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昆虫的启示 |
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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像系统，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像。 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像来。用这种照相机可以进行邮票印刷的制版工作。 萤火虫与照明光源 萤火虫会发光，很多人都知道。在夏季的夜晚，走到庭园或田野里去，当你看到一闪一闪的流萤飞舞在灌木丛的上空，就像一盏盏小灯笼，可能会脱口喊出“萤火虫”三个字来。萤火虫发光是为了照明吗？不是，它的发光是作为一种招引异性的信号。停在叶片上的雌萤火虫见到飞过的雄萤火虫发出的荧光后，立即放出断续的闪光，雄萤火虫见了就会朝它飞去。 在自然界除了萤火虫外，会发光的生物很多。动物界大约有1/3含有发光生物，海洋中会发光的细菌已知有70余种。热带和温带海面上出现的“海火”奇观，就是无数发光细菌聚集在一起放出的光所致。当然夜光虫更是“海火”的生成者。在某些深海水域，几乎95％的深海鱼类都会发光，一种斧头鱼，身体只有5厘米长，浑身透明，具有一系列的发光器，它在光线难以透进的深海中发光扩散而照亮了一定的范围，使得斧头鱼能在黑暗中认别同类，群聚或寻找对象。其实人本身也能发光，当然放出的光绝不会像神话小说中所描述的那样头上有光环，而是放出肉眼所不能见到的超微光。 人们对发光生物发出的生物光产生了浓厚的兴趣，这是因为：（1）生物光的效能实在太高。古书《古今秘苑》记载有：古时我国渔民用百多只萤火虫装入一个吹胀的羊膀胱内，将它结扎在渔网底下，就能招来鱼群，从而提高捕鱼量。数十只萤火虫装入囊中放出的光量就能解决车胤的夜读照明问 -14题。据测定，一个发光细菌所发出的光相当于1.9×10烛光。如此高效能的光源是不会不被人们注意的；（2）爱迪生发明了电灯，取代了用火照明。电灯无烟，光亮而且安全。但是，当你靠近开亮的电灯泡，就会感觉到热，愈是接近愈觉得热，这说明电只有使灯泡的钨丝烧热才能发光，而且大部分能量都以红外线形式转变成热散发了。此外，这种热线对人眼是无益的，而生物光是目前已知唯一不产生热的光源，因此也叫“冷光源”，其发光效率可达 100％，全部能量都用在发光上，没有把能量消耗在热或其他无用的辐射上，这是其他光源办不到的。 人们研究生物光，虽然对生物发光的机制还了解得不多，但就现有的研究和了解，已取得一定的效益。通过对萤火虫的研究，已知萤火虫约有1500多种，各自发出不同的光，作为自己特有的求偶信号，不同种之间不会产生误会。萤火虫的发光部位是在腹部，那里的表皮透明，好像一扇玻璃小窗，有一个虹膜状的结构可控制光量，小窗下面是含有数千个发光细胞的发光层，其后是一层反光细胞，再后是一层色素层，可防止光线进入体内。发光细胞是一种腺细胞，能分泌一种液体，内含两种含磷的化合物：一种是耐高热，易被氧化的物质叫荧光素；另一种不耐高热的结晶蛋白叫荧光酶，在发光过程中起着催化作用。在荧光酶的参与下，荧光素与氧化合就发出荧光，氧是从营养发光层的血管进入发光细胞的。由于血管随着它周围肌肉收缩而收缩，当血液中断供应时，氧就不能到达发光细胞，荧光也随之熄灭。生物发光需要氧，是英国学者波义耳在试验基础上发现的。波义耳将装有发光细菌瓶中的空气抽出，细菌立即停止发光。将空气重新注入，细菌又马上发光。后来才知道是空气中含氧所致。发光反应所需的能量是来自一种存在于一切生物体内的高能化合物，叫三磷酸腺苷，简称ATP。美国约翰·霍普金斯大学的研究人员将萤火虫的发光细胞层取下，制成粉末，将它弄湿就会发出淡黄色的荧光，当荧光熄灭时，若加入ATP溶液，荧光又会立即重现。说明粉末中的荧光素可被ATP激活。因此，荧火虫每次发光，荧光素与ATP相互作用而不断重新激活。 生物发光和光合作用都是“电子传递”现象。有人认为生物发光好像是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。 人们研究生物光是为了利用它，这种冷光源效能高、效率大、不发热、不产生其他辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等都是一种安全可靠的理想照明光源。人们还可以设法模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板，使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，到晚上再将光能放出来。 人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光创造出一种新的高效光源——冷光源成为可能。但是，人们对生物发光的认识还很肤浅，就拿研究得较多的萤火虫来说，萤火虫发光是为了交配，然而萤火虫的卵刚产下时，内部也发着光，萤火虫幼虫也会发光，这些又是为什么？它们是怎样发光的？人们都还不了解。因此，人类对生物发光研究得越清楚，对于创造这种新光源必然会越有利。 蝴蝶与温控系统 如果你有机会参观美国航天器博物馆，那里的讲解者将向你介绍，在解决人造地球卫星的温度控制方面，蝴蝶立下了“汗马功劳”。原来有一种蝴蝶的身体表面覆盖有一层细小的鳞片。当阳光直射，气温升高时，这些鳞片就会自动张开，以减小太阳光照射的角度，对太阳光能量的吸收随之减少；当外界气温下降的时候，这些鳞片又会自动地闭合，紧贴住蝴蝶的体表，让太阳光直射在鳞片上，从而使蝴蝶能吸收更多的太阳光能量。这样，蝴蝶就可以在外界空气有较大变化的条件下，仍然使自己的体温控制在一个正常的范围之内。 人造地球卫星在太空中遨游，它和太阳、地球的相对位置每时每刻都在发生着变化。就拿一颗离地球300公里左右的轨道上运行的人造卫星来说，大约在65％～70％的时间内，它所处的轨道位置可以受到太阳光的强烈辐照，以致使卫星的温度有可能上升到摄氏一二百度；在其余的时间内，卫星将在地球的阴影区内运动，由于没有太阳光的辐射，卫星的温度有可能下降到摄氏零下一二百度。 为了不让卫星内部的各种仪器冻坏或烧毁，必须对卫星采取各种控温措施。其中有一种控温系统就与蝴蝶调节体温结构有着异曲同工之妙。这种控温系统外形很像百叶窗，每扇叶片的两个表面的辐射散热能力不同，一个很大，而另一个非常小。百叶窗的转动部位装有一种对温度很敏感、热胀冷缩性能特别明显的金属丝。当卫星温度急剧升高的时候，金属丝迅速膨胀，立即使叶片张开，辐射散热能力大的那个表面朝向太空，帮助卫星散热降低温度；当卫星温度突然下降的时候，金属丝会马上冷缩，并使每扇叶片闭合，让辐射散热能力小的那个表面暴露在太空，抑制卫星的散热，起到控温的作用。 蜗牛与复合陶瓷材料 在潮湿的地上，或者在树枝上，蔬菜的叶子上，常会见到蜗牛的活动。它们背着自己重重的壳，慢慢地向前蠕动，有一点儿风吹草动，软软的身子马上缩回壳里。 蜗牛的壳很坚固，它给科学家们以极大启示。 蜗牛等软体动物的壳实质上是一种由碳酸钙层和薄的蛋白质层交替地组成的层状结构。碳酸钙硬而脆，但蛋白质层交替地夹在其中，能防止碳酸钙层的裂纹蔓延，从而使蜗牛壳变得又硬又韧。 最近，英国剑桥大学的科研小组研制出了一种类似蜗牛壳的层状组织，即用150微米厚的碳化硅陶瓷层和5微米厚的石墨层交替地叠加热压成复合陶瓷材料。碳化硅是一种非常硬而脆的陶瓷，但由于夹在中间的石墨层可以分散应力，又可以阻止一层碳化硅中的裂纹蔓延到另一层碳化硅中，因而不易碎裂，这就是仿生复合陶瓷材料。 仿生复合陶瓷材料可用来制造喷气发动机和燃气涡轮机的零件，如涡轮片等，它们不仅可以提高发动机的工作温度，还可以减少喷气发动机和燃气轮机对空气的污染。 蚂蚁与人造肌肉发动机 蚂蚁是动物界的小动物，可是它有很大的力气。如果你称一下蚂蚁的体重和它所搬运物体的重量，你就会感到十分惊讶！它所举起的重量，竟超过它的体重差不多有100倍。世界上从来没有一个人能够举起超过他本身体重3倍的重量，从这个意义上说，蚂蚁的力气比人的力气大得多了。 这个“大力士”的力量是从哪里来的呢？ 看来，这似乎是一个有趣的“谜”。科学家进行了大量实验研究后，终于揭穿了这个“谜”。 原来，它脚爪里的肌肉是一个效率非常高的“原动机”，比航空发动机的效率还要高好几倍，因此能产生这么大的力量。我们知道，任何一台发动机都需要有一定的燃料，如汽油、柴油、煤油或其他重油。但是，供给“肌肉发动机”的是一种特殊的燃料。这种“燃料”并不燃烧，却同样能够把潜藏的能量释放出来转变为机械能。不燃烧也就没有热损失，效率自然就大大提高。化学家们已经知道了这种“特殊燃料”的成分，它是一种十分复杂的磷的化合物。 这就是说，在蚂蚁的脚爪里，藏有几十亿台微妙的小电动机作为动力。 这个发现，激起了科学家们的一个强烈愿望——制造类似的“人造肌肉发动机”。 从发展前途来看，如果把蚂蚁脚爪那样有力而灵巧的自动设备用到技术上，那将会引起技术上的根本变革，那时电梯、起重机和其他机器的面貌将焕然一新。 现在我们用的起重机一般也是靠电动机工作的，但是作功的效率比起蚂蚁来可差远了。为什么呢？因为火力发电要靠烧煤，使水变成蒸汽，蒸汽推动叶轮，带动发电机发电。这中间经过了将化学能变为热能，热能变成机械能，机械能变成电能这么几个过程。在这些过程中，燃烧所产生的热能，有一部分白白地跑掉了，有一部分因为要克服机械转动所产生的摩擦力而消耗掉了，所以这种发动机效率很低，只有30～40％。而蚂蚁发动机利用肌肉里的特殊燃料直接变成电能，损耗很少，所以效率很高。 人们从蚂蚁发动机中得到启发，制造出了一种将化学能直接变成电能的燃料电池。这种电池利用燃料进行氧化—还原反应来直接发电。它没有燃烧过程，所以效率很高，达到70～90％。 尺蠖与坦克 有种动物叫尺蠖，它前进的时候是身体一屈一伸地行动，人们模仿它的行走方式，制造出了一种带有行走部分的轻型坦克。这种坦克能够越过较大的障碍物，当它隐蔽在掩体里时，能升起炮塔射击，射击后再隐蔽起来。这种坦克的通行能力比以前的坦克提高了许多。 设计人员还模仿双壳贝壳的构造，设计了具有较好流线型的炮塔，并大大降低了坦克高度。这种坦克车内的武器装备排列得十分紧密，是模仿软体动物的消化器官排列的。像软体动物吃食物那样，炮弹从弹药盒进入炮塔，而后沿类似于食道的送弹槽被送到类似于胃的炮的后部，周围的类似于消化腺的药室则可收集和排出射击时产生的火药气体。在像贝壳的顶盖下面，有两个供坦克乘员半躺的座椅。这一方案，是为解决现代坦克的重要设计问题的一种卓有成效的尝试。 苍蝇与气体分析仪 苍蝇也有惊人的嗅觉，它的非常灵敏的嗅觉感受器分布在触角上。这种感受器能把气味物质的刺激立即转变成神经电脉冲。模仿苍蝇嗅觉器官制成的灵敏度很高的小型气体分析仪，已用于分析宇宙飞船座舱里的气体。 蚕与人造丝 走进商店里，大家常会被那绚丽的丝绸所吸引。舒适的感觉，明艳的色泽，给人以极大的诱惑。在夏季拥有丝绸做成的衣裙是许多女孩子的美好心愿。 丝绸是一种比较名贵的织物，我国是丝绸的故乡。直到现在，人们还常常把丝绸同中国的古老文明连在一起。河西走廊穿过茫茫大漠，将美丽的丝绸和文明一起带到欧洲，人们叫它“丝绸之路”。 在古时候，丝绸只有富人才穿得起，它有时候也就成了身份和地位的象征。从一首唐诗就可知当时的情景：“昨日入城市，归来泪满巾，遍身罗绮者，不是养蚕人。” 以前的丝绸，是用蚕吐出的丝做成的。人们经过研究发现，蚕丝是一种蛋白纤维。人们用桑树的叶子喂蚕，经过一段时间，蚕吐出丝，结成茧，人们把茧经过处理，抽出丝然后才能织出衣料。 随着时间的推移，天然的蚕丝越来越不能满足人们的生产需求。于是，人们便想，能不能模仿蚕吐丝用人工的方法生产“丝”呢？ 1855年，瑞士人奥蒂玛斯用硝化纤维溶液成功地制取出纤维。1884年，法国人夏尔多内将硝酸纤维素溶解在乙醇或乙醚中制成粘稠液，再通过细管吹到空气中凝固而成细丝。1891年在法国贝桑松建厂进行工业生产，但由于这种纤维易燃，生产中使用的溶剂易爆，纤维质量差，不能大量发展。 不久以后，人造纤维的大规模生产就变为现实。 1933年，蛋白质纤维开始生产。人造丝的生产，为纺织业提供了大量原料。1922年，世界人造丝产量超过了真丝的产量。 现在，我们见到的那些五光十色的丝绸，大部分都是人造丝。如今的丝绸，已经进入百姓家。 蜘蛛的启示 有些辛勤的昆虫，昼夜寻花采蜜，它们凭着什么样的夜视眼才能摸黑飞行呢？有人这样假想，它们可能装备了紫外线“雷达”。那些晚间靠昆虫授粉的花儿受了昆虫发出的紫外线照射，便会放出明亮的光芒，昆虫接受到这种回波便追踪而至。同时，人们发现，蜘蛛和它们的网在紫外线照射下却丝毫不发光，这样那些夜行的昆虫就不免误投罗网了。蛛网一经触动，哪怕是极轻微的震动，蜘蛛腿上特别灵敏的振动传感器立即就感受到了，稳坐蛛网中央的蜘蛛，便会飞奔过去，把昆虫逮住，美餐一顿。 科学家现已探明，蜘蛛的飞毛腿根本没有肌肉，甚至连肌肉纤维也没有。最令人感兴趣的是它的跳跃不是由肌肉，而是依靠压向大腿的体液来提供动力的。蜘蛛的脚竟是一种独特的液压传动机构，在这个装置中的液体就是血液。进一步研究证明，它们依靠这种装置，能够把血压迅速升高，使软的脚爪变硬。也正是依靠这种液压传动，蜘蛛才能成为优秀的跳高运动员，它能跳到10倍于身高的高度。据计算，要取得这样的成绩，它们必须在刹那间把自己的血压提高半个大气压。测量蜘蛛脚伸展时脚爪内的张力，刚巧等于这样的压力。 受蜘蛛脚液压传动机构的启发，加拿大多伦多舞蹈学校教师高登·道顿发明了一种奇特的仿生车。这种座车采用铝和玻璃纤维做材料，重14磅 （1磅=0.453592千克），它由液压装置驱动，用一个模铸的座子和在臀部以及脚后跟下的一些小轮子装配而成。使用时，只要对后端和膝盖处的两个活塞中的任何一个施加压力，就可以驱动电动机使液体压入另一个活塞。如果朝后倾斜，液体就涌入较低的活塞，从而使膝盖伸展开，如向前倾则会使膝盖弯曲。虽然仅仅依靠上肢，但使用者看起来就像是在用下肢的小腿移动。 这种蜘蛛仿生车相对于轮椅来说，能给残疾者更大的活动范围。使用者坐姿很低，可以用手来推行。一位每周使用一小时的患者说：“它有点像滑冰板，不同的是你坐在上面。”有关专家认为，这种座车有助于截瘫者生长肌肉，促进血液循环。 前不久，美国一家公司还推出一种“蜘蛛人”装置，其外形与蜘蛛相仿，身躯下有6只吸脚，能在大楼外自由行走，从容跨越，更令人惊叹的是，这种“面目可憎”的“蜘蛛人”，竟能按指令完成2万个动作，刮、铲、冲、洗，无所不能。回想起来，世界上第一个现代机器人“降临”人间迄今还不过30年，但已迅猛地壮大起来，并不断更新换代，向“智能化”过渡。 蜘蛛机器人不光在上述民用领域里大显身手，而且还跻身于广泛应用尖端科技的军事领域，成为战场上冲锋陷阵、刀枪不入的“钢铁士兵”。美国奥地狄克斯公司对“蜘蛛”式六腿机器人进行了多年的研究。这种机器人的上部是一个圆球玻璃罩，里面装有摄像机和各种传感器；下部为六条细长的有关节的腿，整个机器人的形状酷似一只六腿蜘蛛。腿部可自由地伸直和弯曲，可在平地行走，也可在普通履带车和轮式车无法行驶的地方行走，还可以攀登楼梯或斜坡。“透明脑袋”中的传感器可接收各种信息，操作人员通过无线电控制它的行动。 苍蝇到处乱飞，污染环境，传染疾病，使人生厌。其实，深入探讨，苍蝇具有很强的抗病本领。如果我们在显微镜下面去观察的话，整个苍蝇，是完全处于细菌的包围之中，在它身上生活的细菌是上亿，甚至上百亿。而苍蝇自己却能“安然无恙”。在二战中以及二战结束之后，苍蝇问题引起了许多军事科学家、生物学家、病理学家的极大兴趣。他们带着各自的目的进行研究。结果发现苍蝇的进食方法与众不同，它是一边吃，一边吐，一边又拉，真是“吃、吐、拉一条龙”。它的消化道工作效率之高，是其他任何一种动物也无法与之比拟的。当食物进入消化道后，它可以立即进行快速处理。在7～11秒钟之内，可将营养物质全部吸收，与此同时，又能将废物及病菌迅速排出体外。当病菌进入苍蝇体内，刚好准备要“繁育后代”时，却已被苍蝇迅雷不及掩耳地将它们排出体外。这样高速度、高效率，真叫人“叹为观止”，因为这在动物界可说是绝无仅有的。 但事物往往不是绝对的，也有个别的强硬对手具有快速繁育后代的能力，它们可在三五秒钟之后产卵育后。碰上这样的细菌，苍蝇体内有可能“大闹天宫”，甚至令其“命归黄泉”。在这种情况下，苍蝇只好用最后一张“王牌”。在80年代中期，意大利病理学家莱维蒙尔尼卡博士研究发现：当病菌侵入苍蝇机体，使它的生命受到威胁时，它的免疫系统就会立即发射BF、 64BD的球蛋白。这两种球蛋白，说得确切一点，可以叫做“跟踪导弹”。它们 2会自动射向病菌，引起爆炸，与敌人“同归于尽”。更为神奇的是，BF、 64BD这两种球蛋白从免疫系统发射出来时，它们是双双对对，一前一后，自找 2目标，从不错乱。更叫你无法理解的是，这两种球蛋白在消灭对手时，一定以“彻底消灭干净”为最终目的。 我们人类常用的抗菌素药物，例如青霉素、庆大霉素之类，如果与BF、 64BD比较起来，那才是“老式步枪”与“现代冲锋枪”的较量，不知相差多少2倍。 正因为如此，目前有许多病理学家们正在潜心研究，想把它们应用到人类的抗菌治病方面来。如果能提取BF和BD用于人类抗菌，无疑将是一大 64 2福音。 最近，日本东京大学药理学教授名取俊二先生，在他几年的实验和研究中，竟然在家庭常见的大麻蝇体液中，成功地提取了外源性凝集素，并从这种蛋白质中分离出了核糖核酸。他用这种凝集素应用于试验，奇迹般地发现：这种外源性凝集素能有效地干扰哺乳类动物体内的肿瘤细胞，首先是使肿瘤萎缩，随着时间的推移，竟慢慢地消失了。无疑，这对于人类的抗癌治癌开辟了一条新的途径。 蜘蛛丝与防弹衣 蜘蛛营造网的技能很高，而且结构合理、形状多样。三角形的、八卦状的、漏斗形的、华盖状的、圆币形的、不规则形的等等。蜘蛛按一种高级几何曲线“对数螺线”的无穷曲线形式织网，人工难以画得像它那样匀称、美观。斑点金蛛织出比自行车轮还大的巨大圆网。危地马拉有一种蜘蛛，总是几十只汇聚在一起集体吐丝，织出硕大的网。这网有美丽的图案，红红绿绿十分好看，而且还能抗风抵雨，不易损坏。当地居民竞相采用这种蛛网来做窗帘。 美国马萨诸塞州研究中心的军事科学家和分子生物学家们经过深入研究，发现了蛛丝的不少奥秘。首先，蛛丝的延伸力很好。眼下，世界上流行的防弹衣使用的凯夫拉纤维，其延伸力超过4％时就会断裂，而蛛丝延伸到14％还安然无恙，超过15％才会断裂。蛛丝这种极强的弹力，对于来自子弹的外力冲击能起到很好的缓冲作用，因此，它是一种最理想的防弹服装的材料。蛛丝的另一大特点是它的“玻璃化转变温度”极低。试验证明，蛛丝在零下50～60摄氏度的低温下才出现“玻璃化”状态，开始变脆。而现行的大多数聚合物“玻璃化”温度只到零下十几度。蛛丝的这一特性，使其制作的降落伞、防弹衣和其他装备，即使在冰点以下的环境里仍具有良好的弹性；在骤然而至的重物袭击下，依然有极佳的承受能力。 蜂窝与太空飞行器 航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等太空飞行器，要进入太空持续飞行，就必须摆脱地心引力，这就要求运载它们的火箭必须提供足够大的能量。 要把地球上的太空飞行器送到地球大气层外，至少要使该飞行器获得7.9公里/秒的速度，此即第一宇宙速度；而要使飞行脱离地球，飞往行星或其他星球，则需达11.2公里/秒的速度，此谓第二速度。 为了使太空飞行器达到上述速度，运载火箭就必须提供相当大的推力。因为运载火箭上带有推进剂、发动机等沉重的“包袱”。按目前航天技术水平，平均发射1千克重的人造卫星就需要50～100千克的运载器，反之，太空飞行器自身重量越轻，也就可大大减轻运载火箭身上的“包袱”，也就能使太空飞行器飞得更高、更远。 为减轻太空飞行器的重量，科学家们绞尽脑汁，与太空飞行器“斤斤计较”。可要减轻飞行器重量，还要考虑不能减轻其容量与强度。科学家们尝试了许多办法都无济于事，最后，还是蜂窝的结构帮助科学家解决了这个难题。 大家都知道，蜜蜂的窝都是由一些一个挨一个，排列得整整齐齐的六角小蜂房组成的。18世纪初，法国学者马拉尔琪测量到蜂窝的几个角都有一定的规律：钝角等于109°28′。锐角等于70°32′，后来经过法国物理学家列奥缪拉、瑞士数学家克尼格、苏格兰数学家马克洛林先后多次的精确计算，得出如下结论：消耗最少的材料，制成最大的菱形容器，它的角度应该是109°28′和70°32′，和蜂房结构完全一致。但如果从正面观察蜂窝，蜂房是由一些正六边形组成的，既然如此，那每一个角都应是120°，怎么会有109°28′和70°32′呢？这是因为，蜂房不是六棱柱，而是底部由三个菱形拼成的“尖顶六棱柱形”。我国数学家华罗庚经精确计算指出：在蜜蜂身长、腰围确定情况下，尖顶六棱柱形蜂房用料最省。 蜂窝的这种结构特点不正是太空飞行器结构所要求的吗？于是，在太空飞行器中采用了蜂窝结构，先用金属制造成蜂窝，然后再用两块金属板把它夹起来就成了蜂窝结构。这种结构的飞行器容量大，强度高，且大大减轻了自重，也不易传导声音和热量。因此，今天的航天飞机、宇宙飞船、人造卫星都采用了这种蜂窝结构。 科学发展就是如此，有时看起来高不可攀的难题，只要开动脑筋，善于从日常生活中觅取线索，可能就会迎刃而解。小小的蜂窝，似乎与伟大的航空航天事业风马牛不相及，但仿生学却将它们紧密地联系在了一起，推动了人类社会的发展与科技的进步。 夜蛾与反雷达装置 在亿万年的动物演化过程中，许多动物都形成了一套进攻和防御的手段，以便能在复杂的生态环境中生存。夜晚围绕灯火飞舞的夜蛾，就有一套装备精良的“反雷达”装置，可以帮助它逃避蝙蝠的捕捉。 夜蛾是鳞翅目夜蛾科昆虫的通称，它的种类极多，约2万种以上，都是危害性极大的害虫。夜蛾和幼虫吞食农作物、果树、木材等等，其中粘虫分布最广、食性混杂，危害最大。螟蛾、斜纹夜蛾、大、小地老虎、棉铃虫、金钢钻等均属于夜蛾类，是农业上的敌害。 夜蛾类昆虫的体内有个特殊的结构，位于胸部与腹部之间的凹陷处，是十分灵敏的听觉器官，称为鼓膜器。鼓膜器的表面有一层极薄的表膜，它与内侧的感觉器相连。同时在内部还有许多空腔，可使传来的振动加强。感觉器内的两个听觉细胞，可使传入振动变为电信号，传入中枢神经并进入脑。 科学家们做了这样一个实验，把夜蛾固定在扬声器前，然后用扬声器播放模拟蝙蝠发出觅食搜索的的超声波，夜蛾顿时显得惊恐万状，丑态百出。如果不将夜蛾固定，它们立即逃得无影无踪了。科学家们又把鼓膜器的神经剥出，把它与示波器相连，当扬声器发出超声时，示波器上出现了神经发出的电脉冲。若将鼓膜破坏，示波器上则毫无变化。这个实验证明鼓膜器是夜蛾专门用来截听蝙蝠超声“雷达”波的耳朵，故称为“反雷达”装置。 还有些夜蛾具有其它反蝙蝠超声探测的装置，这些夜蛾的足部发出一连串的“咔嚓”声音，干扰蝙蝠超声雷达，使它们无法确定夜蛾的准确位置。有的夜蛾更为奇特，它们全身披满吸收超声的绒毛，好似一件“隐蔽服”，使蝙蝠发出的超声波得不到足够的回声，从而逃过蝙蝠的捕捉。可见夜蛾的 “反雷达”系统相当先进，在自然界中，蝙蝠要捕获一只夜蛾是不太容易的。 科学家们根据夜蛾的反超声定位器的原理，研制出一些特殊的装置。首先在农业上利用蝙蝠超声发音器，将模拟蝙蝠发出的声音播放到农田中，驱赶夜蛾类农业害虫，效果极好。另外在军事上用途更大，科学家模仿夜蛾的反雷达装置，在军用飞机和舰船上安装雷达监测器和干扰系统，可以随时发现敌方雷达发出的电波及准确的频率，然后放出巨大能量的干扰电波，使对方雷达系统产生混乱，无法发现己方的准确位置。在现代化的战斗机上都有一层吸附雷达电波的涂层，不容易被敌方雷达所发现，都是这个道理。 气步 的启示 在欧洲，美洲和我国的部分地区，生活着一种奇怪的甲虫。它们隐藏在水边的石块下，夜间出来活动。一旦遇到敌害进攻，它们会转过身体，从肛门喷出灼热的烟雾，类似爆炸的声响，浓烟有半尺多高，带有浓硝酸的气味，使天敌感到辛辣刺鼻，头痛眼花，常使1米多长的犰狳望而生畏，迅速逃窜。其它动物更不在话下，螳螂，青蛙和老鼠如果遇到烟雾会使眼睛失明。人的皮肤若接触到气体会被灼伤。这种昆虫就是气步 ，俗称放屁虫，由于它们从肛门放出毒气而得名。 气步 属于鞘翅目的昆虫。在它的腹部有个特殊的化学反应室，反应室两侧有两个腺体，分别贮存不同的物质。一个生产贮存对苯二酚，另一个内含过氧化氢，两个腺体有阀门与反应室相通。平时两种物质相互隔离，十分安全，气步 也过着平静的生活。当气步 遇到了敌害，感觉受到了威胁时，会猛烈收缩腹部，把贮存在腺体内的两种物质排入反应室里，在反应室内还有一种高效反应催化剂——过氧化氢酶。在酶的作用下，对苯二酚与过氧化氢快速氧化为有毒的醌，同时反应会放出大量的热量使醌的水溶液沸腾后以气雾状射出，发出啪啪的爆炸声。来犯者受到这种突如奇来的打击，往往狼狈逃窜。气步 的化学炮弹效率很高，可以连续4—5次重复开炮，最多可达到20次以上。 气步 化学武器给了科学家们很大启示，现代的泡沫灭火器，火箭及化学兵器都是根据气步 的体内结构设计出来的。 一般使用的泡沫灭火器，钢瓶里有两个容器。内瓶放入硫酸铝，外瓶存入硫酸氢钠溶液。平时正放的时候，两种药品互不接触，没有化学反应。一旦发生火灾，人们把灭火器倒转过来，碳酸氢钠与碳酸铝相互混合，产生了剧烈的化学反应，生成二氧化碳和氢氧化铝泡沫，并随着压力增大喷射出来，覆盖在燃烧的物体上，使燃烧物隔绝氧气，火焰熄灭。 液态火箭的推动装置更是如此，人们将液态的氢气和氧气分别贮在火箭内不同的容器中，有阀门通向燃烧室。平时将阀门关闭，不发生反应。一旦火箭点火时，阀门开启，氧气与氢气分别通过管道进入燃烧室。在剧烈的化学反应时放出大量的水和热量，水又变成高压的水蒸汽从尾部喷出，巨大的推动力使火箭高速前进。 人们虽然模仿了动物体内的一些化学反应程序，但是科学家们认为：与动物相比，一般的化学工厂及火箭装置的反应效率极低，能量消耗太大。主要是缺少高效反应催化剂——酶，现在人们正在试图模拟生产类似生物体内的各种酶系，到那时，化学工业将产生新的技术革命。 跳蚤的启示 跳蚤是昆虫世界里有名的跳高健将。它身长不到5毫米，跳高纪录是22厘米，跳远纪录是33厘米。如果按身高、体长的比例来计算，它算得上是动物世界的跳高冠军了。 跳蚤为什么有如此高超的跳跃本领呢？ 在电子显微镜下，就能清楚地看到跳蚤后足的肌肉很发达。肌肉的主要成分是蛋白质，而组成动物肌肉蛋白质的种类很多，它们分管着爬行、飞行、弹跳等等不同的功能。有一种能帮助跳蚤弹跳的蛋白质，叫做肌球蛋白和肌动蛋白，它们能促使跳蚤后足的肌肉强有力地收缩，收缩的力量越强，发挥出来的力量越大，跳得就越高。 肌肉的蛋白质里，还有一位叫酶的“朋友”，它专门协助肌肉加快运动速度，促进新陈代谢。酶和肌球蛋白、肌动蛋白在跳蚤脑神经指挥下，迅速接受“命令”，使肌肉很快收缩。这种肌肉运动非常迅速，每当肌肉收缩的时候，比原来处于静止状态的时候要缩短三分之一左右，一张一弛，整个过程只要几分之一秒，所以，跳蚤蹦得又快又高，当然你就不容易捉住它了。 科学家发现，昆虫的肌肉特别发达，肌肉纤维的数目，比人类及其他脊椎动物要多得多。比如，鳞翅目昆虫的幼虫就有1000～4000条，人们把柳木蠹蛾的幼虫解剖，除了头部以外，就有1647条肌肉，而人的肌肉还不到800条。 科学家还发现，如果按照比例计算，昆虫肌肉发挥出的力量，同昆虫身体大小成反比。比如，一种小甲虫，体重只有 6克，它能拉动一辆重 1093克的小玩具车，等于自己体重的182倍；而一种小小的贝雅尔果虫，竟能背动比自身重900倍的物体。 跳蚤繁衍在地球上至少有4000万年了，渐新世琥珀地层中发现的蚤化石证明了这一点。跳蚤除人体蚤以外，还有猫蚤、狗蚤、兔蚤、家禽蚤、鼠蚤和蝙蝠蚤等等。 科学家从昆虫的肌肉活动中得到启示，用各种化合物来制造出一种人造的“肌肉发动机”。比如，有一种叫胶原蛋白质的分子，很像螺旋弹簧，同肌肉纤维结构相似，当它遇到一种溴化锂的催化剂溶液的时候，就会收缩；再用水清洗时，它又恢复到原来的长度。人们把这类化合物放在预制的管道和模具中，胶原蛋白质就在里面收缩和伸长。这样，往复不已，起到了举重、牵引、垂压等机械功能作用。 白蚁的启示 白蚁喜欢温湿的环境，因此我国南方的白蚁危害很普遍。多数种类的白蚁怕光，它们很少在地面上进行破坏，所以，白天人们是很难看到它们的。在湖北荆江大堤上，有辆吉普车驶过，突然陷进了堤里；广东有个水库，有头牛在堤上缓步行走，突然陷进了堤里。后来查明，造成这些怪事的罪魁祸首是白蚁。广东漠阳江的堤坝，有次发生18处决口，其中6处是白蚁所破坏的。 国外的白蚁也干了不少的恶作剧。它们中有的种类就在地面上活动。在澳大利亚，一大群白蚁曾经咬穿了铅制的墙壁，钻进一个地窖里，把装在木桶里的7000公升啤酒“喝”了一大半。然后，又咬穿墙壁进入一家宾馆的房间里，把全部的木器家具蛀坏。在斯里兰卡，一大群白蚁把一座监狱的砖墙 “咬”了个大窟窿（其实，是白蚁分泌的蚁酸，把砖墙腐蚀了），结果使关押在那里的一批犯人逃跑了。在埃及，有个农民在古坟地挖土，惊动了穴中的白蚁，于是几百万只白蚁进入城市，建筑物遭到了白蚁的蹂躏。 要解除白蚁的危害，首先得注意预防，修建房屋的时候，地基最好建水泥层，使建筑物同泥土隔开。同地下接触的木桩、电杆、坑木，都要涂上防蚁涂剂。清除房屋四周的枯木、树根等朽木，消除白蚁栖息的场所。发现蚁孔和蚁穴，用灭蚊灵粉剂喷洒或用熏蒸剂熏蒸，采用灯光诱杀、网罩捕杀。 各国科学家开展了防治白蚁的研究。德国柏林联邦材料检验研究院的实验室里培育着世界各地的白蚁达40种，某些种的白蚁群体有几百万只，研究白蚁的生态和生理特性，从而研制木材防腐剂和接触性杀虫剂，并且正在研制耐白蚁和抗白蚁的合成物。科学家发现，白蚁有种奇特感觉，在构筑泥路和通道的时候，受磁场、电场和引力场的影响而随时改变线路和位置。 美国昆虫学家伯德在实验中发现，黑蚁是白蚁的天敌。黑蚁和白蚁如果相遇，就会进行全面的战斗，在较短的时间内，黑蚁会使白蚁的数量减少到十分之一。他的第一次试验是在林中和旷野上进行的，把一群黑蚁放到白蚁周围，黑蚁就展开了进攻，过了两星期，白蚁乖乖地把自己的领地让给了黑蚁。另一次，他把泥穴中的黑蚁迁移到居住有白蚁的实验场地附近，两小时以后，白蚁全部撤离了。“以虫除虫”，真是个好办法。 白蚁破坏性很大，可有时候也能帮人干点事情。 国外科学家在土库曼卡拉库姆附近进行的白蚁尸体详细分析，发现白蚁身上有银、锶、铬、钛、镍、铜等23种元素。原来，白蚁钻入地下十几米深的地方，饮用含有盐分的水，时间一久，多种金属就在体内聚积起来，它们的身体就含有多种元素。它可以成为帮助人们寻找矿物的特殊指示器。 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。树上的蜘蛛不结网，只是静静地躲在花上，变成花一样的颜色，便可轻易地捉到前来栖息的幼虫。 在军事技术中，也有类似的隐身技术，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，因而体积大大缩小。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。 |
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