部分“仿生學”實例
蒼蠅與宇宙飛船
令人討厭的蒼蠅,與宏偉的航天事業(yè)似乎風馬牛不相及,但仿生學卻把它們緊密地聯(lián)系起來了.
蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”,凡是腥臭污穢的地方,都有它們的蹤跡.蒼蠅的嗅覺特別靈敏,遠在幾千米外的氣味也能嗅到.但是蒼蠅并沒有“鼻子”,它靠什么來充當嗅覺的呢? 原來,蒼蠅的“鼻子”——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上.
每個“鼻子”只有一個“鼻孔”與外界相通,內(nèi)含上百個嗅覺神經(jīng)細胞.若有氣味進入“鼻孔”,這些神經(jīng)立即把氣味刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)電脈沖,送往大腦.大腦根據(jù)不同氣味物質(zhì)所產(chǎn)生的神經(jīng)電脈沖的不同,就可區(qū)別出不同氣味的物質(zhì).因此,蒼蠅的觸角像是一臺靈敏的氣體分析儀.
仿生學家由此得到啟發(fā),根據(jù)蒼蠅嗅覺器的結(jié)構(gòu)和功能,仿制成功一種十分奇特的小型氣體分析儀.這種儀器的“探頭”不是金屬,而是活的蒼蠅.就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經(jīng)上,將引導出來的神經(jīng)電信號經(jīng)電子線路放大后,送給分析器；分析器一經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣味物質(zhì)的信號,便能發(fā)出警報.這種儀器已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來檢測艙內(nèi)氣體的成分.
這種小型氣體分析儀,也可測量潛水艇和礦井里的有害氣體.利用這種原理,還可用來改進計算機的輸入裝置和有關(guān)氣體色層分析儀的結(jié)構(gòu)原理中.
從螢火蟲到人工冷光
自從人類發(fā)明了電燈,生活變得方便、豐富多了.但電燈只能將電能的很少一部分轉(zhuǎn)變成可見光,其余大部分都以熱能的形式浪費掉了,而且電燈的熱射線有害于人眼.那么,有沒有只發(fā)光不發(fā)熱的光源呢? 人類又把目光投向了大自然.
在自然界中,有許多生物都能發(fā)光,如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等,而且這些動物發(fā)出的光都不產(chǎn)生熱,所以又被稱為“冷光”.
在眾多的發(fā)光動物中,螢火蟲是其中的一類.螢火蟲約有1 500種,它們發(fā)出的冷光的顏色有黃綠色、橙色,光的亮度也各不相同.螢火蟲發(fā)出冷光不僅具有很高的發(fā)光效率,而且發(fā)出的冷光一般都很柔和,很適合人類的眼睛,光的強度也比較高.因此,生物光是一種人類理想的光.
科學家研究發(fā)現(xiàn),螢火蟲的發(fā)光器位于腹部.這個發(fā)光器由發(fā)光層、透明層和反射層三部分組成.發(fā)光層擁有幾千個發(fā)光細胞,它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質(zhì).在熒光酶的作用下,熒光素在細胞內(nèi)水分的參與下,與氧化合便發(fā)出熒光.螢火蟲的發(fā)光,實質(zhì)上是把化學能轉(zhuǎn)變成光能的過程.
早在40年代,人們根據(jù)對螢火蟲的研究,創(chuàng)造了日光燈,使人類的照明光源發(fā)生了很大變化.近年來,科學家先是從螢火蟲的發(fā)光器中分離出了純熒光素,后來又分離出了熒光酶,接著,又用化學方法人工合成了熒光素.由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈.由于這種光沒有電源,不會產(chǎn)生磁場,因而可以在生物光源的照明下,做清除磁性水雷等工作.
現(xiàn)在,人們已能用摻和某些化學物質(zhì)的方法得到類似生物光的冷光,作為安全照明用.
電魚與伏特電池
自然界中有許多生物都能產(chǎn)生電,僅僅是魚類就有500余種 .人們將這些能放電的魚,統(tǒng)稱為“電魚”.
各種電魚放電的本領(lǐng)各不相同.放電能力最強的是電鰩、電鯰和電鰻.中等大小的電鰩能產(chǎn)生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產(chǎn)生的電壓高達220伏；非洲電鯰能產(chǎn)生350伏的電壓；電鰻能產(chǎn)生500伏的電壓,有一種南美洲電鰻竟能產(chǎn)生高達880伏的電壓,稱得上電擊冠軍,據(jù)說它能擊斃像馬那樣的大動物.
電魚放電的奧秘究竟在哪里?經(jīng)過對電魚的解剖研究, 終于發(fā)現(xiàn)在電魚體內(nèi)有一種奇特的發(fā)電器官.這些發(fā)電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構(gòu)成的.由于電魚的種類不同,所以發(fā)電器的形狀、位置、電板數(shù)都不一樣.電鰻的發(fā)電器呈棱形,位于尾部脊椎兩側(cè)的肌肉中；電鰩的發(fā)電器形似扁平的腎臟,排列在身體中線兩側(cè),共有200萬塊電板;電鯰的發(fā)電器起源于某種腺體,位于皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板.單個電板產(chǎn)生的電壓很微弱,但由于電板很多,產(chǎn)生的電壓就很大了.
電魚這種非凡的本領(lǐng),引起了人們極大的興趣.19世紀初,意大利物理學家伏特,以電魚發(fā)電器官為模型,設(shè)計出世界上最早的伏打電池.因為這種電池是根據(jù)電魚的天然發(fā)電器設(shè)計的,所以把它叫做“人造電器官”.對電魚的研究,還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚的發(fā)電器官,那么,船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決.
水母的順風耳
“燕子低飛行將雨,蟬鳴雨中天放晴.”生物的行為與天氣的變化有一定關(guān)系.沿海漁民都知道,生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海,就預(yù)示著風暴即將來臨.
水母,又叫海蜇,是一種古老的腔腸動物,早在5億年前,它就漂浮在海洋里了.這種低等動物有預(yù)測風暴的本能,每當風暴來臨前,它就游向大海避難去了.
原來,在藍色的海洋上,由空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生的次聲波 (頻率為每秒8—13次),總是風暴來臨的前奏曲.這種次聲波人耳無法聽到,小小的水母卻很敏感.仿生學家發(fā)現(xiàn),水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄,柄上有個小球,球內(nèi)有塊小小的聽石,當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時,聽石就剌激球壁上的神經(jīng)感受器,于是水母就聽到了正在來臨的風暴的隆隆聲.
仿生學家仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能,設(shè)計了水母耳風暴預(yù)測儀,相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官.把這種儀器安裝在艦船的前甲板上,當接受到風暴的次聲波時,可令旋轉(zhuǎn)360°的喇叭自行停止旋轉(zhuǎn),它所指的方向,就是風暴前進的方向；指示器上的讀數(shù)即可告知風暴的強度.這種預(yù)測儀能提前15小時對風暴作出預(yù)報,對航海和漁業(yè)的安全都有重要意義.