，由2～12个纺锤状的味细胞和支柱细胞构成，味细胞上有刚毛突出在味蕾上方的味孔处。味觉有探测溶解在水中的物质的能力。一种特定的食物味道取决于它对几种味蕾的联合效应。人有四种基本味觉，即酸、甜、苦、咸，加上辣合称五味。一般舌尖主要感觉甜味，舌的边缘感觉酸味，舌根主要感觉苦味，咸味则整条舌都能感觉。人舌非但能尝出何种味道，而且还能尝出这种味的浓淡，一直到现在，国际上名酒等饮食评比，都还是以人的品尝为主。人的味蕾约有10000多个。动物中兔子约有17000个，牛有25000个左右，鸟舌中味蕾较少，一般只有20～60个。但是鸽子能尝出一粒谷中富含蛋白质的部分和富含淀粉的部分。 并不是所有的动物都有舌，也不是所有的味感觉器都分布在口中。原生动物和海绵用整个身体去尝味。苍蝇的口器上有一片海绵状小板，叫唇瓣，苍蝇用它不断地到处伸探。科学家把唇瓣上一根细毛放入糖液中，并使它接上微电极，可立即在电流计中看到反应，说明苍蝇感到味道，正在作出反应。 苍蝇的前足上也有感觉毛，它们也可用足来品尝食物，苍蝇前足对糖的敏感度比口器强5倍。蝴蝶的足上也有味感觉毛。有些鱼类的触须具有味觉。圆头鲶能觉察到头前较远处向己游来的猎物，如果破坏它的嗅神经，它仍然保持这种能力。但是，如果破坏它的味神经，这种能力立即消失。淡水鱼的味蕾多数分布在鳃腔内，当水流经鳃腔，同时也经过味蕾，产生味觉。有些鱼类数千个味蕾散布于全身，以此探测整个水域。鲇鱼几乎盲目，它靠味觉来获取食物，而靠嗅觉来维持其群体生活。 在蜥蜴和一些蛇类的鼻腔下面，具有一对由口腔背壁向腭部内凹的弯曲小管，叫锄鼻器或贾科勃森氏器。管内有许多与鼻腔中的细胞相似的感觉细胞，并且通过嗅神经的大量分支与脑联系，并有眼腺分泌物润滑，就像唾液腺分泌湿润口腔一样。由于毒蛇的唾液腺已演化成毒腺。因此，眼腺可能是替代唾液腺分泌，起湿润毒蛇口腔的作用。只要空气中所含的少量化学分子通过锄鼻器，就能分辨这些分子是什么物质，可见它有辅助嗅觉的作用。但是，锄鼻器的末端是一盲端，没有导向体外的开孔，只有开口于口腔的孔，蛇不断地用它那分叉的舌头伸出口外，探测空气中的气味，当舌摄取到空气中的化学分子后，便迅速将舌回缩入口，到锄鼻器中，产生味觉。刚出生的小蛇虽然从未吃过任何东西，但是，对浸在水中小动物的皮肤，也会吐出舌头，作出进攻的反应。因此，很难分清锄鼻器究竟是嗅觉器官抑或是味觉器官，这也说明很多动物的嗅觉和味觉往往是混杂在一起的，因为，它们都靠化学分析的方法起作用。鲨鱼对血腥特别敏感，海水中只要有一些新鲜血液，就会引来鲨鱼，这究竟是由于血腥的气味，还是血腥的味道在起作用，确实不易说清，不过有一点是可以肯定的，就是嗅觉和味觉综合作用要比单独作用的效能要大得多。 人们研究动物的味觉器官和嗅觉器官对研制理想的气体分析仪器是有益的。人们研究和模拟苍蝇的这些感觉器官而制成小巧而灵敏的气体分析仪，已被应用于宇宙飞船的座舱中，用来监测气体；也应用于分析气体的电子计算机上，对气体进行精密的分析；还用来监测潜水艇和矿井等逸出的气体，以便及时发出警报。 动物“热感受器”的启示 夏天的夜晚，甲乙两人同睡在一间房内，灯刚关掉，讨厌的蚊虫就嗡嗡地在人耳边侵扰，一只蚊虫刚停落在甲的脸颊上，甲觉得被叮了一下，立即用手打去，将蚊虫打死。甲高兴地喊道：“哈！我打死了一只雌蚊虫。”乙听罢，不能理解，认为房间内是黑暗的，伸手不见五指，又怎能看清蚊虫的雌雄，甲说打死一只雌蚊虫，纯粹是胡乱瞎猜，便嘲笑甲道：“老兄的眼睛真行，竟然能在黑暗中看清蚊虫的雌雄！”事实上，甲打死的确实是只雌蚊虫，不过甲不是用眼去看清，而是用他掌握的知识去作出的正确判断，因为只有雌蚊虫才吸血，而雄蚊虫只是吸吮植物的汁液。在黑暗中甲是看不见蚊虫的，他所以能发觉有蚊虫，首先是蚊虫发出的嗡嗡声，然后是脸上被蚊虫叮咬的感觉。蚊虫在黑暗中同样也看不见甲，然而蚊虫又是怎样会发觉甲的呢？不是甲发出的声音，也不是甲的气味，更不是蚊虫瞎碰乱撞，而是蚊虫对甲身上发出的热的感应。 人和所有温血动物一样，体温都是相对恒定的。也就是说机体所产生的热和散发的热基本相等，由于温血动物产热率相对稳定，因此有皮肤、汗腺和肺等散热调节与产热恒定相适应，从而使体温保持在相对恒定的、稍高于环境温度的水平，这是由于机体在冷环境温度下散热容易，在低于环境温度下生活，会引起“过热”而致死。人体散热主要是皮肤的辐射热和汗腺的蒸发热，其次是肺通过呼吸散发部分热。温血动物的辐射热其实是一种红外线，亦称红外光，在电磁波谱中，波长介于红光和微波间的电磁辐射，它是一种肉眼看不见的光，但是有显著的热效应，人们用特殊的灯照射物体，用滤镜挡住所有肉眼可见的光，只让红外线透出，通过红外线望远镜，如军用窥探望远镜和瞄准望远镜等才可看见。但是，在自然界，有不少动物具有能接收红外线信息的结构。雌蚊虫的红外线探测器是它的触角，呈环毛状。雌蚊虫觅食时，不断地转动一对触角，当两条触角接收到的辐射热相同时，就知道可被吮血的温血动物就在正前方，雌蚊虫就朝目标飞去。根据离热源愈近，所接收到辐射热愈多的原理，就能准确地测知辐射热源的方位。蛇类中有一些蛇，如产于美洲、尾端有角质环、摆动时能作响声的响尾蛇，广布于我国的蝮蛇，吻鼻部向上翘起的五步蛇，美丽的竹叶青蛇和头似烙铁的烙铁头等，在眼睛与鼻孔之间有一凹窝叫颊窝，就具有极灵敏的红外线感受作用。将一条蒙住双眼的响尾蛇放在两只灯泡的下面，灯泡不亮时，响尾蛇毫无反应，显得很安静，当开亮其中一只灯泡时，响尾蛇立即昂首张口朝着它，显得异常兴奋，而对那只不亮的灯泡不予理睬。将颊窝神经暴露出来，插上微电极，将颊窝神经细胞的电变化引导出来，显示在示波器上，然后给颊窝加以化学、声音和机械等多种刺激，在示波器上没有显示出脉冲变化。但是，当用手或热的物体去靠近它时，示波器上立即显示出强烈的脉冲变化，表明它处于兴奋状态。颊窝能感受到千分之一度的温度升高，并在35毫秒内作出反应，而且具有极高的抗干扰能力和分辨能力，并能在环境温度下起作用。颊窝被一层薄膜分隔成内外两个小腔。内腔以小孔开口于皮肤，使内腔与环境的温度一致，并可调节内外腔间的压力。颊窝上密布有三叉神经末梢质体，为红外感受单位，包含有许多线粒体。颊窝膜表面每平方毫米约有1000个红外感受单位。外腔方向指向前方，当热量到达颊窝时，窝内的空气膨胀，颊窝膜两侧温度就不同，神经末梢便兴奋，刺激神经细胞，产生脉冲传给脑中枢，信息加工后，脑中枢便发出攻击猎物的命令。在电子显微镜下，可以见到神经末梢受刺激后，线粒体的形态发生改变，线粒体可能构成初级红外感受器。 目前对颊窝的灵敏度已能测检，但对其机制还不完全了解，有颊窝的蛇靠它的颊窝感觉在黑夜中猎食，颊窝接受来自前方的辐射热，左右两个颊窝的感觉场是重叠的，并且有一定的感觉距离。通常蛇体盘起时比游动中感觉距离要远一些，只要感觉到有比环境温度稍差异的物体都会引起蛇的注意。蟒蛇的红外感受器在头的正面和唇边，叫唇窝。深海乌贼的红外感受器在尾部的下表面，叫热视眼。此外，鸡虱、臭虫、蚂蚁等动物都能感受红外辐射的能力。 人们已经制造出灵敏的量热、温度计和红外探测装置等。例如响尾蛇导弹，是一种空对空导弹，就是将红外探测器配备在歼击机的弹头上，它可以追踪敌机发动机散发热和喷出的废气时所发出的红外线而准确地击中敌机。 以红外、电子等技术为依据的公共安全技术产品是目前世界上发展最快的新兴产业之一。中国科学院上海技术物理研究所已研制出红外入侵探测器系列产品。可安装在室内、户外或屋顶、门窗、走廊等处，它们具有24个感应现场，相当于24只眼睛全方位探测，可起监视防盗作用。但是，人类目前制造成功的测温仪器，从普通的人体温度计到复杂的红外探测仪，同已知的一些动物对温度变化的感觉相比，无论从灵敏度或感热器官的结构的轻巧上都是显得不足的。你不会不知道一支普通的医疗体温计有多大，也不会不知道一只叮人的蚊虫有多大，可以想象得出长在蚊虫头上的触角又是多么细校两者一比较，就不难看出雌蚊虫的热感应器是多么精致，而仪器小型化正是宇宙航天科学研究所追求的。按现代的科学水平，人类还制造不出像雌蚊虫热感器那样大小的测温仪。 动物“生物钟”的启示 在印度班加罗尔城，有一只猴子和一条狗经常按时定点在一起相会。每天上午9时30分，猴子就先来到路旁的树荫下等着了；接着，一条狗也摇着尾巴跑来。于是，猴子就骑上狗背，一起上街游逛。这一对奇怪的伙伴，吸引着人们跟着围观。说来有趣，它们天天聚会，老时间，老地方，从不失约，也不迟到，好像它们都懂得看钟表似的。 这件有趣而古怪的事儿是怎么一回事呢？科学家认为，这一对伙伴的协调行为，是由于它们身上有一种“生物钟”在指导着各自的行动。 “生物钟”长在哪儿？科学家经过多次实验，在蟑螂的咽下找到一种神经节。它的侧面和腹面有一群神经分泌细胞，分泌激素，指示蟑螂的活动和休息。哺乳动物的生物钟结构就更复杂了。科学家认为，在延髓和下丘脑里的神经细胞是“钟”的主体，而身体其他部分的组织细胞中，也有独立运转的“子钟”，它们同时在摆动和变化中。 人们在探索生物钟的秘密中，发现各种生物的习性和生活功能，都受着自然节律的支配。大西洋的沙蚕，每年常常群集在百慕大附近海面，时间都是在满月后3天，日落后54分，不早也不迟。招潮蟹能根据阳光来改变颜色，又能按照月亮升落，随潮汐涨退来支配觅食或休息的时间。最近的研究还表明，“生物钟”对光线固然有重要关连，同黑夜却有着更紧密的联系。生物在长期的生活过程中，生理上不断调节，逐渐形成了昼夜和季节性的节律。 猴子和狗的准时约会，就是它们身上的“生物钟”相适应的结果。 在实验中，人们还发现，用人造的昼夜来改变“生物钟”的摆，会产生意想不到的效果。人工缩短黑夜时间，能使母鸡多产蛋三四成，鹅鸭产蛋量多2～3倍；使牛羊发情期延长，交配的次数和繁殖的数量增多，牛奶的产量也提高了。而人工缩短白天时间，能使鸡长肥，猪长膘，使羊和狼狐等长毛快。 科学家正在试图利用“生物钟”的作用来控制有害昆虫的生存。如调拨蚊子的生物钟，使他们在缺乏食物和温度不适宜的季节里成熟，从而不能生存。用杀虫剂喷洒苍蝇，下午喷洒，死亡率最高，这正是它们一天最活跃的时间。 动物“化学通信”的启示 地球上的动物，如果在其个体之间不能交流寻找食物、逃避敌害和选择配偶等重要信息，它们就不能生存。因此，每种动物都有一套通信联系的独特办法。动物通信使用的“语言”是多种多样的。有些动物使用的是一种“气味语言”。它们发出的有味化学物质，可以用来标明地点、鉴别同类与敌人、引诱异性、寻找配偶、发出警报或者集合群体。我们称这种利用化学物质传递信息的方式为“化学通信”。 但是，负责这项工作的，却不都是鼻子。比如，昆虫是用头上的触角来分辨气味，而海洋哺乳动物鲸都是靠舌头来感知气味的。 前苏联科学家用臭虫做实验。臭虫稍一受压，即散发出臭哄哄的“芳香”质，剂量不大，但足以使周围的“同胞”不再爬向它所在的地方。如果压得重一点，发出的“芳香”质浓度便增大，表示：“我要死啦！”这时附近的臭虫“弟兄们”就屏息静伏，庆幸自己没有落难。 前苏联科学家分离出一种耗子芳香质，表明“老鼠先生到此一游”，涂在鼠夹鼠笼上，前来送死的老鼠大增。后来又分离出另一种芳香质，表明“鼠君游此，心旷神怡”，这下子连警惕性最高的老耗子也顿释疑窦，欢欢喜喜地落入圈套。 昆虫用来吸引异性的“性引诱素”是最有效的传信素，这是保证昆虫延续后代的重要手段之一。借助于性引诱素，雄舞毒蛾能被半公里外的雌蛾所吸引；雄蚕蛾则可找到两公里半以外的雌蛾。而天蚕蛾、枯叶蛾的雄蛾，则能被四公里以外的雌蛾引诱去进行交配。 性引诱素是一种极其微量的化学物质。一只雌舞毒蛾仅能分泌0.1微克性引诱素，但这已足够诱来100万只雄蛾。30个性引诱素分子便能促使一只雄美洲蟑螂产生性兴奋。一只关在笼子里的雌松树锯蝇，其气味能招引约1亿只雄锯绳。由此可见，雄虫的性引诱素接收器是极其灵敏的。雄虫的接收器就是触角上的嗅觉感受器。就作用距离、精确性和反应敏捷等方面来说，昆虫触角要比目前的机载雷达的性能好。可以设想，昆虫触角的结构特征和功能原理将为新型的航空雷达提供设计原理。 经过多年的研究，人们终于搞清了家蚕蛾、舞毒蛾、棉铃虫等昆虫性引诱素的结构，并人工合成了多种“人造性引诱素”。这就给人类提供了一种新型捕杀害虫的有效方法。只要把一种昆虫的人造性引诱素置于涂有虫胶的捕虫器中，这种昆虫的雄虫便会兴冲冲地飞来自投罗网。还可采用一种“扰乱法”来消灭害虫，就是使性引诱素充满有害虫危害地域的空气中，雄虫便无法辨别单个雌虫放出的性引诱素了。雄虫找不到雌虫交配，害虫也就断子绝孙。用这些办法防治害虫，可以避免长期使用化学杀虫剂（农药）所引起的许多不良后果。因此，它同绝育素、拒食素等人工合成的昆虫激素一道，被人们称为先进的“第三代农药”。 海洋动物的启示 事实上，海洋动物已经告诉了我们许许多多有用的知识。以海洋生物为模型，我们已经知道了人体的许多生物过程，知道许多疾病的发病机理及治疗方法。海洋动物和人有着许多相同之处，例如也有DNA、神经系统、血液、激素等，但也存在着某些差异，例如，它们比人体更为简单。正是基于这种相同及差异，科学家们从中获得了许多宝贵的知识。 海虾 新英格兰海虾的整个神经系统非常简单，也是十分理想的实验标本。科学家发现，5—羟色胺，这种与人的极端暴力行为有关的化学物质也存在于海虾体内，研究者也已经从海虾体内分离出能把5—羟色胺输入其血液的神经细胞。有理由相信，一旦科学家知道整个系统和生物化学过程，就能控制海虾的行为，或许有一天还能有效地控制人的极端暴力行为。 鲍鱼 细胞的渐进死亡——老化的细胞必须不断死亡把空间腾让给新生细胞，这是人类想知道的另一个重要的研究课题，其结果会使得人们能更有效地治疗与细胞渐死功能失调有关的某些疾病，如帕金森氏综合症、阿耳茨海默氏综合症及肌肉萎缩等。科学家选择鲍鱼进行研究，幼鲍可以在海水中流动，在发育成熟之后，鲍鱼落到海底，并生出新的肌肉系统把自己固着在礁石上。 目前已培养出在这个过程中控制细胞死亡及生长的基因，并找到一种与细胞渐进死亡有关的酶。 海鞘 即便是那种一簇簇附着船底令人生厌的海鞘，也被科学家派上用常和人等哺乳动物一样，海鞘的肾脏也会蓄积尿酸和草酸钙结晶，从而形成肾结石。有趣的是，海鞘通体透明，无须解剖就可以观察到肾结石的形成。但与人不同的是，这种动物的肾——实际上是肾囊，并没有把草酸钙结晶当作废物蓄积下来，显然，它的肾囊可以对草酸钙结晶进行循环处理。研究发现，海鞘肾囊中有某种化学物质，有很强的抑制草酸钙结石形成的能力，因此，海鞘肾囊流质中的草酸钙几乎不会形成结石。科学家还发现，在海鞘囊中寄居着两种微生物，其中一种似乎能够帮助海鞘的肾囊代谢凝聚成草酸钙晶体，这真是一种奇特的共生现象，如果能分离出这种可能是由微生物制造的化学物质，就有望找到治疗肾结石的特效药。 海洋动物还能告诉我们些什么？这的确令人倍感兴趣。科学家正在进行各种研究，他们都同意这种观点：了解海洋动物，我们就能更好地了解我们自己！ 章鱼 生活在水中的章鱼，长有8只长脚，活像8条带子，人们也叫它“人带鱼”。别看章鱼叫鱼，它其实不是鱼，而是一种贝类。 在章鱼的脚上，长有强有力的吸盘，靠吸盘来摄取食物。它们平时嗜好器皿，喜藏匿其中，吸附不出。人们利用它这个怪癖，得益不浅。 希腊的克里特岛，由于煤船的频繁往来装卸，海底堆积了厚厚一层煤。 渔民们常常捉来章鱼，拴在长绳子上丢进海里，让章鱼到海底去抓煤块，然后再把绳子拉上来，煤块也就捞上来了。 章鱼抓煤块靠的是脚上的吸盘，吸盘的构造和人们治病用的拔火罐相似。拔火罐里的燃烧物消耗了罐中的氧气，使罐内外产生了压力差，这就是拔火罐有吸力的原因。章鱼则是利用肌肉收缩排出吸盘内的水，造成吸盘的压力差而产生吸劲的。章鱼吸盘的吸附能力很强，有时甚至能吸住比自己体重大20倍的煤块。 据说，上世纪日本皇室一艘满载朝鲜贵重瓷器的货轮在日本海沉没，尽管知道沉船准确地点，但因潜水员下潜不了那么深，于是求助于章鱼。人们把章鱼系上细绳投入大海，沉至海底，章鱼便觅罐而卧。随后，人们拉起绳子，顽固的章鱼死死吸住器皿不放，于是一个个贵重瓷器被吸拉上来。 章鱼吸盘产生巨大吸力的道理，使研究人员极受启发，他们根据这个原理，制成了真空起重机。这种起重机用吸盘代替了普通起重机的吊钩，工作时像章鱼一样，把装有吸盘的吊臂对准起吊物的光滑部位，就能牢牢地抓住起吊物。用这种起重机，可吊起重30吨的水泥预制板。 在日常生活中，人们也利用了章鱼吸盘的原理。比如我们常见的“真空吸盘式”塑料挂衣钩，这种塑料吸盘只要往玻璃或平整的木板上一按，挤出盘内空气，就能牢牢地吸在上面，一个小小的衣钩可擎住一件大衣的重量呢！ 鸟类的启示 自古与人类生活于同一天地的鸟类，是自然的产物。在亿万年的演化进程中，为适应自然界各种复杂的环境条件，鸟类形成特殊的生理构造和生活习性，这对人类的创造发明和科技发展有着启示作用。 鸟与飞机 约在公元1800年，气体动力学创始人之一的英国科学家凯利，曾深入地研究过飞行动物的形态，寻找最具流线型的结构。他模仿鸟翼设计了一种机翼曲线，与现代飞机机翼截面曲线几乎完全相同。法国生理学家马雷曾写过一本研究鸟类飞行的《动物的机器》的书，介绍了鸟的体重与翅膀负荷（即单位翅膀面积所负的重量）的知识。后来，俄国科学家茹可夫斯基在研究鸟类飞行的基础上，提出了航空动力学的理论，正是通过对鸟类的一系列的研究，终于找到了人类上天的关键所在。在人们模仿鸟类翅膀，采用大功率轻便发动机带动螺旋浆之后，美国莱特兄弟终于在1903年发明了飞机，实现了人类梦寐以求的飞上天空的愿望。 现代航空技术飞速发展，先进的飞机时速可达3700公里，但飞机的飞行本领有许多方面不及飞鸟。有一种“军舰鸟”，它的翅膀骨骼仅有100克重，而两翅展开却有两米多长，因此，它飞行时消耗的能量和动力非常少。比“军舰鸟”更节拾燃料”的是一种叫作金色鹬的小鸟，它从加拿大越海连续飞到南美洲，行程3900公里，而体重只减轻60克。现代航空技术若能赶上这种效率，那么一架轻型飞机飞行30公里，只需耗用0.5升汽油，仅相当于目前用量的1/9。 在西印度洋群岛上的蜂鸟，身长不过5厘米左右。就是这种小鸟，竟会做现有的任何飞机都做不到的各种机动灵活的飞行：向上高飞升至2000米的高空接着垂直下降，陡然起飞，掉头飞行，向后退着飞以及悬停空中等。如果一旦把它的飞行奥秘破译出来，对改善飞机性能将有宝贵的借鉴作用。 鸟类的飞行，还有其他许多优异特性是现代化飞机所不具备的。可以乐观地预测，继续深入地研究鸟的飞行并从中得到有益的启示，一定可以进一步改进现有飞机的性能，给未来新型飞机的设计增添异彩。 鸟与电子眼 科学家在研究中发现，许多鸟类都有高度敏锐的视觉，对运动物体简直是“明察秋毫”。如鸽子，它能在人眼视力所不及的距离上发现飞翔的老鹰。 科学家根据鸽眼机能原理制成的“鸽眼电子模型”，将可改进图像识别系统的性能。利用鸽眼发现定向运动物体的性质而改进的雷达系统，可设置在机场边缘和国境线上，它只能发现飞进来的敌方飞机和导弹，对飞出去的则不起反应。这样，便提高了发现目标的选择性和准确度。电子鸽眼还可用在计算机系统中，可自动消去与解题无关的那些数据。 鹰眼的敏锐度在鸟类中名列前茅，它比人眼敏锐1～2倍，而且视野非常开阔。展翅翱翔于两三千米高空的雄鹰，一下子便能发现地面上的小兔子和老鼠；而在高空飞行的飞行员用肉眼是很难发现和识别地面目标的。科学家正根据鹰眼的构造原理，研制类似鹰眼的搜索观测系统，即电子鹰眼。这项技术不仅能使飞行员的视野和视敏度得以扩大，还将会提高地质勘探、海洋救生、遥感探测等方面的工作效率，同时也可用来控制远程激光制导武器的发射。如果能制出具有“鹰眼系统”的导弹，它就能像鹰一样自动寻找和识别目标，并自动跟踪目标直至攻击成功。 鸟与天文罗盘 许多鸟类以及一些昆虫，具有利用天空偏振光来导航的本领，即使飞行几千公里，仍能准确无误地到达目的地或回巢。原来，这些鸟类感觉细胞的感光部分，使它们能够感觉天空偏振光的偏振面，因而也就可以定方向了。 人们由此得到启示，制成了用于航空和航海的“偏振光天文罗盘”。这种偏振光罗盘的优越之处在于，即使乌云遮日，或者在太阳处于地平线以下时，仍然可以利用天空偏振定向。在不能使用磁罗盘的高纬度的地区，就更显出这种偏振光罗盘的好处。 科学技术的发展是没有止境的。鸟类的特殊本领正在为科学家所不断认识、模仿、借鉴，从而造福于人类。 鸟与戈 大家对电视或电影中的古战争场面比较熟悉吧！万马奔腾，狼烟滚滚，士兵们高举戈矛，奋声呐喊，跟随主将冲突。 戈是古代战争中一种非常重要的武器，也是最早的进攻性武器。可是，你大概不会想到，戈是我们聪明的祖先受到鸟嘴和兽角的启发制造出来的。 啄木鸟尖尖的长嘴巴是那样的锋利，可以啄穿树木，秃鹰铁钩子一样的嘴巴可以致敌人于死地，犀牛的独角让兽中之王感到害怕，斗鸡在战斗中将对手啄得鲜血淋漓，鸟嘴和兽角保护了它们自身，是它们生存的必不可少的工具。 在石器时代，我们的祖先过着群居生活，靠打猎为生。刚开始的时候，他们围住野兽，用石块和木棒攻击野兽。但是，如果遇到巨大和凶猛的野兽，石块和木棒往往不能制服它们。祖先们发现，禽兽们常用嘴、角进行攻击和防御，因而受到启发，开始将兽角绑在木棒上，制成兵器，这就是戈的雏形。 后来，他们又用石头做成禽兽嘴或角的样子来制造戈。原始的戈虽然很粗糙，使用也不方便，但却体现了兵器制造较为先进的仿生工艺，是中国古代人的一大贡献。 兽类骨胳的启示 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、马的背椎骨；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钩住树枝倒挂身体，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钩越紧。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。 昆虫隐身术的启示 昆虫的隐身术是相当高明的。一只蝴蝶落到花朵上，看上去好像是为花朵增加了一个花瓣；酸苹果树上的蜘蛛从不结网，只是静静地躲在花上，变成跟花一样的颜色，轻而易举地捕捉前来栖息的幼虫。 在军事技术当中，也有类似的隐身技术。像侦察中的化装术和通讯中的干扰术，飞机和导弹的隐身术等，都是隐身技术。不过，这里的“隐”字，不是对眼睛说的，而是对雷达、红外电磁波和声波等探测系统说的。目前，军用飞行器的主要威胁是雷达和红外探测器。 用什么办法对付这种威胁呢？科学家们经过刻苦地研究，隐形材料应运而生了。隐形材料是指那些既不反射雷达波，又能够起到隐形效果的电磁波吸收材料。它是用铁氧体和绝缘体烧结成的一种复合材料。这种材料是由很小的颗粒状物体构成的。电磁波碰到它以后，就在小颗粒之间形成多次不规则的反射，转化成热能被吸收了。这样，雷达就收不到反射波，也就发现不了飞行器。 到本世纪80年代初，神秘的飞行器隐身技术有了新的突破。它跟高能激光武器和巡航导弹列为军事科学技术上的三大革新。美国计划投入使用的B—LB战略轰炸机，就用上了一些重要的隐身技术。其雷达反射截面不到1平方米，是B－52型轰炸机的1％。这种飞机将取代目前的B—52战略轰炸机。 1983年底，日本防卫厅宣布，它跟美国国防部合作研制出了一种雷达发现不了的新导弹。这种新导弹上面涂有含有特殊合金的铁酸盐涂料，它可把雷达的电磁波迅速转化成热能。 目前，除了先进技术轰炸机正在试飞行外，实用的隐身巡航导弹、隐身飞机等都将问世。 昆虫楫翅的启示 苍蝇等双翅目昆虫后翅的痕迹器官——楫翅，不但能使昆虫不用跑道而直接起飞，而且是使昆虫保持航向的天然导航器官，因此又称为平衡棒。昆虫飞行时，楫翅以330次/秒的频率不停地振动着。当虫体倾斜、俯仰或偏离航向时，楫翅振动平面的变化便被其基部的感受器所感觉。昆虫脑分析了这一偏离的信号后，便向一定部位的肌肉组织发出指令去纠正偏离的航向。 人们根据昆虫楫翅的导航原理，研制成功了一种“振动陀螺仪”。它的主要组成部件形似一个双臂音叉，通过中柱固定在基座上。音叉两臂的四周装有电磁铁，使其产生固定振幅和频率的振动，以模拟昆虫楫翅的陀螺效应。 当航向偏离时，音叉基座随之旋转，致使中柱产生扭转振动，中柱上的弹性杆亦随之振动，并将这一振动转变成一定的电信号传送给转向舵。于是，航向便被纠正了。由于这种“振动陀螺仪”没有普通惯性导航仪的那种高速旋转的转子，因而体积大大缩校受到这类生物导航原理的启示，人们逐渐地发展了陀螺的新概念，还制成了高精度的小型“振弦角速率陀螺”和“振动梁角速度陀螺”。这些新型导航仪现已用于高速飞行的火箭和飞机，能自动停止危险的“翻滚飞行”，自动平衡各种程度的倾斜，可靠地保障了飞行的稳定性。 蝇眼的启示 人的眼睛是球形的，苍蝇的眼睛却是半球形的。蝇眼不能像人眼那样转动，苍蝇看东西，要靠脖子和身子灵活转动，才能把眼睛朝向物体。苍蝇的眼睛没有眼窝，没有眼皮也没有眼球，眼睛外层的角膜是直接与头部的表面连在一起的。 从外面看上去，蝇眼表面（角膜）是光滑平整的，如果把它放在显微镜下，人们就会发现蝇眼是由许多个小六角形的结构拼成的。每个小六角形都是一只小眼睛，科学家把它们叫做小眼。在一只蝇眼里，有3000多只小眼，一双蝇眼就有6000多只小眼。这样由许多小眼构成的眼睛，叫做复眼。 蝇眼中的每只小眼都自成体系，都有由角膜和晶维组成的成象系统，有由对光敏感的视觉细胞构成的视网膜，还有通向脑的视神经。因此，每只小眼都单独看东西。科学家曾做过实验：把蝇眼的角膜剥离下来作照相镜头，放在显微镜下照相，一下子就可以照出几百个相同的象。 世界上，长有复眼的动物可多了，差不多有1/4的动物是用复眼看东西的。像常见的蜻蜓、蜜蜂、萤火虫、金龟子、蚊子、蛾子等昆虫，以及虾、蟹等甲壳动物都长着复眼。 科学家对蝇眼发生兴趣，还由于蝇眼有许多令人惊异的功能。 如果人的头部不动，眼睛能看到的范围不会超过180度，身体背后有东西看不到。可是，苍蝇的眼睛能看到350度，差不多可以看一圈，只差脑后勺边很窄的一小条看不见。 人眼只能看到可见光，而蝇眼却能看到人眼看不见的紫外光。要看快速运动的物体，人眼就更比不上蝇眼了。一般说来，人眼要用0.05秒才能看清楚物体的轮廓，而蝇眼只要0.01秒就行了。 蝇眼还是一个天然测速仪，能随时测出自己的飞行速度，因此能够在快速飞行中追踪目标。 根据这种原理，目前人们研制出了一种测量飞机相对于地面的速度的电子仪器，叫做“飞机地速指示器”，已在飞机上试用。这种仪器的构造，简单说来就是：在机身上安装两个互成一定角度的光电接收器（或在机头、机尾各装一个光电接收器），依次接收地面上同一点的光信号。根据两个接收器收到信号的时间差，并测量当时的飞行高度，经过电子计算机的计算，即可在仪表上指示出飞机相对于地面的飞行速度了。 眼睛所看到的，是通过光传导的信息。不过眼睛并没有把它所看到的全部信息都上报给大脑，而是经过挑选把少量最重要的信息传给大脑。蝇眼这种接收及处理信息的能力，比人们制造出来的任何自动控制机都要高明。 现在研究人员还模仿苍蝇的联立型复眼光学系统的结构与功能特点，用许多块具有特定性质的小透镜，将它们有规则地紧密排列粘合起来，制成了“复眼透镜”，也叫“蝇眼透镜”。 用它作镜头可以制成“复眼照相机”，一次就能照出千百张相同的象来，用这种照相机可以进行邮票印刷的制版工作。如果一块版上印25张邮票，一次拍照就可以制成一块版，而不必像用普通照相机那样，要一张张地拍照25次。如果用在邮票套色印刷中，那就更方便，可以减少近百次的拍照。复眼照相机还可用来大量复制集成电路的模板，工效与质量将大大提高。 动物远程导航的启示 候鸟南来北往，沿着一定的路线飞行。科学家用雷达观察，发现在夜里飞行的候鸟比在白天飞行的多得多。这真奇怪，难道夜里比白天更容易识别方向吗？人们因而想到，也许有的候鸟是靠星星来认路的。 为了证明这种猜想，科学家对北极的白喉莺进行了实验。这种鸟每年秋天从巴尔干半岛向东南飞，越过地中海，到达非洲，再沿着尼罗河向南飞，到这条河的上游去过冬。它主要在夜间飞行。 科学家把白喉莺装在笼子里，带进了天象馆里，那里有人造的星空。当天象馆的圆顶上映现出北极秋季夜空的时候，站在笼子里的白喉莺便把头转向东南，就是在秋季飞行的那个方向。然后，人造星空根据白喉莺飞行的方向逐渐改变位置，白喉莺随着星象的变化，使自己始终朝着它所要飞行的方向，仿佛正在作一番长途的秋季旅行。 这个实验证明，白喉莺能根据它看到的天空里的星星，来辨别自己的航向。 人们还发现，在大海中回游的生物也有这种本领。 鱼类和海龟迁徙的准确性也不逊色。一种鳗鱼从内河游入波罗的海、横过北海和大西洋，而后便准确地到达百慕大和巴哈马群岛附近产卵。生活在巴西沿海的绿色海龟，每年3月便成群结队地游向2200公里之外的产卵地——大西洋中长仅几公里的阿森匈岛，在岛上产卵后，6月间又游回巴西沿海。 动物远程导航的奇异本领，以及它们精巧的天然导航仪，长时间以来一直吸引着许多研究工作者。人们逐渐弄清楚，许多鸟类和其他动物体内都有精确计算时间的“生物时钟”，可以根据时间确定太阳或星星的方位，因而能够利用太阳或星星作为定向标；而另外一些种类的动物则可利用海流、海水化学成分、地磁尝重力场等进行导航。 人类早就知道在航行中利用星星来辨别方向了。然而利用眼睛识别星星的本领，比起那些动物来差多了。 现在人们设计了一种由光敏元件，电子计算机和操纵机构组成的导航仪。光敏元件就像“眼睛”，它能够一直瞄准星星，当星光偏离预定航线时，“眼睛”就会向“电子计算机”这个大脑报告，“大脑”马上就能计算出应当校正的误差，命令操纵机构自动调整航向。 鲸类潜水的启示 鲸类是兽类中的潜水冠军。抹香鲸可潜到1000多米的海洋深处，最长可在水下滞留两个多小时。海洋中，水深每增加10米，就增大一个大气压，所以1000多米的海洋处，压力高达100～200个大气压。目前人类就是穿上带有水下呼吸设备的最先进的潜水服，下潜极限也只有上百米，时间限制在数十分钟，再深了，人体就受不了那过高的压力。 但鲸类体内却有一系列与深潜相适应的结构与功能。鲸的气管由肌肉膜隔成一个个腔室，并有软骨锁住的阀门系统，可使胸腹腔、肺气管及其他内脏的内部压力与海水压力维持平衡。另外，鲸的血红素含量特别高，抹香鲸的肌肉因此而红得发黑。血红素含量高能结合更多的氧，保持体内供氧充分。 鲸在深水中还能大大减慢心跳，降低血液流速，节约氧消耗。它的大脑呼吸中枢能忍受高浓度CO2的积累，从而减少呼吸次数，而一般陆上动物却无法做到这一点。鲸类的潜水能力给人类提供了启示，指明了提高潜水能力的目标和方向。例如寻找一种药物，增加人类肌肉中血红蛋白的含量以储藏更多的氧，再寻找一种降低呼吸中枢对CO2积累敏感性的方法，以减少呼吸次数。 同时为了承受深海高压，可模拟一套阀门装置，防止肺中空气被压出，或者穿上保护外衣。这样人类的深潜能力就能大大增强，人类就有可能深入实地去探明海下的秘密。 人体肌肉的启示 科学家们一直对人的肌肉运动进行研究。他们发现，人的肌肉是最简单的生物机械装置。 人的肌肉占了人体重量的40％。活的肌肉，是一台没有齿轮、活塞和杠杆的神奇“发动机”。它具有惊人的动力，能提起比它自身重许多倍的重物。 任何现代机器都要由“动力设备”（内燃机、电动机等）和“工作机械”两部分所组成。然而在活肌肉里，这两者却是合为一体的。人造机器结构复杂，高速运转，磨损和维修是个大问题，因此是“短命”的机器。而活肌肉则是“自我维修”的机器，因而是“长命”的。 科学家们最感兴趣的是肌肉在把化学能转变成机械能时只需一步：在神经信号的刺激下，肌肉收缩变短变粗，直接把食物的能量转变为机械动力，牵引肌腱而使人运动。这里，肌肉是把食物的化学能直接变成了机械能，效率高达80％。而人造机器则必须先把燃料的能量变成热或电，然后再转换为机械能，产生运动。显然，能量的转换每增加一个步骤，就必定要损失掉一部分，从而降低了机械的效率。涡轮机是一种高效率的热机，但它的效率只有40％。 人们模仿活肌肉的这种优异特性，用聚丙烯酸等聚合物，制成了“人工肌肉”。把它放在不同的介质（碱、酸等）之中，便会有效地收缩或者松弛。 这种可以直接把化学能转变成机械能的机器，我们把它叫做“机械—化学机”。如再配合以一定的机械装置，它就能提起重物，或者实现机件的往返运动。 活肌肉是一种新型的机器。人们模仿肌肉的工作原理，用包在纤维编织成的套筒里的橡胶管，或用含有纵向排列的纤维（钢丝、尼龙丝等）的橡胶管，制成了“类肌肉装置”。它可以带动残废者的假肢，也能开动其他机器。 此外，目前人们还制成了一种“肌飞器”——扑翼机；并且模仿人的膝关节和肌肉系统制成了“液压运动模型”，它使“机器人”像真人那样行走。 人体的大多数肌肉都是以“颉颃［音xiéháng］急的形式成对地排列的。就是说，一束肌肉生长在牵引肢体向上运动的位置，而另一束肌肉则生长在牵引肢体向下运动的位置。例如，在身体前侧向下拉的那些肌肉阻止身体后仰，而后面向下拉的那些肌肉则阻止身体前倾，这种成对排列的肌肉组成了保持人体直立的颉颃迹研究表明，生物界的这种用两个产生拉力的“单向力装置”组成的双向运动机械系统，远比工程技术上惯用的用一个推拉“双向力装置”组成的系统优越得多。只要在成对的颉颃肌上施加不同的张力，就能使人和动物体的骨架（机械杠杆）在任何位置保持稳定。颉颃肌的杠杆，能够承受从最轻到最重的各种压力。对颉颃肌的模拟，可以圆满解决各种“机器人”、“步行机”等的行走机构的设计。人们研制了一种“步行机”，它有强有力的手臂和两条长腿，能越野行走、搬运重物。这种“步行机”腿长3.6米，能走斜坡、转弯、横向跨步，能跨越障碍，步行速度可达56公里/小时。操作人员做一定的动作，“步行机”就跟着做近似的动作。 根据肌肉和关节活动原理，科学家们最近研制出了一种用于森林和农田除草的“机器昆虫”。它有6条腿，每条都有压缩空气驱动，可以跨越1.80米高的障碍物。它还可以分辨出树木和杂草。 随着科技的发展和科学家们的精心研究，必定会有更多的意想不到的奇异的机器出现，它们将使我们的世界更加丰富多彩。 夜蛾的启示 炎夏之夜，万籁俱寂，一场无声的“空战”正进行得十分激烈：号称“活雷达”的蝙蝠跟踪着夜蛾，步步进逼！啊，蝙蝠张开了嘴巴，夜蛾的性命危在旦夕..就在这千钧一发之时，夜蛾连翻几个筋斗，收起了翅膀，落到地上，它竟然溜之大吉了！ 众所周知，蝙蝠有着精巧的超声波定位系统，因此捕食昆虫十分准确。 有时，它在一分钟之内能捕食到19只蚊子，真令人拍案叫绝。但是，夜蛾为什么能够在蝙蝠的追踪下死里逃生呢？ 原来，夜蛾具有一套精妙的反声纳系统，这使它足以对抗蝙蝠的侵袭。 在夜蛾的胸腹之间，有一个特殊的听觉器官，叫做鼓膜器，可以接收蝙蝠发出的超声波。当它截听到蝙蝠发出的超声波时，就可以及时逃避。要是鼓膜神经脉冲达到饱和频率，则说明蝙蝠已经逼近，情况万分危急。这时，它就翻跟斗、转圈子、曲折飞行..以逃避敌人的追袭。 夜蛾对抗蝙蝠“法宝”还不止这一个。它的足关节上有个振动器，能发出一连串的超声波，干扰蝙蝠，使它摸不清夜蛾在南北还是在东西。 有些自己身上长着一层厚厚的绒毛，能吸收超声波，使蝙蝠收不到足够的回声，从而大大缩小了蝙蝠“声雷达”的作用。 还有一种夜蛾，它能模仿味道很坏的蛾子发出的超声波，使蝙蝠提不起食欲来。 夜蛾的反探测系统如此精致奥妙，为武器设计者打开了新思路。 生物界有不少奇妙的构造，正等待着我们去发现和学习呢！ 虾壳蟹壳的启示 虾、蟹类肉质细腻，味道鲜美无比，是一种低脂肪、高蛋白、营养价值极高的著名水产。我国阳澄湖出产的金毛青壳大闸蟹和青岛出产的大明虾更是誉满全球的佳肴。在日常生活中，一般人只知道吃它们的肉，而对它们的体壳往往是弃之不要的。其实它们的壳，如果加以利用，其价值并不在它们的肉之下。 虾、蟹类身披坚硬的甲壳，所以在分类上属于甲壳纲，甲壳对它们来说，显然是起着保护作用。甲壳类在发育过程中有蜕皮现象，经过蜕皮它们的身体才能长。有经验的家庭主妇，买蟹时总要捏一下蟹脚，如果是软的，就说明这只蟹蜕皮不久，肉尚未长实。甲壳类在成熟以后，一般还能继续蜕皮，这一点同昆虫一到成熟后就不再蜕皮的情形不一样。它们的甲壳中含有一种重要成分，叫做“甲壳质”，亦称“甲壳素”或“壳糖”，是一种含氮多糖类物质，即多聚乙酰氨基葡萄糖。科学家将虾、蟹的甲壳磨成粉末为原料，用稀酸和稀碱等处理，就可得到甲壳素，是一种白色、半透明、无固定形状的固体，它不溶于水，也不溶于稀酸和稀碱以及有机溶剂，但是可以溶于浓盐酸，用酸完全水解，生成甲壳胺，即2—氨基葡萄糖。 甲壳质用途非常广泛，早在第二次世界大战期间，英国飞机制造工程师就用甲壳质为基本原料，加配其他化合物研制成一种粘合力极强的胶液，用来粘合飞机机壳，并获得成功。用这种工艺粘合的机翼，即使部分受损，也不影响飞行。人们在拼合材料时，所采用的方法有多种，如衣服要用针线缝合，钢材等用焊接，或用铆钉、螺丝钉等接合。但是，在各种方法中，胶合方法最为简易和方便，而且，相对说来，技术性要求也没有其他方法高，方法容易掌握。比如一件衣服，高明的裁缝缝制出来的针眼细，线脚不露，平整贴身，美观大方，因此有“天衣无缝”的比喻。而胶合只须涂上胶水，将设计好的贴料粘到被粘物上，粘牢就解决了。一艘远航轮航行在海上，突然船舱什么地方出现了小裂缝或漏洞，如果用高性能的粘合剂，只要将钢板粘合在裂缝或漏洞处就行了，既省时又省力，较其他方法简单得多。 甲壳素在医疗外科手术上的应用，已取得可喜的成就，外科手术，一般需要用手术缝合线缝合伤口，这又是个技术问题，技术好的医生缝得平整，技术差的缝线不是拉得过紧就是过松。伤口愈合后，通常还要拆线，科学家用“壳糖”研制成一种“人造皮肤”，这是一种透气性能良好，又能吸水的薄膜。外科医生可以按烧伤或烫伤病者的创口大小，剪下一块薄膜贴在伤口上，它不同于“打补钉”，不用缝合，而是利用创口中的溶菌酶逐渐地把薄膜分解，最后使伤口愈合，不留斑痕。美国和日本的一些制药厂用甲壳素制成甲壳质绷带和胶布。眼科医生还用甲壳制成无形眼镜片，这种镜片不用机械磨制，而是将甲壳质溶解，倒在各种规格的模型内形成。 人们还用甲壳素制成味道鲜美的调味品、酒石酸和人工种子的种皮等。 甲壳质还可被拉成纤维。 在自然界，很多动物都能分泌粘性非常强的粘液。雌虾产卵后，即行受精，将受精卵粘附在雌虾的腹肢之间，抱卵的雌虾到处游荡，腹肢不断地扇动，以此保证卵能经常接触到新鲜水流，然而附着的卵从不掉落下来。甲壳纲中又一种叫藤壶的小动物，它们的背壳形成外套，常构成石灰质的硬壳，包住了全身。它们的幼体在水中过一段自由生活后，便分泌一种粘液，把自身粘附在一些物体上，固着下来发育成成体。大量的藤壶常固着在船底，这给船业带来很大麻烦，因为这样会大大地减低船的航行速度。有人做过统计，一艘近2000吨的船在不到半年的时间内，由于大批的藤壶附着在船底，时速减低了2海里。据说在日俄战争中，沙俄从波罗的海调来增援的舰队在对马海峡与日本海军激战，结果被日军击溃，其中一个原因是波罗的海舰队军舰的舰底长满了藤壶之类的固着物，使舰速比不上日舰。因此，世界造船业都在研究如何克服藤壶固着问题。另一方面，人们对藤壶粘液的化学成分进行分析，发现是由多种氨基酸和氨基糖组成的。科学家人工合成藤壶粘液，制成一种耐温性能极高的粘合剂，从0～205℃的范围内都可用来焊接。 甲壳纲动物已知有25000种，昆虫体外的几丁质硬壳也含甲壳质，据估计，在自然界每年生成的甲壳至少有100亿吨，在天然聚合物中占第二位，仅次于纤维素，这份天然宝藏是值得人们去研究和开发利用的。 北极熊的毛不是白色的 也许人人认为北极熊是白色的，但稍有动物知识的人都会解释：“那不过是一种天然的保护色罢了。”然而，实际上的情况如何呢？美国的马尔利姆·亨利说：“不是！” 亨利指出，用来拍摄野生动物的红外照相机不适用于北极熊。这种动物不能被摄在红外胶卷上，因为它们的体温好像周围极地的冰雪一样冷冰冰的。至于在紫外照相中，白色的北极熊却显得比背景的白雪的颜色要深得多。 尽管白色的北极熊的毛皮反光能力很强，可是，却不知道是什么缘故，它的白色竟然吸收了照在身上绝大部分的太阳紫外线。 亨利着手研究北极熊这一奇妙的现象。他通过扫描电子显微镜，分析北极熊的白毛，竟惊奇地发现，北极熊的毛不是白色的，而是一根根中空而透明的小管。人类肉眼所看到的“白色”，是因为毛的内表面粗糙不平，以致把光线折射得非常凌乱而形成的。 亨利认为，北极熊的毛都是一根根的小光导管，只有紫外线才能通过，这就是熊捕集温度的“工具”。这就给人类提出了一个问题：人类是不是可以从北极熊的“白毛”悟出一些道理，造出同样的御寒衣物，或是更高极的太阳能收集器呢？ 尽管许多问题还没弄清楚，比如说，一般认为紫外线不是热线，怎么能起到增温的作用呢？但是亨利认为北极熊毛的结构很值得继续研究，应根据这种结构试制一种既有保护色作用，又有导光吸热作用的极地人员服装。有人还试图把这种光导管安装在太阳能收集器内，提高集热的效率。 冬眠激素 在严寒的冬季，无数的动物在地下、树洞和岩洞里酣睡。动物为什么能冬眠？近年来，美国科学家道厄终于揭开了这个秘密。原来，在这些动物的血液里存在着一种能够诱发动物冬眠的物质——冬眠激素。 在盛夏，如果把冬眠激素针剂注入黄鼠和蝙蝠身上，这些动物就会有规律地长时间沉睡。后来又在不冬眠的猴子身上作试验，发现猴子竟然也出现了典型的冬眠状态，脉搏跳动减少50％，体温也降低了。当冬眠激素的作用减弱后，猴子又逐渐恢复了正常。道厄的这项新发现，成了80年代初期引人注目的科学成就。 冬眠激素可以用来治疗人的某些疾玻动物在冬眠期间，消耗的只是体内蓄积的脂肪，而丝毫不消耗肌肉组织。如果肥胖症患者注射了这种激素，只要在被窝里睡一个时期，就可以达到治疗的目的了。冬眠激素可以用来降低手术病人的体温，既有利于治疗，又对肌体毫无影响，因为病人在冬眠状态中新陈代谢很慢。冬眠动物对病菌有免疫力，能抗得住强辐射，特别是患有癌症的动物在冬眠时，肿块长得极慢。这样，人们就可以利用冬眠激素来配合治疗癌症，这就是癌症病人的一大福音。 地球与一些星球距离遥远，如果乘宇宙飞船到那些星球上去，时间是漫长的，那么人的寿命就远远不能适应需要。由于冬眠激素的发现，就使人进行长距离的宇航成为可能。 人造海豚皮 海兽的流线型体型，一直是制造船体的模拟对象。但近年来研究发现，海豚、鲸的快速游泳能力不仅与流线型体型有关，还与它们皮肤的特殊构造有关。海豚的皮肤分两层，外层薄而富有弹性，其弹性类似于最好的汽车用橡胶。外层下面头层或刺状层，这一层生有无数个中空突起物，好像一根根圆型的管子插在表皮层内。乳头下面是稠密的胶原纤维和弹性纤维，其间充满脂肪。这种特殊的柔软而具弹性结构的皮肤，能使水流从它表面顺利流过，同时也吸收和消除了阻碍前进的水流旋涡，起着消振器的作用，使水流的振动减弱，防止湍流的发展和水流的破坏，从而大大减少了运动的阻力。 人工仿制的海豚皮由三层橡胶组成，总厚度2.5毫米，外层平滑，厚0.5毫米，模仿海豚的表皮层；中层有橡胶乳头，乳头之间的空间充满了粘滞性的硅树脂液体，它模仿海豚的真皮及胶原组织和脂肪；再下层是厚0.5毫米的支持板，与船体接触。试验结果证明，蒙上这种人造海豚皮的鱼雷和潜艇，在水中运动的阻力减少一半，从而使航速提高一倍，而且还有潜力可使阻力进一步降低。今后远洋客轮要是采用这种“海豚皮”，时速完全可以达到每小时100～200公里。不仅如此，类似结构的薄膜也可能推广应用于飞机和火箭，即使是日常生活和工业生产中也有它的用场，如自来水管道、煤气管道，消防用高压水龙带，工业生产中的石油输送管道等等的管道内壁上衬上这种薄膜，同样也能大大减少摩擦阻力，从而节省输送流体的动力，提高输送效能。 人工合成植物激素 高等植物的生长发育是一个复杂的过程，一方面需要一定的外界条件的配合，另一方面还直接受体内激素的控制。尽管植物激素种类繁多，但是它们都有两个共同的性质：都是植物身体自己合成出来的；只要很微小的浓度，就能够对植物的生长发育产生很大的影响。 各种植物激素被陆续发现以后，科学家们就自然想到了人工合成植物激素，用来控制植物的生长。于是，有很多人工合成的植物激素应运而生。科学家们把这些人工合成的化学物质叫做植物生长调节物质。到现在，人工合成的植物生长调节已经有100多种。由于这些生长调节物质的应用，使农业有了新的发展，为现代农业生产提供了一些新的技术。 已经成为植物生长延缓剂一类化学药物中的佼佼者的矮壮素，就是其中之一。它能使植物矮化，基杆变粗，节间缩短，叶片变密，颜色变深和根系扎得深。同时还具有延缓种子萌发和改变植物开花期的本领。比如，用千分之一到百万分之一的矮壮素溶液喷洒蕃茄幼苗，可以使植株长成矮粗的茎和深绿色的叶，加快发育过程。因此，在隆冬季节里，人们也能吃上温室里的美味多汁的新鲜西红柿。矮壮素还能增强植物的抗倒伏性、抗旱性、抗病性、抗虫性抗盐性、抗寒性和抗药性。 还有一种人工合成的生长调节物质叫做“2，4—D”，它的效果比天然生长素更好。更有意义的是，把它喷洒在某些杂草的叶片上，这些杂草的根、茎等部分的营养成分就会被吸引到喷过药的叶片里头。这样，根和茎缺少养分，整棵杂草很快就会死掉。 仿生农药 在生物学界，人们曾反复考虑这样一个问题：绿色植物的一生，春发芽，夏长叶，秋结果，看起来逍遥自在，与世无争，实际上却无时无刻不遭受着害虫的攻击，时刻面临灭顶之灾，何以仍能生息繁衍？生物学家作过详实的调查研究：一只雌性害虫，每胎可产卵几百粒，甚至上千粒，一生能生育十几代，甚至几十代，呈几何级数增殖，即使树木花草叶片再多，一年之内也可几度被害虫吃光，何以植物仍能代代相传，繁衍至今？ 原来，草木并非束手就擒的无能辈，却拥有种种常人难以察现的生存本领。新生的嫩芽、幼叶、幼果是害虫不可多得的美餐，但有些害虫一经取食即自取灭亡，因为其中潜藏着种种“秘密武器”，如蕃茄碱、茄碱棉粉酚、生氰苷、强心苷..，这些杀虫物质数量虽少，但能给害虫以致命的一击，被人们叫做“防卫素”；在业已长大的枝叶中，虽无这类防卫物质，但有时却大量积存单宁、五羟黄酮、绿原酸等特殊分泌物，具有难以入口的苦涩味，使前来偷食的害虫一经品尝就倒了胃口，被人们叫做“拒食素”；和高等动物的免疫功能相似，许多绿色植物在遭受病虫攻击后可产生种种抗生素，破坏病菌和害虫的生理功能，使病虫丧失生育和生存能力。例如香枞树能分泌“保幼酮”，使红椿象的卵难以成熟，幼虫“老不大”，难以蜕变成蛹和成虫，绝了后代；菊科植物遭害时能分泌“早熟烯”，使大乳草蝽的蛹未熟先衰，难以羽化成具有生育能力的成虫；有些植物还能分泌“光敏素”，害虫吃下这种含有光敏素的枝叶会变得十分怕光，无法找到安身栖息的场所；玉米遭害时可分泌“拒产信息素”，使玉米螟不愿再上玉米枝叶产卵，橄榄树遭害时流出的树液中含有“占领信息素”，使果蝇闻风而逃，不敢再上橄榄树为害。 在多种草木群居的植物群体中，有些草木还能保护“邻居”不受侵害：当杨、柳树遭受天幕毛虫侵害时，能向周围树木发布受害信息，促进其他树木增加防卫物质的分泌量，加速分泌速度；在棉花和蓖麻混栽的农田里，蓖麻的气味可驱赶棉花叶跳虫；如将辣椒和丝瓜混栽，丝瓜叶片散布的气味因具有催产功能，使业已怀胎的雌性害虫“早产”，这些早产的虫卵可因先天不足而发育不良。 和目前常用的化学农药比较，植物分泌的杀虫物质不仅具有高效的杀虫功能，而且不危及人畜，不损伤害虫的天敌，不污染环境，不损害自然界的生态平衡。可见，模仿植物杀虫物质，开发仿生农药，是有无可估量的效益和前景的。 使用化学合成的方法，模拟植物杀虫物质的分子结构，制作生物农药，已在世界各地广泛应用。生物学还准备使用生物工程手段，将植物体内控制杀虫物质合成和分泌的基因切割出来，置入能高速增殖的单细胞生物体内，大量生产生物杀虫物质，提炼仿生农药，供应农业需求。 人工鳃 水生脊椎动物用鳃呼吸，陆生脊椎动物用肺呼吸。陆生脊椎动物是由水生脊椎动物演化而来，因为，很多用肺呼吸的动物，在它们的胚胎发育过程中，尚须经过鳃的阶段，虽然鳃和肺的呼吸原理基本相同，动物都是不断地吸收氧和呼出二氧化碳。氧和二氧化碳都是气体，都是通过湿润的膜交换气体。但是，鳃适应于在水中交换气体，而肺适应于在空气中交换气体。由于空气中的含氧量比水中的含氧量大20倍以上，而且氧气在水中的弥散率很低，所以在水中吸取氧要困难得多。 从水生到陆生，呼吸空气中的氧气是一个要解决的问题。同样，一些用肺呼吸的动物重新回到水中去过水中生活也要解决一个呼吸水中氧气的问题。即便是已完全在水中生活的鲸类，无论能屏气多长时间，只要在水中逗留一段时间后，总要浮至水面，呼吸空气中的氧，经换气后才能再潜入水中。 尽管国内外有些人经过训练，能在水下屏气较长时间，但最多坚持不到10分钟，而且也仅是在水中屏屏气而已，已屏得脸红颈胀，不必说本人感到难受，就连旁观者也感到怪难受的，又怎能谈得上在水中作业呢。动物要维持生命必须要消耗氧气，于是血液中的二氧化碳就会逐渐增多，而一些陆生动物对血液中的二氧化碳非常敏感，当二氧化碳达到一定的浓度时，就会刺激神经中枢，引起强呼吸，这就是一些陆生动物不能长时间屏气的道理。人由于某些需要，到水中去进行较长时间的作业，就必须背上氧气瓶，即使是乘坐潜水器也需要有氧气供给装置，这些供氧器既笨重又麻烦，因为氧气耗尽时必须充氧才能再次下水。人为了能早日研制出较理想的新型供氧器材，就想了解水中动物呼吸的奥妙。鱼终生生活在水中，是动物中最适应水环境的一大类群。鱼鳃在水中呼吸器官中是发展得最好的。 所谓鱼鳃，通常是由鳃瓣组成。鳃瓣是在咽喉两侧一系列片状物上面长有许多鳃丝，鳃瓣与鳃瓣之间的裂口叫鳃裂，每个鳃瓣由前后两个半鳃组成。 软骨鱼每侧有9个半鳃，硬骨鱼每侧有8个半鳃。软骨鱼的鳃裂直接开口于体外；而硬骨鱼鳃裂外面有一个鳃盖，这样鳃裂就被保护在鳃腔内，以一个鳃盖裂口与体外相通。软骨鱼两个半鳃间有鳃间隔支持，在鳃间隔内缘有半圆形的鳃弧，其向外的一边有许多红色细丝，这就是鳃丝。鳃丝上布满了微血管，气体交换就在这里进行。鳃弧向内的一边，附有许多突起，叫鳃耙，起防止泥沙等物进入鳃内和微小食物逸出的作用。硬骨鱼无鳃间隔，两个半鳃完全靠拢在一起。鳃丝微血管的膜非常薄，是一种具有选择性和通透性的生物膜，它能透过氧和二氧化碳，而水不能透过。 鱼进行呼吸时，先将咽部扩大，鳃盖和喉头闭紧，水从口流入后，将口闭合，喉部收缩，水流经鳃进行气体交换，鳃盖张开，让水流出。鳃丝微血管膜的基本结构通常认为是具有疏水性的膜蛋白和不连续的双层磷脂的镶嵌结构。在双层磷脂分子的排列中，膜的中间部分是由磷脂分子的脂肪酸碳氢链形成的非极性区，它对水溶性物质起阻隔作用，膜的选择性输送是由镶嵌在膜上“载体”蛋白的作用来完成的。载体蛋白在膜内外两面运动，与被运送的物质形成可逆性结合，通过膜的非极性区，再释放出来。气体从分压高的地方向低的地方扩散，氧扩散到微血管内与红细胞中的血红蛋白疏松地结合成氧合血红蛋白，随血液扩散到身体的各个组织细胞去。与之相反，二氧化碳由组织产生，扩散入血管，与血红蛋白结合，随血液到鳃排出。当鱼塘中氧气不足时，鱼被迫浮至水面，吞食空气，叫做“泛塘”，是养鱼业大忌，若不及时处理，会造成大批鱼的死亡。有些鱼有副呼吸器官，如攀鲈鳃上的副鳃腔，腔内有薄片，膜薄而富含微血管，与喉相通，可以辅助呼吸空气；泥鳅可用肠呼吸；淡水鳗可用皮肤呼吸等。 美国纽约一家实验室的劳勃博士模拟鱼鳃，用两层硅酮橡胶薄膜制成人工鳃，每层膜仅一万分之一厘米厚。这种膜只允许水中的氧通过而将水阻隔在膜外，二氧化碳也能从膜中透过。但是，这种膜想实际应用，目前尚有困难。因为一个人在静止时，每分钟至少要吸取250毫升左右的氧气，要供应一个人一小时的氧，这种膜就得要有2平方米那么大。 美国达克大学玛丽实验室的研究人员研制成一种“人工鳃”叫血海绵，它是一种高聚化合物，能从海水中提取出氧气。他们将一种血珠蛋白固定在聚氨基甲酸乙酯上，并保持血珠蛋白的生理活性，利用血珠蛋白从海水中不断地吸取氧气。据说用这种血海绵制成一只宽1.5米、长3米的供氧器可以供150人用。 有一种水蜘蛛，它和鲸一样也是从陆生重返水中生活，因为它的呼吸器官是书肺和气管。书肺是蛛形纲动物的一大特点，是从腹部体表内陷而成的囊状构造，内有很薄的书页状的突片，是适应空气呼吸的结构。但是，水蜘蛛却生活于淡水中，在水下的水草间结钟形的网，呈囊状，水蜘蛛腹部密生茸毛，不易浸湿，在潜水前先将水面空气在茸毛间形成气泡，然后带入网内，以供呼吸。水蜘蛛的这种潜水本领引起人们极大的兴趣。经过研究人们发现，如果能在水下营造一个空囊，水中氧气就会逐渐充满这个空间。于是科学家用硅酮橡胶薄膜在水下建造了一个空间，使水中的氧慢慢充入。经试验，每平方米每分钟可透入10毫升的溶解氧。如果能提高溶解氧的透入量，就可望解决人的水下呼吸问题。 人工肾 兽类的肾脏是一种高效的过滤器，血流经过肾脏时，除了红血球、白血球和大分子的蛋白质外，都会通过细胞膜滤到其囊腔内形成原尿。模拟制造出人工肾在工业上可分离液体混合物，如咸水和海水淡化，污水处理，海水采矿，气体分离，以及净化、分离、浓缩某些物质等，都用得上特殊性质的人工肾超滤膜装置。 人造耳 人耳分为外、中、内三部分。外耳是指耳廓和外耳道；中耳由鼓膜和3块听小骨组成；内耳主要包括耳蜗和听觉神经。外耳和中耳这两部分出了故障所引起的耳聋叫传导性耳聋，现在基本上已经有了医疗措施，也可以用助听器来弥补听力的不足。而内耳的耳蜗内有许多听毛细胞和听觉神经相连，是一个声电换能器。声波经过外耳道引起鼓膜和听小骨的振动，传到内耳后，耳蜗把传来的声能转换成电能，即把声波转变成电信号，产生的电信号通过听觉神经纤维传到大脑皮层负责听觉的部分，产生听觉，这时人们才感知声音。所以，由内耳疾患引起的失聪，称为感觉性耳聋。对此，助听器也无能为力。 对于感觉性耳聋，许多国家进行了大量的研究和探索，试图用人工方法恢复这些患者的听觉。自18世纪90年代开始，经过100多年的研究，人们才开始对耳聋研究有了有意义的突破。1957年，法国人丢尔诺和艾利首先用电极直接刺激全耳聋病人听觉神经，使之产生听觉。以后许多学者陆续对此进行研究，他们制造了一种特别的微电极植入耳蜗内，借助外部输入的电信号刺激听觉神经末梢，来代替丧失了转换功能的耳蜗，使聋人产生一定的听觉。这种用电子技术模拟耳蜗功能的装置，叫人工耳蜗。人工耳蜗主要有两部分组成，一部分埋藏于耳蜗内的微电极，可以把经过适当处理后的电信号送到听神经纤维上，产生音感，另一部分是把生活中的声音转换成符合人耳特性的电信号的声电换能刺激器。 近年来，随着电子计算机的发展，人工耳蜗应用微处理机对输入信号进行分频、处理、编码和综合后，可以使聋人获得更好的分辨声音的能力。 人造牛胃 偶蹄类中的牛、羊、鹿、骆驼等都是反刍动物。反刍动物有特殊的复胃，复胃分成四个胃室：瘤胃、蜂巢胃、重瓣胃和腺胃。其中前三部分是食道的变形，没有胃腺上皮，腺胃才是有腺体的真胃。瘤胃最大，占整个胃容量的80％，反刍动物如牛在吃草时在大量唾液作用下只简单咀嚼后就成团吞下，将粗草贮于瘤胃。牛瘤胃一次可容纳90千克草。瘤胃内有大量的纤毛虫和细菌及真菌共生，其作用就好比一只“发酵锅”。在微生物的作用下，纤维素和其他糖类发酵分解，并产生大量可燃烧的沼气。经分解后的细料进入蜂巢胃，粗料重回口中经再咀嚼后吞下，以后再继续发酵。蜂巢胃和瓣胃主要起转运站的作用，它们能吸收大量水分和酸。食物进入腺胃后，再进行最后的消化作用。 牛的复胃系统为人类提供了一种分解植物纤维素，开发生物能源的较好模型。“人造牛胃装置”通过微生物的作用，能直接把植物纤维素、木质素等分解并转化成人类可食用的蛋白质、脂肪或维生素，其产生的大量沼气，还可作为燃料。将来这种机器一旦投入应用，农村里的野草、树叶、秸杆或其他农产品的下脚废料，都有可能转化为营养物，甚至是牛肉，农村的燃料也将用之不竭。当然要达到这一步，目前还存在某些技术困难，但随着人类科学技术的进步，这一天终将会到来。 人造手 经过约200万年的过程，人为了求生，与环境相适应，逐渐学会了使自己的手适应于做各种各样的动作。从第一块石器开始到能缝制出精美的金缕玉衣，直至在一粒米雕刻唐诗300首的工艺。人手的结构同所有高等动物的前肢一样都是由肩、上臂、腕、掌和指组成。但是，人手的肩关节、肘关节、腕关节和指关节等部位至少有27个自由度。人手的优越性在于它功能的多样性，这是任何动物和机器都不能比拟的。你只要去查一下字典，有手字作部首的含有动词意思的字有多少，就足以说明人手能做的动作的多样性。人手的感觉非常灵敏，用手能感觉物体的轻重、软硬、粗细、干湿、大孝冷热等。蒙上你的眼睛，摊开手掌，在上面放上一块薄冰，问你这是什么东西？ 你肯定会不加思索地准确地说出这是块冰，并能说出它是冷的、硬的、薄的、轻的、湿的和光滑的等等性质来。盲人的手感就更灵敏了，用手摸盲文，代替了眼睛看书。 尽管人手是如此的多能，但毕竟不是万能，人还需要利用制作工具来弥补手功能的不足。自从瓦特发明蒸汽机后，机器逐步代替了人工劳动，推动了生产力。人们追求好的机器，以此完成人手所做不到的一些事，以及把人从危险的工作境地解脱出来，由机器去代劳。因此，对手的研究和仿生是不会被忽视的。一些残疾人不幸失去了手，高明的医生就给他装上假手，早期的假手是在外部用皮带和金属线来操纵假手的活动，利用使用者的肩部运动使它动作，基本上只有手指张开和合拢这样一个自由度。以后外科医生又用一种叫做“运动形成切断术”，把病人的肌肉固定在钢针上，再把钢针用电线连接起来去操纵假手活动，它的优点是使用者只要想把手捏拢来，假手指就会捏拢来，它是用肌肉本身来操纵假手的，但是，这种手术不适用于肌肉不发达的人。后来人们又进一步用肌电直接控制假手。什么是肌电呢？肌电是指大脑传给肌肉或器官的神经信号电脉冲，人手的活动是直接受大脑支配的，从大脑传给肌肉的神经电信号使肌肉和骨胳关节按指令动作。由于神经信号的电特性，所以神经电信号不但能操纵活的肌肉，同样也可用来操纵机械活动。50年代前苏联的科学家成功地制造了能工作的肌电手，这种假手从使用者成对的颉颃肌上引出神经电信号，经电子仪器放大后去控制假手的活动，他们将微型电动机配上电池安装在假手上作为动力的能源，在断肢上套上一个电极固定圈，使它紧贴皮肤，引导出手指伸肌和手指屈肌的神经电信号；再通过放大器加大电流强度，使假手活动。安装在假肢中的电池耗尽后可以利用晚上睡觉时给予充电。这种假肢能举起4.5公斤左右的重物，而且能完成一些较精巧的动作。我国上海假肢厂和上海生理研究所共同研究也制成肌电手，握力已达1公斤，他们将两片涂有导电性能良好的电极膏的银片电极，贴在颉颃肌外面的皮肤上，引导出神经电信号，通过放大器，去控制假手。肌电假手尚需解决的一个难题是人体的“噪声”会造成大量的虚假电信号，致使打一个喷嚏也会导致假手举起来。 肌电控制技术的研究给人一机合作打下了良好的基矗所谓人一机合作就是人和机器紧密地结合。人的所有随意动作都是受大脑支配的，由大脑发出神经电信号支配有关肌肉和骨骼关节而完成指定动作。既然能用肌电信号来操纵机械，那么也就有可能直接用大脑的电信号来操纵机械。也就是说操纵者在荧屏上观察由自己脑电控制的机械设备，只要操纵者想什么，被控制的设备就会按你所想的进行活动。人—机合作的好处是通过遥控，人不必身临危险地方工作，可以及时解决某些预测不到的问题，要比单独的人或单独的机器工作好。美国飞往火星工作的无人飞船“水手三号”在飞行途中突然发生故障，虽然飞船发出17个求救信号，但是由于金属保护罩不能打开，太阳电池板得不到日光，致使“水手三号”因缺乏动力而殒失，本来这个问题很易解决，只要去掉这个保护罩就行了。但是飞船的电子设备没有这道程序。 如果这只飞船是由人—机合作操作的，就可以及时解决这些意外困难。 人们给机器装上机械手，用来到危险作业地方去搬运重物，由于机械手受形状、大孝动力源方面的制约较少，因此设计的自由度也就大，许多国家已广泛使用机械手。1966年一架美国军用飞机在地中海上空失事，将一枚氢弹坠入海底，美国海军部用机械手式打捞器进行打捞，这个打捞器重达1吨，而它的机械手却能提起几吨重的物体。打捞器配备有摄象机、声波探测仪、定位仪和信号灯等各种精密仪器，以螺旋桨推动机器在海底移动，打捞器在海底的情况通过摄象机显示在指挥船的电视屏幕上，工程师们据此通过电子计算机对打捞器进行操纵。1969年前苏联戈尔夫级攻击型导弹潜艇在夏威夷西北海域沉没。美国海军派出“格拉玛”勘探号作业船进行打捞。这艘深海作业船用3部吊车将大型蟹爪式机械手放入海底，操作人员在船上通过电视屏幕控制机械手用5对夹钳把这艘长达百米的潜艇从5000米深的海底提起，由于艇身断裂，仅捞起艇首部分，而后半部分仍坠入海底。 仿真技术和人造现实感 人造现实感这个词是20世纪70年代中期就已经开始使用了，起先是使用仿真这个词的。说起仿真，大多数情况是指用计算机按照科学方法来阐述事物的场合，而且，更是适用于下列情况：用实际装置进行试验或实验要花庞大经费的场合；伴有危险状况的场合；开发新设备所花费用特别大。 那么，在许多场合让人也参与在模拟的现实世界中，能使人进入由计算机等硬件构成的世界，并使人感觉到宛如身临其境的体验，这就是仿真技术中的人造现实感。 这里以仿真技术的代表——模拟飞行器为例。模拟飞行器是飞机研制和飞行员培训中心不可少的装置。 模拟飞行器大致有五部分组成：一是操纵席部；二是外部视野装置；三是运动装置；四是实时运动计算机部；五是飞行员。其中与人有关的部分有：由触觉控制的操纵席部和引起视觉的外部视野装置以及产生体感的运动装置。 与视觉有关的是从窗户所见到的外部状况与实际状况是完全相同的。现在使用专用的视野发生装置，特别是近年利用晶体组织技术，能逼真地显示出云层、海面、飞机高空滑行姿态和山坡表面等有质感的图像。 进而，如加上图像变换技术，就可以把地形、建筑物的摄影定格，而且能逼真地制出与实际状况几乎完全相同的外部视野。为了体验身临其境的感觉，可利用仿真技术显示无限远的境界，宽广的境界直至圆顶形天空的境界。 最近正在研究头戴显示屏式的眼镜，飞行员只要戴上它，就可以观察外部视野。 与体感有关的是运动装置，它是用于驱动飞行员的操纵座位的，使飞行员可以从身体上直接感觉到飞行运动的加速度。 用上述视觉甚至触觉的仿真技术，除用于航空方面外，在原子能、医学、化学等方面都有需要。 现在进行的人造现实感的研究，其研究课题是用最简便的器具模仿人类相应的视觉、触觉等感官，构成有较高逼真度的人造现实感系统。 仿生学在21世纪将大有用武之地 我们都知道，奶牛吃下去的饲料主要是草，但挤出来的却是雪白雪白的牛奶，而牛奶可以说是营养最全面、最丰富，也最受人们普遍欢迎的天然食品之一。 于是，有的科学家就大胆地进行设想，能不能搞一个“牛奶生产流水线”，模仿奶牛的整个吞食、消化、吸收系统，包括粉碎、搅拌、振荡、消化酶的催化、加温加压、残渣排除以至生物化学溶剂作用下的分子结构的转化等一系列过程，最后达到的效果将是：在这种流水线的一头送进去的是草，而另一头则喷射出白花花的牛奶。这样的流水线该有多奇妙呀！不要认为这只是痴人说梦，从理论和技术角度来讲，这种前景是完全有可能达到的，而这就是所谓“仿生学”的研究目标和任务。 “仿生学”是在本世纪中叶开始进入实质性开发的。当时有的科学家发现蝙蝠实际上没有眼睛，可是它却能快速飞行捕食，而且不会撞击在树干或其他物体上。这是什么道理呢？通过研究，科学家们发现，蝙蝠身体内分别有一个小小的然而十分灵敏的超声波发射器和一个吸收器，它在飞行过程中不断地发射出声波，声波遇到任何障碍物都会立刻折射回来，并被吸收器获取，这个信息马上会反应到蝙蝠的神经中枢，从而指挥它的飞行系统迅即改变飞行方向。我们如果仔细观察一下蝙蝠在暮色苍茫中疾速地飞来转去捕食昆虫的行动轨迹，就能体会到它的声纳系统有多么奇妙了。后来，科学家们模仿蝙蝠体内的这种结构，制造出了多种用途的声纳仪器，可广泛运用于军事、航海、捕鱼、探测等各个方面。 还有一种小甲虫，叫象鼻虫。它的眼睛是复眼，呈半球形，许多小眼排列在曲面上。在飞行中，不同的小眼是在不同的时刻看到外界同一个物体的。 象鼻虫根据各个小眼看到同一个物体的时间差以及自身在此期间飞过的距离，可以飞快地“计算”出它相对于地面的飞行速度，它的眼睛是天然速度计。模仿象鼻虫复眼的这种功能原理，人们研制成了一种测量飞机着陆时相对于地面的移动速度仪器—地速计，已经在飞机上普遍使用。这种地速计也可用来测量导弹攻击目标时的相对速度。 大自然中的许多生物各有其千奇百怪的特殊生理功能，如果能把它们广泛运用于人类的机械、仪器和工艺，将能使科学技术和工农业生产出现新的飞跃，因此，不少科学家断言，仿生学在下一个世纪将成为最有前途的新技术学科之一，它将为人类进步作出巨大的不可估量的贡献。 |
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